細(xì)胞學(xué)第8章教學(xué)課件

第八章

chloroplast1第八章

綱要

一、葉綠體的形態(tài)學(xué)二、結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成三、光反應(yīng)四、暗反應(yīng)五、葉綠體遺傳、起源六、葉綠體與線粒體的比較2葉綠體3葉綠體的光合作用裝置5

葉綠體

葉綠體(chloroplast)是植物細(xì)胞所特有的能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞器,其主要功能是進(jìn)行光合作用,即利用光能同化二氧化碳和水,生成糖,同時產(chǎn)生分子氧。6葉綠體的結(jié)構(gòu)7

8.1.1前質(zhì)體、質(zhì)體、葉綠體前質(zhì)體(proplastid)∶直徑約為1μm，或更小一些，它是由雙層膜包被著未分化的基質(zhì)(stroma)所組成。植物中的前質(zhì)體隨著在發(fā)育過程中所處的位置以及接受光的多少程度，分化成功能各異的質(zhì)體(plastid),根據(jù)質(zhì)體是否含有葉綠素和功能的不同,將質(zhì)體分為白色體、葉綠體和有色體。9前質(zhì)體、質(zhì)體、葉綠體108.1.1前質(zhì)體、質(zhì)體、葉綠體白色體(etioplast)質(zhì)體的一種，不含色素,多存在于植物的分生組織和儲藏組織中,具有創(chuàng)造和儲藏淀粉、蛋白質(zhì)和油脂的功能。

葉綠體(chloroplast)質(zhì)體的一種,含有葉綠素和胡蘿卜素。有基粒、類囊體結(jié)構(gòu)。分布于葉及莖皮層細(xì)胞中,其功能為進(jìn)行光合作用,把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能,創(chuàng)造碳水化合物。118.1.2形態(tài)、大小、數(shù)量和分布形態(tài)高等植物中的葉綠體為球形、橢圓形或卵圓形，為雙凹面。有些葉綠體呈棒狀，中央?yún)^(qū)較細(xì)小而兩端膨大，充滿葉綠素。葉綠體通常呈囊泡狀。大小葉綠體的大小變化很大。高等植物葉綠體的平均直徑為4-6μm,厚2-3μm。同一種植物生長在不同的環(huán)境中,其大小也不相同。一般情況下，向陽面比背陽面生長的植物葉綠體不僅體積大而且數(shù)量也多。13

數(shù)量和分布不同植物中葉綠體的數(shù)目相對穩(wěn)定。大多數(shù)高等植物的葉肉細(xì)胞含有50-200個葉綠體,可占細(xì)胞質(zhì)體積的40%。葉綠體的數(shù)目因物種、細(xì)胞類型、生理狀況而異,藻類植物通常只有一個巨大的葉綠體。葉綠體在細(xì)胞質(zhì)中的分布有時是很均勻的，但有時也常集聚在核的附近，或者靠近細(xì)胞壁。葉綠體在細(xì)胞內(nèi)的分布和排列因光能的量的不同而有變化。葉綠體可隨植物細(xì)胞的胞質(zhì)環(huán)流而改變位置和形狀。14

8.2葉綠體的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成

葉綠體是由葉綠體膜(chloroplastmembrane或稱之為外被outenvelope)、類囊體(thylakoid)和基質(zhì)(stroma)組成。葉綠體的結(jié)構(gòu)比較特殊,它含有3種不同的膜(外膜、內(nèi)膜和類囊體膜)以及3種彼此分隔的間隙(膜間隙、葉綠體基質(zhì)和類囊體腔)。15

8.2.1葉綠體的外被葉綠體的包被是由兩層單位膜(內(nèi)膜和外膜)所構(gòu)成。每層膜的厚度為6-8nm,內(nèi)外兩膜間有10-20nm寬的間隙,稱為膜間隙。與線粒體不同的是，線粒體的內(nèi)膜折皺形成脊，而葉綠體的基質(zhì)中還有一種膜結(jié)構(gòu)∶類囊體。178.2.1葉綠體的外被

葉綠體膜的通透性葉綠體較能抵抗?jié)B透壓的變化和固定劑的作用，這是葉綠體與線粒體的一個很重要的區(qū)別。葉綠體的外膜通透性大,許多化合物如核苷、無機(jī)磷(Pi),蔗糖等均可自由通過。內(nèi)膜的通透性較差,在內(nèi)膜上有特殊轉(zhuǎn)運載體稱為轉(zhuǎn)運體(traslocator)轉(zhuǎn)運代謝物。18

菠菜葉綠體膜的脂含量脂內(nèi)膜外膜內(nèi)囊體膜 糖脂單半乳糖二乙酰甘油175540 二半乳糖二乙酰甘油292919 硫醌二乙酰甘油655 磷脂磷脂酰甘油1095磷脂酰膽堿3200磷脂酰肌醇511光吸收色素葉綠素0020類胡蘿卜素〈1〈16醌003蛋白質(zhì)/脂的比值0.350.91.5

19

8.2.2類囊體(thylakoid)葉綠體基質(zhì)中由許多單位膜封閉而成的扁平小囊,稱為類囊體。它是葉綠體內(nèi)部組織的基本結(jié)構(gòu)單位,上面分布著許多光合作用色素,是光合作用的光反應(yīng)場所。218.2.2類囊體(thylakoid)

類囊體的類型

基粒類囊體(granumthylakoid)∶

葉綠體中圓盤狀的類囊體常常相互堆積在一起形成柱形顆粒,叫基粒(grana)。每一個葉綠體中約含有40—80個基粒。構(gòu)成基粒的類囊體叫基粒類囊體,或稱為堆積類囊體(unstakedthylakoids)?；ｎ惸殷w的直徑為0.25-0.8μm;厚0.01μm,一個基粒系由5—30個基粒類囊體所組成，最多的可達(dá)上百個。22葉綠體與線粒體結(jié)構(gòu)的比較23類囊體的結(jié)構(gòu)25

類囊體膜的化學(xué)組成類囊體的膜在兩個方面表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)∶類囊體膜上有伸向基質(zhì)的柄狀結(jié)構(gòu)，稱為CF1顆粒；第二個特性是相互堆積形成基粒。類囊體的蛋白分為內(nèi)在蛋白和外周蛋白兩類。外周蛋白在類囊體膜上朝向葉綠體基質(zhì)面的較多。內(nèi)在蛋白鑲嵌在脂雙層中,如質(zhì)體蘭素、細(xì)胞色素等。26

8.2.3葉綠體蛋白的定位葉綠體同線粒體一樣，大多數(shù)蛋白質(zhì)都是在細(xì)胞質(zhì)中合成然后通過導(dǎo)肽運輸?shù)饺~綠體的不同部位。例如核酮糖1.5二磷酸羧化酶(RuBpcase,Ribulose-1-5-biphosphatecarboxylase)，其中8個大亞基(相同，分子量55kD),由線粒體DNA編碼，8個小亞基由核DNA編碼。RuBP的小亞基的前體有一個40—60的導(dǎo)肽,它負(fù)責(zé)引導(dǎo)小亞基的肽進(jìn)入葉綠體基質(zhì)。298.2.3葉綠體蛋白的定位

葉綠體蛋白的來源參與葉綠體組成的蛋白質(zhì)來源有三種情況:一是由ctDNA編碼,在葉綠體核糖體上合成;二是由核DNA編碼,在葉綠體核糖體上合成;三是由核DNA編碼,在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成。308.2.3葉綠體蛋白的定位

運輸機(jī)理葉綠體蛋白質(zhì)的運輸與線粒體有許多類同之處,但由于葉綠體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白運送到葉綠體的特定部位比線粒體更困難。細(xì)胞質(zhì)中合成的葉綠體前體蛋白含有一段導(dǎo)肽,也稱轉(zhuǎn)運肽(transitpeptides)。31

定位于葉綠體基質(zhì)蛋白∶RuBP羧化酶是定位于葉綠體基質(zhì)蛋白,它的運輸過程大致分為兩步:第一步導(dǎo)肽與葉綠體的外膜受體結(jié)合；第二步以轉(zhuǎn)譯后運輸?shù)臋C(jī)制(Posttranslationmechanism)跨過葉綠體的膜進(jìn)入基質(zhì)，導(dǎo)肽被金屬蛋白酶水解掉。

定位于類囊體膜和基質(zhì)蛋白的運輸∶這類蛋白的運輸大約分為三個過程:第一步是前體連接到葉綠體膜的特定的受體上,第二步是前體進(jìn)入葉綠體基質(zhì)、經(jīng)基質(zhì)蛋白酶加工后插入到類囊體膜和類囊體腔,最后在類囊體腔中裝配成成熟的蛋白質(zhì)。32葉綠體蛋白定位338.2.4葉綠體組分的分離分離方法分為兩種:劇烈勻漿法:例如進(jìn)行研磨破碎細(xì)胞壁，讓葉綠體釋放到溶液中，然后通過差速離心分離葉綠體。溫和方法∶用纖維素酶或果膠酶水解細(xì)胞壁獲得原生質(zhì)體，然后用溫和方法破碎細(xì)胞，最后通過離心分離葉綠體。34葉綠體組份的分離35

8.3光反應(yīng)

葉綠體的主要功能是進(jìn)行光合作用(photosynthesis)。

光合作用反應(yīng)式:6CO2+6O2H+光→C6H12O6+6O2+化學(xué)能(674000千卡)。1905年，F(xiàn).Blackman提出光合作用可分為兩個不同的階段，即光反應(yīng)和暗反應(yīng)(lightanddarkreaction)。光反應(yīng)是對光的吸收，并產(chǎn)生氧。暗反應(yīng)涉及到CO2的固定(從大氣中攝取CO2并將CO2轉(zhuǎn)變成含有還原碳的有機(jī)物)。在第一階段，吸收光能，并將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。36

光反應(yīng)光反應(yīng)是通過葉綠素等光合色素分子吸收傳遞光能,并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,形成ATP和NADPH的過程。在此過程中水分子被光解,釋放出氧。光反應(yīng)包括光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換過程,即光合作用的原初反應(yīng)、電子傳遞、光合磷酸化。

光反應(yīng)的場所是類囊體。37

8.3.1原初反應(yīng)

(primaryreaction)指葉綠素分子從被光激發(fā)至引起第一個光化學(xué)反應(yīng)為止的過程。包括光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換。即光能被聚光色素分子吸收,并傳遞至作用中心,在作用中心發(fā)生最初的光化學(xué)反應(yīng),使電荷分離從而將光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。38

8.3.1原初反應(yīng)

光吸收色素光的吸收是靠聚光色素(light-harvestingpigment)完成的。聚光色素又稱為光吸收色素(light-absorbingpigment),此類色素位于類囊體的膜上，只具有吸收聚集光能的作用,而無光化學(xué)活性,故此又稱為天線色素。39植物中進(jìn)行光合作用的主要色素是葉綠素(chlorophylls),它是一類含脂的色素家族，位于類囊體膜，并且賦予植物的綠色。葉綠素吸收的光主要是藍(lán)色和紅色而不是綠色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。植物含有幾種類型的葉綠素，它們之間的差別在于烴側(cè)鏈的不同。葉綠素a存在于光合作用的真核生物和藍(lán)細(xì)菌中。40

在高等植物和綠藻的細(xì)胞中含有葉綠素b,而在其它一些類型的細(xì)胞中含有葉綠素c。除了葉綠素之外，類囊體還含有其它一些相關(guān)色素，幫助葉綠素提高光合作用中對光吸收的效應(yīng)，這類色素主要是類胡蘿卜素(carotenoids),也是一種含脂的分子家族，類胡蘿卜素吸收紫色和藍(lán)色光(400-500nm)。另一類幫助葉綠素進(jìn)行光吸收的色素是藻膽素(phycobillins),存在于紅藻和藍(lán)細(xì)菌中。41葉綠素的結(jié)構(gòu)42光吸收色素438.3.1原初反應(yīng)

光系統(tǒng)(photosystems)1930年有人發(fā)現(xiàn)葉綠體在光合作用中，每固定一個CO2分子需要2500個葉綠素分子，后來又發(fā)現(xiàn)每固定一分子CO2，需要消耗8個光質(zhì)子，這樣固定一個光質(zhì)子大約需要300個分子的葉綠素。進(jìn)行光吸收的功能單位稱為光合系統(tǒng)(phoyosystemb),它是由葉綠素、類胡蘿卜素、脂和蛋白質(zhì)所組成。每一個光系統(tǒng)含有兩個主要的成分∶

捕光復(fù)合物(light-harvestingcomplex)和光反應(yīng)

中心復(fù)合物(reaction-centercomplex)。44

捕光復(fù)合物是由幾百個葉綠素分子、若干同蛋白質(zhì)連接起來的類胡蘿卜素分子所組成。當(dāng)捕光復(fù)合物中的葉綠素或類胡蘿卜素吸收一個光質(zhì)子時，就有一個電子被激活，色素的這種激發(fā)狀態(tài)相互傳遞，一直到達(dá)反應(yīng)中心的一對特殊的葉綠素a。

反應(yīng)中心復(fù)合物是由幾種與葉綠素a相關(guān)的多肽，以及一些與脂相連的蛋白質(zhì)所構(gòu)成,它們的作用是作為電子供體和受體。光系統(tǒng)中的光吸收色素的功能像是一種天線，將捕獲的光能傳遞給中心的一對葉綠素a,由葉綠素a激發(fā)一個電子，并進(jìn)入光合作用的電子傳遞鏈。45光合作用的電子產(chǎn)生468.3.1原初反應(yīng)

反應(yīng)機(jī)理捕光復(fù)合物中的聚光色素吸收光質(zhì)子,由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)→相互傳遞→最后傳給作用中心的一對特殊的葉綠素分子a,這一對葉綠素分子是同作為電子供體和受體的蛋白質(zhì)緊緊地結(jié)合在一起的。葉綠素a被激發(fā)成激發(fā)態(tài),同時放出電子給原初電子受體,此時葉綠素a被氧化成帶正電荷的氧化態(tài)的葉綠素a,而受體被還原成帶負(fù)電荷的還原型受體。氧化態(tài)的葉綠素a又可從原初電子供體處獲得電子而恢復(fù)為原來的還原狀態(tài),原初電子供體則被氧化成氧化態(tài),原初電子受體將高能電子釋放進(jìn)入電子傳遞鏈，完成了光能轉(zhuǎn)化為化能的過程。47光能轉(zhuǎn)換成電能48

8.3.2電子傳遞類囊體膜上具有全部由光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能所需的功能組分,包括捕光天線色素、兩個光反應(yīng)中心、各種電子載體、從水中攝取電子的酶以及合成ATP的系統(tǒng)。這些組分分別組裝成膜蛋白復(fù)合物,這些復(fù)合物在類囊體膜上呈不對稱分布。498.3.2電子傳遞

電子載體光合作用的電子傳遞鏈(photosyntheticelectrontransferchain)是由一系列的電子載體構(gòu)成的，同線粒體呼吸鏈中的電子載體的作用基本相似。但二者不同的是，線粒體呼吸鏈中的載體位于內(nèi)膜，而光合作用的電子載體位于類囊體膜并且是一個吸熱的過程而不是放熱的過程。50

細(xì)胞色素∶植物細(xì)胞有幾個特殊的細(xì)胞色素參與光合作用的電子傳遞。細(xì)胞色素b6和細(xì)胞色素f的吸收波長分別是:563nm、553nm。

鐵氧還蛋白(ferredoxin):它含有一個氧化-還原的位點，該位點有兩個同硫結(jié)合的鐵原子,通過Fe3+→Fe2+的循環(huán)傳遞電子。

NADP+還原酶∶參與光合作用電子傳遞的主要黃素蛋白是NADP+還原酶，是一種含有FAD的酶，催化電子從鐵氧還蛋白傳遞給NADP+。

質(zhì)體蘭素(plastocyanin,PC):一種含銅的蛋白質(zhì),氧化型呈藍(lán)色,傳遞電子時靠Cu2+→Cu+的狀態(tài)循環(huán)。51電子載體質(zhì)體醌(plastoquinone,PQ):質(zhì)子和電子載體,同線粒體的電子傳遞鏈的醌一樣，也是通過醌和醌醇循環(huán)。

NADP+∶是光合作用中的最后一個電子受體，是NAD+的衍生物。NADP+接受兩個電子成為還原型的NADPH。52電子載體

I

質(zhì)

體醌538.3.2電子傳遞

電子傳遞鏈中的復(fù)合物

捕光復(fù)合物Ⅱ(light-harvastingcomplexⅡ,LHCⅡ)又稱捕光葉綠素-蛋白質(zhì)復(fù)合物,或天線復(fù)合物(Antennacomplex)。從豌豆植物中分離的LHCⅡ是一種三體復(fù)合物，含有三個膜整合肽，每一個肽至少有12個葉綠素分子(7個葉綠素a和5個葉綠素b)、兩個類胡蘿卜素通過非共價鍵附著。由于捕光復(fù)合物與PSⅡ緊密相連，因此亦可將它看成是PSⅡ復(fù)合物的一部分。548.3.2電子傳遞

PSⅡ復(fù)合物(photosystemⅡcomplex,PSⅡ)即光系統(tǒng)II(PSII)復(fù)合物,主要分布在基粒內(nèi)囊體膜上。光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心葉綠素的最大光吸收峰是680nm，葉綠素在膜中光吸收的變化主要是同膜蛋白相互作用的結(jié)果，而不是葉綠素本身的差異。PSⅡ的組成成分較為復(fù)雜，只含有六個膜整合肽和幾個緊密連接的脂，包括反應(yīng)中心P680細(xì)胞色素，含有幾十個葉綠素a和b、類胡蘿卜素等。另外還有幾個離子，包括四個錳原子，還有細(xì)胞色素b559等。55光系統(tǒng)Ⅱ56光系統(tǒng)Ⅱ的功能結(jié)構(gòu)578.3.2電子傳遞

PSⅠ復(fù)合物(photosystemⅠcoplex,PSⅠ)即光系統(tǒng)I(PSI)。在基粒類囊體和基質(zhì)類囊體上均有分布。PSI是一種復(fù)合物，約有250—300個色素分子和載體分子所組成，并含有一個作用中心P700、cytf、PC、2個cyt563、鐵氧化還原蛋白、鐵氧化還原蛋白-NADP還原酶,存在基質(zhì)和基粒類囊體上。58光系統(tǒng)I的功能結(jié)構(gòu)59

電子傳遞鏈中的復(fù)合物

細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物細(xì)胞色素b/f復(fù)合物是類囊體膜上可分離出來的多亞基膜蛋白。它由四個多肽組成:即細(xì)胞色素f、細(xì)胞色素b6、Rieske鐵硫蛋白和一個功能不清的分子量為17kD的多肽。60細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物618.3.2電子傳遞

光合作用中的電子傳遞由于在光合作用的電子傳遞鏈中有兩個光系統(tǒng)，它們都能吸收光能進(jìn)行光反應(yīng)，所以會形成兩個高峰(hill),通常用Z形圖來表示電子傳遞過程。在Z形圖上，有兩點由于吸收了光質(zhì)子引起被傳遞電子自由能的增加。根據(jù)Z形圖，可以將電子傳遞分為四個不同的階段。62光合作用中的電子傳遞鏈63

光合作用中的電子傳遞

水的裂解與電子向質(zhì)體醌的傳遞光系統(tǒng)Ⅱ從光質(zhì)子中得到能量，能量傳遞到光反應(yīng)中心的P680，使葉綠素P680成為P680*，激發(fā)態(tài)的P680釋放出電子，并被傳遞到鄰近的褐藻素，這是一種被修飾了的葉綠素a，然后從褐藻素傳遞到質(zhì)體醌，叫QA、傳遞到QB，進(jìn)一步傳遞到PQ。在此過程中，P680先是失去了電子成為帶正電荷的P680+，P680失去的電子從裂解的水分子釋放出的電子得到補(bǔ)充，又成為還原態(tài)。2H2O→O2+4H++4e-64

值得注意的是水的光解釋放出了4個電子，而P680一次只能接受一個電子，如何解釋這種現(xiàn)象?后來有人做了這樣的實驗∶將能夠進(jìn)行光合作用的膜進(jìn)行短暫的光照，然后檢查生成的氧的量，發(fā)現(xiàn)連續(xù)照射四次之后氧的釋放量最大。為此提出了一個水氧化的時鐘理論∶水的電子釋放分四次進(jìn)行，當(dāng)時鐘釋放了四個電子后才從兩分子水中補(bǔ)充四個電子。這一階段可總結(jié)如下∶H2O→Mn→Z→P680→褐藻素→QA→QB

65水的電子釋放的四個階段

66光合作用中的電子傳遞

電子從質(zhì)體醌傳到質(zhì)體藍(lán)素當(dāng)電子從光系統(tǒng)Ⅱ傳遞到QB之后，還原型的QB分子離開PSⅡ，以游離的質(zhì)體醌(PQ)的形式進(jìn)入膜的雙脂層，最后將電子傳遞給細(xì)胞色素b/f復(fù)合物。該復(fù)合物含有四種多肽亞基，其中三個含有能夠轉(zhuǎn)移電子的鐵原子，它們分別是細(xì)胞色素b,細(xì)胞色素f鐵硫蛋白。67光合作用中的電子傳遞

電子從質(zhì)體藍(lán)素傳遞給鐵氧化還原蛋白光系統(tǒng)Ⅰ至少有11種膜整合多肽，和幾個緊密結(jié)合的脂，包括反應(yīng)中心P700細(xì)胞色素，以及與反應(yīng)中心有關(guān)的捕光復(fù)合物Ⅰ(LHCⅠ)。LHCⅠ含有100多個葉綠素a和b，以及一些同色素結(jié)合的蛋白質(zhì)。PSⅠ的作用是將電子從質(zhì)體藍(lán)素傳遞到鐵氧化還原蛋白。電子從PSⅠ的中心色素分子傳遞到鐵硫蛋白要經(jīng)過一系列的蛋白結(jié)合的電子載體∶A0，是一種細(xì)胞色素a，A1，是一種醌(維生素K1)，F(xiàn)eSX、FeSA、FeSB是鐵硫中心。68光合作用中的電子傳遞

由NADP+還原酶將電子從鐵硫蛋白傳遞給NADP+

。鐵硫蛋白接受的來自于PSⅠ的電子可在NADP+還原酶的催化下傳遞給NADP+，NADP+還原成NADPH需要兩個電子，所以需要兩個還原型的鐵硫蛋白。69

8.3.3光合磷酸化

(photophosphorylation)在葉綠體進(jìn)行的光合作用過程中,會產(chǎn)生電化學(xué)氫質(zhì)子梯度，因而能夠驅(qū)動ADP磷酸化合成ATP,這一總過程由于是光驅(qū)動的,故叫光合磷酸化。它同線粒體的氧化磷酸化的主要差別是∶氧化磷酸化是由高能食物分子氧化驅(qū)動的，而光合磷酸化是由光質(zhì)子驅(qū)動的。708.3.3光合磷酸化

光合磷酸化的類型

非循環(huán)式光合磷酸化(non-cyclicphotophosphorylation)光照后,激發(fā)態(tài)的葉綠素P680從水光解得到電子,電子傳遞經(jīng)過兩個光系統(tǒng),并在傳遞過程中產(chǎn)生H+質(zhì)子梯度,且同磷酸化相偶聯(lián),產(chǎn)生ATP。在此過程中,電子的傳遞是一個開放的通道。電子的最終受體是NADP+,最終產(chǎn)物有ATP、NADPH、分子氧。718.3.3光合磷酸化

循環(huán)式光合磷酸化(cyclicphotophosphorylation)光誘導(dǎo)的電子從系統(tǒng)I傳遞給鐵氧化還原蛋白后不是進(jìn)一步傳遞給NADP+，而是傳遞給細(xì)胞色素b/f復(fù)合物，再經(jīng)由質(zhì)體蘭素(PC)而流回到光系統(tǒng)I。此過程的產(chǎn)物僅為ATP,無NADPH、水和分子氧。循環(huán)式光合磷酸化約占光合磷酸化的10-20%。72非循環(huán)式光合磷酸化73循環(huán)式光合磷酸化74

光合磷酸化的類型

假循環(huán)式光合磷酸化(pseudo-cyclicphotophosphorylation)在假循環(huán)式電子流中,偶聯(lián)磷酸化形成ATP的過程同非循環(huán)式電子流相似,只是以分子氧代替了NADP+作最終電子受體,氧接受電子后,產(chǎn)生H2O2,H2O2再轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O。電子自PSⅡ側(cè)的H2O,通過電子傳遞鏈到P700,再到Fd,繼之由Fd到O2,又形成H2O。由于電子從H2O通過長途傳遞,又到H2O,電子好似走了一個循環(huán),為與真正的循環(huán)式電子流相區(qū)別,故稱為假循環(huán)式電子流。75

8.3.3光合磷酸化

能量轉(zhuǎn)換裝置

光合磷酸化的能量轉(zhuǎn)化單位是ATP酶復(fù)合體(CF1-CF0-ATPasecomplex),位于類囊體膜上，朝向葉綠體基質(zhì)，簡稱CF1顆粒。主要由兩部分組成,即頭部(CF1)和膜部(CF0)。CF1有五種亞基:α、β、γ、δ、ε,分子量分別是59、56、37、17、13kD。在γ、β亞基上有ATP、ADP結(jié)合部位和催化部位。δ亞基與CF0結(jié)合。γ亞基控制質(zhì)子流動。ε亞基在暗處有抑制此復(fù)合物催化活性的功能,限制ATP的水解。CF0至少有三個亞基插入膜中，以六聚體(18kD)形成質(zhì)子通道。CF1ATP酶的激活與線粒體的不同,要-SH化合物,同時還要Mg2+。76

8.3.3光合磷酸化

類囊體膜重建實驗葉綠體中的ATP到底是怎樣合成的?類囊體膜上的CF1-CF0是否就是ATP合成酶?采用類似于線粒體膜重建的方法進(jìn)行了葉綠體的分離和類囊體重建實驗，證明了CF1顆粒就是ATP合成酶，偶聯(lián)光合磷酸化的裝置。77類囊體膜重建78

8.3.3光合磷酸化

光合磷酸化的機(jī)理光合磷酸化的機(jī)理同線粒體進(jìn)行的氧化磷酸化相似,同樣可用化學(xué)滲透學(xué)說來解釋。化學(xué)滲透學(xué)說的基本要點是:在電子傳遞和ATP形成之間,起偶聯(lián)作用的是膜內(nèi)外之間存在的質(zhì)子電化學(xué)梯度。電子在膜上的傳遞象一個H+泵,促使H+穿過膜進(jìn)行定向傳遞,形成膜兩側(cè)的H+質(zhì)子梯度。由于H+的傳遞是由泵來推動的,因此,在形成質(zhì)子電動勢梯度時就會儲存能量,它可用于將ADP+Pi形成ATP。79

8.3.3光合磷酸化類囊體膜進(jìn)行的光合電子傳遞與光合磷酸化需要四個跨膜復(fù)合物參加∶光系統(tǒng)Ⅱ、細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物、光系統(tǒng)Ⅰ和ATP合成酶。由三個可動的物質(zhì)∶質(zhì)體醌、質(zhì)體藍(lán)素和H+質(zhì)子將這四個復(fù)合物在功能上連成一體。80類囊體的光能吸收與電子傳遞81類囊體的光能吸收與電子傳遞82

8.4暗反應(yīng)

(darkreaction)

有人將高等植物的光合作用分為三個階段:第一階段是光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化,第二階段是電子傳遞和光合磷酸化,第三階段是二氧化碳的同化。實際上第一、第二階段是光反應(yīng)過程，在類囊體上進(jìn)行，第三階段是暗反應(yīng),進(jìn)行CO2的固定，在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行。

暗反應(yīng)是指葉綠體利用光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH和ATP的化學(xué)能,將CO2還原合成糖。CO2還原成糖的反應(yīng)不需要光,故這一反應(yīng)稱為暗反應(yīng)。暗反應(yīng)是在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行的。83

8.4.1C3途徑

在C3途中，由于反應(yīng)的最初產(chǎn)物3-磷酸甘油酸含三碳化合物,因此,又稱三碳循環(huán),這是卡爾文(Calvin)等在50年代用14C示蹤法研究出來的,故稱卡爾文循環(huán)?？煞譃槿齻€階段:羧化、還原和RuBP的再生。

CO2的羧化CO2被還原之前,首先被固定形成羧基,以RuBP作為CO2接受體,在RuBP羧化酶的作用下使RuBP與CO2反應(yīng)形成兩分子的3-磷酸甘油酸(PGA)。84卡爾文循環(huán)85

8.4.1C3途徑

還原階段3-磷酸甘油酸首先在磷酸甘油激酶的催化下被ATP磷酸化形成1.3二磷酸甘油酸,然后在甘油醛磷酸脫氫酶的催化下被NADPH還原成3-磷酸甘油醛。這是一個吸能反應(yīng),光反應(yīng)中形成的ATP和NADPH主要是在這一階段被利用。所以,還原反應(yīng)是光反應(yīng)和暗反應(yīng)的連接點,一旦CO2被還原成3-磷酸甘油醛,光合作用的貯能過程便完成。86

8.4.1C3途徑

RuBP的再生利用已形成的3-磷酸甘油醛經(jīng)一系列的相互轉(zhuǎn)變最終再生成5-磷酸核酮糖。然后在磷酸核酮糖激酶的作用下,發(fā)生磷酸化作用生成RuBP,再消耗一個ATP。綜上所述,三碳循環(huán)是靠光反應(yīng)形成的ATP機(jī)NADPH作能源,推動CO2的固定、還原,每循環(huán)一次只能固定一個CO2,循環(huán)6次,才能把6個CO2分子同化成一個己糖分子。實際上，通過卡爾文循環(huán)，將CO2轉(zhuǎn)變成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH。87

8.4.2C4植物和CAM植物

C4途徑1965年，HugoKortschak報道,用〔14C〕O2加到甘蔗中，發(fā)現(xiàn)放射性首出現(xiàn)在四碳骨架中，而不是出現(xiàn)在PGA中。進(jìn)一步地分析發(fā)現(xiàn)，這些C4物質(zhì)是CO2同磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)結(jié)合的結(jié)果，因此發(fā)現(xiàn)了CO2固定的第二種機(jī)制，這種固定CO2的機(jī)制稱為四碳雙羧酸途徑,簡稱為C4途徑。將CO2連接到PEP上的酶是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。利用這種途徑固定CO2的植物稱為C4植物，主要是熱帶草本植物。888.4.2C4植物和CAM植物

CAM植物大約有5%以下的植物具有另外的生化適應(yīng)性，它們能夠在非常熱而干燥的沙漠環(huán)境中生存。這些植物稱為CAM植物，它們不是在白天固定CO2，而是在夜間進(jìn)行CO2的固定，固定CO2的酶也是PEP羧化酶。89

8.5.葉綠體遺傳、起源

8.5.1葉綠體遺傳1962年Ris和Plaut在電鏡下觀察衣藻時發(fā)現(xiàn)了