植物的光合作用2

1、第三節(jié)第三節(jié) 原初反應(yīng)原初反應(yīng)思考題：思考題：1.1.原初反應(yīng)的實質(zhì)是？原初反應(yīng)的實質(zhì)是？2.2.光能光能電能過程是如何進行的？電能過程是如何進行的？光合作用機理光合作用機理表表1 1 光合作用中各種能量轉(zhuǎn)變情況光合作用中各種能量轉(zhuǎn)變情況 能量轉(zhuǎn)變能量轉(zhuǎn)變 光能光能 電能電能 活躍的化學(xué)能活躍的化學(xué)能 穩(wěn)定的化學(xué)能穩(wěn)定的化學(xué)能 貯能物質(zhì)貯能物質(zhì) 量子量子 電子電子 ATPATP、NADPHNADPH2 2 碳水化合物等碳水化合物等 轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)變過程 原初反應(yīng)原初反應(yīng) 電子傳遞電子傳遞 光合磷酸化光合磷酸化 碳同化碳同化 時間跨度時間跨度( (秒秒) )1010-15-151010-9 -9 1

2、010-10-101010- -4 4 10 100 010101 1 10 101 110102 2 反應(yīng)部位反應(yīng)部位 PSPS、PSPS顆粒顆粒 類囊體膜類囊體膜 類囊體類囊體 葉綠體間質(zhì)葉綠體間質(zhì) 是否需光是否需光 需光需光 不一定，但受光促進不一定，但受光促進 不一定，但受光促進不一定，但受光促進 反應(yīng)時間反應(yīng)時間 時間尺度為時間尺度為1010-15-15- -1010一一9 9s s。 在光合膜上色素蛋白復(fù)合體中進行的一系列涉及在光合膜上色素蛋白復(fù)合體中進行的一系列涉及光子、激子、光子、激子、電子、離子電子、離子等傳遞和轉(zhuǎn)化的復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。等傳遞和轉(zhuǎn)化的復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。

3、原初反應(yīng)原初反應(yīng) 指指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個光化從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個光化學(xué)反應(yīng)為止的過程。學(xué)反應(yīng)為止的過程。原初反應(yīng)特點原初反應(yīng)特點 1)1) 速度非?？?，速度非?？?，10101515s s10109 9s s內(nèi)完成；內(nèi)完成； 2)2) 與溫度無關(guān)與溫度無關(guān)，(77K(77K，液氮溫度，液氮溫度)(2K)(2K，液氦溫度，液氦溫度) )； 3)3) 量子效率量子效率接近接近1 1光物理光物理光能的吸收、傳遞光能的吸收、傳遞 光化學(xué)光化學(xué)有電子得失有電子得失包括：包括：原初反應(yīng)過程原初反應(yīng)過程光合色素光合色素?光合單位光合單位光合膜上能進行完整光反應(yīng)的最小結(jié)構(gòu)單位光

4、合膜上能進行完整光反應(yīng)的最小結(jié)構(gòu)單位一、光能的吸收與傳遞一、光能的吸收與傳遞( (一一) ) 激發(fā)態(tài)形成激發(fā)態(tài)形成能量最低狀態(tài)能量最低狀態(tài)基態(tài)基態(tài)。色素分子吸收一個光子后色素分子吸收一個光子后-高能高能激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。 ChlChl* * （激發(fā)態(tài)）（激發(fā)態(tài)）ChlChl（基態(tài)）（基態(tài)）h h 10101515s s葉綠素分子受光激發(fā)后的能級變化葉綠素分子受光激發(fā)后的能級變化葉綠素：葉綠素：紅光區(qū)紅光區(qū): :第一單線第一單線態(tài)態(tài)藍光區(qū)藍光區(qū): :第二單線第二單線態(tài)態(tài) 配對電子的自旋配對電子的自旋方向：方向：基態(tài)；三線基態(tài)；三線態(tài)；態(tài)；第一單線態(tài)；第一單線態(tài)；第二單線態(tài)第二單線態(tài)圖圖8 8 葉綠素

5、分子對光的吸收及能量的釋放示意圖葉綠素分子對光的吸收及能量的釋放示意圖 虛線表示吸收光子后所產(chǎn)生的電子躍遷或發(fā)光，虛線表示吸收光子后所產(chǎn)生的電子躍遷或發(fā)光，實線表示能量的釋放，半箭頭表示電子自旋方向?qū)嵕€表示能量的釋放，半箭頭表示電子自旋方向 ( (二二) )激發(fā)態(tài)的命運激發(fā)態(tài)的命運ChlChl* *（2 2） ChlChl* *（1 1） + +熱熱 ChlChl* * Chl ChlT T + +熱熱 ChlChlT T Chl Chl+ +熱熱1.1.放熱放熱激發(fā)態(tài)的葉綠素分子在能激發(fā)態(tài)的葉綠素分子在能級降低時以熱的形式釋放能級降低時以熱的形式釋放能量，量，此過程又稱此過程又稱內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換

6、或或無無輻射退激輻射退激。在能量利用上藍光沒有紅光高。在能量利用上藍光沒有紅光高。？2. 2. 發(fā)射熒光與磷光發(fā)射熒光與磷光 激發(fā)態(tài)的葉綠素分子激發(fā)態(tài)的葉綠素分子回至基態(tài)時，可以光回至基態(tài)時，可以光子形式釋放能量。子形式釋放能量。 熒光。熒光。磷光。磷光。 ChlChl* * ChlChl h h 熒光發(fā)射熒光發(fā)射 ChlChlT T Chl Chl h h 磷光發(fā)射磷光發(fā)射10-9-9s s 10-2-2s s 磷光波長比熒光長，轉(zhuǎn)換的時間也較長，但強度只有熒光的磷光波長比熒光長，轉(zhuǎn)換的時間也較長，但強度只有熒光的1%因為溶液中缺少能量受體或電子受因為溶液中缺少能量受體或電子受體的緣故。體的

7、緣故。 熒光猝滅劑：熒光猝滅劑：在色素溶液中，如加在色素溶液中，如加入某種受體分子，能使熒光消失。常入某種受體分子，能使熒光消失。常用用Q Q表示。在光合作用的光反應(yīng)中，表示。在光合作用的光反應(yīng)中，Q Q即為電子受體。即為電子受體。離體色素溶液為什么易發(fā)熒光？離體色素溶液為什么易發(fā)熒光？葉綠素熒光常常被認作光合作用葉綠素熒光常常被認作光合作用無無效指標效指標的依據(jù)色素發(fā)射熒光的與的依據(jù)色素發(fā)射熒光的與用于光合作用的能量是相互競爭的。用于光合作用的能量是相互競爭的。激發(fā)態(tài)的色素分子把激發(fā)能傳遞給處于基態(tài)的同種激發(fā)態(tài)的色素分子把激發(fā)能傳遞給處于基態(tài)的同種或異種分子而返回基態(tài)的過程。或異種分子而返回

8、基態(tài)的過程。 ChlChl* *1 1 ChlChl2 2 ChlChl1 1ChlChl* *2 2 供體分子供體分子 受體分子受體分子共振傳遞共振傳遞圖圖 光合作用過程中能量運轉(zhuǎn)的基本概念光合作用過程中能量運轉(zhuǎn)的基本概念 4. 4. 能量傳遞給反應(yīng)中心色素分子，能量傳遞給反應(yīng)中心色素分子，啟動光化學(xué)反應(yīng)。啟動光化學(xué)反應(yīng)。圖圖 聚光系統(tǒng)到反應(yīng)中心能量激發(fā)呈漏斗狀聚光系統(tǒng)到反應(yīng)中心能量激發(fā)呈漏斗狀二、光化學(xué)反應(yīng)二、光化學(xué)反應(yīng)( (一一) )反應(yīng)中心與光化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)中心與光化學(xué)反應(yīng)1.1.反應(yīng)中心反應(yīng)中心 原初反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)是在原初反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)是在光系統(tǒng)的反應(yīng)中心進行的。光系統(tǒng)的反應(yīng)中心進

9、行的。反應(yīng)中心是發(fā)生原初反應(yīng)的最小單位。反應(yīng)中心是發(fā)生原初反應(yīng)的最小單位。由由反應(yīng)中心色素分子、原初電子受體、次級電子受反應(yīng)中心色素分子、原初電子受體、次級電子受體與供體等電子傳遞體體與供體等電子傳遞體，以及維持這些電子傳遞體的，以及維持這些電子傳遞體的微環(huán)境所必需的微環(huán)境所必需的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)等成分組成的等成分組成的。 原初電子受體原初電子受體(A)(A)反應(yīng)中心色素分子反應(yīng)中心色素分子(P)(P)原初電子供體原初電子供體(D)(D)2.2.光化學(xué)反應(yīng)光化學(xué)反應(yīng)光化學(xué)反應(yīng)實際就是由光引起的反應(yīng)中心色素分子與光化學(xué)反應(yīng)實際就是由光引起的反應(yīng)中心色素分子與原初電子受體間的原初電子受體間的氧化還原反

10、應(yīng)氧化還原反應(yīng)，可用下式表示光化學(xué)，可用下式表示光化學(xué)反應(yīng)過程：反應(yīng)過程：電荷分離電荷分離P PA AP P* *A AP P+ +A Ahh一次原初反應(yīng)結(jié)束一次原初反應(yīng)結(jié)束原初電子供體原初電子供體P P+ +失去電子，有了失去電子，有了“空穴空穴”，成為，成為“陷陷阱阱” ” ，從次級電子供體，從次級電子供體(D)(D) 爭奪電子；而原初電子受體爭奪電子；而原初電子受體得到電子，使電位值升高，供電子的能力增強，可將電得到電子，使電位值升高，供電子的能力增強，可將電子傳給次級電子受體子傳給次級電子受體(A(A1 1) ) 。那么電荷分離后反應(yīng)中心的反應(yīng)式可寫為：那么電荷分離后反應(yīng)中心的反應(yīng)式可

11、寫為：這一過程在光合作用中不斷反復(fù)地進行，這一過程在光合作用中不斷反復(fù)地進行，從而推動電子在電子傳遞體中傳遞。從而推動電子在電子傳遞體中傳遞。D D+ +P PA AA A1 1D DP P+ +A AA A1 1( (二二)PS)PS和和PSPS的光化學(xué)反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)高等植物的高等植物的兩個光系統(tǒng)兩個光系統(tǒng)有有各自的反應(yīng)中心。各自的反應(yīng)中心。 PSPS和和PSPSP700P700、P680P680小球藻小球藻光質(zhì)光質(zhì)量子效率量子效率圖圖9 9 菠菜反應(yīng)中心色素吸收光譜的變化菠菜反應(yīng)中心色素吸收光譜的變化 照光下照光下PS(A)PS(A)、PS(B)PS(B)反應(yīng)中心色素反應(yīng)中心色素氧化，其

12、氧化態(tài)，與還原態(tài)的吸收光譜氧化，其氧化態(tài)，與還原態(tài)的吸收光譜差值最大變化的波長所在位置分別是差值最大變化的波長所在位置分別是700nm(A)700nm(A)和和682nm(B)682nm(B)。PSPS和和PSPS反應(yīng)中心都是反應(yīng)中心都是由兩個葉綠素由兩個葉綠素a a分子組成的分子組成的二聚體，分別用二聚體，分別用P700P700、P680P680來表示。來表示。 P P代表色素，代表色素，700700、680680則代表則代表P P氧化時氧化時其氧化態(tài)，與還原態(tài)的吸收其氧化態(tài)，與還原態(tài)的吸收光譜中變化最大的波長位置光譜中變化最大的波長位置是近是近700nm700nm或或680nm680nm處

13、處. .PSPS的原初反應(yīng)：的原初反應(yīng)： P700P700A A0 0 hh P700 P700* *0 0 P700 P700A A0 0PSPS的原初反應(yīng)：的原初反應(yīng)： P680P680Pheo Pheo hh P680 P680* *PheoPheo P680 P680+ +PheoPheo- -在原初反應(yīng)中，受光在原初反應(yīng)中，受光激發(fā)的反應(yīng)中心色素分激發(fā)的反應(yīng)中心色素分子發(fā)射出子發(fā)射出高能電子高能電子，完，完成了光成了光電轉(zhuǎn)變。電轉(zhuǎn)變。A?光合作用的兩個光系統(tǒng)和電子傳遞方案光合作用的兩個光系統(tǒng)和電子傳遞方案吸收紅光的光系統(tǒng)吸收紅光的光系統(tǒng)（PS）產(chǎn)生強氧化劑和弱還原劑。吸收遠）產(chǎn)生強氧

14、化劑和弱還原劑。吸收遠紅光的光系統(tǒng)紅光的光系統(tǒng)（PS）產(chǎn)生弱氧化劑和強還原劑。）產(chǎn)生弱氧化劑和強還原劑。PS產(chǎn)生的強產(chǎn)生的強氧化劑氧化水，同時，氧化劑氧化水，同時，PS產(chǎn)生的強還原劑還原產(chǎn)生的強還原劑還原NADP+。 高能電子去處？高能電子去處？原初反應(yīng)的結(jié)果原初反應(yīng)的結(jié)果: 產(chǎn)生了產(chǎn)生了高能電子高能電子推動著光合膜上的電子傳遞。推動著光合膜上的電子傳遞。表表1 1 光合作用中各種能量轉(zhuǎn)變情況光合作用中各種能量轉(zhuǎn)變情況 能量轉(zhuǎn)變能量轉(zhuǎn)變 光能光能 電能電能 活躍的化學(xué)能活躍的化學(xué)能 穩(wěn)定的化學(xué)能穩(wěn)定的化學(xué)能 貯能物質(zhì)貯能物質(zhì) 量子量子 電子電子 ATPATP、NADPHNADPH2 2 碳水化

15、合物等碳水化合物等 轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)變過程 原初反應(yīng)原初反應(yīng) 電子傳遞電子傳遞 光合磷酸化光合磷酸化 碳同化碳同化 時間跨度時間跨度( (秒秒) )1010-15-151010-9 -9 1010-10-101010- -4 4 10 100 010101 1 10 101 110102 2 反應(yīng)部位反應(yīng)部位 PSPSPSPS顆粒顆粒 類囊體膜類囊體膜 類囊體類囊體 葉綠體間質(zhì)葉綠體間質(zhì) 是否需光是否需光 需光需光 不一定，但受光促進不一定，但受光促進 不一定，但受光促進不一定，但受光促進第四節(jié)第四節(jié) 電子傳遞和光合磷酸化電子傳遞和光合磷酸化原初反應(yīng)的結(jié)果原初反應(yīng)的結(jié)果: : 產(chǎn)生了產(chǎn)生了高能電子高

16、能電子推動著光推動著光合膜上的電子傳遞。合膜上的電子傳遞。 電子傳遞的結(jié)果電子傳遞的結(jié)果: : ? ?一、電子和質(zhì)子的傳遞（一）光合鏈（一）光合鏈 指定位在光合膜上的，指定位在光合膜上的，由多個電子傳遞體組成的由多個電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道。電子傳遞的總軌道。 希爾希爾(1960)(1960)等人提出并等人提出并經(jīng)后人修正與補充的經(jīng)后人修正與補充的“Z”Z”方案。方案。串聯(lián)串聯(lián); ;電子傳遞體電子傳遞體; ;氧化還原電位高低。氧化還原電位高低。 (1)(1) 主要由光合膜上主要由光合膜上的的PSPS、CytCyt b b/f/f、PSPS串聯(lián)串聯(lián)組成。組成。 (2) (2) 二處逆電勢

17、梯度二處逆電勢梯度電子傳遞，即電子傳遞，即P680P680至至P680P680* *，P700P700至至P700P700* *， 由由聚光色素復(fù)合體聚光色素復(fù)合體吸收光能后推動電子吸收光能后推動電子傳遞，而其余都是順傳遞，而其余都是順電勢梯度的。電勢梯度的。 圖圖10 10 葉綠體中的電子傳遞模式葉綠體中的電子傳遞模式 方框代表了蛋白復(fù)合物。方框代表了蛋白復(fù)合物。LHCLHC和和LHCLHC分別是分別是PSPS和和PSPS各自的聚光色素復(fù)合各自的聚光色素復(fù)合體，體，M M為含為含MnMn的放氧復(fù)合體，實線箭頭的放氧復(fù)合體，實線箭頭表示非環(huán)式電子傳遞方向；虛線箭頭表表示非環(huán)式電子傳遞方向；虛線

18、箭頭表示環(huán)式或假環(huán)式電子傳遞分叉處。示環(huán)式或假環(huán)式電子傳遞分叉處。(3)(3)水的氧化水的氧化PSPS電子傳遞電子傳遞; ;4 4個電子個電子,2H,2H2 2O,1O,1個個O O2 2和和4 4個個H H+ +。 NADPNADP+ +的還原的還原 PSPS電子傳遞電子傳遞; ;電子最終供體為電子最終供體為水水，電子的最終電子的最終受體為受體為NADPNADP+ +。 (4)(4)PQPQ 建 立 類 囊 體建 立 類 囊 體內(nèi)外的內(nèi)外的H H+ +電化學(xué)電化學(xué)勢差勢差。( (二二) )光合電子傳遞體的組成與功能光合電子傳遞體的組成與功能1.PS1.PS復(fù)合體復(fù)合體 放氧復(fù)合體放氧復(fù)合體(

19、OEC)(OEC)又稱又稱錳聚合體錳聚合體(M,MSP)(M,MSP)，在，在PSPS靠近類囊體腔的一靠近類囊體腔的一側(cè)，參與水的裂解和氧側(cè)，參與水的裂解和氧的釋放。的釋放。 每釋放每釋放1 1個個O O2 2個個H H2 2O;4 O;4 個個 e e- -; 4 ; 4 個個 H HS state modelS state model（Kok,1970)Kok,1970)實驗：實驗： 將小球藻預(yù)先保溫在暗中，然后給予一系列閃將小球藻預(yù)先保溫在暗中，然后給予一系列閃光照射（光照射（5-10s5-10s，間隔，間隔300ms300ms），測定每次閃光后），測定每次閃光后的放氧反應(yīng)。結(jié)果見圖的放

20、氧反應(yīng)。結(jié)果見圖Pattern of oxygen evolution in flashing light.The oxygen evolution apparatus is considered to exist in five different oxidation state (S0 through S4)。S0，S1，S2，S3，S4S0和和S1是穩(wěn)定態(tài)，是穩(wěn)定態(tài)，S2和和S3在暗在暗中退回到中退回到S1，S4不穩(wěn)定。不穩(wěn)定。 在葉綠體暗適應(yīng)過程后，有在葉綠體暗適應(yīng)過程后，有3/4的的S處于處于S1，1/4 處于處于S0，因此最大，因此最大的放的放O2量在第三次閃光時出現(xiàn)。量在第三次閃

21、光時出現(xiàn)。水氧化鐘水氧化鐘，或，或KOK鐘鐘 錳錳是水氧化所必不可少的元素是水氧化所必不可少的元素. .目前認為目前認為,S,S狀態(tài)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換代表著錳原子的不同氧化狀態(tài)。已知放氧復(fù)合的轉(zhuǎn)換代表著錳原子的不同氧化狀態(tài)。已知放氧復(fù)合體中包含著四個錳原子組成的集合體體中包含著四個錳原子組成的集合體, ,稱為稱為 MnMn ClusterCluster. .這些錳原子被四個獨立的光化學(xué)反應(yīng)依次轉(zhuǎn)這些錳原子被四個獨立的光化學(xué)反應(yīng)依次轉(zhuǎn)化為一個新的氧化狀態(tài)化為一個新的氧化狀態(tài), ,直到氧氣放出直到氧氣放出, Mn, Mn Cluster Cluster又回到原初狀態(tài)。又回到原初狀態(tài)。 CaCa2 2+ +

22、和和 ClCl- -也是放氧所必也是放氧所必需的需的, ,但作用還不清楚。但作用還不清楚。Structure of the Structure of the manganese cluster.manganese cluster.質(zhì)子釋放: 水裂解過程中所引起的質(zhì)子釋放似乎與氧的釋放沒有直接偶聯(lián),因為質(zhì)子釋放在氧釋放之前,因此質(zhì)子可能來自放氧復(fù)合體上蛋白質(zhì)的某些可離子化的氨基酸基團.質(zhì)子電化學(xué)勢梯度形成: 放氧復(fù)合體位于類囊體腔一側(cè),水氧化放出的質(zhì)子就釋放在類囊體腔,是形成跨類囊體膜質(zhì)子電化學(xué)勢梯度的重要因素.Structure of PSII super-complex反應(yīng)中心蛋反應(yīng)中心蛋D

23、1,D2,cyt559內(nèi)天線內(nèi)天線CP43，CP47放氧復(fù)合體（放氧復(fù)合體（OEC）捕光色素復(fù)合物捕光色素復(fù)合物II(LHCII) LHCLHC因離反應(yīng)中心遠而稱因離反應(yīng)中心遠而稱“遠側(cè)天線遠側(cè)天線”。 LHCLHC除具有吸收、傳遞光能的作用外，還具有耗散過除具有吸收、傳遞光能的作用外，還具有耗散過多激發(fā)能，保護光合器免受強光破壞的作用。多激發(fā)能，保護光合器免受強光破壞的作用。(A)LHCII的單體結(jié)構(gòu)示意圖。有三個跨膜螺旋，結(jié)合大約12個葉綠素a（暗綠）和葉綠素b（亮綠），內(nèi)含類胡蘿卜素分子（黃色）。圖中顯示葉綠素分子相對位置。（B）LHCII三聚體結(jié)構(gòu)示意圖。植物光合膜中，以LHCII三聚

24、體的結(jié)構(gòu)分布在PSII反應(yīng)中心復(fù)合體周邊（看下圖）。v 圖中顯示了與PSI和PSII結(jié)合的特殊葉綠素復(fù)合體之間的聯(lián)系。LHCs三聚體分布在所有的光系統(tǒng)中。v 在PSI中，中心復(fù)合體含有大約90個葉綠素a分子；多余的葉綠素存在于含有葉綠素a和葉綠素b的LHCI復(fù)合體中。v 在PSII中，命名為CP43和CP47的是與D1/D2反應(yīng)中心緊密結(jié)合葉綠素復(fù)合體；外圍同時存在葉綠素a/b結(jié)合蛋白和LHC-II復(fù)合體。LHC磷酸化后，可在類囊體膜上移動，從堆疊的基粒從堆疊的基粒( (富含富含PS)PS)區(qū)域橫區(qū)域橫向移動至非堆疊的基質(zhì)向移動至非堆疊的基質(zhì)( (富含富含PS)PS)區(qū)區(qū)域域，并成為PS的聚光

25、色素系統(tǒng)，擴大了PS的捕光面積，協(xié)調(diào)兩個光系統(tǒng)之間的能量分配。這就是所謂的“天線移動天線移動”。 Q QA A是單電子體傳遞體是單電子體傳遞體; ; 半醌半醌。 Q QB B是雙電子傳遞體是雙電子傳遞體; ; 氫醌氫醌(QH(QH2 2 ) ) 。生成的氫醌可以與醌庫的生成的氫醌可以與醌庫的PQPQ交換，交換，生成生成PQHPQH2 2。接收電子后產(chǎn)物接收電子后產(chǎn)物2.2.質(zhì)醌質(zhì)醌 質(zhì)體醌為脂溶性分子，非質(zhì)體醌為脂溶性分子，非極性的極性的尾部使質(zhì)體醌定位尾部使質(zhì)體醌定位于膜中于膜中 PQPQ庫作為電子、質(zhì)子的緩庫作為電子、質(zhì)子的緩沖庫，能均衡兩個光系統(tǒng)沖庫，能均衡兩個光系統(tǒng)間的電子傳遞間的電子

26、傳遞，可使多個，可使多個PSPS復(fù)合體與多個復(fù)合體與多個CytCyt b b/f /f 復(fù)合體發(fā)生聯(lián)系，使復(fù)合體發(fā)生聯(lián)系，使得類囊體膜上的電子傳遞得類囊體膜上的電子傳遞成成網(wǎng)絡(luò)式網(wǎng)絡(luò)式地進行。地進行。 質(zhì)體醌是雙電子、雙質(zhì)子質(zhì)體醌是雙電子、雙質(zhì)子傳遞體，對類囊體膜內(nèi)外傳遞體，對類囊體膜內(nèi)外建立質(zhì)子梯度起著重要的建立質(zhì)子梯度起著重要的作用。作用。Cytb6/f醌的頭和一個長的非極性的尾，醌的頭和一個長的非極性的尾，3.Cytb3.Cytb/f/f復(fù)合體復(fù)合體連接連接PSPS與與PSPS兩個光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，兩個光系統(tǒng)的中間電子載體系統(tǒng)，多亞基膜蛋白，由多亞基膜蛋白，由CytfCytf、C

27、ytbCytb 、RieskeRieske ( (鐵鐵- -硫蛋白硫蛋白) )、17kD17kD的多肽的多肽等等4 4個多肽組成。個多肽組成。關(guān)于關(guān)于CytbCytb/f /f 復(fù)合體介導(dǎo)的復(fù)合體介導(dǎo)的跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機理，跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機理，MitchellMitchell曾提出曾提出Q Q循環(huán)循環(huán)的假設(shè)：的假設(shè)：1.1.還原的還原的PQHPQH2 2將將2 2個電子中的一個電子中的一個個傳給傳給 CytbCytb6 6/f /f 復(fù)合體中的復(fù)合體中的FeSFeSR R，再交給再交給CytfCytf，進而傳給，進而傳給 PCPC，2.2.與此同時與此同時，PQHPQH2 2又將又將第二個電第二

28、個電子子交給低電位的交給低電位的b b，并釋放，并釋放2 2個個H H+ +到膜腔內(nèi)，電子由低電位的到膜腔內(nèi)，電子由低電位的b b傳至高電位的傳至高電位的b b，再將電子傳，再將電子傳至至PQPQ。經(jīng)過兩次電子循環(huán)后，經(jīng)過兩次電子循環(huán)后，PQPQ兩次兩次被還原，雙還原的被還原，雙還原的PQPQ又從膜外又從膜外結(jié)合兩個質(zhì)子，并將其貯入質(zhì)結(jié)合兩個質(zhì)子，并將其貯入質(zhì)醌庫中。醌庫中。Q Q 循環(huán)循環(huán)總結(jié)果：氧化總結(jié)果：氧化1PQH2為為PQ,向前傳遞向前傳遞2個電子，跨膜運轉(zhuǎn)個電子，跨膜運轉(zhuǎn)2個個H+.4.4.質(zhì)藍素質(zhì)藍素位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)，氧化時呈藍位于類囊體膜內(nèi)側(cè)表面的含銅的蛋白質(zhì)

29、，氧化時呈藍色。介于色。介于CytCyt b b/f/f復(fù)合體與復(fù)合體與PSPS之間的電子傳遞成員之間的電子傳遞成員通過蛋白質(zhì)中通過蛋白質(zhì)中銅離子銅離子的氧化還原變化的氧化還原變化在類囊體腔內(nèi)擴在類囊體腔內(nèi)擴散移動散移動來傳遞電子。其電子傳遞可被來傳遞電子。其電子傳遞可被HgCl2HgCl2所抑制所抑制5.PS5.PS復(fù)合體復(fù)合體PSPS的的生理功能生理功能是吸收光能，進行光化學(xué)反應(yīng)，是吸收光能，進行光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生強的還原劑，用于還原產(chǎn)生強的還原劑，用于還原NADPNADP+ +，實現(xiàn)，實現(xiàn)PCPC到到NADPNADP+ +的的電子傳遞。電子傳遞。FX，F(xiàn)A，F(xiàn)B的的Fe-S中心中心A0A1

30、A0: ChlaA1:維生素維生素K1(葉醌葉醌）A A、B(82-83kDa)B(82-83kDa)組組成跨膜的成跨膜的對稱異二對稱異二聚體聚體，P700P700，A0A0，A1A1，F(xiàn)XFX結(jié)合在結(jié)合在異二聚體上，異二聚體上，Structure of 2Fe-2S center and 4Fe-4S center6.6.鐵氧還蛋白和鐵氧還蛋白鐵氧還蛋白和鐵氧還蛋白-NADP-NADP還原酶還原酶FdFd和和FNRFNR都是存在類囊體膜表面的蛋白質(zhì)。都是存在類囊體膜表面的蛋白質(zhì)。 FdFd是通過它的是通過它的2 2鐵鐵-2-2硫活性中心中的硫活性中心中的鐵鐵離子的氧離子的氧化還原傳遞電子的。

31、化還原傳遞電子的。 FNRFNR 含含1 1分子的黃素腺嘌呤二核苷酸分子的黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)(FAD)，依，依靠靠核黃素核黃素的氧化還原來傳遞的氧化還原來傳遞H H+ +。存在于類囊體非堆。存在于類囊體非堆疊區(qū)外膜處。疊區(qū)外膜處。FNRFNR是光合電子傳遞鏈的末端氧化酶，是光合電子傳遞鏈的末端氧化酶， 2Fd2Fd還原還原+NADP+NADP+ H+ H FNRFNR 2Fd 2Fd氧化氧化 + NADPH+ NADPH基質(zhì)中的基質(zhì)中的H+v 傳給硫氧還蛋白傳給硫氧還蛋白(Td)(Td)進進行 光 合 酶 的 活 化 調(diào)行 光 合 酶 的 活 化 調(diào)節(jié)節(jié)。v 交于SO3-參與其還原。

32、 傳給傳給FNRFNR進行非環(huán)式電進行非環(huán)式電子傳遞；子傳遞； 傳給傳給CytCyt b b/f /f 或經(jīng)或經(jīng)NADPHNADPH再傳給再傳給PQPQ進行環(huán)進行環(huán)式電子傳遞；式電子傳遞； 傳給氧進行假環(huán)式電子傳給氧進行假環(huán)式電子傳遞；傳遞；v 交給硝酸參與硝酸還原交給硝酸參與硝酸還原 FdFd也是電子傳遞的分叉也是電子傳遞的分叉點。電子從點。電子從PSPS傳給傳給FdFd后后, , FdredFdred去向去向： 7.7.光合膜上的電子與光合膜上的電子與H H+ +的傳遞的傳遞( (三三) ) 光合電子傳遞的類型光合電子傳遞的類型 H HO PSPQCytO PSPQCyt b b/fPCP

33、SFdFNR/fPCPSFdFNR NADP NADP 4 4個個e e- -，2 2個個H H2 2O O，1 1個個O O2 2，2 2個個NADPNADP+ +，8 8個光量子，個光量子，8 8個個H H+ +2.2.環(huán)式電子傳遞環(huán)式電子傳遞 PSFdPQCytbPSFdPQCytb/fPCPS/fPCPS H H+ +的跨膜運輸?shù)目缒み\輸-ATP-ATP，每傳遞一個電，每傳遞一個電子需要吸收一個光量子。子需要吸收一個光量子。 P680PheoQP680PheoQA AQQB BCytbCytb559559P680P680 也有實驗指出為：也有實驗指出為： P680 CytbP680 C

34、ytb559559 Pheo Pheo P680 P680Cytb5593.3.假環(huán)式電子傳遞假環(huán)式電子傳遞 也叫做梅勒反應(yīng)也叫做梅勒反應(yīng)(Mehlers(Mehlers reaction) reaction)。 H HOPSPQCytbOPSPQCytb/fPC PSFd/fPC PSFd O O FdFd還原還原 + O+ O2 2 FdFd氧化氧化 + O+ O2 2- - 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(SOD) (SOD) O O2 2 - - + O + O2 2 - - + 2H + 2H2 2 SOD SOD 2H 2H2 2O O2 2 + O + O2 2.引起引起水的裂解放

35、氧水的裂解放氧以及以及NADP+的還原的還原； 建立了建立了跨膜的質(zhì)子動力勢跨膜的質(zhì)子動力勢，啟動了光合磷酸化，啟動了光合磷酸化，形成形成ATP。電子傳遞結(jié)果：電子傳遞結(jié)果：光合磷酸化的發(fā)現(xiàn)光合磷酸化的發(fā)現(xiàn)v1954，Arnon等發(fā)現(xiàn)向菠菜葉綠體加入等發(fā)現(xiàn)向菠菜葉綠體加入ADP、Pi和和NADP+，在光下不加入，在光下不加入CO2時，時，在體系中有在體系中有ATP和和NADPH產(chǎn)生。產(chǎn)生。完整葉綠體完整葉綠體黃色上清液黃色上清液離心離心破碎破碎綠色上清液綠色上清液含暗反應(yīng)的酶含暗反應(yīng)的酶ADP、 Pi和和NADP+ATP和和NADPH二、光合磷酸化二、光合磷酸化光合磷酸化：光合磷酸化：光下在葉

36、綠體光下在葉綠體( (或載色體或載色體) )中發(fā)生的由中發(fā)生的由ADPADP與與PiPi合成合成ATPATP的反應(yīng)的反應(yīng)概念概念( (一一) ) 光合磷酸化的類型光合磷酸化的類型. .非環(huán)式光合磷酸化非環(huán)式光合磷酸化 與非環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生與非環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATPATP的反應(yīng)。的反應(yīng)。 2NADP2NADP+ +3ADP3ADP3Pi 3Pi 8h8h葉綠體葉綠體 2NADPH2NADPH3ATP3ATPO O2 2+2H+2H+ +H HO O ATPATP; ;NADPHNADPH; ;O O2 2。 含有基粒片層的放氧生物所特有，在光合磷酸化中占主要地位含有基粒片層的放氧生物所特

37、有，在光合磷酸化中占主要地位 . .環(huán)式光合磷酸化環(huán)式光合磷酸化 與環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生與環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATPATP的反應(yīng)。的反應(yīng)。 ADP ADP Pi Pi 光光 葉綠體葉綠體 ATPATP H HO O 非光合放氧生物光能轉(zhuǎn)換的唯一形式，主要在基質(zhì)片層非光合放氧生物光能轉(zhuǎn)換的唯一形式，主要在基質(zhì)片層內(nèi)進行。它在光合演化上較為原始，在高等植物中可能內(nèi)進行。它在光合演化上較為原始，在高等植物中可能起著補充起著補充ATPATP不足的作用。不足的作用。. .假環(huán)式光合磷酸化假環(huán)式光合磷酸化 與假環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生與假環(huán)式電子傳遞偶聯(lián)產(chǎn)生ATPATP的反應(yīng)。的反應(yīng)。既放氧又吸氧。既放氧又吸

38、氧。 H HO + ADP O + ADP Pi Pi 光光 葉綠體葉綠體 ATP + OATP + O2 2- -4H4H+ +.( (二二) )光合磷酸化的機理光合磷酸化的機理. .光合磷酸化與電子傳遞的關(guān)系光合磷酸化與電子傳遞的關(guān)系-偶聯(lián)偶聯(lián) 三種光合磷酸化作用都與電子傳遞相偶聯(lián)：三種光合磷酸化作用都與電子傳遞相偶聯(lián)： 如在葉綠體體系中加入如在葉綠體體系中加入電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑, ,光合磷酸化就會停止；光合磷酸化就會停止； 在偶聯(lián)磷酸化時，電子傳遞則會加快，所以在體系中加入在偶聯(lián)磷酸化時，電子傳遞則會加快，所以在體系中加入磷酸磷酸化底物化底物會促進電子的傳遞和氧的釋放。會促進電

39、子的傳遞和氧的釋放。 ( (解偶聯(lián)解偶聯(lián): :發(fā)生電子傳遞而不伴隨磷酸化作用發(fā)生電子傳遞而不伴隨磷酸化作用) ) 磷酸化和電子傳遞的關(guān)系偶聯(lián)可用磷酸化和電子傳遞的關(guān)系偶聯(lián)可用ATP/e或或P/O來表示。來表示。實側(cè)值實側(cè)值0.9-1.32.2.光合磷酸化的機理光合磷酸化的機理 中間產(chǎn)物學(xué)說中間產(chǎn)物學(xué)說 變構(gòu)學(xué)說變構(gòu)學(xué)說 化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說(chemiosmotic(chemiosmotic theory) theory) 由英國的米切爾由英國的米切爾(Mitchell(Mitchell1961)1961)提出，提出， 該學(xué)說假設(shè)能量轉(zhuǎn)換和偶聯(lián)機構(gòu)具有以下特點：該學(xué)

40、說假設(shè)能量轉(zhuǎn)換和偶聯(lián)機構(gòu)具有以下特點： v由磷脂和蛋白構(gòu)成的膜對離子和質(zhì)子的透過具有由磷脂和蛋白構(gòu)成的膜對離子和質(zhì)子的透過具有選擇性選擇性 v具有氧化還原電位的具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜上地嵌合在膜上 v膜上有偶聯(lián)電子傳遞的膜上有偶聯(lián)電子傳遞的質(zhì)子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移系統(tǒng) v膜上有轉(zhuǎn)移質(zhì)子的膜上有轉(zhuǎn)移質(zhì)子的ATPATP酶酶 在解釋光合磷酸化機理時，該學(xué)說強調(diào)：在解釋光合磷酸化機理時，該學(xué)說強調(diào)：光合電子傳遞鏈的電光合電子傳遞鏈的電子傳遞會伴隨膜內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子動力子傳遞會伴隨膜內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子動力(proton motive (proton motive forc

41、e,pmfforce,pmf) )，并由質(zhì)子動力推動的合成。，并由質(zhì)子動力推動的合成。 許多實驗都證實了這一學(xué)說的正確性。許多實驗都證實了這一學(xué)說的正確性。(1)(1)化學(xué)滲透學(xué)說的實驗證據(jù)化學(xué)滲透學(xué)說的實驗證據(jù)兩階段光合磷酸化實驗兩階段光合磷酸化實驗 指光合磷酸化可以相對分成照光階段和暗階段來進行，指光合磷酸化可以相對分成照光階段和暗階段來進行，照光不照光不向葉綠體懸浮液中加磷酸化底物，而向葉綠體懸浮液中加磷酸化底物，而不照光不照光時再時再加加入底物能入底物能形形成成ATPATP的實驗。的實驗。 19621962年，中國的沈允鋼等人，用此實驗探測到光合磷酸化高能年，中國的沈允鋼等人，用此實驗

42、探測到光合磷酸化高能態(tài)態(tài)(Z(Z* *) )的存在。的存在。 19631963年賈格道夫年賈格道夫(Jagendorf(Jagendorf) )等也觀察到了光合磷酸化高能態(tài)等也觀察到了光合磷酸化高能態(tài)的存在。起初認為的存在。起初認為Z Z* *是一種化學(xué)物質(zhì)，以此提出了是一種化學(xué)物質(zhì)，以此提出了光合磷酸化光合磷酸化中間物學(xué)說中間物學(xué)說。現(xiàn)在知道高能態(tài)即為膜內(nèi)外的?，F(xiàn)在知道高能態(tài)即為膜內(nèi)外的H H+ +電化學(xué)勢電化學(xué)勢。 酸酸- -堿磷酸化實驗堿磷酸化實驗 賈格道夫等賈格道夫等(1963)(1963)在暗中把葉綠體的類囊體放在在暗中把葉綠體的類囊體放在p p4 4的弱酸的弱酸性溶液中平衡，讓類囊

43、體膜腔的下降至性溶液中平衡，讓類囊體膜腔的下降至4 4，然后加進，然后加進pH8pH8和含有和含有ADPADP和和PiPi的緩沖溶液，這樣的緩沖溶液，這樣瞬間的瞬間的pHpH變化變化使得類囊體膜使得類囊體膜內(nèi)外之間產(chǎn)生一個內(nèi)外之間產(chǎn)生一個H H+ +梯度。梯度。 這個這個H H梯度能使梯度能使ADPADP與與PiPi生成生成ATPATP，而，而這時并沒照光，這時并沒照光，也沒有電子傳遞也沒有電子傳遞。這種驅(qū)。這種驅(qū)動動ATPATP合成的類囊體內(nèi)外的合成的類囊體內(nèi)外的pHpH差在活體中正是由光合差在活體中正是由光合電子傳遞和電子傳遞和H H+ +轉(zhuǎn)運所形成轉(zhuǎn)運所形成的。的。光下類囊體吸收質(zhì)子的實

44、驗光下類囊體吸收質(zhì)子的實驗 對無對無pHpH緩沖液的葉綠體懸浮液照光，緩沖液的葉綠體懸浮液照光，用用pHpH計計可測到可測到懸浮液的懸浮液的pHpH升高升高。這。這是由于光合電子傳遞引起了懸浮液是由于光合電子傳遞引起了懸浮液中質(zhì)子向類囊體膜腔運輸，使得膜中質(zhì)子向類囊體膜腔運輸，使得膜內(nèi)內(nèi)H H+ +濃度高而膜外較低的緣故。濃度高而膜外較低的緣故。 電子傳遞產(chǎn)生了質(zhì)子梯度后，質(zhì)子電子傳遞產(chǎn)生了質(zhì)子梯度后，質(zhì)子就有反向跨膜轉(zhuǎn)移的趨向，質(zhì)子反就有反向跨膜轉(zhuǎn)移的趨向，質(zhì)子反向轉(zhuǎn)移時，質(zhì)子梯度所貯藏的能量向轉(zhuǎn)移時，質(zhì)子梯度所貯藏的能量就被用去合成就被用去合成ATPATP。 以上實驗都證實了米切爾的化學(xué)滲

45、以上實驗都證實了米切爾的化學(xué)滲透學(xué)說的正確性，因而米切爾獲得透學(xué)說的正確性，因而米切爾獲得了了19781978年度的諾貝爾化學(xué)獎。年度的諾貝爾化學(xué)獎。(2)H(2)H+ +電化學(xué)勢與質(zhì)子動力電化學(xué)勢與質(zhì)子動力 e e傳遞與傳遞與H H+ +向膜內(nèi)的運轉(zhuǎn)向膜內(nèi)的運轉(zhuǎn), ,還會引起類囊體膜的電勢變化，從還會引起類囊體膜的電勢變化，從而產(chǎn)生而產(chǎn)生H H+ +電化學(xué)勢差電化學(xué)勢差(H(H+ +) ) (kJ(kJmolmol-1-1) ) ： vHH+ += =HH+ +內(nèi)內(nèi)-H-H+ +外外 =2.3RTpH+FE=2.3RTpH+FE 式中式中R R氣體常數(shù)，氣體常數(shù)，T T絕對溫度絕對溫度(K)

46、(K)，F(xiàn) F法拉第常數(shù)，法拉第常數(shù)，EE膜電勢膜電勢(V)(V) 2525時，時，HH+ + =5.7pH+96.5E=5.7pH+96.5E 將兩邊用將兩邊用F F(96.5kJ(96.5kJmolmol1 1V V1 1) )除，規(guī)定除，規(guī)定HH+ +/F/F為為質(zhì)子動力質(zhì)子動力，其單位為電勢其單位為電勢(V)(V)。在。在2525時：時：pmfpmf=0.059pH+E=0.059pH+E 質(zhì)子動力大部分是來自質(zhì)子動力大部分是來自pHpH部分部分E E ？葉綠體類囊體膜上ATP的生成3.ATP3.ATP合成的部位合成的部位ATPATP酶酶 ATPATP酶酶(ATPase(ATPase)

47、 )又叫又叫ATPATP合成酶，合成酶，也稱也稱偶聯(lián)因子偶聯(lián)因子或或CFCF1 1-CF-CFo o復(fù)合體復(fù)合體。 葉綠體的葉綠體的ATPATP酶由兩個蛋白復(fù)合酶由兩個蛋白復(fù)合體組成體組成 ATPATP酶由九種亞基組成，分子量酶由九種亞基組成，分子量為為550 000550 000左右左右H H+ + transport orientationtransport orientation？合成合成ATPATP水解水解ATPATPCF1CF1 CFCFo o是質(zhì)子的是質(zhì)子的“通道通道”，供應(yīng)質(zhì)，供應(yīng)質(zhì)子給子給CFCF1 1去合成去合成ATPATP。CFCF1 1如何利用如何利用H H越膜所釋放的能

48、量來合成越膜所釋放的能量來合成ATPATP？結(jié)合轉(zhuǎn)化機制的變構(gòu)學(xué)說結(jié)合轉(zhuǎn)化機制的變構(gòu)學(xué)說，由由Paul BoyerPaul Boyer提出提出v埋置于埋置于膜中膜中v疏水性疏水性v突出于膜表面突出于膜表面v親水性親水性 該該學(xué)說認為，在學(xué)說認為，在ATPATP形成過程中，與形成過程中，與ATPATP合成酶的合成酶的3 3個個亞基亞基各具一定的構(gòu)象，各具一定的構(gòu)象，分別稱為分別稱為緊繃緊繃(tight)(tight)、松馳、松馳(loose)(loose)和開和開放放(open)(open)，各自對應(yīng)于底物結(jié)合、產(chǎn)物形，各自對應(yīng)于底物結(jié)合、產(chǎn)物形成和產(chǎn)物釋放的三個過程成和產(chǎn)物釋放的三個過程( (見圖見圖) ) 。ATPATP合成的結(jié)合轉(zhuǎn)化機制合成的結(jié)合轉(zhuǎn)化機制-亞基亞基的轉(zhuǎn)動引起的轉(zhuǎn)動引起亞基的構(gòu)象依緊繃亞基的構(gòu)象依緊繃(T)(T)、松馳、松馳(L)(L)和開放和開放(O)(O)的順序變化的順序變化，完，完成成ADPADP和和PiPi的結(jié)合、的結(jié)合、 ATPATP的形成以及的形成以及ATPATP的的釋放三個過程釋放三個過程。構(gòu)象的相互依次轉(zhuǎn)化構(gòu)象的相互依次轉(zhuǎn)化是和是和質(zhì)子的通過引起質(zhì)子的通過引起亞基的旋轉(zhuǎn)相亞基的旋轉(zhuǎn)相偶聯(lián)偶聯(lián)