《植物的光合作用》PPT课件.ppt

第五节第五节 碳碳 同同 化化 植物利用光反应中形成的NADPH和ATP将CO2转化 成稳定的碳水化合物的过程，称为CO2同化或碳同化 。 根据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数 目以及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类 ： C3途径（卡尔文循环） 基本途径，所有植物必经之路 C4途径（四碳二羧酸途径） CO2固定的分支，C4植物特有 CAM途径（景天科酸代谢途径） CO2固定的分支，CAM植物特有 C3途径 C4途径CAM途径 固定CO2 CO2 CO2 糖 一.C3途径 1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文 (M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术 ： (1)14C同位素标记与测定技术(可排除原先存在于细 胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生 的)； (2)双向纸层析技术 选用小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生 化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养 ，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。 1.C3途径的发现 试验分以下几步进行：试验分以下几步进行： (1)(1)饲喂饲喂14 14CO CO 2 2 与定时取与定时取 样样 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 。 (2)(2)浓缩样品与层析浓缩样品与层析 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。 图 用来研究光合藻类CO2 固定仪器的图解 (3)(3)鉴定分离物鉴定分离物 采用放射自显影技术， 鉴定被14CO2标记的产物并测 定其相对数量。 (4)(4)设计循环图设计循环图 根据被14C标记的化合物 出现时间的先后，推测生化 过程。根据图D所显示的结 果，即短时间内(5秒，最终 到0.5秒钟)14C标记物首先 出现在3-磷酸甘油酸(PGA) 上，说明PGA是光合作用的 最初产物。 用纸层析和放射自显影技术追踪被 14CO 2标记的产物 起先猜测CO2是与某一个2碳的片断结合生成3碳的 PGA，然而情况并非如此。 当光下把CO2浓度突然降低，作为CO2受体的化合物 会积累起来。这一化合物被发现是含有5个C的核酮糖- 1,5-二磷酸(RuBP)，当它接受CO2后，分解为2个PGA分 子。 经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光 合作用中从CO到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一 个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环 或Calvin-Benson循环。 由于这条途径中CO2固定后形成的最 初产物PGA为三碳化合物，所以也叫 做C途径或C光合碳还原循环， 只具有C途径的植物称为C植物。 此项研究的主持人卡尔文获得了 1961年诺贝尔化学奖。 光合碳还原循环 参与反应的酶：(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶 (Rubisco)； (2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)； (3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶； (4)丙糖磷酸异 构酶； (5)(8)醛缩酶； (6)果糖-1,6-二磷酸(酯 )酶(FBPase)； (7)(10)(12)转酮酶； (9)景天庚 酮糖 1，7-二磷酸(酯)酶(SBPase)； (11)核酮糖 -5-磷酸表异构酶； (13)核糖-5-磷酸异构酶； (14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK) 代谢产物名：RuBP.核酮糖 1,5 二磷酸； PGA.3-磷酸甘油酸； BPGA.1，3 二磷酸甘油 酸； GAP.甘油醛-3-磷酸； DHAP.二羟丙酮磷 酸； FBP.果糖-1，6-二磷酸； F6P.果糖-6- 磷酸； E4P.赤藓糖-4-磷酸； SBP.景天庚酮 糖-1,7-二磷酸； S7P.景天庚酮糖-7-磷酸； R5P.核糖-5-磷酸； Xu5P.木酮糖-5-磷酸； Ru5P.核酮糖-5-磷酸； G6P.葡萄糖-6-磷酸； TPP.硫胺焦磷酸； TPP-C2.TPP羟基乙醛 (一) C途径的反应过程 整个循环如图所示， 由RuBP开始至RuBP 再生结束，共有14 步反应，均在叶绿 体的基质中进行。 羧化、还原、再生羧化、还原、再生。 一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP (1) 羧化阶段 指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应 过程。 3RuBP+3CO2+3H2O Rubisco 6PGA + 6H+ Rubisco具有双重功能。 在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上发生羧化反应形成2-羧基- 3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸（CABP），它是一种与酶结合不 稳定的中间产物，被水解后产生2分子PGA。 (2)还还原阶阶段 指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过 程 6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H+6GAP+6ADP+6NADP+ + 6Pi 磷酸化和还原。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。 (3)再生阶段 指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程 5GAP+3ATP+2H2O3RuBP+3ADP+2Pi+3H+ 包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反应。最后由 核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP，再形成 RuBP。 光合碳还原循环光合碳还原循环 羧化 还原 再生 C C3 3 途径的总反应式途径的总反应式 3CO2+5H2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+8Pi+6NADP+3H+ 可见，每同化一个CO2需要消 耗3个ATP和2个NADPH，还原 3个CO2可输出1个磷酸丙糖 (GAP或DHAP) 固定6个CO2可形成1个磷酸己 糖(G6P或F6P)。 形成的磷酸丙糖可运出叶绿 体，在细胞质中合成蔗糖或 参与其它反应； 形成的磷酸己糖则留在叶绿 体中转化成淀粉而被临时贮 藏。 再 二、C4 途 径 (一) C4 途径的发现 自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为不管是 藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。 1954年，哈奇(M.D.Hatch)等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶 片中有与C3途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视 。 1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克 (H.P.Kortschak)等人报道，甘蔗叶中14C标记物首先出现于 C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且 玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意 。 1966-1970年，澳大利亚的哈奇和斯莱克(C.R.Slack) 重复 上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分 配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸 途径，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环，或叫Hatch- Slack途径。 至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途 径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4 plant)。 C4植物 高梁 甘蔗田 粟(millet)的穗形, “谷子”，去皮后称“小米”苋菜 玉米 （二）C4植物叶片结构特点 C4植物维管束被发育良好的大型 维管束鞘细胞（BSC）包围， 外面又密接1-2层叶肉细胞。C4 植物的BSC中含有大而多的叶 绿体，线粒体和其它细胞器也 较丰富。 栅栏组织与海绵组织分化不明显 ，叶片两侧颜色差异小。 两类光合细胞中含有不同的酶类 。叶肉细胞PEPC等； BSC-Rubisco等参与C3途径的酶 、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。 有两类光合细胞：叶肉细胞和维 管束鞘细胞(BSC)。 BSC与相邻叶肉细胞间的壁较厚 ，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。 这些结构特点有利于MC与BSC 间的物质交换，以及光合产物向 维管束的就近转运。 (三)C4途径的反应过程 C4途径中的反应虽因植物种 类不同而有差异，但基本上可分 为羧化、还原或转氨、脱羧和底 物再生四个阶段： 羧化反应 在叶肉细胞中磷酸烯醇 式丙酮酸(PEP)与HCO-3在PEPC催 化下形成草酰乙酸(OAA)； 还原或转氨作用 OAA被还原为苹 果酸(Mal)，或经转氨作用 形成 天冬氨酸(Asp)； 脱羧反应 C4酸通过胞间连丝移动 到BSC，在BSC中释放CO2，CO2由 C3 途径同化； 底物再生 脱羧形成的C3酸从BSC 运回叶肉细胞并再生出CO2受体 PEP。 C4植物叶的结构以及 C4 植物光合碳代谢的基本 反应 PEPC.PEP羧羧化酶; PPDK.丙酮酸磷酸二激酶 1.羧羧化阶阶段 由PEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO3-羧化 ，形成OAA。 碳酸酐酶 (CA) CO2 +H2O CA HCO3- + H+ PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，由四个相 同亚基组成。PEPC无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。 2.还还原或转转氨阶阶 段 OAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。 (1)还原反应 由NADP-苹果酸脱氢酶催化，将OAA还原为Mal， 该反应在叶肉细胞的叶绿体中进行： 苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过Fd-Td系统调节其活性。 (2)转氨作用 由天冬氨酸转氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH2基 ，形成天冬氨酸，该反应在细胞质中进行。 3.脱羧阶羧阶 段 根据植物所形成的初期C4二羧酸的种类以及脱羧反应参与的酶 类，可把C4途径分为三种亚类型： 依赖NADP的苹果酸酶的苹果酸型(NADP-ME型)； 依赖NAD的苹果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)； 具有PEP羧激酶的天冬氨酸型(PCK型)。 4.底物再生阶阶段 C4二羧酸脱羧后形成的Pyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸 磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受体PEP。 NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然 后再生成PEP。 此步反应要消耗2个ATP(因AMP变成ADP再要消耗1个ATP)。 PPDK易被光活化，光下该酶的活性比暗中高20倍。 由于PEP底物再生要消耗2个ATP，这使得C4植物同化1个CO2需消 耗5个ATP与2个NADPH。 PPDK (四) C途径的意义 在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C植物显示出高的 光合效率。 C4植物具较高光合速率的因素有： 1)C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO3的亲和力极高， 细胞中的HCO3浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素； 2)鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合 产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。 3)C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度 的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光 呼吸释放的CO2又易被再固定； 4)高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化 力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求。 但是C4植物同化CO2消耗的能量比C3植物多，也可以说这个 “CO2泵”是要由ATP来开动的，故在光强及温度较低的情况 下，其光合效率还低于C3植物。可见C4途径是植物光合碳同 化对热带环境的一种适应方式。 三、景天科酸代谢途径 (一)CAM在植物界的分布与特征 景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定 CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用 ，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为 CAMCAM ( Crassulacean acid metabolism)途径。途径。 景天科酸代谢植物（景天科、仙人掌和菠萝 等），通过白天减少有机酸，晚上增加有机 酸，而固定CO2的光合途径。 CAM最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科， 1万多个种的植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人 掌科、兰科、凤梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科 等植物中。其中凤梨科植物达1千种以上，兰科植物达数千 种，此外还有一些裸子植物和蕨类植物。 CAM植物起源于热带，往往分布于干旱的环境中，多为肉质 植物，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和液泡。 常见的CAM植物有菠萝、剑麻、兰花、百合、仙人掌、芦荟 、瓦松等。 剑麻 落地生根 龙舌兰 瓦松 芦荟 COCO 固定昼夜变化分为 固定昼夜变化分为4 4个阶段：个阶段： 1.阶阶段 PEPC的羧化阶段。夜间气孔开启， CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者还原成苹 果酸贮存于液泡。此间CO2固定约占全天固定 CO2的3/4左右，而白天贮存的葡聚糖在此期间 用于形成PEP。 2.阶阶段 由PEPC羧化转向Rubisco羧化的阶段 。白昼开始时气孔导度与CO2吸收出现一个高 峰，此期间C途径与C途径同时进行，苹果 酸积累中止。 3.阶阶段 Rubisco同化CO2阶段。日间气孔关闭 ，停止从外界吸收CO2，苹果酸从液泡转移至 细胞质，氧化脱羧。脱羧释放的CO2进入叶绿 体被 C途径同化。 4.阶阶段 由Rubisco羧化转向由PEPC羧化的阶 段。苹果酸脱羧降至最低点，气孔开始张开， CO2吸收增加，且由C3途径过渡至C4途径，从而 又重复下一个昼夜变化周期。 (二) CAM代谢的反应过程 图 景天科酸代谢途径（CAM）。光合反应吸收的CO2暂时的分离：夜间 CO2的吸收和固定，白天内部释放的CO2进行脱酸和再固定。 第六节 光呼吸 1920年瓦伯格在用小球藻做实验时发现，O2对光合作用有抑制 作用，这种现象被称为瓦伯格效应(Warburg effect)。这实际上是 氧促进光呼吸的缘故。 1955年德克尔(J.P.Decher)用红外线CO2气体分析仪测定烟草光 合速率时，观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光照，断光 后叶片有一个CO2快速释放(猝发)过程。 COCO 2 2 猝发猝发(CO2 outburst)现象实际上是光呼吸的“余辉”，即在光照 下所形成的光呼吸底物尚未立即用完，在断光后光呼吸底物的继续氧化。 1971年托尔伯特(Tolbert)阐明了光呼吸的代谢途径。 光呼吸：植物的绿色细胞在光照下吸收氧气,释放CO2的反应。 (一)光呼吸的发现发现 (二)光呼吸的生化途径 现在认为光呼吸的生化途径是乙醇酸的代谢。 因为光呼吸底物乙醇酸和其氧化产物乙醛酸， 以及后者经转氨作用形成的甘氨酸皆为C2化合物， 因此光呼吸途径又称为C2光呼吸碳氧化循环，简称 C2循环。 其中耗氧反 应部位有两 处，一是叶 绿体中的 Rubisco加氧 反应，二是 过氧化体中 的乙醇酸氧 化反应。 脱羧反应则 在线粒体中 进行，2个甘 氨酸形成1个 丝氨酸时脱 下1分子CO2 。 图 光呼吸途径及其在细胞内的定位 Rubisco；磷酸乙醇酸磷酸(酯)酶；乙醇酸氧化酶 ；谷氨酸-乙醛酸转氨酶；丝氨酸-乙醛酸氨基转移 酶；甘氨酸脱羧酶；丝氨酸羟甲基转移酶；羟基 丙酮酸还原酶；甘油酸激酶 光合作用和光呼吸 都由Rubisco开始。光 合作用的电子运输提 供ATP和NADPH；光呼 吸消耗 ATP和FdxRED。 C3循环中的一种底物 CO2是C2循环的产物； 同样地，C2循环的底 物O2是C3光合作用的 产物。 光合作用和光呼吸的联系光合作用和光呼吸的联系 （三）光呼吸与“暗呼吸”的区别 相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作“暗呼吸” 。光 呼吸速率也要比“暗呼吸”速率高35倍。 (四) 光呼吸的意义义 Rubisco既可催化羧化反应，又可以 催化加氧反应，即CO2和O2竞争Rubisco 同一个活性部位，并互为加氧与羧化反 应的抑制剂。Rubisco是进行羧化还是 加氧，取决于外界CO2浓度与O2浓度的比 值。 从碳素角度看，光呼吸往往将光合作用固定的20%40%的碳 变为CO2放出(C3植物)；从能量角度看，每释放1分子CO2需消耗 6.8个ATP，3个NADPH和2个高能电子。 Rubisco催化特性 光呼吸生理意义光呼吸生理意义： 1.回收碳素 通过C2碳氧化环可回收乙醇酸 中3/4的碳(2个乙醇酸转化 1个PGA，释放1个CO2)。 2.维持C3光合碳还原循环的 运转 在叶片气孔关闭或外界CO2浓 度低时，光呼吸释放的CO2 能被C3途径再利用，以维持 光合碳还原循环的运转。 3.防止强光对光合机构的破坏作用 在强光下，光反应中形成的同化力会超过CO2同化的需要，从而 使叶绿体中ADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同时由光激发的 高能电子会传递给O2，形成的超氧阴离子自由基O-2会对光合 膜、光合器有伤害作用，而光呼吸却可消耗同化力与高能电子 ，降低O-2的形成，从而保护叶绿体，免除或减少强光对光合 机构的破坏。 4.消除乙醇酸 乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸使细胞免遭毒害 。 C3植物中有光呼吸缺陷的突变体在正常空气中是不能存活的，只有在高CO2浓度下 （抑制光呼吸）才能存活，这也说明在正常空气中光呼吸是一个必需的生理过程。 光呼吸代谢中涉及多种氨基酸的转变，这可能对绿色细胞的氮代谢有利。 五、C3、C4、CAM植物的特性比较及鉴别 (一)C3、C、CAM植物的特性比较及鉴别 1.特性比较较 在光合作用与生理生态特性有较大的差异。 C3 plantC4 plantCAM plant 2.2.鉴别鉴别鉴别鉴别 方法方法 (1)从同位素比区分 (2)从进进化方面区分 (3)从分类类学上区分 (4)从地理分布区分 (5)从植物外形区分 常用碳同位素比。所谓碳同位素比是指样 品与标样(美洲拟箭石,一种古生物化石，其 13C/12C为1.116)之间碳同位素比值的相对 差异，以C()表示： C()= (试样的 13C/12C )/(标样的 13C/12C ) -11000 碳同位素比可作为碳代谢分类的方法，是 基于各类植物对2C与C的亲和力不同。 C3植物的Rubisco是以CO2为底物,固定2C 比C要容易些，C4植物的PEPC则是以HCO -为底物，固定2C和C的速率基本相等。 将植物体燃烧释放出来的CO2分别按CO2 和CO2进行定量分析，测定的结果， C植物的C为-35-24， C植物为-17-11， CAM植物为-34-13。 无论是用干燥的植物或是植物体化石，只 需取极少量的样品就能测定C() 2.2.鉴别鉴别鉴别鉴别 方法方法 (1)从同位素比区分 (2)从进进化方面区分 (3)从分类类学上区分 (4)从地理分布区分 (5)从植物外形区分 C植物较原始，C4植物较 进化。蕨类和裸子植物中就 没有C4植物，只有被子植物 中才有C4植物。 木本植物中未发现C4植物， 只有草本植物中有C4植物。 由于单子叶植物比双子叶 植物进化程度高，因此单子 叶植物中C4植物约占C4植物 总数的80%，而双子叶植物 中C4植物较少，只占双子叶 植物总数的0.2%。 2.2.鉴别鉴别鉴别鉴别 方法方法 (1)从同位素比区分 (2)从进进化方面区分 (3)从分类类学上区分 (4)从地理分布区分 (5)从植物外形区分 C4植物多集中在单子叶植物的 禾本科中，约占C4植物总数的 75%，其次为莎草科。 危害最 严重的18种农田杂草有14种是 C4植物，它们生长得快，具有 很强的竞争优势。例如稗