[农学]光合机理1.ppt

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1、二.光合作用机理,原初反应在光合作用研究中的地位,二.光合作用机理 (一) 原初反应 (光能电能),光合作用中将光能转换成化学能的起始过程，也是光反应的起始过程。它主要包括光能的吸收、激发能传递等光物理过程和原初光化学反应等。 原初反应速度非常快，反应时间在飞秒（10-15S）到皮秒（10-12S）量级之间。 反应是在类囊体膜上的集光色素蛋白复合体和光合作用反应中心进行。,1.光能的吸收和传递-光物理过程,1.1 光合色素 高等植物光合色素主要是叶绿素和类胡萝卜素。其中叶绿素是光合器官中最典型的色素,高等植物有chl a 和chl b, chl c 和chl d存在于某些原生生物中。 活体内的

2、叶绿素是呈聚集状态有序排列的，且均以叶绿素蛋白复合体的形式存在，在这里叶绿素是以专一的非共价方式与相关多肽结合，形成色素蛋白复合体。,藻红素,类胡萝卜素能和色素蛋白复合体或反应中心核心蛋白结合。类胡萝卜素是一种辅助色素，它也可以吸收光能向反应中心传递，但效率比叶绿素之间的传递效率低。 类胡萝卜素所起的另一重要作用是光保护作用。胡萝卜素可以淬灭激发态的叶绿素，生成激发态的胡萝卜素它不足以形成单线态氧，而是通过热耗散返回基态，以避免单线态氧对叶绿体的伤害。 缺乏类胡萝卜素的植物突变体很难在光和氧气同时存在的条件下生存。,1.2 光能的吸收 叶绿素和类胡萝卜素分子都有许多共轭双键，其电子或未成键的电

3、子比较活泼，容易受一定波长的光量子激发而跃迁到能级更高的轨道上去。,1.3 光能的传递 叶绿素分子吸收光能后会向作用中心传递,传递机制为共振传递. 叶绿素的传递效率是100%，类胡萝卜素的传递效率是50%。 叶绿素b的最大吸收在650nm，叶绿素a的最大吸收在670nm，类胡萝卜素吸收的是蓝光 能量传递是定向和高效的：类胡萝卜素叶绿素b 叶绿素a,2.原初光化学反应,D.P.A D.P*. A D.P.+A- D+.P.A-,h,高等植物PS的原初电子受体是去镁叶绿素（Pheo），原初电子供体假设为Yz，PS的原初电子受体是叶绿素，原初电子供体是PC。,光合作用,3. 叶绿素a荧光 光能,光化

4、学反应 荧光 热辐射,叶绿素吸收的光能并不是全部用于光化学反应,还可以荧光或热辐射的方式消耗掉. 辐射的荧光主要在685nm和740nm. 有五个组分可以辐射荧光: PSII 的LHCII在680nm, CP43在 685nm, CP47在695nm, PSI的反应中心在720nm, LHCI在740nm处.,PSI只在低温(77K)才明显辐射荧光, 因此室温下活体内叶绿素a的荧光约90%是从PS发出的，PSI发出的荧光很弱，决定这一差别的机理至今仍不清楚。 可能原因： PS反应中心的结构比PS反应中心更能集中激发能用于原初光化学反应； PS的P700相对更稳定,而PS的P680*会很快返回基

5、态； PS天线叶绿素a的理化性质决定了它以热辐射方式为主。,离体叶绿素a溶液可将其吸收光能的30%用于辐射荧光,因此荧光较强，肉眼可见,呈暗红色; 活体状态只有3%-0.6%的光能用于辐射荧光,因此荧光比离体细胞水平的低，需用仪器测定.,3.1 德国植物生理学家Kautsky于1931年发现 叶绿素荧光动力学现象。 上世纪80年代，gren（1985）和Schreiber（1986）相继创制出便携的调制式荧光仪，并实现了商品化。成为光合作用研究的新热点，极大地推动了光合过程中光能利用、逆境条件下光合作用的光抑制、光破坏及其防御机制的研究。,叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因 叶绿素荧光动力

6、学特性包含着光合作用过程的丰富信息 光能的吸收与转换 能量的传递与分配 反应中心的状态 过剩光能及其耗散 光合作用光抑制与光破坏等等 可以对光合器官进行“无损伤探查”，获得 “原位”的（in situ）信息。 近年来测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步骤越也来越简便。,由于以上原因 叶绿素荧光动力学技术在： 光合作用生理生态 逆境生理 等研究领域得到了较快的普及和广泛的应用,3.2 叶绿素a荧光动力学测定的基本原理 叶绿素的激发(excitation)与去激发(de-excitation),叶绿素荧光的产生, 激发能的三种去向： 一部分转变通过电子传递、光化学反应形成化学能（EP） 一部

7、分以荧光形式重新发射出来（EF） 一部分则转变成热能散失（ED） 三者关系为： EP + EF+ ED = 1 三者为互相竞争的关系,叶绿素荧光： 植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来,P + D + F = 1 F = 1- P - D,光化学的 和 耗散性的 荧光 淬灭,荧光产量降低是荧光猝灭(Quench)的结果。 所谓荧光猝灭，是指叶绿素吸收光量子后的 部分激发能通过光化学途径或以热的方式散失， 从而使荧光发射量减少的现象。,光化学能量转换引起的荧光淬灭通常称为 光化学淬灭（Photochemical Quenching）,耗散性的荧光淬灭通常称为非光化学淬灭 (Non-Phot

8、ochemical Quenching)， 也称非辐射能量耗散，也就是指热耗散,荧光动力学曲线Kautsky 曲线 经过暗适应后的叶片从黑暗中转入光下，叶片的荧光产量随时间而发生的动态变化，称为Kautsky效应，荧光的这种动态变化所描绘出的曲线即Kautsky 曲线。,完整的Kautsky曲线可分为两部分，从开始照光到荧光产量达到最大值时的荧光上升部分，所用时间很短，只需0.5-2.0s，称为快速荧光动力学曲线；此后，荧光产量降低，并逐渐达到一个稳恒值，时间大致需要8-10min，称为慢速荧光动力学曲线。,叶绿素荧光诱导动力学曲线,origin,inflection(intermediate

9、) peak,dip,peak,quasi-steady state,a maximum,terminal steady state,上升相：快速诱导 下降相：淬灭分析,上升相的上升速度与受体库大小相关，用于鉴别阳生和阴生植物; 叶片正反面，也有所区别 下降相，用于淬灭分析,调制式荧光仪测定原理,MR-经调制的弱测量光，2mmolm-2s-1，l583nm(绿光)；频率600Hz AR-光化光, 白光, 持续照射, ； SR-饱和脉冲光, 白光, 8500mmolm-2s-1, 照射0.5s FR-弱远红光，7-10mmolm-2s-1；l 700nm ； D-荧光检测器；A-信号放大器；SF

10、-短波滤光片；LF-长波滤光片,A typical modulated fluorescence induction curve, showing: (i) modulated light on after darkness, (ii) a pulse of saturating light which induces maximal fluorescence, Fm; (iii) actinic light on; (iv) four pulses of saturating light at 15 s intervals, inducing maximal fluorescence in

11、the light (Fm) at steady-state fluorescence (Fs); (v) actinic light off and far-red light on, giving F0; and (vi) all illumination off.,饱和脉冲法,光合电子传递的“Z图”,饱和脉冲法,短饱和脉冲光,PS II反应中心被暂时完全关闭,光化学淬灭全部被抑制,剩余的荧光淬灭即为非光化学淬灭,经验表明，只有PS II（不是PS I）的光化学与荧光发射呈竞争关系,3.3 重要的荧光参数 基础荧光参数,Fo: 初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下当PS II的所有反应

12、中心处于完全开放状态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量 . Fm: 最大荧光，是在暗适应状态下当PS II的所有反应中心处于完全关闭状态(qP=0)并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量 . Fv: 暗适应状态下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo .,Fm :在光适应状态下当PS II的所有反应中心处于关闭态（qP=0）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN0）的荧光产量. Fo :在光适应状态下当PS II的所有反应中心处于开放态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN0）的荧光产量。 Fv : 任意光

13、适应状态下的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo Fs :稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射光化光后达稳定值时的荧光产量（qP0，qN0）,叶绿素荧光术语及生物学意义,荧光猝灭参数 qP=(Fm-Fs)/(Fm-Fo) ：光化学淬灭系数.即激发能被开放的反应中心捕获并转化为化学能而导致的荧光淬灭，反映了光适应状态下PSII进行光化学反应的能力. 0qP1 qN =(Fm-Fm)/(Fm-Fo) ：非光化学猝灭系数。反映PSII天线色素吸收的光能不用于光化学电子传递而以热的形式耗散掉的部分.,反映PSII光化学效率的荧光参数 Fv/Fm：是重要的荧光参数之一，名称很多，有：最大原初光化学产量；P

14、SII最大潜在量子产量；开放的PSII反应中心量子效率等 ；我们习惯上称其为“PSII最大光化学效率”。其值恒小于1。 Fv/Fm是暗适应下PS反应中心完全开放时的最大光化学效率。反映PS反应中心最大光能转换效率。,在非胁迫条件下，Fv/Fm的值很稳定，根据对大量植物的测定，其平均值为0.8320.004，但在逆境条件下，Fv/Fm显著降低。正因为如此，所以Fv/Fm的降低常作为发生光抑制或PSII遭受其他伤害的指标。,Fv/Fm：光适应下PS最大光化学效率。它反映有热耗散存在时，开放的PS反应中心的光化学效率。由于在光适应状态下非光化学过程得到活化，因此Fv/Fm往往小于Fv/Fm PS(Y

15、ield)=(Fm-Fs)/Fm ： PS实际光化学效率。它反映在照光下PS反应中心部分关闭的情况下的实际光化学效率。 ETR (或Prate) = PS PFDa 0.5 ：表观光合电子传递速率(PFDa为实际吸收的光量子，一般设定为入射PFD的0.84；0.5为假设光能在两个光系统中各分配50%),(二）叶绿体的电子传递,1.两个光系统的发现 红降现象: 是指光合作用的作用光谱中，当波长在680nm以上时，虽还在叶绿素有效吸收范围内，但光合作用的量子效率却急剧下降。 量子产额：每吸收一个光量子所放出氧分子数。,双光增益效应：当发生红降现象时，如补充一个650nm短波光，光合作用的量子产额可

16、以提高并超过两种波长的光单独照射的量子产额总和。,基于红降现象和双光增益效应，人们提出：光合作用过程中存在着两个光化学反应，分别由两个不同的光系统完成。 研究表明，光系统（PS）的作用中心色素分子最大吸收峰在700nm，称为P700，主要特征是NADP的还原； PS的作用中心色素分子最大吸收峰在680nm，因此称为P680,其主要特征是水的光解和放氧。 光合电子传递由这两个光反应步骤串联进行，连接两个光反应之间的电子传递是由细胞色素复合体完成的。光合电子传递的顺序就是：,2.PSII的运转,PS是执行光诱导电荷分离及电子传递的基本单位，P680中心色素是chla的双分子体，其电子传递顺序：PS

17、反应中心色素P680受光激发后，将电子交给原初电子受体去镁叶绿素（Pheo），然后氧化的P+680被原初电子供体Yz还原。在其氧化侧PS产生强氧化势，使水氧化并释放质子和氧，电子从放氧中心传到Yz。当放氧复合体Mn积累4个电荷后，从水中释放一个O2。,在还原侧，电子从Pheo传递到第一个稳定的电子受体QA（单电子受体质醌），它把电子传给QB（双电子受体质醌），QB从QA处连续接受两个电子以后从间质接受2个质子形成QBH2（质体醌醇），质体醌被还原成质体醌醇后降低它与结合位点的亲和力，便从反应中心D1蛋白释放出来，另一分子的PQ被交换结合到D1蛋白上。PQH2随后再向Cyt复合体转移。 QA和Q

18、B的吸收光谱相同，只是QB在还原时没有550nm处的吸收变化。 Yz是假设的原初电子供体，利用定位突变的方法，已证明在蓝细菌中，D1多肽上的Tyr-161（第161位上的酪AA残基）就是Yz，它直接供电子到P680。,3.PSII的水裂解放氧 3.1.水裂解放氧酶复合体 水裂解放氧发生在PS的氧化侧，在放氧复合体（Oxygen Evolving Complex, OEC）进行，OEC位于类囊体膜的内表面，与PS的反应中心相连。OEC有三个各为33，23，17KD的多肽，还有与放氧有关的4个锰构成的锰簇，另外还有Cl离子和钙离子。三个多肽松驰地结合在PS反应中心复合体的外周，并且像一层屏障遮盖着

19、放氧复合体的锰簇。,3.2.氧释放的动力学,叶绿体闪光处理的放氧方式,闪光数,3.2.氧释放的动力学,S0 S1 S2 S3 S4,Dark,2H2O,O2+4H+4e-,h1,h2,h3,h4,3.3.锰.氯.钙与氧释放的关系,锰对光合放氧是必要的，锰直接作用于水裂解积累4个氧化当量的过程。 实验表明：每个放氧复合体结合4个锰，但并不是所有4个锰都起同样效用，其中一部分可能在积累氧化当量中起直接作用，其余仅作为结构因子。锰离子以不同亲和程度结合在PS颗粒上，利用Tris溶液洗涤或加热，就能把锰去除而抑制放氧。回加锰以后可以稍微恢复。 关于锰在氧释放中的作用机理，曾由Brudvig和Crabe

20、tee提出锰复合物在S态循环过程有5种氧化态的中间体，存在Mn4O4类立方烷与Mn4O6类金刚烷之间结构的转变，以此来解释OO键的形成，以及O2从S4状态返回S0时释放的分子机制（图14）。,关于氯和钙与氧释放的关系，Coleman和Govindjee用35ClNMR技术证明，一部分氯离子与内在锰相结合，另一部分在外周蛋白33KD多肽上。并且设想，氯和钙离子与外周蛋白之间的相互作用会导致蛋白区域间盐桥的逐渐断裂，从而在锰簇中取出质子。氯和钙的作用也可能在S3 S4 S0的转换步骤上。PS含有23个钙离子，结合的Ca2+若被洗脱，PS就失去放氧活性。钙离子紧靠锰复合体，如果有钙存在，锰就可以被留

21、住。 ?钙是否起着保护锰复合物的作用，或者直接参与放氧反应,S4,S1,S4,S2,S3,S0,40s,70s,300s,1ms,1.2ms,To explain why most O2 is released on the third flash (rather than the fourth as expected), it is assumed(假定) that in darkness S is 75% in the state S1 and 25% in state S0. The damped oscillations(减幅振荡) observed experimentally ar

22、e thought to result from 5% of the light flashes causing double hits and two oxidations and 10% of the photos not hitting a target, so averaging the states.,4.细胞色素复合体与Q循环,细胞色素复合体(细胞色素b/f复合体)是类囊体膜上可分离的一种多亚基膜蛋白。 由4个多肽组成，即细胞色素f，细胞色素b6，Rieske铁硫蛋白和一个功能尚未知的17KD多肽。它们在膜的疏水区内，分子结构尚不清楚。但生化证据已经证明它是一个二聚体。,电子传递的

23、顺序:PQH2 FeSR Cytf PC 在进行循环电子传递时，也可能转移电子从还原的Fd传到PQ。 Cyt复合体参与光能在两个光系统之间的均衡分配。 Cytb/f复合体和Q循环一起介导了电子传递时质子跨膜转移。,Q-cycle,5. PS1的运转,如果将全部光合电子传递过程按顺序列出并根据电子传递体的氧化还原电位高低排序，那么非循环的光合电子传递Z字图形排列（见下图）。又称Z链。（Hill和Bendall）。 这个非循环电子传递使水分解，放出O2，产生NADPH，另外将H+从类囊体膜外传递到膜内。,叶绿体非循环光合电子传递链,6. 循环电子传递,?,尽管循环电子传递在上世纪50年代就已发现，

24、 但其机理并不清楚。,围绕PSI的循环电子传递有两种途径：依赖于NDH复合物（NAD(P)H脱氢酶复合物）的途径和依赖于PGR5（质子梯度调节蛋白）的途径,上世纪80年代后期，人们在研究叶绿体的基因组时发现，其ndhA-ndhK基因编码的是线粒体的复合物I（NADH脱氢酶复合物）亚基的同族物。为什么叶绿体基因组会编码线粒体用于呼吸的蛋白的同族物？ 90年代以后，人们发现ndhB缺损的突变体，其PSI的循环电子传递活性减弱。而 ndhB编码蓝细菌的NDH复合物的一个亚基。因此认为NDH复合物参与了PSI的循环电子传递。后来基因敲除技术进一步证实了此观点。 但是蓝细菌和叶绿体的NDH复合物在结构和

25、功能上与细菌和线粒体的复合物都不同。,依赖于PGR5（质子梯度调节蛋白）的循环电子传递途径的发现：,叶绿素荧光的非光化学淬灭（NPQ）由三部分组成：energy-dependent quenching,qE; photoinhibitory quenching,qI; and stste transition quenching,qT. 一般在非胁迫的条件下qE是主要的。 电子传递导致类囊体腔的酸化会触发热耗散，测定表示出来就是qE。,1999年,用叶绿素荧光图像基于拟南芥的非光化学淬灭表现型鉴定出了质子梯度调节蛋白突变体（pgr5）。 2002年的研究发现：在pgr5中，尽管NDH的活性未受

26、影响，但仍然缺失围绕PSI的循环电子传递，因此表明存在着依赖PGR5的循环电子传递。 活体内依赖于PGR5的循环电子传递速率比依赖于NDH复合物的快。,NDH复合物含有多个亚基，通过改变亚基组成，NDH复合物具有多种功能：参与呼吸、循环电子传递、细胞CO2吸收。 叶绿体中NDH复合体的电子供体还不清楚,它有转移质子的活性。 叶绿体NDH复合物能减轻氧化胁迫，还能为C4植物光合作用提供能量。,PGR5是一个小的可溶性蛋白，称为质子梯度调节蛋白，定位于类囊体膜，但具体位置还不清楚，电子传递途径也不清楚，此途径受抗霉素A的抑制。 在高等植物中，围绕PSI的循环电子传递的主要途径是依赖于PGR5的，它

27、对光合和光保护都是必须的。,7. 假循环电子传递,7. 假循环电子传递,当植物在高光强或低温引起碳同化降低，NADP+ 缺乏等环境下，水光解产生的电子由PS传到PS时，电子没有传递给NADP+ ，而是传递给分子氧，形成超氧自由基（O2-），在体内 O2-具有毒害作用，可通过超氧化物歧化酶（SOD）清除，同时产生H2O2， H2O2可通过抗坏血酸过氧化酶系统被清除，形成H2O，似乎电子是从H2O H2O循环，故也称为水水循环（Mehler反应）。,（1）2H2O 4e- + 4H+ + O2 PS的水光氧化 （2）2O2 + 2e- 2O2- PSI的O2光还原 （3）2O2- + 2H+ H2

28、O2 + O2 SOD催化的歧化作用 （4）H2O2 + 2ascorbate(Vc) 2H2O + 2MDA(单脱水抗坏血酸,MDHA) 抗坏血酸过氧化物酶(APX)催化的H2O2被VC还原 （5）2MDA(or DHA) + 2e- + 2H+ 2Vc 2H2O + O2* O2 + 2H2O*,在水水循环中，PS从2分子水中产生的4个电子将环境中的1分子的O2在PSI还原成2分子的H2O而没有O2的净改变。可以用下图简单地表示叶绿体的水水循环。,叶绿体中的水水循环,假循环电子传递也有两个光系统的参与,没有NADPH的形成，但因经过PQ和Cytb/f进行电子传递,因此可以偶联质子的跨膜运转

29、.,8. 电子传递和杂草控制,(1)脲的衍生物,灭草隆和敌草隆 (2) 三嗪类除草剂,三嗪和西玛三嗪,8. 电子传递和杂草控制,(1)脲的衍生物,灭草隆和敌草隆 (2) 三嗪类除草剂,三嗪和西玛三嗪 这两类除草剂的特点：都是被根吸收，运输到叶子。在叶子里，它们结合在PS D1蛋白QB的结合位点，这就干扰了质体醌在此位点的结合，因而阻断了光合电子从QAQB的传递。,作物对除草剂的抗性： 三嗪类除草剂广泛地用于玉米地杂草的控制。玉米根含有一种酶，它降解除草剂成为无活性的形式。 一些植物会将除草剂隔离在特殊的腺体里，比如棉花； 其它一些植物会将根系深扎入地下低于除草剂的施用区域以避免吸收。,8. 电

30、子传递和杂草控制,杂草对除草剂的耐性：在许多情况下，杂草也会发展一些抗三嗪的种类或小种。在某些情况，抗性可以追溯到D1蛋白上单个AA的取代（置换），AA的改变降低了除草剂与蛋白的亲和力，但并不影响质体醌的结合，也就不影响光合电子传递。杂草能正常生长，因此表现出对除草剂的抗性。 另一类除草剂是双吡啶阳离子，敌草快和百草枯。,敌草隆,百草枯,(三） 叶绿体的光合磷酸化 (电能活跃的化学能),光合磷酸化：叶绿体的类囊体膜在光合电子传递的同时，偶联了由ADP和Pi合成ATP的过程。此过程需要光，不需要氧。 类型 1954年，D.I.Arnon发现离体叶绿体在光下可进行非环式光合磷酸化和环式光合磷酸化两

31、种类型的反应。 非环式光合磷酸化：水光解释放出的电子经过PS,Cytb/f复合体和PSI一系列电子传递的过程中，形成ATP，同时形成NADPH并放出O2，即 2H2O + 2ADP + 2Pi + 2NADP 2ATP + O2 + 2NADPH2 在这个过程中，磷酸化与非环式电子传递相偶联。 环式光合磷酸化：在PSI独立地进行电子传递，电子从P700经Fd传回PQ，然后返回P+700的循环过程中，也形成ATP。在这个过程中磷酸化与循环式电子传递相偶联，故称为循环光合磷酸化或环式光合磷酸化。,ADP + Pi ATP,光 叶绿体,光 叶绿体,3.1 PSII 反应中心叶绿素蛋白复合体,光系统II核心复合体示意图,3.2 PSI反应中心叶绿素蛋白复合体,光系统I 复合体示意图,