【精品】碳素的同化

,3.3.3 碳素的同化 CO2 assimilation,定义：指利用光反应产生的ATP、NADPH，在一系列酶的参与下固定CO2并把CO2还原成为有机物的过程。部位：叶绿体基质中(某些反应在细胞质等部位进行)途径：C3 pathwayCalvin cycleC4 pathwayHatch-Slack pathwayCAM pathway注：C4途径和CAM途径只起暂时固定CO2的作用，最后都要经Calvin循环才能形成光合产物,1. C3途径Calvin cycle,M.Calvin的成功之处：1) 研究方法：(1)同位素示踪技术(C14的应用，开始时只有C11，半衰期仅20min，后在1948年发现C14，半衰期长达5730年，其发现者于1960年获Nobel Prize)(2)纸层析技术(双向层析)2) 材料：小球藻Chlorella (单细胞，易于操作，具代表性）3) 强大的工作集体和不懈的努力 自1945年起，M.Calvin, A.Benson纠集300多人，用了近10年时间，用了5吨滤纸，弄清了这一循环。获得1961年Nobel Prize 。,Note:,C3 pathway is also called:Calvin cycle Calvin-Benson-Bassham cyclePCR cycle (Photosynthetic Carbon Reduction cycle)RPPP(reductive pentose phosphate pathway),(1)生物化学过程Calvin 循环共分为：羧化(carboxylation)还原(reduction)更新(regeneration)三个阶段,1）羧化阶段：Carboxylation（1）底物：1,5-二磷酸核酮糖（RuBP)；是一个五碳糖，因此Calvin循环又叫还原戊糖磷酸途径：RPPP。（2）羧化酶：RuBP羧化酶(RuBPCase: RuBP carboxylase) RuBP羧化酶/加氧酶（ Rubisco：RuBP carboxylase/oxygenase)（3）最初产物：含3个C的3-磷酸甘油酸（故称C3途径）（4）反应：RuBP+CO2+H2O2 PGA(3-phosphoglyceric acid),Rubisco是植物体内含量最丰富的酶，约占叶片可溶性总蛋白质40%以上。在叶绿体基质中Rubisco可达4 mM，是CO2浓度的500倍。Rubisco为多亚基复合体，由8个大亚基（56 kDa）和8个小亚基（14 kDa）构成，分子量为560 kDa，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。,Rubisco的结构（L8S8），红色的是小亚基（14kD），由细胞核DNA编码；兰色和绿色的是大亚基（56kD），由叶绿体DNA编码。Rubisco是植物界最丰富的蛋白质。,2) 还原阶段：RegenerationPGA DPGA GAP,PGA激酶,ATPADP,GAP脱氢酶,NADPHH+NADP+Pi,生成的GAP及由它异构生成的DHAP称作磷酸丙糖，一部分用于底物的更新，另一部分用于产生淀粉、蔗糖等光合产物,3) 更新阶段Regeneration指GAP经过一系列反应重新生成RuBP，以进入下一轮循环。,ONLY ONE-SIXTH OF THE TRIOSE PHOSPHATE IS USED FOR SUGAR OR STARCH - THE REMAINDER IS USED FOR REGENERATION OF FIVE-CARBON ACCEPTERS,C3 + C3 C6,C6 + C3 C5 + C4,C4 + C3 C7,C7 + C3 C5 + C5,NET: 5C3 3C5,-,ONLY ONE-SIXTH OF THE TRIOSE PHOSPHATE IS USED FOR SUGAR OR STARCH - THE REMAINDER IS USED FOR REGENERATION OF FIVE-CARBON ACCEPTERS,ATP, NADPH3 CO2 6 PGA 6 Triose-P,1Triose-P,5 Triose-P,3 RUBP,Rubisco,(Triose-phosphate),Calvin 循环总反应式：6CO26H2O6RuBP +18ATP +12NADPH12GAP+12NADP+18ADP+18Pi能量转换率=12(GAP)1460/(1832+220 12)=91%。4) 光合产物的产生,光合作用的产物主要是糖类，包括单糖，双糖和多糖，并以蔗糖和淀粉为主。另外，蛋白质、脂肪和有机酸等也是光合作用的直接产物，虽然它们可经糖类间接合成。,叶绿体中淀粉的合成淀粉是在叶绿体内合成的。当Calvin cycle形成磷酸丙糖（GAP和DHAP），可沿糖酵解的逆途径先后合成FDP、F6P、G6P、G1P，而后由ADPG合成淀粉：ADP葡萄糖焦磷酸化酶G1PATP ADP葡萄糖(ADPG) + PPi焦磷酸酶PPi+H2O 2Pi淀粉合成酶ADPG+ (1,4-D-葡萄糖基)n ADP+ (1,4-D-葡萄糖基)n+1,细胞质中蔗糖的合成蔗糖是在细胞质中合成的。叶绿体中形成的磷酸丙糖，通过位于叶绿体膜上的磷酸/磷酸丙糖转运器而运往细胞质中，磷酸丙糖先后经FDP、F6P、G6P、G1P、UDP葡萄糖、蔗糖6磷酸，最后形成蔗糖并释放出磷酸，而磷酸再经磷酸/磷酸丙糖转运器而运回叶绿体：UDPG焦磷酸化酶G1PUTP UDPG（UDP葡萄糖）PPi蔗糖磷酸合成酶UDPG+F6P UDP+蔗糖6磷酸蔗糖磷酸酶蔗糖6磷酸H2O 蔗糖Pi,淀粉与蔗糖合成的调节淀粉与蔗糖合成的竞争取决于叶绿体与胞质中Pi的相对浓度，胞质中Pi浓度高时，蔗糖合成占优，反之淀粉合成占优。,5)Calvin循环的调节,（1）光的调节A. Rubisco activase调节: Rubisco在暗中失活，在光下才有活性 B. pH值的调节在光下，质子由叶绿体基质泵到是类囊体腔内，基质pH由7增加到8，而Rubisco、GAP脱氢酶、FDP磷酸酶、景天庚酮糖1,7二磷酸磷酸酶及核酮糖5磷酸激酶的活性在8时活性最高。 C. Mg 调节 在光下，质子由叶绿体基质泵到 是类囊体腔内，而Mg由类囊体内运到基质中，Rubisco等酶需Mg做活化剂。,Rubisco有活化和钝化两种形态。Rubisco只有先与CO2与Mg2+结合形成活化型的酶（E-NH-COO-Mg2+, 也称三元复合体ECM），才能与RuBP及CO2结合进行羧化反应。近来发现了Rubisco活化酶，是一种核基因编码的酶蛋白， 与ATP水解偶联而活化Rubisco。如果Rubisco先与RuBP结合（在暗下）形成钝化型的E-RuBP。在光下Rubisco活化酶(Rubisco activase)催化E-RuBP分解，再与CO2与Mg2+结合形成ECM(图3.22)。,RCA活化Rubisco原理图解,D.Td(thioredoxin)对酶活性调节Light reaction Fdred增加 Tdred增加 Rubisco的-SH处于还原状态（E-SH) 活性增加；反之，黑暗Rubisco的-SH处于氧化状态（E-S-S-) ， 活性下降。,THE FERREDOXIN-THIOREDOXIN SYSTEM ACTIVATES FIVE SPECIFIC CALVIN CYCLE ENZYMES IN THE LIGHT,RUBISCONADP:glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenaseFructose-1,6-bisphosphataseSedoheptulose-1,7-bisphosphataseRibulose-5-phosphate kinase,（2）质量作用调节A. 代谢物浓度影响可逆反应的方向和速率。例如，卡尔文循环中PGA还原为GAP反应受到质量作用的调节。这个反应分两步进行： PGA+ATP DPGA+ADP DPGA+NADPH+H+ GAP+NADP+Pi 这两步反应是可逆的（这个反应在糖酵解中就是逆方向进行）。光反应增加ATP的生成可推动反应朝着GAP方向进行。,B.自动催化作用(autocalysis)。 如暗适应的叶片移至光下时，循环的CO2受体RuBP浓度低，通过卡尔文循环最初同化CO2形成的磷酸丙糖不输出循环，而用于RuBP再生，以提高RuBP浓度加快循环速率与光反应产生同化力的速率相协调。当循环达到“稳态”后，磷酸丙糖才输出。这种通过调节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卡尔文循环的自动催化作用(autocalysis)。,（3）光合产物的转运调节 光合作用最初产物磷酸丙糖从叶绿体运到细胞质的数量，受细胞质里的Pi数量所控制。当磷酸丙糖合成为蔗糖时，就释放出Pi, 细胞质里的Pi浓度增加，就有利Pi重新进入叶绿体，也有利磷酸丙糖从叶绿体运出，光合速率就加快。当蔗糖合成减慢后，Pi释放也随着缓慢，低Pi含量将减少磷酸丙糖外运而有利于贮藏(在叶绿体中合成淀粉），光合速率就减慢。,2.C4途径,C4途径是在上世纪60年代发现的一些起源于热带的作物，如玉米、甘蔗、高粱等，其光合C固定的最初产物不是3个C的PGA，而是含4个C的草酰乙酸OAA，因此称为C4途径，又叫Hatch-Slack Pathway.,2) 叶片结构特点 C4植物叶片的维管束鞘薄壁细胞较大，其中含有许多较大的叶绿体，叶绿体没有基粒或基粒发育不良；维管束鞘的外侧紧密排列一层环状或近于环状的叶肉细胞，组成了“花环型”（Kranz type）结构。这种结构是C4植物的特征。叶肉细胞内的叶绿体数目较少，个体小，有基粒。 维管束鞘薄壁细胞与其邻近的叶肉细胞之间有大量的胞间连丝相连。C3植物的维管束鞘薄壁细胞较小，不含或很少叶绿体，没有“花环型”结构，维管束鞘周围的叶肉细胞排列松散。,SUGAR CANE, A C4 MONOCOT,(Zea mays),POA, A C3 MONOCOT(Avena sativa),FLAVERIA, A C4 DICOT(Gomphrena),3)、生物化学过程 C4途径的CO2受体是叶肉细胞细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（PEP carboxylase, PEPC）催化下，固定HCO3-（CO2溶解于水），生成草酰乙酸（oxaloacetic acid, OAA）。,C4途径分下面几步：(1) 羧化：部位：叶肉细胞的细胞质中底物：磷酸烯醇式丙酮酸PEP酶：PEPCase最初产物：草酰乙酸OAA反应：PEPHCO3- OAA+Pi形成OAA后，迅速转化为苹果酸Mal而在有些植物中，OAA转变为Asp,PEPCase,(2). 穿梭：Mal, Asp从叶肉细胞转入维管束鞘细胞。(3). 脱羧：C4酸在维管束鞘细胞的不同部位脱下CO2，又生成C3酸。根据脱羧类型的不同可把C4植物分为三种类型。,图3.27 C4途径的三种类型的脱羧反应NADP-malic enzyme: 玉米，甘蔗等； NAD-malic enzyme:狗牙根，马齿苋等；PEPcarboxykinase(PCK)：羊草，鼠尾草等,4). 再固定：脱下的CO2进入鞘细胞的叶绿体，进入Calvin 循环。(事实上已离开C4循环)5). 底物的更新脱羧后形成的C3酸再形成PEP，进入下一轮循环。丙酮酸Pi+ATP PEPAMPPPi,丙酮酸磷酸双激酶,小结：C4途径的特征,C4途径的原初受体是PEP，羧化酶为PEPCase（Km:7mol), 而Rubisco （Km:450mol) 。进行反应的部位为叶肉细胞和维管束鞘细胞。此途径只能暂时固定CO2，不能形成终产物。它需要更多的能量：C3植物固定1CO2需2NADPH和3ATP；C4植物需2NADPH和5ATP但C4植物光合效率比C3植物具更强的光合效率，更适合干旱、高温等环境。,2,C4途径的调节光可激活苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸双激酶，而暗中则钝化之。Mal, Asp抑制PEPCase的活性，而G6P则增强之。Mg2+ 、Mn2+ 等二价阳离子是C4植物脱羧酶的活化剂。,3. CAM途径,景天科的一些植物如景天、菠萝、仙人掌、伽蓝菜等植物、其气孔晚上开放，吸入CO2，在细胞质中与PEP结合形成OAA，OAA转变成Mal贮存于液泡中，白天气孔关闭，液泡中的Mal又运回细胞质，脱羧放出CO2进入叶绿体，加入Calvin循环。丙酮酸可以形成淀粉，又可生成PEP而进入下一轮循环。,叶绿体,CAM途径的调节短期调节：CAM植物夜晚气孔开放，固定CO2，白天气孔关闭，放出CO2，这样既可进行光合，又可减少水分损失。与此相对应，羧化酶在夜晚有活性，而脱羧酶在白天有活性。2. 长期调节：在长期干旱时，一些兼性CAM植物如冰叶日中花以CAM途径固定CO2，而在水分充足时则以C3途径固定CO2。,三条同化途径的比较,3.3.4 光合作用的产物3.3.4.1原初光产物的转运和光合产物的合成 光合作用的初始糖类甘油醛-3-磷酸进一步合成蔗糖是在细胞质中进行，甘油醛-3-磷酸能够经果糖二磷酸、果糖-6-磷酸、葡萄糖-6-磷转变为葡萄-1-磷酸。后者又转变为UDP-葡萄糖，并与果糖6-磷酸反应形成蔗糖-6