第二章植物的光合作2.doc

第二章植物的光合作用第三节 光合作用的机理一、原初反应（一）光能的吸收与传递光同时具有波的性质和粒子的性质。光的粒子称为光子（photon或proton）、光量子（puantum）。各种波长的光量子所负能量不同，可用下式表示：E=Nh=NhC/式中：E光量子所具有的能量；N阿佛加德罗常数（6.0231023）；h普朗克常数（6.6110-34J.s ）；C光速（31010cm/s）；光的波长；光的频率。上式表明光子能量与波长成反比（或与频率成正比）。不同波长的光量子所具有的能量如表2-1。光合色素包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等都集中在类囊体膜上，其中叶绿素分子在膜上紧密而有序地排列着，光合色素所吸收的能量可以通过诱导共振的方式进行传递，其方向是朝着能量较低即光谱波长较长的方向传递，最后汇集到作用中心色素分子。作用中心色素分子是指能将吸收的光能引起光化学反应而转化为化学能的色素分子，它在光合色素中仅占很小一部分。目前已知在光合作用中有两个光反应，分别有两个作用中心， 光反应I的作用中心色素分子是P700，它是一种特殊形式 的叶绿素a分子，其光谱吸收峰值为700nm；另一个光反应的作用中心色素分子是P680，是另一种形式的叶绿素a分子，光谱吸收峰值为680nm。其余的色素分子则起着吸收及传递光能的作用，最后传递给作用中心色素，发生光化学反应。这些色素称为聚光色素或天线色素，绝大多数色素（包括大部分叶绿素a和全部叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素）都属聚光色素。聚光色素没有光化学活性，光能在聚光色素间传递时，不会引起电子的流动。聚光色素和作用中心色素间配合十分紧密，据研究每吸收与传递1个光子到作用中心色素分子，约需250300个叶绿素分子，这就是说，聚光色素和作用中心色素组成一个“光合单位”（photosynthetic unit），在每个光合单位中只有一个作用中心色素分子，其余色素只起聚光作用。（二）光化学反应光化学反应是指作用中心色素分子吸收光能所起的氧化还原反应。光合作用中心至少包括一个作用中心色素分子，一个原初电子受体和一个原初电子供体，这样才能不断地进行氧化还原反应，将光能转换为电能。作用中心的原初电子受体，是指直接接受作用中心色素分子传来电子的物体；作用中心的原初电子供体，是指以电子直接供给作用中心色素分子的物体。聚光色素分子吸收光能传递到作用中心以后，作用中心色素分子（P）被光子激发而成为激发态（P*），放出电子给原初电子受体（A），原初电子受体接受电子被还原（即带负电荷，A），作用中心色素分子失去电子被氧化（即带正电荷，P+），又可从原初电子供体获得电子而恢复原状，而原初电子供体却被氧化（D+），这样，光合色素在吸收光能以后，传递给作用中心色素分子引起不断地氧化还原反应，也就不断地把电子传给原初电子受体，完成了光能转换为电能的过程，并把电能积累起来。可用下式表示：DPA h DP*A DP+A D+PA-式中：D 原初电子供体（donator；供体）A 原初电子受体（acceptor；受体）P 反应中心色素分子（Pigment，色素）已知在光合作用中存在有两个光反应和两个作用中心。联系40年代爱默生（R.Emerson）在研究光合作用的作用光谱时发现的双光增益效应或爱默生效应（Emerson effect），即单独使用长波红光（690nm）或较短波长的光（如650670nm），其光合效率均不及两种光一起照射的高。目前对此现象作出了令人满意的解释：在光合作用中存在两个光反应，分别由两个不同的光系统完成。光系统（photo-system ，简称为PS ）需要长波红光（700nm）；光系统（photo-system ，简称为PS）需要较短波长的红光（680nm），光合作用是由两个系统共同协调进行的。随着近代科学技术的发展，已直接从光合膜上分离出这两种光系统，每一个光系统具有特殊的色素复合物，PSI的颗粒较小，直径约11nm，分布在类囊体膜的外侧；PS的颗粒较大，直径约17?5nm，分布在类囊体膜内侧。进一步分析这些复合物，发现它们仍是由许多种蛋白质组成的，高等植物的PSI色素组成光合单位，包括约300个叶绿素分子、约50个类胡萝卜素，其作用中心色素分子是P700，此外，还有几种与膜结合的铁氧还蛋白（一种小分子的含铁和硫的红色蛋白）和含铜的蓝色蛋白（如质蓝素）。PS复合物也含约300分子叶绿素、约50个类胡萝卜素，其作用中心色素分子是P680，此外还有一个未曾分离出来的原初电子供体Z和一个原初电子受体Q（醌类化合物）以及锰蛋白（大概是6个Mn2+与一条或几条多肽链结合，Cl-也结合在其上）。二、光合作用的电子传递关于光合作用电子传递的研究，是由希尔（Hill，1937）的工作开始的。他将离体的叶绿体加到具有适当氢接受体（A）的水溶液中，光照后放出氧气。2H2O+2A 2AH2+O2叶绿体在光下进行水分解，并放出氧的反应，称为希尔反应（Hill reaction）。人工电子受体有高铁盐、苯醌、染料（2,6-二氯酚靛酚）等。希尔反应的发现对光合作用的研究起了很大的推动作用。希尔反应表明H2O在光合作用中是电子供体，即作为还原剂。以后的研究证明，在完整的叶绿体内天然的电子受体是NADP+，其反应是：2NADP+ +2H2O 2NADPH+2H+O2光合作用的最终电子受体是CO2，上式中的NADP+可以看成是从H2O到CO2的中间电子载体。光合作用放氧过程的机理极为复杂，目前了解得很少。只知道电子的传递从H2O开始，当PS的作用中心色素分子P680被光能激发后失去电子，形成一个带正电荷的P680+，呈氧化态，Q（质醌）接受此电子而被还原。于是带正电荷的P680+通过Z夺取H2O中的电子，水被氧化并释放出氧及质子（H+），光合作用释放的氧就是从这里产生的。2H2O O2 +4H+4e作为P680的电子供体是什么物质至今不清楚，只知道这个过程需要Mn2+离子参加。PS的作用中心色素分子是P700，被光子激发失去电子呈氧化态，它可从原初电子供体质蓝素（以PC表示）获得电子而回复原状，原初电子受体接受电子则被还原，以后沿着电化学梯度传给NADP，使之还原成NADPH，最后用以还原CO2。PS的原初电子受体的性质至今未认识清楚，它可能是一种铁硫蛋白,其氧化还原电位EO为-0.55V。光反应和光反应通过一系列电子传递体相互串联在一起。电子传递途径可分为非环式的和环式的两种。非环式电子传递需要PS、PS共同参与。PS被光激发失去一个电子，这个电子经过一系列的电子传递体传至PS作用中心色素P700，P700再被激发，而将电子传递给A（FeS）使NADP+还原，最后用以还原CO2。如将这条电子链按各个传递体的氧化还原电位排列，负值越大代表还原势越强，正值越大代表氧化势越强，电子定向自动转移便构成图（2-8）所示的Z链图形，简称为“Z链”（“Z chain”）。从图中可以看出在整个电子传递过程中，只有两处即P680Q与P700A（FeS）电子是逆能量梯度转移，表明在此二过程中需要光能来推动。其余过程电子流的运动则顺能量梯度自发进行，是不需要吸收光能的。环式电子传递只有PS参与,从激发态P700放出的电子，经A（FeS）CYTb6(PQH)2CYTFPC,又回到P700。故称环式电子传递途径。此途径不涉及水的分解，因此不放氧，又不生成光合链的最后产物NADPH。电子传递链在类囊体膜上有一定排列位置，图2-9是它们在类囊体膜上分布的假想。PQ是质体醌，借酚与醌互变，每次可转移两个电子和两个质子，PQ在叶绿体内含量很高，它通过自身的氧化还原作用传递电子，并不断地把H+从类囊体膜外侧转移到膜内侧，造成跨膜的质子梯度，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”。按照米切尔（P.Mitchell）化学渗透学说光合电子传递所产生的膜内外电位差和质子浓度差（二者合称为质子动力势）是光合磷酸化的活力，因此，PQ在电子传递和光合磷酸化中具有特别重要作用。PQ本身的这种氧化还原的往复变化，称为PQ穿梭。三、光合磷酸化作用叶绿体在光下催化ADP和无机磷转化为ATP,形成高能磷酸键的过程称为光合磷酸化(photosynthetic phosphorylation)。光合磷酸化的实质是光合色素所吸收的光能，不但足以驱动电子从H2O移动至NADP，而且还有多余的能量，这时如果有磷酸化合物和氢的接受体存在，便能接受能量产生光合磷酸化，使能量贮存于比较稳定的化合物里。前面提到光系统所产生的电子，即水光解所释放出的电子，经过一系列电子传递体的传递，在细胞色素链上引起ATP的形成，同时把电子传递到光系统，提高其能位，使H+还原NADP+为NADPH，即2ADP+2Pi+2NADP+2H2O 2NADPH+2H+2ATP+O2在此过程中,电子传递是一个开放的通路,故称为非循环光合磷酸化(noncyc lic photophosph orylation)(图2-8)。另一种方式是由环式电子流产生的，只形成ATP，不放O2，电子也不流向NADP+。这个过程是在较长的光波照射下使光系统活化后进行的。电子从被激发的P700传至铁硫蛋白受体A（FeS）后，又从A（FeS）流回至P700，这中间有电子递体CYTb6参加，在这过程中，电子经一系列传递后降低了能位，最后经质蓝素（PC）重新回到原来起点，因电子传递是一个闭合的回路，故称为循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）。光合磷酸化与光合膜上的电子传递是偶联的，现已发现在类囊体膜表面,有一种颗粒蛋白，称为偶联因子(CF1)，具有ATP酶活性，越来越多的实验证明CF1与磷酸化关系十分密切，叶绿体经EDTA处理抽提去CF1后，叶绿体几乎完全丧失光合磷酸化作用。四、二氧化碳的同化（一）光合碳循环（C3途径）由于这途径是卡尔文（Calvin,1950）等人发现的，故又称为卡尔文循环，或C3途径，或称为还原戊糖循环。这个循环如图2-10所示，整个循环又可分为三个阶段：1CO2的固定 在绿色细胞内的CO2并不是直接被还原的，而是先和某种受体结合，以后再进行还原反应。CO2与受体的结合过程称为CO2的固定。在绿藻和许多高等植物中，二磷酸核酮糖（RuBP）是CO2的受体，它在二磷酸核酮糖羧化酶（ribulose bisphosphate carboxylase）催化下与CO2作用生成二分子磷酸甘油酸（3-PGA）。因为磷酸甘油酸是三碳水化合物，所以这条碳同化途径又称为C3途径，以C3循环进行光合作用的植物叫C3植物。栽培作物中如水稻、小麦、大豆、棉花、烟草、油菜等都属于C3植物。2还原 包括两个反应（图2-10反应），在上述反应中生成的3-磷酸甘油酸，在磷酸甘油酸激酶作用下发生磷酸化生成1,3-二磷酸甘油酸；再在脱氢酶催化下被NADPH还原为3-磷酸甘油醛（GAP）。前面提到在光反应中生成的同化力（ATP与NADPH），就在这两个反应中用以还原碳。3二磷酸核酮糖的再生图2-10反应（4）（13）在C3循环中，固定CO2要不断消耗1,5-二磷酸核酮糖（RuBP），因此就需要有RuBP的再生过程，否则这种固定CO2的戊糖循环便无法继续进行。RuBP的再生，是指由3-磷酸甘油醛再转变为RuBP的一系列反应，在这一系列反应中包括有磷酸化的三、四、五、六和七碳糖的生成和参与。从图2-10可以看出,每固定1分子CO2产生2分子PGA，还原时需要2ATP和2NADPH。在RuBP再生阶段，由5-磷酸核酮糖转化为1,5-二磷酸核酮糖时，还需要1分子ATP。为此，在光合作用中每还原1分子CO2，总共需要3分子ATP和2分子NADPH。在卡尔文循环中3分子CO2转变为1分子3-磷酸甘油醛的总反应式为：3CO2+9ATP +6NADPH+6H+ +6H2O 3-磷酸甘油醛+9ADP+6NADP+9Pi（二）C4途径20世纪60年代中期Hatch和Slack发现起源于热带的植物如甘蔗、玉米等在光合作用中除具有C3途径外，还有一条固定CO2的途径即C4途径，它是和C3途径联系在一起的。按照这条途径同化CO2的植物，称为C4植物，这些植物适于在高温、高光强度和水分供应较少的条件下进行光合作用，其生长速度很快，CO2补偿点很低，光呼吸（见后）也低。只具备C3途径的植物则称为C3植物。用14CO2饲喂甘蔗叶片进行光合作用，最早形成的标记化合物是草酰乙酸（四碳二羧酸），时间稍长,四碳酸中的14C逐渐减少，而3-磷酸甘油酸中的14C逐渐增多，说明14C已从四碳酸中转移到3-磷酸甘油酸中。现已弄清在C4植物内CO2受体是磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenol pyruvic acid,PEP），它在磷酸烯醇式丙酮酸羧酶催化下，固定CO2生成草酰乙酸。这一反应是在叶肉细胞的细胞质中进行的。生成的草酰乙酸迅速转变为苹果酸或天冬氨酸，因植物种类不同而异。草酰乙酸在NADP苹果酸脱氢酸催化下还原为苹果酸，这反应在叶肉细胞的叶绿体内进行。由草酰乙酸转变为天冬氨酸则在叶肉细胞的细胞质中进行，由天冬氨酸转氨酶催化。C4植物光合作用的特性与其叶片特殊的解剖特征有密切关系。C4植物的叶片具有花环式结构：即每一个维管束周围有两层含有叶绿体的细胞，里面一圈被一层较大的维管束鞘细胞包围，外面一圈则为叶肉细胞的一部分。这两种类型细胞内的叶绿体在形态学上也是不同的：鞘细胞中叶绿体很大，没有基粒但含有大的淀粉粒；叶肉细胞的叶绿体内含有基粒但不积累淀粉。比较C4植物（如玉米）和C3植物（如小麦、水稻）叶片的解剖结构，发现C3植物维管束鞘细胞是没有叶绿体的（图2-11）。C4植物的叶肉细胞和鞘细胞可用实验方法分开，发现这两种细胞在酶的组成及其活性存在明显差异。叶肉细胞的叶绿体内不含RuBP羧化酶，但却有活跃的PEP羧化酶；而其维管束鞘的叶绿体内则存在有催化C3途径的全部酶系。现已明确C4植物光合作用具有两个相互联系的循环，先在叶肉细胞内通过磷酸烯醇式丙酮酸受体固定CO2，形成C4-二羧酸，然后C4-二羧酸经过胞间连丝从叶肉细胞转移到维管束鞘细胞，C4-二羧酸运至维管束鞘细胞后，脱羧释放出CO2。释放出的