【精品】植物光合作用講義

1、 /46第三章植物的光合作用自養(yǎng)生物吸收二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的過(guò)程叫碳素同化作用(carbonassim訂ation)生物的碳素同化作用包括細(xì)菌光合作用、綠色植物光合作用和化能合成作用三種類(lèi)型，其中以綠色植物光合作用最為廣泛，合成有機(jī)物最多，與人類(lèi)的關(guān)系也最密切,因此，本章重點(diǎn)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(jī)物質(zhì)并釋放氧氣的過(guò)程光合作用對(duì)整個(gè)生物界產(chǎn)生巨大作用:一是把無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物每年約合成5X1011噸有機(jī)物，可直接或間接作為人類(lèi)或動(dòng)物界的食物，據(jù)估計(jì)地球上的自養(yǎng)植物一年中通過(guò)光合作用約同化2X1011噸碳素

2、,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(xué)能，綠色植物在同化二氧化碳的過(guò)程中，把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，并蓄積在形成的有機(jī)化合物中。人類(lèi)所利用的能源，如煤炭、天然氣、木材等都是現(xiàn)在或過(guò)去的植物通過(guò)光合作用形成的；三是維持大氣0和C0的相對(duì)平衡。在22地球上，由于生物呼吸和燃燒，每年約消耗3o15X10n噸0,以這樣的速度計(jì)算，大氣層2中所含的將在3000年左右耗盡。然而，綠色植物在吸收匹的同時(shí)每年也釋放出535X1011噸0,所以大氣中含的0含量仍然維持在21%o由此可見(jiàn)，光合作用是地球上規(guī)模最大的把22太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭少A存的化學(xué)能的過(guò)程，也是規(guī)模最大的將

3、無(wú)機(jī)物合成有機(jī)物和釋放氧氣的過(guò)程。目前人類(lèi)面臨著食物、能源、資源、環(huán)境和人口五大問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決都和光合作用有著密切的關(guān)系，因此，深入探討光合作用的規(guī)律，弄清光合作用的機(jī)理,研究同化物的運(yùn)輸和分配規(guī)律，對(duì)于有效利用太陽(yáng)能、使之更好地服務(wù)于人類(lèi)，具有重大的理論和實(shí)際意義。一、光合作用的早期研究直到18世紀(jì)初，人們?nèi)匀徽J(rèn)為植物是從土壤中獲取生長(zhǎng)發(fā)育所需的全部元素的。1727年S.Hales提出植物的營(yíng)養(yǎng)有一部分可能來(lái)自于空氣，并且光以某種方式參與此過(guò)程。那時(shí)人們已經(jīng)知道空氣含不同的氣體成分。1771年英國(guó)牧師、化學(xué)家JoPriestley發(fā)現(xiàn)將薄荷枝條和燃燒著的蠟燭放在一個(gè)密封的鐘罩內(nèi)，蠟燭不

4、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(shí)，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(xué)分析的方法證明，CO是光合作用必需的，0是光合22作用的產(chǎn)物。1804年N.T.DeSaussure進(jìn)行了光合作用的第一次定量測(cè)定，指出水參與光合作用，植物釋放O的體積大致等于吸收CO的體積。221864年J.V。Sachs觀測(cè)到照光的葉片生成淀粉粒，從而證明光合作用形成有機(jī)物。到了19世紀(jì)末，人們寫(xiě)

5、出了如下的光合作用的總反應(yīng)式:光6C0+6H0CH0+602261262（31）綠色植物資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除 /46 /46由(31)式可以看出，光合作用本質(zhì)上是一個(gè)氧化還原反應(yīng)，H0是電子供體(還2原劑)，CO是電子受體(氧化劑)。20世紀(jì)30年代末，英國(guó)人R.Hill發(fā)現(xiàn)光照射離體葉2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(shí)可以將CO還原為糖。如上所2述，光合作用的突出特點(diǎn)是：HO被氧化到O的水平；CO被還原到糖的水平；氧化還原反應(yīng)222所需的能量來(lái)自光能,即發(fā)生光能的吸收、轉(zhuǎn)換與貯存

6、.幾十年后,(31)式被進(jìn)一步簡(jiǎn)化成下式：光CO+HO(CHO)+222O(32)2葉綠體(3-2)式用(CHO)表示一個(gè)糖類(lèi)分子的基本單位，用葉綠體代替綠色植物，說(shuō)明葉2綠體是進(jìn)行光合作用的基本單位與場(chǎng)所。隨著研究的不斷深入，1941年美國(guó)科學(xué)家S.Ruben和M.D。Kamen通過(guò)即和C18O同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，證明光合作用中釋放的O來(lái)自于HO。為了2222把CO中的氧和HO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(yīng)式：22光CO+2H0*-(CH0)+0*+2222H02(33)葉綠體至此，人們已清楚地知道光合作用的反應(yīng)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(lái)計(jì)算光

7、合速率。例如，用改良半葉法測(cè)定有機(jī)物質(zhì)的積累，用紅外線(xiàn)CO氣體分析2儀法測(cè)定C0的變化，用氧電極測(cè)定0的變化等由于植物體含水量高，光合作用所利用的22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(lái)衡量植物的光合速率.二、光合色素光合色素即葉綠體色素,主要有三類(lèi):葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素和藻膽素.高等植物葉綠體中含有前兩類(lèi),藻膽素僅存在于藻類(lèi)。（一）光合色素的結(jié)構(gòu)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(jī)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(lái)提取葉綠素。在顏色

8、上,葉綠素a呈藍(lán)綠色,而葉綠素b呈黃綠色。按化學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō),葉綠素是葉綠酸的酯,能發(fā)生皂化反應(yīng)。葉綠酸是雙羧酸,其中一個(gè)羧基被甲醇所酯化,另一個(gè)被葉醇所酯化。葉綠素a和葉綠素b的分子式如下：COOCH33資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除 /46 /46葉綠素aCHONMg或CHONMg55725432304COOCH2039COOCH3葉綠素bCHONMg或CHONMg557064322824COOCH2039葉綠素a與b很相似，不同之處僅在于葉綠素a第二個(gè)吡咯環(huán)上的一個(gè)甲基（CH）3被醛基（一CHO）所取代，即為葉

9、綠素b（圖31a）。葉綠素分子含有一個(gè)卟啉環(huán)的“頭部”和一個(gè)葉綠醇（植醇，phytol）的“尾巴”。卟啉環(huán)由四個(gè)吡咯環(huán)以四個(gè)甲烯基（一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(fù)電荷,因而卟啉具有極性，是親水的,可以與蛋白質(zhì)結(jié)合。另外還有一個(gè)含羰基和羧基的同素環(huán)，羧基以酯鍵和甲醇結(jié)合。環(huán)W上的丙酸基側(cè)鏈以酯鍵與葉醇相結(jié)合.葉醇是由四個(gè)異戊二烯單位組成的雙萜，是一個(gè)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(xué)性質(zhì).以氫的同位素氘或氚試驗(yàn)證明，葉綠素不參與氫的傳遞或氫的氧化還原,

10、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。卟啉環(huán)中的鎂原子可被H+、吐+、Ze+所置換。用酸處理葉片，H+易進(jìn)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(jié)合，形成銅代葉綠素，顏色比原來(lái)更穩(wěn)定。人們常根據(jù)這一原理用醋酸銅處理來(lái)保存綠色植物標(biāo)本。2。類(lèi)胡蘿卜素類(lèi)胡蘿卜素（carotenoid）是一類(lèi)由八個(gè)異戊二烯單位組成的，含有40個(gè)碳原子的化合物（圖3-1b），不溶于水而溶于有機(jī)溶劑。葉綠體中的類(lèi)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

11、氫化合物，分子式是CH,有a、B、丫三種同分異構(gòu)體。在一些真核4056藻類(lèi)中還含有一類(lèi)胡蘿卜素。葉子中常見(jiàn)的是B-胡蘿卜素，它在動(dòng)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(lèi)，分子式是CH0。40562一般情況下,葉片中葉綠素與類(lèi)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(lèi)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(lèi)胡蘿卜素都包埋在類(lèi)囊體膜中，并以非共價(jià)鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起,組成色素蛋白復(fù)合體(pigmentproteincomplex),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。資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)

12、參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除 /46 /463。藻膽素藻膽素(phycobilin)是藻類(lèi)主要的光合色素，僅存在于紅藻和藍(lán)藻中,常與蛋白質(zhì)結(jié)合為藻膽蛋白，主要有藻紅蛋白(phycoerythrin)、藻藍(lán)蛋白(phycocyanin)和別藻藍(lán)蛋白(allophycocyanin)三類(lèi)。它們的生色團(tuán)與蛋白質(zhì)以共價(jià)鍵牢固地結(jié)合只有用強(qiáng)酸煮沸時(shí)，才能把它們分開(kāi)。它們均溶于稀鹽溶液中。藻膽素的四個(gè)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(xué)特性太陽(yáng)輻射到地面的光，波長(zhǎng)大約為3002600nm,對(duì)

13、光合作用有效的可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在400700nm之間。光是一種電磁波，同時(shí)又是運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)成反比。它們的關(guān)系如下：q=hvvp/入(3-4)式中q為每個(gè)光量子所持有的能量，h為普朗克常數(shù)(66262X10-34JS),v為頻率(si),c是光速(2.9979X108ms-i),入是波長(zhǎng)(nm)。光量子的能量通常是以每摩爾光量子具有的千卡或愛(ài)因斯坦來(lái)表示。E=Nhv=Nhc/X(3-5)式中E為能量(kJ),N為亞伏加德羅常數(shù)(6o02X1023).N個(gè)量子就相當(dāng)于1摩爾量子或1愛(ài)因斯坦量子。不同波長(zhǎng)的光，每個(gè)愛(ài)因

14、斯坦所持的能量不同(表3-1)o表31不同波長(zhǎng)的光子所持有的能量波長(zhǎng)(nm)每個(gè)愛(ài)因斯坦(摩爾)的能量(kJmol-i)400289500259600197700172800161光合色素的吸收光譜當(dāng)光束通過(guò)三棱鏡后，可把白光(混合光)分成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、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鏡之間，就可以看到光譜中有些波長(zhǎng)的光線(xiàn)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(absorptionspectra）。用分光光度計(jì)可精確測(cè)定葉綠體色素的吸收光譜（圖3-2）。葉綠素對(duì)光波最強(qiáng)的吸收區(qū)有兩個(gè)：一個(gè)在波長(zhǎng)為640660nm的紅光部分，另一個(gè)在波長(zhǎng)為430450

15、nm的藍(lán)紫光部分。此外，葉綠素對(duì)橙光、黃光吸收較少，其中尤以對(duì)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(zhǎng)波方面，吸收帶較寬，吸收峰較高；而在藍(lán)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(duì)藍(lán)紫光的吸收為對(duì)紅光吸收的1.3倍，而葉綠素b則為3倍，說(shuō)明葉綠素b吸收短波藍(lán)紫光的能力比葉綠素a強(qiáng)。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(xué)反應(yīng)。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(lán)紫光區(qū)（圖3-

16、2），不吸收紅光等長(zhǎng)波光。藻藍(lán)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(lèi)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(chēng)為葉綠素?zé)晒猬F(xiàn)象.葉綠素為什么會(huì)發(fā)熒光呢？當(dāng)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)一基態(tài)（groundstate）上升到不穩(wěn)定的高能狀態(tài)一激發(fā)態(tài)（excitedstate）（圖3-3）葉綠素分子有紅光和藍(lán)光兩個(gè)最強(qiáng)吸收區(qū)。如果葉綠素分子被藍(lán)光激發(fā)，電子躍遷到能量較高的第二單線(xiàn)態(tài)；如果被紅光激發(fā)，電子躍遷到能量較低的第一單線(xiàn)態(tài)。處于單線(xiàn)態(tài)的電子，其自旋方向保

17、持原來(lái)狀態(tài)，如果電子在激發(fā)或退激過(guò)程中自旋方向發(fā)生變化，該電子就進(jìn)入能級(jí)較單線(xiàn)態(tài)低的三線(xiàn)態(tài).由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，迅速向較低能級(jí)chl+hchl（36）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(xiàn)態(tài)回到基態(tài)所發(fā)射的光就稱(chēng)為熒光。處在第一三線(xiàn)態(tài)的葉綠素分子回到基態(tài)時(shí)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(dòng)上，發(fā)射出的熒光的波長(zhǎng)總是比被吸收的波長(zhǎng)要長(zhǎng)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(cè)出來(lái)，耗能很少，一般不超過(guò)吸收能量的5，因?yàn)榇?/p>

18、部分能量用于光合作用。色素溶液則不同，由于溶液中缺少能量受體或電子受體，在照光時(shí)色素會(huì)發(fā)射很強(qiáng)的熒光。另外，吸收藍(lán)光后處于第二單線(xiàn)態(tài)的葉綠素分子，其貯存的能量雖遠(yuǎn)大于吸收紅光處于第一單線(xiàn)態(tài)的狀態(tài)，但超過(guò)的部分對(duì)光合作用是無(wú)用的，在極短的時(shí)間內(nèi)葉綠素分子要從第二單線(xiàn)態(tài)返回第一單線(xiàn)態(tài)，多余的能量也是以熱的形式耗散.因此，藍(lán)光對(duì)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(shuō)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(xué)能的第一步?，F(xiàn)在，人們用葉綠素?zé)晒鈨x能精確測(cè)量葉片發(fā)出的熒光，而熒光的變化可以反映光合機(jī)構(gòu)的狀況，因此，葉綠素?zé)晒獗环Q(chēng)為光合作用的探針。四）葉綠素的生物

19、合成及其與環(huán)境條件的關(guān)系植物體內(nèi)的葉綠素是不斷地進(jìn)行代謝的，有合成，也有分解，用1N研究證明，燕麥幼苗在72小時(shí)后,葉綠素幾乎全部被更新，而且受環(huán)境條件影響很大。資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除 /46 /461.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34)。高等植物葉綠素的生物合成是以谷氨酸與a酮戊二酸作為原料的，然后合成一氨基酮戊酸(aminolevulinicacid,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HI,合成過(guò)程按A-B-

20、C-D環(huán)的順序進(jìn)行，尿卟啉原皿的四個(gè)乙酸側(cè)鏈脫羧形成具有四個(gè)甲基的糞卟啉原皿，以上的反應(yīng)是在厭氧條件下進(jìn)行的.在有氧條件下，糞卟啉原III再脫羧、脫氫、氧化形成原卟啉氐，原卟啉氐是形成葉綠素和亞鐵血紅素的分水嶺。如果與鐵結(jié)合，就生成亞鐵血紅素；若與鎂結(jié)合,則形成Mg-原卟啉氐。由此可見(jiàn)，動(dòng)植物的兩大色素最初是同出一源的，以后在進(jìn)化的過(guò)程中分道揚(yáng)鑣，結(jié)構(gòu)和功能各異.Mg-原卟啉區(qū)的一個(gè)羧基被甲基酯化，在原卟啉氏上形成第五個(gè)環(huán),接著B(niǎo)環(huán)上的一CH2=CH2側(cè)鏈還原為-CH2CH3,即形成原葉綠酸酯。2223原葉綠酸酯經(jīng)光還原變?yōu)槿~綠酸酯a，然后與葉醇結(jié)合形成葉綠素a，葉綠素b是由葉綠素a轉(zhuǎn)化而成的

21、.2、影響葉綠素形成的條件光照：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(guò)程，如果沒(méi)有光照，一般植物葉子會(huì)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(chēng)為黃化現(xiàn)象。然而,藻類(lèi)、苔蘚、蕨類(lèi)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(jī)理尚不清楚.溫度：葉綠素的生物合成是一系列酶促反應(yīng)，因此受溫度影響很大.葉綠素形成的最低溫度約為24C,最適溫度是2030C，最高溫度為40C左右.溫度過(guò)高或過(guò)低均降低合成速率，原有葉綠素也會(huì)遭到破壞。秋天葉子變黃和早春寒潮過(guò)后秧苗變白等現(xiàn)象，都與低溫抑制葉綠素形成有

22、關(guān)。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(guò)程中酶促反應(yīng)的輔因子。這些元素缺乏時(shí)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.水分：植物缺水會(huì)抑制葉綠素的生物合成，且與蛋白質(zhì)合成受阻有關(guān)。嚴(yán)重缺水時(shí),還會(huì)加速原有葉綠素的分解，而且是合成大于分解，所以干旱時(shí)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合成葉綠素。氧氣:在強(qiáng)光下，植物吸收的光能過(guò)剩時(shí)，氧參與葉綠素的光氧化；缺氧會(huì)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(jī)理光合作用機(jī)理是復(fù)

23、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(yīng),包括一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)和酶促反應(yīng)過(guò)程。20世紀(jì)初O.Warburg等人在研究外界條件對(duì)光合作用的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在弱光下增加光強(qiáng)能提高光合速率，但當(dāng)光強(qiáng)增加到一定值時(shí)，光合速率便不再隨光強(qiáng)的增加而提高，此時(shí)只有提高溫度或CO2濃度2才能增加光合速率；由此推理，光合作用至少有兩個(gè)步驟，其一需要光；另一個(gè)則與溫度相關(guān)。在其后對(duì)光合作用機(jī)理有重大意義的研究是希爾反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和水氧化鐘模型的提出（詳見(jiàn)3。3。2。3）。后來(lái)有人又用藻類(lèi)進(jìn)行閃光試驗(yàn)，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

24、的高.上述試驗(yàn)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(gè)反應(yīng)光反應(yīng)（lightreaction）和暗反應(yīng)（darkreaction）。光反應(yīng)是必須在光下才能進(jìn)行的、由光推動(dòng)的光化學(xué)反應(yīng)，在類(lèi)囊體膜（光合膜）上進(jìn)行；暗反應(yīng)是在暗處（也可以在光下）進(jìn)行的、由一系列酶催化的化學(xué)反應(yīng)，在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行。近年來(lái)的研究表明，光反應(yīng)的過(guò)程并不都需要光，而暗反應(yīng)過(guò)程中的一些關(guān)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(jī)物的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中首先是吸收光能并把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，進(jìn)一步形成活躍的化學(xué)能，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能，貯藏于碳水化合物中。整個(gè)光合作用可大致分為三個(gè)步驟:原初反

25、應(yīng)；電子傳遞（含水的光解、放氧）和光合磷酸化；碳同化過(guò)程。第一、二兩個(gè)步驟基本屬于光反應(yīng)，第三個(gè)步驟屬于暗反應(yīng)（表32）。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-活躍化學(xué)能穩(wěn)定化學(xué)能貯存能量量子電子ATP，NADPH碳水化合物等轉(zhuǎn)變過(guò)程原初反應(yīng)電子傳遞與光合磷酸化碳同化時(shí)間跨度（秒）101510-9101010411010100反應(yīng)部位基粒類(lèi)囊體膜基粒類(lèi)囊體膜葉綠體基質(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(jìn)反應(yīng)無(wú)關(guān)進(jìn)，與溫度無(wú)關(guān)，光、暗反應(yīng)光反應(yīng)光反應(yīng)暗反應(yīng)一）、原初反應(yīng)原初反應(yīng)是指光合色素分子對(duì)光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程.它是光合作用的第一步，速度非常快

26、，可在皮秒(ps,10-12秒)與納秒(ns,10-9秒)內(nèi)完成，且與溫度無(wú)關(guān)，可在-196c(液氮溫度)或-271C(液氦溫度)下進(jìn)行。根據(jù)功能來(lái)區(qū)分，類(lèi)囊體膜上的光合色素可為二類(lèi)：(1)反應(yīng)中心色素(reactioncentrepigments),少數(shù)特殊狀態(tài)的葉綠素a分子屬于此類(lèi)，它具有光化學(xué)活性，既能捕獲光能，又能將光能轉(zhuǎn)換為電能(稱(chēng)為陷阱”)。(2)聚光色素(lightharvestingpigments)，又稱(chēng)天線(xiàn)色素(antenna資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除 /46 /46pigments)，它

27、沒(méi)有光化學(xué)活性能吸收光能，并把吸收的光能傳遞到反應(yīng)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(lèi).聚光色素位于光合膜上的色素蛋白復(fù)合體上，反應(yīng)中心色素存在于反應(yīng)中心(reactioncenter)。但二者是協(xié)同作用的，若干個(gè)聚光色素分子所吸收的光能聚集于1個(gè)反應(yīng)中心色素分子而起光化學(xué)反應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，約250300個(gè)色素分子所聚集的光能傳給一個(gè)反應(yīng)中心色素。每吸收與傳遞1個(gè)光量子到反應(yīng)中心完成光化學(xué)反應(yīng)所需起協(xié)同作用的色素分子數(shù)，稱(chēng)為光合單位(photosyntheticunit)(圖35).實(shí)際上，光合單位包括了聚光色素系統(tǒng)和光合反應(yīng)中心兩部分。因此

28、也可以把光合單位定義為：結(jié)合于類(lèi)囊體膜上能完成光化學(xué)反應(yīng)的最小結(jié)構(gòu)的功能單位。當(dāng)波長(zhǎng)范圍為400700nm的可見(jiàn)光照射到綠色植物時(shí)，天線(xiàn)色素分子吸收光量子而被激發(fā)，以“激子傳遞(excitontransfer)和“共振傳遞(resonancetransfer)兩種方式進(jìn)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(lài)高能電子振動(dòng)在分子間傳遞能量。兩種激發(fā)能傳遞方式的傳遞速率都很快，例如，振動(dòng)一個(gè)壽命為5x10-9S的紅光量子在葉綠體中可傳遞經(jīng)過(guò)幾百個(gè)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(zhǎng)較長(zhǎng)即能量水平

29、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(guò)天線(xiàn)色素吸收、傳遞到反應(yīng)中心色素分子，引起光化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)是在光合反應(yīng)中心進(jìn)行的。而反應(yīng)中心是進(jìn)行原初反應(yīng)的最基本的色素蛋白復(fù)合體，它至少包括一個(gè)反應(yīng)中心色素分子即原初電子供體(primaryelectrondonor,P)、一個(gè)原初電子受體(primaryelectronacceptor，A)和一個(gè)次級(jí)電子供體(secondaryelectrondonor,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(dǎo)致電荷分離，將光能轉(zhuǎn)換為電能。反應(yīng)中心的原初電子受體是指直接接受反應(yīng)中心色素分子傳來(lái)電子的物質(zhì)(A)。反應(yīng)

30、中心次級(jí)電子供體，是指將電子直接供給反應(yīng)中心色素分子的物質(zhì).在光下,光合作用原初反應(yīng)是連續(xù)不斷地進(jìn)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(gòu)成電子的“源”和“庫(kù)。高等植物的最終電子供體是水，最終電子受體是NADP+.光化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是由光引起的反應(yīng)中心色素分子與原初電子受體和次級(jí)供體之間的氧化還原反應(yīng)。天線(xiàn)色素分子將光能吸收和傳遞到反應(yīng)中心后，使反應(yīng)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(shí)留下了“空穴，成為陷井(trap)。反應(yīng)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(fù)電荷(A-).這樣，反應(yīng)中心發(fā)生了電荷分離，反應(yīng)中心

31、色素分子失去電子，便可從次級(jí)電子供體)那里奪取電子，于是反應(yīng)中心色素恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)(P),而次級(jí)電子供體卻被氧化(D+)。這就發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，完成了光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程。huDpaDP*ADP+AD+PA(3-7)基態(tài)反應(yīng)中心激發(fā)態(tài)反應(yīng)中心電荷分離的反應(yīng)中心這一氧化還原反應(yīng)在光合作用中不斷地反復(fù)進(jìn)行，原初電子受體A-要將電子傳給次級(jí)電子受體，直到最終電子受體NADP+。同樣，次級(jí)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。資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除 /46 /46(二)電子傳遞與光合

32、磷酸化反應(yīng)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(guò)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(guò)光合磷酸化形成ATP,把電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能.1、光系統(tǒng)20世紀(jì)40年代，當(dāng)以綠藻為材料，研究不同光波的量子產(chǎn)額(quantumyield),(即每吸收一個(gè)光量子后釋放出的氧分子數(shù)),發(fā)現(xiàn)用波長(zhǎng)大于685nm的遠(yuǎn)紅光照射材料時(shí),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)象被稱(chēng)為紅降(reddrop).1957年，羅伯特愛(ài)默生(R.Emerson)觀察到，在遠(yuǎn)紅光(波長(zhǎng)大于685nm)條件下，如補(bǔ)充紅光(波長(zhǎng)650nm)，則量子產(chǎn)額大增，并且比這

33、兩種波長(zhǎng)的光單獨(dú)照射時(shí)的總和還要大。這樣兩種波長(zhǎng)的光促進(jìn)光合效率的現(xiàn)象叫做雙光增益效應(yīng)或愛(ài)默生效應(yīng)(Emersoneffect)。我們可以認(rèn)為是遠(yuǎn)紅光幫助了短波長(zhǎng)的光，或者是短波長(zhǎng)的光幫助了遠(yuǎn)紅光.這些現(xiàn)象使人們?cè)O(shè)想,光合作用可能包括兩個(gè)光化學(xué)反應(yīng)接力進(jìn)行。后來(lái)，進(jìn)一步的研究證實(shí)光合作用確實(shí)有兩個(gè)光化學(xué)反應(yīng)，分別由兩個(gè)光系統(tǒng)完成。一個(gè)是吸收短波紅光(680nm)的光系統(tǒng)II(photosystemII,PSII)，另一個(gè)是吸收長(zhǎng)波紅光(700nm)的光系統(tǒng)I(photosystemI,PSI)。這兩個(gè)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(jié)構(gòu)中分離出兩個(gè)光系統(tǒng),它們都是蛋白復(fù)合物

34、，其中既有光合色素，又有電子傳遞體PSI顆粒較小，直徑為11nm，位于類(lèi)囊體膜的外側(cè)；PSII顆粒較大，直徑為17.5nm，位于類(lèi)囊體膜的內(nèi)側(cè)。PSII蛋白復(fù)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(jié)合葉綠素的天線(xiàn)蛋白(antennaprotein)CP47和CP43，還有D1和D”兩條多12肽，是PSII復(fù)合體的基本組成部分,P680、去鎂葉綠素(pheophytin；pheo)和質(zhì)體醌(plastoquinone,PQ)，都結(jié)合在幾和d2上。在光合反應(yīng)中心外層是光合色素與蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成PSII聚光色素復(fù)合體(PSIIlightharvestingpigmentcomple

35、x，LHCII).PSI蛋白復(fù)合體也包含反應(yīng)中心和聚光色素復(fù)合體(PSIlightharvestingpigmentcomplex,LHCI).敵草隆(DCMU,一種除草劑)能抑制PSII的光化學(xué)反應(yīng)，卻不抑制PSI的光化學(xué)反應(yīng).PSI的光化學(xué)反應(yīng)是長(zhǎng)光波反應(yīng)，其主要特征是NADP+的還原。當(dāng)PSI的反應(yīng)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(yīng)中心色素P700中的P表示色素，700是指色素的最大吸收波長(zhǎng)。PSII的光化學(xué)反應(yīng)是短光波反應(yīng)，其主要特征是水的光解和放氧。PSII的反應(yīng)中心

36、色素分子(P680)吸收光能，把水分解，奪取水中的電子供給PSI.2、光合鏈光合鏈?zhǔn)侵付ㄎ辉诠夂夏ど系?、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(gè)光系統(tǒng)串聯(lián)進(jìn)行，其中的電子傳遞體按氧化還原電位高低排列，使電子傳遞鏈呈側(cè)寫(xiě)的“Z形(圖3-6)?！癦”方案最早是由希爾(R.Hill)等在I960年提出的，經(jīng)過(guò)后人的不斷修正與補(bǔ)充，日臻完善。PSI和PSII以串聯(lián)方式協(xié)同完成電子從H0向NADP+的傳遞。由氧化還原電位的高低可以看出，這一電子2傳遞途徑是不能自發(fā)進(jìn)行的，有二處(P680-P680*和P70

37、0fP700*)是逆電勢(shì)梯度的“上坡電子傳遞，需要聚光色素復(fù)合體吸收與傳遞的光能來(lái)推動(dòng)。除此之外，電子都是從低電勢(shì)向高電勢(shì)的自發(fā)“下坡運(yùn)動(dòng)光合鏈中的電子傳遞體是質(zhì)體釀(plastoquinone,PQ)，細(xì)胞色素(cytochrome,Cyt)b6/f復(fù)合體，6鐵氧還蛋白(ferredoxin,Fd)和質(zhì)藍(lán)素(plastocyanin,PC)。其中以PQ最受重視，因?yàn)樗粌H數(shù)量多(菠菜葉綠體內(nèi)PQ含量達(dá)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(shí)，把H+從類(lèi)囊體膜外帶入膜內(nèi)，在類(lèi)囊體膜內(nèi)外建立跨膜質(zhì)子梯度以推動(dòng)ATP的合成。光合鏈中PSI

38、、Cytbf和PSI在類(lèi)囊體膜上，難以移動(dòng)，而PQ、PC和Fd可以在膜內(nèi)或膜表面移動(dòng),在三者間傳遞電子。3、水的光解和放氧水的光解(waterphotolysis)是希爾(R。Hill)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2H0+2A2AH+0(3-8)222葉綠體此反應(yīng)稱(chēng)為希爾反應(yīng)(Hillreaction).氫的接受體被稱(chēng)為希爾氧化劑(Hilloxidant)，如2,6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP+、NAD+等.是希爾第一個(gè)用離體葉綠體作試驗(yàn)，把光合作用的研究深入到細(xì)胞器的水平.水的光解反應(yīng)是植物光合作用重要的反應(yīng)之一，其機(jī)

39、理尚不完全清楚。但已查明，在類(lèi)囊體腔一側(cè)有3條外周多肽，其中一條33kD的多肽為錳穩(wěn)定蛋白(manganesestablizingprotein,MSP)，它們與Mn、Ca+2、Cl一起參與氧的釋放，稱(chēng)為放氧復(fù)合體(oxygenevolvingcomplex,OEC)。而且對(duì)于水是如何通過(guò)OEC給出電子的問(wèn)題目前已有部分答案.在1969年，法國(guó)的學(xué)者P。Joliot給已經(jīng)暗適應(yīng)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(wú)02產(chǎn)生，第二次閃光釋放少量02,第三次閃光放02最多，第四次閃光放02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(gè)02，需

40、要氧化2分子水，并移去4個(gè)e-,同時(shí)形成4個(gè)H+,而閃光恰巧以4為周2期.Kok等(1970)據(jù)此提出了H20氧化機(jī)制的模型：放氧復(fù)合體(0EC)在每次閃光后可以積累一個(gè)正電荷，2直至積累4個(gè)正電荷，才一次用于2個(gè)H20的氧化(圖3-7)。該圖中不同狀態(tài)的S代表了0EC中不同氧化狀態(tài)的放氧復(fù)合體(含錳蛋白)，含有4個(gè)Mn,包括血2+、Mn3+和Mm+。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(chēng)為s0、S1s2、和S4.即$0不帶電荷，q帶1個(gè)正電荷,依次到S4帶有401234014個(gè)正電荷。每一次閃光將S狀態(tài)向前推進(jìn)一步，直至S.然后，S從2個(gè)H0中獲取4個(gè)e-,并回到S。4420

41、此模型稱(chēng)為水氧化鐘(wateroxidizingclock)或心*鐘(Kokclock)。這個(gè)模型還認(rèn)為，S。和S】是穩(wěn)定狀態(tài)，4和S3可在暗中退回到S1,S4不穩(wěn)定.這樣在葉綠體暗適應(yīng)后，有3/4的含錳蛋白處于S1,231411/4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(lèi)型：非環(huán)式電子傳遞(noncyclicelectrontransport):指水光解放出的電子經(jīng)PSII和PSI兩個(gè)光系統(tǒng)，最終傳給NADP+的電子傳遞。HOfPSIIPQfCytb/fPCPSIFdFNRNADP+(3-9)26按非環(huán)式電子傳遞,每傳遞4個(gè)電子，分解2分子嗎0,釋放1

42、個(gè)02,還原2個(gè)NADP+，需要吸收8個(gè)光量子，量子產(chǎn)額為1/8.同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)8個(gè)H+進(jìn)入類(lèi)囊體腔.環(huán)式電子傳遞(cyclicelectrontransport):指PSI產(chǎn)生的電子傳給Fd,再到Cytb/f復(fù)合6體,然后經(jīng)PC返回PSI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Cytb/f,6也可經(jīng)FNR傳給質(zhì)體醌，還可以經(jīng)過(guò)NADPH再傳給PQ.PSIfFdf(NADPHfPQ)fCytb6/ffPCPSI(310)假環(huán)式電子傳遞(pseudocyclicelectrontransport):指水光解放出的電子經(jīng)PSII和PSI兩個(gè)光系統(tǒng)，最終傳給02的電子傳遞。由于這一電

43、子傳遞途徑是Mehler提出的，故亦稱(chēng)為Mehler反應(yīng).它與非環(huán)式電子傳遞的區(qū)別只是電子的最終受體是02而不是NADP+2HOfPSIIPQfCytb/ffPCPSIFdO(311)262因?yàn)镕d是單電子傳遞體，02得到一個(gè)電子生成超氧陰離子自由基(0:)，它是一種活性氧。葉綠2體中的超氧化物歧化酶(SOD)可清除0乙。這一過(guò)程往往是在強(qiáng)光照射下,NADP+供應(yīng)不足的情況下發(fā)生的。這是植物光合細(xì)胞產(chǎn)生02的主要途徑。5、光合磷酸化葉綠體在光照下把無(wú)機(jī)磷(Pi)與ADP合成ATP的過(guò)程稱(chēng)為光合磷酸化(photophosphorylation).與三種光合電子傳遞的類(lèi)型類(lèi)同，光合磷酸化也被分為三

44、種類(lèi)型，即非環(huán)式光合磷酸化(noncyclicphotophosphorylation)、環(huán)式光合磷酸化(cyclicphotophosphorylation)和假環(huán)式光合磷酸化(pseudocyclicphotophosphorylation)。電子傳遞是如何偶聯(lián)著ATP的合成呢?大量研究表明，光合磷酸化與電子傳遞是通過(guò)ATP酶聯(lián)系在一起的(圖38).ATP酶又叫ATP合成酶、偶聯(lián)因子(couplingfactor).葉綠體的ATP酶與線(xiàn)粒體膜上的ATP酶結(jié)構(gòu)相似，是一種球莖結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)蛋白復(fù)合體構(gòu)成:一個(gè)是突出于膜表面的親水性的“CF”復(fù)合體，另一個(gè)是埋置于膜內(nèi)的疏水性的“CF0復(fù)合體。酶

45、的催化部位在CF上，CF結(jié)合在CFo上。CF/很容易被EDTA溶液除去，而CF。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(yīng)為磷酸酐鍵的形成，即把ADP和Pi合成ATP。關(guān)于光合磷酸化的機(jī)理，可由英國(guó)的米切爾(P.Mitchell)提出的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)來(lái)解釋。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為，在類(lèi)囊體膜上的電子傳遞體中，PQ具有親脂性，含量多，被稱(chēng)為PQ庫(kù)，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(shí)，又把膜外基質(zhì)中的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)至類(lèi)囊體膜內(nèi)，PQ在類(lèi)囊體膜上的這種氧化還原往復(fù)變化稱(chēng)PQ穿梭。此外，水在膜內(nèi)側(cè)分解也釋放出H+,膜內(nèi)H+濃度增高，則膜內(nèi)

46、電位較正”，膜外H+濃度降低，則膜外電位較“負(fù)”，于是膜內(nèi)外產(chǎn)生電位差(厶)和質(zhì)子濃度差(ApH)，兩者合稱(chēng)質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(protonmotiveforce,pmf)，是光合磷酸化的動(dòng)力H+沿著濃度梯度返回膜外時(shí)，在ATP酶催化下，合成ATP。(三)碳同化二氧化碳同化(CO2assimilation)，簡(jiǎn)稱(chēng)碳同化，是指植物利用光反應(yīng)中形成的同化力(ATP和2NADPH)，將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物的過(guò)程。二氧化碳同化是在葉綠體的基質(zhì)中進(jìn)行的，有許多種酶參與反2應(yīng)。高等植物的碳同化途徑有三條，即C途徑、C途徑和CAM(景天酸代謝)途徑。341、C3途徑如前所述，早在十九世紀(jì)末，人們就知道光合作用需要

47、82和h2o,產(chǎn)物是糖和淀粉，但是對(duì)于82是如222何被還原成碳水化合物的具體步驟尚不清楚。直到20世紀(jì)40年代中期，美國(guó)加州大學(xué)的卡爾文(M.Calvin)和本森(A.Benson)采用當(dāng)時(shí)的兩項(xiàng)新技術(shù)：放射性同位素示蹤和雙向紙層析，以單細(xì)胞藻類(lèi)作為試驗(yàn)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2應(yīng)，用紙層析技術(shù)分離同位素標(biāo)記物，以標(biāo)記物出現(xiàn)的先后順序來(lái)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(chēng)為卡爾文循環(huán)(TheCalvincycle)。由于這個(gè)循環(huán)中CO2的受體是一種戊糖(核酮糖二磷酸)，故又稱(chēng)

48、為還原戊糖磷酸途徑2(reductivepentosephosphatepathway,RPPP)。這個(gè)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(chēng)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(gè)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(ribulosebisphosphatecarboxylase/oxygenase,Rubisco)催化下，與CO結(jié)合，產(chǎn)物很快水解為二分子3磷酸2甘油酸(3PGA)反應(yīng)過(guò)程.Rubisco是植物體內(nèi)含量最豐富的酶，約占葉中可溶蛋

49、白質(zhì)總量的40%以上，由8個(gè)大亞基(約56KD)和8個(gè)小亞基(約14KD)構(gòu)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。(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.2羧化階段產(chǎn)生的PGA是一種有機(jī)酸，尚未達(dá)到糖的能級(jí)，為了把PGA轉(zhuǎn)化成糖，要消耗光反應(yīng)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(yīng)與暗反應(yīng)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)。當(dāng)CO2被還原為GAP時(shí)，光合作用的貯能過(guò)

50、程即告完成。2(3)再生階段：是由GAP經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)變，重新形成CO2受體RuBP的過(guò)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(yīng)(見(jiàn)圖310).最后一步由核酮糖一5磷酸激酶(Ru5PK)催化，并消耗1分子ATP,再形成RuBP，構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。C途徑的總反應(yīng)式為：33C0+5H0+9ATP+6NADPH+6H+GAP+9ADP+8Pi+6NADP+(3-12)22出一個(gè)磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內(nèi)形成淀粉或運(yùn)出葉綠體，在細(xì)胞質(zhì)中合成蔗糖。若按每同化ImolCO可貯能478kJ,每水解ImolATP和氧化ImolNADPH可分別釋放能量32kJ和2

51、17kJ計(jì)算，2則通過(guò)卡爾文循環(huán)同化C02的能量轉(zhuǎn)換效率為90%。(即478/(32X3+217X2),由此可見(jiàn)，其能量轉(zhuǎn)2換效率是非常高的.由上式可見(jiàn)，每同化一個(gè)C0,要消耗3個(gè)ATP和2個(gè)NADPHo還原3個(gè)CO可輸出一個(gè)磷酸丙糖(GAP22或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內(nèi)形成淀粉或運(yùn)出葉綠體,在細(xì)胞質(zhì)中合成蔗糖。若按每同化1molC02可2貯能478kJ，每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別釋放能量32kJ和217kJ計(jì)算，則通過(guò)卡爾文循環(huán)同化C02的能量轉(zhuǎn)換效率為90%o(即478/(32X3+217X2)，由可見(jiàn)，其能量轉(zhuǎn)換效率是非常高的。2在20世紀(jì)60年代以后，人

52、們對(duì)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：自動(dòng)催化調(diào)節(jié)作用：C02的同化速率，在很大程度上決定于C3途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和中間產(chǎn)物的數(shù)量23水平.將暗適應(yīng)的葉片移至光下,最初階段光合速率很低，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)“滯后期”(一般超過(guò)20min，取決于暗適應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短)才能達(dá)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(dòng)調(diào)節(jié)RuBP水平的機(jī)制，即在RuBP含量低時(shí)，最初同化C02形成的磷酸丙糖不輸出循環(huán)，而用于RuBP再生，以加快C02固定速率；當(dāng)循環(huán)達(dá)到“穩(wěn)態(tài)”22后,磷酸丙糖才輸出.這種調(diào)節(jié)RuBP等中間產(chǎn)

53、物數(shù)量，使C02的同化速率處于某一“穩(wěn)態(tài)”的機(jī)制，稱(chēng)為2C3途徑的自動(dòng)催化調(diào)節(jié).2。光調(diào)節(jié)作用：碳同化亦稱(chēng)為暗反應(yīng)。然而，光除了通過(guò)光反應(yīng)提供同化力外還調(diào)節(jié)著暗反應(yīng)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(yīng)中，H+被從葉綠體基質(zhì)中轉(zhuǎn)移到類(lèi)囊體腔中，同時(shí)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(shí)活性最高,對(duì)C0親和力也高。其他的一些酶,如FBPase、Ru5PK等的活性在pH8時(shí)2比pH7時(shí)高。在暗中,pHW7.2時(shí)，這些酶活性降低，甚至喪失.Rubisco活性部位中的一個(gè)賴(lài)氨

54、酸的NH2基在pH較高時(shí)不帶電荷，可以與在光下由Rubisco活化酶(activase)催化，與C02形成帶負(fù)電荷的氨2基酸，后者再與Mg2+結(jié)合，生成酶C02Mg2+活性復(fù)合體(ECM)，酶即被激活。光還通過(guò)還原態(tài)Fd產(chǎn)生效應(yīng)物一一硫氧還蛋白(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。光合產(chǎn)物輸出速率的調(diào)節(jié)：光合作用最初產(chǎn)物磷酸丙糖從葉綠體運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)的數(shù)量，受細(xì)胞質(zhì)中Pi水平的調(diào)節(jié)。磷酸丙糖通過(guò)葉綠體膜上的Pi運(yùn)轉(zhuǎn)器運(yùn)出葉綠體，同時(shí)將細(xì)胞質(zhì)中等量的Pi運(yùn)入葉綠體.當(dāng)磷酸丙糖在細(xì)胞質(zhì)中合成為蔗糖

55、時(shí)，就釋放出Pi.如果蔗糖從細(xì)胞質(zhì)的外運(yùn)受阻，或利用減慢，則其合成速度降低，Pi的釋放也隨之減少，會(huì)使磷酸丙糖外運(yùn)受阻。這樣，磷酸丙糖在葉綠體中積累，從而影響q光合碳還原循環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2、C途徑4在20世紀(jì)60年代，發(fā)現(xiàn)有些起源于熱帶的植物，如甘蔗、玉米等，除了和其它植物一樣具有卡爾文循環(huán)以外，還存在一條固定co2的途徑。它固定co2的最初產(chǎn)物是含四個(gè)碳的二羧酸，故稱(chēng)為c4二224羧酸途徑(Cdicarboxylicacidpathway),簡(jiǎn)稱(chēng)C途徑。由于這個(gè)途徑是M.D.Hatch和C。R.Slack44發(fā)現(xiàn)的，也叫HatchSlack途徑.現(xiàn)已知被子植物中有20多個(gè)科近2000種植物按

56、C途徑固定CO,這些42植物被稱(chēng)為C植物。4C途徑的CO受體是葉肉細(xì)胞胞質(zhì)中的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)，在磷酸烯42醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的催化下，固定HCO(CO溶解于水)，生成草酰乙酸(oxaloaceticacid，OAA)。32草酰乙酸由NADP蘋(píng)果酸脫氫酶(malicaciddehydrogenase)催化，被還原為蘋(píng)果酸(malicacid，Mal)，反應(yīng)在葉綠體中進(jìn)行。但是，也有植物，其草酰乙酸與谷氨酸在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶Qspartateaminotransferase)作用下,OAA接受谷氨酸的氨基，形成天冬氨酸(aspartica

57、cid，Asp)，反應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行.這些蘋(píng)果酸或天冬氨酸接著被運(yùn)到維管束鞘細(xì)胞(bundlesheathcell,BSC)中去.四碳二羧酸在BSC中脫羧后變成的丙酮酸(pyruvicacid)，再?gòu)木S管束鞘細(xì)胞運(yùn)回葉肉細(xì)胞在葉綠體中，經(jīng)丙酮酸磷酸雙激酶(pyruvatephosphatedikinase，PPDK)催化和ATP作用，生成CO的受體PEP，使反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行，而四碳2二羧酸在BSC葉綠體中脫羧釋放的CO2,由BSC中的C3途徑同化.根據(jù)運(yùn)入維管束鞘的C4二羧酸的種類(lèi)以及參與脫羧反應(yīng)的酶類(lèi),C4途徑又分三種類(lèi)型。一是依賴(lài)44NADP蘋(píng)果酸酶(malicenzyme)的蘋(píng)果酸型(NAD

58、PME型)，如玉米、甘蔗、高粱等即屬此類(lèi)；二是依賴(lài)NAD-蘋(píng)果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)(PCK型)，龍爪稷、蟋蟀草、狗芽根、馬齒莧等屬于此類(lèi)三是具有PEP羧激酶(PEPcarboxykinase，PCK)的天冬氨酸型，羊草、無(wú)芒虎尾草、衛(wèi)茅、鼠尾草等屬于此類(lèi)NADPME型的初期產(chǎn)物是MAL,而NADME型和PCK型的初期產(chǎn)物是Asp。C4二羧酸從葉肉細(xì)胞轉(zhuǎn)移到BSC內(nèi)脫羧釋放CO2,使BSC內(nèi)的CO2濃度可比空氣中高出20倍左右，相當(dāng)于422一個(gè)“CO2泵的作用，能有效抑制Rubisc。的加氧反應(yīng)，提高迥同化速率。同時(shí)PEPC對(duì)C02的Km值為2227umol,而Rubisco對(duì)CO

59、的Km值為450umol，即PEPC對(duì)CO的親和力高，因此，C途徑的CO同化速率2242高于C途徑。C途徑的酶活性受光、代謝物運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié).光可活化C途徑中的PEPC、NADP-蘋(píng)果酸脫氫酶344和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)，在暗中這些酶則被鈍化。蘋(píng)果酸和天冬氨酸抑制PEPC活性，而G6P、PEP則增加其活性。Mn2+和Mg2+是C植物NADP蘋(píng)果酸酶、NAD蘋(píng)果酸酶、PEP羧化激酶的活化劑。43、景天酸代謝途徑在干旱地區(qū)生長(zhǎng)的景天科、仙人掌科等植物有一個(gè)特殊的CO2同化方式:夜間氣孔開(kāi)放，吸收CO222,在PEPC作用下與糖酵解過(guò)程中產(chǎn)生的PEP結(jié)合形成OAA,OAA在NADP-蘋(píng)果酸脫氫酶

60、作用下進(jìn)一步還原為蘋(píng)果酸，積累于液胞中，表現(xiàn)出夜間淀粉、糖減少，蘋(píng)果酸增加，細(xì)胞液變酸。白天氣孔關(guān)閉，液胞中的蘋(píng)果酸運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)在NAD或ANDP蘋(píng)果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脫羧釋放CO”，再由C3途23徑同化;脫羧后形成的丙酮酸和PEP則轉(zhuǎn)化為淀粉（圖3-12）。丙酮酸也可進(jìn)入線(xiàn)粒體，也被氧化脫羧生成CO2進(jìn)入c3途徑，同化為淀粉。所以白天表現(xiàn)出蘋(píng)果酸減少，淀粉、糖增加，酸性減弱。這種有機(jī)酸23合成日變化的光合碳代謝類(lèi)型稱(chēng)為景天科酸代謝（crassulaceanacidmetabolism,CAM）途徑（圖3-12）。CAM途徑最早是在景天科植物中發(fā)現(xiàn)的，目前已知在近30個(gè)科，100多個(gè)