植物生理學光合作用

第四章植物的光合作用光合作用(photosynthesis)概念2CO２+2H２O*

光綠色植物(CH２O)+O

*+H２綠色植物利用光能把CO２和水合成有機物，同時釋放氧氣的過程。光合O細菌利用光能，以某些無機物或有機物作供氫體，把CO２合成有機物的過程。CO２+2H２S

光

光合硫細菌(CH２O)+2S+H２O

(3)比較綠色植物和光合細菌的光合方程式，得出光合作用的通式：CO２+2H２A

光

光養(yǎng)生物

(CH２O)+2A+H２O

(4)H2A代表一種還原劑，可以是H２O、H2S、有機酸等，光養(yǎng)生物利用光能把CO２合成有機物的過程。問題：綠色植物和光養(yǎng)生物的光合方程式有何異同？光合作用的意義CO２+H２O→(CH２O)＋O２(△G=478kJ/mol)1.4把4

無1機8

物變30為有32機物重的量重比要途徑約合成5×1011t/y有機物“綠色工廠”吸收2.0×1011t/y

碳素(6400t/s)巨大的能量轉換過程將3.2×1021J/y的日光能轉化為化學能維持大氣中O2和CO2的相對平衡釋放出5.35×1011t氧氣/y

“環(huán)保天使”光合作用是生物界獲得能量、食物和氧氣的根本途徑光合作用是“地球上最重要的化學反應”問題：為什么沒有光合作用也就沒有繁榮的生物世界？因此深入探討光合作用的規(guī)律，揭示光合作用的機理，使之更好地為人類服務，愈加顯得重要和迫切。人類面臨四大問題人口急增食物不足資源匱乏環(huán)境惡化依賴光合生產第一節(jié)

葉綠體和光合色素葉片是光合作用的主要器官，而葉綠體是光合作用最重要的細胞器。Chlor被膜完整度較高一、葉綠體的分離１.從葉片中直接分離(機械法)葉片勻漿細胞液葉綠體勻

漿

化

0.4mol/L糖醇

pH7.6±,

0～4℃過

濾

勻漿4～8層紗布或100目尼龍紗布分級離心500g去沉淀，3000g去上清淀，沉淀懸浮，冰浴保存２.從原生質體分離(酶解法)果膠酶,纖維素酶

0.5mol／L甘露醇

pH5.0～pH5.540℃,振蕩葉組織原生質體質膜與細胞器葉綠體<20μm尼龍網離心酶解

擠壓葉綠體在熒光顯微鏡下呈紅色熒光顯微鏡下的氣孔二、葉綠體的發(fā)育、形態(tài)及分布1.發(fā)育2.形態(tài)3.分布4.運動高等植物的葉綠體由前質體發(fā)育而來。當莖端分

生組織形成葉原基時，前

質體的雙層膜中的內膜在

若干處內折并伸入基質擴

展增大，在光照下逐漸排

列成片，并脫離內膜形成

類囊體，同時合成葉綠素，使前質體發(fā)育成葉綠體。1.發(fā)育2.形態(tài)3.分布4.運動高等植物的葉綠體大多呈扁平橢圓形，每個細胞中葉綠體的大小與數目依植物種類、組織類型以及發(fā)育階段而異。一個葉肉細胞中約有10至數百個葉綠體，其長3～7μm，厚2～3μm。1.發(fā)育2.形態(tài)3.分布4.運動葉肉細胞中的葉綠體較多分布在與空氣接觸的質膜旁，在與非綠色細胞(如表皮細胞和維管束細胞)相鄰處，通常見不到葉綠體。這樣的分布有利于葉綠體同外界進行氣體交換。1.發(fā)育2.形態(tài)3.分布4.運動隨原生質環(huán)流運動，隨光照的方向和強度而運動。在弱光下，葉綠體以扁平的一面向光；在強光下，葉綠體的扁平面與光照方向平行。葉綠體隨光照的方向和強度而運動側視圖俯視圖顯微照片三、葉綠體的基本結構葉綠體被膜基質類囊體1.葉綠體被膜，由兩層單位膜組成，兩膜間距

5～10nm。被膜上無葉綠素主要功能是控制物質的進出，維持光合作用的微環(huán)境。外膜非選擇性膜。內膜選擇透性膜。2.基質及內含物基質：被膜以內的基礎物質?；|中能進行多種多樣復雜的生化反應碳同化場所N代謝場所脂、色素等代謝場所基質是淀粉和脂類等物的貯藏庫淀粉粒與質體小球3.類囊體堆疊區(qū)片層與片層互相接觸的部分，非堆疊區(qū)片層與片層非互相接觸的部分。由單層膜圍起的扁平小囊。類囊體分為二類：基質類囊體(基質片層)基粒類囊體(基粒片層)類囊體片層堆疊的生理意義1.膜的堆疊意味著捕獲光能機構高度密集,能更有效地收集光能。

2.膜系統(tǒng)常是酶有序排列的支架，膜的堆疊易構成代謝的連接帶，能使代謝高效地進行。四、類囊體膜上的蛋白復合體1.蛋白復合體的概念和種類主要有四類：即光系統(tǒng)Ⅰ（

PSI）、光系統(tǒng)Ⅱ

（

PSⅡ）、Cytb

６/f復合體和ATP酶復合體（ATPase）。還有聚光色素蛋白復合體（LHC）類囊體膜是光合膜由于光合作用的光反應是在類囊體膜

上進行的，所以稱類囊體膜為光合膜。ATP酶2.蛋白復合體在類囊體膜上的分布特點PSⅡ主要存在于基粒片層的堆疊區(qū)，PSⅠ與ATPase存在于基質片層與基粒片層的非堆疊區(qū)，Cytb6/f復合體分布較均勻。五、光合色素三種類型：葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。光合色素(三大類)葉綠素類(chlorophylls),

Chla,

Chlb,Chlc,Chld,Chle和細菌葉綠素a,b等類胡蘿卜素類(carotenoids)

,胡蘿卜素(carotene)葉黃素(xanthophyll)藻膽素:藻藍素(phycocyanobilin)藻紅素(phycoerythrobilin)。(一)光合色素的結構和性質1.葉綠素(chlorophyll)植物的葉綠素包括a、b、c、d四種。高等植物中含有a、b兩種，葉綠素c、d存在于藻類中，而光合細菌中則含有細菌葉綠素(bacteriochlorophyll)。葉綠素a呈藍綠色，葉綠素b呈黃綠色CCCNMgCCHHCCCH2CHCCH33

2H2C3H

C——CH3HCH2CH2C=OOCH2C

CHCH3HC

HC

HC

HC

HC

H2CCH3

CH3

CH3C

2

1CN

C3H

C—H

C—C45678O=C9

10CHH3C

OOC鎂卟啉——親水的“頭部”顏色來源葉醇基（雙萜）——親脂的“尾部”H2C

H2C

H2C

H2C

H2C

H2C

CH2Chlb—HCO卟啉環(huán)上的共軛雙鍵和中央鎂原子容易被光激發(fā)而引起電子的得失，這決定了葉綠素具有特殊的光化學性質。提取： 葉綠素是一種酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有機溶劑如80％的丙酮，或

者

95%

乙

醇

，

或

丙

酮

∶

乙

醇

∶

水

＝4.5∶4.5∶1的混合液來提取葉片中的葉綠素，用于測定葉綠素含量。之所以要用含有水的有機溶劑提取葉綠素，這是因為葉綠素與蛋白質結合很牢，需要經過水解作用才能被提取出來。取代反應

H+取代Mg2+,

Cu2+

(Zn2+)取代H+卟啉環(huán)中的鎂可被H+、Cu2+、Zn2+等所置換。

當為H＋置換后，即形成褐色的去鎂葉綠素(Pheo)。去鎂葉綠素中的H＋再被Cu２＋取代，就形成銅代葉綠素，顏色比原來的葉綠素更鮮艷穩(wěn)定。根據這一原理可用醋酸銅處理來保存綠色標本。CNHHCCHCCH2CHCC

CN

CCH3H2CCR1—CCHC3H

C——CH3CNCC

CN

CCuCHCCCH2CHCH31R

—CH2CC

CH3C—CH—CH3皂化反應——分離葉綠素和類胡蘿卜素C32H30ON4MgCOOCH3COOC20H39+

2KOHC32H30ON4MgCOO—COO—+

2KOH

+CH3OH

+C20H39OH2.類胡蘿卜素(carotenoid)是由8個異戊二烯形成的四萜，含有一系列的共軛雙鍵，分子的兩端各有一個不飽和的取代的環(huán)己烯，也即紫羅蘭酮環(huán)，類胡蘿卜素包括胡蘿卜素(C40H56O2)和葉黃素(C40H56O2)兩種。橙黃色黃色通常葉片中葉黃素與胡蘿卜素的含量之比約為2:1。一般來說，葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的比值約為

3∶1，所以正常的葉子總呈現綠色。類胡蘿卜素除了有吸收傳遞光能的作用外，還可在強光下逸散能量，如β-胡蘿卜素就是單線態(tài)分子氧

(1O2)的猝滅劑，具有使防止光照傷害葉綠素光保護功能。類胡蘿卜素都不溶于水,而溶于有機溶劑。葉綠體中的葉綠素和類胡蘿卜素在類囊體膜中以非共價鍵與蛋白質結合在一起。一條肽鏈上可結合若干色素分子，組成色素蛋白復合體，推測各色素分子在蛋白中的排列和取向有一定規(guī)律，以使光能在色素分子間迅速傳遞。3.藻膽素(phycobilin)僅存在于紅藻和藍藻中，主要有藻紅蛋白、藻藍蛋白和別藻藍蛋白三類，前者呈紅色，后兩者呈藍色。它們的生色團與蛋白以共價鍵牢固地結合。藻膽素分子中的四個吡咯環(huán)形成直鏈共軛體系，不含鎂也沒有葉綠醇鏈。藻膽素也有收集光能的功能。由于類胡蘿卜素和藻膽素吸收的光能能夠傳遞給葉綠素用于光合作用，因此它們被稱為光合作用的輔助色素。(二)光合色素的吸收光譜葉綠素最強的吸收區(qū)有兩處：波長640

～

660nm的紅光部分和430

～450nm的藍紫光部分葉綠素對橙光、黃光吸收較少，尤以對綠光的吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。一般陽生植物葉片的葉綠素a/b比值約為3∶1，而陰生植物的葉綠素a/b比值約為2.3∶1。葉綠素b含量的相對提高就有可能更有效地利用漫射光中較多的藍紫光，所以葉綠素

b有陰生葉綠素之稱。圖6主要光合色素的吸收光譜吸收光譜上端顯示地球上入射光的光譜(三)葉綠素的生物合成及其與環(huán)境條件的關系1.葉綠素的生物合成參與反應的酶類：(1)膽色素原合成酶；(3)尿卟啉原Ⅲ合成酶；

(5)糞卟啉原氧化酶；(7)Mg-螯合酶；(2)膽色素原脫氨基酶；

(4)尿卟啉原Ⅲ脫羧酶；

(6)原卟啉氧化酶；(8)Mg-原卟啉甲酯轉移酶；(9)Mg-原卟啉甲酯環(huán)化酶；(10)乙烯基還原酶；

(11)原葉綠素酸酯還原酶；(12)葉綠素合成酶·表示δ-氨基酮戊酸的C-5的去向谷氨酸或α-酮戊二酸→δ-氨基酮戊酸(ALA)→2ALA

→膽色素原（PBG，吡咯環(huán))→4PBG→尿卟啉原Ⅲ(卟啉環(huán)，脫羧)糞卟啉原Ⅲ(再脫羧、脫氫)→原卟啉Ⅸ→

Mg-原卟啉(若與Fe結合，合成亞鐵血紅素)→（

被甲基酯化形成第五環(huán)，側鏈被還原)原葉綠素酸酯→（經光照還原)葉綠酸酯a與20個C的牻牛兒基牛牻牛兒基焦磷酸酯化，后者還原成葉綠醇→葉綠素a→氧化為葉綠素b。2.影響葉綠素形成的條件（1）光從原葉綠素酸酯轉變?yōu)槿~綠酸酯需要光，而光過強，葉綠素又會受光氧化而破壞。黑暗中生長的幼苗——黃化也有例外情況韮黃(2)溫度葉綠素形成的最低溫度約2℃，喜溫植物>10℃，最適溫度約30℃,最高溫度約40℃。秋天葉子變黃和早春寒潮過后秧苗變白，早稻秧苗“節(jié)節(jié)白”，都與低溫抑制葉綠素形成有關。高溫下葉綠素分解大于合成，因而夏天綠葉蔬菜存放不到一天就變黃；相反，溫度較低時，葉綠素解體慢，這也是低溫保鮮的原因之一(3)營養(yǎng)元素氮和鎂是葉綠素的組成成分，鐵、錳、銅、鋅等則在葉綠素的生物合成過程中有催化功能或其它間接作用。因此，缺少這些元素時都會引起缺綠癥，其中尤以氮的影響最大。(4)氧缺氧能引起Mg-原卟啉IX或Mg-原卟啉甲酯的積累，影響葉綠素的合成。(5)水缺水不但影響葉綠素生物合成，而且還促使原有葉綠素加速分解，所以干旱時葉片呈黃褐色。還受遺傳因素控制，如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑葉不能合成葉綠素。有些病毒也能引起斑葉。蟆葉海棠吊蘭金邊富貴竹光合作用的過程和能量轉變光合作用三個階段：1.光能的吸收、傳遞和轉換成電能，主要由原初反應完成；2.電能轉變?yōu)榛钴S化學能，由電子傳遞和光合磷酸化完成；3.活躍的化學能轉變?yōu)榉€(wěn)定的化學能，由碳同化完成。表1光合作用中各種能量轉變情況電能 活躍的化學能 穩(wěn)定的化學能電子

ATP、NADPH2

碳水化合物能量轉變光能貯能物質量子等轉變過程

原初反應 電子傳遞 光合磷酸化時間跨度(秒)10-15－10-9

10-10－10-4

100－101反應部位PSⅠ、PSⅡ顆粒類囊體膜類囊體是否需光

需光 不一定，但受光促進碳同化101－102葉綠體間質不一定，但受光促進①原初反應②電子傳遞和光合磷酸化③碳同化光合作用的大致過程光反應暗反應不同層次和時間上的光合作用光合作用的層次與時間跨度第二節(jié)原初反應原初反應是指從光合色素分子被光激發(fā)，到引起第一個光化學反應為止的過程。它包括：光物理－光能的吸收、傳遞光化學－有電子得失原初反應特點：速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)與納秒(ns，10－9s)內完成與溫度無關，可在－196℃(77K，液氮溫度)或－271℃(2K，液氦溫度)下進行量子效率接近1

由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1

。一、光能的吸收與傳遞(一)激發(fā)態(tài)的形成Chl（基態(tài)）+hυ

10－15SChl*（激發(fā)態(tài)）(二)激發(fā)態(tài)的命運激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的狀態(tài)，會發(fā)生能量的轉變。轉變的方式：1.放熱激發(fā)態(tài)葉綠素分子在能級降低時以熱的形式釋放能量。此過程又稱內轉換或無輻射退激。2.發(fā)射熒光與磷光激發(fā)態(tài)葉綠素分子回至基態(tài)時，以光子形式釋放能量。3.色素分子間的能量傳遞激發(fā)態(tài)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。激子傳遞

共振傳遞4.光化學反應激發(fā)態(tài)色素分子把激發(fā)的電子傳遞給受體分子。圖光合作用過程中能量運轉的基本概念許多色素集中在一起作為天線色素，收集光能轉運到反應中心。在反應中心化學反應通過從葉綠素色素到電子受體分子的電子轉運過程存儲一些能量，電子供體再次還原葉綠素能量。在集光色素中的傳遞是單純的物理現象不涉及參與任何化學變化。通過上述色素分子間的能量傳遞，聚光色素吸收的光能會很快到達并激發(fā)反應中心色素分子，啟動光化學反應。圖聚光系統(tǒng)到反應中心能量傳遞呈漏斗狀光合色素距離反應中心越遠，其激發(fā)態(tài)能就越高，這樣就保證了能量向反應中心的傳遞。盡管在這個過程中一部分能量以熱的形式向環(huán)境中耗損散，但是在適當的條件下聚光色素復合體吸收的激發(fā)態(tài)能量都可以傳送到反應中心。星號表示激發(fā)態(tài)。二、光化學反應配對葉綠素去鎂葉綠素去鎂葉綠素副葉綠素副葉綠素胡蘿卜素(一)反應中心與光化學反應1.反應中心發(fā)生原初反應的最小單位反應中心組成：①反應中心色素分子(原初電子供體)：光化學反應中最先向原初電子受體供給電子的。②原初電子受體：直接接收反應中心色素分子傳來電子的電子傳遞體③次級電子受體與供體等電子傳遞體④維持電子傳遞體的微環(huán)境所必需的蛋白質光系統(tǒng)‖的反應中心配對葉綠素去鎂葉綠素去鎂葉綠素副葉綠素副葉綠素胡蘿卜素2.光化學反應由光引起的反應中心色素分子與原初電子受體間的氧化還原反應可用下式表示光化學反應過程：hυP·A

P*·A

P+·A－基態(tài)反應中心

激發(fā)態(tài)反應中心

電荷分離的反應中心D+·〔P·A〕·A1－D·〔P+·A－〕·A1D——次級電子供體

A1——次級電子受體(二)PSⅠ和PSⅡ的光化學反應紅降現象——大于680nm的遠紅光引起量子產量急劇下降的現象雙光增益效應——在長波紅光之外再加上較短波長的光促進光合效率的現象。愛默生增益效應量子產量——光合作用中吸收一個光量子所能引起的光合產物量的變化（如放出O2或CO2的分子數）量子效率量子需要量——釋放1分子氧和還原1分子CO2所需吸收的光量子數。一般8-10PSⅠ——光系統(tǒng)ⅠPSⅡ——光系統(tǒng)ⅡPSⅠ和PSⅡ的光化學反應PSⅠ的原初電子受體是葉綠素分子(A0)，PSⅡ的原初電子受體是去鎂葉綠素分子(Pheo)，它們的次級電子受體分別是鐵硫中心和醌分子。PSⅠ的原初反應：hυP700·A0

P700*·Ａ0P700＋·A0-PSⅡ的原初反應：hυP680·Pheo

P680*·Pheo

P680+·Pheo-功能與特點

(吸收光能

光化學反應)電子最終供體次級電子供體反應中心色素分子原初電子供體原初電子受體次級電子受體末端電子受體PSⅠ還原NADP+，實現PC到NADP+的電子傳遞PCP700葉綠素分子(A0)鐵硫中心NADP+(電子最終受體)PSⅡ使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質體醌。水YZP680去鎂葉綠素分子(Pheo)醌分子(QA)質體醌

PQPSⅠ和PSⅡ的電子供體和受體組成第三節(jié)電子傳遞和光合磷酸化原初反應的結果:使光系統(tǒng)的反應中心發(fā)生電荷分離，產生的高能電子推動著光合膜上的電子傳遞。電子傳遞的結果:一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的還原；另一方面建立了跨膜的質子動力勢，啟動了光合磷酸化，形成ATP。這樣就把電能轉化為活躍的化學能。一、電子和質子的傳遞（一）光合鏈指定位在光合膜上的，由多個電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道。較為公認的是：“Z”方案由希爾(1960)等人提出并經后人修正與補充。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)Ⅱ（PSⅡ）產生強氧化劑和弱還原劑。吸收遠紅光的光系統(tǒng)Ι（PSΙ）產生弱氧化劑和強還原劑。PSⅡ產生的強氧化劑氧化水，同時，PSΙ產生的強還原劑還原NADP+。電子傳遞鏈主要由光合膜上的PSⅡ、Cyt

b６/f、PSⅠ三個復合體串聯組成。電子傳遞有二處逆電勢梯度，即P680至

P680*，P700至P700*，而其余電子傳遞都是順電勢梯度的。電子最終供體為水，電子的最終受體為

NADP+。PQ是雙電子雙H+傳遞體，它伴隨電子傳遞，把H+從類囊體膜外帶至膜內，連同水分解產生

的H+一起建立類囊體內外的H+電化學勢差。“Z”方案特點：(二)光合電子傳遞體的組成與功能1.PSⅡ復合體PSⅡ的生理功能吸收光能，進行光化學反應，產生強的氧化劑，使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質體醌。(1)PSⅡ復合體的組成與反應中心中的電子傳遞PSⅡ是含有多亞基的蛋白復合體。它由聚光色素復合體Ⅱ、中心天線、反應中心、放氧復合體、細胞色素和多種輔助因子組成。PSI和PSII中葉綠素的分布圖中顯示了與PSI和PSII結合的特殊葉綠素復合體之間的聯系。LHCs三聚體分布在所有的光系統(tǒng)中。在PSI中，中心復合體含有大約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復合體中。在PSII中，命名為CP43和CP47的是與D1/D2反應中心緊密結合葉綠素復合體；外圍同時存在葉綠素a/b結合蛋白和LHC-II復合體。(2)水的氧化與放氧2CO２+2H２O*

光葉綠體(CH２O)+

O

*+H２O放氧復合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PSⅡ靠近類囊體腔的一側，參與水的裂解和氧的釋放。每釋放1個O２需要從2個H2O中移去4個e－，同時形成

4個H＋。4

e－2.質醌質醌(PQ)也叫質體醌，是PSⅡ反應中心的末端電子受體，也是介于PSⅡ復合體與Cyt

b６/f復合體間的電子傳遞體。質體醌在膜中含量很高，約為葉綠素分子數的5%～10%，故有“PQ庫”之稱。PQ庫作為電子、質子的緩沖庫，能均衡兩個光系統(tǒng)間的電子傳遞(如當一個光系統(tǒng)受損時，使另一光系統(tǒng)的電子傳遞仍能進行)，質體醌是雙電子、雙質子傳遞體3.Cytb６/f復合體Cyt

b６/f復合體由Cyt

f、Cyt

b、Rieske鐵-硫蛋白、亞基Ⅳ、光合電子傳遞體(Pet)G、M、L等組成。PQH２+2PC(Cu２＋)Cytb６/fPQ

+2PC(Cu＋)+

2H＋Cytb６/f復合體主要催化PQH２的氧化和PC的還原，并把質子從類囊體膜外間質中跨膜轉移到膜內腔中。4.質藍素質藍素(PC)是位于類囊體膜內側表面的含銅的蛋白質，氧化

時呈藍色。通過蛋白質中銅離子的氧化還原變化來傳遞電子。PSⅠ復合體存在類囊體非堆疊的部分，PSⅡ復合體存在堆疊部分，而Cytb６/f比較均勻地分布在膜中，因而推測PC通過在類囊體腔內擴散移動來傳遞電子。5.PSⅠ復合體PSⅠ的生理功能是吸收光能，進行光化學反應，產生強的還原劑，用于還原NADP+，實現PC到NADP+的電子傳遞。模式圖中顯示了復合體中以A和B命名的兩個主要的蛋白質亞基psaA和psaB的分布狀況。電子從P700傳遞到葉綠素分子A0，然后到電子受體A1。電子傳遞穿過一系列的被命名為FX，FA，FB的Fe-S中心，最后到達可溶性鐵硫蛋白（Fdx）。P700+從還原態(tài)的質藍素（PC）中接受電子。psaF，psaD和psaE

幾個

PSI亞基參與可溶性電子傳遞體與PSI復合體的結合。PSI反應中心結構模式6.鐵氧還蛋白和鐵氧還蛋白-NADP＋還原酶鐵氧還蛋白(Fd)和鐵氧還蛋白-NADP＋還原酶(FNR)都是存在類囊體膜表面的蛋白質。FNR中含1分子的黃素腺嘌呤二核苷酸

(FAD)，依靠核黃素的氧化還原來傳遞H+。因其與Fd結合在一起，所以稱Fd-NADP＋

還原酶。FNR2Fd還原+NADP＋+

H＋

2Fd氧化

+NADPH7.光合膜上的電子與H+的傳遞圖15光合膜上的電子與質子傳遞圖中經非環(huán)式電子傳遞途徑傳遞4個e-產生2個NADPH和3個ATP是根據光合作用總方程式推算出的。在光反應中吸收8個光量子(PSⅠ與PSⅡ各吸收4個)，傳遞4個e－能分解2個H2O，釋放1個O2，同時使類囊體膜腔增加8個H＋，又因為吸收8個光量子能同化1個CO2，而在暗反應中同化1個CO2需消耗3個ATP和2個

NADPH，也即傳遞4個e-，可還原2個NADPH，經ATP酶流出8個H+要合成3個ATP。光合膜上的電子與質子傳遞概況紅線表示電子傳遞，黑線表示質子傳遞，藍線質子越膜運輸(三)光合電子傳遞的類型1.非環(huán)式電子傳遞H２O→

PSⅡ→PQ→Cyt

b６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→NADP＋按非環(huán)式電子傳遞，每傳遞4個e-，分解2個H2O，釋放1個O2，還原2個NADP+，需吸收8個光量子，量子產額為1/8，同時轉運8個H+進類囊體腔。2.環(huán)式電子傳遞(1)PSⅠ中環(huán)式電子傳遞：PSⅠ→Fd→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ環(huán)式電子傳遞不發(fā)生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜運輸，可產生ATP，每傳遞一個電子需要吸收一個光量子。(2)PSⅡ中環(huán)式電子傳遞：P680→Pheo→QA→QB→Cytb559→P680Cytb5593.假環(huán)式電子傳遞指水中的電子經PSⅠ與PSⅡ傳給Fd后再傳給O２的電子傳遞途徑，這也叫做梅勒反應(Mehler′sreaction)。H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→

PSⅠ→Fd→O２Fd還原

+

O2

Fd氧化

+

O2

-葉綠體中有超氧化物歧化酶(SOD)，能消除O2

-。O2

-

+

O2

-

+

2H2

SOD

2H2O2

+

O2百草枯二、光合磷酸化光下在葉綠體(或載色體)中發(fā)生的由ADP與Pi合成ATP的反應稱為光合磷酸化。(一)光合磷酸化的類型１.非環(huán)式光合磷酸化與非環(huán)式電子傳遞偶聯產生ATP的反應。8hυ葉綠體2NADP+＋3ADP＋3Pi

2NADPH＋3ATP＋O2+2H+＋６H２O２.環(huán)式光合磷酸化與環(huán)式電子傳遞偶聯產生ATP的反應。ADP

＋

Pi

光

葉綠體

ATP＋

H２O非光合放氧生物光能轉換的唯一形式，在基質片層內進行。３.假環(huán)式光合磷酸化與假環(huán)式電子傳遞偶聯產生ATP的反應。H２O

+

ADP

＋

Pi

光

葉綠體

ATP

+

O2-·＋4H+非環(huán)式光合磷酸化與假環(huán)式光合磷酸化均被

DCMU(二氯苯基二甲基脲，敵草隆)除草劑所抑制，而環(huán)式光合磷酸化則不被DCMU抑制。(二)光合磷酸化的機理化學滲透學說化學滲透學說(chemiosmotic

theory)由英國的米切爾(Mitchell

1961)提出光合電子傳遞鏈的電子傳遞會伴隨膜內外兩側產生質子動力(proton

motive

force,pmf)，并由質子動力推動ＡＴ

Ｐ的合成。許多實驗都證實了這一學說的正確性。2.化學滲透學說化學滲透學說假設能量轉換和偶聯機構具有以下特點：①由磷脂和蛋白多肽構成的膜對離子和質子的透過具有選擇性②具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜③膜上有偶聯電子傳遞的質子轉移系統(tǒng)④膜上有轉移質子的ATP酶化學滲透學說的實驗證據①兩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，照光不向葉綠體懸浮液中加磷酸化底物，而斷光時再加入底物能形成ATP的實驗。1962年，中國的沈允鋼等人，用此實驗探測到光合磷酸化高能態(tài)(Z*)的存在。1963年賈格道夫(Jagendorf)等也觀察到了光合磷酸化高能態(tài)的存在。起初認為Z*是一種化學物質，以此提出了光合磷酸化中間物學說?，F在知道高能態(tài)即為膜內外的H+電化學勢。所謂兩階段光合磷酸化，其實質是光下類囊體膜上進行電子傳遞產生了跨膜的H+電化學勢，暗中利用H+電化學勢將加入的

ADP與Pi合成ATP。②酸-堿磷酸化實驗賈格道夫等(1963)在暗中把葉綠體的類囊體放在pＨ4的弱酸性溶液中平衡，讓類囊體膜腔的pH下降至4，然后加進pH8和含有

ADP和Pi的緩沖溶液，這樣瞬間的pH變化使得類囊體膜內外之間產生一個H+梯度。這個H＋梯度能使ADP與Pi生成ATP，而這時并不照光，也沒有電子傳遞。這種驅動ATP合成的類囊體內外的

pH差在活體中正是由光合電子傳遞和H+轉運所形成的。這一酸-堿磷酸化實驗給化學滲透假說以最重要的支持證據。③光下類囊體吸收質子的實驗對無pH緩沖液的葉綠體懸浮液照光，用pH計可測到懸浮液的

pH升高。這是由于光合電子傳遞引起了懸浮液中質子向類囊體膜腔運輸，使得膜內H+濃度高而膜外較低的緣故。電子傳遞產生了質子梯度后，質子就有反向跨膜轉移的趨向，質子反向轉移時，質子梯度所貯藏的能量就被用去合成ATP。以上實驗都證實了米切爾的化學滲透學說的正確性，因而米切爾獲得了1978年度的諾貝爾化學獎。ATP合成的部位——ATP酶ATP酶又叫ATP合(成)酶，也稱偶聯因子或CF1-CFo復合體。突出于膜表面的親水性的“CF1”埋置于膜中的疏水性的

“CFo”。CF1CF1的分子量約400000，它含有α,β,γ,δ和ε5種亞基。

α:β:γ:δ:ε＝3:3:1:1:1α亞基有結合核苷酸的部位，在進行催化時可能發(fā)生構象變化；β亞基是合成和水解ATP分子的催化位置；γ亞基控制CF1轉動和質子流；δ亞基也許與CF0的結合有關；ε亞基似乎能抑制CF1-CFo復合體在暗中的活性，防止ATP的水解。ε亞基還有阻塞經CFo的質子泄漏的作用。CFo含有四種亞基：a、b、b’、c

。a:b:b’

:c

＝1:1:1:14b和b’組成柄，c形成質子通道，a亞基的功能可能與建立質子轉移通道或與結合CF1有關。CFo是質子的“通道”，供應質子給CF1去合成ATP。結合轉化機制(binding-change

mechanism)該學說由PaulBoyer提出，他認為，在ATP形成過程中，與ATP合成酶的3個β亞基各具一定的構象，分別稱為松馳

(loose)、緊繃(tight)和開放(open)，各自對應于底物結合、產物形成和產物釋放的三個過程(見圖)。構象的相互依次轉化是和質子的通過引起γ亞基的旋轉相偶聯的。ATP合成的結合轉化機制γ-亞基的轉動引起β亞基的構象依松馳(L)、緊繃(T)和開放(O)的順序變化，完成ADP和Pi的結合、ATP的形成以及ATP的釋放三個過程。圖4-18

ATP合酶合成ATP的結合轉化機制ATP合酶CF1上的3個β亞基各有三種與核苷酸親和力不同的構象狀態(tài)：

“O”為開放狀態(tài)，此狀態(tài)下ADP和Pi可進入，合成的ATP被釋放；“L”為與核苷酸松弛結合狀態(tài)；“T”為與核苷酸緊密結合狀態(tài)，此狀態(tài)下ADP和Pi被合成ATP。β亞基構象的O、L和T狀態(tài)相互轉化是連續(xù)發(fā)生的，并需要能量推動。能量來源是流經CFo的質子流。①ADP和Pi最初結合到一個處于O狀態(tài)的位點上，由質子流通過CFo質子通道釋放出的能量導致了γ亞基轉動120度并帶動3個β亞基的變構：T轉變?yōu)镺，ATP被釋放出去；O轉變成L，ADP和Pi松弛結合；L轉成T。②T狀態(tài)下，ADP和Pi合成ATP時有H2O的產生；ATP釋放后O狀態(tài)，ADP和Pi可進入。③在質子流推動下，γ亞基的又轉動120度，3個β亞基又一次