复旦大学生化课件-光合作用

1、光合作用,photosynthesis,18世纪初以前，人们仍然认为植物是从土壤中获取生长发育所需要的全部元素。1727年s. hales提出植物的营养有一部分可能来自于空气，并且光以某种方式参与此过程,1771年英国牧师、化学家j. priestley 发现将薄荷枝条和燃烧着的蜡烛放在一个密封的钟罩内，蜡烛不易熄灭；将小鼠与绿色植物放在同一钟罩内，小鼠也不易窒息死亡。 1776年他提出植物可以“净化”由于燃烧蜡烛和小鼠呼吸弄“坏”的空气。接着，荷兰医生j. ingenhousz证实，植物只有在光下才能“净化”空气。人们把1771年定为发现光合作用的年代,1782年瑞士的j. senebier

2、用化学分析方法证明，co2是光合作用必需的，o2是光合作用的产物。1804年n.t.de saussure进行了光合作用的第一次定量测定，指出水参与光合作用，植物释放o2的体积大致等于吸收co2的体积。1864年j.v. sachs观测到照光的叶片生成淀粉粒，证明了光合作用形成有机物。到了19世纪末，人们写出了光合作用的总反应式,1941年美国科学家s. ruben和m. d. kamen通过18o2和c18o2同位素标记实验，证明光合作用中释放的o2来自于h2o。为了把co2中的氧和h2o中的氧在形式上加以区别，通常用下式作为光合作用的总反应式： co2 + 2h2o* (ch2o) + o

3、*2 h2o 至此，人们已清楚地知道光合作用的反应物和生成物，并依据光合产物和o2释放的增加或co2的减少来计算光合速率。例如，用改良半叶法测定有机物质的积累，用红外线co2气体分析仪法测定co2的变化，用氧电极测定o2的变化等。由于植物体含水量高，光合作用所利用的水分只占体内总含水量的极小部分，一般不用含水量的变化来衡量植物的光合速率,chlorophyll：叶绿素 haemin：氯化血红素,瑞士,德,德,美,美,美,英,美、英、丹麦,德,德,美,光合作用(photosynthesis,绿色植物或光合细菌利用太阳的光能把光能转变成化学能，并把co2转化为有机物的过程。 h2o+co2 (ch

4、2o) +o2 （产氧生物） 2h2d+co2(ch2o)+h2o+2d（通式） 光合细菌以其它化合物代替水作为电子供体，不产氧。 2h2s+co2（ch2o）+2s lactate+co2(ch2o) +h2o+ch3cocooh,光能,太阳能是生物能量的最初来源,光合有机体吸收光能转变为还原有机物的化学能，是几乎所有生物能量的最初来源。 大量的能量以光合产物的形式被贮存，每年大约有1018 kj的来自太阳的自由能被光合生物所捕获，相当于全球人类每年消耗化石燃料能量的100倍,太阳光能是所有生物能的最初来源,光合作用的意义,合成有机物，据估计地球上自养植物每年约同化71011 t co2，如

5、以葡萄糖计算，每年同化的碳素相当于四五千亿吨有机物质。 蓄积太阳能量，把太阳投射到地球表面的一部分辐射能转换为化学能，贮藏在形成的有机物中。据计算绿色植物每年贮存的太阳能量为7.110l8 kj，约为全人类日常生活、工业等方面所需能量的100倍。 调节大气成分，在光合作用中，绿色植物每年大约向大气释放5.351011 t 氧，它是地球上一切需氧生物生存所必须的氧源。其中一部分转变为臭氧，在大气上层形成屏障吸收强的紫外辐射，保护生物,光反应与暗反应,robert hill(1939)发现叶绿体照光后产生o2并不需要co2，把光合作用分为两个阶段： i、光反应(light reaction)，需光

6、，光合色素把光能转化为化学能，光解h2o放出o2、并产生atp和nadph。 ii、暗反应(dark reaction)，不需光，利用光反应的atp和nadph将co2固定、还原为糖或其他有机物的一系列酶促反应,光反应产生的能量用于暗反应的固定和同化,叶绿体(chloroplast,类囊体膜上分布着许多电子载体蛋白，包括4种细胞色素、质体醌(pq)、质体蓝素(pc)和铁氧还蛋白(fd,类囊体膜的形成大大增加了膜片层的总面积，更有效地收集光能、加速光反应。类囊体膜含有叶绿素，是光合作用的基地,叶绿素(chlorophyll a,叶绿素a和细菌叶绿素是主要色素，其他为辅助色素,四个吡咯环组成 1个

7、大的卟啉环,其他色素(other pigments,叶黄素,胡萝卜素,藻红素,电磁辐射光谱及可见光光子能量分布,叶绿素的吸收光谱,吸收红光和蓝光，反射绿光,645 nm,663 nm,425,450,光合色素的光吸收,phycoerythrin (pe):藻红蛋白 phycocyanin (pc):藻青蛋白 lutein:叶黄素,叶绿素与光反应中心,phycoerythrin (pe):藻红蛋白 phycocyanin (pc):藻青蛋白 allophycocyanin (ap):异藻青蛋白,光反应系统(photoreaction system,叶绿素分子或/和辅助色素吸收光量子后将光能汇集到

8、一小部分叶绿素分子上，只有这一小部分叶绿素分子能参与光反应将光能转变为化学能，这种由色素分子装配成的系统称为光（反应）系统。 有两类光系统，即ps i, ps ii。每个光系统都含有不同的光化学反应中心和天线（色素）分子,光系统 ii(photoreaction system ii, ps ii,包括三个部分： 1捕获光能的复合体，有200个叶绿素分子和12个跨膜的多肽组成。 2光反应中心核，有50个叶绿素a分子组成，激发电子的光能就由这些天线分子流入反应中心，又称p680。 3. 产生o2的复合体，即光反应的水裂解酶。水裂解酶内由4个锰离子组成簇，位于催化中心，从s0到s4有5种氧化状态,p

9、hotoreaction system iips ii,ps ii 是强氧化剂，通过z形中间物使锰中心失去四个电子，断裂2h2o得到4个电子，产生o2，释放4个h+。不放o2的光合细菌无ps ii，产氧的光合细菌含有ps ii,光系统 i(photoreaction system i,为跨膜复合物，含13条多肽链，由70个chl a和chl b组装而成，光反应中心(p700)有130个chl a分子，ps i在700 nm附近被激活，不产生o2，与一系列的载体相连，最终产生nadph。 ps i与ps ii互相补充（分别由700 nm和680 nm激活），前者产生nadph，后者产生o2,ps

10、 i and ps ii,光系统与atp,光合电子传递链（photosynthetic chain,光反应中心周围的天线色素吸收光能，汇集到反应中心，色素分子受光照激发由基态p激发为激发态p*，通常吸收一个光子可使一个电子的能量提高1v(1ev)。 被激发的电子沿类囊体膜中一系列电子传递体传递，组成了光合作用的电子传递链-光合链。光合链的能量有两次起落，涉及两个光系统，组成z字形光合链。分为两阶段,光合电子传递链ps ii（photosynthetic chain,ps ii被激发为强氧化剂，从h2o得电子产生o2，通过cyt b6f还原质蓝素并产生质子梯度用于atp生成。 ps ii是一个脱

11、镁叶绿素-醌类型的含有几乎等量叶绿素a和b的系统，p680的激发驱动了电子通过细胞色素b6f复合物的流动，并伴随质子的跨类囊体膜的转移,光合电子传递链ps i,ps i光照激发变为p700*(弱氧化剂)，还原的pc捕获电子变为p700，并再一次激发电子，受体a0接受p700*发出的电子变为a0-(强还原剂)，最终传至nadp+形成nadph。 ps i 是铁氧还蛋白型的光系统，高的叶绿素a/b。激发的p700的电子通过fe-s中心蛋白铁氧还蛋白、nadp+，产生nadph,光合电子传递链,plastoquinone：质体醌 phylloquinone：叶绿醌,pheophytin：脱镁叶绿素,

12、光合磷酸化（photophosphorylation,由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成atp的过程。 非循环光合磷酸化（non-cyclic photophosphorylation） 光照激发chl分子p680*从h2o得到电子传递给nadp+，电子流动经过两个ps，两次激发生成的高能电子呈z字传递，产生的质子梯度驱动atp形成，产物还有nadph和o2,光合磷酸化（续）（photophosphorylation,循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation），电子流动的途径从ps i （p700）至fd（铁氧还蛋白）后又传给cytb6/f 复合物，而不

13、传给nadp+，前者又将电子通过pc（质蓝素）传给ps i （p700），电子循环流动产生质子梯度，驱动atp形成，不伴随nadph的产生。ps ii不参与循环，也不产生o2,光合磷酸化作用的机制,化学渗透假说可以科学地解释光合磷酸化作用的机制。人为在类囊体膜两侧形成ph梯度，也能产生atp,光合作用的质子梯度可以被用于合成atp,cf0-cf1 atp合成酶,暗 反 应 dark reaction,卡尔文循环： calvin cycle c3循环、三碳循环,暗反应(dark reaction,绿色植物和光合细菌通过光合磷酸化作用将光能转变为化学能（即nadph的还原能和atp的水解能），并以

14、此促进co2还原为糖，co2的固定和还原主要靠卡尔文循环（calvin cycle，又称三碳或碳三循环,暗反应(dark reaction,melvin calvin(1911-1997) (1940年）通过同位素标记14c-co2和双向纸层析技术，发现光合作用最早标记的产物是3-p-甘油酸，进一步研究发现co2首先与rubp(1, 5-二磷酸核酮糖)缩合为六碳糖，然后迅速裂解为2分子三碳糖（3-p-甘油酸），催化co2与rubp缩合反应的酶是ribulose 1, 5-bisphosphate carboxylase /oxygenase-rubisco 。 calvin循环固定和同化6 c

15、o2生成1分子葡萄糖消耗18 atp和12 nadph,rubp羧化酶carboxylase,叶绿体中催化co2固定的酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，或称rubp羧化酶/加氧酶，缩写为rubisco。 rubisco是植物光合作用的关键酶，为复合物，8个大亚基mr56000，每个含一个活性位点；8个小亚基mr14000，功能还不完全清楚。 植物中酶位于叶绿体的基质，占叶绿体总蛋白的60%，是生物圈中最丰富的酶,光合生物二氧化碳同化的三个阶段,固定,还原,受体再生,卡尔文循环的受体再生,co2还原生成糖,6-p-果糖的合成,co2还原生成糖,蔗糖的生物合成,卡尔文循环,由二氧化碳合成三碳糖需6n

16、adph和9atp,光反应产生的atp和nadph是二氧化碳还原的必需底物,暗反应的调节,限速反应是由rubisco催化的co2的固定反应，酶是别构酶，光照叶绿体产生的三个因素可刺激酶的活性： 叶绿体光照后，质子流向类囊体腔，基质ph升高，由7升至8，刺激酶活； 光照时质子泵入类囊体腔，伴随cl-和mg2+的转移，mg2+升高也刺激酶活； nadph刺激暗反应，光照psi时产生nadph，加速反应活性； 叶绿体中几个酶由于二硫键的还原被活化,rubisco的调节,光通过调节硫氧还蛋白活化卡尔文循环,光呼吸photorespiration,植物的绿色细胞在光下消耗氧气，放出二氧化碳的过程称为光呼

17、吸。仅在光下发生，与光合作用密切相关。通常细胞的呼吸在光照和黑暗中都可以进行，对光照没有特殊要求的呼吸-暗呼吸。 光呼吸速率比暗呼吸速率高3-5倍。 光呼吸是一个氧化过程，被氧化的底物是乙醇酸，乙醇酸的产生则以rubp为底物，催化这一反应的酶是rubisco，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。其催化方向取决于co2和o2的分压。当co2分压高而o2分压低时，rubp与co2经羧化活性生成2分子的pga；反之，则rubp与o2经加氧生成1分子pga和1分子磷酸乙醇酸(c2化合物)，后者在磷酸乙醇酸磷酸（酯）酶的作用下变成乙醇酸,乙醇酸生成光呼吸,低co2、高o2,rubp,进入过氧化物酶体,g

18、ly,转氨酶,线粒体,脱羧酶,ser,h2o+o2,光呼吸的生理作用,光呼吸将光合作用固定的20-40%的碳变为co2放出；从能量的角度看，每释放1分子co2需要消耗6.8个atp和3个nadph。显然，光呼吸是一种浪费。 co2和o2竞争rubisco的同一活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。rubisco催化反应的方向，是进行光合作用还是光呼吸，取决于外界co2与o2浓度的比值。大气中co2/o2比值很低，加氧酶活性就不可避免地表现出来。 其主要生理功能如下: 1. 消除乙醇酸的毒害：乙醇酸的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸消除乙醇酸的代谢作用，避免了乙醇酸积累，使细胞免受伤害,光呼吸

19、的生理作用续,2. 维持c3途径的运转：在叶片气孔关闭或外界co2浓度降低时，光呼吸释放的co2能被c3途径再利用，以维持c3途径的运转。 3. 防止强光对光合机构的破坏：在强光下，光反应中形成的同化力会超过暗反应的需要，叶绿体nadph/ nadp+的比值增高，最终电子受体nadp+不足，由光激发的高能电子会传递给o2，形成超氧阴离子自由基o2-.，o2-.对光合机构具有伤害作用，而光呼吸可消耗过剩的同化力，减少o2-.的形成，从而保护光合机构。 4. 氮代谢的补充：光呼吸代谢中涉及多种氨基酸(甘氨酸、丝氨酸等)的形成和转化过程，它对绿色细胞的氮代谢是一个补充,四碳(碳四)途径(co2固定循

20、环、c4二羧酸途径,1965年，m.d. hatch和c.r. slack研究热带和亚热带植物如甘蔗光合作用时发现，标记的co2首先被标记在苹果酸、草酰乙酸及asp等四碳二羧酸物质上，命名之，又称hatch-slack pathway。后来在玉米、高粱、其他禾本科及莎草科植物中也发现有这一途径,c4植物的叶肉结构,有两类叶绿体进行两类循环，叶肉细胞中进行c4代谢，微管束鞘细胞进行c3循环,c4植物的叶片与c3植物有不同的解剖学特征。c4植物的维管束鞘细胞中含有大量的叶绿体，其叶绿体中的内膜系统主要由基质片层组成，基粒很少，在维管束鞘细胞外面有一圈整齐排列的叶肉细胞,叶肉细胞中，pep羧化酶催化pep羧化生成oaa（草酰乙酸），再转变为苹果酸或天冬氨酸 c4二羧酸从叶肉细胞转移到维管束鞘细胞内脱羧释放co2，进入c3循环固定,c4循环,c4循环,景天科酸代谢途径cam,干旱地