光合C與光呼吸

光合C與光呼吸第1頁/共70頁光合碳同化

(Photosyntheticcarbonassimilation)地球上最重要的化學反應是綠色植物用CO2作為碳源合成糖類，最終合成生物體的所有有機化合物的碳素同化作用。從能量轉換角度看，碳同化是將ATP與NADPH中的活躍化學能轉換為貯存在碳水化合物中的穩(wěn)定的化學能，在較長時間內(nèi)供給生物活動的需要。從物質生產(chǎn)角度看，占植物干重90%以上的有機物質，基本上是通過碳同化形成的，碳同化在葉綠體的基質中進行，有許多種酶參與反應。第2頁/共70頁C3途徑(C3pathway)C3途徑又叫卡爾文循環(huán)(calvincycle)，光合碳還原循環(huán)(photosyntheticcarbonreductioncycle,PCRcycle)，還原磷酸戍糖途徑(Reductivepentosephosphatepathway,RPPP)可分為四個階段，即羧化階段，還原階段、再生階段以及產(chǎn)物合成階段

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碳同化1.C3循環(huán)(光合碳循環(huán)，卡爾文循環(huán))：在所有植物中進行。如：水稻、小麥、棉花等大多數(shù)植物為C3植物，只有該途徑。

(1)羧化階段：

3RuBP+3CO2+3H2O

6PGA+6H+(2)還原階段(3)再生階段Rubisco第4頁/共70頁第5頁/共70頁卡爾文循環(huán)1946年，美國加州大學放射化學實驗室的卡爾文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了兩項新技術：(1)14C同位素標記與測定技術(可排除原先存在于細胞里的物質干擾，凡被14C標記的物質都是處理后產(chǎn)生的)；(2)雙向紙層析技術(能把光合產(chǎn)物分開)。選用小球藻等單細胞的藻類作材料，經(jīng)過10多年周密的研究，推導出一個光合碳同化的循環(huán)途徑。卡爾文獲得了1961年諾貝爾化學獎。

第6頁/共70頁卡爾文及其同事用來研究光合藻類CO2固定的儀器裝置

第7頁/共70頁第8頁/共70頁rice第9頁/共70頁整個循環(huán)由RuBP開始至RuBP再生結束，共有14步反應，均在葉綠體的基質中進行

(1)羧化階段(carboxylationphase)

指進入葉綠體的CO2與受體RuBP結合，并水解產(chǎn)生PGA的反應過程

第10頁/共70頁第11頁/共70頁H2O++第12頁/共70頁PGA實質上是一種有機酸，而不再是糖的能級還原階段用上了光反應的同化力，分兩步完成，先形成1,3-二磷酸甘油酸(DPGA)，最后產(chǎn)生3-磷酸甘油醛(GAP)，達到三碳糖的水平。光合作用的貯能部分便算完成。

第13頁/共70頁(2)還原階段(reductationphase)

指利用同化力將3-磷酸甘油酸還原為甘油醛-3-磷酸的反應過程

第14頁/共70頁第15頁/共70頁+ATP+ADPPGAkinase3-PGA1,3-BPGA1,3-BPGA+NADPH+H++NADP++HOPO3-2GAPNADP:GAPdehydrogenase第16頁/共70頁(3)再生階段(regenerationphase)指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的過程

第17頁/共70頁CalvinCycle第18頁/共70頁TheCalvincycleisdividedintothreephases:carboxylation,reduction,andregeneration.第19頁/共70頁第20頁/共70頁(4)產(chǎn)物合成階段指由葡萄糖-6-磷酸在葉綠體內(nèi)合成淀粉，或由丙糖磷酸透過葉綠體被膜進入細胞質合成蔗糖等糖類及其他化合物。第21頁/共70頁C3途徑的總反應式3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH+6H+→GAP+9ADP+8Pi+6NADP+

第22頁/共70頁第23頁/共70頁第24頁/共70頁第25頁/共70頁卡爾文循環(huán)的能量轉換效率按每同化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的能量轉換效率為90%。(即478/（32×3+217×2）)第26頁/共70頁Rubisco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CO2結合，產(chǎn)物很快水解為二分子3-磷酸甘油酸（3-PGA）。Rubisco是植物體內(nèi)含量最豐富的酶，約占葉中可溶蛋白質總量的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

第27頁/共70頁RUBP羧化酶第28頁/共70頁http:///pdb/molecules/pdb11_2.htmlRibulose1-5phosphatecarboxylaseoxygenase第29頁/共70頁StructureofRubiscoL8S8。Rubiscoconsistsofeightlarge(56kD)andeightsmall(14kD)subunits.Smallsubunitsarecoloredred,andlargesubunitsarecoloredblueandgreenastoshowboundariesofdimers.第30頁/共70頁Calvincycle第31頁/共70頁第32頁/共70頁(二)C3循環(huán)的調(diào)節(jié)1.自動催化作用第33頁/共70頁自動催化及誘導作用光合碳還原循環(huán)的產(chǎn)物——磷酸丙糖可轉化為蔗糖或淀粉，也可再進入循環(huán)形成更多的RuBP，這種反饋作用就使循環(huán)運轉加快，促進光合作用的進行，故稱為自動催化。自動催化說明了它本身的誘導作用。

第34頁/共70頁(二)C3循環(huán)的調(diào)節(jié)2.光調(diào)節(jié)作用

1)微環(huán)境調(diào)節(jié)

2)效應物調(diào)節(jié)第35頁/共70頁C3途徑中的光調(diào)節(jié)酶在催化C3途徑的酶中有5種酶是光調(diào)節(jié)酶，包括；RuBP羧化酶，NADP-磷酸甘油醛脫氫酶,果糖-1，6-二磷酸酶，景天庚糖-1，7-二磷酸酶及Ru5p激酶。光調(diào)節(jié)酶在葉綠體照光后被活化。用菜豆試驗表明，黃化的初生葉經(jīng)照光120小時轉綠后，幾種光調(diào)節(jié)酶的活性顯著增強。光活化這些酶的作用是由于照光引起的葉綠體間質內(nèi)的化學環(huán)境發(fā)生了變化。第36頁/共70頁RuBP羧化酶此酶在光合細胞內(nèi)的含量很高，在C3植物中其含量為光合細胞中可溶性蛋白總量的一半，它在黑暗中呈鈍化態(tài)，在光下呈活化態(tài)，Mg2+及CO2

為活化所必需

第37頁/共70頁活化過程還取決于介質的pHRuBP羧化酶的最適pH為堿性，黑暗中不具備該酶作用適宜的環(huán)境，故呈鈍化態(tài)。葉綠體照光時發(fā)生光合電子傳遞，電子在類囊體膜內(nèi)傳遞的同時，形成跨膜H+梯度，H+向類囊體空間(thylakoidspace)轉移，使其H+增多，pH值降低，而膜外間質內(nèi)則H+減少，pH增高。在黑暗中，葉綠體間內(nèi)的pH約為7.0，照光后約升高至8.0或更高；H+從間質向類囊體空間轉移的同時Mg2+則從類囊體空間轉移到間質，使間質內(nèi)Mg2+濃度約增至10mM，因而形成了RuBP羧化酶作用的最適條件，使其活化。

第38頁/共70頁NADP-磷酸甘油醛脫氫酶在完整葉綠體中，此酶為光所活化的過程可因加入對氯酚二甲基脲(CMU)或3,3-(3′，4′-二氯酚)-1-二甲基脲(DCMU)而被阻，表明活化過程與在光合作用中非環(huán)式電子傳遞是相聯(lián)系的。在光下非環(huán)式電子傳遞形成的NADPH可使其活化。體外試驗提取酶的活性因加入還原劑如二硫蘇糖醇(DTT)而增強，推測活體內(nèi)酶的活化可能是由于光合電子傳遞鏈所產(chǎn)生的還原劑的作用，使酶蛋白的構型發(fā)生了變化而被活化。第39頁/共70頁果糖-1，6-二磷酸酶

及景天庚糖-1，7，二磷酸酶這兩種二磷酸酯酶在黑暗中活性極低，而照光后則顯著增強。Mg2+增加FBP酶活性并使其最適pH值改變，在低Mg2+(0.25mM)及FBP(0.15mM)時，F(xiàn)BP酶的最適pH值較Mg2+

為10mM及FBP為1mM時更高。提純的FBP酶用還原劑如DTT或還原態(tài)鐵氧還蛋白(Fd)預培育可使其活化，活化過程伴隨著酶蛋白的還原。SBP酶活性也與葉綠體間質內(nèi)Mg2+及pH值的變化是相聯(lián)系的，該酶亦可為DTT或還原態(tài)Fd所活化。第40頁/共70頁Ru5P激酶此酶在體外試驗時為DTT所活化，在光下活化可能是和光合電子傳遞鏈相聯(lián)系的。此外，該酶活性還為腺苷酸系統(tǒng)的能荷所調(diào)節(jié)，在光下能荷增高即引起酶活化。第41頁/共70頁從上所述可知以上幾種光調(diào)節(jié)酶在光下活化是由于在葉綠體間質內(nèi)形成了酶作用的最適環(huán)境：高pH值、高Mg2+及還原條件。在光下還原態(tài)Fd通過硫氧還蛋白還原酶(Thioredoxinreductase)將電子傳與硫氧還蛋白(Td)，使其呈還原態(tài)，它是FBP酶、SBP酶可能還有Ru5P激酶及磷酸丙糖脫氫酶活化所必需。酶的活化是由于在光下酶蛋白的-S-S-基被還原態(tài)Td還原為-SH基。如酶蛋白的-SH基被氧化為-S-S-時則酶又失去活性。第42頁/共70頁Light-drivenionfluxesandactivationofRubisco.ActivationofRubiscoisfacilitatedbytheincreaseinstromalpHandMg2+concentrationthataccompanieslight-driventransport.第43頁/共70頁第44頁/共70頁第45頁/共70頁(二)C3循環(huán)的調(diào)節(jié)2.光調(diào)節(jié)作用

第46頁/共70頁(二)C3循環(huán)的調(diào)節(jié)3.光合產(chǎn)物輸出速率的調(diào)節(jié)第47頁/共70頁代謝物運轉的調(diào)節(jié)葉綠體被膜的外膜對分子量約一萬以下的分子的透過無專一性；而內(nèi)膜則有高度的選擇透性,，蔗糖、果糖、葡萄糖、淀粉、FBP、SBP、RBP、NAD(P)、NAD(P)H都不能透過，ATP、ADP只能很緩慢的少量透過，CO2、O2、H2O能自由透過1分子Pi從細胞溶質(cytosol)進入葉綠體間質的同時就有1分子磷酸丙糖從葉綠體間質運到細胞溶質。當植物缺磷時，與磷酸丙糖交換的Pi減少，使〔ATP〕/〔ADP〕比值減低，影響PGA激酶及Ru5P激酶所催化的反應的進行及RPPP的運轉，光合速率減低；另一方面，由于Pi減少，又使磷酸丙糖運出葉綠體受抑制，因而在葉綠體內(nèi)轉化為淀粉暫時貯存在葉綠體內(nèi)。

第48頁/共70頁在磷的供應較充分時，則可有較多的磷酸丙糖運到細胞溶質轉化為蔗糖。蔗糖是韌皮部中碳水化合物運輸?shù)闹饕问?。植物缺Pi時，由于影響光合作用及蔗糖形成而影響功能葉片對植物其它部分碳水分合物的供應，使生長受抑制。但磷的供應也不是越多越好，如Pi過多，則TP的輸出就與其再生以及葉綠體內(nèi)部形成淀粉相競爭，反而使光合速率降低。第49頁/共70頁磷酸丙糖(TP)轉化為淀粉途徑

第50頁/共70頁不同植物葉片在光合作用中形成的主要產(chǎn)物不同，棉花、大豆、煙草這類植物的主要趨向是合成淀粉，以淀粉的形式暫時貯存在葉片中，夜間降解輸出；小麥、蠶豆這類植物的主要趨向是合成蔗糖，一面合成，一面從葉片運出

如果細胞溶質內(nèi)合成的蔗糖由于某些條件的影響不能運出，則蔗糖合成趨于停止，細胞溶質內(nèi)〔Pi〕降低，因而促進TP在葉綠體間質內(nèi)轉化為淀粉。植物遭受病蟲侵害時，常因蔗糖運出受阻而使葉綠體內(nèi)積累淀粉第51頁/共70頁質量作用的調(diào)節(jié)PGA激酶的作用即為一例，該酶所催化的反應(PGA+ATP→DPGA+ADP)的△F為正值，反應的進行在很大程度上依賴于底物的積累和產(chǎn)物的排除在光合作用中由于其后一反應(DPGA+NADPH→G3P+NADP)的進行利用了DPGA，而使反應能順利進行。第52頁/共70頁第53頁/共70頁四、光呼吸(photorespiration)

光呼吸是指綠色細胞在光下吸收O2與釋放CO2的過程。乙醇酸的代謝要經(jīng)過三種細胞器：葉綠體、過氧化體和線粒體

第54頁/共70頁光呼吸代謝途徑(整個途徑在3種細胞器中合作進行)

第55頁/共70頁電鏡下常觀察到葉綠體、線粒體、過氧化物體三位一體

在葉綠體和過氧化體中吸收O2，在線粒體中放出CO2第56頁/共70頁1.乙醇酸的生成第57頁/共70頁第58頁/共70頁Complicatedbutimport