第四章 植物的光合作用(1)

第四章植物的光合作用,光合作用(photosynthesis)概念,CO+2HA光光养生物(CHO)+2A+HO(4)H2A代表一种还原剂，可以是HO、H2S、有机酸等，,CO+2HO*光绿色植物(CHO)+O2*+HO(2),CO+HO光绿色植物(CHO)O(1),绿色植物利用光能把CO和水合成有机物，同时释放氧气的过程。,光养生物利用光能把CO合成有机物的过程。,问题：绿色植物和光养生物的光合方程式有何异同？,CO+2HS光光合硫细菌(CHO)+2S+HO(3),光合细菌利用光能，以某些无机物或有机物作供氢体，把CO合成有机物的过程。,比较绿色植物和光合细菌的光合方程式，得出光合作用的通式：,光合作用的意义,CO+HO(CHO)O(G=478kJ/mol)44183032重量比,1.把无机物变为有机物的重要途径约合成51011t/y有机物“绿色工厂”吸收2.01011t/y碳素(6400t/s)2.巨大的能量转换过程将3.21021J/y的日光能转化为化学能3.维持大气中O2和CO2的相对平衡释放出5.351011t氧气/y“环保天使”,光合作用是生物界获得能量、食物和氧气的根本途径光合作用是“地球上最重要的化学反应”,问题：为什么没有光合作用也就没有繁荣的生物世界？,第一节叶绿体的结构,叶片是光合作用的主要器官，而叶绿体是光合作用最重要的细胞器。,Chlor被膜完整度较高,(一)叶绿体的分离,.从叶片中直接分离(机械法),叶片,匀浆,细胞液,叶绿体,匀浆化0.4mol/L糖醇pH7.6,04,过滤匀浆48层纱布或100目尼龙纱布,分级离心500g去沉淀，3000g去上清淀，沉淀悬浮，冰浴保存,.从原生质体分离(酶解法),酶解,果胶酶,纤维素酶0.5molL甘露醇pH5.0pH5.540,振荡,叶组织,原生质体,质膜与细胞器,叶绿体,20m尼龙网,离心,挤压,二、叶绿体的发育、形态及分布,1.发育2.形态3.分布4.运动,高等植物的叶绿体由前质体发育而来。当茎端分生组织形成叶原基时，前质体的双层膜中的内膜在若干处内折并伸入基质扩展增大，在光照下逐渐排列成片，并脱离内膜形成类囊体，同时合成叶绿素，使前质体发育成叶绿体。,1.发育2.形态3.分布4.运动,高等植物的叶绿体大多呈扁平椭圆形，每个细胞中叶绿体的大小与数目依植物种类、组织类型以及发育阶段而异。一个叶肉细胞中约有10至数百个叶绿体，其长37m，厚23m。,1.发育2.形态3.分布4.运动,叶肉细胞中的叶绿体较多分布在与空气接触的质膜旁，在与非绿色细胞(如表皮细胞和维管束细胞)相邻处，通常见不到叶绿体。这样的分布有利于叶绿体同外界进行气体交换。,1.发育2.形态3.分布4.运动,随原生质环流运动，随光照的方向和强度而运动。在弱光下，叶绿体以扁平的一面向光；在强光下，叶绿体的扁平面与光照方向平行。,叶绿体随光照的方向和强度而运动,侧视图,俯视图,显微照片,三、叶绿体的基本结构,叶绿体,被膜,基质,类囊体,1.叶绿体被膜,由两层单位膜组成，两膜间距510nm。被膜上无叶绿素，主要功能是控制物质的进出，维持光合作用的微环境。膜对物质的透性受膜成分和结构的影响。膜中蛋白质含量高，物质透过膜的受控程度大。外膜磷脂和蛋白的比值是3.0(w/w)。密度小(1.08g/ml)，非选择性膜。分子量小于10000的物质如蔗糖、核酸、无机盐等能自由通过。,内膜磷脂和蛋白的比值是0.8（w/w）密度大(1.13g/ml),选择透性膜。CO2、O2、H2O可自由通过；Pi、磷酸丙糖、双羧酸、甘氨酸等需经膜上的运转器才能通过；蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物质则不能通过。,2.基质及内含物,基质中能进行多种多样复杂的生化反应含有还原CO2(Rubisco1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)与合成淀粉的全部酶系碳同化场所含有氨基酸、蛋白质、DNA、RNA、还原亚硝酸盐和硫酸盐的酶类以及参与这些反应的底物与产物N代谢场所脂类(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(叶绿素类、细胞色素类)和萜类(类胡萝卜素、叶醇)等物质及其合成和降解的酶类脂、色素等代谢场所基质是淀粉和脂类等物的贮藏库淀粉粒与质体小球,基质：被膜以内的基础物质。以水为主体，内含多种离子、低分子有机物，以及多种可溶性蛋白质等。,将照光的叶片研磨成匀浆离心，沉淀在离心管底部的白色颗粒就是叶绿体中的淀粉粒。质体小球又称脂质球或亲锇颗粒，在叶片衰老时叶绿体中的膜系统会解体，此时叶绿体中的质体小球也随之增多增大。,3.类囊体,类囊体分为二类：基质类囊体又称基质片层，伸展在基质中彼此不重叠；基粒类囊体或称基粒片层，可自身或与基质类囊体重叠，组成基粒。堆叠区片层与片层互相接触的部分，非堆叠区片层与片层非互相接触的部分。,由单层膜围起的扁平小囊。膜厚度57nm，囊腔空间为10nm左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向,1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高度密集,能更有效地收集光能。2.膜系统常是酶有序排列的支架，膜的堆叠易构成代谢的连接带，能使代谢高效地进行。类囊体片层堆叠成基粒是高等植物细胞所特有的膜结构,它有利于光合作用的进行。,类囊体片层堆叠的生理意义,3.类囊体,类囊体分为二类：基质类囊体又称基质片层，伸展在基质中彼此不重叠；基粒类囊体或称基粒片层，可自身或与基质类囊体重叠，组成基粒。堆叠区片层与片层互相接触的部分，非堆叠区片层与片层非互相接触的部分。,由单层膜围起的扁平小囊。膜厚度57nm，囊腔空间为10nm左右，片层伸展的方向为叶绿体的长轴方向,1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高度密集,能更有效地收集光能。2.膜系统是酶有序排列的支架，膜的堆叠构成代谢的连接带，能使代谢高效地进行。类囊体片层堆叠成基粒是高等植物细胞所特有的膜结构,它有利于光合作用的进行。,类囊体片层堆叠的生理意义,各种植物类囊体片层堆叠情况不一样,牧草,玉米,四、类囊体膜上的蛋白复合体,1.蛋白复合体的概念和种类蛋白复合体：由多种亚基、多种成分组成的复合体。主要有四类：即光系统（PSI）、光系统（PS）、Cytb/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。,类囊体膜是光合膜,类囊体膜的蛋白质复合体参与了光能吸收、传递与转化、电子传递、H+输送以及ATP合成等反应。由于光合作用的光反应是在类囊体膜上进行的，所以称类囊体膜为光合膜。,ATP酶,问题：如何证实CO2同化场所是在叶绿体的基质，而光合放氧反应是在叶绿体的膜上？,解析:要证实CO2同化场所是在叶绿体的基质而不是在叶绿体的被膜或类囊体的膜，首先要提取出完整的叶绿体，然后把叶绿体的基质和叶绿体的被膜或类囊体的膜分开，在基质和膜上分别检测光反应和暗反应活性，如果在分离的叶绿体的基质中做出了有暗反应活性而无光反应活性的实验，就能证实CO2同化场所是在叶绿体的基质而不是在叶绿体的被膜或类囊体的膜。同理也可证实光合放氧反应是否在叶绿体的膜上。,光+CO2,O2+CH2O,低渗,光+KCN,O2,Hill反应,离心,光合膜,基质,完整叶绿体,破损叶绿体,光+KCN,O2,CO2,CH2O,证实叶绿体中CO2同化和光合放氧反应部位的实验示意图,2.蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点,PS主要存在于基粒片层的堆叠区，PS与ATPase存在于基质片层与基粒片层的非堆叠区，Cytb6/f复合体分布较均匀。蛋白复合体及其亚基的这种分布，有利于电子传递、H+的转移和ATP合成,3.叶绿体与细胞质间的能量运输,叶绿体与细胞质之间存在频繁的能量交换。已经知道，照光时光合细胞的呼吸作用受到抑制，细胞质中ATP与ADP的比值随叶绿体中此比值的上升而迅速增大。已有的研究表明，光下叶绿体光合磷酸化合成的ATP约有3%（10mol/mgchl.h）输出到细胞质中，以供它进行生物合成、运输等各种需能反应之用。,通过被膜上的腺苷酸载体直接运输通过代谢物质的穿梭系统进行间接运输,能量交换的途径:,光合作用的过程和能量转变,光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质，将光合作用分为三个阶段(表1)：1.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成；2.电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成；3.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。表1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)10-1510-91010104100101101102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,电子传递和光合磷酸化,碳同化,光合作用的大致过程,不同层次和时间上的光合作用,光合作用的层次与时间跨度,第三节原初反应,原初反应是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。它包括：光物理光能的吸收、传递光化学有电子得失原初反应特点：速度非常快，可在皮秒(ps，1012s)与纳秒(ns，109s)内完成与温度无关，可在196(77K，液氮温度)或271(2K，液氦温度)下进行量子效率接近1由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1。,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。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。下式表示叶绿素吸收光子转变成了激发态。激发态具有比基态高的能级，能级的升高来自被吸收的光能。,Chl（基态）+h1015SChl*（激发态）,图8叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级。,叶绿素分子受光激发后的能级变化,叶绿素在可见光部分有二个吸收区：红光区与蓝光区。如果叶绿素分子被蓝光激发，电子就跃迁到能量较高的第二单线态；如果被红光激发，电子则跃迁到能量较低的第一单线态。处于单线态的电子，其自旋方向保持原有状态，即配对电子的自旋方向相反。如果电子在激发或退激过程中，其自旋方向发生了变化，使原配对的电子自旋方向相同，那么该电子就进入了能级较单线态低的三线态。,图8叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图虚线表示吸收光子后所产生的电子跃迁或发光，实线表示能量的释放，半箭头表示电子自旋方向,(二)激发态的命运,1.放热激发态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。2.发射荧光与磷光激发态叶绿素分子回至基态时，以光子形式释放能量。3.色素分子间的能量传递激发态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。4.光化学反应激发态色素分子把激发的电子传递给受体分子。,激发态是不稳定的状态，会发生能量的转变。,转变的方式：,吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能量虽远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的，在极短的时间内叶绿素分子要从第二单线态降至第一单线态，多余的能量在降级过程中也是以热能释放。由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。所以一个蓝光光子所引起的光合作用与一个红光光子所引起的光合作用是相同的，在能量利用上蓝光没有红光高。,1.放热,激发态叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量。如：叶绿素分子从第一单线态降至基态或三线态Chl*Chl+热Chl*ChlT+热从三线态回至基态时的放热ChlTChl热第二单线态降至第一单线态,2.发射荧光与磷光,激发态的叶绿素分子回至基态时以光子形式释放能量。处在第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为荧光而处在三线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为磷光,Chl*109sChlh荧光发射ChlT102sChlh磷光发射磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧光的1%，故需用仪器才能测量到。,由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗在分子内部的振动上，且荧光又总是从第一单线态的最低振动能级辐射的，辐射出的光能必定低于吸收的光能，因此叶绿素的荧光的波长总要比被吸收的波长长。,离体色素溶液为什么易发荧光，这是因为溶液中缺少能量受体或电子受体的缘故。在色素溶液中，如加入某种受体分子，能使荧光消失，这种受体分子就称为荧光猝灭剂，常用Q表示，在光合作用的光反应中，Q即为电子受体。色素发射荧光的能量与用于光合作用的能量是相互竞争的，这就是叶绿素荧光常常被认作光合作用无效指标的依据。,对提取的叶绿体色素浓溶液照光，在与入射光垂直的方向上可观察到呈暗红色的荧光。,指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。Chl*1Chl2Chl1Chl*2供体分子受体分子,3.色素分子间的能量传递,色素分子吸收的光能，若通过发热、发荧光与磷光等方式退激，能量就被浪费了。在光合器里，聚光叶绿素分子在第一单线态的能量水平上，通过分子间的能量传递，把捕获的光能传到反应中心色素分子，以推动光化学反应的进行。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。,激子传递,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。在由相同分子组成的聚光色素系统中，其中一个色素分子受光激发后，高能电子在返回原来轨道时也会发出激子，此激子能使相邻色素分子激发，即把激发能传递给了相邻色素分子，激发的电子可以相同的方式再发出激子，并被另一色素分子吸收，这种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。,共振传递,在色素系统中，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)，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递，第一个分子中原来被激发的电子便停止振动，而第二个分子中被诱导的电子则变为激发态，第二个分子又能以同样的方式激发第三个、第四个分子。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。,共振传递示意图,在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种分子。分子既无光的发射也无光的吸收，也无分子间的电子传递。,图光合作用过程中能量运转的基本概念许多色素集中在一起作为天线色素，收集光能转运到反应中心。在反应中心化学反应通过从叶绿素色素到电子受体分子的电子转运过程存储一些能量，电子供体再次还原叶绿素能量。在集光色素中的传递是单纯的物理现象不涉及参与任何化学变化。,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。,图聚光系统到反应中心能量传递呈漏斗状（A）光合色素距离反应中心越远，其激发态能就越高，这样就保证了能量向反应中心的传递。（B）尽管在这个过程中一部分能量以热的形式向环境中耗损散，但是在适当的条件下聚光色素复合体吸收的激发态能量都可以传送到反应中心。星号表示激态。,二、光化学反应,(一)反应中心与光化学反应1.反应中心发生原初反应的最小单位,反应中心组成：,反应中心色素分子(原初电子供体)：光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的。反应中心色素分子又称原初电子供体。原初电子受体：直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体次级电子受体与供体等电子传递体维持电子传递体的微环境所必需的蛋白质,光系统的反应中心,配对叶绿素,去镁叶绿素,去镁叶绿素,副叶绿素,副叶绿素,胡萝卜素,2.光化学反应,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可用下式表示光化学反应过程：PAhP*AP+A基态反应中心激发态反应中心电荷分离的反应中心P：反应中心色素分子；P*：激发态色素分子；A：原初电子受体；A-：带负电荷原初电子受体；P+：带正电荷色素分子。反应中心出现了电荷分离，到这里原初反应也就完成了。原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱”，便可从次级电子供体那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体。供电子给P+的还原剂叫做次级电子供体(D)，从A接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(A1)，那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：DP+AA1D+PAA1这一过程在光合作用中反复地进行，推动电子在电子传递体中传递。,(二)PS和PS的光化学反应,高等植物的两个光系统有各自的反应中心。PS和PS反应中心中的原初电子供体很相似，都是由两个叶绿素a分子组成的二聚体，分别用P700、P680来表示。这里P代表色素分子，700、680则代表P氧化时其吸收光谱中变化最大的波长位置是近700nm或680nm处(图9)，也即用氧化态吸收光谱与还原态吸收光谱间的差值最大处的波长来作为反应中心色素的标志。,图9菠菜反应中心色素氧化态与还原态的差示光谱照光下PS(A)、PS(B)反应中心色素氧化(P+)，其氧化态与(黑暗中)还原态(P)的吸收光谱差值最大变化的波长所在位置分别是700nm(A)和682nm(B)。,PS和PS的光化学反应,PS的原初电子受体是叶绿素分子(A0)，PS的原初电子受体是去镁叶绿素分子(Pheo)，它们的次级电子受体分别是铁硫中心和醌分子。PS的原初反应：P700A0hP700*0P700A0PS的原初反应：P680PheohP680*PheoP680+Pheo-,在原初反应中，受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子，完成了光电转变，随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。,PS和PS的电子供体和受体组成,第三节电子传递和光合磷酸化,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。电子传递的结果:一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；另一方面建立了跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，形成ATP。这样就把电能转化为活跃的化学能。,一、电子和质子的传递,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。较为公认的是：“Z”方案由希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充。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。电子传递链呈侧写的“Z”形。,PSII和PSI共同参与从水到NADP+电子传递的Z-方案模式图光下PSII产生氧化水的强氧化剂和还原剂。与此相反，光照下PSI产生还原NADP+的强还原剂和弱氧化剂。两个光系统通过电子传递链连接，使得PSI氧化剂接受PSII还原剂提供传递的电子。,（一）光合链,光合作用的两个光系统和电子传递方案吸收红光的光系统（PS）产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远红光的光系统（PS）产生弱氧化剂和强还原剂。PS产生的强氧化剂氧化水，同时，PS产生的强还原剂还原NADP+。,(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)电子传递有二处逆电势梯度，即P680至P680*，P700至P700*，逆电势梯度的电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动，而其余电子传递都是顺电势梯度的。(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+。(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。,“Z”方案特点：,图10叶绿体中的电子传递模式方框代表了蛋白复合物。LHC和LHC分别是PS和PS各自的聚光色素复合体，M为含Mn的放氧复合体，实线箭头表示非环式电子传递方向；虚线箭头表示环式或假环式电子传递分叉处。,(二)光合电子传递体的组成与功能,1.PS复合体PS的生理功能吸收光能，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。(1)PS复合体的组成与反应中心中的电子传递PS是含有多亚基的蛋白复合体。它由聚光色素复合体、中心天线、反应中心、放氧复合体、细胞色素和多种辅助因子组成。,PSII反应中心结构模式图示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的结构。D1很容易受到光化学破坏。电子从P680传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌QA和QB。图中还表明了Mn聚集体(MSP)对水的氧化。CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。,PS反应中心的核心部分是分子量分别为32000和34000的D1和D2两条多肽。反应中心的次级电子供体Z、中心色素P680、原初电子受体Pheo、次级电子受体QA、QB等都结合在D1和D2上。其中与D1结合的质体醌定名为QB，与D2结合的质体醌定名为QA。这里的Q有双重涵义，既是醌(quinone)的字首，又是荧光猝灭剂(quencher)的字首。,中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47000、43000并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体。它们围绕P680，比LHC更快地把吸收的光能传至PS反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线”。,PS的聚光色素复合体(LHC)，因离反应中心远而称“远侧天线”。LHC除具有吸收、传递光能的作用外，还具有耗散过多激发能，保护光合器免受强光破坏的作用。,高等植物PS的聚光色素复合体(LHC)的结构(A)LHCII的单体结构示意图。有三个跨膜螺旋，结合大约12个叶绿素a（暗绿）和叶绿素b（亮绿），内含类胡萝卜素分子（黄色）。图中显示叶绿素分子相对位置。（B）LHCII三聚体结构示意图。植物光合膜中，以LHCII三聚体的结构分布在PSII反应中心复合体周边（看下图）。,PSI和PSII中叶绿素的分布图中显示了与PSI和PSII结合的特殊叶绿素复合体之间的联系。LHCs三聚体分布在所有的光系统中。在PSI中，中心复合体含有大约90个叶绿素a分子；多余的叶绿素存在于含有叶绿素a和叶绿素b的LHCI复合体中。在PSII中，命名为CP43和CP47的是与D1/D2反应中心紧密结合叶绿素复合体；外围同时存在叶绿素a/b结合蛋白和LHC-II复合体。,LHC磷酸化后，可在类囊体膜上移动，从堆叠的基粒(富含PS)区域横向移动至非堆叠的基质(富含PS)区域，并成为PS的聚光色素系统，扩大了PS的捕光面积，协调两个光系统之间的能量分配。这就是所谓的“天线移动”。,QA是单电子体传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌(图11)，它的电子再传递至QB，QB是双电子传递体，QB可两次从QA接受电子以及从周围介质中接受2个H+而还原成氢醌(QH2)。这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换，生成PQH2。,质体醌的结构和电子传递,A.质体醌有一个醌的头和一个长的非极性的尾，尾部使质体醌定位于膜中B.(质)醌的氧化还原反应；,(2)水的氧化与放氧,CO+2HO*光叶绿体(CHO)+O2*+HO,放氧复合体(OEC)又称锰聚合体(M,MSP)，在PS靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。水的氧化反应是生物界中植物光合作用特有的反应，也是光合作用中最重要的反应之一。,每释放1个O需要从2个H2O中移去4个e，同时形成4个H。,4e,20世纪60年代，法国的乔利尔特(P.Joliot)发明了能灵敏测定微量氧变化的极谱电极，用它测定小球藻的光合放氧反应。他们将小球藻预先保持在暗中，然后给以一系列的瞬间闪光照射(如每次闪光510s，间隔300ms)。发现闪光后氧的产量是不均量的，是以4为周期呈现振荡，即第一次闪光后没有O的释放，第二次释放少量O，第三次O的释放达到高峰，每4次闪光出现1次放氧峰(图12)。用高等植物叶绿体实验得到同样的结果。,图12系列闪光对小球藻放氧量的影响在第三个闪光阶段氧形成量最大，以后每四个闪光都可以看到一个周期性的峰值。氧形成量大约在第20个闪光后体系放O的周期性会逐渐消失，放O量达到某一平稳的数值。(Joliot，1965),科克(B.Kok，1970)等人根据这一事实提出了关于HO裂解放氧的“四量子机理假说”：PS的反应中心与HO之间存在一个正电荷的贮存处(S)每次闪光，S交给PS反应中心1个e；当S失去4e带有4个正电荷时能裂解2个HO释放1个O(图13)，图中S即为MSP，按照氧化程度(即带正电荷的多少)从低到高的顺序，将不同状态的M分别称为S、S、S、S和S。即S不带电荷，S带1个正电荷，S4带4个正电荷。每一次闪光将状态S向前推进一步，直至S。然后S从2个HO中获取4个e并回到S。,在水裂解放氧中的S状态变化氧的转化机制被认为存在5个不同的氧化阶段（S0到S4）循环由于PSII捕获光子可连续进行直到较高氧化态阶段（S4）产生。S4是唯一具有进行水氧化能力的阶段。,S,此模型被称为水氧化钟或Kok钟(Kokclock)。这个模型还认为，S和S是稳定状态，S和S在暗中退回到S，S不稳定。这样在叶绿体暗适应过程后，有3/4的M处于S，1/4处于S。因此最大的放O量在第三次闪光时出现。此外，每次闪光后多数S会发生状态转变，但有些S不发生状态转变，在若干次闪光后体系中的放氧复合体会处于不同状态使变化不同步，因而在若干次闪光后体系放O的周期性会逐渐消失，放O量达到某一平稳的数值。,原Kok钟模型没有指出H的释放部位与机理。后人的闪光实验表明，当S变化时，H的释放数是1、0、1、2，即2个HO中的4H分别在SS，SS，SS转变时释放。氧的释放发生在循环的最后一步。质子释放可能并非来源于水的部分氧化，而是来自放氧复合体上蛋白质的某些可离子化的氨基酸集团。由于放氧复合体位于类囊体的囊腔，因此水氧化释放的H+进入类囊体囊腔中，这也是形成跨类囊体膜H+梯度的重要因素。,锰是水氧化必不可少的元素。S的各种状态很可能代表了含锰蛋白的不同氧化态。每个放氧复合体含有4个Mn的锰聚合体，Mn可以有M2、Mn3和Mn4的各种不同氧化态。而所有4个Mn对O的释放都是必需的。锰原子被四个独立的光化学反应而依次转化为高价的状态，每一次P680被光激发从D1-161酪氨酸得到1个电子，锰聚合体就会转变到1个新的氧化状态，直到氧气的释放。,12.31锰聚集体结构。聚集体中四个锰原子和PSIID1蛋白质的氨基酸残基结合，氧与氯也参与锰聚集体结构。这种模式内还包括一个钙原子,图6-24C,组氨酸,2.质醌,质醌(PQ)也叫质体醌，是PS反应中心的末端电子受体，也是介于PS复合体与Cytb/f复合体间的电子传递体。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(如当一个光系统受损时，使另一光系统的电子传递仍能进行)，可使多个PS复合体与多个Cytb/f复合体发生联系，使得类囊体膜上的电子传递成网络式地进行。质体醌是双电子、双质子传递体，氧化态的质体醌可在膜的外侧接收由PS(也可是PS)传来的电子，同时与H结合；还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给Cytb/f，氧化时把H释放至膜腔。这对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。,3.Cytb/f复合体,Cytb/f复合体作为连接PS与PS两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由几个多肽组成，即Cytf、Cytb、Rieske铁-硫蛋白、亚基、光合电子传递体(Pet)G、M、L等。,PQH+2PC(Cu)Cytb/fPQ+2PC(Cu)+2H,Cytb/f复合体主要催化PQH的氧化和PC的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此Cytb/f复合体又称PQHPC氧还酶。,Q循环,关于Cytb/f复合体介导的跨膜质子转移的机理，Mitchell曾提出Q循环的假设：氧化态的质醌在类囊体膜的外侧接收由PS传来的电子，与质子结合；还原的PQH2将2个电子中的一个传给Cytb6/f复合体中的FeSR，再交给Cytf，进而传给PC。与此同时，PQH2又将第二个电子交给低电位的b，并释放2个H+到膜腔内，电子由低电位的b传至高电位的b，再将电子传至PQ。经过两次电子循环后，PQ两次被还原，双还原的PQ又从膜外结合两个质子，并将其贮入质醌库中。质醌的这种反复进行的氧化还原反应和跨膜转移质子称为(P)Q穿梭或(P)Q循环。Q循环对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。,4.质蓝素,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。它是介于Cytb/f复合体与PS之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。PS复合体存在类囊体非堆叠的部分，PS复合体存在堆叠部分，而Cytb/f比较均匀地分布在膜中，因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。,5.PS复合体,PS的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的还原剂，用于还原NADP+，实现PC到NADP+的电子传递。,高等植物的PS由反应中心和LHC等组成。反应中心内含有1112个多肽，其中在A和B两个多肽上结合着P700及A0、A1、FX、FA、FB等电子传递体。每一个PS复合体中含有两个LHC，LHC吸收的光能能传给PS的反应中心。,模式图中显示了复合体中以A和B命名的两个主要的蛋白质亚基psaA和psaB的分布状况。电子从P700传递到叶绿素分子A0，然后到电子受体A1。电子传递穿过一系列的被命名为FX，FA，FB的Fe-S中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（Fdx）。P700+从还原态的质蓝素（PC）中接受电子。psaF，psaD和psaE几个PSI亚基参与可溶性电子传递体与PSI复合体的结合。,PSI反应中心结构模式,FX、FA、FB是PS中3个铁硫蛋白，都具有4铁-4硫中心结构，其中4个硫与蛋白质的4个半胱氨酸残基连接，它们主要依4铁-4硫中心中的铁离子的氧化还原来传递电子。,图14铁-硫中心的模型左：4铁-4硫型；右：2铁-2硫型,辅助叶绿素,6.铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP还原酶,铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白-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(图14右)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，反应式可用下式表示：2Fd还原+NADP+HFNR2Fd氧化+NADPH,Fd也是电子传递的分叉点。电子从PS传给Fd后有多种去向：传给FNR进行非环式电子传递；传给Cytb/f或经NADPH再传给PQ进行环式电子传递；传给氧进行假环式电子传递；交给硝酸参与硝酸还原；传给硫氧还蛋白(Td)进行光合酶的活化调节。,7.光合膜上的电子与H+的传递,图15光合膜上的电子与质子传递图中经非环式电子传递途径传递4个e-产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收8个光量子(PS与PS各吸收4个)，传递4个e能分解2个H2O，释放1个O2，同时使类囊体膜腔增加8个H，又因为吸收8个光量子能同化1个CO2，而在暗反应中同化1个CO2需消耗3个ATP和2个NADPH，也即传递4个e-，可还原2个NADPH，经ATP酶流出8个H+要合成3个ATP。,LHC等受光激发后将接受的光能传到PS反应中心P680，并在那里发生光化学反应，同时将激发出的e传到原初电子受体Pheo，再传给靠近基质一边的结合态的质体醌(QA)，从而推动了PS的最初电子传递。P680失去e后，变成一个强的氧化剂，它向位于膜内侧的电子传递体YZ争夺电子而引起水的分解，并将产生的氧气和H+释放在内腔。另一方面，QA的e经QB传给PQ，PQ的还原需要2e-和来自基质的2H+。还原的PQH2向膜内转移，传2e-给Cytb6/f复合体，其中1个e-交给Cytb/f，进而传给PQ，另1个e-则传给Fe-SR。因为Cytb/f的氧化还原仅涉及电子，所以2H+就释放到膜腔。还原的Cytf将e-经位于膜内侧表面的PC传至位于膜内侧的PS反应中心P700。与PS一样，P700受光激发后，把e-传给A，经A、FX、FA和FB，再把e-交给位于膜外侧的Fd与FNR，最后由FNR使NADP+还原，NADP+还原时，还要消耗基质中的H+。NADPH留在基质中，用于光合碳的还原。在电子传递的同时，H+从基质运向膜内腔，产生了膜内外的H+电化学势梯度。依电化学势梯度，H+经ATP酶流出时偶联ATP的产生，形成的ATP留在基质中，用于各种代谢反应。,光合膜上的电子与质子传递概况,红线表示电子传递，黑线表示质子传递，蓝线质子越膜运输,(三)光合电子传递的类型,根据电子传递到Fd后去向，将光合电子传递分为三种类型。1.非环式电子传递指水中的电子经PS与PS一直传到NADP的电子传递途径HOPSPQCytb/fPCPSFdFNRNADP按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需吸收8个光量子，量子产额为1/8，同时转运8个H+进类囊体腔。,2.环式电子传递,(1)PS中环式电子传递：由经Fd经PQ，Cytb6/fPC等传递体返回到PS而构成的循环电子传递途径。即：PSFdPQCytb/fPCPS环式电子传递不发生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜运输，可产生ATP，每传递一个电子需要吸收一个光量子。(2)PS中环式电子传递：电子是从QB经Cytb559，然后再回到P680。即：P680PheoQAQBCytb559P680也有实验指出PS中环式电子传递为：P680Cytb559PheoP680,Cytb559,3.假环式电子传递,指水中的电子经PS与PS传给Fd后再传给O的电子传递途径，这也叫做梅勒反应(Mehlersreaction)。HOPSPQCytb/fPCPSFdOFd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。Fd还原+O2Fd氧化+O2-叶绿体中有超氧化物歧化酶(SOD)，能消除O2-。O2-+O2-+2H2SOD2H2O2+O2假环式电子传递的结果造成O的消耗与H2O2的生成。假环式电子传递实际上也是非环式电子传递，也有H+的跨膜运输，只是电子的最终受体不是NADP而是O。,百草枯,二、光合磷酸化,1954年阿农等人用菠菜叶绿体，弗伦克尔(A.M.Frenkel)用紫色细菌的载色体相继观察到，光下向叶绿体或载色体体系中加入ADP与Pi则有ATP产生。从此，人们把光下在叶绿体(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。,(一)光合磷酸化的类型,.非环式光合磷酸化与非环式电子传递偶联产生ATP的反应。非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示。2NADP+3ADP3Pi8h叶绿体2NADPH3ATPO2+2H+HO在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成ATP外，同时还有NADPH的产生和氧的释放。非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有，它在光合磷酸化中占主要地位。.环式光合磷酸化与环式电子传递偶联产生ATP的反应。ADPPi光叶绿体ATPHO环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式，主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始，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。此种光合磷酸化既放氧又吸氧，还原的电子受体最后又被氧所氧化。HO+ADPPi光叶绿体ATP+O2-4H+,NADP+供应量较低，例如NADPH的氧化受阻，则有利于假环式电子传递的进行。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，敌草隆)除草剂所抑制，而环式光合磷酸化则不被DCMU抑制。,(二)光合磷酸化的机理,.光合磷酸化与电子传递的关系-偶联三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联：在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂，光合磷酸化就会停止；在偶联磷酸化时，电子传递则会加快，所以在体系中加入磷酸化底物会促进电子的传递和氧的释放。(发生电子传递而不伴随磷酸化作用称解偶联)磷酸化和电子传递的关系偶联可用ATP/e或P/O来表示。ATP/e：每对电子通过光合电子传递链而形成的ATP分子数；P/O：表示光反应中每释放1个氧原子所能形成的ATP分子数。ATP/e和P/O比值越大，表示磷酸化与电子传递偶联越紧密。,如按8个H+形成3个ATP算，即传递2对电子放1个O2，能形成3个ATP，即ATP/e或P/O理论值为1.5。,2NADP+3ADP3Pi8h叶绿体2NADPH3ATPO2+2H+HO,2.化学渗透学说,有多种学说，如中间产物学说、变构学说、化学渗透学说等，其中被广泛接受的是化学渗透学说。化学渗透学说(chemiosmotictheory)由英国的米切尔(Mitchell1961)提出，该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子的透过具有选择性具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜膜上有偶联电子传递的质子转移系统膜上有转移质子的ATP酶,在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：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(protonmotiveforce,pmf)，并由质子动力推动的合成。许多实验都证实了这一学说的正确性。,(1)化学渗透学说的实验证据,两阶段光合磷酸化实验指光合磷酸化可以相对分成照光阶段和暗阶段来进行，照光不向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物，而断光时再加入底物能形成ATP的实验。1962年，中国的沈允钢等人，用此实验探测到光合磷酸化高能态(Z*)的存在。,1963年贾格道夫(Jagendorf)等也观察到了光合磷酸化高能态的存在。起初认为Z*是一种化学物质，以此提出了光合磷酸化中间物学说。现在知道高能态即为膜内外的H+电化学势。所谓两阶段光合磷酸化，其实质是光下类囊体膜上进行电子传递产生了跨膜的H+电化学势，暗中利用H+电化学势将加入的ADP与Pi合成ATP。,酸-碱磷酸化实验,贾格道夫等(1963)在暗中把叶绿体的类囊体放在p4的弱酸性溶液中平衡，让类囊体膜腔的pH下降至4，然后加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液，这样瞬间的pH变化使得类囊体膜内外之间产生一个H+梯度。,这个H梯度能使ADP与Pi生成ATP，而这时并不照光，也没有电子传递。这种驱动ATP合成的类囊体内外的pH差在活体中正是由光合电子传递和H+转运所形成的。这一酸-碱磷酸化实验给化学渗透假说以最重要的支持证据。,光下类囊体吸收质子的实验,对无pH缓冲液的叶绿体悬浮液照光，用pH计可测到悬浮液的pH升高。这是由于光合电子传递引起了悬浮液中质子向类囊体膜腔运输，使得膜内H+浓度高而膜外较低的缘故。电子传递产生了质子梯度后，质子就有反向跨膜转移的趋向，质子反向转移时，质子梯度所贮藏的能量就被用去合成ATP。以上实验都证实了米切尔的化学渗透学说的正确性，因而米切尔获得了1978年度的诺贝尔化学奖。,(2)H+电化学势与质子动力,e传递与H+向膜内的运转,还会引起类囊体膜的电势变化，从而产生H+电化学势差(H+)：H+=H+内H+外=RT(lnH+内lnH+外)+F(E内E外)=RTln(H+内/H+外)+FE=2.3RTpH+FE式中R-气体常数，T-绝对温度(K)，F-法拉第常数，E-膜电势(V)。25时，H+=5.7pH(kJmol-1)+96.5E(kJmol-1)将式4-31两边用F(96.5kJmol1V1)除，规定H+/F为质子动力(protonmotiveforce，pmf)，单位为电势(V)。在25时：pmf=0.059pH+E叶绿体类囊体膜的质子动力大部分是来自pH部分，电荷分布所产生的E的贡献很小，原因是其它离子，如Cl、K+或Mg2+也能穿透类囊体膜，当H+穿透类囊体膜时，Cl可以与H+同向穿透，或Mg2+与H+(1Mg2+/2H+)反向穿透，这样就保持了电中性，结果不产生电势差。,3.ATP合成的部位ATP酶,质子反向转移和合成ATP是在ATP酶(ATPase)上进行的。ATP酶又叫ATP合(成)酶，也称偶联因子或CF1-CFo复合体。叶绿体的ATP酶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”。ATP酶由九种亚基组成，分子量为550000左右，催化的反应为磷酸酐键的形成，即把ADP和Pi合成ATP。另外ATP酶还可以催化逆反应，即水解ATP，并偶联H+向类囊体膜内运输。,亚基和亚基交替排列组成“六角形”的“头部”，亚基位于“六角形”的中央空隙，亚基位于“柄部”，亚基与亚基与CF0结合。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CF1转动和质子流；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。,CF1,CF1的分子量约400000，它含有,和5种亚基。:3:3:1:1:1,CFo含有四个亚基：、和。是多聚体，可能含有15个多肽。:1:1:12:1和组成柄，形成质子通道，亚基的功能可能与建立质子转移通道或与结合CF1有关。当类囊体膜失去CF1后，就失去磷酸化功能，如果重新加进CF1即可恢复磷酸化功能。失去了CF1的类囊体膜会泄漏质子。但是一旦将CF