细胞生物学144-9-3第八章B：叶绿体与光合作用演示文稿.ppt

1,8.3光反应,叶绿体的主要功能是进行光合作用(photosynthesis)。光合作用反应式:6CO2+6O2H+光C6H12O6+6O2+化学能(674000千卡)。1905年，F.Blackman提出光合作用可分为两个不同的阶段，即光反应和暗反应(lightanddarkreaction)。光反应是对光的吸收，并产生氧。暗反应涉及到CO2的固定(从大气中摄取CO2并将CO2转变成含有还原碳的有机物)。在第一阶段，吸收光能，并将光能转变成化学能。,2,光反应,光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收传递光能,并将光能转化为化学能,形成ATP和NADPH的过程。在此过程中水分子被光解,释放出氧。光反应包括光能的吸收、传递和转换过程,即光合作用的原初反应、电子传递、光合磷酸化。光反应的场所是类囊体。,3,8.3.1原初反应(primaryreaction),指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程。包括光能的吸收、传递和转换。即光能被聚光色素分子吸收,并传递至作用中心,在作用中心发生最初的光化学反应,使电荷分离从而将光能转化为电能的过程。,4,8.3.1原初反应,光吸收色素光的吸收是靠聚光色素(light-harvestingpigment)完成的。聚光色素又称为光吸收色素(light-absorbingpigment),此类色素位于类囊体的膜上，只具有吸收聚集光能的作用,而无光化学活性,故此又称为天线色素。,5,植物中进行光合作用的主要色素是叶绿素(chlorophylls),它是一类含脂的色素家族，位于类囊体膜，并且赋予植物的绿色。叶绿素吸收的光主要是蓝色和红色而不是绿色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。植物含有几种类型的叶绿素，它们之间的差别在于烃侧链的不同。叶绿素a存在于光合作用的真核生物和蓝细菌中。,6,在高等植物和绿藻的细胞中含有叶绿素b,而在其它一些类型的细胞中含有叶绿素c。除了叶绿素之外，类囊体还含有其它一些相关色素，帮助叶绿素提高光合作用中对光吸收的效应，这类色素主要是类胡萝卜素(carotenoids),也是一种含脂的分子家族，类胡萝卜素吸收紫色和蓝色光(400-500nm)。另一类帮助叶绿素进行光吸收的色素是藻胆素(phycobillins),存在于红藻和蓝细菌中。,7,叶绿素的结构,8,光吸收色素,9,8.3.1原初反应,光系统(photosystems)1930年有人发现叶绿体在光合作用中，每固定一个CO2分子需要2500个叶绿素分子，后来又发现每固定一分子CO2，需要消耗8个光质子，这样固定一个光质子大约需要300个分子的叶绿素。进行光吸收的功能单位称为光合系统(phoyosystemb),它是由叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白质所组成。每一个光系统含有两个主要的成分捕光复合物(light-harvestingcomplex)和光反应中心复合物(reaction-centercomplex)。,10,捕光复合物是由几百个叶绿素分子、若干同蛋白质连接起来的类胡萝卜素分子所组成。当捕光复合物中的叶绿素或类胡萝卜素吸收一个光质子时，就有一个电子被激活，色素的这种激发状态相互传递，一直到达反应中心的一对特殊的叶绿素a。反应中心复合物是由几种与叶绿素a相关的多肽，以及一些与脂相连的蛋白质所构成,它们的作用是作为电子供体和受体。光系统中的光吸收色素的功能像是一种天线，将捕获的光能传递给中心的一对叶绿素a,由叶绿素a激发一个电子，并进入光合作用的电子传递链。,11,光合作用的电子产生,12,8.3.1原初反应,反应机理捕光复合物中的聚光色素吸收光质子,由基态变为激发态相互传递最后传给作用中心的一对特殊的叶绿素分子a,这一对叶绿素分子是同作为电子供体和受体的蛋白质紧紧地结合在一起的。叶绿素a被激发成激发态,同时放出电子给原初电子受体,此时叶绿素a被氧化成带正电荷的氧化态的叶绿素a,而受体被还原成带负电荷的还原型受体。氧化态的叶绿素a又可从原初电子供体处获得电子而恢复为原来的还原状态,原初电子供体则被氧化成氧化态,原初电子受体将高能电子释放进入电子传递链，完成了光能转化为化能的过程。,13,光能转换成电能,14,8.3.2电子传递,类囊体膜上具有全部由光能转化为化学能所需的功能组分,包括捕光天线色素、两个光反应中心、各种电子载体、从水中摄取电子的酶以及合成ATP的系统。这些组分分别组装成膜蛋白复合物,这些复合物在类囊体膜上呈不对称分布。,15,8.3.2电子传递,电子载体光合作用的电子传递链(photosyntheticelectrontransferchain)是由一系列的电子载体构成的，同线粒体呼吸链中的电子载体的作用基本相似。但二者不同的是，线粒体呼吸链中的载体位于内膜，而光合作用的电子载体位于类囊体膜并且是一个吸热的过程而不是放热的过程。,16,细胞色素植物细胞有几个特殊的细胞色素参与光合作用的电子传递。细胞色素b6和细胞色素f的吸收波长分别是:563nm、553nm。铁氧还蛋白(ferredoxin):它含有一个氧化-还原的位点，该位点有两个同硫结合的铁原子,通过Fe3+Fe2+的循环传递电子。NADP+还原酶参与光合作用电子传递的主要黄素蛋白是NADP+还原酶，是一种含有FAD的酶，催化电子从铁氧还蛋白传递给NADP+。质体兰素(plastocyanin,PC):一种含铜的蛋白质,氧化型呈蓝色,传递电子时靠Cu2+Cu+的状态循环。,17,电子载体,质体醌(plastoquinone,PQ):质子和电子载体,同线粒体的电子传递链的醌一样，也是通过醌和醌醇循环。NADP+是光合作用中的最后一个电子受体，是NAD+的衍生物。NADP+接受两个电子成为还原型的NADPH。,18,电子载体I质体醌,19,8.3.2电子传递,电子传递链中的复合物捕光复合物(light-harvastingcomplex,LHC)又称捕光叶绿素-蛋白质复合物,或天线复合物(Antennacomplex)。从豌豆植物中分离的LHC是一种三体复合物，含有三个膜整合肽，每一个肽至少有12个叶绿素分子(7个叶绿素a和5个叶绿素b)、两个类胡萝卜素通过非共价键附着。由于捕光复合物与PS紧密相连，因此亦可将它看成是PS复合物的一部分。,20,8.3.2电子传递,PS复合物(photosystemcomplex,PS)即光系统II(PSII)复合物,主要分布在基粒内囊体膜上。光系统反应中心叶绿素的最大光吸收峰是680nm，叶绿素在膜中光吸收的变化主要是同膜蛋白相互作用的结果，而不是叶绿素本身的差异。PS的组成成分较为复杂，只含有六个膜整合肽和几个紧密连接的脂，包括反应中心P680细胞色素，含有几十个叶绿素a和b、类胡萝卜素等。另外还有几个离子，包括四个锰原子，还有细胞色素b559等。,21,光系统,22,光系统的功能结构,23,8.3.2电子传递,PS复合物(photosystemcoplex,PS)即光系统I(PSI)。在基粒类囊体和基质类囊体上均有分布。PSI是一种复合物，约有250300个色素分子和载体分子所组成，并含有一个作用中心P700、cytf、PC、2个cyt563、铁氧化还原蛋白、铁氧化还原蛋白-NADP还原酶,存在基质和基粒类囊体上。,24,光系统I的功能结构,25,电子传递链中的复合物,细胞色素b6/f复合物细胞色素b/f复合物是类囊体膜上可分离出来的多亚基膜蛋白。它由四个多肽组成:即细胞色素f、细胞色素b6、Rieske铁硫蛋白和一个功能不清的分子量为17kD的多肽。,26,细胞色素b6/f复合物,27,8.3.2电子传递,光合作用中的电子传递由于在光合作用的电子传递链中有两个光系统，它们都能吸收光能进行光反应，所以会形成两个高峰(hill),通常用Z形图来表示电子传递过程。在Z形图上，有两点由于吸收了光质子引起被传递电子自由能的增加。根据Z形图，可以将电子传递分为四个不同的阶段。,28,光合作用中的电子传递链,29,光合作用中的电子传递,水的裂解与电子向质体醌的传递光系统从光质子中得到能量，能量传递到光反应中心的P680，使叶绿素P680成为P680*，激发态的P680释放出电子，并被传递到邻近的褐藻素，这是一种被修饰了的叶绿素a，然后从褐藻素传递到质体醌，叫QA、传递到QB，进一步传递到PQ。在此过程中，P680先是失去了电子成为带正电荷的P680+，P680失去的电子从裂解的水分子释放出的电子得到补充，又成为还原态。2H2OO2+4H+4e-,30,值得注意的是水的光解释放出了4个电子，而P680一次只能接受一个电子，如何解释这种现象?后来有人做了这样的实验将能够进行光合作用的膜进行短暂的光照，然后检查生成的氧的量，发现连续照射四次之后氧的释放量最大。为此提出了一个水氧化的时钟理论水的电子释放分四次进行，当时钟释放了四个电子后才从两分子水中补充四个电子。这一阶段可总结如下H2OMnZP680褐藻素QAQB,31,水的电子释放的四个阶段,32,光合作用中的电子传递,电子从质体醌传到质体蓝素当电子从光系统传递到QB之后，还原型的QB分子离开PS，以游离的质体醌(PQ)的形式进入膜的双脂层，最后将电子传递给细胞色素b/f复合物。该复合物含有四种多肽亚基，其中三个含有能够转移电子的铁原子，它们分别是细胞色素b,细胞色素f铁硫蛋白。,33,光合作用中的电子传递,电子从质体蓝素传递给铁氧化还原蛋白光系统至少有11种膜整合多肽，和几个紧密结合的脂，包括反应中心P700细胞色素，以及与反应中心有关的捕光复合物(LHC)。LHC含有100多个叶绿素a和b，以及一些同色素结合的蛋白质。PS的作用是将电子从质体蓝素传递到铁氧化还原蛋白。电子从PS的中心色素分子传递到铁硫蛋白要经过一系列的蛋白结合的电子载体A0，是一种细胞色素a，A1，是一种醌(维生素K1)，FeSX、FeSA、FeSB是铁硫中心。,34,光合作用中的电子传递,由NADP+还原酶将电子从铁硫蛋白传递给NADP+。铁硫蛋白接受的来自于PS的电子可在NADP+还原酶的催化下传递给NADP+，NADP+还原成NADPH需要两个电子，所以需要两个还原型的铁硫蛋白。,35,8.3.3光合磷酸化(photophosphorylation),在叶绿体进行的光合作用过程中,会产生电化学氢质子梯度，因而能够驱动ADP磷酸化合成ATP,这一总过程由于是光驱动的,故叫光合磷酸化。它同线粒体的氧化磷酸化的主要差别是氧化磷酸化是由高能食物分子氧化驱动的，而光合磷酸化是由光质子驱动的。,36,8.3.3光合磷酸化,光合磷酸化的类型非循环式光合磷酸化(non-cyclicphotophosphorylation)光照后,激发态的叶绿素P680从水光解得到电子,电子传递经过两个光系统,并在传递过程中产生H+质子梯度,且同磷酸化相偶联,产生ATP。在此过程中,电子的传递是一个开放的通道。电子的最终受体是NADP+,最终产物有ATP、NADPH、分子氧。,37,8.3.3光合磷酸化,循环式光合磷酸化(cyclicphotophosphorylation)光诱导的电子从系统I传递给铁氧化还原蛋白后不是进一步传递给NADP+，而是传递给细胞色素b/f复合物，再经由质体兰素(PC)而流回到光系统I。此过程的产物仅为ATP,无NADPH、水和分子氧。循环式光合磷酸化约占光合磷酸化的10-20%。,38,非循环式光合磷酸化,39,循环式光合磷酸化,40,光合磷酸化的类型,假循环式光合磷酸化(pseudo-cyclicphotophosphorylation)在假循环式电子流中,偶联磷酸化形成ATP的过程同非循环式电子流相似,只是以分子氧代替了NADP+作最终电子受体,氧接受电子后,产生H2O2,H2O2再转变为H2O。电子自PS侧的H2O,通过电子传递链到P700,再到Fd,继之由Fd到O2,又形成H2O。由于电子从H2O通过长途传递,又到H2O,电子好似走了一个循环,为与真正的循环式电子流相区别,故称为假循环式电子流。,41,8.3.3光合磷酸化,能量转换装置光合磷酸化的能量转化单位是ATP酶复合体(CF1-CF0-ATPasecomplex),位于类囊体膜上，朝向叶绿体基质，简称CF1颗粒。主要由两部分组成,即头部(CF1)和膜部(CF0)。CF1有五种亚基:、,分子量分别是59、56、37、17、13kD。在、亚基上有ATP、ADP结合部位和催化部位。亚基与CF0结合。亚基控制质子流动。亚基在暗处有抑制此复合物催化活性的功能,限制ATP的水解。CF0至少有三个亚基插入膜中，以六聚体(18kD)形成质子通道。CF1ATP酶的激活与线粒体的不同,要-SH化合物,同时还要Mg2+。,42,8.3.3光合磷酸化,类囊体膜重建实验叶绿体中的ATP到底是怎样合成的?类囊体膜上的CF1-CF0是否就是ATP合成酶?采用类似于线粒体膜重建的方法进行了叶绿体的分离和类囊体重建实验，证明了CF1颗粒就是ATP合成酶，偶联光合磷酸化的装置。,43,类囊体膜重建,44,8.3.3光合磷酸化,光合磷酸化的机理光合磷酸化的机理同线粒体进行的氧化磷酸化相似,同样可用化学渗透学说来解释。化学渗透学说的基本要点是:在电子传递和ATP形成之间,起偶联作用的是膜内外之间存在的质子电化学梯度。电子在膜上的传递象一个H+泵,促使H+穿过膜进行定向传递,形成膜两侧的H+质子梯度。由于H+的传递是由泵来推动的,因此,在形成质子电动势梯度时就会储存能量,它可用于将ADP+Pi形成ATP。,45,8.3.3光合磷酸化,类囊体膜进行的光合电子传递与光合磷酸化需要四个跨膜复合物参加光系统、细胞色素b6/f复合物、光系统和ATP合成酶。由三个可动的物质质体醌、质体蓝素和H+质子将这四个复合物在功能上连成一体。,46,类囊体的光能吸收与电子传递,47,类囊体的光能吸收与电子传递,48,8.4暗反应(darkreaction),有人将高等植物的光合作用分为三个阶段:第一阶段是光能的吸收、传递和转化,第二阶段是电子传递和光合磷酸化,第三阶段是二氧化碳的同化。实际上第一、第二阶段是光反应过程，在类囊体上进行，第三阶段是暗反应,进行CO2的固定，在叶绿体基质中进行。暗反应是指叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP的化学能,将CO2还原合成糖。CO2还原成糖的反应不需要光,故这一反应称为暗反应。暗反应是在叶绿体基质中进行的。,49,8.4.1C3途径,在C3途中，由于反应的最初产物3-磷酸甘油酸含三碳化合物,因此,又称三碳循环,这是卡尔文(Calvin)等在50年代用14C示踪法研究出来的,故称卡尔文循环。可分为三个阶段:羧化、还原和RuBP的再生。CO2的羧化CO2被还原之前,首先被固定形成羧基,以RuBP作为CO2接受体,在RuBP羧化酶的作用下使RuBP与CO2反应形成两分子的3-磷酸甘油酸(PGA)。,50,卡尔文循环,51,8.4.1C3途径,还原阶段3-磷酸甘油酸首先在磷酸甘油激酶的催化下被ATP磷酸化形成1.3二磷酸甘油酸,然后在甘油醛磷酸脱氢酶的催化下被NADPH还原成3-磷酸甘油醛。这是一个吸能反应,光反应中形成的ATP和NADPH主要是在这一阶段被利用。所以,还原反应是光反应和暗反应的连接点,一旦CO2被还原成3-磷酸甘油醛,光合作用的贮能过程便完成。,52,8.4.1C3途径,RuBP的再生利用已形成的3-磷酸甘油醛经一系列的相互转变最终再生成5-磷酸核酮糖。然后在磷酸核酮糖激酶的作用下,发生磷酸化作用生成RuBP,再消耗一个ATP。综上所述,三碳循环是靠光反应形成的ATP机NADPH作能源,推动CO2的固定、还原,每循环一次只能固定一个CO2,循环6次,才能把6个CO2分子同化成一个己糖分子。实际上，通过卡尔文循环，将CO2转变成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH。,53,8.4.2C4植物和CAM植物,C4途径1965年，HugoKortschak报道,用14CO2加到甘蔗中，发现放射性首出现在四碳骨架中，而不是出现在PGA中。进一步地分析发现，这些C4物质是CO2同磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)结合的结果，因此发现了CO2固定的第二种机制，这种固定CO2的机制称为四碳双羧酸途径,简称为C4途径。将CO2连接到PEP上的酶是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。利用这种途径固定CO2的植物称为C4植物，主要是热带草本植物。,54,8.4.2C4植物和CAM植物,CAM植物大约有5%以下的植物具有另外的生化适应性，它们能够在非常热而干燥的沙漠环境中生存。这些植物称为CAM植物，它们不是在白天固定CO2，而是在夜间进行CO2的固定，固定CO2的酶也是PEP羧化酶。,55,8.5.叶绿体遗传、起源,8.5.1叶绿体遗传1962年Ris和Plaut在电镜下观察衣藻时发现了叶绿体DNA。基因组的基本特性叶绿体DNA呈环状，周长随不同生物而有所不同,约为45um,变动范围在40-60um。叶绿体DNA在化学组成上的特点是不含5甲基胞嘧啶,并且不同组蛋白结合成复合体。叶绿体DNA的分子量在10-1410-16g,浮力密度为1.695,而细胞核的为1.697。,56,烟草叶绿体基因组,57,8.5.1叶绿体遗传,基因组结构大多数植物叶绿体的DNA中都存在为数极少的重复顺序。根据重复顺序的多少,分为三种类型:第一类含两个反向重复(InvertedRepeat);第二类含三个同向重复顺序(tandemsequence);第三类没有重复顺序,整个基因组都是单拷贝区。叶绿体编码的基因有rRNA基因，如编码23S、16S