第四章光合作用12.ppt

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1、四,第四章 植物的光合作用 Photosynthesis,第一节 光合作用的意义和研究历史 第二节 叶绿体和光合色素 第三节 原初反应 第四节 电子传递和光合磷酸化 第五节 碳同化 第六节 影响光合作用的因素 第七节 光合作用与作物生产,重点：,叶绿体的基本结构和性质 光合作用的机理 影响光合作用的因素 光能利用率与作物产量的关系 基本概念和基本英文符号,碳素营养方式,自养植物 （autophyte）,异养植物 （heterophyte）,自养生物把二氧化碳转变成有机物过程叫碳素同化作用(carbon assimilation),细菌 光合作用,绿色植物光合作用,化能合成作用 chemosyn

2、thesis,绿色植物光合作用 CO2 光能 H2O 细菌光合作用 CO2 光能 H2S、有机物等 化能合成作用 CO2 化学能 H2O、NH3 等,过程 碳素来源 能量来源 供H体,三种碳素同化方式的异同点,自然界中存在某些微生物，它们能以二氧化碳为主要碳源，以无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质，并通过氧化外界无机物获得生长所需要的能量。 如硝化细菌、硫细菌、铁细菌、氢细菌等,第一节光合作用的意义和研究历史,一、光合作用的概念（photosynthesis）,绿色植物吸收光能,把二氧化碳和水合成有机物,同时释放氧气的过程。,光能,叶绿体,光合作用原料,产 物,反应场所,动 力,CO2 和H2

3、O,CH2O和O2,绿色植物叶绿体,光能,要点,氧气中氧原子来源,H2O,原料,CO2 来自空气 H2O 来自土壤,C6H12O6 O2,可见光中 380-720nm波长光,光 合 作 用,产物,能源,光合作用特点,氧化还原,2. CO2 被还原成糖；,1. H2O 被氧化成分子态氧；,3. 完成光能到化学能转变。,二、光合作用的意义和研究历史,1. 无机物转变成有机物,2. 蓄积太阳能,形成臭氧层，滤去紫外光,地球上一切生命存在、繁荣和发展根本源泉,制造生物所需几乎所有的有机物 “化工厂”,积蓄生物所需的几乎所有的能量 “能量转换站”,3. 环境保 护,维持大气中O2和CO2浓度保持基本稳定

4、,（一）光合作用意义,自动空气净化器,绿色植物光合作用,Diagram illustrating the stratospheric consumption and atmospheric generation of O3. 90% of atmospheric O3 is in the Stratosphere, 10% in the troposphere. Stratospheric ozone beneficially decrease the penetration of solar radiation to the troposphere. Anthropomorphic rele

5、ase of chlorofluorocarbons (CFCs) leads to depletion of stratospheric ozone, especially over polar regions. The burning of fossil fuels increase the production of carbon compounds that react in sunlight with oxygen to form ozone in the troposphere.,同温层 90% O3,对流层 10% O3,1 光合作用总反应式确定 2 光反应和暗反应 3 光合单位

6、 4 两个光系统,（二）光合作用的研究历史：,光合作用研究简史,17711864（第一阶段，近93年） 18641945（第二阶段，共81年） 1945至今（第三阶段） 当前，光合作用的分子生理学研究,19世纪时光合作用总反应式： 光 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 绿色植物 现在简化为：,光能,叶绿体,G 478kJmol-1,?,1 光合作用总反应式确定,光 CO2+ 2H2S (CH2O) + 2S + H2O 光合细菌 CO2+2CH3CHOHCH3 (异丙醇) 光 CH2 O + 2CH3COCH3 + H2O 光合细菌 1931年（Niel）-光合作用通式 光

7、CO2+ 2H2A (CH2O) + 2A + H2O 光氧生物,（1）细菌光合作用无氧光合,O2 来源？,无 O2 释 放,还原剂,（2）希尔（Hill）反应和希尔氧化剂（1939） 光 4Fe3+2H2O 4Fe2+4H+O2 破碎叶绿体 证实：放氧 二氧化碳还原 (3) 18O的研究（美）: 光 CO2 + 2H218O （CH2O）+18O2 + H2O 光合细胞,希尔氧化剂,不同两个过程,放氧光合,光+ CO2,O2+ CH2O,低渗,光+KCN,O2,Hill反应,离心,光合膜,基质,完整叶绿体,破损叶绿体,光+KCN,O2,CO2,CH2O,证实叶绿体中CO2同化和光合放氧反应部

8、位的实验示意图,RuBP,+CO2,PGA,GAP,C4,5,6,7糖磷酸,固定产物,+NADPHATP,+ATP,光,2 光反应和暗反应,NADPH和ATP产生需光,光期和暗期对PGA和RuBP的影响,暗时，PGA RuBP降低 光下，RuBP PGA 降低,3 光合单位（photosynthetic unit）,量子产额（quantum yield） or 量子效率（quantum efficiency） 光合作用中吸收一个光量子所能引起光合产量变化（放O2分子数或固定CO2分子数） 量子需要量（quantum requirement） 量子产额倒数（放1O2和还原1CO2所吸收量子数）

9、光合单位 存在于类囊体膜上能够进行完整光反应最小结构单位,4 两个光系统(two photosystem),红降现象（red drop）: 680nm 远红光照射，虽被叶绿素吸收但量子产额急剧下降,双光增益效应 （爱默生增益效应 Emerson enhancement effect) 680nm 远红光外加稍短一点波长的光照射，量子产额比 两种波长的光，单独照射的总和还要高的现象,两个光系统 光系统 光系统 （吸收长波长） （吸收短波长）,Hill 等（1960年）,红降现象、双光增益效应,红降现象,双光增益效应,A good summary.,原初反应,电子传递和光合磷酸化,碳同化,光合作用

10、的大致过程,三、光合作用测定方法,可测定单位时间、单位植物材料反应物的减少或生成物浓度的增加，（H2O）除外。 即测定CO2浓度减少，CH2O积累和O2释放。,测干物质积累,测CO2吸收,测O2释放,三类方法,光能,叶绿体,（一）干物质积累,测定短时间内干物质的积累一般用半叶法。,湿、暗,干重（光）干重（暗） 干物质积累量（g/m2.d）,一般用氧电极测定,CO2对红外线有较强吸收，光源发出红外线经过CO2后能量降低，降低量与CO2浓度有一定数量关系。红外线能量变化用检测仪进行检测，根据红外线能量变化计算CO2浓度的变化-测定光合作用强度。,基本原理,常用红外线CO2分析仪,（二）测定CO2吸

11、收,总光合速率 = 净光合 + 呼吸,（三）测定O2释放,四 光合作用的指标,光合速率（photosynthetic rate）,光合强度（photosynthetic intensity）： 植物在单位时间、单位叶面积（或叶鲜重）吸收CO2或放O2量。 单位：CO2mg/dm2.hr；O2mol/dm2.hr； CO2mg/g（鲜重）.hr SI：mol/ m2.s,光合生产率,光合势,净同化率（Net assimilation rate，NAR） 每平方米叶面积在较长（一天或一周）时间内积累干物质的量。常用于群体光合速率。单位：克干重/m2.day,单位土地面积上，作物全生育期或某一生育期

12、内进行干物质生产的叶面积数量。 常用m2d-1ha-1表示。,第二节 叶绿体与光合色素,一、叶绿体（chloroplast）与光合色素(pigment) (一)结构与成分 外膜（非选择性，小分子量可通过） 内膜（选择性，含运转器） 间质 含可溶性蛋白质，酶类，DNA，RNA，核糖体 类囊体 (基粒) 基粒片层(grana lamella) 基粒类囊体(grana thylakoid) 间质片层(stroma lamella) 基质类囊体(stroma thylakoid),被膜,叶绿体在荧光显微镜下呈红色,单层膜围起扁平小囊。 膜厚57nm，囊腔空间10nm左右，片层伸展方向为叶绿体的长轴方向

13、,类 囊 体,类囊体膜上的蛋白复合体,因光合作用光反应是在类囊体膜上进行-光合膜 (photosynthetic membrane),含由多种亚基、多种成分组成的蛋白复合体，主要有四类,光系统（PSI） 光系统（PS） Cytb/f复合体 ATP酶复合体（ATPase）,参与光能吸收、传递与转化、电子传递、H+输送以及ATP合成等反应,类囊体膜超分子蛋白质复合物,蛋白复合体在类囊体膜上分布：,PS -基粒片层 堆叠区,PS与ATPase -基质与基粒片层 非堆叠区,Cytb6/f复合体分布较均匀,蛋白复合体在类囊体膜上分布,类囊体垛叠成基粒意义有二,捕获光能机构高度密集，更有效地收集光能，加速

14、光反应；,膜系统是酶排列支架，膜垛叠就犹如形成一条长的代谢传递带，使代谢顺利进行。,（二）光合色素,三大类,叶绿素 (a：b = 3：1 ),类胡萝卜素 (胡萝卜素：叶黄素 = 1:2),藻胆素,3 1,光合作用中吸收光能的色素,chl-a： 蓝绿色(892)） chl-b： 黄绿色(906)）,1、叶绿素(chlorophyll,chl)及其结构特点,绝大部分叶绿素a和全部叶绿素b分子有收集光能作用,少数特殊状态叶绿素a分子有将光能转为电能作用。,叶绿素a 叶绿素b 叶绿素c 叶绿素d,高等植物,藻类中,细菌叶绿素,叶绿素,光合细菌,Mg-卟啉环结构图,功能,卟啉环,两者差别: 叶绿素a第二

15、个吡咯环上的一个甲基(-CH3)被醛基(-CHO)所取代。,卟啉环,环中央结合一个带正电荷镁离子,而与其相连氮原子则带负电荷-具极性（亲水）,卟啉环上共轭双键和中央镁离子易被光激发而引起电子得失 具特殊光化学性质,环上丙酸基侧链以酯键与叶醇相结合。叶醇是由四个异戊二烯单位组成的双萜，是亲脂脂肪链-脂溶性。,卟啉环“头部”,卟啉环,叶绿醇“尾巴”,吡咯环,双羧酸酯,叶 醇 酯 化,甲醇酯化,2.类胡萝卜素(carotenoid) 及其结构特点,8个异戊二烯形成的四萜，含一系列共轭双键，分子两端各有一个不饱和的取代的环己烯，即紫罗兰酮环. 类胡萝卜素 胡萝卜素(carotene, C40H56)-

16、橙黄色（592） 叶黄素(xanthophyll,C40H56O2)-黄色（624）,吸收传递光能作用，还有在强光下逸散能量,保护叶绿素免受伤害的功能。,紫罗兰酮环,紫罗兰酮环,功能,3.叶绿素体色素的化学性质,（1） 叶绿素是一种酯-不溶于水，溶于有机溶剂。 常用80%丙酮或丙酮与乙醇的混合液来提取叶绿素。,卟啉环中的镁离子可被H、Cu2、Zn2所置换。 用酸处理叶片，H易进入叶绿体,置换其中的镁离子，形成褐色的去镁叶绿素，使叶片呈现褐色。 去镁叶绿素容易再与铜离子结合，形成铜代叶绿素，颜色比原来更鲜艳稳定。,原理-醋酸铜处理来保存绿色植物标本,强光下，发生光氧化受到破坏,荧光现象,卟啉环中

17、的镁可被H+所置换,形成褐色去镁叶绿素。 去镁叶绿素中的H再被Cu2+取代，就形成铜代叶绿素，颜色比原来的叶绿素更鲜艳稳定。,铜代叶绿素反应,向叶绿素溶液中放入两滴5盐酸摇匀，溶液颜色的变为褐色，形成去镁叶绿素。,当溶液变褐色后，投入醋酸铜粉末，微微加热，形成铜代叶绿素,制作绿色标本方法： 用50%醋酸溶液配制的饱和醋酸铜溶液浸渍植物标本(处理时可加热),80丙酮，或95%乙醇，或丙酮乙醇水4.54.51混合液来提取叶片中的叶绿素(用含水有机溶剂提取叶绿素，是因为叶绿素与蛋白质结合牢，要经过水解作用才能被提取出来)。,叶绿素提取,研磨法提取光合色素,提取方法,研磨法,浸提法,0.1g 叶 +

18、10ml混合液浸提,(2)光合色素吸收光谱（absorption spectrum）,将叶绿素溶液放在光源和分光镜之间，就可看到光谱中有些波长的光线被吸收，光谱上出现暗带-叶绿体色素的吸收光谱。,640-660nm的红光,430-450nm的蓝紫光,叶绿素两个最强吸收区,叶绿素a，b的吸收光谱很相似，但也略有不同。,类胡萝卜素的吸收带在400-500nm蓝紫光区。,叶绿素对橙光、黄光吸收较少，尤其对绿光吸收最少， 所以叶绿素的溶液呈绿色,吸收光谱观察方法,1.分光仪 将叶绿体色素放在分光仪的光孔前，观察其色带变化。 2.分光光度计 观察叶绿体色素的吸收光谱 3.间接法 借助其它相关实验进行判别

19、,分光仪,光源,叶绿体色素,三角棱镜,叶绿素a吸收光谱,胡萝卜素和叶黄素吸收光谱,主要光合色素的吸收光谱 (吸收光谱上端显示地球上入射光光谱),当叶绿素分子吸收量子后,由最稳定、最低能量的基态 (ground state)(常态) 上升到一个不稳定的、高能状态的激发态 (excited state). 由于激发态极不稳定 , 迅速向较低能状态转变 , 能量有的以热或光形式消耗。从第一单线态 (first singlet state) 回到基态所发射的光就称为荧光。 寿命很短 , 10-810-9S.,(3)荧光(fluorescence) 与磷光(phosphorescence),叶绿素溶液在

20、透射光下为翠绿色，在辐射光下呈现棕红色-荧光现象,（吸收的光能已用于光合作用的光化学反应或转换成其他形式 , 不再重新辐射）。 胡萝卜素和叶黄素也有荧光现象。,难以观察叶片叶绿体中的荧光现象 ？,荧光出现后，立即中断光源，继续辐射出极微弱的红光，它是第一三线态 (first triplet state) 回到基态时所产生的光 , 称为磷光，这种现象称为磷光现象。 ( 用精密仪器测知) -寿命较长 (10-2s),荧 光 现 象,对提取的叶绿体色素浓溶液照光，在与入射光垂直的方向上可观察到呈暗红色的荧光。,荧光与磷光,(4)皂化反应,形成叶绿素盐能溶于水-分离叶绿素和胡萝卜素,三 叶绿素生物合成

21、及其与环境条件的关系,1.叶绿素生物合成,(1)原料,谷氨酸（或-酮戊二酸）, - 氨基酮戊酸（ALA）,（2）不需光阶段,ALA 原叶绿素酸脂,（3）需光阶段,原叶绿素酸脂 叶绿酸 叶绿素a,光,H+,叶醇,以谷氨酸和-酮戊二酸为原料，经一系列酶催化，首先形成无色原叶绿素，然后在光下被还原成叶绿素,叶绿素生物合成图示,(1)2分子ALA脱水缩合形成1分子具有吡咯环的胆色素原 (2、3)4分子胆色素原脱氨基缩合形成1分子尿卟啉原 (4)尿卟啉原四个乙酸链脱羧形成四个甲基的粪卟啉原 (5、6)粪卟啉原-原卟啉IX （7、8）原卟啉IX与镁结合 （9、10）形成第5个环，原叶绿酸酯a (11)经光

22、还原-叶绿酸酯a (12)再酯化后叶绿素a,起 始 物,脱水缩合,胆色素原,2.影响叶绿素形成的条件,（1）光-主要条件 从原叶绿素酸酯转变为叶绿酸酯需要光，而光过强，叶绿素又会受光氧化而破坏。 黑暗中生长幼苗呈黄白色，遮光或埋在土中茎叶也呈黄白色。 因缺乏某些条件而影响叶绿素形成，使叶子发黄现象-黄化现象(etiolation) 。 黑暗使植物黄化原理常被应用于蔬菜生产中,例外情况：如藻类、苔藓、蕨类和松柏科植物在黑暗中可以合成叶绿素，其数量不如在光下形成的多,韭黄,葱白,白芦笋,(2) 温度,叶绿素生物合成是 一系列酶促反应， 受温度影响。 最低：2，最适：30,最高：40 秋天叶子变黄和

23、早春寒潮过后秧苗变白，都与低温抑制叶绿素形成有关。 高温叶绿素分解大于合成，因而夏天绿叶蔬菜存放不到一天就变黄； 温度较低，叶绿素解体慢(低温保鲜),受冻的油菜,(3) 营养元素 叶绿素形成必须有一定营养元素。 氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、锰、铜、锌等则在叶绿素的生物合成过程中有催化功能或其它间接作用。 缺少这些元素时都会引起缺绿症，其中尤以氮的影响最大，故叶色深浅可作为衡量植株体内氮素水平高低标志。,缺N老叶发黄枯死，新叶色淡,生长矮小，根系细长，分枝（蘖）减少。,缺N,CK,萝卜缺N、植株老叶发黄,缺N,棉花缺Mg网状脉,苹果缺Fe，新叶脉间失绿,黄瓜缺锰,小麦缺Cu叶片失水变白,柑桔缺

24、Zn小叶症伴脉间失绿,(4)氧： 缺氧时可引起Mg-原卟啉或Mg-原卟啉甲酯的积累，影响叶绿素的合成。 (5)水： 缺水影响叶绿素合成，而且加速原有叶绿素分解，故干旱时叶片呈黄褐色。,叶绿素形成还受遗传因素控制，如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑叶不能合成叶绿素。 有些病毒也能引起斑叶。,蟆叶海棠,金边富贵竹,吊兰,叶绿素分子受光激发到引起第一个光化学反应为止的过程-光合作用起点，包括: 光物理反应-色素分子对光能吸收与传递； 光化学反应-光激发叶绿素分子失去电子所引起氧化还原反应 特点： 速度非常快，皮秒(ps，1012s)与纳秒(ns，109s)内完成 与温度无关，可在-196(77K，液

25、氮温度) 或-271(2K，液氦温度)下进行 ）量子效率接近1 （速度快，散失能量少）。,第三节 原初反应（primary reaction）,原初反应,光能的吸收,光能的传递,光能的转化,原 初 反 应,能量转换性质看,光能,电能,活跃 化学能,稳定 化学能,量子,电子,ATP NDAPH2,碳水化 合物等,原初反应,电子传递,碳同化,能量 变化,能量物质,转变过程,PS，PS,光合磷酸化,类囊体膜,类囊体,叶绿体间质,反应部位,是否需光,需要,不一定，受光促进,原初反应,(一) 光能的吸收与传递 1.光合作用单位 分二类： 1)反应中心色素，具光化学活性，既能捕获光能，又能将光能转换为电能

26、(称为“陷阱”) 少数特殊状态 chl-a属于此类。 2)聚光色素(天线色素)，无光化学活性，只能进行光物理过程，把吸收的光能传递到反应中心色素. 绝大多数色素(包括大部分chl-a和全部chl-b、胡萝卜素、叶黄素等)都属于此类。,光合单位组成,聚光色素（天线色素）-存在于光合膜上的聚光色素复合体中； 反应中心色素-存在于反应中心。 二者协同作用，若干个聚光色素分子所吸收的光能聚集于1个中心色素分子而起转能作用。 通常250300个色素分子所聚集光能传给一个作用中心色素。,2.色素分子的激发与退激 通常色素分子处于能量最低状态(基态)，当色素分子吸收光量子后，会引起原子结构内电子分布改变，其

27、中一个低能的电子获得能量被推进到高能的激发态: 光子能量 chl + h chl* 基态 激发态,具有比较高能级,不稳定,蓝光激发-电子跃迁到能量较高的第二单线态； 红光激发-电子跃迁到能量较低的第一单线态。 处于单线态电子，其自旋方向保持原来状态，如果电子在激发或退激过程中自旋方向发生变化，该电子就进入能级较单线态低的三线态。,叶绿素两个吸收区: 红光区 蓝紫光区。,激发态叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量，此过程又称内转换或无辐射退激。 第一单线态 三线态 基态 放热 吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其贮存的能量虽远大于吸收红光处于第一单线态的状态，但超过的部分对光合作用是无用的

28、，在极短的时间内要从第二单线态返回第一单线态，多余的能量也是以热的形式释放。,激发态不稳定,能量转变,(1) 放热：,转变方式,蓝光 红光,能量利用率,激发态chl回到基态时，以光子形式放能。 在第一单线态cha回到基态时所发出的光为荧光 在三线态cha回到基态时所发出的光为磷光。 磷光波长和转换时间长于荧光，强度为荧光1。 荧光波长总是长于被吸收的波长。,(2)发射荧光和磷光,荧光猝灭剂(quencher，Q)。,光合作用光反应-Q即为电子受体。,在色素溶液中，能使荧光消失的受体分子,(3)色素分子间的能量传递 激发态色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种色素分子而返回基态的过程 chl

29、*1 + chl2 chl1 + chl2* 色素分子吸收的光能，如以放热、发射荧光与磷光等方式退激，能量白白浪费。在光合器里，聚光色素分子把捕获的光能，通过分子间的能量传递，传到反应中心色素分子，即可推动光化学反应的进行。 色素分子间激发能传递: “激子传递”（同种分子） “共振传递”(异种色素分子)。,反应中心是发生原初光化学反应的最小单位 反应中心色素-最先向原初电子受体供给电子的 （原初电子供体） 原初电子受体-直接接受反应中心色素分子传 来电子的电子传递体 次级电子受体与供体 维持电子传递体微环境所必须蛋白质,(二) 光化学反应-在光系统的反应中心进行,吸收光能,激发态(P*),原初

30、电子供体 即反应中心色素(P),激发e,原初电子受体(A),被氧化(P+),被还原(A-),反应中心 发生电荷分离,次级电子供体(D),夺取e,次级电子受体(A1),“空穴”,传e,还原剂,氧化剂,光化学反应： 反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应 PA P*A P+A- 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离反应中心,电荷分离后反应中心的情况如下式: D(PA)A1 D(PA)A1 该过程不断地反复进行，推动电子在传递体间传递 高等植物 最初电子供体-水 最终电子受体- NADP+,第四节 电子传递和光合磷酸化,一、电子传递 1.光合链(photosynthetic chain)：

31、 光反应启动: 光系统 光系统 两个光系统由电子传递链连接起来。 连接两个光反应的排列紧密而互相衔接的电子传递物质称为光合链(Z 方案,Z” schemeZ链), 电子传递体按氧化还原电位高低顺序排列。,光合作用的两个光系统和电子传递方案 吸收红光的光系统（PS）产生强氧化剂和弱还原剂。 吸收远红光的光系统（PS）产生弱氧化剂和强还原剂。 PS产生的强氧化剂氧化水;PS产生的强还原剂还原NADP+。,光合链特点,主要由光合膜上的 PS、Cytb6/f、PSI三个复合体串联组成。 有二处逆电势梯度（ P680P*680和P700P*700),“上坡”电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动，而其

32、余电子传递都是顺电势梯度进行的。 水氧化与PS 电子传递有关； NADP+还原与 PS I电子传递有关。 水-最初电子供体， NADP+-最终电子受体 PQ是双电子双H+传递体，它伴随电子传递，把H+传递类囊体膜内，造成类囊体内外的H+电化学势差，推动ATP形成。,2.电子传递体的组成与功能,2.电子传递体的组成与功能,光系统,光系统,ATP,将离体叶绿体加到具有氢接受体(A)的水溶液中，照光后即放出氧气（无CO2 下证明CO2还原与O2释放是两个相对独立的过程）。 氢接受体被称为希尔氧化剂 (2，6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP、NAD等)。 希尔反应离体叶绿体在光下有氢受体存在时，所进行的分

33、解水并放出氧气的反应。,光 2H2O + 2A 2AH2 + O2 叶绿体,氧的释放是在光下经过PSII产生的 2H2O O2+4H+4e-,3.水的光解和放氧-Hill(1937),60年代，法国Pierre Joliot发明灵敏检测光合放氧反应的极谱氧电极。 小球藻预先保持在暗中，给以一系列的瞬时闪光照射，发现在系列饱和闪光下，每次闪光后氧的产量是不均等，而是以4为周期呈现振荡，每四次闪光出现一次放氧高峰 1）闪光-无O2释放， 2） -释放少量O2， 3） -O2释放达到高峰， 4） 放氧次之。,H2O裂解放氧的“四量子机理假说”： 水氧化钟(water oxidizing clock)

34、或Kok钟(Kok clock),已知每释放1O2需氧化2H2O并移去4e,而闪光恰巧以4为周期。,H2O裂解放氧的“四量子机理假说” PS反应中心与H2O之间存在一个正电荷的贮存处(S)即OEC，每次闪光S交给PS反应中心1个e，当S失去4个e带有4个正电荷时能裂解2分子H2O释放1个O2。,B.Kok等（1970）提出,S0-不带电荷 S1-带1个正电荷 S2- 2个正电荷 S3 - 3个正电荷 S4- 4个正电荷 每一次闪光把S状态向前推进一步，直至S4。,OEC,S4从2个H2O中获取4个e，并回到S0。此模型称为水氧化钟或Kok钟。,S不同状态可能是代表含锰蛋白的不同氧化态。每个OE

35、C含有4个Mn，Mn可有Mn2、Mn3、Mn4等各种不同氧化态。,水裂解放氧中的S状态变化,稳定态,稳 定 态,不 稳 定 态,S0和S1是稳定状态， S2和S3在暗中退回到S1， S4不稳定。 这样有3/4的OEC处于S1，1/4处于S0，因此最大放氧量在第三次闪光后出现,4.光合膜上的电子与H+传递,光合膜上的电子与H+传递,e-,e-,2e-,e-,e-,LCH等受光激发后将光能传到PS反应中心，P680发生光化学反应，激发出的e传到原初电子受体Pheo(去镁叶绿素)，再传给靠近基质一边的结合态质醌(QA)，推动PS的最初电子传递。 P680失去e后变成一个强氧化剂，向位于膜内侧的电子传

36、递体(Z)夺取电子，引起水分解，产生的氧和H释放到内腔。,光合膜上电子与质子传递 及ATP形成过程总结,另一方面，QA的e经QB传给在膜内多量存在的PQ，PQ的还原需要2e，同时需要来自基质2H，还原的PQH2向膜内转移，传2e给Cytb6/f复合体。 多余2H就释放到膜腔，还原的Cytf将e经位于膜内侧表面的PC传至PS反应中心P700 与PS同样，P700受光激发后，把电子传给A0，经A1、FeSX把电子传给位于膜间质侧FeSAB，接着e又传给Fd，由FNR把NADP还原成NADPH，留在基质中，用于光合碳还原。 同时光合磷酸化与电子传递ATP酶偶联产生ATP，留在基质中，用于各种代谢反应

37、的能量消耗。,Q 循环,还原的PQH2将2个电子中的一个传给 Cytb6/f 复合体中的FeSR，再交给Cytf，进而传给 PC，与此同时，PQH2又将第二个电子交给低电位的b，并释放2个H+到膜腔内，电子由低电位b传至高电位b，再将电子传至PQ。 经过两次电子循环后，PQ两次被还原，双还原的PQ又从膜外结合两个质子，并将其贮入质醌库中。,Mitchell,5.电子传递类型 Fd-电子传递分岔口，分三种类型:,(1)非环式电子传递(noncyclic electron transport) ： 水中电子经PS和PS一直传到NADP的电子传递。 H2OPSPQCytb6/fPCPSFdFNRNA

38、DP 每传递4e -，分解2H2O，释放1个O2，还原2个NADP，吸收8个光量子，量子产额1/8。同时运转8个H进入类囊体腔。,(2)环式电子传递(cyclic electron transport ) ： PS中电子传给Fd，再到Cytb6/f复合体，然后经PC返回PS的电子传递。或电子可由Fd直接传给Cytb6/f，也可经FNR传给质醌，还可经过NADPH再传给PQ。 PSFd(NADPHPQ)Cytb6/fPCPS 无水的氧化和NADPH的形成，有H 跨膜运输,(3) 假环式电子传递(pseudocyclic electron transport ) 水中电子经PS和PS传给Fd后不交

39、给NADP 而传给O2的电子传递。 氧作为电子受体的反应叫做Mehler反应。 H2OPSPQCytb6/fPCPSFdO2 Fd是单电子传递体，其氧化时把电子交给O2， 使O2发生单电子还原生成超氧阴离子自由基（O2.-）。 该过程常在强光照射， NADP供应不足时发生，是光合细胞产生超氧阴离子自由基的主要途径。 叶绿体中的超氧物歧化酶(SOD)可清除O2.-。,造成O2消耗和H2O2产生（属非环式电子传递 ，只是电子最终受体是O2而不是NADP）。,传递结果：,叶绿体在光下把无机磷和ADP转化为ATP的过程。光合磷酸化也有三种类型： 1.类型,环式光合磷酸化 cyclic photopho

40、sphorylation,非环式光合磷酸化 noncyclic photophosphorylation,假环式光合磷酸化 pseudocyclic photophosphorylation,二、光合磷酸化(photosynthetic phosphorylation, photophosphorylation),向体系中加入循环式电子传递体pms(二氮蒽甲硫酸)，电子按环式途径反复传递，不放氧，也不还原NADP，所测得的磷酸化反应即为环式光合磷酸化，在高等植物中起补充ATP不足的作用。,环式光合磷酸化,环式光合磷酸化-不被DCMU抑制,通过环式电子传递偶联产生ATP的反应,非环式光合磷酸化

41、经非环式电子传递偶联产生ATP反应。 向体系中加NADP或Hill反应氧化剂铁氰化钾等，使电子传递按非环式途径进行，测得的磷酸化反应即为非环式光合磷酸化。 （ATP和NADPH产生，氧释放）,假环式光合磷酸化 经假环式电子传递途径偶联产生ATP反应。 向体系中加电子受体MV(甲基紫精)，能测定假环式光合磷酸化。在NADPH氧化受阻(碳同化低)，NADP供应不足时，利于假环式电子传递的进行。 （既吸氧又放氧）,DCMU抑制 (敌草隆-除草剂）抑制PSII上Q到PQ电子传递-不合成ATP,2.机理,光合磷酸化与电子传递是通过ATP酶联系在一起的。,球茎结构，由两个蛋白复合体构成： 头部 CF1-类

42、囊体表面， 5 种多肽 ( 3、3、 ) 组成，易被EDTA溶液除去。 柄部 CF0-伸人类囊体内。可能由 4 种多肽 (a 、 b 、 b 、c12) ，去污剂才能除去。 功能： 催化磷酸酐键形成，即把ADP和Pi合成ATP。也可催化逆反应，即水解ATP并偶联H+向类囊体膜内运输。,(1) ATP酶-ATP合成酶、偶联因子（coupling factor）或CF1-CF0复合体：,电子传递是如何偶联ATP的合成？,学说众多，该学说被广泛接受。 该学说认为能量转换和偶联机构有以下特点: 由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子具有选择性； 具有氧化还原电位的电子传递体不均匀地嵌合在膜内； 膜上有偶

43、联电子传递的质子转移系统； 膜上有转移质子的ATP酶。 伴随着电子传递，膜内外两侧产生质子动力势，由质子动力势推动ATP的合成。,(2)化学渗透假说 chemiosmotic hypothesis (电化学梯度学说-Peter Mitchell 1961),1978年诺贝尔奖,化学渗透学说的实验证据,两阶段光合磷酸化实验 照光不向叶绿体悬浮液中加 磷酸化底物；断光时再加入底物能形成ATP的实验。,Z*是一种化学物质-提出光合磷酸化中间物学说。 现在知道高能态即为膜内外的H+电化学势。 两阶段光合磷酸化实质： 光下类囊体膜上进行电子传递产生了跨膜的H+电化学势， 暗中利用H+电化学势将加入的AD

44、P与Pi合成ATP。,沈允钢 （1962）等,探测到光合磷酸化 高能态(Z*)的存在,贾格道夫 （1963）等,观察到光合磷酸化高能态存在,酸-碱磷酸化实验,贾格道夫等在暗中把叶绿体类囊体放在pH4的弱酸性溶液中平衡，让类囊体膜腔的pH下降至4，然后加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液，瞬间pH变化使得类囊体膜内外之间产生一个H+梯度。,H梯度能使ADP与Pi生成ATP，而这时并不照光，也没有电子传递。这种驱动ATP合成的类囊体内外的pH差在活体中正是由光合电子传递和H+转运所形成的。 酸-碱磷酸化实验给化学渗透假说以最重要支持证据。,光下类囊体吸收质子的实验,电子传递产生质子梯度后，质子就

45、有反向跨膜转移的趋向，质子反向转移时，质子梯度所贮藏的能量就被用去合成ATP。 证实 米切尔化学渗透学说正确性 1978年度诺贝尔化学奖,对无pH缓冲液的叶绿体悬浮液照光，用pH计可测到悬浮液的pH升高（光合电子传递引起了悬浮液中质子向类囊体膜腔运输，使得膜内H+浓度高而膜外较低的缘故）。,叶绿体类囊体膜上ATP的生成,4.光合磷酸化和氧化磷酸化比较,3.光合磷酸化抑制剂,电子传递抑制剂,解偶联剂,ATP酶抑制剂,在电子传递和光合磷酸化作用中形成的ATP和NADPH是重要的中间产物。一方面两者都能暂时将能量贮存，将来向下传递；另一方面NADPH又能进一步还原CO2，这样就把光反应和暗反应联系起

46、来了。 由于ATP和NADPH在暗反应用于CO2同化，故合称为同化力,叶绿体进行光合磷酸化，必须： (1)类囊体膜上进行电子传递； (2)类囊体膜内外有质子梯度； (3)有活性的ATP酶,抑制剂,光合磷酸化与氧化磷酸化异同,第五节 碳同化（CO2 assimilation）,CO2同化或碳同化,植物利用光反应中形成的ATP和NADPH，将CO2转化为碳水化合物的过程。,C3途径： 3碳化合物(3-磷酸甘油酸；PGA)； C4途径： 4碳化合物(草酰乙酸；OAA)； CAM(景天科植物酸代谢)途径： 晚上以C4途径固定CO2， 白天以C3途径同化CO2。,根据碳同化过程中最初产物含碳数目以及碳代

47、谢的特点，将碳同化途径分为三类:,依据碳同化途径，又将植物相应地分为 C3植物、 C4植物、CAM植物,光合 最初产物,1946 、卡尔文(M. Calvin)等 放射性同位素和纸层析等技术（10年）-又称为卡尔文循环(The Calvin cycle)。 因该循环中CO2受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸)，又称为还原磷酸戊糖途径。 最基本途径（其它途径不能合成淀粉） -反应在叶绿体基质 如：水稻、小麦、棉花等大多数植物为C3植物， 只有该途径。,1. C3循环,rice,1961年诺贝尔奖,一. C3循环(光合碳循环，卡尔文循环),卡尔文试验分以下几步进行：,(1)饲喂14CO2与定时取样 向正在进行光合作用的藻液中注入14CO2使藻类与14CO2接触，每隔一定时间取样，并立即杀死。 H14CO3-+H14CO2+H2O,研究光合藻类CO2固定仪器的图解,(2)浓缩样品与层析 用甲醇将标记化合物提取出来，将样品浓缩后点样于层析纸上，进行双向纸层析，使光合产物分开