植物生理學(xué)課件總集第三章chapter3cabor fixtation

Photosynthesis2–CarbonFixation重點(diǎn)和難點(diǎn)★代謝途徑C3,C4,CAM及C2途徑基本過(guò)程各代謝途徑的關(guān)鍵酶各代謝途徑相互之間的聯(lián)系★代謝調(diào)控各代謝途徑關(guān)鍵酶調(diào)節(jié)光對(duì)各種C代謝途徑的調(diào)控其它調(diào)控CalvinCycle代謝途徑—C3代謝途徑—C3羧化、還原、再生3個(gè)階段Rubisco（L8S8）結(jié)構(gòu)3RuBP+3CO2+3H2ORubisco6PGA+6H+

羧化植物Rubisco還原

6PGA+6ATP+6NADPH+6H+→→6GAP+6ADP+6NADP++6Pi再生5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+每同化一個(gè)CO2需要消耗3個(gè)ATP和2個(gè)NADPH，還原3個(gè)CO2可輸出1個(gè)磷酸丙糖(GAP或DHAP)固定6個(gè)CO2可形成1個(gè)磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可運(yùn)出葉綠體，在細(xì)胞質(zhì)中合成蔗糖或參與其它反應(yīng)；形成的磷酸己糖則留在葉綠體中轉(zhuǎn)化成淀粉而被臨時(shí)貯藏。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每形成1molGAP貯能1460kJ，每水解1molATP放能32kJ，每氧化1molNADPH放能220Kj.C3途徑的能量轉(zhuǎn)化效率為1460/(32×9+220×6)=91%代謝途徑—C2Rubisco催化特性光呼吸：植物的綠色細(xì)胞在光照下有吸收氧氣,釋放CO2的反應(yīng)?！?分子的乙醇酸從葉綠體轉(zhuǎn)入過(guò)氧化體形成氨基乙酸，2分子氨基乙酸轉(zhuǎn)入線粒體后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻z氨酸，同時(shí)釋放CO2。★絲氨酸運(yùn)輸?shù)竭^(guò)氧化體轉(zhuǎn)化為甘油酸。甘油酸進(jìn)入葉綠體，磷酸化作用形成3-磷酸甘油酸，進(jìn)入卡爾文循環(huán)。耗氧反應(yīng)部位有兩處，一是葉綠體中的Rubisco加氧反應(yīng)，二是過(guò)氧化體中的乙醇酸氧化反應(yīng)。脫羧反應(yīng)則在線粒體中進(jìn)行，2個(gè)甘氨酸形成1個(gè)絲氨酸時(shí)脫下1分子CO2。RuBP+15O2+11H2O+34ATP+15NADPH+10Fdred

5CO2+34ADP+36Pi+15NADP++10Fdox+9H+

代謝途徑—C4①羧化反應(yīng)在葉肉細(xì)胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；②還原或轉(zhuǎn)氨作用

OAA被還原為蘋(píng)果酸(Mal)，或經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用形成天冬氨酸(Asp)；③脫羧反應(yīng)

C4酸通過(guò)胞間連絲移動(dòng)到BSC，在BSC中釋放CO2，CO2由C3途徑同化；④底物再生脫羧形成的C3酸從BSC運(yùn)回葉肉細(xì)胞并再生出CO2受體PEP。羧化反應(yīng)

還原NADP-蘋(píng)果酸脫氫天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶轉(zhuǎn)氨或脫羧(1)NADP-ME型在BSC的葉綠體內(nèi)蘋(píng)果酸脫羧生成丙酮酸(Pyr)，反應(yīng)由NADP蘋(píng)果酸酶催化。(2)NAD-ME型天冬氨酸經(jīng)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶作用下轉(zhuǎn)氨基形成OAA，再經(jīng)NAD-蘋(píng)果酸脫氫酶作用下生成蘋(píng)果酸，然后在NAD-蘋(píng)果酸酶催化下脫羧生成丙酮酸并釋放CO2，這些過(guò)程都在BSC的線粒體中進(jìn)行(3)PCK型天冬氨酸經(jīng)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶作用變成草酰乙酸，然后再在PEP羧激酶的催化下變?yōu)镻EP并釋放CO2。生成的PEP可能直接進(jìn)入葉肉細(xì)胞，也可能先轉(zhuǎn)變成丙酮酸，再形成丙氨酸進(jìn)入葉肉細(xì)胞。上述三類反應(yīng)脫羧釋放的CO2都進(jìn)入BSC的葉綠體中，由C3途徑同化。C4二羧酸脫羧釋放CO2，使BSC內(nèi)CO2濃度可比空氣中高出20倍左右，所以C4途徑中的脫羧起“CO2泵”作用。C4植物這種濃縮CO2的效應(yīng)，能抑制光呼吸，使CO2同化速率提高。底物再生C4二羧酸脫羧后形成的Pyr運(yùn)回葉肉細(xì)胞，由葉綠體中的丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受體PEP。NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在葉肉細(xì)胞中先轉(zhuǎn)為丙酮酸，然后再生成PEP。此步反應(yīng)要消耗2個(gè)ATP(因AMP變成ADP再要消耗1個(gè)ATP)。PPDK在體內(nèi)存在鈍化與活化兩種狀態(tài)，它易被光活化，光下該酶的活性比暗中高20倍。由于PEP底物再生要消耗2個(gè)ATP，這使得C4植物同化1個(gè)CO2需消耗5個(gè)ATP與2個(gè)NADPH。代謝途徑—CAM1.階段ⅠPEPC的羧化階段。夜間氣孔開(kāi)啟，CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者還原成蘋(píng)果酸貯存于液泡。此間CO2固定約占全天固定CO2的3/4左右，而白天貯存的葡聚糖在此期間用于形成PEP。2.階段Ⅱ

由PEPC羧化轉(zhuǎn)向Rubisco羧化的階段。白晝開(kāi)始時(shí)氣孔導(dǎo)度與CO2吸收出現(xiàn)一個(gè)高峰，此期間C４途徑與C３途徑同時(shí)進(jìn)行，蘋(píng)果酸積累中止。3.階段ⅢRubisco同化CO2階段。日間氣孔關(guān)閉，停止從外界吸收CO2，蘋(píng)果酸從液泡轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)，氧化脫羧。脫羧釋放的CO2進(jìn)入葉綠體被C３途徑同化。4.階段Ⅳ

由Rubisco羧化轉(zhuǎn)向由PEPC羧化的階段。蘋(píng)果酸脫羧降至最低點(diǎn)，氣孔開(kāi)始張開(kāi)，CO2吸收增加，且由C3途徑過(guò)渡至C4途徑，從而又重復(fù)下一個(gè)晝夜變化周期。CO２固定晝夜可變化分為4個(gè)階段：

景天酸科代謝途徑（CAM）是光合作用適應(yīng)干旱環(huán)境的一種進(jìn)化形式。CAM植物開(kāi)放的氣孔使進(jìn)入。PEP羧化酶（1）參與CO2形成四碳有機(jī)酸草酰乙酸，草酰乙酸可以被蘋(píng)果酸脫氫酶（2）還原成蘋(píng)果酸。夜間在液泡中。在光下CAM植物關(guān)閉氣孔以阻止水分流失。貯存的蘋(píng)果酸被NADP+-蘋(píng)果酸酶（3）脫羧，釋放CO2通過(guò)卡文循環(huán)轉(zhuǎn)變碳?xì)浠衔?。CAM途徑主要反應(yīng)是兩類羧化反應(yīng)。在黑暗中進(jìn)行PEPC的羧化反應(yīng)和在光下進(jìn)行Rubisco的羧化反應(yīng)，與此相伴隨的是由PEP羧化生成草酰乙酸并進(jìn)一步還原為蘋(píng)果酸的酸化作用和由蘋(píng)果酸釋放CO2的脫羧作用。①PEPC(PEP羧化酶)；②PCK(PEP羧化激酶)；③NADP-ME(NADP-蘋(píng)果酸脫氫酶)或NAD-ME；④PPDK(丙酮酸磷酸二激酶)

CAM植物與C4植物固定與還原CO2的途徑基本相同，二者的差別在于：C4植物是在同一時(shí)間(白天)和不同的空間(葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞)完成CO2固定(C4途徑)和還原(C3途徑)兩個(gè)過(guò)程；而CAM植物則是在不同時(shí)間(黑夜和白天)和同一空間(葉肉細(xì)胞)完成上述兩個(gè)過(guò)程的。CAM植物由于白天氣孔關(guān)閉、蘋(píng)果酸脫羧、細(xì)胞間的CO2/O２比例高、以及CO２再固定率高，因而表觀光呼吸較低。代謝調(diào)控C3途徑的調(diào)節(jié)C4途徑的調(diào)節(jié)CAM途徑的調(diào)節(jié)C3途徑的調(diào)節(jié)1.自(動(dòng))催化作用植物同化CO2速率，很大程度上決定于光合碳還原循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以及光合中間產(chǎn)物的數(shù)量。在C3途徑中存在一種自動(dòng)調(diào)節(jié)RuBP濃度的機(jī)制，即在RuBP含量低時(shí)，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不輸出循環(huán)，而用于RuBP的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳還原循環(huán)到達(dá)“穩(wěn)態(tài)”時(shí)，形成的磷酸丙糖再輸出。這種調(diào)節(jié)RuBP等光合中間產(chǎn)物含量，使同化CO2速率處于某一“穩(wěn)態(tài)”的機(jī)制，就稱為C3途徑的自(動(dòng))催化作用。C3途徑的自(動(dòng))催化作用示意圖15個(gè)RuBP固定15個(gè)CO2，可再生18個(gè)RuBP，即產(chǎn)生3個(gè)額外RuBP(實(shí)線)，當(dāng)?shù)竭_(dá)“穩(wěn)態(tài)”時(shí)產(chǎn)生5個(gè)TP(磷酸丙糖)輸出(虛線)2.光調(diào)節(jié)作用

光除了通過(guò)光反應(yīng)對(duì)CO2同化提供同化力外，還調(diào)節(jié)著光合酶的活性。C3循環(huán)中的Rubisco、PGAK、GAPDH、FBPase,SBPase,Ru5PK都是光調(diào)節(jié)酶(圖中打圈處)。光下酶活性提高，暗中活性降低或喪失。光對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)大體可分為兩種情況：(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)；(2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)(3)NADP-甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)(9)景天庚酮糖1,7-二磷酸(酯)酶(SBPase)(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)光調(diào)節(jié)酶通過(guò)改變微環(huán)境調(diào)節(jié)通過(guò)產(chǎn)生效應(yīng)物調(diào)節(jié)C3途徑的調(diào)節(jié)(1)微環(huán)境調(diào)節(jié)光驅(qū)動(dòng)的電子傳遞使H+向類囊體腔轉(zhuǎn)移，Mg2+則從類囊體腔轉(zhuǎn)移至基質(zhì)，引起葉綠體基質(zhì)的pH從7上升到8，Mg2+濃度增加。較高的pH與Mg2+濃度使Ｒubisco等光合酶活化。Mg2+濃度增加pH從7上升到8Mg2+(2)效應(yīng)物調(diào)節(jié)通過(guò)Fd-Td(鐵氧還蛋白-硫氧還蛋白)系統(tǒng)調(diào)節(jié)FBPase、GAPDH、Ru5PK等酶中含有二硫鍵(－S－S－)，當(dāng)被還原為2個(gè)巰基(－SH)時(shí)表現(xiàn)活性。光驅(qū)動(dòng)的電子傳遞能使基質(zhì)中Fd還原，進(jìn)而使Td(硫氧還蛋白)還原，被還原的Td又使FBPase和Ru5PK等酶的相鄰半胱氨酸上的二硫鍵打開(kāi)變成2個(gè)巰基，酶被活化。在暗中則相反，巰基氧化形成二硫鍵，酶失活。圖20Fd-Td系統(tǒng)活化酶的圖解3.光合產(chǎn)物輸出速率的調(diào)節(jié)

根據(jù)質(zhì)量作用定律，產(chǎn)物濃度的增加會(huì)減慢化學(xué)反應(yīng)的速度。磷酸丙糖是能運(yùn)出葉綠體的光合產(chǎn)物，而蔗糖是光合產(chǎn)物運(yùn)出細(xì)胞的運(yùn)輸形式。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。磷酸丙糖在細(xì)胞質(zhì)中被用于合成蔗糖，同時(shí)釋放Pi。如果蔗糖的外運(yùn)受阻，或利用減慢，則其合成速度降低，隨之Pi的釋放減少，而使磷酸丙糖外運(yùn)受阻。這樣，磷酸丙糖在葉綠體中積累，從而影響C3光合碳還原環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，葉綠體的Pi濃度的降低也會(huì)抑制光合磷酸化，使ATP不能正常合成，這又會(huì)抑制Rubisco活化酶活性和需要利用ATP的反應(yīng)。C3途徑的調(diào)節(jié)C4途徑的調(diào)節(jié)NADP-蘋(píng)果酸脫氫酶的活性通過(guò)Fd-Td系統(tǒng)調(diào)節(jié)；PEPC和PPDK的活性通過(guò)酶蛋白的磷酸化-脫磷酸反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)PEPC上某一Ser被磷酸化時(shí)，PEPC就活化，對(duì)底物PEP的親和力就增加，脫磷酸時(shí)PEPC就鈍化。因而C4植物的PEPC光下活性高。1.酶活性的調(diào)節(jié)

(1)光調(diào)節(jié)

C4途徑中的PEPC、NADP-蘋(píng)果酸脫氫酶和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)都在光下活化，暗中鈍化。C4植物中PEP羧化酶的調(diào)節(jié)光通過(guò)一種未知的機(jī)制激活調(diào)節(jié)激酶。反過(guò)來(lái)激酶磷酸化和激活PEP羧化酶。在黑暗中激酶較低的活性和水解作用使磷酸從PEP羧化酶中去除，降低酶的活性。C4光合作用中活性酶磷酸烯醇式丙酮酸激酶（PPDK）的調(diào)節(jié)

磷酸烯醇式丙酮酸激酶活性可以被調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)。黑暗中蛋白質(zhì)促進(jìn)PPDK的磷酸化，導(dǎo)致酶失活。在黑暗中缺少磷酸化作用磷酸供應(yīng)體ADP濃度增加，光下PPDK發(fā)生去磷酸化，被活化。PPDK在被磷酸化時(shí)鈍化，不能催化由Pyr再生PEP的反應(yīng)，而在脫磷酸時(shí)活化。(2)代謝物的調(diào)節(jié)PEPC與PPDK的活性還受代謝物的調(diào)節(jié)。通常是底物促進(jìn)酶的活性，產(chǎn)物抑制酶的活性，如∶PEPC的活性被PEP以及產(chǎn)生PEP的底物G6P、F6P、FBP所激活，而被OAA、Mal、Asp等產(chǎn)物反饋抑制；

GG6PPEPOAAMalPPDK的活性在底物ATP、Pi和Pyr相對(duì)濃度高時(shí)提高，然而該酶不受底物PEP相對(duì)濃度所影響。

Pyr+ATP+PiPEP+AMP=PPiPEPCPPDKC4途徑的調(diào)節(jié)2.光對(duì)酶量的調(diào)節(jié)

光提高光合酶活性的原因之一是光能促進(jìn)光合酶的合成。前已提到Rubisco的合成受光控制，PEPC的合成也受光照誘導(dǎo)，如玉米、高粱黃化葉片經(jīng)連續(xù)照光后，PEPC的活性提高，同時(shí)〔3H〕-亮氨酸摻入到酶蛋白的數(shù)量增加，應(yīng)用蛋白合成抑制劑、放線菌素D和光合電子傳遞抑制劑DCMU所得資料表明，光引起PEPC活性的增高與光合電子傳遞無(wú)關(guān)(不被DCMU抑制)，而與酶蛋白的合成有關(guān)(被放線菌素D抑制)。光對(duì)NADP蘋(píng)果酸酶的形成也有類似影響。C4途徑的調(diào)節(jié)3.代謝物運(yùn)輸

C4途徑的生化反應(yīng)涉及兩類光合細(xì)胞和多種細(xì)胞器，維持有關(guān)代謝物在細(xì)胞間、細(xì)胞器間快速運(yùn)輸，保持鞘細(xì)胞中高的CO2濃度