《高級(jí)植物生理學(xué)》

《高級(jí)植物生理學(xué)》講授內(nèi)容：

光合作用

呼吸作用主講老師：彭新湘

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

Email:xpeng@參考資料《植物生理學(xué)》潘瑞熾等，2007，第五版《PlantPhysiology》,Taiz&Zeiger,2009,4thedition《植物生理學(xué)報(bào)》中相關(guān)綜述文章《AnnualReviewofPlantBiology》相關(guān)文章網(wǎng)絡(luò)相關(guān)文章考試方式與成績(jī)：1、4-15周上課；2、平時(shí)成績(jī)占30%：包括17-18周進(jìn)行的課堂討論成績(jī)，課堂互動(dòng)成績(jī)，課堂考勤幾率等；3、期終考試成績(jī)占70%:筆試，開(kāi)卷，每道題可二選一。光合作用（Photosynthesis)基本問(wèn)題：何謂光合作用？光合作用的意義？光合作用被諾貝爾獎(jiǎng)基金委員會(huì)評(píng)價(jià)為“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”，它也是地球上一切生命生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。到目前為止，共有8次諾貝爾獎(jiǎng)的桂冠被從事光合作用研究的科學(xué)家所摘取。

光合作用研究具有重大的學(xué)術(shù)及應(yīng)用價(jià)值植物光能利用效率潛力分析

當(dāng)今光合作用的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)？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(yīng)中4大蛋白復(fù)合體i.e.PSII復(fù)合體、細(xì)胞色素b/f復(fù)合體、PSI復(fù)合體和ATP酶復(fù)合體定位于葉綠體類(lèi)囊體膜上的電子傳遞體

4大復(fù)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(fù)合體主要分布在間質(zhì)片層，細(xì)色素b/f則均勻分布在整個(gè)類(lèi)囊體膜上。結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1、光系統(tǒng)II的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)：

(1)由圍繞P680的CP43和CP47兩個(gè)色素蛋白復(fù)合體組成的近側(cè)天線，及主要由LHCII捕光復(fù)合體組成的遠(yuǎn)側(cè)天線共同構(gòu)成的捕光天線系統(tǒng)；(2)由兩個(gè)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(gòu)成反應(yīng)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(guān)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(dòng)力學(xué)：光合放氧的周期現(xiàn)象（閃光實(shí)驗(yàn)）在黑暗中適應(yīng)后的葉綠體經(jīng)過(guò)第一、二次閃光處理，幾乎無(wú)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(gè)恒定值。經(jīng)暗適應(yīng)后的葉綠體主要處于S1態(tài)。經(jīng)三次閃光后轉(zhuǎn)變?yōu)镾4態(tài)，隨后作為強(qiáng)氧化劑將水氧化形成氧氣。若繼續(xù)不斷閃光下去，因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)“錯(cuò)漏”、“雙激”和“弛豫”等原因，以致逐步趨于一個(gè)適中的穩(wěn)定值。Kok等（1970）提出5個(gè)S狀態(tài)循環(huán)的放氧復(fù)合體（OEC）需要4個(gè)氧化當(dāng)量（失去4個(gè)電子，積累4個(gè)正電荷才能把水分子氧化裂解并放氧。放氧機(jī)理：氧化鐘模型2、細(xì)胞色素b/f復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能

結(jié)構(gòu)：細(xì)胞色素b/f復(fù)合體是類(lèi)囊體膜上可分離的一種多亞基膜蛋白。由7個(gè)多肽組成，即細(xì)胞色素f，細(xì)胞色素b6，Rieske鐵硫蛋白，另有4個(gè)功能尚未知的多肽subunitIV,PetG,PetL,PetM一個(gè)Q循環(huán)的凈反應(yīng)結(jié)果：PQH2+2PCox+2H+stroma

PQ+2PCred+4H+lumen細(xì)胞色素b/f復(fù)合體的質(zhì)子泵功能PQ接受來(lái)自PSII的電子，通過(guò)雙還原結(jié)合了２個(gè)膜外質(zhì)子形成PQH2，PQH2將２個(gè)電子中的第一個(gè)傳給鐵硫中心RFeS，然后到Cytf再向PC傳遞（主路）。與此同時(shí)，PQH2又將第二個(gè)電子交給Cytb6的低電位型血紅素(bl)同時(shí)釋放２個(gè)質(zhì)子到類(lèi)囊體腔內(nèi)。bl通過(guò)細(xì)胞色素b6上的高電位型血紅素bh，將電子轉(zhuǎn)移到PQ。Q循環(huán)

（第一次）經(jīng)過(guò)２次循環(huán)后，PQ二次被還原。雙還原的PQ又從膜外結(jié)合２個(gè)質(zhì)子，并將其跨膜轉(zhuǎn)移至類(lèi)囊體腔內(nèi)。Q循環(huán)

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

復(fù)合體由大亞基和許多小亞基組成：PSI-A和PSI-B兩個(gè)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(gè)多肽。反應(yīng)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(guò)特殊蛋白的亞基的靜電引力與PSI反應(yīng)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(gè)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(fù)合體LHCI組成。PSI生產(chǎn)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(yīng)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(zhì)中的親水區(qū)叫CF1。CFo負(fù)責(zé)把質(zhì)子跨膜運(yùn)至質(zhì)酶的催化部位CF1，CF1則負(fù)責(zé)由ADP形成ATP;該酶的分子量為400kDa,含9個(gè)不同的亞基。

4、ATP合酶復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能LumeninsideLumenoutsidePeptidesubunitsoftheATPsynthasecomplexProteinGeneLocationMWFunctionofgene(kDa)CF1

subunitatpAC55catalytic

subunitatpBC54catalytic

subunitatpCN36protongating

subunitatpDN20bindingofCF1toCFo

subunitatpEC15ATPaseinhibitionCFoIatpFC17bindingofCFotoCF1IIatpGN16bindingofCFotoCF1IIIatpHC8protontranslocationIVatpIC27bindingofCFotoCF1

Evidences:Thethreecatalyticsubunitsdifferintheirconformationandinnucleotideboundtothem;Thesubunitisinsertedlikeashaftthroughthecenterofthecatalyticcomplex(3+3);Theinterfacebetweenthesubunitandtheandsubunitsishighlyhydrophobic.酶的作用機(jī)理：構(gòu)象（結(jié)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(chǎn)生ATP的功能及機(jī)理在質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行ATP合成（化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)),亦具有水解ATP的活性。pmf

=0.059pH+非環(huán)式光合磷酸化

同時(shí)產(chǎn)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(yīng)。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(chǎn)生ATP，不形成NADPH，以此調(diào)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(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)LollipopsetupforelucidationofCalvincycleDr.MelvinCalvin,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Dr.M.Calvin（1961.10）TheCalvincycle二、Rubisco的結(jié)構(gòu)與功能

1.重要意義被認(rèn)為是提高光合速率的一個(gè)重要突破口；也是生物界含量最為豐富的一種蛋白質(zhì)。核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶(Ribulosebisphosphatecarboxylaseoxygenase).PhotorespirationPhotosynthesis類(lèi)型I（L8S8）：由8個(gè)大亞基和8個(gè)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(jī)體中。大亞基一般由475個(gè)氨基酸組成，其序列大部分由其核苷酸序列推測(cè)而來(lái)，同源性在80%以上。小亞基一般由123個(gè)氨基酸組成，其同源性在70%；類(lèi)型II（L2）：僅有2個(gè)大亞基，是最簡(jiǎn)單的一種Rubisco，它存在于一種紫色非硫光合細(xì)菌--深紅紅硫菌中；比較類(lèi)型I和類(lèi)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(jié)構(gòu)高等植物的Rubisco外型呈桶狀圓柱體。它由四對(duì)交互結(jié)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(gè)小亞基陷窩大亞基之間的裂隙中。3、Rubisco的雙功能催化反應(yīng)4.酶活性的調(diào)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(fù)合物的形成可以不要小亞基，但缺少小亞基時(shí)不利于三元復(fù)合物的形成。當(dāng)三元復(fù)合物形成后，酶的構(gòu)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(jié)合，阻止了酶與活化劑CO2分子的結(jié)合，使酶不能活化。Rubisco活化酶能在ATP存在下除去結(jié)合在非氨基甲?；疪ubisco上的RuBP，從而使Rubisco游離得以進(jìn)一步被活化?；罨缸饔梅绞饺?、光抑制、光氧化及其抗性機(jī)理

何為光抑制、光氧化？

當(dāng)綠色植物的光合器官吸收了超過(guò)光合作用所能利用的能量而引起ＰＳⅡ的過(guò)量激發(fā),光合效率下降,即光抑制（可逆）；而長(zhǎng)時(shí)間的光抑制則會(huì)引發(fā)光氧化的發(fā)生，導(dǎo)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(shí)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(guò)剩的程度,妨礙了保護(hù)和修復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),更易遭受光氧化的傷害；O2H2O2活性氧積累作物生長(zhǎng)和產(chǎn)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(zhǎng)期低溫陰雨→突然轉(zhuǎn)晴2.早稻中后期——長(zhǎng)期陰雨天(龍舟雨)→突然轉(zhuǎn)晴3.晚稻后期——冷空氣南下(寒露風(fēng))+晴天Daysafterheading:01428424956高光天線色素調(diào)整捕光復(fù)合體光化學(xué)反應(yīng)氧化態(tài)分子生成光合機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)修復(fù)和重新合成葉綠體葉角變化、蠟質(zhì)層增厚、葉綠體運(yùn)動(dòng)調(diào)整光抑制光氧化保護(hù)機(jī)制即時(shí)響應(yīng)保護(hù)機(jī)制長(zhǎng)效保護(hù)機(jī)制據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些品種累計(jì)推廣面積3億畝以上，增產(chǎn)小麥已超過(guò)150億斤“小偃系列”及其衍生品種分布圖小偃54實(shí)例小偃54具有很強(qiáng)的抗光氧化能力，其研究組揭示其抗光氧化的生化基礎(chǔ)，但其抗光氧化分子基礎(chǔ)亟待研究。正常強(qiáng)光正常強(qiáng)光提高作物的抗光氧化性對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有普遍意義！小結(jié)光合電子傳遞鏈中的四大復(fù)合體:PSII,Cytochromeb6f,PSIandATPsynthase;四大復(fù)合體的結(jié)構(gòu)：？？；復(fù)合體各自的功能：PSII與水裂解；細(xì)胞色素b6/f與質(zhì)子泵；PSI與NADPH形成;ATP合酶與ATP形成；質(zhì)子梯度形成機(jī)理與化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)

(pmf

=0.059pH+);ATPsynthase合成ATP的機(jī)理（

Theworld’ssmallestrotarymotor）Rubisco結(jié)構(gòu)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(wèn)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(guān)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(jié)構(gòu)呼吸鏈的5大蛋白復(fù)合體（4+1）：植物線粒體的電子傳遞鏈由4個(gè)蛋白復(fù)合體組成（I-IV);ATP合酶復(fù)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(xué)滲透學(xué)說(shuō)：破譯氧化磷酸化與光合磷酸化的機(jī)理由英國(guó)的米切爾(PeterMitchell)1961年提出，理論要點(diǎn)：①由磷脂和蛋白多肽構(gòu)成的膜對(duì)離子和質(zhì)子具有選擇性；②具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱(chēng)地嵌合在膜內(nèi)；③膜上有偶聯(lián)電子傳遞的質(zhì)子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)；④膜上有轉(zhuǎn)移質(zhì)子的ATP酶。獲1978年化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)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(shuō)它是一個(gè)離子泵、一種令人驚異的納米級(jí)分子馬達(dá)。它在細(xì)胞里扮演著一個(gè)不可或缺的角色。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)體所需的大多數(shù)ATP都是由ATP合酶產(chǎn)生的，其合成ATP的機(jī)理很奇特。光呼吸

（Photorespiration，簡(jiǎn)稱(chēng)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