植物光和作用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上高中生物教學參考資料-植物的光合作用自養(yǎng)生物吸收二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機物的過程叫碳素同化作用(carbon assimilation)。生物的碳素同化作用包括細菌光合作用、綠色植物光合作用和化能合成作用三種類型，其中以綠色植物光合作用最為廣泛，合成有機物最多，與人類的關系也最密切，因此，本章重點介紹綠色植物的光合作用。光合作用（photosynthesis）是指綠色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有機物質(zhì)并釋放氧氣的過程。光合作用對整個生物界產(chǎn)生巨大作用：一是把無機物轉(zhuǎn)變成有機物。每年約合成5×1011噸有機物，可直接或間接作為人類或動物界的食物，據(jù)估計地球

2、上的自養(yǎng)植物一年中通過光合作用約同化2×1011噸碳素，其中40是由浮游植物同化的，余下的60是由陸生植物同化的；二是將光能轉(zhuǎn)變成化學能，綠色植物在同化二氧化碳的過程中，把太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，并蓄積在形成的有機化合物中。人類所利用的能源，如煤炭、天然氣、木材等都是現(xiàn)在或過去的植物通過光合作用形成的；三是維持大氣O2和CO2的相對平衡。在地球上，由于生物呼吸和燃燒，每年約消耗3.15×1011噸O2，以這樣的速度計算，大氣層中所含的O2將在3000年左右耗盡。然而，綠色植物在吸收CO2的同時每年也釋放出5.35×1011噸O2，所以大氣中含的O2含量仍然維持在21

3、。由此可見，光合作用是地球上規(guī)模最大的把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榭少A存的化學能的過程，也是規(guī)模最大的將無機物合成有機物和釋放氧氣的過程。目前人類面臨著食物、能源、資源、環(huán)境和人口五大問題，這些問題的解決都和光合作用有著密切的關系，因此，深入探討光合作用的規(guī)律，弄清光合作用的機理，研究同化物的運輸和分配規(guī)律，對于有效利用太陽能、使之更好地服務于人類，具有重大的理論和實際意義。一、光合作用的早期研究直到18世紀初，人們?nèi)匀徽J為植物是從土壤中獲取生長發(fā)育所需的全部元素的。1727年S. Hales提出植物的營養(yǎng)有一部分可能來自于空氣，并且光以某種方式參與此過程。那時人們已經(jīng)知道空氣含不同的氣體成分。1771年英

4、國牧師、化學家J. Priestley發(fā)現(xiàn)將薄荷枝條和燃燒著的蠟燭放在一個密封的鐘罩內(nèi)，蠟燭不易熄滅；將小鼠與綠色植物放在同一鐘罩內(nèi)，小鼠也不易窒息死亡。因此，他在1776年提出植物可以“凈化”由于燃燒蠟燭和小鼠呼吸弄“壞”的空氣。接著，荷蘭醫(yī)生J. Ingenhousz證實，植物只有在光下才能“凈化”空氣。于是，人們把1771年定為發(fā)現(xiàn)光合作用的年代。1782年瑞士的J. Senebier用化學分析的方法證明，CO2是光合作用必需的，O2是光合作用的產(chǎn)物。1804年N.T.De Saussure進行了光合作用的第一次定量測定，指出水參與光合作用，植物釋放O2的體積大致等于吸收CO2的體積。1

5、864年J.V. Sachs觀測到照光的葉片生成淀粉粒，從而證明光合作用形成有機物。到了19世紀末，人們寫出了如下的光合作用的總反應式：                                    光   &#

6、160;                 6CO2 + 6H2O    C6H12O6 + 6O2           （3-1）                

7、;                  綠色植物    由（3-1）式可以看出，光合作用本質(zhì)上是一個氧化還原反應，H2O是電子供體（還原劑），CO2是電子受體（氧化劑）。20世紀30年代末，英國人R.Hill發(fā)現(xiàn)光照射離體葉綠體可以將水分解釋放氧氣，并且在任何氧化劑存在下，同時可以將CO2還原為糖。如上所述，光合作用的突出特點是：H2O被氧化到O2的水平；CO2被還原到糖的水平；氧化還原反應所需的能

8、量來自光能，即發(fā)生光能的吸收、轉(zhuǎn)換與貯存。幾十年后，（3-1）式被進一步簡化成下式：                                  光CO2H2O     （CH2O）O2   &

9、#160;          （3-2）                                葉綠體    (3-2)式用（CH2O）表示一個糖類分子的基本單位

10、，用葉綠體代替綠色植物，說明葉綠體是進行光合作用的基本單位與場所。隨著研究的不斷深入，1941年美國科學家S.Ruben和M.D.Kamen通過18O2和C18O2同位素標記實驗，證明光合作用中釋放的O2來自于H2O。為了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以區(qū)別，用下式作為光合作用的總反應式：                          

11、         光                  CO2 + 2H2O* (CH2O) + O*2  H20         (3-3)          

12、;                    葉綠體至此，人們已清楚地知道光合作用的反應物和生成物，并依據(jù)光合產(chǎn)物和O2釋放的增加或CO2的減少來計算光合速率。例如，用改良半葉法測定有機物質(zhì)的積累，用紅外線CO2氣體分析儀法測定CO2的變化，用氧電極測定O2的變化等。由于植物體含水量高，光合作用所利用的水分只占體內(nèi)總含水量的極小部分，一般不用含水量的變化來衡量植物的光合速率。 二、 光合色素 

13、;   光合色素即葉綠體色素，主要有三類:葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。高等植物葉綠體中含有前兩類，藻膽素僅存在于藻類。(一) 光合色素的結構與性質(zhì)    1.葉綠素  高等植物葉綠素（chlorophyll ,chl）主要有葉綠素a和葉綠素b兩種。它們不溶于水，而溶于有機溶劑，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。通常用80%的丙酮或丙酮:乙醇:水（4.5:4.5:1）的混合液來提取葉綠素。在顏色上，葉綠素a呈藍綠色，而葉綠素b呈黃綠色。按化學性質(zhì)來說，葉綠素是葉綠酸的酯，能發(fā)生皂化反應。葉綠酸是雙羧酸，其中一個羧基被甲醇所酯化，另一個被葉醇所

14、酯化。葉綠素a和葉綠素b的分子式如下:                                               

15、0; COOCH3     葉綠素a  C55H72O5N4Mg  或     C32H30ON4Mg                                   

16、;               COOC20H39                                  &

17、#160;              COOCH3  葉綠素b  C55H70O6N4Mg  或   C32H28O2N4Mg                        

18、60;                       COOC20H39     葉綠素a與b很相似，不同之處僅在于葉綠素a第二個吡咯環(huán)上的一個甲基(-CH3)被醛基(-CHO)所取代，即為葉綠素b(圖3-1a)。    葉綠素分子含有一個卟啉環(huán)的“頭部”和一個葉綠醇(植醇，phytol)的“尾巴”。

19、卟啉環(huán)由四個吡咯環(huán)以四個甲烯基(-CH=)連接而成。鎂原子居于卟啉環(huán)的中央，偏向于帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子則偏向于帶負電荷，因而卟啉具有極性，是親水的，可以與蛋白質(zhì)結合。另外還有一個含羰基和羧基的同素環(huán)，羧基以酯鍵和甲醇結合。環(huán)上的丙酸基側鏈以酯鍵與葉醇相結合。葉醇是由四個異戊二烯單位組成的雙萜，是一個親脂的脂肪鏈，它決定了葉綠素的脂溶性。卟啉環(huán)上的共軛雙鍵和中央鎂原子易被光激發(fā)而引起電子得失，從而使葉綠素具有特殊的光化學性質(zhì)。以氫的同位素氘或氚試驗證明，葉綠素不參與氫的傳遞或氫的氧化還原，而僅以電子傳遞（即電子得失引起的氧化還原）及共軛傳遞（直接能量傳遞）的方式參與能量的傳遞。 

20、   卟啉環(huán)中的鎂原子可被H、Cu2、Zn2所置換。用酸處理葉片，H易進入葉綠體，置換鎂原子形成去鎂葉綠素，使葉片呈褐色。去鎂葉綠素易再與銅離子結合，形成銅代葉綠素，顏色比原來更穩(wěn)定。人們常根據(jù)這一原理用醋酸銅處理來保存綠色植物標本。    2.類胡蘿卜素  類胡蘿卜素（carotenoid）是一類由八個異戊二烯單位組成的，含有40個碳原子的化合物(圖3-1b)，不溶于水而溶于有機溶劑。葉綠體中的類胡蘿卜素含有兩種色素，即胡蘿卜素（carotene）和葉黃素(lutein)，前者呈橙黃色，后者呈黃色。胡蘿卜素是不飽和的碳氫化合物，分子

21、式是C40H56，有、三種同分異構體。在一些真核藻類中還含有類胡蘿卜素。葉子中常見的是-胡蘿卜素，它在動物體內(nèi)水解后即轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素A。葉黃素是由胡蘿卜素衍生的醇類，分子式是C40H56O2。    一般情況下，葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的比值約為3:1，所以正常的葉子呈現(xiàn)綠色。秋天，葉片中的葉綠素較易降解，數(shù)量減少，而類胡蘿卜素比較穩(wěn)定，所以葉片呈現(xiàn)黃色。全部的葉綠素和類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，并以非共價鍵與蛋白質(zhì)結合在一起，組成色素蛋白復合體（pigment protein complex），各色素分子在蛋白質(zhì)中按一定的規(guī)律排列和取向，以便于吸收和傳遞光能。&

22、#160;   3.藻膽素  藻膽素（phycobilin）是藻類主要的光合色素，僅存在于紅藻和藍藻中，常與蛋白質(zhì)結合為藻膽蛋白，主要有藻紅蛋白(phycoerythrin)、藻藍蛋白(phycocyanin)和別藻藍蛋白(allophycocyanin)三類。它們的生色團與蛋白質(zhì)以共價鍵牢固地結合，只有用強酸煮沸時，才能把它們分開。它們均溶于稀鹽溶液中。藻膽素的四個吡咯環(huán)形成直鏈共軛體系，不含鎂和葉醇鏈，具有收集和傳遞光能的作用。(二) 光合色素的光學特性    太陽輻射到地面的光，波長大約為3002600nm，對光合作用有效的可見

23、光的波長在400700nm之間。光是一種電磁波，同時又是運動著的粒子流，這些粒子叫光子（photon）或光量子（quantum）。光子攜帶的能量與光的波長成反比。它們的關系如下:q=h       =c/    （34）    式中q為每個光量子所持有的能量，h為普朗克常數(shù)（6.6262×1034JS），為頻率(s-1)，c是光速(2.9979×108m s-1)，是波長(nm)。光量子的能量通常是以每摩爾光量子具有的千卡或愛因斯坦來表示。E=N h=Nh

24、c/    （35）式中E為能量(kJ)，N為亞伏加德羅常數(shù)(6.02×1023)。N個量子就相當于1摩爾量子或1愛因斯坦量子。不同波長的光，每個愛因斯坦所持的能量不同(表3-1)。 表3-1 不同波長的光子所持有的能量波長(nm)每個愛因斯坦(摩爾)的能量(kJ·mol-1)400500600700800289259197172161     1.光合色素的吸收光譜  當光束通過三棱鏡后，可把白光（混合光）分成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫7色連續(xù)光譜。如果把葉綠體色素溶液放在光源和分光

25、鏡之間，就可以看到光譜中有些波長的光線被吸收了，光譜上出現(xiàn)了暗帶，這就是葉綠體色素的吸收光譜(absorption spectra)。用分光光度計可精確測定葉綠體色素的吸收光譜(圖3-2)。葉綠素對光波最強的吸收區(qū)有兩個：一個在波長為640660nm的紅光部分，另一個在波長為430450nm的藍紫光部分。此外，葉綠素對橙光、黃光吸收較少，其中尤以對綠光的吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜很相似，但也略有不同：葉綠素a在紅光區(qū)的吸收帶偏向長波方面，吸收帶較寬，吸收峰較高；而在藍紫光區(qū)的吸收帶偏向短光波方面，吸收帶較窄，吸收峰較低。葉綠素a對藍紫光的吸收為對紅光吸收的1

26、.3倍，而葉綠素b則為3倍，說明葉綠素b吸收短波藍紫光的能力比葉綠素a強。絕大多數(shù)的葉綠素a分子和全部的葉綠素b分子具有吸收光能的功能，并把光能傳遞給極少數(shù)特殊狀態(tài)的葉綠素a分子，發(fā)生光化學反應。    胡蘿卜素和葉黃素的吸收光譜與葉綠素不同，它們的最大吸收帶在400500nm的藍紫光區(qū)(圖3-2)，不吸收紅光等長波光。藻藍蛋白的吸收光譜最大值在橙紅光部分，藻紅蛋白在綠光、黃光部分。類胡蘿卜素和藻膽素均具有吸收和傳遞光能的作用。(三) 光合色素的熒光現(xiàn)象和磷光現(xiàn)象葉綠素溶液在透射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色，這種現(xiàn)象稱為葉綠素熒光現(xiàn)象。葉綠素為什么會發(fā)熒光呢？當

27、葉綠素分子吸收光量子后，就由最穩(wěn)定的、能量的最低狀態(tài)基態(tài)（ground state）上升到不穩(wěn)定的高能狀態(tài)激發(fā)態(tài)（excited state）（圖3-3）。葉綠素分子有紅光和藍光兩個最強吸收區(qū)。如果葉綠素分子被藍光激發(fā)，電子躍遷到能量較高的第二單線態(tài)；如果被紅光激發(fā)，電子躍遷到能量較低的第一單線態(tài)。處于單線態(tài)的電子，其自旋方向保持原來狀態(tài)，如果電子在激發(fā)或退激過程中自旋方向發(fā)生變化，該電子就進入能級較單線態(tài)低的三線態(tài)。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，迅速向較低能級            &

28、#160;      chl  +  hchl*                    （36）                     &

29、#160;基態(tài)    光子能量       激發(fā)態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，能量有的以熱的形式釋放，有的以光的形式消耗。從第一單線態(tài)回到基態(tài)所發(fā)射的光就稱為熒光。處在第一三線態(tài)的葉綠素分子回到基態(tài)時所發(fā)出的光為磷光。熒光的壽命很短，只有10-810-10s。由于葉綠素分子吸收的光能有一部分消耗于分子內(nèi)部的振動上，發(fā)射出的熒光的波長總是比被吸收的波長要長一些。所以葉綠素溶液在入射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色。在葉片或葉綠體中發(fā)射熒光很弱，肉眼難以觀測出來，耗能很少，一般不超過吸收能量的5，因為大部分能量用于光合作用。色素

30、溶液則不同，由于溶液中缺少能量受體或電子受體，在照光時色素會發(fā)射很強的熒光。    另外，吸收藍光后處于第二單線態(tài)的葉綠素分子，其貯存的能量雖遠大于吸收紅光處于第一單線態(tài)的狀態(tài)，但超過的部分對光合作用是無用的，在極短的時間內(nèi)葉綠素分子要從第二單線態(tài)返回第一單線態(tài)，多余的能量也是以熱的形式耗散。因此，藍光對光合作用而言，在能量利用率上不如紅光高。    葉綠素的熒光和磷光現(xiàn)象都說明葉綠素能被光所激發(fā)，而葉綠素分子的激發(fā)是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能的第一步?，F(xiàn)在，人們用葉綠素熒光儀能精確測量葉片發(fā)出的熒光，而熒光的變化可以反映光合機構的狀況，因此

31、，葉綠素熒光被稱為光合作用的探針。(四) 葉綠素的生物合成及其與環(huán)境條件的關系    植物體內(nèi)的葉綠素是不斷地進行代謝的，有合成，也有分解，用15N研究證明，燕麥幼苗在72小時后，葉綠素幾乎全部被更新，而且受環(huán)境條件影響很大。1.葉綠素的生物合成  葉綠素是在一系列酶的作用下形成的（圖3-4）。高等植物葉綠素的生物合成是以谷氨酸與-酮戊二酸作為原料的，然后合成-氨基酮戊酸(-aminolevulinic acid,ALA)。    2分子ALA脫水縮合形成一分子具有吡咯環(huán)的膽色素原；4分子膽色素原脫氨基縮合形成一分子尿卟啉原

32、，合成過程按ABCD環(huán)的順序進行,尿卟啉原的四個乙酸側鏈脫羧形成具有四個甲基的糞卟啉原，以上的反應是在厭氧條件下進行的。在有氧條件下，糞卟啉原再脫羧、脫氫、氧化形成原卟啉，原卟啉是形成葉綠素和亞鐵血紅素的分水嶺。如果與鐵結合，就生成亞鐵血紅素；若與鎂結合，則形成Mg-原卟啉。由此可見，動植物的兩大色素最初是同出一源的，以后在進化的過程中分道揚鑣，結構和功能各異。Mg-原卟啉的一個羧基被甲基酯化，在原卟啉上形成第五個環(huán)，接著B環(huán)上的-CH2=CH2側鏈還原為-CH2-CH3，即形成原葉綠酸酯。原葉綠酸酯經(jīng)光還原變?yōu)槿~綠酸酯a，然后與葉醇結合形成葉綠素a，葉綠素b是由葉綠素a轉(zhuǎn)化而成的。2、影響葉

33、綠素形成的條件    (1)光照：光是葉綠體發(fā)育和葉綠素合成必不可少的條件。從原葉綠酸酯轉(zhuǎn)變?yōu)槿~綠酸酯是需要光的還原過程，如果沒有光照，一般植物葉子會發(fā)黃，這種因缺乏某些條件而影響葉綠素形成，使葉子發(fā)黃的現(xiàn)象，稱為黃化現(xiàn)象。然而，藻類、苔蘚、蕨類和松柏科植物在黑暗中可合成葉綠素，柑桔種子的子葉和蓮子的胚芽可在暗中合成葉綠素，其合成機理尚不清楚。    (2)溫度：葉綠素的生物合成是一系列酶促反應，因此受溫度影響很大。葉綠素形成的最低溫度約為24，最適溫度是2030，最高溫度為40左右。溫度過高或過低均降低合成速率，原有葉綠素也會遭到破

34、壞。秋天葉子變黃和早春寒潮過后秧苗變白等現(xiàn)象，都與低溫抑制葉綠素形成有關。    (3)礦質(zhì)元素：氮和鎂是葉綠素的組成成分，鐵、銅、錳、鋅是葉綠素合成過程中酶促反應的輔因子。這些元素缺乏時不能形成葉綠素，植物出現(xiàn)缺綠癥（chlorosis），其中尤以氮素的影響最大。    (4)水分：植物缺水會抑制葉綠素的生物合成，且與蛋白質(zhì)合成受阻有關。嚴重缺水時，還會加速原有葉綠素的分解，而且是合成大于分解，所以干旱時葉片呈黃褐色。  此外，葉綠素的形成還受遺傳因素的控制。即使在條件適宜的情況下，水稻、玉米的白化苗以及花卉中的花葉仍不能

35、合成葉綠素。(5)氧氣: 在強光下，植物吸收的光能過剩時，氧參與葉綠素的光氧化；缺氧會引起Mg-原卟啉IX及Mg-原卟啉甲酯積累，而不能合成葉綠素。 三、 光合作用的機理     光合作用機理是復雜的，迄今仍然未完全查清楚。已有研究表明，光合作用的總反應，包括一系列復雜的光化學反應和酶促反應過程。    20世紀初O.Warburg等人在研究外界條件對光合作用的影響時發(fā)現(xiàn)，在弱光下增加光強能提高光合速率，但當光強增加到一定值時，光合速率便不再隨光強的增加而提高，此時只有提高溫度或CO2濃度才能增加光合速率；由此推理

36、，光合作用至少有兩個步驟，其一需要光；另一個則與溫度相關。在其后對光合作用機理有重大意義的研究是希爾反應的發(fā)現(xiàn)和水氧化鐘模型的提出（詳見3.3.2.3）。后來有人又用藻類進行閃光試驗，在光能量相同的情況下，一種用連續(xù)光照，另一種用閃光照射，中間隔一暗期，發(fā)現(xiàn)后者的光合效率比連續(xù)照光的高。上述試驗表明光合作用不是任何步驟都需要光。根據(jù)需光與否，將光合作用分為兩個反應光反應（light reaction）和暗反應(dark reaction)。光反應是必須在光下才能進行的、由光推動的光化學反應,在類囊體膜(光合膜)上進行；暗反應是在暗處(也可以在光下)進行的、由一系列酶催化的化學反應,在葉綠體基質(zhì)

37、中進行。近年來的研究表明，光反應的過程并不都需要光，而暗反應過程中的一些關鍵酶活性也受光的調(diào)節(jié)。    光合作用是能量轉(zhuǎn)化和形成有機物的過程。在這個過程中首先是吸收光能并把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，進一步形成活躍的化學能，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學能，貯藏于碳水化合物中。    整個光合作用可大致分為三個步驟:原初反應；電子傳遞(含水的光解、放氧)和光合磷酸化；碳同化過程。第一、二兩個步驟基本屬于光反應，第三個步驟屬于暗反應(表3-2)。 表3-2  光合作用中各種能量轉(zhuǎn)變情況能量轉(zhuǎn)變    光能電能

38、 活躍化學能穩(wěn)定化學能貯存能量    量子        電子              ATP，NADPH       碳水化合物等轉(zhuǎn)變過程       原初反應      電子傳遞與光合磷酸化&#

39、160;        碳同化時間跨度(秒)    10-15109    10-10104    110           10100反應部位       基粒類囊體膜   基粒類囊體膜      

40、;           葉綠體基質(zhì)光、溫條件     需光，與溫度   不都需要光，但受光促         不需光，但受光、溫促進反應           無關        &

41、#160;  進，與溫度無關，             光、暗反應     光反應         光反應                    &#

42、160;  暗反應 (一)、原初反應    原初反應是指光合色素分子對光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換過程。它是光合作用的第一步，速度非?？?，可在皮秒(ps，10-12秒)與納秒(ns，109秒)內(nèi)完成，且與溫度無關，可在-196(液氮溫度)或-271(液氦溫度)下進行。    根據(jù)功能來區(qū)分，類囊體膜上的光合色素可為二類:（1）反應中心色素（reaction centre pigments），少數(shù)特殊狀態(tài)的葉綠素a分子屬于此類，它具有光化學活性，既能捕獲光能，又能將光能轉(zhuǎn)換為電能(稱為“陷阱”)。（2）聚光色素（light

43、harvesting pigments），又稱天線色素(antenna pigments)，它沒有光化學活性，能吸收光能，并把吸收的光能傳遞到反應中心色素，絕大多數(shù)色素，包括絕大部分葉綠素a和全部的葉綠素b、胡蘿卜素、葉黃素等都屬于此類。    聚光色素位于光合膜上的色素蛋白復合體上，反應中心色素存在于反應中心（reaction center）。但二者是協(xié)同作用的，若干個聚光色素分子所吸收的光能聚集于1個反應中心色素分子而起光化學反應。一般來說，約250300個色素分子所聚集的光能傳給一個反應中心色素。每吸收與傳遞1個光量子到反應中心完成光化學反應所需起協(xié)同作用的

44、色素分子數(shù)，稱為光合單位（photosynthetic unit）(圖3-5)。實際上，光合單位包括了聚光色素系統(tǒng)和光合反應中心兩部分。因此也可以把光合單位定義為：結合于類囊體膜上能完成光化學反應的最小結構的功能單位。    當波長范圍為400700nm的可見光照射到綠色植物時，天線色素分子吸收光量子而被激發(fā)，以“激子傳遞”（exciton transfer）和“共振傳遞”(resonance transfer)兩種方式進行能量傳遞。所謂激子是指由高能電子激發(fā)的量子，可以轉(zhuǎn)移能量，但不能轉(zhuǎn)移電荷。而共振傳遞則是依賴高能電子振動在分子間傳遞能量。兩種激發(fā)能傳遞方式的

45、傳遞速率都很快，例如，振動一個壽命為510-9s的紅光量子在葉綠體中可傳遞經(jīng)過幾百個葉綠素a分子。能量可在相同色素分子之間傳遞，也可在不同色素分子之間傳遞，但總是沿著波長較長即能量水平較低的方向傳遞。傳遞的效率很高，幾乎接近100。于是，大量的光能通過天線色素吸收、傳遞到反應中心色素分子，引起光化學反應。    光化學反應是在光合反應中心進行的。而反應中心是進行原初反應的最基本的色素蛋白復合體，它至少包括一個反應中心色素分子即原初電子供體（primary electron donor,P）、一個原初電子受體(primary electron acceptor,A)

46、和一個次級電子供體（secondary electron donor,D），以及維持這些電子傳遞體的微環(huán)境所必需的蛋白質(zhì)，才能導致電荷分離，將光能轉(zhuǎn)換為電能。反應中心的原初電子受體，是指直接接受反應中心色素分子傳來電子的物質(zhì)（A）。反應中心次級電子供體，是指將電子直接供給反應中心色素分子的物質(zhì)。在光下，光合作用原初反應是連續(xù)不斷地進行的，因此，必須不斷有最終電子供體和最終電子受體的參與，構成電子的“源”和“庫”。高等植物的最終電子供體是水，最終電子受體是NADP+。    光化學反應實質(zhì)上是由光引起的反應中心色素分子與原初電子受體和次級供體之間的氧化還原反應。天線

47、色素分子將光能吸收和傳遞到反應中心后，使反應中心色素分子（P）激發(fā)而成為激發(fā)態(tài)（P*），釋放電子給原初電子受體(A)，同時留下了“空穴”，成為陷井（trap）。反應中心色素分子被氧化而帶正電荷(P+)，原初電子受體被還原而帶負電荷(A-)。這樣，反應中心發(fā)生了電荷分離，反應中心色素分子失去電子，便可從次級電子供體（D）那里奪取電子，于是反應中心色素恢復原來狀態(tài)（P），而次級電子供體卻被氧化（D）。這就發(fā)生了氧化還原反應，完成了光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。       hD·P·A D·P*·A D&#

48、183; P+·A-D+· P·A-（37）          基態(tài)反應中心            激發(fā)態(tài)反應中心          電荷分離的反應中心    這一氧化還原反應在光合作用中不斷地反復進行，原初電子受體A要將電子傳給次級電子受體，直到最

49、終電子受體NADP+。同樣，次級電子供體D+也要向它前面的電子供體奪取電子，依次直到最終電子供體水。(二) 電子傳遞與光合磷酸化  反應中心色素受光激發(fā)而發(fā)生電荷分離，將光能變?yōu)殡娔?，產(chǎn)生的電子經(jīng)過一系列電子傳遞體的傳遞，引起水的裂解放氧和NADP+還原，并通過光合磷酸化形成ATP，把電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學能。1、光系統(tǒng)    20世紀40年代，當以綠藻為材料，研究不同光波的量子產(chǎn)額(quantum yield),（即每吸收一個光量子后釋放出的氧分子數(shù)），發(fā)現(xiàn)用波長大于685nm的遠紅光照射材料時，雖然光量子仍被葉綠素大量吸收，但量子產(chǎn)額急劇下降，這種現(xiàn)象

50、被稱為紅降(red drop)。    1957年，羅伯特·愛默生(R.Emerson)觀察到，在遠紅光(波長大于685nm)條件下，如補充紅光(波長650nm)，則量子產(chǎn)額大增，并且比這兩種波長的光單獨照射時的總和還要大。這樣兩種波長的光促進光合效率的現(xiàn)象叫做雙光增益效應或愛默生效應(Emerson effect)。我們可以認為是遠紅光幫助了短波長的光，或者是短波長的光幫助了遠紅光。    這些現(xiàn)象使人們設想，光合作用可能包括兩個光化學反應接力進行。后來，進一步的研究證實光合作用確實有兩個光化學反應，分別由兩個光系統(tǒng)完成。

51、一個是吸收短波紅光(680nm)的光系統(tǒng)(photosystem ,PS)，另一個是吸收長波紅光(700nm)的光系統(tǒng)(photosystem ,PS)。這兩個光系統(tǒng)是以串聯(lián)的方式協(xié)同作用的。目前已從葉綠體的片層結構中分離出兩個光系統(tǒng)，它們都是蛋白復合物，其中既有光合色素，又有電子傳遞體。PS顆粒較小，直徑為11nm，位于類囊體膜的外側；PS顆粒較大，直徑為17.5nm，位于類囊體膜的內(nèi)側。PSII蛋白復合體至少含12種不同的多肽，多數(shù)為內(nèi)在蛋白。最大的蛋白質(zhì)是結合葉綠素的天線蛋白（antenna protein）CP47和CP43，還有D1和D2兩條多肽，是PSII復合體的基本組成部分，P6

52、80、去鎂葉綠素（pheophytin; pheo）和質(zhì)體醌（plastoquinone, PQ）,都結合在D1和D2上。在光合反應中心外層是光合色素與蛋白質(zhì)結合構成PSII聚光色素復合體（PSII light harvesting pigment complex, LHCII）。PSI蛋白復合體也包含反應中心和聚光色素復合體(PSI light harvesting pigment complex,LHCI).敵草?。―CMU，一種除草劑）能抑制PSII的光化學反應，卻不抑制PSI的光化學反應。    PS的光化學反應是長光波反應，其主要特征是NADP+的還原。

53、當PS的反應中心色素分子(P700)吸收光能而被激發(fā)后，把電子傳遞給各種電子受體，經(jīng)Fd(鐵氧還蛋白)，在NADP還原酶的參與下，把NADP+還原成NADPH。反應中心色素P700中的P表示色素，700是指色素的最大吸收波長。    PS的光化學反應是短光波反應，其主要特征是水的光解和放氧。PS的反應中心色素分子(P680)吸收光能，把水分解，奪取水中的電子供給PS。2、光合鏈光合鏈是指定位在光合膜上的、一系列互相銜接著的電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道?，F(xiàn)在被廣泛接受的光合電子傳遞途徑是“Z”方案(“Z” scheme)，即電子傳遞是由兩個光系統(tǒng)串聯(lián)進行，其中的

54、電子傳遞體按氧化還原電位高低排列，使電子傳遞鏈呈側寫的“Z”形（圖3-6）。    “Z”方案最早是由希爾（R.Hill）等在1960年提出的，經(jīng)過后人的不斷修正與補充，日臻完善。PSI和PSII以串聯(lián)方式協(xié)同完成電子從H2O向NADP+的傳遞。由氧化還原電位的高低可以看出，這一電子傳遞途徑是不能自發(fā)進行的，有二處(P680P680*和P700P700*)是逆電勢梯度的“上坡”電子傳遞，需要聚光色素復合體吸收與傳遞的光能來推動。除此之外，電子都是從低電勢向高電勢的自發(fā)“下坡”運動。光合鏈中的電子傳遞體是質(zhì)體醌（plastoquinone,PQ），細胞色素（cyto

55、chrome,Cyt）b6/f復合體,鐵氧還蛋白（ferredoxin,Fd）和質(zhì)藍素（plastocyanin,PC）。其中以PQ最受重視，因為它不僅數(shù)量多（菠菜葉綠體內(nèi)PQ含量達全葉綠素干重的七分之一），而且它是雙電子雙H傳遞體，它既可傳遞電子，也可傳遞質(zhì)子，在傳遞電子的同時，把H從類囊體膜外帶入膜內(nèi)，在類囊體膜內(nèi)外建立跨膜質(zhì)子梯度以推動ATP的合成。光合鏈中PSI、Cyt b-f和PSI在類囊體膜上，難以移動，而PQ、PC和Fd可以在膜內(nèi)或膜表面移動，在三者間傳遞電子。3、 水的光解和放氧     水的光解(water photolysis)是希爾（R.Hi

56、ll）于1937年發(fā)現(xiàn)的。他將離體的葉綠體加到具有氫受體(A)的水溶液中，照光后即發(fā)生水的分解而放出氧氣。                                    光2H2O + 2A 2AH2 + O2  

57、0;                （38）                                  葉綠體&

58、#160;   此反應稱為希爾反應(Hill reaction)。氫的接受體被稱為希爾氧化劑(Hill oxidant)，如2，6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP、NAD等。是希爾第一個用離體葉綠體作試驗，把光合作用的研究深入到細胞器的水平。    水的光解反應是植物光合作用重要的反應之一，其機理尚不完全清楚。但已查明，在類囊體腔一側有3條外周多肽，其中一條33kD的多肽為錳穩(wěn)定蛋白（manganese stablizing protein,MSP），它們與Mn、Ca+2、Cl一起參與氧的釋放，稱為放氧復合體（oxygen-evolving com

59、plex，OEC）。而且對于水是如何通過OEC給出電子的問題目前已有部分答案。    在1969年，法國的學者P.Joliot給已經(jīng)暗適應的葉綠體極快的閃光處理，發(fā)現(xiàn)閃光后放氧量是不均等的，是以4為周期呈現(xiàn)振蕩。第一次閃光后無O2產(chǎn)生，第二次閃光釋放少量O2，第三次閃光放O2最多，第四次閃光放O2次之。然后每四次閃光出現(xiàn)一次放氧高峰。    已知每釋放1個O2，需要氧化2分子水，并移去4個e，同時形成4個H，而閃光恰巧以4為周期。Kok等（1970）據(jù)此提出了H2O氧化機制的模型：放氧復合體（OEC）在每次閃光后可以積累一個正電荷，直

60、至積累4個正電荷，才一次用于2個H2O的氧化（圖3-7）。該圖中不同狀態(tài)的S代表了OEC中不同氧化狀態(tài)的放氧復合體（含錳蛋白），含有4個Mn,包括Mn2+、Mn3+和Mn4+。按照氧化程度從低到高的順序，將不同狀態(tài)的含錳蛋白分別稱為S0、S1、S2、S3和S4。即0不帶電荷，S1帶1個正電荷，依次到S4帶有4個正電荷。每一次閃光將S狀態(tài)向前推進一步，直至S4。然后，S4從2個H2O中獲取4個e，并回到S0。此模型稱為水氧化鐘(water oxidizing clock)或Kok鐘(Kok clock)。這個模型還認為，S0和S1是穩(wěn)定狀態(tài)，S2和S3可在暗中退回到S1，S4不穩(wěn)定。這樣在葉綠體

61、暗適應后，有3/4的含錳蛋白處于S1，1/4處于S0，因此最大放氧量出現(xiàn)在第三次閃光后。4、光合電子傳遞    光合電子傳遞有三種類型:    (1)非環(huán)式電子傳遞（noncyclic electron transport）：指水光解放出的電子經(jīng)PS和PS兩個光系統(tǒng)，最終傳給NADP的電子傳遞。H2OPSPQCytb6/fPCPSFdFNRNADP    (3-9)按非環(huán)式電子傳遞,每傳遞4個電子,分解2分子H2O,釋放1個O2，還原2個NADP+,需要吸收8個光量子，量子產(chǎn)額為1/8。同時運轉(zhuǎn)8個H進入

62、類囊體腔。    (2)環(huán)式電子傳遞(cyclic electron transport)：指PS產(chǎn)生的電子傳給Fd，再到Cytb6/f復合體，然后經(jīng)PC返回PS的電子傳遞。環(huán)式電子傳遞途徑可能不止一條，電子可由Fd直接傳給Cytb6/f，也可經(jīng)FNR傳給質(zhì)體醌，還可以經(jīng)過NADPH再傳給PQ。PSFd(NADPHPQ)Cytb6/fPCPS            (3-10)    (3)假環(huán)式電子傳遞(pseudocycl

63、ic electron transport)：指水光解放出的電子經(jīng)PS和PS兩個光系統(tǒng)，最終傳給O2的電子傳遞。由于這一電子傳遞途徑是Mehler提出的，故亦稱為Mehler反應。它與非環(huán)式電子傳遞的區(qū)別只是電子的最終受體是O2而不是NADPH2OPSPQCytb6/fPCPSFdO2             (3-11)    因為Fd是單電子傳遞體，O2得到一個電子生成超氧陰離子自由基（O），它是一種活性氧。葉綠體中的超氧化物歧化酶(SOD)

64、可清除O。這一過程往往是在強光照射下，NADP+供應不足的情況下發(fā)生的。這是植物光合細胞產(chǎn)生O的主要途徑。5、 光合磷酸化葉綠體在光照下把無機磷（Pi）與ADP合成ATP的過程稱為光合磷酸化（photo phosphorylation）。與三種光合電子傳遞的類型類同，光合磷酸化也被分為三種類型，即非環(huán)式光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）、環(huán)式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation)和假環(huán)式光合磷酸化(pseudocyclic photophosphorylation)。電子傳遞是如何偶聯(lián)著ATP的合成呢？大量研究表明，光合磷酸

65、化與電子傳遞是通過ATP酶聯(lián)系在一起的（圖3-8）。    ATP酶又叫ATP合成酶、偶聯(lián)因子(coupling factor)。葉綠體的ATP酶與線粒體膜上的ATP酶結構相似，是一種球莖結構，由兩個蛋白復合體構成:一個是突出于膜表面的親水性的“CF1”復合體，另一個是埋置于膜內(nèi)的疏水性的“CF0”復合體。酶的催化部位在CF1上，CF1結合在CF0上。CF1很容易被EDTA溶液除去，而CF0則需要去污劑才能除去。ATP酶由9種亞基組成，分子量為550kD左右，催化的反應為磷酸酐鍵的形成，即把ADP和Pi合成ATP。    關于光合磷酸

66、化的機理,可由英國的米切爾（P.Mitchell）提出的化學滲透學說來解釋。該學說認為，在類囊體膜上的電子傳遞體中，PQ具有親脂性，含量多，被稱為PQ庫，它可傳遞電子和質(zhì)子，而其它傳遞體只能傳遞電子。在光下，PQ在將電子向下傳遞的同時，又把膜外基質(zhì)中的質(zhì)子轉(zhuǎn)運至類囊體膜內(nèi)，PQ在類囊體膜上的這種氧化還原往復變化稱PQ穿梭。此外，水在膜內(nèi)側分解也釋放出H+,膜內(nèi)H+濃度增高，則膜內(nèi)電位較“正”，膜外H+濃度降低，則膜外電位較“負”，于是膜內(nèi)外產(chǎn)生電位差()和質(zhì)子濃度差（pH），兩者合稱質(zhì)子動力勢(proton motive force,pmf)，是光合磷酸化的動力。H+沿著濃度梯度返回膜外時，在

67、ATP酶催化下，合成ATP。 (三) 碳同化    二氧化碳同化（CO2 assimilation），簡稱碳同化，是指植物利用光反應中形成的同化力(ATP和NADPH)，將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物的過程。二氧化碳同化是在葉綠體的基質(zhì)中進行的，有許多種酶參與反應。高等植物的碳同化途徑有三條，即C3途徑、C4途徑和CAM（景天酸代謝）途徑。1、C3途徑如前所述，早在十九世紀末，人們就知道光合作用需要CO2和H2O，產(chǎn)物是糖和淀粉，但是對于CO2是如何被還原成碳水化合物的具體步驟尚不清楚。直到20世紀40年代中期，美國加州大學的卡爾文（M.Calvin）和本森（

68、A.Benson）采用當時的兩項新技術：放射性同位素示蹤和雙向紙層析，以單細胞藻類作為試驗材料，用14CO2飼喂，照光從數(shù)秒到幾十分鐘不等，然后在沸騰的酒精中殺死材料以終止生化反應，用紙層析技術分離同位素標記物，以標記物出現(xiàn)的先后順序來確定二氧化碳同化的每一步驟。經(jīng)十年的系統(tǒng)研究，在50年代提出了二氧化碳同化的循環(huán)途徑，故稱為卡爾文循環(huán)(The Calvin cycle)。由于這個循環(huán)中CO2的受體是一種戊糖(核酮糖二磷酸)，故又稱為還原戊糖磷酸途徑（reductive pentose phosphate pathway，RPPP）。這個途徑中二氧化碳被固定形成的最初產(chǎn)物是一種三碳化合物，故稱

69、為C3途徑?？栁难h(huán)具有合成淀粉等產(chǎn)物的能力，是所有植物光合碳同化的基本途徑，大致可分為三個階段，即羧化階段、還原階段和再生階段。(1)羧化階段：核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）在核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco）催化下，與CO2結合，產(chǎn)物很快水解為二分子3-磷酸甘油酸（3-PGA）反應過程。Rubisco是植物體內(nèi)含量最豐富的酶，約占葉中可溶蛋白質(zhì)總量的40%以上，由8個大亞基（約56KD）和8個小亞基（約14KD）構成，活性部位位于大亞基上。大亞基由葉綠體基因編碼，小亞基由核基因編碼。&#

70、160;   (2)還原階段：3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶（PGAK）催化下，形成1,3-二磷酸甘油酸（DPGA)，然后在甘油醛磷酸脫氫酶作用下被NADPH還原，變?yōu)楦视腿?3-磷酸（GAP）,這就是CO2的還原階段。    羧化階段產(chǎn)生的PGA是一種有機酸，尚未達到糖的能級，為了把PGA轉(zhuǎn)化成糖，要消耗光反應中產(chǎn)生的同化力。ATP提供能量，NADPH提供還原力使PGA的羧基轉(zhuǎn)變成GAP的醛基，這也是光反應與暗反應的聯(lián)結點。當CO2被還原為GAP時，光合作用的貯能過程即告完成。    (3)再生階段：是由GA

71、P經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)變，重新形成CO2受體RuBP的過程。這里包括了形成磷酸化的3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反應(見圖3-10)。最后一步由核酮糖5磷酸激酶(Ru5PK)催化，并消耗1分子ATP，再形成RuBP，構成了一個循環(huán)。C3途徑的總反應式為:3CO2 + 5H2O + 9ATP + 6NADPH+6H+ GAP + 9ADP + 8Pi + 6NADP+   (3-12)出一個磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內(nèi)形成淀粉或運出葉綠體，在細胞質(zhì)中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可貯能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別

72、釋放能量32kJ和217kJ計算，則通過卡爾文循環(huán)同化CO2的能量轉(zhuǎn)換效率為90%。(即478/（32×3+217×2）)，由此可見，其能量轉(zhuǎn)換效率是非常高的。    由上式可見，每同化一個CO2，要消耗3個ATP和2個NADPH。還原3個CO2可輸出一個磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內(nèi)形成淀粉或運出葉綠體，在細胞質(zhì)中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可貯能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別釋放能量32kJ和217kJ計算，則通過卡爾文循環(huán)同化CO2的能量轉(zhuǎn)換效率為90。(即478/（32×

73、;3+217×2），由可見，其能量轉(zhuǎn)換效率是非常高的。    在20世紀60年代以后，人們對光合碳循環(huán)的調(diào)節(jié)已有了較深入的了解。C3途徑的調(diào)節(jié)有以下幾方面：    1.自動催化調(diào)節(jié)作用：CO2的同化速率，在很大程度上決定于C3途徑的運轉(zhuǎn)狀況和中間產(chǎn)物的數(shù)量水平。將暗適應的葉片移至光下，最初階段光合速率很低，需要經(jīng)過一個“滯后期”（一般超過20min，取決于暗適應時間的長短）才能達到光合速率的“穩(wěn)態(tài)”階段。其原因之一是暗中葉綠體基質(zhì)中的光合中間產(chǎn)物(尤其是RuBP)的含量低。在C3途徑中存在一種自動調(diào)節(jié)RuBP水平的機制，即在

74、RuBP含量低時，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不輸出循環(huán)，而用于RuBP再生，以加快CO2固定速率；當循環(huán)達到“穩(wěn)態(tài)”后，磷酸丙糖才輸出。這種調(diào)節(jié)RuBP等中間產(chǎn)物數(shù)量，使CO2的同化速率處于某一“穩(wěn)態(tài)”的機制，稱為C3途徑的自動催化調(diào)節(jié)。2.光調(diào)節(jié)作用：碳同化亦稱為暗反應。然而，光除了通過光反應提供同化力外，還調(diào)節(jié)著暗反應的一些酶活性。例如Rubisco、PGAK、FBPase、SBPase、Ru5PK屬于光調(diào)節(jié)酶。在光反應中，H+被從葉綠體基質(zhì)中轉(zhuǎn)移到類囊體腔中，同時交換出Mg2+。這樣基質(zhì)中的pH值從7增加到8以上，Mg2+的濃度也升高，而Rubisco在pH8時活性最高，對CO2親和力

75、也高。其他的一些酶，如FBPase、Ru5PK等的活性在pH8時比pH7時高。在暗中，pH7.2時，這些酶活性降低，甚至喪失。Rubisco活性部位中的一個賴氨酸的-NH2基在pH較高時不帶電荷，可以與在光下由Rubisco活化酶（activase）催化，與CO2形成帶負電荷的氨基酸，后者再與Mg2+結合，生成酶-CO2- Mg2+活性復合體（ECM），酶即被激活。光還通過還原態(tài)Fd產(chǎn)生效應物硫氧還蛋白（thioredoxin, Td）又使FBPase和Ru5PK的相鄰半胱氨酸上的巰基處于還原狀態(tài)，酶被激活；在暗中，巰基則氧化形成二硫鍵，酶失活。    3.光合產(chǎn)