《高級植物生理學》

《高級植物生理學》講授內容：

光合作用

呼吸作用主講老師：彭新湘

生命科學學院分子植物生理研究室生命科學大樓北511#聯(lián)系電話：85282023,85281870

Email:xpeng@參考資料《植物生理學》潘瑞熾等，2007，第五版《PlantPhysiology》,Taiz&Zeiger,2009,4thedition《植物生理學報》中相關綜述文章《AnnualReviewofPlantBiology》相關文章網絡相關文章考試方式與成績：1、4-15周上課；2、平時成績占30%：包括17-18周進行的課堂討論成績，課堂互動成績，課堂考勤幾率等；3、期終考試成績占70%:筆試，開卷，每道題可二選一。光合作用（Photosynthesis)基本問題：何謂光合作用？光合作用的意義？光合作用被諾貝爾獎基金委員會評價為“地球上最重要的化學反應”，它也是地球上一切生命生存和發(fā)展的基礎。到目前為止，共有8次諾貝爾獎的桂冠被從事光合作用研究的科學家所摘取。

光合作用研究具有重大的學術及應用價值植物光能利用效率潛力分析

當今光合作用的研究熱點與難點？一、光合電子傳遞鏈與光合磷酸化

光合電子傳遞鏈（“Z鏈”模式）

光反應中4大蛋白復合體i.e.PSII復合體、細胞色素b/f復合體、PSI復合體和ATP酶復合體定位于葉綠體類囊體膜上的電子傳遞體

4大復合體在膜上的不均勻分布：PSII主要分布在基粒片層，PSI和ATP合酶復合體主要分布在間質片層，細色素b/f則均勻分布在整個類囊體膜上。結構與功能的關系1、光系統(tǒng)II的結構與功能結構：

(1)由圍繞P680的CP43和CP47兩個色素蛋白復合體組成的近側天線，及主要由LHCII捕光復合體組成的遠側天線共同構成的捕光天線系統(tǒng)；(2)由兩個32kD多肽組成的D1-D2蛋白，其中包括著原初供體Z;中心色素P680;原初受體Pheo、QA、QB和鐵原子構成反應中心的電子傳遞鏈；(3)由33kD,23kD及17kD三種外周多肽以及與放氧有關的猛簇和氯、鈣離子組成的水氧化放氧系統(tǒng)。光系統(tǒng)II的水裂解放氧功能

*氧釋放動力學：光合放氧的周期現(xiàn)象（閃光實驗）在黑暗中適應后的葉綠體經過第一、二次閃光處理，幾乎無O2釋放；閃到第三次，放O2最多；第四次次之，以后逐漸下降并穩(wěn)定在一個恒定值。經暗適應后的葉綠體主要處于S1態(tài)。經三次閃光后轉變?yōu)镾4態(tài)，隨后作為強氧化劑將水氧化形成氧氣。若繼續(xù)不斷閃光下去，因為會出現(xiàn)“錯漏”、“雙激”和“弛豫”等原因，以致逐步趨于一個適中的穩(wěn)定值。Kok等（1970）提出5個S狀態(tài)循環(huán)的放氧復合體（OEC）需要4個氧化當量（失去4個電子，積累4個正電荷才能把水分子氧化裂解并放氧。放氧機理：氧化鐘模型2、細胞色素b/f復合體的結構與功能

結構：細胞色素b/f復合體是類囊體膜上可分離的一種多亞基膜蛋白。由7個多肽組成，即細胞色素f，細胞色素b6，Rieske鐵硫蛋白，另有4個功能尚未知的多肽subunitIV,PetG,PetL,PetM一個Q循環(huán)的凈反應結果：PQH2+2PCox+2H+stroma

PQ+2PCred+4H+lumen細胞色素b/f復合體的質子泵功能PQ接受來自PSII的電子，通過雙還原結合了２個膜外質子形成PQH2，PQH2將２個電子中的第一個傳給鐵硫中心RFeS，然后到Cytf再向PC傳遞（主路）。與此同時，PQH2又將第二個電子交給Cytb6的低電位型血紅素(bl)同時釋放２個質子到類囊體腔內。bl通過細胞色素b6上的高電位型血紅素bh，將電子轉移到PQ。Q循環(huán)

（第一次）經過２次循環(huán)后，PQ二次被還原。雙還原的PQ又從膜外結合２個質子，并將其跨膜轉移至類囊體腔內。Q循環(huán)

（第二次）H+3.光系統(tǒng)I的結構與功能PSI反應中心復合體由反應中心色素P700，電子受體和捕光天線三大部分組成。它們都結合在蛋白亞基上。

復合體由大亞基和許多小亞基組成：PSI-A和PSI-B兩個大亞基，是由葉綠體基因編碼的分子量分別為83kD和82kD的兩個多肽。反應中心色素700，原初電子受體Ao,A1,Fx都存在在此大亞基之中；小亞基PSI-C也是由葉綠體基因編碼的9kD的多肽，它也是鐵硫中心FA和FB的所在部位；PSI的電子供體PC和電子受體Fd通過特殊蛋白的亞基的靜電引力與PSI反應中心相連接；由核基因編碼的PSI-F小亞基作為PC與PSI的連接物；由核基因編碼的PSI-D和PSI-E兩個小亞基作為Fd與PSI的連接物；其他一些小亞基的功能尚不清楚捕光天線由不同的捕光色素蛋白復合體LHCI組成。PSI生產還原力的功能

形成還原型ferredoxin和NADPH,以用于光合碳循環(huán)和其它代謝反應所需（如硝酸還原，氨的同化等）。World’ssmallestrotarymotor酶由兩部分組成：跨膜區(qū)CFo和暴露在基質中的親水區(qū)叫CF1。CFo負責把質子跨膜運至質酶的催化部位CF1，CF1則負責由ADP形成ATP;該酶的分子量為400kDa,含9個不同的亞基。

4、ATP合酶復合體的結構與功能LumeninsideLumenoutsidePeptidesubunitsoftheATPsynthasecomplexProteinGeneLocationMWFunctionofgene(kDa)CF1

subunitatpAC55catalytic

subunitatpBC54catalytic

subunitatpCN36protongating

subunitatpDN20bindingofCF1toCFo

subunitatpEC15ATPaseinhibitionCFoIatpFC17bindingofCFotoCF1IIatpGN16bindingofCFotoCF1IIIatpHC8protontranslocationIVatpIC27bindingofCFotoCF1

Evidences:Thethreecatalyticsubunitsdifferintheirconformationandinnucleotideboundtothem;Thesubunitisinsertedlikeashaftthroughthecenterofthecatalyticcomplex(3+3);Theinterfacebetweenthesubunitandtheandsubunitsishighlyhydrophobic.酶的作用機理：構象（結合）變化模型

（Thebinding-changemodel）Threeimportantcomponents:(1)themajorenergy-requiringstepisnotthesynthesisofATP,butthereleaseofATPfromtheenzyme;(2)substrateisboundandproductsarereleasedatthreeseparatebutinteractingcatalyticsites,correspondingtothethreecatalyticsubunits(bsubunits).Eachcatalyticsitecanexistinoneofthreeconformations:tight,looseandopen;(3)protontransportgrotationbindingchange,i.e.thebindingchangeisdrivenbyprotontransportviathe

rotation.RotationofthegsubunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complexwasdirectlyobservedbyinvitrostudiesusingfluorescencemicroscopyInvivoInvitro

ATP合酶產生ATP的功能及機理在質子梯度驅動下進行ATP合成（化學滲透學說),亦具有水解ATP的活性。pmf

=0.059pH+非環(huán)式光合磷酸化

同時產生形成ATP與還原型ferredoxin和NADPH,以用于光合碳循環(huán)和其它代謝反應。環(huán)式光合磷酸化

由PSI、Fdx-PQ氧化還原酶和Cytb6f共同參與完成，只產生ATP，不形成NADPH，以此調節(jié)ATP/NADPH的比例。StromaThylakoid光合碳循環(huán)（Calvin循環(huán)）光合磷酸化（ATP&NADPH）光合電子傳遞光驅動驅動驅動LollipopsetupforelucidationofCalvincycleDr.MelvinCalvin,諾貝爾獎獲得者Dr.M.Calvin（1961.10）TheCalvincycle二、Rubisco的結構與功能

1.重要意義被認為是提高光合速率的一個重要突破口；也是生物界含量最為豐富的一種蛋白質。核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶(Ribulosebisphosphatecarboxylaseoxygenase).PhotorespirationPhotosynthesis類型I（L8S8）：由8個大亞基和8個小亞基組成，廣泛存在于所有真核和大多數(shù)原核的光合有機體中。大亞基一般由475個氨基酸組成，其序列大部分由其核苷酸序列推測而來，同源性在80%以上。小亞基一般由123個氨基酸組成，其同源性在70%；類型II（L2）：僅有2個大亞基，是最簡單的一種Rubisco，它存在于一種紫色非硫光合細菌--深紅紅硫菌中；比較類型I和類型II大亞基的氨基酸序列，它們僅有28%同源性。然而它們之間在活性部位的一些氨基酸是保守的。2.亞基組成2.立體結構高等植物的Rubisco外型呈桶狀圓柱體。它由四對交互結合的L2大亞基二聚體排成8聚體核（L8）。在大亞基8聚體的兩端各有一小亞基四聚體；每個小亞基陷窩大亞基之間的裂隙中。3、Rubisco的雙功能催化反應4.酶活性的調控Rubisco是世界上最“懶”的酶——低催化效率和高豐度

酶的氨甲?；饔肊(鈍化）+ACO2E?ACO2(鈍化)E?ACO2+Mg2+E?ACO2?Mg2+(活化)三元復合物的形成可以不要小亞基，但缺少小亞基時不利于三元復合物的形成。當三元復合物形成后，酶的構象發(fā)生很大變化。RUBP3-PGARubisco活化酶如RuBP與首先酶的非氨基甲?；癄顟B(tài)緊密結合，阻止了酶與活化劑CO2分子的結合，使酶不能活化。Rubisco活化酶能在ATP存在下除去結合在非氨基甲酰化Rubisco上的RuBP，從而使Rubisco游離得以進一步被活化?；罨缸饔梅绞饺⒐庖种啤⒐庋趸捌淇剐詸C理

何為光抑制、光氧化？

當綠色植物的光合器官吸收了超過光合作用所能利用的能量而引起ＰＳⅡ的過量激發(fā),光合效率下降,即光抑制（可逆）；而長時間的光抑制則會引發(fā)光氧化的發(fā)生，導致光合器官受損，光合色素降解(漂白)，甚至造成植物死亡（不可逆）；特別是同時遭受其它逆境脅迫，如低溫、高溫、干旱等，由于這些因素加大了光能過剩的程度,妨礙了保護和修復系統(tǒng)的正常運轉,更易遭受光氧化的傷害；O2H2O2活性氧積累作物生長和產量O2-H2O2光氧化脅迫鹽堿高溫低溫干旱除草劑

O2還原1O2

華南地區(qū)水稻在自然條件下易發(fā)生光氧化傷害1.早稻苗期——長期低溫陰雨→突然轉晴2.早稻中后期——長期陰雨天(龍舟雨)→突然轉晴3.晚稻后期——冷空氣南下(寒露風)+晴天Daysafterheading:01428424956高光天線色素調整捕光復合體光化學反應氧化態(tài)分子生成光合機構受攻擊光氧化損傷熱耗散抗氧化系統(tǒng)水-水循環(huán)光呼吸碳同化環(huán)式電子流光合機構修復和重新合成葉綠體葉角變化、蠟質層增厚、葉綠體運動調整光抑制光氧化保護機制即時響應保護機制長效保護機制據(jù)統(tǒng)計，這些品種累計推廣面積3億畝以上，增產小麥已超過150億斤“小偃系列”及其衍生品種分布圖小偃54實例小偃54具有很強的抗光氧化能力，其研究組揭示其抗光氧化的生化基礎，但其抗光氧化分子基礎亟待研究。正常強光正常強光提高作物的抗光氧化性對農業(yè)生產具有普遍意義！小結光合電子傳遞鏈中的四大復合體:PSII,Cytochromeb6f,PSIandATPsynthase;四大復合體的結構：？？；復合體各自的功能：PSII與水裂解；細胞色素b6/f與質子泵；PSI與NADPH形成;ATP合酶與ATP形成；質子梯度形成機理與化學滲透學說

(pmf

=0.059pH+);ATPsynthase合成ATP的機理（

Theworld’ssmallestrotarymotor）Rubisco結構與功能:L8S8andL2;雙功能催化作用與世界上最豐富的N貯備。呼吸作用

基本問題：1.呼吸作用的概念？2.主要功能？

......一、呼吸代謝的底物氧化1．底物氧化的多條路線糖酵解-三羧酸循環(huán)（EMP-TCAC）發(fā)酵（Fermentation）

戊糖磷酸途徑（PPP）backEMP-TCACTCACFermentationPPP2.呼吸代謝與其它代謝的關系Theprimarypathwaysofrespirationprovidemetabolicintermediatesthatserveassubstratesforthesynthesisof:AminoacidsandproteinsNucleicacidsFattyacidsSecondarymetabolitesgoPPP二、呼吸電子傳遞與氧化磷酸化

1.植物線粒體電子傳遞鏈結構呼吸鏈的5大蛋白復合體（4+1）：植物線粒體的電子傳遞鏈由4個蛋白復合體組成（I-IV);ATP合酶復合體(occasionallycalledV)gogoRotenoneMalonateSHAMAntimycinAKCNCONaN3SpecificinhibitorsforoxidativephosphorylationComplexIisalargemultisubunitcomplexof30-40polypeptides.Dependingonthespecies,theplantgenomemayencodeasmanyas9componentsofcomplexI,whichoxidizesNADHproducedbythereactionsoftheTCAcycleandbytheotherNAD-linkedenzymesinthematrix.ComplexII,thesmallestofthefourproteinsofsizes70,27,15and13.5KDa.UnlikecomplexI,complexIIdoesnottranslocateprotons,sosuccinateoxidationislinkedtothesynthesisoflessATPthanisNADHoxidation.ComplexIII,alsoknownasthecytochromebc1complex,inludesa42-kDacytochromewith2b-typehemes,a31kDacytochromec1,a27-kDaRieske-typeFe-Sprotein,andfiveorsoadditionalpolypeptides.

UQH2+2Cytcox+2H+matrix UQ+2Cytcred+4H+IMSComplexIV,cytochromecoxidase,acceptsanelectronfromreducedcytochromeconthecytosolicsideoftheinnermembraneandeventuallydonatesittooxygenonthematrixsideofthemembrane.Itcontains7-9polypeptideswith2a-typehemesand2copper-containingenters.LikecomplexI,cytochromeoxidasetranslocatesprotonsacrosstheinnermembraneduringetransfer,butthecrystalstructurehasnotyetrevealedtheprotonpumpingmechanism.化學滲透學說：破譯氧化磷酸化與光合磷酸化的機理由英國的米切爾(PeterMitchell)1961年提出，理論要點：①由磷脂和蛋白多肽構成的膜對離子和質子具有選擇性；②具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜內；③膜上有偶聯(lián)電子傳遞的質子轉移系統(tǒng)；④膜上有轉移質子的ATP酶。獲1978年化學諾貝爾獎ComplexV:ATPsynthase亞基和三種F0亞基由線粒體基因編碼，其它亞基由核基因編碼。在分子世界里，ATP合酶是一種很奇妙的酶?？梢哉f它是一個離子泵、一種令人驚異的納米級分子馬達。它在細胞里扮演著一個不可或缺的角色。一般來說，機體所需的大多數(shù)ATP都是由ATP合酶產生的，其合成ATP的機理很奇特。光呼吸

（Photorespiration，簡稱PR)PRisaprocesswhichisassociatedwithlight-dependentoxygenuptakeandCO2evolutioningreenplantsWhatisPR?光呼吸途徑闡明歷程：1920OttoWarburgobservedO2inhibitiononPS;1955Deckerdiscoveredpost-illuminationCO2burst;1955Calvinetal.clarifiedC3cyclewithlooseendsthatGlc,Gly&Serwerealsolabeled;Late1960s,Tolbert&Zelitchfinishedclarifyingglycolatemetabolicpathwayusing14C-glycolatetracing;Late1960s,Ogrenetal.wereintriguedbythemutualeffectsofO2&CO2onPS(1yearwork),followedbyhisdeductivereasoning(consideredasoneofthemostbrilliantreasoningin20thcenturyplantbiology);1971BowesdetectedRUBPcarboxylasehasoxygenaseactivity;1972Lorimerheavilyarguedwithaneventoflongdriveandofficeburst;1973LorimerprovedC/Ocouldnotbeuncoupled;1978GordanConferenceonPS:amostheateddebateeverseenbetweenTolbert’sandZelitch’sgroup1978TwoSomervillesarrivedatOgren’slabwith3clearideas(afterParistime):(i)judgewhichsidewasmostlikelycorrect;(ii)makearightexperimentaldesign(mutantscreening);(iii)riskandoutputandenjoyments.1978-1985theyhadverysuccessfuloutput!1980sLea,Miflin,andKeysetal.didinthesamewayonbarley;1.Intermsofenergy,PRistrulyawastefulprocess,bywhicharound25%ofthecarbonfixedbyphotosynthesisislostinC3plants2.Ontheotherhand,accumulatingevidencesshowPRmayplayvariousfunctionalroles,forinstance:Protectingphotosynthesisfromphotoinhibitio