光合C3与光呼吸

植物的光合作用光合碳同化(Photosyntheticcarbonassimilation)地球上最重要的化学反应是绿色植物用CO2作为碳源合成糖类，最终合成生物体的所有有机化合物的碳素同化作用。从能量转换角度看，碳同化是将ATP与NADPH中的活跃化学能转换为贮存在碳水化合物中的稳定的化学能，在较长时间内供给生物活动的需要。从物质生产角度看，占植物干重90%以上的有机物质，基本上是通过碳同化形成的，碳同化在叶绿体的基质中进行，有许多种酶参与反应。C3途径(C3pathway)C3途径又叫卡尔文循环(calvincycle)，光合碳还原循环(photosyntheticcarbonreductioncycle,PCRcycle)，还原磷酸戍糖途径(Reductivepentosephosphatepathway,RPPP)可分为四个阶段，即羧化阶段，还原阶段、再生阶段以及产物合成阶段碳同化1.C3循环(光合碳循环，卡尔文循环)：在所有植物中进行。如：水稻、小麦、棉花等大多数植物为C3植物，只有该途径。(1)羧化阶段：3RuBP+3CO2+3H2O6PGA+6H+(2)还原阶段(3)再生阶段Rubisco卡尔文循环1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术：(1)14C同位素标记与测定技术(可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的)；(2)双向纸层析技术(能把光合产物分开)。选用小球藻等单细胞的藻类作材料，经过10多年周密的研究，推导出一个光合碳同化的循环途径。卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。卡尔文及其同事用来研究光合藻类CO2固定的仪器装置rice整个循环由RuBP开始至RuBP再生结束，共有14步反应，均在叶绿体的基质中进行(1)羧化阶段(carboxylationphase)指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应过程CH2OPC=0*CO2+CHOH+H2OCH2OP+CH2OCHOHCHOHCHOHCH2OP*COOHCOOHCH2OPC=0*CO2+CHOH+H2OCH2OP+CH2OCHOHCHOHCHOHCH2OP*COOHCOOHH2O++PGA实质上是一种有机酸，而不再是糖的还原阶段用上了光反应的同化力，分两步完成，先形成1,3-二磷酸甘油酸(DPGA)，最后产生3-磷酸甘油醛(GAP)，达到三碳糖的水平。光合作用的贮能部分便算完成。(2)还原阶段(reductationphase)指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过程OOC––OHC––OPHCOHCOHHCOHHCOHH2COPH2COPH2COP3–PGA1,3–DPGA3–GAPNADPHNADP+PiATPADT3––PGA激酶+ATP+ADPPGAkinase3-PGA1,3-BPGA1,3-BPGA+NADPH+H++NADP++HOPO3-2GAPNADP:GAPdehydrogenase(3)再生阶段(regenerationphase)指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程CalvinCycleTheCalvincycleisdividedintothreephases:carboxylation,reduction,andregeneration.(4)产物合成阶段指由葡萄糖-6-磷酸在叶绿体内合成淀粉，或由丙糖磷酸透过叶绿体被膜进入细胞质合成蔗糖等糖类及其他化合物。C3途径的总反应式3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH+6H+→GAP+9ADP+8Pi+6NADP+卡尔文循环的能量转换效率按每同化1molCO2可贮能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分别释放能量32kJ和217kJ计算，则通过卡尔文循环同化CO2的能量转换效率为90%。(即478/（32×3+217×2）)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，与CO2结合，产物很快水解为二分子3-磷酸甘油酸（3-PGA）。Rubisco是植物体内含量最丰富的酶，约占叶中可溶蛋白质总量的40%以上，由8个大亚基（约56KD）和8个小亚基（约14KD）构成，活性部位位于大亚基上。大亚基由叶绿体基因编码，小亚基由核基因编码RUBP羧化酶。Rubiscoconsistsofeightlarge(56kD)andeightsmall(14kD)subunits.Smallsubunitsarecoloredred,andlargesubunitsarecoloredblueandgreenastoshowboundariesofdimers.Calvincycle(二)C3循环的调节1.自动催化作用自动催化及诱导作用光合碳还原循环的产物——磷酸丙糖可转化为蔗糖或淀粉，也可再进入循环形成更多的RuBP，这种反馈作用就使循环运转加快，促进光合作用的进行，故称为自动催化。自动催化说明了它本身的诱导作用。(二)C3循环的调节2.光调节作用1)微环境调节2)效应物调节C3在催化C3途径的酶中有5种酶是光调节酶，包括；RuBP羧化酶，NADP-磷酸甘油醛脱氢酶,果糖-1，6-二磷酸酶，景天庚糖-1，7-二磷酸酶及Ru5p激酶。光调节酶在叶绿体照光后被活化。用菜豆试验表明，黄化的初生叶经照光120小时转绿后，几种光调节酶的活性显著增强。光活化这些酶的作用是由于照光引起的叶绿体间质内的化学环境发生了变化。RuBP羧化酶此酶在光合细胞内的含量很高，在C3植物中其含量为光合细胞中可溶性蛋白总量的一半，它在黑暗中呈钝化态，在光下呈活化态，Mg2+及CO2为活化所必需活化过程还取决于介质的pHRuBP羧化酶的最适pH为碱性，黑暗中不具备该酶作用适宜的环境，故呈钝化态。叶绿体照光时发生光合电子传递，电子在类囊体膜内传递的同时，形成跨膜H+梯度，H+向类囊体空间(thylakoidspace)转移，使其H+增多，pH值降低，而膜外间质内则H+减少，pH增高。在黑暗中，叶绿体间内的pH约为7.0，照光后约升高至8.0或更高；H+从间质向类囊体空间转移的同时Mg2+则从类囊体空间转移到间质，使间质内Mg2+浓度约增至10mM，因而形成了RuBP羧化酶作用的最适条件，使其活化。NADP-磷酸甘油醛脱氢酶在完整叶绿体中，此酶为光所活化的过程可因加入对氯酚二甲基脲(CMU)或3,3-(3′，4′-二氯酚)-1-二甲基脲(DCMU)而被阻，表明活化过程与在光合作用中非环式电子传递是相联系的。在光下非环式电子传递形成的NADPH可使其活化。体外试验提取酶的活性因加入还原剂如二硫苏糖醇(DTT)而增强，推测活体内酶的活化可能是由于光合电子传递链所产生的还原剂的作用，使酶蛋白的构型发生了变化而被活化。果糖-1，6-二磷酸酶及景天庚糖-1，7，二磷酸酶这两种二磷酸酯酶在黑暗中活性极低，而照光后则显著增强。Mg2+增加FBP酶活性并使其最适pH值改变，在低Mg2+(0.25mM)及FBP(0.15mM)时，FBP酶的最适pH值较Mg2+为10mM及FBP为1mM时更高。提纯的FBP酶用还原剂如DTT或还原态铁氧还蛋白(Fd)预培育可使其活化，活化过程伴随着酶蛋白的还原。SBP酶活性也与叶绿体间质内Mg2+及pH值的变化是相联系的，该酶亦可为DTT或还原态Fd所活化。Ru5P激酶此酶在体外试验时为DTT所活化，在光下活化可能是和光合电子传递链相联系的。此外，该酶活性还为腺苷酸系统的能荷所调节，在光下能荷增高即引起酶活化。从上所述可知以上几种光调节酶在光下活化是由于在叶绿体间质内形成了酶作用的最适环境：高pH值、高Mg2+及还原条件。在光下还原态Fd通过硫氧还蛋白还原酶(Thioredoxinreductase)将电子传与硫氧还蛋白(Td)，使其呈还原态，它是FBP酶、SBP酶可能还有Ru5P激酶及磷酸丙糖脱氢酶活化所必需。酶的活化是由于在光下酶蛋白的-S-S-基被还原态Td还原为-SH基。如酶蛋白的-SH基被氧化为-S-S-时则酶又失去活性。Light-drivenionfluxesandactivationofRubisco.ActivationofRubiscoisfacilitatedbytheincreaseinstromalpHandMg2+concentrationthataccompanieslight-driventransport.(二)C3循环的调节2.光调节作用(二)C3循环的调节3.光合产物输出速率的调节代谢物运转的调节叶绿体被膜的外膜对分子量约一万以下的分子的透过无专一性；而内膜则有高度的选择透性,，蔗糖、果糖、葡萄糖、淀粉、FBP、SBP、RBP、NAD(P)、NAD(P)H都不能透过，ATP、ADP只能很缓慢的少量透过，CO2、O2、H2O能自由透过1分子Pi从细胞溶质(cytosol)进入叶绿体间质的同时就有1分子磷酸丙糖从叶绿体间质运到细胞溶质。当植物缺磷时，与磷酸丙糖交换的Pi减少，使〔ATP〕/〔ADP〕比值减低，影响PGA激酶及Ru5P激酶所催化的反应的进行及RPPP的运转，光合速率减低；另一方面，由于Pi减少，又使磷酸丙糖运出叶绿体受抑制，因而在叶绿体内转化为淀粉暂时贮存在叶绿体内。在磷的供应较充分时，则可有较多的磷酸丙糖运到细胞溶质转化为蔗糖。蔗糖是韧皮部中碳水化合物运输的主要形式。植物缺Pi时，由于影响光合作用及蔗糖形成而影响功能叶片对植物其它部分碳水分合物的供应，使生长受抑制。但磷的供应也不是越多越好，如Pi过多，则TP的输出就与其再生以及叶绿体内部形成淀粉相竞争，反而使光合速率降低。TP→FBP→F6P→G6P→G1PADPG→淀粉↓PiATPPPi磷酸丙糖(TP)转化为淀粉途径不同植物叶片在光合作用中形成的主要产物不同，棉花、大豆、烟草这类植物的主要趋向是合成淀粉，以淀粉的形式暂时贮存在叶片中，夜间降解输出；小麦、蚕豆这类植物的主要趋向是合成蔗糖，一面合成，一面从叶片运出如果细胞溶质内合成的蔗糖由于某些条件的影响不能运出，则蔗糖合成趋于停止，细胞溶质内〔Pi〕降低，因而促进TP在叶绿体间质内转化为淀粉。植物遭受病虫侵害时，常因蔗糖运出受阻而使叶绿体内积累淀粉质量作用的调节PGA激酶的作用即为一例，该酶所催化的反应(PGA+ATP→DPGA+ADP)的△F为正值，反应的进行在很大程度上依赖于底物的积累和产物的排除在光合作用中由于其后一反应(DPGA+NADPH→G3P+NADP)的进行利用了DPGA，而使反应能顺利进行。四、光呼吸(photorespiration)光呼吸是指绿色细胞在光下吸收O2与释放CO2的过程。乙醇酸的代谢要经过三种细胞器：叶绿体、过氧化体和线粒体CO2O2叶绿体RuBPPGAADPATP甘油酸磷酸乙醇酸H2OPi乙醇酸甘油酸NAD+NADH羟基丙酮酸谷氨酸α-酮戊二酸丝氨酸丝氨酸H2O+甘氨酸线粒体H4-叶酸盐亚甲H4-叶酸盐NAD+NADH甘氨酸甘氨酸NH3+乙醇酸乙醛酸O2H2O2H2O+12O2过氧化体光呼吸代谢途径(整个途径在3种细胞器中合作进行)电镜下常观察到叶绿体、线粒体、过氧化物体三位一体在叶绿体和过氧化体中吸收O2，在线粒体中放出CO21.乙醇酸的生成Complicatedbutimportant(Taiz&Zeiger)…RUBSICOcatalysesC-uptakeFirststablecompou