第二十六章-光合作用

杨荣武生物化学原理第二版第二十六章光合作用提纲光合作用的基本过程植物光合作用的细胞器光反应暗反应CAM植物卡尔文循环的调节光合作用将光能转变成还原性碳光合作用H2OCO2O2C6H12O6光反应暗反应光能被光合色素吸收光解叶绿体ATP和NADPH2ADPNADP卡尔文循环能量被消耗的能量，再循环++叶绿体的亚显微结构植物光合作用的细胞器叶绿体的模式结构色素：1.中心色素——特殊的叶绿素a，充当光系统中的反应中心2.天线色素（辅助色素）:其他叶绿素a；叶绿素b和叶绿素c；类胡萝卜素-胡萝卜素和叶黄素，抗氧化剂保护叶绿素a;藻胆素光系统：组织在类囊体膜上的独立的色素单位1.PSI:P700;2.PSII:P680色素与光系统几种光合色素的化学结构类胡萝卜素的化学结构光合色素与蛋白质形成的复合物不同光合色素的光吸收光能的吸收和能量转换光合作用的反应中心光能吸收后的几种不同去处1.内部转变——变成热2.荧光3.激子转移（共振能量转移）——转移给邻近具有类似电子性质的非激活分子4.光氧化——激活的分子失去电子给一个受体分子5.后两种过程与光合作用有关光能吸收后的几种不同去处光系统的组分PSI：1.200或者更多的叶绿素a2.少量的叶绿素b3.与蛋白质结合的类胡萝卜素4.一对特殊的叶绿素a（中心色素，被称为P700）5.初级电子受体（A0）PSII：1.叶绿素a2.与蛋白质结合的ß-胡萝卜素3.少量的叶绿素b4.一对特殊的叶绿素a（中心色素，被称为P680）5.初级电子受体——脱镁叶绿素光系统PSIPSII概况以三聚体形式存在，总大小约为1020k以二聚体形式存在，总大小约为350k色素分子100个叶绿素a、20个类胡萝卜素35个叶绿素、2个脱镁叶绿素、11个胡萝卜素中心色素P700，每一个单体由一对特殊的叶绿素a组成P680，每个单体由一对特殊的叶绿素a组成蛋白质亚基12，如PsaA、PsaB、Psa20，如D1、D2、CP29、CP26、CP43金属离子1个Ca离子，12个Fe在3个Fe4S4中心中1个非血红素Fe、2个血红素Fe、4个Mn、3~4个Ca，其中的1个Ca与4个Mn由5个O作为桥连成Mn4CaO5簇其他2个维生素K13个Cl-1，2个质体醌初级电子受体叶绿素a脱镁叶绿素电子供体质体蓝素水（整个二聚体有2795个水分子）功能NADP＋的还原水光解、产生跨类囊体膜的质子梯度嗜热细长聚球蓝细菌两大光系统的结构比较水光解光合系统产生NADPH的光合系统制造ATP光反应的电子传递1.光反应开始于PSII，其一对中心色素（P680）和参与电子传递的分子与2个被称为D1和D2的蛋白质结合在一起。2.天线色素捕获太阳能→共振传递到反应中心→P680的E0′降低→1电子激发→转移到与D1结合的脱镁叶绿素（Pheo）；•被还原的Ph将得到的1个电子传给与D2结合的质体醌(QA)；•先后有2个电子从QA传给与D1结合的QB，QB同时从基质夺取2个质子，被还原成QBH2；•由4个Mn离子和若干锰稳定蛋白构成的产氧复合物催化水的光解，补充中心色素失去的电子。•具体反应是：2H2O→4个电子→D1上的Tyr残基接受1个电子→Tyr自由基→氧化型的P680得到电子被还原。PSII的光反应反应中心内发生的光反应PSII的光反应水的光解PSI内发生的光化学反应PSI内的一对中心色素（P700）和参与电子传递的分子与一对结构相似的蛋白质psaA和psaB详细步骤为：1.天线色素捕获太阳能→共振传递到反应中心→P700的E0′降低→1电子激发→转移到A0（1个叶绿素分子）A1(叶绿醌)3个铁硫蛋白(FX,FA和FB)；2.FA/FB将电子传给铁氧还蛋白；3.氧化型的P700从还原型的PC补充电子。参与光反应的电子传递体产氧复合物或水裂解复合物P680脱镁叶绿素质体醌——PQA(与蛋白质结合的)和PQB(游离的)Cytob6f复合物：类似于呼吸链上的复合体质体蓝素（PC）P700A0:初级电子受体A1:叶绿醌Fe-S蛋白铁氧还蛋白Fd-NADP+氧化还原酶NADP+电子从PSII经细胞色素b6/f复合体到PSI的传递1.PQBH2与D1解离并流动到细胞色素b6/f复合体；2.PQBH2前后分两次将两个电子依次通过细胞色素b6、铁硫蛋白和细胞色素f传到流动的电子载体质体蓝素（PC），PC上的Cu2＋变为Cu＋；3.传递的过程类似于呼吸链上的Q循环，有2个质子被释放到类囊体腔，作为对质子梯度贡献的一部分；4.被还原的PC(Cu+)离开细胞色素b6/f复合体，进入PSI，补充P700失去的电子。光反应的Z型图铁氧还蛋白-NADP＋还原酶的反应机理细胞色素b6/f复合体中的电子传递光合磷酸化在光反应中合成ATP的方式被称为光合磷酸化，其机理类似于氧化磷酸化循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化氧化磷酸化与光合磷酸化的异同氧化磷酸化光合磷酸化发生部位线粒体内膜类囊体膜ATP合酶名称F1/F0-ATP合酶CF1/F0-ATP合酶质子驱动力电化学势能化学势能，类囊体膜对Ca2+和Mg2＋较高，因此膜内外电位差很小，但类囊体腔要比线粒体外室小，因此内外pH差较大（基质pH8，类囊体腔pH5。对解偶联剂DNP和FCCP的敏感性＋＋对寡霉素的敏感性＋＋光反应的调节光反应中最重要的事件是电子在Z形图上的流动，这种流动受到两种方式的调节：1.一是通过对LHC的“可逆磷酸化”改变LHCII与PSII的结合情况，加快电子从PSII流向PSI的速率；2.二是抑制PSII或者干脆关闭PSII，让电子通过循环式磷酸化产生更多的ATP。CF1F0-ATP合酶活性也受到调控PSI和PSII在空间上的分离PSII位于垛叠的类囊体;PSI位于非垛叠的类囊体防止激子“失窃”分布受到调节（可逆的磷酸化）LHCII的可逆磷酸化调节CF1F0-ATP合酶的活性受两种方式的调控：1.受pmf的直接调控。CF1F0-ATP合酶并非总是有活性，只有在足够的pmf下，它才能被激活。2.硫氧还蛋白介导的γ亚基上巯基的氧化和还原，而改变激活CF1F0-ATP合酶所需要的pmf。这种机制对光高度敏感。与此有关的是位于γ亚基上的2个Cys残基。在光照的条件下，PSI通过铁氧还蛋白:硫氧还蛋白氧还还原酶还原硫氧还蛋白f。被还原的硫氧还蛋白再去还原γ亚基，使2个Cys上的巯基以还原的形式存在，这时的CF1F0-ATP合酶合酶在相对低的pmf（50mV）下就能被激活。而在暗适应约10分钟以后，γ亚基上的2个Cys残基被氧还成二硫键，这时CF1F0-ATP合酶需要更高的pmf（~100mV）才能被激活。CF1F0-ATP合酶活性的调节植物体内的暗反应-CO2固定Calvin和Bassham使用14CO2提供给小球藻，在不同的时段内杀死小球藻，然后，使用纸层析和放射自显影分析碳固定的产物。光反应与暗反应的比较光反应暗反应进行产所类囊体膜基质主要底物H2O、NADP＋、ADPNADPH、CO2、ATP主要产物O2、NADPH、ATP碳水化合物反应动力光能ATP、NADPH反应时间光照下有光无光均可进行，但没有“光反应”，“暗反应”也不能进行影响速率因素光强度和光波长温度、CO2和O2浓度能量转换光能转变为化学能一种形式的化学能转变为另一种形式的化学能C3循环与C3植物C3循环主要是由MelvinCalvin所阐明，因此它又被称为卡尔文循环。整个循环分为固定、还原和再生三个阶段卡尔文循环CO2的固定高等植物Rubisco的三维结构模型3-磷酸甘油酸的还原RUBP的再生卡尔文循环的总反应净产生1分子3-磷酸甘油醛，至少需要有3分子CO2进入循环，经过固定和还原以后共产生6分子3-磷酸甘油醛，其中5分子3-磷酸甘油醛进入再生阶段重新生成3分子RUBP，在整个循环反应中，共消耗6分子NADPH和9分子ATP，因此总反应式可以写成：如果以葡萄糖作为终产物，则总反应式可写成：光呼吸植物体内发生的依赖于光、消耗O2、释放CO2的过程被称为光呼吸。光呼吸与细胞的正常呼吸都是消耗O2释放CO2的过程，但正常的细胞呼吸可以产生ATP，而不像光呼吸那样浪费ATP。光呼吸的发生与Rubisco本身的性质有关。因为它既有羧化酶的活性，又有加氧酶的活性，其活性中心与CO2和O2的Km值分别是9mol/L和350mol/L，当Rubisco与O2结合的时候，不仅不会导致CO2的固定，反而导致碳的流失。光呼吸的过程C4循环与C4植物C4循环于1966年由Hatch和Slack在甘蔗和玉米中发现，因此又被称为Hatch-Slack途径。C4植物克服光呼吸的方法并不是因为它的RUBP羧化酶无加氧酶的活性，而是因为它的叶片具有特殊的结构，再加上一种PEP羧化酶的出现使得Rubisco周围CO2的浓度提高到20～120倍之多。C3植物和C4植物的叶片解剖结构C3植物和C4植物光呼吸的比较类别C3植物C4植物实例小麦、水稻、棉花和苹果等高粱、玉米、甘蔗和藜草等光呼吸较强微弱卡尔文循环存在存在CO2的初级受体1,5-二磷酸核酮糖（RUBP）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）维管束鞘细胞是否含有叶绿体无有羧化酶Rubisco叶肉细胞为PEP羧化酶维管束鞘细胞为rubisco羧化酶对CO2的亲和性中等高CO2固定的最初产物3-磷酸甘油酸（三碳中间物）草酰乙酸（四碳中间物）光合作用的细胞叶肉细胞叶肉细胞和维管束鞘细胞C4循环的全过程CAM植物CAM植物多呈肉质，通常生活在半干旱和炎热的沙漠地带，如仙人掌、菠萝和兰花。为了防止体内有限水分的不必要的流失，这一类植物的气孔在白天处于关闭的状态，晚上才开放。由于CO2需要通过气孔进入体内，因此CO2的固定只能在晚上进行，但光合作用只有在白天进行，包括光反应和暗反应。为了解决上述矛盾，在晚上气孔开放的时候，进入叶肉细胞的CO2在PEP羧化酶的催化下被暂且固定在草酰乙酸分子中，草酰乙酸随后转变为苹果酸，苹果酸进入液泡被贮存到天亮。一旦天亮，光反应开始产生ATP和NADPH，Rubisco也被激活，这时苹果酸离开液泡，在细胞液中苹果酸酶的催化下，为卡尔文循环输送CO2。显然CAM植物以这种方式固定CO2在降低光呼吸方面与C4植物具有异曲同工之妙。C4植物与CAM植物光呼吸的异同卡尔文循环的调节调控的方式是光激活、暗抑制1.光诱导的pH变化：光反应可导致基质的pH升高到8左右，碱性的pH可激活基质内的Rubisco、1,6-二磷酸果糖酶和景天庚酮糖二磷酸酶。2.卡尔文循环中的5-磷酸核酮糖激酶、果糖-1,6-二磷酸酶、景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶都是巯基酶。当这些酶的巯基被氧化成二硫键以后便丧失活性，光反应中产生的还原型铁氧还蛋白通过硫氧还蛋白维持这些巯基酶处于有活性的状态。某些植物在晚上能合成一种Rubisco的过渡态类似物抑制剂（CA1P）与活性中心结合从而抑制Rubisco的活性。解除抑制需要Rubisco激活酶的帮助，该激活酶能促进CA1P的解离，但它本身又需要硫氧还蛋白的激活。3.光诱导的Mg2＋从类囊体流入基质。Rubisco具有几种不同的状态：一是无Mg2＋结合也无氨甲酰化的状态。在这种状态下，酶采取的是封闭的构象，其活性中心紧密结合着RUBP或者CA1P或者其他磷酸单糖，水分子被排除在外，因此，Rubisco没有任何活性；二是无Mg2＋结合但其一Lys残基上的ε-氨基已被修饰成氨甲酰基，这时酶采取的是开放的构象，结合在活性中心的RUBP或其他磷酸单糖已被释放，但是酶仍无活性；三是有Mg2＋结合的氨甲酰化形式，只有这种状态的Rubisco才具有活性。硫氧还蛋白对巯基酶活性的维持作用Mg2＋和激活酶对Rubisco的调节