光合作用－类囊体结构 植物生理 教学课件.ppt

光合作用 光合同化物运输分配,龚月桦,参考书目,余叔文汤章诚主编,植物生理与分子生物学科学出版社1998 William G. Hopkins, Introduction to plant physiology,2004 Taiz L.and Zeiger E, Plant physiology,2005 王忠主编,植物生理学,农业出版社,1999 Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1993-2001 Annu. Rev. Plant Biology. 2002-2008 Annu. Rev.Biochem.1994-2008 David Lawlor. Photosynthesis,3rd edition,2001 植物生理学通讯1999-2008年 植物学通报,2000-2008年 科学时报,2002-2008年 Science,1995-2008年 Nature,1995-2008年,光合作用,CO2+H2O 光 (CH2O) + O2 光合作用是地球上最重要的化学反应. 光合作用在植物绿色细胞的叶绿体内进行。 叶绿体结构：绿色椭圆形碟状颗粒，电子显微镜下观察，叶绿体表面有被膜，被膜是双层的。外膜透性较大，内膜选择性强。,绿色细胞,Photosynthesis occurs in Chloroplasts,被膜 叶绿体 类囊体 间质,基粒类囊体（基粒片层） 基质类囊体（基质片层）,光合作用三大过程： （1）原初反应，光能电能 （2）电子传递和光合磷酸化， 电能活跃的化学能 （3）碳同化,形成稳定的化学能(间质),光反应 (类囊体膜),光合作用过程,光合作用,一.叶绿体类囊体膜的结构与功能 类囊体膜 类囊体膜由脂类及蛋白构成 1.叶绿体类囊体膜的超分子结构 利用冰冻撕裂的电镜技术研究叶绿体类囊体膜表面和内部的冰冻撕裂面。,（1）.基粒膜：垛叠的，紧贴的,（2）.间质膜：非垛叠的，非紧贴的,用快速低温冷冻法将样品在极短的时间（1000/S）内冷到-196，然后用刀进行断裂。这时样品从其结构相对“脆弱”的地方裂开，常常按照细胞器的表面或膜结构等形成一个凹凸不平的断面，由于冰在真空中的少量升华，可进一步增强“浮雕”式的蚀刻效果。 类囊体膜每次撕裂会有8个面，P代表膜靠基质的面，E则是其反面；F代表脂类双分子层撕裂的面，S则是未撕裂的面；u代表未垛叠的面，s代表垛叠的面，因此8个冰冻撕裂面分别是PSu、EFu、ESu、PFu、PFs、PSs、EFs、ESs。这便是类囊体膜所特有的8个冰冻撕裂面的超分子结构。,不同的撕裂面上具有结构与功能特点、密度、大小及分布都不同的蛋白。 冰冻蚀刻（冰冻撕裂）电镜技术可以研究蛋白在膜上的空间位置及结构关系。事实上，光合作用中的光反应就是在类囊体膜上进行的。因此，对构成类囊体膜的主要成分膜脂及膜上的蛋白复合体的结构与功能进行研究，自然具有十分重要的意义。,2.叶绿体类囊体膜脂,高等植物类囊体膜由基粒膜和间质膜组成。1975年，Anderson将生物膜的流动镶嵌模型引入类囊体膜中，认为脂质以双分子层形成的二维流体做为膜的基质，蛋白复合体可以在这种基质上自由扩散。 2.1.叶绿体类囊体膜脂主要有五种,糖脂类,磷脂,单半乳糖基甘油二酯 （MGDG) 双半乳糖基甘油二酯 （DGDG) 硫代异鼠李糖基甘油二酯 （SQDG）,磷脂酰甘油（PG） 磷脂酰胆碱（PC）,2.2.叶绿体类囊体膜脂主要特点 膜脂有一个很强的亲水基团，有两个非极性的脂酰基，具有疏水性。 除此之外，类囊体膜脂与其它生物膜相比，还具有以下几个特点： 不带电荷的糖脂占膜脂的75%左右，主要是单半乳糖基油二酯（MGDG）和双半乳糖基甘油二酯（DGDG）；而且两种糖脂均含高比例的不饱和脂肪酸，主要是亚麻酸（18:3）。有些植物的MGDG中还含有十六碳三烯酸(16:3),如烟草、番茄、菠菜、花椰菜等。,磷脂的主要组分是阴离子脂类磷脂酰甘油PG，约占类囊体膜脂的10%，而不是PC; 而且磷脂酰甘油PG中含有叶绿体特有的脂肪酸反式十六碳一烯酸（trans-16:1），它需要在光下才能合成。 该脂肪酸结构为：CH3(CH2)11-CH=CH-CH2-COOH，它的特别之处在于：a.反式构型；b.3位双键；c.仅结合PG分子甘油C2位上。 自然界中不饱和脂肪酸大多数是顺式构型，且双键位于第5个碳原子以后。 反式的构型和3位双键可能使它比其他不饱和酸的流动性要小。,含有带负电荷的硫脂SQDG，含量占类囊体膜脂的10%左右。在非光合组织中SQDG的含量极低。 类囊体膜的主要脂类单半乳糖基甘油二酯MGDG是非双层结构脂，在生理温度上，DGDG，SQDG，PG，PC单独分散到水中时都形成双层结构，而高等植物类囊体膜的MGDG则不形成双层结构，而是形成非双层结构。,类囊体膜脂具有上述的特点,可能 在类囊体膜光合功能中可能有特殊作用 a：研究表明，黄瓜的PS富含PG，磷脂酰甘油PG分子中的trans-16:1对保持LHC寡聚体结构起重要作用。trans-16:1含量较低，LHC寡聚体减少，单体增多，LHC捕获的能量不能有效地传递至反应中心，捕光效率下降。由于trans-16:1含量易受外界条件如温度，光照等的影响，因此，环境因子可通过改变trans-16:1含量进而使LHC结构改变，最后使光合活性改变，这一机制在植物抗逆生理中可能有重要意义。,b：类囊体膜主要脂类成分MGDG是一种非双层结构脂，但生理条件下类囊体膜上并不存在非双层结构，因此目前对单半乳糖基甘油二酯MGDG在膜结构中的作用出现了种种猜测。Murphy认为MGDG和DGDG这两种脂对膜的弯曲起稳定作用。Van der Steen等将内周蛋白加入双层脂形成的膜中可引起离子泄漏，而加入非双层脂可防止泄漏，这证明非双层脂在蛋白与脂双层间起了封口（seal）作用 。,C. Unsaturated lipids in membranes have been shown to protect plants against damage during cold spells(一段时间). In some desert and evergreen plants, an increase in the growth temperature leads to a reduction in trienoic(三烯) fatty acids 18:3 and 16:3.,In order to investigate the physiological effect of these fatty acids in plants grown at high temperatures, we constructed transgenic tobacco plants in which the expression of the chloroplast trienoic(三烯) fatty acid synthetase gene was inhibited.,This resulted in a decrease in unsaturated lipids with three double bonds and a corresponding increase in lipids with two double bonds in thylakoid membranes. The reduced level of lipid unsaturation improved the rate of photosynthesis at 40 and markedly improved plant growth at 36. -21 January 2000 Vol 287 science,光合作用,2.3.不同植物叶绿体类囊体膜脂组成不同 菠菜和蓖麻类囊体膜脂的组成,2.4. 不对称性是生物膜的最基本特征之一 横向不对称性：类囊体膜的脂双层外层和内层所含各种脂类的比例不同。 侧向不对称性：基粒膜区和间质膜区各种脂类分布不同。,黄瓜类囊体膜及不同膜区制备物的膜脂组成(%),光合作用,3. 类囊体膜中的蛋白质,PSI反应中心复合物 PSII反应中心复合物 集(捕)光色素蛋白复合物：LHCI，LHCII Cytb6/f复合物 ATP酶复合物，也称耦联因子复合物（CF1-CF0),3.1 PSII 反应中心叶绿素蛋白复合体,光系统II核心复合体示意图,3.2 PSI反应中心叶绿素蛋白复合体,光系统I 复合体示意图,3.3 高等植物PSII的集光叶绿素蛋白复合体(LHCII),LHCII是PS的天线色素蛋白复合体，高等植物中LHC的天然生理状态主要是以三聚体的形式存在。每个LHC单体多肽有3个跨膜的螺旋部分，其中两个通过带电AA相互结合，同时也维持了chla和chlb间的紧密接触和取向，保证激发能的快速传递（见图）。,LHC又叫捕光叶绿素a/b蛋白复合体，它除了有光能吸收和传递作用外，与类囊体的垛叠也有关。人们先后用蚕豆、豌豆和小麦证明：发育不良的叶绿体类囊体膜缺乏LHC，也缺乏垛叠的基粒；在植物转绿过程中，首先形成的是LHC的单体，然后再形成三聚体；并且LHC的出现与基粒的形成是同时进行的。因此，我国的匡廷云等曾提出，LHC的存在是基粒形成的内在主导因素，而介质中一定的阳离子浓度则是基粒形成的外在条件，如Mg2+ ,Ca2+等。 另外， LHC还参与调节光能在两个光系统间的分配。,PSII主要集中于基粒膜区，而PSI主要分布于非垛叠的间质膜区。为了适应环境因子变化对光系统、光能转变过程及效率的影响，尤其是光强、光质变化带来的影响，叶绿体具有灵敏地调节激发能在两个光系统间均衡分配的能力，在这一过程中，LHCII蛋白磷酸化所促使的LHCII与LHCI在类囊体膜上的横向迁移起了很大作用。Kyle在1983年曾提出：“天线移动”的假说。,“天线移动”的假说: LHCII蛋白磷酸化后，以单体、二聚体、三聚体等形式从富含PSII的基粒膜区横向迁移到富含PSI的间质膜区，从而扩大了光系统I的捕光截面，调节了激发能有利于PSI的分配；另一方面，蛋白去磷酸化后，以及在Mg2+、Ca 2+作用下，LHCII又从富含PSI的间质膜区横向迁移到富含PSII的基粒膜区，并因此扩大PSII捕光截面，调节激发能有利于PSII分配。,2004年3月18日, 在Nature上发表了中科院常文瑞、匡廷云等的文章：用X射线晶体衍射方法确定了菠菜叶片LHCII晶体结构，分辨率为2.72A。该结构显示，每个LHCII单体含8个叶绿素a和6个叶绿素b,以及4个类胡萝卜素的结合位点。二十个LHCII的三聚体 在晶体中先组装形成一个二十面体形状的空心球体，再以此为基本单位在晶体中周期排列。 科学时报2005，3，11,NATURE,2004(3.18),428:287-292,3.4 高等植物PSI的集光叶绿素蛋白复合体(LHCI),PSI,LHCI 光系统I反应中心复合物,PSII,LHCII 光系统II反应中心复合物 内周天线色素(CP43,CP47等),2006年的文献表明,PSI是一个单体,其反应中心有12个 蛋白亚基,LHCI有4个亚基,总共16个蛋白亚基.167个叶 绿素,2个叶绿醌,3个Fe4S4中心.,植物的光系统II反应中心是一个同型二聚体,被三聚体的LHCII复合体紧紧包围束缚.复合体结合的LHCII的数目依赖于光强度和光质. 与PSI相联系的叶绿素的总量比PSII的多10%左右,这与PSI吸收光子比PSII多20%这一结果相一致.,类囊体膜脂与色素蛋白复合体 结构与功能相互关系,脂类在类囊体膜上存在不对称分布，蛋白在类囊体膜上也存在不对称分布。大部分PS主要集中于垛叠的基粒膜区(核心)，而大部分PSI则主要分布于非垛叠的间质膜区以及基粒的表面和边缘，从下图可以更详细地了解类囊体膜的侧向不对性。,膜脂-蛋白复合体,PSI和PSII空间的隔离表明这两个光系统并不要求严格的1：1的计量关系，许多测量表明，PSII和PSI的比例是1.5:1.当然，植物在不同的光照下，这个比例也会改变。 从叶绿体中分离出不同功能的膜脂蛋白复合体，研究发现它们所含的脂类成分与完整类囊体膜相差很大，如LHC含阴离子脂PG和SQDG，PG含量很高，是类囊体PG含量的近3倍，而PS反应中心复合物只含MGDG与PG（分别占90%和10%）。,不同的膜脂与色素蛋白间存在着特异的结合，这种结合直接影响着类囊体膜进行光能吸收、传递和转化的过程。例： 如果用脂酶部分降解类囊体膜上的脂类成分以后，光系统的电子传递活性将降低。例如用磷脂酶作用后会引起非环式电子传递的抑制，用不同的磷脂酶（如A2，C，D等）进行处理，发现PG及其C2位的脂肪酸是与电子传递活性最为相关的部分。 类囊体膜含有高比例的多不饱和脂肪酸，这对膜的液晶流动性以及功能的发挥是必要的。黄瓜类囊体膜脂MGDG含95%以上的18:3,DGDG含近90%的18:3(亚麻酸). 例如完全饱和的MGDG不能