3植物的光合作用

《3植物的光合作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3植物的光合作用（36页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第三章 植物的光合作用自养生物吸收二氧化碳转变成有机物的过程叫碳素同化作用(carbon assimilation)。生物的碳素同化作用包括细菌光合作用、绿色植物光合作用和化能合成作用三种类型，其中以绿色植物光合作用最为广泛，合成有机物最多，与人类的关系也最密切，因此，本章重点介绍绿色植物的光合作用。光合作用（photosynthesis）是指绿色植物吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧气的过程。光合作用对整个生物界产生巨大作用：一是把无机物转变成有机物。每年约合成51011吨有机物，可直接或间接作为人类或动物界的食物，据估计地球上的自养植物一年中通过光合作用约同化21011吨碳素

2、，其中40是由浮游植物同化的，余下的60是由陆生植物同化的；二是将光能转变成化学能，绿色植物在同化二氧化碳的过程中，把太阳光能转变为化学能，并蓄积在形成的有机化合物中。人类所利用的能源，如煤炭、天然气、木材等都是现在或过去的植物通过光合作用形成的；三是维持大气O2和CO2的相对平衡。在地球上，由于生物呼吸和燃烧，每年约消耗3.151011吨O2，以这样的速度计算，大气层中所含的O2将在3000年左右耗尽。然而，绿色植物在吸收CO2的同时每年也释放出5.351011吨O2，所以大气中含的O2含量仍然维持在21。由此可见，光合作用是地球上规模最大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程，也是规模最大的

3、将无机物合成有机物和释放氧气的过程。目前人类面临着食物、能源、资源、环境和人口五大问题，这些问题的解决都和光合作用有着密切的关系，因此，深入探讨光合作用的规律，弄清光合作用的机理，研究同化物的运输和分配规律，对于有效利用太阳能、使之更好地服务于人类，具有重大的理论和实际意义。一、光合作用的早期研究直到18世纪初，人们仍然认为植物是从土壤中获取生长发育所需的全部元素的。1727年S. Hales提出植物的营养有一部分可能来自于空气，并且光以某种方式参与此过程。那时人们已经知道空气含不同的气体成分。1771年英国牧师、化学家J. Priestley发现将薄荷枝条和燃烧着的蜡烛放在一个密封的钟罩内，

4、蜡烛不易熄灭；将小鼠与绿色植物放在同一钟罩内，小鼠也不易窒息死亡。因此，他在1776年提出植物可以“净化”由于燃烧蜡烛和小鼠呼吸弄“坏”的空气。接着，荷兰医生J. Ingenhousz证实，植物只有在光下才能“净化”空气。于是，人们把1771年定为发现光合作用的年代。1782年瑞士的J. Senebier用化学分析的方法证明，CO2是光合作用必需的，O2是光合作用的产物。1804年N.T.De Saussure进行了光合作用的第一次定量测定，指出水参与光合作用，植物释放O2的体积大致等于吸收CO2的体积。1864年J.V. Sachs观测到照光的叶片生成淀粉粒，从而证明光合作用形成有机物。到了

5、19世纪末，人们写出了如下的光合作用的总反应式： 光 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 （3-1） 绿色植物 由（3-1）式可以看出，光合作用本质上是一个氧化还原反应，H2O是电子供体（还原剂），CO2是电子受体（氧化剂）。20世纪30年代末，英国人R.Hill发现光照射离体叶绿体可以将水分解释放氧气，并且在任何氧化剂存在下，同时可以将CO2还原为糖。如上所述，光合作用的突出特点是：H2O被氧化到O2的水平；CO2被还原到糖的水平；氧化还原反应所需的能量来自光能，即发生光能的吸收、转换与贮存。几十年后，（3-1）式被进一步简化成下式： 光CO2H2O （CH2O）O2 （3-

6、2） 叶绿体 (3-2)式用（CH2O）表示一个糖类分子的基本单位，用叶绿体代替绿色植物，说明叶绿体是进行光合作用的基本单位与场所。随着研究的不断深入，1941年美国科学家S.Ruben和M.D.Kamen通过18O2和C18O2同位素标记实验，证明光合作用中释放的O2来自于H2O。为了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以区别，用下式作为光合作用的总反应式： 光 CO2 + 2H2O* (CH2O) + O*2 H20 (3-3) 叶绿体至此，人们已清楚地知道光合作用的反应物和生成物，并依据光合产物和O2释放的增加或CO2的减少来计算光合速率。例如，用改良半叶法测定有机物质的积累，用红外线

7、CO2气体分析仪法测定CO2的变化，用氧电极测定O2的变化等。由于植物体含水量高，光合作用所利用的水分只占体内总含水量的极小部分，一般不用含水量的变化来衡量植物的光合速率。二、 光合色素 光合色素即叶绿体色素，主要有三类:叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。高等植物叶绿体中含有前两类，藻胆素仅存在于藻类。(一) 光合色素的结构与性质 1.叶绿素 高等植物叶绿素（chlorophyll ,chl）主要有叶绿素a和叶绿素b两种。它们不溶于水，而溶于有机溶剂，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。通常用80%的丙酮或丙酮:乙醇:水（4.5:4.5:1）的混合液来提取叶绿素。在颜色上，叶绿素a呈蓝绿色，而叶绿素b呈黄绿

8、色。按化学性质来说，叶绿素是叶绿酸的酯，能发生皂化反应。叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇所酯化，另一个被叶醇所酯化。叶绿素a和叶绿素b的分子式如下: COOCH3 叶绿素a C55H72O5N4Mg 或 C32H30ON4Mg COOC20H39 COOCH3 叶绿素b C55H70O6N4Mg 或 C32H28O2N4Mg COOC20H39 叶绿素a与b很相似，不同之处仅在于叶绿素a第二个吡咯环上的一个甲基(-CH3)被醛基(-CHO)所取代，即为叶绿素b(图3-1a)。 叶绿素分子含有一个卟啉环的“头部”和一个叶绿醇(植醇，phytol)的“尾巴”。卟啉环由四个吡咯环以四个甲烯基(-C

9、H=)连接而成。镁原子居于卟啉环的中央，偏向于带正电荷，与其相联的氮原子则偏向于带负电荷，因而卟啉具有极性，是亲水的，可以与蛋白质结合。另外还有一个含羰基和羧基的同素环，羧基以酯键和甲醇结合。环上的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，是一个亲脂的脂肪链，它决定了叶绿素的脂溶性。卟啉环上的共轭双键和中央镁原子易被光激发而引起电子得失，从而使叶绿素具有特殊的光化学性质。以氢的同位素氘或氚试验证明，叶绿素不参与氢的传递或氢的氧化还原，而仅以电子传递（即电子得失引起的氧化还原）及共轭传递（直接能量传递）的方式参与能量的传递。 卟啉环中的镁原子可被H、Cu2、Zn2所置换。

10、用酸处理叶片，H易进入叶绿体，置换镁原子形成去镁叶绿素，使叶片呈褐色。去镁叶绿素易再与铜离子结合，形成铜代叶绿素，颜色比原来更稳定。人们常根据这一原理用醋酸铜处理来保存绿色植物标本。 2.类胡萝卜素 类胡萝卜素（carotenoid）是一类由八个异戊二烯单位组成的，含有40个碳原子的化合物(图3-1b)，不溶于水而溶于有机溶剂。叶绿体中的类胡萝卜素含有两种色素，即胡萝卜素（carotene）和叶黄素(lutein)，前者呈橙黄色，后者呈黄色。胡萝卜素是不饱和的碳氢化合物，分子式是C40H56，有、三种同分异构体。在一些真核藻类中还含有类胡萝卜素。叶子中常见的是-胡萝卜素，它在动物体内水解后即转

11、变为维生素A。叶黄素是由胡萝卜素衍生的醇类，分子式是C40H56O2。 一般情况下，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3:1，所以正常的叶子呈现绿色。秋天，叶片中的叶绿素较易降解，数量减少，而类胡萝卜素比较稳定，所以叶片呈现黄色。全部的叶绿素和类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，并以非共价键与蛋白质结合在一起，组成色素蛋白复合体（pigment protein complex），各色素分子在蛋白质中按一定的规律排列和取向，以便于吸收和传递光能。 3.藻胆素 藻胆素（phycobilin）是藻类主要的光合色素，仅存在于红藻和蓝藻中，常与蛋白质结合为藻胆蛋白，主要有藻红蛋白(phycoerythrin)

12、、藻蓝蛋白(phycocyanin)和别藻蓝蛋白(allophycocyanin)三类。它们的生色团与蛋白质以共价键牢固地结合，只有用强酸煮沸时，才能把它们分开。它们均溶于稀盐溶液中。藻胆素的四个吡咯环形成直链共轭体系，不含镁和叶醇链，具有收集和传递光能的作用。(二) 光合色素的光学特性 太阳辐射到地面的光，波长大约为3002600nm，对光合作用有效的可见光的波长在400700nm之间。光是一种电磁波，同时又是运动着的粒子流，这些粒子叫光子（photon）或光量子（quantum）。光子携带的能量与光的波长成反比。它们的关系如下:q=h =c/ （34） 式中q为每个光量子所持有的能量，h为

13、普朗克常数（6.62621034JS），为频率(s-1)，c是光速(2.9979108m s-1)，是波长(nm)。光量子的能量通常是以每摩尔光量子具有的千卡或爱因斯坦来表示。E=N h=Nhc/ （35）式中E为能量(kJ)，N为亚伏加德罗常数(6.021023)。N个量子就相当于1摩尔量子或1爱因斯坦量子。不同波长的光，每个爱因斯坦所持的能量不同(表3-1)。表3-1 不同波长的光子所持有的能量波长(nm)每个爱因斯坦(摩尔)的能量(kJmol-1)400500600700800289259197172161 1.光合色素的吸收光谱 当光束通过三棱镜后，可把白光（混合光）分成红、橙、黄、绿

14、、青、蓝、紫7色连续光谱。如果把叶绿体色素溶液放在光源和分光镜之间，就可以看到光谱中有些波长的光线被吸收了，光谱上出现了暗带，这就是叶绿体色素的吸收光谱(absorption spectra)。用分光光度计可精确测定叶绿体色素的吸收光谱(图3-2)。叶绿素对光波最强的吸收区有两个：一个在波长为640660nm的红光部分，另一个在波长为430450nm的蓝紫光部分。此外，叶绿素对橙光、黄光吸收较少，其中尤以对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱很相似，但也略有不同：叶绿素a在红光区的吸收带偏向长波方面，吸收带较宽，吸收峰较高；而在蓝紫光区的吸收带偏向短光波方面，吸

15、收带较窄，吸收峰较低。叶绿素a对蓝紫光的吸收为对红光吸收的1.3倍，而叶绿素b则为3倍，说明叶绿素b吸收短波蓝紫光的能力比叶绿素a强。绝大多数的叶绿素a分子和全部的叶绿素b分子具有吸收光能的功能，并把光能传递给极少数特殊状态的叶绿素a分子，发生光化学反应。 胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱与叶绿素不同，它们的最大吸收带在400500nm的蓝紫光区(图3-2)，不吸收红光等长波光。藻蓝蛋白的吸收光谱最大值在橙红光部分，藻红蛋白在绿光、黄光部分。类胡萝卜素和藻胆素均具有吸收和传递光能的作用。(三) 光合色素的荧光现象和磷光现象叶绿素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色，这种现象称为叶绿素荧光现象。叶

16、绿素为什么会发荧光呢？当叶绿素分子吸收光量子后，就由最稳定的、能量的最低状态基态（ground state）上升到不稳定的高能状态激发态（excited state）（图3-3）。叶绿素分子有红光和蓝光两个最强吸收区。如果叶绿素分子被蓝光激发，电子跃迁到能量较高的第二单线态；如果被红光激发，电子跃迁到能量较低的第一单线态。处于单线态的电子，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。由于激发态不稳定，迅速向较低能级 chl + hchl* （36） 基态 光子能量 激发态状态转变，能量有的以热的形式释放，有的以光的形式消耗。从第一单线

17、态回到基态所发射的光就称为荧光。处在第一三线态的叶绿素分子回到基态时所发出的光为磷光。荧光的寿命很短，只有10-810-10s。由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部的振动上，发射出的荧光的波长总是比被吸收的波长要长一些。所以叶绿素溶液在入射光下呈绿色，而在反射光下呈红色。在叶片或叶绿体中发射荧光很弱，肉眼难以观测出来，耗能很少，一般不超过吸收能量的5，因为大部分能量用于光合作用。色素溶液则不同，由于溶液中缺少能量受体或电子受体，在照光时色素会发射很强的荧光。 另外，吸收蓝光后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，

18、在极短的时间内叶绿素分子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耗散。因此，蓝光对光合作用而言，在能量利用率上不如红光高。 叶绿素的荧光和磷光现象都说明叶绿素能被光所激发，而叶绿素分子的激发是将光能转变为化学能的第一步。现在，人们用叶绿素荧光仪能精确测量叶片发出的荧光，而荧光的变化可以反映光合机构的状况，因此，叶绿素荧光被称为光合作用的探针。(四) 叶绿素的生物合成及其与环境条件的关系 植物体内的叶绿素是不断地进行代谢的，有合成，也有分解，用15N研究证明，燕麦幼苗在72小时后，叶绿素几乎全部被更新，而且受环境条件影响很大。1.叶绿素的生物合成 叶绿素是在一系列酶的作用下形成的（

19、图3-4）。高等植物叶绿素的生物合成是以谷氨酸与-酮戊二酸作为原料的，然后合成-氨基酮戊酸(-aminolevulinic acid,ALA)。 2分子ALA脱水缩合形成一分子具有吡咯环的胆色素原；4分子胆色素原脱氨基缩合形成一分子尿卟啉原，合成过程按ABCD环的顺序进行,尿卟啉原的四个乙酸侧链脱羧形成具有四个甲基的粪卟啉原，以上的反应是在厌氧条件下进行的。在有氧条件下，粪卟啉原再脱羧、脱氢、氧化形成原卟啉，原卟啉是形成叶绿素和亚铁血红素的分水岭。如果与铁结合，就生成亚铁血红素；若与镁结合，则形成Mg-原卟啉。由此可见，动植物的两大色素最初是同出一源的，以后在进化的过程中分道扬镳，结构和功能各

20、异。Mg-原卟啉的一个羧基被甲基酯化，在原卟啉上形成第五个环，接着B环上的-CH2=CH2侧链还原为-CH2-CH3，即形成原叶绿酸酯。原叶绿酸酯经光还原变为叶绿酸酯a，然后与叶醇结合形成叶绿素a，叶绿素b是由叶绿素a转化而成的。2、影响叶绿素形成的条件 (1)光照：光是叶绿体发育和叶绿素合成必不可少的条件。从原叶绿酸酯转变为叶绿酸酯是需要光的还原过程，如果没有光照，一般植物叶子会发黄，这种因缺乏某些条件而影响叶绿素形成，使叶子发黄的现象，称为黄化现象。然而，藻类、苔藓、蕨类和松柏科植物在黑暗中可合成叶绿素，柑桔种子的子叶和莲子的胚芽可在暗中合成叶绿素，其合成机理尚不清楚。 (2)温度：叶绿素

21、的生物合成是一系列酶促反应，因此受温度影响很大。叶绿素形成的最低温度约为24，最适温度是2030，最高温度为40左右。温度过高或过低均降低合成速率，原有叶绿素也会遭到破坏。秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与低温抑制叶绿素形成有关。 (3)矿质元素：氮和镁是叶绿素的组成成分，铁、铜、锰、锌是叶绿素合成过程中酶促反应的辅因子。这些元素缺乏时不能形成叶绿素，植物出现缺绿症（chlorosis），其中尤以氮素的影响最大。 (4)水分：植物缺水会抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时，还会加速原有叶绿素的分解，而且是合成大于分解，所以干旱时叶片呈黄褐色。 此外，叶绿素的形成

22、还受遗传因素的控制。即使在条件适宜的情况下，水稻、玉米的白化苗以及花卉中的花叶仍不能合成叶绿素。(5)氧气: 在强光下，植物吸收的光能过剩时，氧参与叶绿素的光氧化；缺氧会引起Mg-原卟啉IX及Mg-原卟啉甲酯积累，而不能合成叶绿素。三、 光合作用的机理 光合作用机理是复杂的，迄今仍然未完全查清楚。已有研究表明，光合作用的总反应，包括一系列复杂的光化学反应和酶促反应过程。 20世纪初O.Warburg等人在研究外界条件对光合作用的影响时发现，在弱光下增加光强能提高光合速率，但当光强增加到一定值时，光合速率便不再随光强的增加而提高，此时只有提高温度或CO2浓度才能增加光合速率；由此推理，光合作用至

23、少有两个步骤，其一需要光；另一个则与温度相关。在其后对光合作用机理有重大意义的研究是希尔反应的发现和水氧化钟模型的提出（详见3.3.2.3）。后来有人又用藻类进行闪光试验，在光能量相同的情况下，一种用连续光照，另一种用闪光照射，中间隔一暗期，发现后者的光合效率比连续照光的高。上述试验表明光合作用不是任何步骤都需要光。根据需光与否，将光合作用分为两个反应光反应（light reaction）和暗反应(dark reaction)。光反应是必须在光下才能进行的、由光推动的光化学反应,在类囊体膜(光合膜)上进行；暗反应是在暗处(也可以在光下)进行的、由一系列酶催化的化学反应,在叶绿体基质中进行。近年

24、来的研究表明，光反应的过程并不都需要光，而暗反应过程中的一些关键酶活性也受光的调节。 光合作用是能量转化和形成有机物的过程。在这个过程中首先是吸收光能并把光能转变为电能，进一步形成活跃的化学能，最后转变为稳定的化学能，贮藏于碳水化合物中。 整个光合作用可大致分为三个步骤:原初反应；电子传递(含水的光解、放氧)和光合磷酸化；碳同化过程。第一、二两个步骤基本属于光反应，第三个步骤属于暗反应(表3-2)。表3-2 光合作用中各种能量转变情况能量转变 光能电能 活跃化学能稳定化学能贮存能量 量子 电子 ATP，NADPH 碳水化合物等转变过程 原初反应 电子传递与光合磷酸化 碳同化时间跨度(秒) 10

25、-15109 10-10104 110 10100反应部位 基粒类囊体膜 基粒类囊体膜 叶绿体基质光、温条件 需光，与温度 不都需要光，但受光促 不需光，但受光、温促进反应 无关 进，与温度无关， 光、暗反应 光反应 光反应 暗反应(一)、原初反应 原初反应是指光合色素分子对光能的吸收、传递与转换过程。它是光合作用的第一步，速度非常快，可在皮秒(ps，10-12秒)与纳秒(ns，109秒)内完成，且与温度无关，可在-196(液氮温度)或-271(液氦温度)下进行。 根据功能来区分，类囊体膜上的光合色素可为二类:（1）反应中心色素（reaction centre pigments），少数特殊状态

26、的叶绿素a分子属于此类，它具有光化学活性，既能捕获光能，又能将光能转换为电能(称为“陷阱”)。（2）聚光色素（lightharvesting pigments），又称天线色素(antenna pigments)，它没有光化学活性，能吸收光能，并把吸收的光能传递到反应中心色素，绝大多数色素，包括绝大部分叶绿素a和全部的叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素等都属于此类。 聚光色素位于光合膜上的色素蛋白复合体上，反应中心色素存在于反应中心（reaction center）。但二者是协同作用的，若干个聚光色素分子所吸收的光能聚集于1个反应中心色素分子而起光化学反应。一般来说，约250300个色素分子所聚集的光能

27、传给一个反应中心色素。每吸收与传递1个光量子到反应中心完成光化学反应所需起协同作用的色素分子数，称为光合单位（photosynthetic unit）(图3-5)。实际上，光合单位包括了聚光色素系统和光合反应中心两部分。因此也可以把光合单位定义为：结合于类囊体膜上能完成光化学反应的最小结构的功能单位。 当波长范围为400700nm的可见光照射到绿色植物时，天线色素分子吸收光量子而被激发，以“激子传递”（exciton transfer）和“共振传递”(resonance transfer)两种方式进行能量传递。所谓激子是指由高能电子激发的量子，可以转移能量，但不能转移电荷。而共振传递则是依赖高

28、能电子振动在分子间传递能量。两种激发能传递方式的传递速率都很快，例如，振动一个寿命为510-9s的红光量子在叶绿体中可传递经过几百个叶绿素a分子。能量可在相同色素分子之间传递，也可在不同色素分子之间传递，但总是沿着波长较长即能量水平较低的方向传递。传递的效率很高，几乎接近100。于是，大量的光能通过天线色素吸收、传递到反应中心色素分子，引起光化学反应。 光化学反应是在光合反应中心进行的。而反应中心是进行原初反应的最基本的色素蛋白复合体，它至少包括一个反应中心色素分子即原初电子供体（primary electron donor,P）、一个原初电子受体(primary electron accep

29、tor,A)和一个次级电子供体（secondary electron donor,D），以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质，才能导致电荷分离，将光能转换为电能。反应中心的原初电子受体，是指直接接受反应中心色素分子传来电子的物质（A）。反应中心次级电子供体，是指将电子直接供给反应中心色素分子的物质。在光下，光合作用原初反应是连续不断地进行的，因此，必须不断有最终电子供体和最终电子受体的参与，构成电子的“源”和“库”。高等植物的最终电子供体是水，最终电子受体是NADP+。 光化学反应实质上是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体和次级供体之间的氧化还原反应。天线色素分子将光能吸收和传递

30、到反应中心后，使反应中心色素分子（P）激发而成为激发态（P*），释放电子给原初电子受体(A)，同时留下了“空穴”，成为陷井（trap）。反应中心色素分子被氧化而带正电荷(P+)，原初电子受体被还原而带负电荷(A-)。这样，反应中心发生了电荷分离，反应中心色素分子失去电子，便可从次级电子供体（D）那里夺取电子，于是反应中心色素恢复原来状态（P），而次级电子供体却被氧化（D）。这就发生了氧化还原反应，完成了光能转变为电能的过程。 hDPA DP*A D P+A-D+ PA-（37） 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 这一氧化还原反应在光合作用中不断地反复进行，原初电子受体A要将电子

31、传给次级电子受体，直到最终电子受体NADP+。同样，次级电子供体D+也要向它前面的电子供体夺取电子，依次直到最终电子供体水。(二) 电子传递与光合磷酸化 反应中心色素受光激发而发生电荷分离，将光能变为电能，产生的电子经过一系列电子传递体的传递，引起水的裂解放氧和NADP+还原，并通过光合磷酸化形成ATP，把电能转化为活跃的化学能。1、光系统 20世纪40年代，当以绿藻为材料，研究不同光波的量子产额(quantum yield),（即每吸收一个光量子后释放出的氧分子数），发现用波长大于685nm的远红光照射材料时，虽然光量子仍被叶绿素大量吸收，但量子产额急剧下降，这种现象被称为红降(red dr

32、op)。 1957年，罗伯特爱默生(R.Emerson)观察到，在远红光(波长大于685nm)条件下，如补充红光(波长650nm)，则量子产额大增，并且比这两种波长的光单独照射时的总和还要大。这样两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱默生效应(Emerson effect)。我们可以认为是远红光帮助了短波长的光，或者是短波长的光帮助了远红光。 这些现象使人们设想，光合作用可能包括两个光化学反应接力进行。后来，进一步的研究证实光合作用确实有两个光化学反应，分别由两个光系统完成。一个是吸收短波红光(680nm)的光系统(photosystem ,PS)，另一个是吸收长波红光(700nm

33、)的光系统(photosystem ,PS)。这两个光系统是以串联的方式协同作用的。目前已从叶绿体的片层结构中分离出两个光系统，它们都是蛋白复合物，其中既有光合色素，又有电子传递体。PS颗粒较小，直径为11nm，位于类囊体膜的外侧；PS颗粒较大，直径为17.5nm，位于类囊体膜的内侧。PSII蛋白复合体至少含12种不同的多肽，多数为内在蛋白。最大的蛋白质是结合叶绿素的天线蛋白（antenna protein）CP47和CP43，还有D1和D2两条多肽，是PSII复合体的基本组成部分，P680、去镁叶绿素（pheophytin; pheo）和质体醌（plastoquinone, PQ）,都结合在

34、D1和D2上。在光合反应中心外层是光合色素与蛋白质结合构成PSII聚光色素复合体（PSII light harvesting pigment complex, LHCII）。PSI蛋白复合体也包含反应中心和聚光色素复合体(PSI light harvesting pigment complex,LHCI).敌草隆（DCMU，一种除草剂）能抑制PSII的光化学反应，却不抑制PSI的光化学反应。 PS的光化学反应是长光波反应，其主要特征是NADP+的还原。当PS的反应中心色素分子(P700)吸收光能而被激发后，把电子传递给各种电子受体，经Fd(铁氧还蛋白)，在NADP还原酶的参与下，把NADP+还

35、原成NADPH。反应中心色素P700中的P表示色素，700是指色素的最大吸收波长。 PS的光化学反应是短光波反应，其主要特征是水的光解和放氧。PS的反应中心色素分子(P680)吸收光能，把水分解，夺取水中的电子供给PS。2、光合链光合链是指定位在光合膜上的、一系列互相衔接着的电子传递体组成的电子传递的总轨道。现在被广泛接受的光合电子传递途径是“Z”方案(“Z” scheme)，即电子传递是由两个光系统串联进行，其中的电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写的“Z”形（图3-6）。 “Z”方案最早是由希尔（R.Hill）等在1960年提出的，经过后人的不断修正与补充，日臻完善。PSI

36、和PSII以串联方式协同完成电子从H2O向NADP+的传递。由氧化还原电位的高低可以看出，这一电子传递途径是不能自发进行的，有二处(P680P680*和P700P700*)是逆电势梯度的“上坡”电子传递，需要聚光色素复合体吸收与传递的光能来推动。除此之外，电子都是从低电势向高电势的自发“下坡”运动。光合链中的电子传递体是质体醌（plastoquinone,PQ），细胞色素（cytochrome,Cyt）b6/f复合体,铁氧还蛋白（ferredoxin,Fd）和质蓝素（plastocyanin,PC）。其中以PQ最受重视，因为它不仅数量多（菠菜叶绿体内PQ含量达全叶绿素干重的七分之一），而且它是

37、双电子双H传递体，它既可传递电子，也可传递质子，在传递电子的同时，把H从类囊体膜外带入膜内，在类囊体膜内外建立跨膜质子梯度以推动ATP的合成。光合链中PSI、Cyt b-f和PSI在类囊体膜上，难以移动，而PQ、PC和Fd可以在膜内或膜表面移动，在三者间传递电子。3、 水的光解和放氧 水的光解(water photolysis)是希尔（R.Hill）于1937年发现的。他将离体的叶绿体加到具有氢受体(A)的水溶液中，照光后即发生水的分解而放出氧气。 光2H2O + 2A 2AH2 + O2 （38） 叶绿体 此反应称为希尔反应(Hill reaction)。氢的接受体被称为希尔氧化剂(Hill

38、 oxidant)，如2，6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP、NAD等。是希尔第一个用离体叶绿体作试验，把光合作用的研究深入到细胞器的水平。 水的光解反应是植物光合作用重要的反应之一，其机理尚不完全清楚。但已查明，在类囊体腔一侧有3条外周多肽，其中一条33kD的多肽为锰稳定蛋白（manganese stablizing protein,MSP），它们与Mn、Ca+2、Cl一起参与氧的释放，称为放氧复合体（oxygen-evolving complex，OEC）。而且对于水是如何通过OEC给出电子的问题目前已有部分答案。 在1969年，法国的学者P.Joliot给已经暗适应的叶绿体极快的闪光处理，发

39、现闪光后放氧量是不均等的，是以4为周期呈现振荡。第一次闪光后无O2产生，第二次闪光释放少量O2，第三次闪光放O2最多，第四次闪光放O2次之。然后每四次闪光出现一次放氧高峰。 已知每释放1个O2，需要氧化2分子水，并移去4个e，同时形成4个H，而闪光恰巧以4为周期。Kok等（1970）据此提出了H2O氧化机制的模型：放氧复合体（OEC）在每次闪光后可以积累一个正电荷，直至积累4个正电荷，才一次用于2个H2O的氧化（图3-7）。该图中不同状态的S代表了OEC中不同氧化状态的放氧复合体（含锰蛋白），含有4个Mn,包括Mn2+、Mn3+和Mn4+。按照氧化程度从低到高的顺序，将不同状态的含锰蛋白分别称

40、为S0、S1、S2、S3和S4。即0不带电荷，S1带1个正电荷，依次到S4带有4个正电荷。每一次闪光将S状态向前推进一步，直至S4。然后，S4从2个H2O中获取4个e，并回到S0。此模型称为水氧化钟(water oxidizing clock)或Kok钟(Kok clock)。这个模型还认为，S0和S1是稳定状态，S2和S3可在暗中退回到S1，S4不稳定。这样在叶绿体暗适应后，有3/4的含锰蛋白处于S1，1/4处于S0，因此最大放氧量出现在第三次闪光后。4、光合电子传递 光合电子传递有三种类型: (1)非环式电子传递（noncyclic electron transport）：指水光解放出的电

41、子经PS和PS两个光系统，最终传给NADP的电子传递。H2OPSPQCytb6/fPCPSFdFNRNADP (3-9)按非环式电子传递,每传递4个电子,分解2分子H2O,释放1个O2，还原2个NADP+,需要吸收8个光量子，量子产额为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)：指PS产生的电子传给Fd，再到Cytb6/f复合体，然后经PC返回PS的电子传递。环式电子传递途径可能不止一条，电子可由Fd直接传给Cytb6/f，也可经FNR传给质体醌，还可以经过NADPH再传给PQ。PSFd(NADPHPQ)Cytb6/fPCPS

42、 (3-10) (3)假环式电子传递(pseudocyclic electron transport)：指水光解放出的电子经PS和PS两个光系统，最终传给O2的电子传递。由于这一电子传递途径是Mehler提出的，故亦称为Mehler反应。它与非环式电子传递的区别只是电子的最终受体是O2而不是NADPH2OPSPQCytb6/fPCPSFdO2 (3-11) 因为Fd是单电子传递体，O2得到一个电子生成超氧阴离子自由基（O），它是一种活性氧。叶绿体中的超氧化物歧化酶(SOD)可清除O。这一过程往往是在强光照射下，NADP+供应不足的情况下发生的。这是植物光合细胞产生O的主要途径。5、 光合磷酸化

43、叶绿体在光照下把无机磷（Pi）与ADP合成ATP的过程称为光合磷酸化（photo phosphorylation）。与三种光合电子传递的类型类同，光合磷酸化也被分为三种类型，即非环式光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）、环式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation)和假环式光合磷酸化(pseudocyclic photophosphorylation)。电子传递是如何偶联着ATP的合成呢？大量研究表明，光合磷酸化与电子传递是通过ATP酶联系在一起的（图3-8）。 ATP酶又叫ATP合成酶、偶联因子(coupling factor)

44、。叶绿体的ATP酶与线粒体膜上的ATP酶结构相似，是一种球茎结构，由两个蛋白复合体构成:一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1”复合体，另一个是埋置于膜内的疏水性的“CF0”复合体。酶的催化部位在CF1上，CF1结合在CF0上。CF1很容易被EDTA溶液除去，而CF0则需要去污剂才能除去。ATP酶由9种亚基组成，分子量为550kD左右，催化的反应为磷酸酐键的形成，即把ADP和Pi合成ATP。 关于光合磷酸化的机理,可由英国的米切尔（P.Mitchell）提出的化学渗透学说来解释。该学说认为，在类囊体膜上的电子传递体中，PQ具有亲脂性，含量多，被称为PQ库，它可传递电子和质子，而其它传递体只能传递

45、电子。在光下，PQ在将电子向下传递的同时，又把膜外基质中的质子转运至类囊体膜内，PQ在类囊体膜上的这种氧化还原往复变化称PQ穿梭。此外，水在膜内侧分解也释放出H+,膜内H+浓度增高，则膜内电位较“正”，膜外H+浓度降低，则膜外电位较“负”，于是膜内外产生电位差()和质子浓度差（pH），两者合称质子动力势(proton motive force,pmf)，是光合磷酸化的动力。H+沿着浓度梯度返回膜外时，在ATP酶催化下，合成ATP。(三) 碳同化 二氧化碳同化（CO2 assimilation），简称碳同化，是指植物利用光反应中形成的同化力(ATP和NADPH)，将CO2转化为碳水化合物的过程。

46、二氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的，有许多种酶参与反应。高等植物的碳同化途径有三条，即C3途径、C4途径和CAM（景天酸代谢）途径。1、C3途径如前所述，早在十九世纪末，人们就知道光合作用需要CO2和H2O，产物是糖和淀粉，但是对于CO2是如何被还原成碳水化合物的具体步骤尚不清楚。直到20世纪40年代中期，美国加州大学的卡尔文（M.Calvin）和本森（A.Benson）采用当时的两项新技术：放射性同位素示踪和双向纸层析，以单细胞藻类作为试验材料，用14CO2饲喂，照光从数秒到几十分钟不等，然后在沸腾的酒精中杀死材料以终止生化反应，用纸层析技术分离同位素标记物，以标记物出现的先后顺序来确定二

47、氧化碳同化的每一步骤。经十年的系统研究，在50年代提出了二氧化碳同化的循环途径，故称为卡尔文循环(The Calvin cycle)。由于这个循环中CO2的受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸)，故又称为还原戊糖磷酸途径（reductive pentose phosphate pathway，RPPP）。这个途径中二氧化碳被固定形成的最初产物是一种三碳化合物，故称为C3途径。卡尔文循环具有合成淀粉等产物的能力，是所有植物光合碳同化的基本途径，大致可分为三个阶段，即羧化阶段、还原阶段和再生阶段。(1)羧化阶段：核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）在核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose bispho

48、sphate carboxylase/oxygenase,Rubisco）催化下，与CO2结合，产物很快水解为二分子3-磷酸甘油酸（3-PGA）反应过程。Rubisco是植物体内含量最丰富的酶，约占叶中可溶蛋白质总量的40%以上，由8个大亚基（约56KD）和8个小亚基（约14KD）构成，活性部位位于大亚基上。大亚基由叶绿体基因编码，小亚基由核基因编码。 (2)还原阶段：3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶（PGAK）催化下，形成1,3-二磷酸甘油酸（DPGA)，然后在甘油醛磷酸脱氢酶作用下被NADPH还原，变为甘油醛-3-磷酸（GAP）,这就是CO2的还原阶段。 羧化阶段产生的PGA是一种有机酸

49、，尚未达到糖的能级，为了把PGA转化成糖，要消耗光反应中产生的同化力。ATP提供能量，NADPH提供还原力使PGA的羧基转变成GAP的醛基，这也是光反应与暗反应的联结点。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程即告完成。 (3)再生阶段：是由GAP经过一系列的转变，重新形成CO2受体RuBP的过程。这里包括了形成磷酸化的3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反应(见图3-10)。最后一步由核酮糖5磷酸激酶(Ru5PK)催化，并消耗1分子ATP，再形成RuBP，构成了一个循环。C3途径的总反应式为:3CO2 + 5H2O + 9ATP + 6NADPH+6H+ GAP + 9ADP + 8

50、Pi + 6NADP+ (3-12)出一个磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉或运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可贮能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分别释放能量32kJ和217kJ计算，则通过卡尔文循环同化CO2的能量转换效率为90%。(即478/（323+2172）)，由此可见，其能量转换效率是非常高的。 由上式可见，每同化一个CO2，要消耗3个ATP和2个NADPH。还原3个CO2可输出一个磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在叶绿体内形成淀粉或运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可贮能478

51、kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分别释放能量32kJ和217kJ计算，则通过卡尔文循环同化CO2的能量转换效率为90。(即478/（323+2172），由可见，其能量转换效率是非常高的。 在20世纪60年代以后，人们对光合碳循环的调节已有了较深入的了解。C3途径的调节有以下几方面： 1.自动催化调节作用：CO2的同化速率，在很大程度上决定于C3途径的运转状况和中间产物的数量水平。将暗适应的叶片移至光下，最初阶段光合速率很低，需要经过一个“滞后期”（一般超过20min，取决于暗适应时间的长短）才能达到光合速率的“稳态”阶段。其原因之一是暗中叶绿体基质中的光合中间产物(尤其是R

52、uBP)的含量低。在C3途径中存在一种自动调节RuBP水平的机制，即在RuBP含量低时，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不输出循环，而用于RuBP再生，以加快CO2固定速率；当循环达到“稳态”后，磷酸丙糖才输出。这种调节RuBP等中间产物数量，使CO2的同化速率处于某一“稳态”的机制，称为C3途径的自动催化调节。2.光调节作用：碳同化亦称为暗反应。然而，光除了通过光反应提供同化力外，还调节着暗反应的一些酶活性。例如Rubisco、PGAK、FBPase、SBPase、Ru5PK属于光调节酶。在光反应中，H+被从叶绿体基质中转移到类囊体腔中，同时交换出Mg2+。这样基质中的pH值从7增加到8以上，M

53、g2+的浓度也升高，而Rubisco在pH8时活性最高，对CO2亲和力也高。其他的一些酶，如FBPase、Ru5PK等的活性在pH8时比pH7时高。在暗中，pH7.2时，这些酶活性降低，甚至丧失。Rubisco活性部位中的一个赖氨酸的-NH2基在pH较高时不带电荷，可以与在光下由Rubisco活化酶（activase）催化，与CO2形成带负电荷的氨基酸，后者再与Mg2+结合，生成酶-CO2- Mg2+活性复合体（ECM），酶即被激活。光还通过还原态Fd产生效应物硫氧还蛋白（thioredoxin, Td）又使FBPase和Ru5PK的相邻半胱氨酸上的巯基处于还原状态，酶被激活；在暗中，巯基则氧

54、化形成二硫键，酶失活。 3.光合产物输出速率的调节：光合作用最初产物磷酸丙糖从叶绿体运到细胞质的数量，受细胞质中Pi水平的调节。磷酸丙糖通过叶绿体膜上的Pi运转器运出叶绿体，同时将细胞质中等量的Pi运入叶绿体。当磷酸丙糖在细胞质中合成为蔗糖时，就释放出Pi。如果蔗糖从细胞质的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，Pi的释放也随之减少，会使磷酸丙糖外运受阻。这样，磷酸丙糖在叶绿体中积累，从而影响C3光合碳还原循环的正常运转。2、C4途径 在20世纪60年代，发现有些起源于热带的植物，如甘蔗、玉米等，除了和其它植物一样具有卡尔文循环以外，还存在一条固定CO2的途径。它固定CO2的最初产物是含四个

55、碳的二羧酸，故称为C4-二羧酸途径（C4dicarboxylic acid pathway），简称C4途径。由于这个途径是M.D.Hatch和C.R.Slack发现的，也叫Hatch-Slack途径。现已知被子植物中有20多个科近2 000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物。C4途径的CO2受体是叶肉细胞胞质中的磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenol pyruvate,PEP），在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的催化下，固定HCO3-(CO2溶解于水)，生成草酰乙酸（oxaloacetic acid,OAA）。 草酰乙酸由NADP-苹果酸脱氢酶(malic acid de

56、hydrogenase)催化，被还原为苹果酸（malic acid,Mal），反应在叶绿体中进行。但是，也有植物，其草酰乙酸与谷氨酸在天冬氨酸转氨酶(aspartate amino transferase)作用下，OAA接受谷氨酸的氨基，形成天冬氨酸（aspartic acid,Asp），反应在细胞质中进行。这些苹果酸或天冬氨酸接着被运到维管束鞘细胞（bundle sheath cell,BSC）中去。四碳二羧酸在BSC中脱羧后变成的丙酮酸（pyruvic acid），再从维管束鞘细胞运回叶肉细胞，在叶绿体中，经丙酮酸磷酸双激酶(pyruvatephosphate dikinase, PPDK

57、)催化和ATP作用，生成CO2的受体PEP，使反应循环进行，而四碳二羧酸在BSC叶绿体中脱羧释放的CO2，由BSC中的C3途径同化。根据运入维管束鞘的C4二羧酸的种类以及参与脱羧反应的酶类，C4途径又分三种类型。一是依赖NADP-苹果酸酶(malic enzyme)的苹果酸型(NADP-ME型)，如玉米、甘蔗、高粱等即属此类；二是依赖NAD-苹果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)（PCK型），龙爪稷、蟋蟀草、狗芽根、马齿苋等属于此类；三是具有PEP羧激酶(PEP carboxy kinase, PCK)的天冬氨酸型，羊草、无芒虎尾草、卫茅、鼠尾草等属于此类。NADP-ME型的初期产物是MAL，

58、而NAD-ME型和PCK型的初期产物是Asp。C4二羧酸从叶肉细胞转移到BSC内脱羧释放CO2，使BSC内的CO2浓度可比空气中高出20倍左右，相当于一个“CO2”泵的作用，能有效抑制Rubisco的加氧反应，提高CO2同化速率。同时PEPC对CO2的Km值为7mol,而Rubisco对CO2的Km值为450mol，即PEPC对CO2的亲和力高，因此，C4途径的CO2同化速率高于C3途径。C4途径的酶活性受光、代谢物运输的调节。光可活化C4途径中的PEPC、NADP-苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸二激酶（PPDK），在暗中这些酶则被钝化。苹果酸和天冬氨酸抑制PEPC活性，而G6P、PEP则增加其活性

59、。Mn2+和Mg2+是C4植物NADP苹果酸酶、NAD苹果酸酶、PEP羧化激酶的活化剂。3、景天酸代谢途径在干旱地区生长的景天科、仙人掌科等植物有一个特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收CO2，在PEPC作用下与糖酵解过程中产生的PEP结合形成OAA，OAA在NADP-苹果酸脱氢酶作用下进一步还原为苹果酸，积累于液胞中，表现出夜间淀粉、糖减少，苹果酸增加，细胞液变酸。白天气孔关闭，液胞中的苹果酸运至细胞质在NAD-或ANDP-苹果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脱羧释放CO2，再由C3途径同化；脱羧后形成的丙酮酸和PEP则转化为淀粉（图3-12）。丙酮酸也可进入线粒体，也被氧化脱羧生成CO2

60、进入C3途径，同化为淀粉。所以白天表现出苹果酸减少，淀粉、糖增加，酸性减弱。这种有机酸合成日变化的光合碳代谢类型称为景天科酸代谢（crassulacean acid metabolism,CAM）途径（图3-12）。CAM途径最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科，100多个属，1万多种植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、百合科、石蒜科等植物中。 CAM植物多起源于热带，分布于干旱环境中。因此，CAM植物多为肉质植物(但并非所有的肉质植物都是CAM植物)，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和大液泡。 根据植物在一生中对CAM的专营程度，CAM植物又分为两类

61、:一类为专性CAM植物，其一生中大部分时间的碳代谢是CAM途径；另一类为兼性CAM植物，如冰叶日中花（ice plant），在正常条件下进行C3途径，当遇到干旱、盐渍和短日照时则进行CAM途径，以抵抗不良环境。 CAM途径与C4途径基本相同，二者的差别在于C4植物的两次羧化反应是在空间上(叶肉细胞和维管束鞘细胞)分开的，而CAM植物则是在时间上(黑夜和白天)分开的。综上所述，植物的光合碳同化途径具有多样性，这也反映了植物对生态环境多样性的适应。但C3途径是光合碳代谢最基本最普遍的途径，同时，也只有这条途径才具备合成淀粉等产物的能力，C4途径和CAM途径可以说是对C3途径的补充。四、光呼吸 植物的绿色