第三章 光合作用--光反应-电子传递.ppt

光合作用Photosynthesis 第一节光合作用的概念第二节叶绿体和光合色素第三节原初反应第四节电子传递和光合磷酸化第五节碳同化第六节蔗糖和淀粉的合成第七节影响光合作用的因素 光合机理解决问题 光合作用包括的主要环节 光能如何吸收和转换 O2从哪里来 CO2同化在什么地方完成 形成了哪些产物 光合学习导图 讲故事 故事名称 故事概况 蕴含的意义 光合 发生时间 发生地点 故事主角 探究 光合作用过程 20世纪英国Blackman德国O Warburg 光合作用的机制Mechanismofphotosynthesis 原初反应 电子传递和光合磷酸化 碳同化 光反应 暗反应 光合作用分为三个阶段 光能的吸收 传递和转换电能 原初反应 电能转变为活跃的化学能 电子传递和光合磷酸化 活跃的化学能转变为稳定的化学能 碳同化 太阳的辐射能 化学能 光合作用 能量转变 光反应 在光下进行的光能吸收 传递与转换 包括原初反应 光合电子传递与光合磷酸化 暗反应 不一定直接要光的一系列酶促进反应 但目前已知许多酶要光活化 光反应和暗反应 光合作用中各种能量转变情况 能量转变光能电能活跃的化学能稳定的化学能贮能物质量子电子ATP NADPH2碳水化合物等转变过程原初反应电子传递光合磷酸化碳同化时间跨度 秒 10 15 10 91010 104 100 101101 102反应部位PS PS 颗粒类囊体膜类囊体叶绿体间质是否需光需光不一定 但受光促进不一定 但受光促进 原初反应学习导图 讲故事 故事名称 故事概况 蕴含的意义 光合 发生时间 发生地点 故事主角 第三节原初反应 Primaryreaction 指从光合色素分子被光激发到引起第一个光化学反应为止的过程 包括光能的吸收 传递与光化学反应 反应速度极快 在10 12 10 9s内完成 与温度无关 由于速度快 散失的能量少 所以其量子效率接近1 原初反应的特点 量子效率 quantumefficeintcy 又称量子产额 光合作用中吸收一个光量子后 所能放出的O2分子数或能固定的CO2的分子数 原初反应的步骤 一 光能的吸收 传递 二 光化学反应 聚光色素 反应中心色素 反应中心 一 光能的吸收与传递 一 激发态的形成通常色素分子是处于能量的最低状态 基态 groundstate 色素分子吸收了一个光子后 会引起原子结构内电子的重新排列 其中一个低能的电子获得能量后就可克服原子核正电荷对其的吸引力而被推进到高能的激发态 excitedstate Chl 基态 h 10 15SChl 激发态 每个分子可吸收一个光子 被吸收的光子只能激发1个电子 二 激发态的命运 激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量 此过程又称内转换或无辐射退激 1 放热 二 激发态的命运 2 发射荧光与磷光 荧光 荧光 fluorescence 处在第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光 磷光 phosphorescence 处在三线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光 3 色素分子间的能量传递 一般认为 色素分子间激发能不是靠分子间的碰撞传递的 也不是靠分子间电荷转移传递的 可能是通过 激子传递 或 共振传递 方式传递的 激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程 激子传递 excitontransfer 激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子 它能转移能量但不能转移电荷 在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递 3 色素分子间的能量传递 激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程 共振传递 resonancetransfer 一个色素分子吸收光能被激发后 其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动 共振 依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为 共振传递 光合作用过程中能量运转的基本概念 通过上述色素分子间的能量传递 聚光色素吸收的光能会很快到达并激发反应中心色素分子 启动光化学反应 聚光系统到反应中心能量传递呈漏斗状 问题 光合作用包括的主要环节 光能如何转换 O2从哪里来 CO2同化在什么地方完成 形成了哪些产物 二 光化学反应 反应中心PS 和PS 由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应 光化学反应是在光系统的反应中心进行的 反应中心是发生原初反应的最小单位 是指在叶绿体中进行光化学反应的最基本的色素蛋白复合体 1 反应中心 reactioncenter D1PA1 原初电子供体 primaryelectrondonor D 反应中心色素分子 reactioncenterpiment P 原初电子受体 primaryelectronacceptor A DPA 反应中心色素分子 P680和P700 是光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的 因此反应中心色素分子又称原初电子供体 原初电子受体 D 指直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体 红降 现象 波长大于680nm 用685nm 的光照射时 小球藻的光合量子产额明显下降 被称为 红降 现象 用波长较短的橙红光 650 670nm 与长波红光同时照射 光合量子产额比分别用二种单色光照射的总和要高 这种效应称双光增益效应或爱默生效应 两个光系统的发现 双光增益效应 2 PS 和PS 的光化学反应 光系统 Photosystem PS 光系统 Photosystem PS 吸收短波红光 680nm 吸收长波红光 700nm 光系统II PS PS 的原初电子受体 反应中心色素 次级电子受体 去镁叶绿素分子 Pheo D P A Q 质体醌 P680 PS 的原初电子供体 H2O 光系统I PSI PS 的原初电子受体 反应中心色素 最终电子受体 Fd D P A P700 PSI的原初电子供体 PC NADP PS 和PS 的电子供体和受体组成 光合作用的光能传递和光化学反应 原初反应 故事 小结 故事名称原初反应 故事概况光能 电能 蕴含的意义光能高效利用 光合 发生时间光照条件 发生地点类囊体膜光合色素 故事主角2个反应中心PSI和PSII 第四节电子传递和光合磷酸化 一 电子和质子的传递二 光合磷酸化三 光反应中的光能转化效率 原初反应的结果 使光系统的反应中心发生电荷分离 产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递 电子传递学习导图 讲故事 故事名称 故事概况 类型和意义 光合 发生时间 发生地点 故事主角 电子传递的结果 引起水的裂解放氧以及NADP 的还原 建立了跨膜的质子动力势 启动了光合磷酸化 形成ATP 把电能转化为活跃的化学能 一 电子和质子的传递 1 光合电子传递链 指定位在光合膜上的 由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道 光合电子传递Z链 希尔 1960 Z 方案 Z scheme 即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的 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 Z 链特点 1 电子传递链主要由光合膜上的PS Cytb f PS 三个复合体串联组成 2 电子传递有二处是逆电势梯度 即P680至P680 P700至P700 这种逆电势梯度的 上坡 电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动 其余电子传递都是顺电势梯度进行的 Z 方案特点 3 水的氧化与PS 电子传递有关 NADP 的还原与PS 电子传递有关 电子最终供体为水 水氧化时 向PS 传交4个电子 使2H2O产生1个O2和4个H 电子的最终受体为NADP 4e 4e Z 方案特点 4 PQ是双电子双H 传递体 它伴随电子传递 把H 从类囊体膜外带至膜内 连同水分解产生的H 一起建立类囊体内外的H 电化学势差 并以此而推动ATP生成 2 电子传递复合体的组成和功能 PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 Plastocyanin PC PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 PS 复合体 含有多亚基的蛋白复合体 聚光色素复合体 中心天线反应中心放氧复合体 OEC 细胞色素多种辅助因子 中国科学院生物物理研究所 该复合体包含25个蛋白亚基 105个叶绿素分子 28个类胡萝卜素分子和众多的其它辅因子 组成捕光天线系统 反应中心系统以及一个能在常温常压下裂解水释放氧气的放氧中心等三个部分的结构 PS 的功能 吸收光能 进行光化学反应 产生强的氧化剂 使水裂解释放氧气 并把水中的电子传至质体醌 2H2O 4光量子 2PQ 4H O2 2PQH2 4H 电子传递和光合磷酸化 2 电子传递复合体的组成和功能 PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 Plastocyanin PC PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 质醌 PQ Plastoquinone 质体醌为脂溶性分子 能在类囊体膜中自由移动 转运电子与质子 质体醌在膜中含量很高 约为叶绿素分子数的5 10 故有 PQ库 之称 PQ在类囊体膜上氧化还原的反复变化称PQ穿梭 PQShuttles PQ库作为电子 质子的缓冲库 能均衡两个光系统间的电子传递 Cytb6 f复合体 1 Cytb6 Cytb563 有2个含血红素的跨膜23Kda多肽 由Fe传递电子 2 一个Cytf 33Kda的含Fe蛋白 传递电子给PC 3 非血红素的蛋白质 含2Fe 2S的铁硫蛋白 参与电子传递 从PQ库接受电子 Cytb6 f复合体的功能 连接PSII和PSI的电子载体系统 参与传递电子 催化PQH2的氧化和PC的还原 PQH 2PC Cu Cytb fPQ 2PC Cu 2H PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 质蓝素 Plastocyanin PC 质蓝素 PC 是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质 氧化时呈蓝色 介于Cytb f复合体与PS 之间的电子传递成员 PC是PS 的次级电子供体 PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子 PS 复合体 色素分子与蛋白质结合 构成了PSI捕光复合体 环绕在反应中心周围将吸收的光能传递给P700 若干个 胡萝卜素三种电子载体分别为A0 A13个不同的Fe4 S4蛋白 Fx FA FB PS 复合体功能 吸收光能 进行光化学反应 传递电子从PC到NADP PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 2 电子传递复合体的组成和功能 PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 Plastocyanin PC PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 PS 复合体 质醌 PQ Cytb6 f复合体 质蓝素 PS 复合体 铁氧化蛋白和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 铁氧化蛋白 Fd 和铁氧化蛋白 NADP 还原酶 FNR 都是存在类囊体膜表面的蛋白质 Fd是通过它的2铁 2硫活性中心中的铁离子的氧化还原传递电子的 FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 依靠核黄素的氧化还原来传递H 因其与Fd结合在一起 所以称Fd NADP 还原酶 FNR是光合电子传递链的末端氧化酶 接收Fd传来的电子和基质中的H 还原NADP 为NADPH 2Fd还原 NADP H FNR2Fd氧化 NADPH 一 电子和质子的传递 1 光合链2 电子传递复合体的组成和功能3 光合电子传递的类型 光合作用的机制Mechanismofphotosynthesis 原初反应 电子传递和光合磷酸化 碳同化 光反应 暗反应 原初反应 故事 小结 故事名称原初反应 故事概况光能 电能 蕴含的意义光能高效利用 光合 发生时间光照条件 发生地点类囊体膜光合色素 故事主角2个反应中心PSI和PSII 电子传递故事 电子传递学习导图 讲故事 故事名称 故事概况 类型和意义 光合 发生时间 发生地点 故事主角 3 光合电子传递的类型 非环式电子传递 环式电子传递 假环式电子传递 非环式电子传递 H2O 电子最终受体是NADP H2O光解产生的电子 环式电子传递 PSI 有质子跨膜运输 但没有水氧化和NADPH形成 假环式电子传递 H2O PSII PQ Cytb6 f PC PSI Fd O2 Fd为单电子传递体 其氧化时把电子交给O2 使O2生成超氧阴离子自由基 造成O 的消耗与活性氧的生成 实际上是非环式电子传递 有H 的跨膜运输 只是电子的最终受体不是NADP 而是O Mehler反应 水水循环 假环式电子传递 光合电子传递链 小结 O2 H2O2 光合电子传递 故事 小结 故事名称电子传递 故事概况电能 化学能 类型和意义非环式 环式 假环式 光合 发生时间光照条件 发生地点类囊体膜 故事主角PSII PQ Cytbf PC PSI 光能 电能 活跃化学能 匡廷云院士 知识拓展 PSI 包括16个蛋白亚基 205个色素及膜脂等辅助因子在内的 分子量高达600KDa超大分子复合物 第四节电子传递和光合磷酸化 一 电子和质子的传递二 光合磷酸化三 光反应中的光能转化效率 光合磷酸化学习导图 讲故事 故事名称 故事概况 类型和意义 光合 发生时间 发生地点 故事主角 二 光合磷酸化 1954阿农和弗伦克尔光下向叶绿体或载色体体系中加入ADP与Pi则有ATP产生 把光下在叶绿体 或载色体 中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应称为光合磷酸化 光合磷酸化 在照光条件下 在叶绿体内将ADP和Pi形成ATP的过程 光能 问题 几种光合磷酸化途径 动力是 光合磷酸化的类型 非环式光合磷酸化 环式光合磷酸化 与环式电子传递偶联产生ATP的反应 ADP Pi光叶绿体ATP H O环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式 在基质片层内进行 在高等植物中可能起着补充ATP不足的作用 假环式光合磷酸化 与假环式电子传递偶联产生ATP的反应 H O ADP Pi光叶绿体ATP O2 4H 非环式光合磷酸化与假环式光合磷酸化均被DCMU 二氯苯基二甲基脲 商品名为敌草隆 一种除草剂 所抑制环式光合磷酸化则不被DCMU抑制 电子传递和光合磷酸化的偶联机理 光合磷酸化是和电子传递偶联着的 电子传递不进行光合磷酸化便停止 但光合磷酸化受抑制 电子传递仍进行 偶联机理 化学渗透学说 2 光合磷酸化的机理 化学渗透学说 chemiosmotictheory 英国的米切尔 Mitchell1961 实现化学渗透的膜结构特点 膜对离子和质子有高度选择透性 膜内镶嵌电子传递体 膜上有与电子传递偶联的质子转移系统 膜上有能转移质子的ATP酶 光合电子传递链的电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力 并由质子动力推动ATP的合成 化学渗透学说 跨膜质子梯度的建立 1 光解H2O 释放O2 产生H 和电子 电子经非环式电子传递还原NADP H 留在类囊体腔内 2 经PQ穿梭将H 从基质转移至类囊体腔内 3 基质中还原NADP 形成NADPH不断消耗质子 酸 碱磷酸化实验 贾格道夫 化学渗透学说的实验证据 Jagendorf实验证实由化学渗透合成ATP 酸 碱磷酸化实验 在暗中把叶绿体的类囊体放在pH4的弱酸性溶液中平衡 让类囊体膜腔的pH下降至4 加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液 产生一个H 梯度 使ADP与Pi生成ATP 并不照光 也没有电子传递 3 ATP合成酶 偶联因子 couplingfactor H 通过偶联因子作功 使ADP Pi ATP 实现光合磷酸化 由两个蛋白复合体组成 一个是突出于膜表面的亲水性的 CF1 另一个是埋置于膜中的疏水性的 CFo CF1的分子量约400000 它含有 60000 56000 39000 19000 和 14000 的5种亚基 其中 亚基有结合核苷酸的部位 在进行催化时可能发生构象变化 亚基是合成和水解ATP分子的催化位置 亚基控制质子的穿流 亚基也许与CF0的结合有关 亚基似乎能抑制CF1 CFo复合体在暗中的活性 防止ATP的水解 和 亚基还有阻塞经CFo的质子泄漏的作用 叶绿体ATP合酶的结构 化学渗透学说 由于膜内 H 高于膜外的 H 膜内的H 有向外扩散的趋势 类囊体膜对H 通透性很差 H 只能通过ATP合成酶的CF 形成的通道越过膜 当H 经过CF1进入基质时 其电化学势降低 此过程释放的能量便由CF1用来将ADP和Pi合成ATP 光合磷酸化 故事 小结 故事名称电子传递 故事概况电能 ATP 类型和意义非环式 环式 假环式 光合 发生时间光照条件 发生地点类囊体膜 故事主角ATP酶 同化力 光反应中光能被转变为化学能贮藏在ATP和NADPH中 这两种物质可以在暗反应中用于同化CO2 所以NADPH和ATP又称为同化能力 4 光合磷酸化的抑制剂 1 电子传递抑制剂 1 类囊体膜上进行电子传递 2 类囊体膜内外有质子梯度 3 有活性的ATP酶 叶绿体进行光合磷酸化的条件 2 解偶联剂 3 能量传递抑制剂 光合磷酸化的抑制剂 除草剂与光合电子传递链 2 解偶联剂 3 能量传递抑制剂 DNP 二硝基酚 CCCP carbonylcyanide 3 chlorophenylhydrazone 羰基氰 3 氯苯腙 短杆菌肽D 尼日利亚菌素 NH 等 DCCD PCMB 寡霉素 1 电子传递抑制剂 DCMU抑制从PS 上的Q到PQ的电子传递 KCN和Hg等则抑制PC的氧化 一些除草剂如西玛津 阿特拉津 atrazine 除