南京农业大学生物化学课件.ppt

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1、第二节 二氧化碳固定 1945年美国的 Calvin M等人利用单细胞小球藻作 为实验材料，应用 14C示踪技术和双向纸层析法，经 过十年的研究揭示了光合作用暗反应阶段碳素同化及 受体再生的循环途径，因此称为卡尔文循环（ Calvin Benson cycle）。 由于途径中的最初产物是三碳化合物（ 3-磷酸甘 油酸），故也称作 C3途径。 10.1.3 卡尔文循环（ C3途径） 10.1.3.1 CO2的固定 整个循环可分为三个阶段： (1) CO2固定 CO2的固定 （ CO2 fixation） ， 即游离的 CO2经 酶促反应转变为有机物分子中的羧基 ,也称作 CO2的 羧化 （ ca

2、rboxylation） 。 CO2的受体是核酮糖 -1,5-二磷酸 （ ribulose-1,5- bisphosphate， RuBP） ， 催化此反应的酶是核酮糖 - 1 , 5 - 二 磷 酸 羧 化 酶 / 加 氧 酶 （ ribulose-1, 5- bisphosphate carboxylase / oxygenase， Rubisco） 。 10.1.3.1 CO2的固定 整个循环可分为三个阶段： (1) CO2固定 上述反应在夜间或黑暗条件下受阻 CO2的固定反应是卡尔 文循环的限速步骤 。 其关键 酶 Rubisco是个双功能的 酶 。 它的活性中心有两种功 能：既可以催

3、化上述羧化反 应 ， 又可以催化加氧反应 （ 在光呼吸中 ） 。 该酶位于叶 绿体基质中 ， 约占叶子可溶 性蛋白的 50%， 是植物中含 量最丰富的酶 。 10.1.3.1 CO2的固定 Rubisco活性中心受 CO2和 Mg2+以及 ATP的活化 。 酶的最适 pH8。 已知底物 RuBP与 Rubisco结合较 牢 ， 反而降低了羧化反应的速度 ， 在 Rubisco激活酶 （ Rubisco activase） 的调节下 ， 可以促进 RuBP的 释放 ， 活化了 Rubisco。 活化过程 中 Rubisco激活酶 需要 ATP， 因 ATP来自于光反应 ， 所以光是 Rubisc

4、o 的间接激活剂 。 这一阶段包括两步反应： （ 1） 在磷酸甘油酸激酶 催化下 ， 发生高能键的转移 ， 产生 1， 3-二磷酸甘油酸 （ BPG） ； （ 2） 在磷酸甘油醛脱氢酶的催化下 ， 还原 产生 3-磷酸甘油醛 （ G3P） 。 第二步酶是光调节酶 。 反应中消耗的 ATP和 NADPH来自于前面介绍的光合作 用光反应所产生的化学能和还原力 。 10.1.3.2 羧化产物的还原 在磷酸丙糖异构酶的催化下 ， 3-磷酸甘油醛 （ G3P ） 异构为磷酸二羟丙酮 （ DHAP） ； 接着在醛缩酶的催 化下 ， 缩合成果糖 -1, 6-二磷酸 （ FBP） ； 然后在光调 节酶：果糖

5、- 1 , 6 - 二磷酸酶 （ fructose -1,6- bisphosphatase, FBPase） 的催化下 ， 水解去掉一个磷 酸基团 ， 变为果糖 -6-磷酸 （ F6P） ； 再经磷酸葡萄糖异 构酶催化 ， 就变为葡糖 -6-磷酸 （ G6P） 10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 磷酸丙糖是代谢中的一个转折点 ， 除了参与卡尔 文循环中的反应外 ， 还有其它去路： 转化为淀粉 ， 作为植物贮存形式备用； 外运到细胞质中先形成蔗 糖 ， 再转移到植物生长的区域； 在发育的叶片中 ， 相当一部分磷酸丙糖转移到细胞质 ， 进入糖酵解 、 TCA 循环等途径为

6、生物供能 。 10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 醛缩酶还可将上述反应产生的 4-磷酸赤藓糖与磷酸 二羟丙酮缩合 ， 形成七碳糖：景天庚酮糖 -1, 7-二磷酸 （ SBP） 。 在景天庚酮糖二磷酸酶 （ sedoheptulose bisphosphatase， SBPase） 的作用下 ， SBP被水解 ， 去 除一个磷酰基 ， 成为景天庚酮糖 -7-磷酸 （ S7P） 。 此水 解酶是光调节酶 ， 也是植物中特有的酶 10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 转羟乙醛酶还可以催化酮糖供体 “ 景天庚酮糖 -7- 磷酸

7、 ” 将羟乙醛基转移给醛糖受体 “ 3-磷酸甘油醛 ” ， 产生 5-磷酸核糖 （ R5P） 和 5-磷酸木酮糖 （ Xu5P） 。 10.1.3.3 受体的再生 再经两种异构酶催化 ， 可发生五碳糖的转变 ， 其 共同的目标是形成 5-磷酸核酮糖 （ Ru5P） 。 Xu5P经 磷酸核酮糖差向异构酶催化 ， C3上羟基位置的改变 ， 就可以变成 Ru5P 。 10.1.3.3 受体的再生 R5P经磷酸核糖异构酶催化 ， 醛糖就可以变成酮 糖 Ru5P 10.1.3.3 受体的再生 最后在磷酸核酮糖激酶 （ phosphoribulose kinase） 催化下 , 消耗 1ATP, 产生 1

8、, 5-二磷酸核酮糖 （ RuBP） ， 完成了受体的再生 。 Rubisco*； 磷酸甘油酸激酶； 磷酸甘油醛脱氢酶 *； 磷酸丙糖异构酶； 醛缩酶； FBPase*； 磷酸葡糖异构酶； 磷酸葡糖酶； 转羟乙醛酶； 醛缩酶； SBPase*； 转羟乙醛酶； 磷酸核酮糖差向异构 酶； 磷酸核糖异构酶； 磷酸核酮糖激酶 * 10.1.3.3 受体的再生 总反应式 6CO 2+ 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12HO2 CHO6126 + 18ADP +18Pi + 12NADP+ 光合作用的卡尔文循环中，每同化一分子 CO2， 需要消耗三分子 ATP和二分子的 NADPH。

9、CO 2+ 3ATP + 2NADPH + 2H+ + 2HO2（） CHO+ 23ADP +3Pi + 2NADP+ 或 在这样的弱碱性条件下， Rubisco， 磷酸甘油醛 脱氢酶， FBPase， SBPase， 磷酸核酮糖激酶这些卡 尔文循环关键酶均有激活作用 10.1.3.4 卡尔文循环调节 （ C3途径） C4途径 是一种在光合作用中与卡尔文循环有一 定联系的辅助途径。该途径的作用是固定、浓缩和转 运 CO2到 C3途径所在的维管束鞘细胞中，使其中的 CO2浓度升高，提高其光合作用速率。因 CO2固定最 初产物是四碳二羧酸，固称为 C4途径。通过 C4途径 固定、同化 CO2的植物

10、，简称为 C4植物，如玉米、甘 蔗、高粱、苋菜、狼尾草、黍等。 10.1.4 C4 途径 C3植物与 C4植物光合作用的差异在于暗反应阶 段： C3植物的 CO2固定及碳素同化途径均在叶肉细胞 的叶绿体中进行 。 C4植物的 CO2固定先在靠近叶表面 的叶肉细胞中进行 ， 然后经 C4途径的四碳二羧酸的 转移 ， 把 CO2运输到叶片内部维管束鞘细胞的叶绿体 中 ， 再进行卡尔文循环 。 可见 C4植物碳同化过程应 包括 C4途径和 C3途径 。 10.1.4.1 C4途径与 C3途径的关系 10.1.4.1 C4途径与 C3途径的关系 C4途径将 CO2和 Rubisco 从氧含量较高的叶片

11、表 面转移到氧浓度较低的内部维管束鞘细胞之中 ， 再进 行 CO2的固定反应 。 其转移的目的是避免 Rubisco 发 生另一种浪费资源的加氧反应 。 热带禾本科植物采用 C4 途径的原因之一是克服了高温条件下 CO2 和 Rubisco的亲和力的下降 。 10.1.4.1 C4途径与 C3途径的关系 C4途径 CO2的最初受体是一种三碳化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 （ PEP） ， 在 PEP羧化酶催化下 ， 固定 CO2， 生成草酰乙酸 （ OAA） 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 CH 2 | CO P | CO O H PE P + +H O 2 CO 2 PE P羧化酶 C

12、O O H | CH 2 | C=O + H P O 34 | CO O H OAA 这个反应在叶肉细胞质中进行。 PEP羧化酶对 CO2的亲和力很强，其 Km7 mol/L， 而此时的 Rubisco的 Km450 mol/L。 PEP羧化酶从高 O2低 CO2的叶肉中固定 CO2， 为 CO2的转移、同化奠定了基础。 PEP羧化酶是一种调 节酶，被 CO2固定的反应产物 OAA所抑制，受 EMP途 径中的葡萄糖 -6-磷酸（ G6P） 的活化。该酶遇到光也 活化，视作光合作用的酶。 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 在叶肉细胞的叶绿体中，经 NADP-苹果酸脱氢 酶催化，转变为苹

13、果酸。 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 CO O H | C = O | CH | CO O H 2 草酰乙酸 NADP 苹果酸脱氢酶 CO O H | HHCO | C H2 | CO O H 苹果酸 N A D P + N A D P + HH + 在叶肉细胞质内，由谷草转氨酶催化，转变为天 冬氨酸 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 上述苹果酸或天冬氨酸均能够从叶肉细胞转移到 维管束鞘细胞中。这些四碳二羧酸起着 CO2携带体的 作用。 在维管束鞘细胞中 ， 它们发生脱羧反应 ， 放出 CO2， 以利于 CO2进入卡尔文循环 ， 再参与糖的合成 。 脱羧反应因植物不同；

14、也相应有差异 ， 主要有三种 形式： 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 在维管束鞘细胞的叶绿体中 ， 经 NADP-苹果酸 酶催化 ， 氧化脱羧变为丙酮酸 。 属于这类的植物是玉 米 、 甘蔗 、 高粱等 。 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 C O O H | CO | C H | H 2 HH C O O NADP -苹果酸酶 N A D P N A D P + + HH + C O O H | C = O + | CH 3 CO 2 苹果酸 丙酮酸 在维管束鞘线粒体中 ， 经 NAD-苹果酸酶作用 ， 氧化脱羧 ， 形成丙酮酸 。 10.1.4.2 C4途径中主要的酶

15、促反应 CO O H | C= O + | CH 3 CO 2 CO O H | CO | CH | H 2 HH CO O 苹果酸 丙酮酸 NAD- 苹果酸酶 N A D N A D + + HH + 脱羧后 ， 形成的丙酮酸先经转氨酶作用变为 丙氨 酸 ， 从维管束鞘细胞转移到叶肉细胞的叶绿体中 ， 再 经转氨酶作用又转变回 丙酮酸 ， 然后通过 丙酮酸磷酸 双激酶 （ pyruvate phosphate dikinase） 的催化才转 变成 PEP， 完成 C4途径受体的再生 。 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 CO OH | CO P + + AMP PPi | CH 2

16、 丙酮酸磷酸双激酶 CO OH | C=O + + | CH 3 ATP Pi 丙酮酸 PE P 葡萄糖异生作用 （ gluconeogenesis） 是指以非糖 有机物作为前体合成为葡萄糖的过程 。 这是植物 、 动 物体内一种重要的单糖合成途径 。 非糖物质包括乳酸 、 丙酮酸 、 甘油 、 草酰乙酸 、 乙酰 CoA以及生糖氨基 酸 （ 如丙氨酸 ） 等 。 植物果实成熟期间 ， 有机酸含量下降 ， 糖份含量 增加 ， 就是葡糖异生作用的结果 。 动物机体内葡萄糖 异生作用是必不可少的 。 它对维持血糖浓度的恒定 ， 为大脑 、 肌肉 、 眼晶状体 、 中枢神经系统等组织利用 葡糖分解供

17、能提供了保障 。 10. 2 糖异生作用 葡萄糖异生途径几乎是 EMP途径的逆转 ， 但要 绕过 EMP途径三处不可逆反应 ， 采用葡萄糖异生作 用特有的酶催化 、 转移 ， 才能完成非糖有机物合成为 葡萄糖的过程 。 葡萄糖异生途径三处迂回路径是 : 10.2.1 葡萄糖异生途径 (1) 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸 10.2.1 葡萄糖异生途径 (2) 果糖 1, 6 -二磷酸 果糖 - 6-磷酸 10.2.1 葡萄糖异生途径 O H OPOH C2 3 2 HO HO OH CH O2 H O H OPOH C2 3 2 HO HO OH CH O2 POH 32 FBPas e HO2 P

18、i FBP F6 P H H H H H H (3) 葡萄糖 -6-磷酸 葡萄糖 10.2.1 葡萄糖异生途径 O OH OH HO OH HOC H 2 O OH OH HO OH HOP 23 OC H 2 HO 2 Pi G6Pase G6P G H H H HH H H H H H 10.3.1 糖核苷酸的作用 10. 3 蔗糖和多糖的生物合成 在高等植物 、 动物体内 ， 游离的单糖不能参与双 糖和多糖的合成反应 ， 延长反应中提供的单糖基必须 是活化的糖供体 ， 这种活化的糖是一类糖核苷酸 ， 即 糖与核苷酸结合的化合物 。 糖核苷酸的作用是作为双 糖或多糖 ， 甚至是糖蛋白等复合

19、糖合成过程中参与延 长单糖基的活化形式或供体 。 最早发现的糖核苷酸是 尿苷二磷酸葡萄糖 （ uridine diphosphate glucose, UDPG） 10. 3 蔗糖和多糖的生物合成 O OH OH HO HOC H 2 H O O | | O P O P O C H 2 | | O - O - O HN N O O OHOH H H H H H HH UDPG结构式 10. 3 蔗糖和多糖的生物合成 UDPG 合成 反应 10. 3.2 蔗糖的生物合成 该途径存在于光合组织的细胞质中 。 被认为是植 物合成蔗糖的主要途径 。 磷酸蔗糖合酶 （ sucrose phosphate

20、 synthase） 属于转移酶类 。 它利用 UDPG 作为葡萄糖的供体 ， 以 F6P为葡萄糖的受体 ， 反应产 物是蔗糖 -6-磷酸；再通过磷酸蔗糖酶水解 ， 脱去磷 酸基团而生成蔗糖 。 (1) 磷酸蔗糖合酶途径 (1) 磷酸蔗糖合酶途径 10. 3.2 蔗糖的生物合成 在非光合组织中蔗糖合酶 （ sucrose synthase） 活性 较高 。 蔗糖合酶也属于转移酶类 ， 可催化糖基转移 。 (2) 蔗糖合酶途径 ADP UDP +果糖 蔗糖合酶 蔗糖 + ADPG UDPG （葡糖供体） （葡糖受体） 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 淀粉合酶 （ starch synth

21、ase） 10.3.3.1 直链淀粉的生物合成 ADPG + Gn（引物） 淀粉合酶 Gn+1（直链淀粉） + ADP 式中； 引物的 n3； 活化的葡糖基从引物的非还 原端延长； 淀粉合酶催化连接的键是 -1， 4糖苷键 。 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 D酶 10.3.3.1 直链淀粉的生物合成 麦芽五糖 （给体） 葡萄糖 （受体） 麦芽三糖 （给体） 麦芽三糖 （受体） + D酶 D酶是一种糖苷基转移酶 ， 作用的键是 -1， 4糖苷键；转 移的基团主要是麦芽糖残基；催化的底物可以是葡萄糖 、 麦 芽多糖；起着加成反应作用 。 故有人称之为加成酶 。 D酶的存 在 ， 有利于葡

22、萄糖转变为麦芽多糖 ， 为直链淀粉延长反应提 供了必要的引物 。 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 蔗糖转化为淀粉 10.3.3.1 直链淀粉的生物合成 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 蔗糖转化为淀粉 10.3.3.1 直链淀粉的生物合成 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 支链淀粉分支点 -1, 6糖苷键的形成需要淀粉分支酶又称 Q酶 （ Q enzyme） 作用 ， 将直链淀粉的一部分拆下来 ， 装配 成侧链 。 Q酶具有双重功能：既能催化直链淀粉的 -1, 4糖苷 键的断裂 ， 又能催化 -1, 6糖苷键的连接 ， 形成支链淀粉 。 10.3.3.2 支链淀粉的生物合成 支链淀粉的生物合成