植物生理学：植物光合作用

PhotosynthesisinPlant

Section1Conceptandsignificanceofphotosynthesis

18世纪以前，人们都认为植物是从土壤中获得生长所需的全部元素的。1771年英国化学家普利斯特利(J.Priestley)发现将薄荷枝条和燃烧的蜡烛放在一个密闭的钟罩里，蜡烛不易熄灭；将小鼠与植物放在同一钟罩里，小鼠也不易窒息死亡。因此，他提出植物可以“净化”空气，现在就把1771年定为发现光合作用的年代。以后又经许多人的研究，到了19世纪末，人们写出了如下的光合作用的总反应式：

6CO2+6H2O→C6H12O6＋6O2(3-1)

从(3-1)式中可以看出：光合作用本质上是一个氧化还原过程。其中CO2是氧化剂，CO2中的碳是氧化态的(+4)，而C6H12O6

中的碳是相对还原态的(+2inketogroups-CO-,0insecondaryalcohols–CHOH)，CO2被还原到糖的水平。H2O是还原剂(-2OinH2O,0OinO2)，作为CO2还原的氢的供体。(3-1)式用了几十年，后来又把它简化成下式：

CO2+H2O→(CH2O)＋O2(△G°′＝4.78×105J)(3-2)

(3-2)式用(CH2O)表示一个糖类分子的基本单位，比较简洁。用叶绿体代替绿色植物，说明叶绿体是进行光合作用的场所。由于葡萄糖燃烧时释放2870kJ·mol-1的能量，因而每固定1molCO2(即12g碳)就意味着转化和贮存了约478kJ的能量。

应该注意到光合作用反应式中所有的反应物和产物都含有氧，而上面两式并没有指出释放的O2是来自CO2还是H2O。很多年来，人们一直以为光能将CO2分解成O2和C，C与H2O结合成(CH2O)，然而研究证实了光合作用释放的O2来自于H2O。

1.2Significanceofphotosynthesis-Themostimportantchemicalreactionontheearth(1)Amainpathwaytochangeinorganicmatterintoorganicmatter.CO2——7×1011t/year，(6400tC/s)，organicmatter5×1011t/year——“Greenfactory”。(2)Ahugeprogramofconversionoflightenergy.3×1021J/year。(3)MaintenanceofO2andCO2equilibriuminatmosphere。5.35×1011t/year

O2released.TheO3layerfromO2accumulationinatmosphereprotectingorganismsfromultraviolentrays.O221%,CO20.03%(300μl/L)Greenhouseeffect

(温室效应)——

Greenhousegases(温室气体)——CO2及甲烷。透过太阳短波辐射，反回地球长波辐射，地球散失能量减少，地球变暖。这种效应类似温室。

Section2Chloroplastanditspigments

2.1Structure,componentanddevelopmentofchloroplast

2.1.1Structureandfunctionofchloroplast

叶片是光合作用的主要器官，而叶绿体是光合作用最重要的细胞器。

高等植物的叶绿体多呈扁平的椭圆形,直径约3～6μ,厚约2～3μ.shadeleaves>sunleaves。20～200/cell。Thephotographofchloroplastunderelectronicmicroscope

ChloroplastChloroplastsassembledperpendiculartolightdirectionunderlowlightintensityChloroplastsassembledparalleltolightdirectionunderhighlightintensity弱光强光Chloroplast:structureandfunction

被膜(envelop)类囊体(thylakoid)

叶绿体(Chloroplast）外被膜—permeability内被膜—selectivepermeability(H2O,O2,CO2—Free;Pi,TP,aa--Transporters)膜—光合色素、光合链——原初反应、电子传递和光合磷酸化（光合膜photosyntheticmembrane）腔—光合放O2

间质（stroma）——光合碳循环酶（Rubisco),CO2固定(同化);DNA，RNA，核糖体70S——部分遗传自主1.叶绿体被膜(chloroplastenvelope)

叶绿体被膜由两层单位膜组成，两膜间距5～10nm。被膜上无叶绿素，它的主要功能是控制物质的进出，维持光合作用的微环境。外膜(outermembrane)为非选择性膜，分子量小于10000的物质如蔗糖、核酸、无机盐等能自由通过。内膜(innermembrane)为选择透性膜，CO2、O2、H2O可自由通过；Pi、磷酸丙糖、双羧酸、甘氨酸等需经膜上的运转器(translocator)才能通过；蔗糖、C5`C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物质则不能通过。

2.基质及内含物被膜以内的基础物质称为基质(stroma)，基质以水为主体，内含多种离子、低分子的有机物，以及多种可溶性蛋白质等。基质是进行碳同化的场所，它含有还原CO2与合成淀粉的全部酶系，其中1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(ribulose1,5bisphosphatecarboxylase/oxygenase,Rubisco)占基质总蛋白的一半以上。此外，基质中含有氨基酸、蛋白质、DNA、RNA、脂类(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(叶绿素类、细胞色素类)和萜类(类胡萝卜素、叶醇)等物质及其合成和降解的酶类，还含有还原亚硝酸盐和硫酸盐的酶类以及参与这些反应的底物与产物，因而在基质中能进行多种多样复杂的生化反应。

基质中有淀粉粒(starchgrain)与质体小球(plastoglobulus)，它们分别是淀粉和脂类的贮藏库。将照光的叶片研磨成匀浆离心，沉淀在离心管底部的白色颗粒就是叶绿体中的淀粉粒。质体小球又称脂质球或亲锇颗粒，在叶片衰老时叶绿体中的膜系统会解体，此时叶绿体中的质体小球也随之增多增大。

3.类囊体类囊体(thylakoid)是由单层膜围起的扁平小囊，膜厚度5～7nm，囊腔(lumen)空间为10nm左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向。类囊体分为二类：一类是基质类囊体(stromathylakoid),又称基质片层(stromalamella)，伸展在基质中彼此不重叠；另一类是基粒类囊体(granathlylakoid)，或称基粒片层(granalamella)，可自身或与基质类囊体重叠(granum)。片层与片层互相接触的部分称为堆叠区(appessedregion)，其他部位则为非堆叠区(nonappressedregion)。

2.1.2Elementsofchloroplast

H2O—75-80%。

Drymatter:20-25%

Proteins:30-50%——糖protein

Lipids:20-30%,优势的为MGDG和DGDG，PG只总脂的10%左右。

Pigments:8%

Ash:10%

空间结构——

“板块流动模型”。

2.1.3

叶绿体的发育

光暗光原质体前质体高等植物的叶绿体由前质体(proplastid)发育而来，前质体是近乎无色的质体，它存在于茎端分生组织中。当茎端分生组织形成叶原基时，前质体的双层膜中的内膜在若干处内折并伸入基质扩展增大，在光照下逐渐排列成片，并脱离内膜形成囊状结构的类囊体，同时合成叶绿素，使前质体发育成叶绿体。幼叶绿体能进行分裂。

光合色素(三大类)叶绿素类(chlorophylls),

Chla,Chlb,

Chlc,Chld,Chle和细菌叶绿素a,b等类胡萝卜素类(carotenoids),胡萝卜素(carotene)

叶黄素(xanthophyll)藻胆素:藻蓝素(phycocyanobilin)

藻红素(phycoerythrobilin)。2.2

光合色素及其性质叶绿素(chlorophyll)是使植物呈现绿色的色素，约占绿叶干重的1％。植物的叶绿素包括a、b、c、d四种。高等植物中含有a、b两种，叶绿素c、d存在于藻类中，而光合细菌中则含有细菌叶绿素(bacteriochlorophyll)。叶绿素a(Chla)呈蓝绿色，叶绿素b(Chlb)呈黄绿色，分子量分别为892和906，叶绿素是双羧酸的酯，其中一个羧基被甲醇所酯化，另一个被叶绿醇所酯化.叶绿素a与b的分子式很相似，不同之处是叶绿素a比b多两个氢少一个氧。两者结构上的差别仅在于叶绿素a的B吡咯环上一个甲基(－CH3)被醛基(－CHO)所取代.叶绿素分子含有一个卟啉环（porphyrinring）的“头部”和一个叶绿醇(植醇，phytol)的“尾巴”。卟啉环由四个吡咯环与四个甲烯基(－CH＝)连接而成，它是各种叶绿素的共同基本结构。与血红素和细胞色素中的卟啉环相似。卟啉环的中央络合着一个镁原子，镁偏向带正电荷，而与其相联的氮原子则带负电荷，因而“头部”有极性，是亲水的。另外还有一个含羰基的同素环（含相同元素的环），其上一个羧基以酯键与甲醇相结合。环D上有一个丙酸侧链以酯键与叶绿醇相结合，叶绿醇是由四个异戊二烯单位所组成的双萜，是亲脂的，能伸入类囊体的拟脂层，故叶绿素能定向排列。

卟环上的共轭双键和中央镁原子容易被光激发而引起电子的得失，这决定了叶绿素具有特殊的光化学性质。卟啉环中的镁可被H+、Cu2+、Zn2+等所置换。当为H+所置换后，即形成褐色的去镁叶绿素(pheophytin，Pheo)。去镁叶绿素中的H＋再被Cu2+取代，就形成铜代叶绿素，颜色比原来的叶绿素更鲜艳稳定。根据这一原理可用醋酸铜处理来保存绿色标本。叶绿素是一种酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有机溶剂如80％的丙酮，或者95%乙醇，或丙酮∶乙醇∶水＝4.5∶4.5∶1的混合液来提取叶片中的叶绿素，用于测定叶绿素含量。之所以要用含有水的有机溶剂提取叶绿素，这是因为叶绿素与蛋白质结合很牢，需要经过水解作用才能被提取出来。

2.2.1ChemicalcharacteristicsofchloroplastpigmentsChlaChlb(1)Chlorophylls

不溶于水，溶于有机溶剂（乙醇、丙酮、石油醚），干叶必须用含水的有机溶剂抽提。CCCCNCCCCNCCCCNCCCCNMgCCHHCCCH2CHCH3H3C—H2C—H2CH3C——CH3O=CCHH3C-O-C=OCH2CH2C=OOHCH2CH2CHCCH3HCHCHCHCHCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CCH3CH3CH312345678910镁卟啉——亲水的“头部”颜色来源叶醇基（双萜）——亲脂的“尾部”HCOChlb—IIIIIIIVV3D-structureofChlamolecule叶绿素空间结构示意图（a）皂化反应——分离叶绿类和类胡萝卜素C32H30ON4MgCOOCH3COOC20H39+2KOHC32H30ON4MgCOO—COO—+2KOH+CH3OH+C20H39OH（B）取代反应

H+取代Mg2+,Cu2+(Zn2+)取代H+

。CCCCNCCCCNCCCCNCCCCNHHCCHHCCCH2CHCH3R1—H2CH3C——CH3CCCCNCCCCNCCCCNCCCCNCuCCHHCCCH2CHCH3R1—H2CH3C——CH3褐色绿色(2)Carotenoids类胡萝卜素都不溶于水,而溶于有机溶剂。胡萝卜素呈橙黄色,叶黄素呈鲜黄色。由8个异戊二烯形成四萜化合物——共轭双键体系——吸收和传递光能。

一般来说，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3∶1，所以正常的叶子总呈现绿色。秋天或在不良的环境中，叶片中的叶绿素较易降解，数量减少，而类胡萝卜素比较稳定，所以叶片呈现黄色。类胡萝卜素总是和叶绿素一起存在于高等植物的叶绿体中，此外也存在于果实、花冠、花粉、柱头等器官的有色体中藻胆素(phycobilin)仅存在于红藻和蓝藻中，主要有藻红蛋白(phycoerythrin)、藻蓝蛋白(phycocyanin)和别藻蓝蛋白(allophycocyanin)三类，前者呈红色，后两者呈蓝色。它们的生色团与蛋白以共价键牢固地结合。藻胆素分子中的四个吡咯环形成直链共轭体系，不含镁也没有叶绿醇链。藻胆素也有收集光能的功能。

2.2.1Opticalcharacteristicsofchloroplastpigments

(1)Absorptionspectrum

ab400500600700Waverlength(nm)RelativeabsorbtanceChl吸收光区,红光区(640-660nm),

蓝紫光区(410-470nm)。在红光区Chla的吸收峰波长长于Chlb的吸收峰波长,在蓝紫光区Chla的吸收峰波长短于叶绿素b的吸收峰波长。类胡萝卜素的吸收蓝紫光部分。类胡萝卜素除吸收和传递光能以外,还可稳定质体中的叶绿素分子,防止其自身氧化或被阳光破坏。Waverlength(nm)RelativeabsorbtanceThexanthophyllcycleIftheexcitedstateofchlorophyllisnotrapidlyquenchedbyexcitationtransferorphotochemistry.itcanreactwithmolecularoxygentoformanexcitedstateofoxygencalledsingletoxygen.Nonphotochemicalquenching:quenchingofchlfluorescencebyconversionintoheat.Xanthophyllpool:violaxanthin,antheraxanthin,andzeaxanthin.Inhighlight,violaxanthinisconvertedintozeaxanthinviatheintermediateantheraxanthin,bytheenzymeviolaxanthinde-epoxidase.Experimentshaveshownthatzeaxanthinisthemosteffectiveinheatdissipation,andantheraxanthinisonlyashalfaseffective.Wherasethelevelsofantheraxanthinremainrelativelyconstantthroughouttheday,thezeaxanthincontentincreasesathighirradiancesanddecreasesatlowirradiances.(2)Fluorecenceandphosphorecence。叶绿素溶液在透射光下呈绿色,而在反射光下呈红色(叶绿素a为血红色,叶绿素b为棕红色)的现象称为荧光现象。荧光的寿命很短,约为10-9s。光照停止,荧光也随之消失。在进行光合作用的叶片很少发出荧光。Thewavelengthoffluorescenceisslightlylongerthanthewavelengthofabsorption.Why?thefluorescenceregion?叶绿素还会发出红色磷光,磷光的寿命为10-2～103秒,强度仅为荧光的1%。22.3RelationsbetweenChlbiosynthesisandenvironments

2.3.1

Chlbiosynthesis

谷氨酸或α-酮戊二酸→δ-氨基酮戊酸(ALA)→2ALA→胆色素原（PBG)→4PBG→尿卟啉原Ⅲ

→粪卟啉原Ⅲ→有氧原卟啉Ⅸ→

Mg-原卟啉(原卟啉Ⅸ与Fe结合,则可合成亚铁血红素)→原叶绿素酸酯→经光照还原为叶绿酸酯→叶绿素a→叶绿素b(叶绿素b则是由叶绿素a氧化形成的

)。O2Fe2.3.1

Environmentalconditionsinfluencing

Chlbiosynthesis

(1)Light

原叶绿素酸酯→叶绿素酸酯,叶绿体发育。缺光黄化。例外——柑桔种子及莲子的胚芽。

(2)Temperature

约2-40℃,最适为30℃。喜温植物>10℃。秋天黄叶,早春嫩芽，早稻秧苗

“节节白”等(3)Mineralnutritions。缺N、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu时出现缺绿病。(4)O2

缺O2时引起Mg2+原卟啉Ⅸ及(或)Mg2+原卟啉甲酯积累,而不能合成叶绿素。(5)、H2O

缺水时,Chl形成受阻,易受破坏。叶绿素分解：在Chl酶的作用下形成叶绿素酸酯，再成为去Mg叶绿素酸酯，再逐步氧化分解。Section3Mechanismofphotosynthesis①Primaryreaction;②Photosyntheticelectrontransportandphotophosphorylation;③Carbondioxideassimilation。

3.1

Primaryreaction

—光能转化为电能

原初反应包括光能的吸收,传递和光化学反应。原初反应(primaryreaction)是指从光合色素原初反应与生化反应相比，其速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)与纳秒(ns，10－9s)内完成，且与温度无关，可在－196℃(77K，液氮温度)或－271℃(2K，液氦温度)下进行。由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1。

3.1.1Absorptionoflightenergy

光子(photon)又称光量子(quantum)的能量用下式表示:光子的能量与其波长成反比。因此蓝紫光能量比红光高。吸收光子必须遵守普朗克定律

h

基态(groundstate)激发态(excitedstate)

h

第二单线态(E2)第一单线态(E1)基态（E0）h

h

三线态吸收兰紫光吸收红光发射荧光发射磷光叶绿素电子云能级及激发和发射光示意图激发能的传递或光化学反应PDAh

h

光合单位PDA——作用中心色素（P），原初电子供体（D）和原初电子受体（A）外围为天线色素一、光能的吸收与传递

(一)激发态的形成

通常色素分子是处于能量的最低状态—基态(groundstate)。色素分子吸收了一个光子后，会引起原子结构内电子的重新排列。其中一个低能的电子获得能量后就可克服原子核正电荷对其的吸引力而被推进到高能的激发态(excitedstate)。下式表示叶绿素吸收光子转变成了激发态。激发态具有比基态高的能级，能级的升高来自被吸收的光能。(二)激发态的命运

1．放热激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量，此过程又称内转换(internalconversion)或无辐射退激(radiationlessdeexcitation)。2.发射荧光或磷光激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能量。处在第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为荧光(fluorescence)，而处在三线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为磷光(phosphorescence)。磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧光的1%，故需用仪器才能测量到。

3.色素分子间的能量传递激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程称为色素分子间能量的传递。

二、光化学反应

(一)反应中心与光化学反应

1.反应中心原初反应的光化学反应是在光系统的反应中心(reactioncenter)进行的。反应中心是发生原初反应的最小单位，它是由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子受体与供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质等成分组成的。反应中心中的原初电子受体(primaryelectronacceptor)是指直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体，而反应中心色素分子是光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的，因此反应中心色素分子又称原初电子供体(primaryelectrondonor)。

2.光化学反应原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应，可用下式表示光化学反应过程：

P·A→P*·A→P+·A-

原初电子供体，即反应中心色素(P)吸收光能后成为激发态(P*)，其中被激发的电子移交给原初电子受体(A)，使其被还原带负电荷(A-)，而原初电子供体则被氧化带正电荷(P+)。这样，反应中心出现了电荷分离，到这里原初反应也就完成了。原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱”(trap)，便可从次级电子供体那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体。供电子给P+的还原剂叫做次级电子供体(secondaryelectrondonor,D)，从A-接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(secondaryelectronacceptor，A1)，那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：

D·〔P+·A-〕·A1→D+·〔P·A〕·A1-

这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。light-harvestingpigment(集光色素）或antennapigment（天线色素)——只起吸收和传递光能,不进行光化学反应的光合色素，Chlb,carotenoids,Cha。reactioncentrepigment(作用中心色素）又名trap（陷井)——吸收光或由集光色素传递而来的激发能后,发生光化学反应引起电荷分离的光合色素，Cha(afew).3.1.2Excitedenergytransfer

诱导共振、激子传递和电子迁移,但以诱导共振为主。诱导共振(inductiveresonance)是指当某一特定的分子吸收能量达到激发态,在其重新回到基态时,使另一分子变为激发态。诱导共振传递，能量逐步下降。能量传递效率：Chla,b几乎100%传给作用中心色素，

Carotenoids约20-50%传给作用中心色素。h

PigmentsintheLHC-IIandphotosystemFigure4PigmentsintheLHC-IItrimerandmonomerinspinach.a,StereoviewshowingthepigmentarrangementpatternintheLHC-IItrimer.Viewalongthemembranenormalfromthestromalside.MonomersarelabelledI–III.Forclarity,thechlorophyllphytylchainsandlipidsareomitted.Green,Chla;blue,Chlb;yellow,lutein;orange,neoxanthin;magenta,xanthophyll-cyclearotenoids.b,c,Pigmentpatterninamonomeratthestromalandlumenalsides,respectively.2.74Å

3.1.3

Photochemicalreaction光化学反应是指反应中心色素分子受光激发引起的氧化还原反应。

(P，pigment),(A,accepter)、(D,Donor)组成。

h

DPADP*ADP+A—

D+PA—Photosyntheticunit(光合单位)：由250-300个叶绿素和其它集光色素分子构成的,能完成1个光量子吸收并转化的色素蛋白复合体。释放一个氧分子需要吸收几个光量子?需要多少个叶绿素分子参与?在研究这些问题的过程中，提出了“光合单位”的概念。在研究光能转化效率时，需要知道光合作用中吸收一个光量子所能引起的光合产物量的变化(如放出的氧分子数或固定CO2的分子数)，即量子产额(quantumyield)或叫量子效率(quantumefficiency)。量子产额的倒数称为量子需要量(quantumrequirement)即释放1分子氧和还原1分子二氧化碳所需吸收的光亮子数。1922年，瓦伯格等计算出最低量子需要量为4，而他的学生爱默生(R.Emersen)等则测定出最低量子需要量为8。后来的实验证据都支持了爱默生的观点，于是8的最低量子需要量得到了普遍的承认，这个数值相当于0.125的量子效率。Whywasonlyonemoleculeofoxygenproducedforeach2500chlorophyllmolecules?-Wenowknowthatseveralhundredpigmentsareassociatedwitheachreactioncenterandeachcentermustoperatefourtimestoproduceonemoleculeofoxygen-hencethevalueof2500chlorophyllsperoxygen.根据光化学定律(一个分子吸收一个量子，发生一次光化学变化)，如果植物的每个叶绿素分子都能进行光化学反应，按还原1个CO2和释放1个O2需吸收8个光量子算，则每当有8个叶绿素分子在一起时，一次足够强的闪光就会造成1个O2的释放。但在1932年，爱默生及阿诺德(W.Arnold)对小球藻(chlorella)悬浮液做闪光试验，计算每次闪光的最高产量是约2500个叶绿素分子产生1个O2分子，似乎在光合组织中是以2500个叶绿素分子组成1个集合体进行放氧的，于是当时就把释放1分子氧或同化1分子CO2所需的2500个叶绿素的分子数目称作1个“光合单位”(photosyntheticunit)。以后又认为，光合是以吸收光量子开始的，应以量子基础计算“光合单位”，1个光合单位应是300(2500÷8≈300)个叶绿素分子。为什么要300个叶绿素分子吸收1个光子?其解释是：闪光可能被几百个叶绿素分子吸收，可是激发能需传递到1个能够产生光化学反应的“反应中心”(reactioncenter)区域才能有效。这个反应中心的反应中心色素分子(reactioncenterpigment)是一种特殊性质的叶绿素a分子，它不仅能捕获光能，还具有光化学活性，能将光能转换成电能。PDAh

h

光合单位PDA——用中心色素（P），原初电子供体（D）和原初电子受体（A）外围为天线色素3.2Photosyntheticelectrontransportandphotophosphorylation

电能变为活跃的化学能（ATP和NADPH）。

3.2.1两个光系统小球藻红降现象和双光增益效应（爱默生效应）

相对量子产额Reddropeffect:Thequantumyieldofoxygenevolutionfallsoffdrasticallyforfar-redlightofwavelengthsgreaterthan680nm.Enhancementeffect:Therateofphotosynthesiswhenredandfar-redlightaregiventogetherisgreaterthanthesumofrateswhentheyaregivenapart.高等植物的两个光系统有各自的反应中心。PSⅠ和PSⅡ反应中心中的原初电子供体很相似，都是由两个叶绿素a分子组成的二聚体，分别用P700、P680来表示。这里P代表色素(pigment)，700、680则代表P氧化时其吸收光谱中变化最大的波长位置是近700nm或680nm处，也即用氧化态吸收光谱与还原态吸收光谱间的差值最大处的波长来作为反应中心色素的标志。

PSⅠ的原初电子受体是叶绿素分子(A0)，PSⅡ的原初电子受体是去镁叶绿素分子(Pheo)，它们的次级电子受体分别是铁硫中心和醌分子.PSⅠ的原初反应为：P700·A0→P700·Ａ0→P700+·A0-(4-17)

PSⅡ的原初反应为：P680·Pheo→P680·Pheo→P680+·Pheo-(4-18)

在原初反应中，受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子，完成了光→电转变，随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。(1)PhotosystemⅠ(PSI,光系统Ⅰ)。～

80Å——～

110Å,在类囊体垛叠和非垛叠区都有分布。PSI的作用中心色素是P700;原初电子供体

PC;

原初电子受体A0;最终推动NADPH形成。Fig12-13StructuralmodelofthePSIFig12-15OrganizationofelectroncarriesinthePSIcentercomplexOverallstructureofthePSI-LHCIsupercomplexfromPisumsativumataresolutionof2.8Å.(A)Viewalongthemembranenormalfromthestromalside.(B)Arrangementofpigmentsandothercofactors(lipids,Fe4S4clusters,andphylloquinones),withtheviewdirectionsameasin(A).Forclarity,theproteinbackbonesandphytolchainsofChlsareomitted.(C)SideviewofthePSILHCIsupercomplexfromtheLHCIside,withthephytolchainsofChlsomitted.Colorcodesforallpanels:PSIcoresubunits:pink,PsaA;gray,PsaB;lightblue,PsaC;khaki,PsaD;lightgreen,PsaE;orange,PsaF;blue,PsaGandPsaK;red,PsaH;purple,PsaIandPsaJ;green,PsaL.Lhcaproteins:green,Lhca1;cyan,Lhca2;magenta,Lhca3;yellow,Lhca4.Cofactors:green,ChlsaofPSIcorecomplex;yellow,ChlsaofLHCI;magenta,ChlsbofLHCI;blue,carotenoids;black,lipids;red,cofactorsoftheelectrontransferchain(Chlsa,phylloquinones,andFe4S4clusters).ArrangementsofpigmentswithinLHCI(AandD)Sideview,fromtheLHCIside,oftheoverallarrangementofpigmentsinthefourLhcas.(BandC)Viewofthepigmentarrangementsalongthemembranenormalfromthestromalandlumenalsides,respectively[viewdirectionsindicatedbyarrowheadsin(A)].In(A)to(C),ChlsaandChlsbarerepresentedbygrayandorangespheres,respectively,atthepositionsoftheirMg2+ions,withMg-to-MgdistancesofadjacentChlsgiveninÅ.ThenumbersofChlsarelabeledwiththelastoneortwodigits.LhcasubunitsaredepictedinthesamecolorsasinFig.1,andcarotenoidsaredepictedinthesamecolorastheLhcasubunitstheyareassociatedwith.In(D),thethreecarotenoidbindingsitesL1(Lut620),L2(Vio621),andN1(BCR623)areshowningreen,yellow,andmagenta,respectively.Lut624intheL3siteofLhca4isshowninlightblue.(2)PhotosystemⅡ(PSⅡ，光系统Ⅱ)。

～

110Å——～

145Å,在类囊体膜的垛叠部分。PSⅡ的作用中心色素是P680。原初电子受体Ph,原初电子供体YZ

抗阿特拉津的植物PSⅡ的功能常与放O2相联系。

-PSⅠpreferentiallyabsorbsfar-redlightofwavelengthgreaterthan680nm;PSⅡpreferentiallyabsorbsredlightof680nm.PsⅠproducesastrongreductantcapableofreducingNADP+,andaweakoxidant.PsⅡproducesaverystrongoxidantcapableofoxidizingwater,andaweakreductantthantheoneproducedbyPSⅠ.ThereductantproducedbyPsⅡre-reducestheoxidantproducedbyPSⅠ.ThestructureofRC(reactioncenter)ofthephotosyntheticbacteriumRhodopseudomonasviridis.a,whole.b,cofactorsFig12-12StructuremodelofPSIIreactioncenter3.2.2Photosyntheticelectrontransport(光合电子传递)原初反应使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递。电子传递的结果，一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；另一方面建立了跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，形成ATP。这样就把电能转化为活跃的化学能。3.2.2.1Photosyntheticchain(光合链)。

光合链是类囊体膜上由两个光系统(PSⅠ和PSⅡ)和若干电子传递体,按一定的氧化还原电位依次排列而成的体系。

P700-1.2-0.8-0.4-0.00.40.81.2MnH2OO2+H+ZP680P680PhQAQBPQFe-SCytfPC*P700*A0A1FXFBFAFdFNRNADP光合电子传递Z字方案图h

(1)电子传递链主要由光合膜上的PSⅡ、Cytb6/f、PSⅠ三个复合体串联组成。(2)电子传递有二处是逆电势梯度，即P680至P680*，P700至P700*，这种逆电势梯度的“上坡”电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动，而其余电子传递都是顺电势梯度进行的。(3)水的氧化与PSⅡ电子传递有关，NADP+的还原与PSⅠ电子传递有关。电子最终供体为水，水氧化时，向PSⅡ传交4个电子，使2H2O产生1个O2和4个H+。电子的最终受体为NADP+。(4)PQ是双电子双H+传递体，它伴随电子传递，把H+从类囊体膜外带至膜内，连同水分解产生的H+一起建立类囊体内外的H+电化学势差，并以此而推动ATP生成。

在“Z”链的起点,H2O是最终的电子供体;在“Z”链的终点,NADP+是电子的最终受体。在整个链只有两处(P680→P680*,P700→P700*)是逆氧化还原电位梯度,需光能推动的需能反应。3.2.2.2Maincomplexesconsistingofphotosyntheticchain:①PSⅡ及其集光色素复合体(LHCⅡ),②PSI及其集光色素复合体(LHCI),③细胞色素复合体(含Cytf、Cytb6和Fe-S蛋白),④偶联因子复合体(又名ATP合酶)图3-16)。Fig12-22-1MembraneorganizationoftheZ-scheme.PQ(plastoquinones，质体醌或质醌),担负着在PSI和PSⅡ间传递氢(H+和e-)的任务。PQ穿梭在光合电子传递过程中PQ使间质中H+不断转入类囊体腔,导致间质pH上升,形成跨膜的质子梯度。PC(plastocyanin，质蓝素或质体菁),含铜蛋白质,PSI的原初电子供体。PQisasmall(10.5kDa),water-solublecopper-containingprotein.PCtransferselectronsbetweenthecytochromeb6fcomplexandP700.Fd(Ferredoxin,铁氧还蛋白),把电子传给FNR后还原NADP为NADPH,或把电子传给Cytb6，进行环式光合电子传递。此外,Fd还在亚硝酸还原,酶活化等方面具有多种功能。3.2.2.3Photosyntheticelectrontransportpathways。

(1)非环式光合电子传递和非环式光合磷酸化。

涉及两个光系统。产生O2,NADPH和ATP，占总电子传递的70%以上。指水中的电子经PSⅡ与PSⅠ一直传到NADP+的电子传递途径。传递过程如下：

H2O→PSⅡ→PQ→Cytb6/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→NADP+(4-22)

按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需要吸收8个光量子，量子产额为1/8，同时转运8个H+进类囊体腔。

P680PheoQAQBD1D2ZMnH2O1/2O2+2H+2h

PQPQPQH2Fe-SCytfCytb62H+2H+PCP700PCA0A14Fe-4SFdNADP

NADPH3H+ATPADPLHCIILHCIICytbLHCILHCI2h

非环式光合电子传递和非环式光合磷酸化示意图

(2)环式光合电子传递和环式光合磷酸化。只涉及PSI，能产生ATP,ATP的补充形式。占总电子传递的30%左右。常指PSⅠ中电子由经Fd经PQ，Cytb6/fPC等传递体返回到PSⅠ而构成的循环电子传递途径。即：

PSⅠ→Fd→PQ→Cytb6/f→PC→PSⅠ(4-23)

环式电子传递不发生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜运输，每传递一个电子需要吸收一个光量子。也有人认为，PSⅡ中也存在着循环电子传递途径，其电子是从QB经Cytb５５９，然后再回到P680。

P680PheoQAQBD1D2ZMnPQPQPQPQH2Fe-SCytfCytb62H+2H+PCP700PCA0A14Fe-4SFdNADP3H+ATPADPLHCIILHCIICytbLHCILHCI2h

环式光合电子传递和环式光合磷酸化示意图

(3)假环式电子传递和假环式光合磷酸化。涉及两个光系统，形成超氧自由基对植物体造成危害。在强光下，CO2不足，NADPH过剩下发生。指水中的电子经PSⅠ与PSⅡ传给Fd后再传给O2的电子传递途径，这也叫做梅勒反应(Mehler′sreaction)。

H2O→PSⅡ→PQ→Cytb6/f→PC→PSⅠ→Fd→O2

（4-24）

Fd为单电子传递体，其氧化时把电子交给O2，使O2生成超氧阴离子自由基。

Fd还原+O2→Fd氧化+O2

-

（4-25）

叶绿体中有超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)，能消除O2-。

O2

-+O2

-+2H＋H2O2+O2

（4-26）

假环式电子传递的结果造成O2的消耗与H2O2的生成。假环式电子传递实际上也是非环式电子传递，也有H+的跨膜运输，只是电子的最终受体不是NADP+而是O2。O2·Someherbicidesblockphotosyntheticelectronflow-Someherbicidesblockaminoacids,carotenoidorlipidsynthesisordisruptcelldivision;Otherblockphotosyntheticelectronflow.Diruon(DCMU)blockselectronflowofquinoneacceptorsofPSII,bycompetingforthebindingsiteofplastoquinonethatisnormallyoccupiedbyPQb.P680PheoQAQBD1D2ZMnH2O1/2O2+2H+2h

PQPQPQH2Fe-SCytfCytb62H+2H+PCP700PCA0A14Fe-4SFd3H+ATPADPLHCIILHCIICytbLHCILHCI2h

假环式光合电子传递和假环式光合磷酸化示意图O2·3.2.2.4waterphotolysisandoxygenevolving(水光解与氧释放)。水的氧化反应是生物界中植物光合作用特有的反应，也是光合作用中最重要的反应之一。前已提到每释放1个O2需要从2个H2O中移去4个e-，同时形成4个H+。

Hill(希尔)反应

(1937)。离体叶绿体(类囊体)加到有适宜氢受体(A)(artificialreceptor)的水溶液中,照光后即有O2放出,并使氢受体(A)还原。2H2O+2A(4Fe3+)Light2A2-(4Fe2+)+2H++O2Chloroplasts(thylakoids)特点：在光下放O2稳定，在暗适应后放O2波动。闪光放氧动力学第3,7,11,15……隔4次闪光出现一放氧高峰。

放氧复合物S0,S1,S2,S3,S4。S0—最低,S4—最高—自发放O2—S0状态。黑暗下,只有S0,S1状态可稳定存在,而S2,S3最终都可以逆转到S1。光下S0：S1：S2：S3为1：1：1：1，暗中适应后S0：S1：S2：S3为1：3：0：0S0S2S1S3S4P680hve-e-e-e-e-1min1minTheoxygenevolvingcomplex(OEC)isaMn4CaO5clusterorganizedintoadistorted-chairshape,inwhichthecuboidalpartiscomposedofMn3CaO4andtheoutermanganeseisattachedviatwoμ-oxo-bridges1a,ElectrondensitymapsoftheOEC.Grey,2mFo−DFcmapcontouredat7σ;magenta,2mFo−DFcmapcontouredat15σ;green,mFo−DFcmapcontouredat6σ.The2mFo−DFcmapwascalculatedbeforeplacinganyatomsintheOEC,andthemFo−DFcmapwascalculatedafterintroducingthemanganeseandcalciumatomsbutwithouttheoxygenatomsandwatermolecules.Colourcodesforatoms:grey,manganese;blue,calcium;red,oxo-oxygen;yellow,O5;orange,water.Numbers1–4intheredspheresindicateO1–O4atoms,and1D,2C,3Band4AindicatethefourmanganeseionsnamedbyacombinationofcrystalstructureandpreviousEXAFSnumbering.b,Mn–MndistancesintheOEC(inÅ).Romannumeralsinthespheresindicatethevalenceofmanganeseatomsassignedinthiswork.OxygenatomsintheOECareshownpink.c,Mn–CadistancesintheOEC(inÅ).d,Mn–O,Ca–O,Mn–waterandCa–waterdistancesintheOEC(inÅ).O5intheS1stateisconnectedtobothMn1D(iii)andMn4A(iii).UpontransitionfromS1toS2,anelectronmayberemovedfromMn4A,leadingtoaright-sideopenstructure(‘R-type’),orfromMn1D,leadingtoaleft-sideopenstructure(‘L-type’).BothstructureswillallowinsertionofanewwatermoleculeduringthesubsequentS-statetransition,preparingforthetransitionstateimmediatelybeforeO=Obond(indicatedbyaredbondintheright-handstructureinthebottomrow)formation.Alternatively,thetransitionstatereadyforO=ObondformationmaybeformedbymovingeitherW2orW3towardsO5(indicatedbyorangearrowsintheleft-handstructureinthebottomrow).Seetextformoredetails.ColourcodeisthesameasFig.1a.a,SuperpositionofthreeOECstructures,twofromXFELandonefromSR.TheOECisdepictedasinFig.1a.b,SuperpositionoftheOECanditsligandenvironmentfromthethreestructures.Forclarity,thestructuresarerotatedrelativetothatshownina.AdditionalwatermoleculesclosetotheOECarealsoshownasspheres.c,Anenlargedviewoftheregionboxedbyreddashedlinesinb.Inallthreepanels,thestructurefromXFELdataset1iscolouredbyatomicelementasinFig.1a.StructuresfromXFELdataset2andSRarecolouredingreenandpurple,respectively.科克(B.Kok，1970)等人根据这一事实提出了关于H2O裂解放氧的“四量子机理假说”：①PSⅡ的反应中心与H2O之间存在一个正电荷的贮存处(S)②每次闪光，S交给PSⅡ反应中心1个e-；③当S失去4e-带有4个正电荷时能裂解2个H2O释放1个O2，图中S即为M，按照氧化程度(即带正电荷的多少)从低到高的顺序，将不同状态的M分别称为S0、S1、S2、S3和S4。即S0不带电荷，S1带1个正电荷，……S4带4个正电荷。每一次闪光将状态S向前推进一步，直至S4。然后S4从2个H2O中获取4个e-，并回到S0。此模型被称为水氧化钟(wateroxidizingclock)或Kok钟(Kokclock)。Fig12-31Structureofthemanganesecluster.ThefourMnatomsintheclusterareligatedtoaminoacidresiduesofthePSIIproteinD1,aswellastooxygenandchloride.Thismodel,whichincludescalcium,hasbeendevelopedfromseveralspectroscopicanalysisoftheoxygen-evolvingcomplex.3.2.2.5Photophosphorylation（PSP,光合磷酸化）1954年阿农等人用菠菜叶绿体，弗伦克尔(A.M.Frenkel)用紫色细菌的载色体相继观察到，光下向叶绿体或载色体体系中加入ADP与Pi则有ATP产生。从此人们把光下在叶绿体(或载色体)中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应称为光合磷酸化(photosyntheticphosphorylation，photophosphorylation)。

非环式PSP,环式PSP和假环式PSP。１.非环式光合磷酸化(noncyclicphotophosphorylation)

与非环式电子传递偶联产生ＡＴＰ的反应。２.环式光合磷酸化(cyclicphotophosphorylation)

与环式电子传递偶联产生ＡＴＰ的反应。

３.假环式光合磷酸化(pseudocyclicphotophosphorylation)

与假环式电子传递偶联产生ＡＴＰ的反应。质子动力势(protonmotiveforce)——ATP形成的动力。(二)光合磷酸化的机理

化学渗透学说关于光合磷酸化的机理有多种学说，如中间产物学说、变构学说、化学渗透学说等，其中被广泛接受的是化学渗透学说。

化学渗透学说(chemiosmotictheory)由英国的米切尔(Mitchell，1961)提出，该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：①由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子的透过具有选择性②具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内。③膜上有偶联电子传递的质子转移系统。④膜上有转移质子的ATP酶。在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：光合电子传递链的电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力(protonmotiveforce,pmf)，并由质子动力推动ＡＴＰ的合成。许多实验都证实了这一学说的正确ΔP=ΔE-59(pHi-pH0)ΔP-proteinmotiveforce,ΔE-thetransmembraneelectricpotential,pHi-pH0isthepHdifferenceacrossthemambrane.Theconstantofproportionality(at25degree)is59mvperpHunit,soatransmembranepHdifferenceofonepHunitisequivalenttoamembrannepotentialof59mv.图3旋转催化模式图当质子流过时，ATP合酶的亚基Ⅲ寡聚体与和亚基一起旋转，这种旋转导致/间和亚基间的不对称互作，打开催化功能开关。Assimilatorypower：形成活跃的化学能ATP和NADPH合称为“同化力”。三、光反应中的光能转化效率

光能转化效率是指光合产物中所贮存的化学能占光合作用所吸收的有效辐射能的百分率。光反应中，植物把光能转变成化学能贮藏在ATP和NADPH中。

每形成1molATP需要约50kJ能量，每形成1molNADPH便有2mole-从0.82V(H2O/O2氧化还原电位)上升到－0.32V(NADPH电位)。这一过程的自由能变化为

△G＝－nF△E＝－2×96.5×(－1.14)＝220kJ

如果按非环式电子传递,式(4-27)每吸收8mol光量子形成2molNADPH和3molATP来考虑，在光反应中吸收的能量按680nm波长的光计算，则8mol光量子的能量(E2)为：

E2＝hNC/λ×8＝6.626×10-34Ｊ·s×6.023×１０23×(3.0×108m·s-1／６８０×１０-9m)×8＝1410kJ

8mol光子可转化成的化学能(E１)

E1＝220kJ×2+50kJ×3＝590kJ

能量转化率＝(光反应贮存的化学能/吸收的光能＝E1/E2＝590kJ/1410kJ≈0.42＝42