植物的光合作用2

1、第三节第三节 原初反应原初反应思考题：思考题：1.1.原初反应的实质是？原初反应的实质是？2.2.光能光能电能过程是如何进行的？电能过程是如何进行的？光合作用机理光合作用机理表表1 1 光合作用中各种能量转变情况光合作用中各种能量转变情况 能量转变能量转变 光能光能 电能电能 活跃的化学能活跃的化学能 稳定的化学能稳定的化学能 贮能物质贮能物质 量子量子 电子电子 ATPATP、NADPHNADPH2 2 碳水化合物等碳水化合物等 转变过程转变过程 原初反应原初反应 电子传递电子传递 光合磷酸化光合磷酸化 碳同化碳同化 时间跨度时间跨度( (秒秒) )1010-15-151010-9 -9 1

2、010-10-101010- -4 4 10 100 010101 1 10 101 110102 2 反应部位反应部位 PSPS、PSPS颗粒颗粒 类囊体膜类囊体膜 类囊体类囊体 叶绿体间质叶绿体间质 是否需光是否需光 需光需光 不一定，但受光促进不一定，但受光促进 不一定，但受光促进不一定，但受光促进 反应时间反应时间 时间尺度为时间尺度为1010-15-15- -1010一一9 9s s。 在光合膜上色素蛋白复合体中进行的一系列涉及在光合膜上色素蛋白复合体中进行的一系列涉及光子、激子、光子、激子、电子、离子电子、离子等传递和转化的复杂的物理和化学过程。等传递和转化的复杂的物理和化学过程。

3、原初反应原初反应 指指从光合色素分子被光激发，到引起第一个光化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。学反应为止的过程。原初反应特点原初反应特点 1)1) 速度非常快，速度非常快，10101515s s10109 9s s内完成；内完成； 2)2) 与温度无关与温度无关，(77K(77K，液氮温度，液氮温度)(2K)(2K，液氦温度，液氦温度) )； 3)3) 量子效率量子效率接近接近1 1光物理光物理光能的吸收、传递光能的吸收、传递 光化学光化学有电子得失有电子得失包括：包括：原初反应过程原初反应过程光合色素光合色素?光合单位光合单位光合膜上能进行完整光反应的最小结构单位光

4、合膜上能进行完整光反应的最小结构单位一、光能的吸收与传递一、光能的吸收与传递( (一一) ) 激发态形成激发态形成能量最低状态能量最低状态基态基态。色素分子吸收一个光子后色素分子吸收一个光子后-高能高能激发态激发态。 ChlChl* * （激发态）（激发态）ChlChl（基态）（基态）h h 10101515s s叶绿素分子受光激发后的能级变化叶绿素分子受光激发后的能级变化叶绿素：叶绿素：红光区红光区: :第一单线第一单线态态蓝光区蓝光区: :第二单线第二单线态态 配对电子的自旋配对电子的自旋方向：方向：基态；三线基态；三线态；态；第一单线态；第一单线态；第二单线态第二单线态图图8 8 叶绿素

5、分子对光的吸收及能量的释放示意图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，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实线表示能量的释放，半箭头表示电子自旋方向 ( (二二) )激发态的命运激发态的命运ChlChl* *（2 2） ChlChl* *（1 1） + +热热 ChlChl* * Chl ChlT T + +热热 ChlChlT T Chl Chl+ +热热1.1.放热放热激发态的叶绿素分子在能激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能级降低时以热的形式释放能量，量，此过程又称此过程又称内转换内转换

6、或或无无辐射退激辐射退激。在能量利用上蓝光没有红光高。在能量利用上蓝光没有红光高。？2. 2. 发射荧光与磷光发射荧光与磷光 激发态的叶绿素分子激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光回至基态时，可以光子形式释放能量。子形式释放能量。 荧光。荧光。磷光。磷光。 ChlChl* * ChlChl h h 荧光发射荧光发射 ChlChlT T Chl Chl h h 磷光发射磷光发射10-9-9s s 10-2-2s s 磷光波长比荧光长，转换的时间也较长，但强度只有荧光的磷光波长比荧光长，转换的时间也较长，但强度只有荧光的1%因为溶液中缺少能量受体或电子受因为溶液中缺少能量受体或电子受体的缘故。体的

7、缘故。 荧光猝灭剂：荧光猝灭剂：在色素溶液中，如加在色素溶液中，如加入某种受体分子，能使荧光消失。常入某种受体分子，能使荧光消失。常用用Q Q表示。在光合作用的光反应中，表示。在光合作用的光反应中，Q Q即为电子受体。即为电子受体。离体色素溶液为什么易发荧光？离体色素溶液为什么易发荧光？叶绿素荧光常常被认作光合作用叶绿素荧光常常被认作光合作用无无效指标效指标的依据色素发射荧光的与的依据色素发射荧光的与用于光合作用的能量是相互竞争的。用于光合作用的能量是相互竞争的。激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种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。或异种分子而返回

8、基态的过程。 ChlChl* *1 1 ChlChl2 2 ChlChl1 1ChlChl* *2 2 供体分子供体分子 受体分子受体分子共振传递共振传递图图 光合作用过程中能量运转的基本概念光合作用过程中能量运转的基本概念 4. 4. 能量传递给反应中心色素分子，能量传递给反应中心色素分子，启动光化学反应。启动光化学反应。图图 聚光系统到反应中心能量激发呈漏斗状聚光系统到反应中心能量激发呈漏斗状二、光化学反应二、光化学反应( (一一) )反应中心与光化学反应反应中心与光化学反应1.1.反应中心反应中心 原初反应的光化学反应是在原初反应的光化学反应是在光系统的反应中心进行的。光系统的反应中心进

9、行的。反应中心是发生原初反应的最小单位。反应中心是发生原初反应的最小单位。由由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子受反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子受体与供体等电子传递体体与供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的微环境所必需的蛋白质蛋白质等成分组成的等成分组成的。 原初电子受体原初电子受体(A)(A)反应中心色素分子反应中心色素分子(P)(P)原初电子供体原初电子供体(D)(D)2.2.光化学反应光化学反应光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子与光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的原初电子受体间的氧化还原反

10、应氧化还原反应，可用下式表示光化学，可用下式表示光化学反应过程：反应过程：电荷分离电荷分离P PA AP P* *A AP P+ +A Ahh一次原初反应结束一次原初反应结束原初电子供体原初电子供体P P+ +失去电子，有了失去电子，有了“空穴空穴”，成为，成为“陷陷阱阱” ” ，从次级电子供体，从次级电子供体(D)(D) 争夺电子；而原初电子受体争夺电子；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子传给次级电子受体(A(A1 1) ) 。那么电荷分离后反应中心的反应式可写为：那么电荷分离后反应中心的反应式可

11、写为：这一过程在光合作用中不断反复地进行，这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。从而推动电子在电子传递体中传递。D D+ +P PA AA A1 1D DP P+ +A AA A1 1( (二二)PS)PS和和PSPS的光化学反应的光化学反应高等植物的高等植物的两个光系统两个光系统有有各自的反应中心。各自的反应中心。 PSPS和和PSPSP700P700、P680P680小球藻小球藻光质光质量子效率量子效率图图9 9 菠菜反应中心色素吸收光谱的变化菠菜反应中心色素吸收光谱的变化 照光下照光下PS(A)PS(A)、PS(B)PS(B)反应中心色素反应中心色素氧化，其

12、氧化态，与还原态的吸收光谱氧化，其氧化态，与还原态的吸收光谱差值最大变化的波长所在位置分别是差值最大变化的波长所在位置分别是700nm(A)700nm(A)和和682nm(B)682nm(B)。PSPS和和PSPS反应中心都是反应中心都是由两个叶绿素由两个叶绿素a a分子组成的分子组成的二聚体，分别用二聚体，分别用P700P700、P680P680来表示。来表示。 P P代表色素，代表色素，700700、680680则代表则代表P P氧化时氧化时其氧化态，与还原态的吸收其氧化态，与还原态的吸收光谱中变化最大的波长位置光谱中变化最大的波长位置是近是近700nm700nm或或680nm680nm处

13、处. .PSPS的原初反应：的原初反应： P700P700A A0 0 hh P700 P700* *0 0 P700 P700A A0 0PSPS的原初反应：的原初反应： P680P680Pheo Pheo hh P680 P680* *PheoPheo P680 P680+ +PheoPheo- -在原初反应中，受光在原初反应中，受光激发的反应中心色素分激发的反应中心色素分子发射出子发射出高能电子高能电子，完，完成了光成了光电转变。电转变。A?光合作用的两个光系统和电子传递方案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吸收红光的光系统（PS）产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远）产生强氧

14、化剂和弱还原剂。吸收远红光的光系统红光的光系统（PS）产生弱氧化剂和强还原剂。）产生弱氧化剂和强还原剂。PS产生的强产生的强氧化剂氧化水，同时，氧化剂氧化水，同时，PS产生的强还原剂还原产生的强还原剂还原NADP+。 高能电子去处？高能电子去处？原初反应的结果原初反应的结果: 产生了产生了高能电子高能电子推动着光合膜上的电子传递。推动着光合膜上的电子传递。表表1 1 光合作用中各种能量转变情况光合作用中各种能量转变情况 能量转变能量转变 光能光能 电能电能 活跃的化学能活跃的化学能 稳定的化学能稳定的化学能 贮能物质贮能物质 量子量子 电子电子 ATPATP、NADPHNADPH2 2 碳水化

15、合物等碳水化合物等 转变过程转变过程 原初反应原初反应 电子传递电子传递 光合磷酸化光合磷酸化 碳同化碳同化 时间跨度时间跨度( (秒秒) )1010-15-151010-9 -9 1010-10-101010- -4 4 10 100 010101 1 10 101 110102 2 反应部位反应部位 PSPSPSPS颗粒颗粒 类囊体膜类囊体膜 类囊体类囊体 叶绿体间质叶绿体间质 是否需光是否需光 需光需光 不一定，但受光促进不一定，但受光促进 不一定，但受光促进不一定，但受光促进第四节第四节 电子传递和光合磷酸化电子传递和光合磷酸化原初反应的结果原初反应的结果: : 产生了产生了高能电子高

16、能电子推动着光推动着光合膜上的电子传递。合膜上的电子传递。 电子传递的结果电子传递的结果: : ? ?一、电子和质子的传递（一）光合链（一）光合链 指定位在光合膜上的，指定位在光合膜上的，由多个电子传递体组成的由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道。电子传递的总轨道。 希尔希尔(1960)(1960)等人提出并等人提出并经后人修正与补充的经后人修正与补充的“Z”Z”方案。方案。串联串联; ;电子传递体电子传递体; ;氧化还原电位高低。氧化还原电位高低。 (1)(1) 主要由光合膜上主要由光合膜上的的PSPS、CytCyt b b/f/f、PSPS串联串联组成。组成。 (2) (2) 二处逆电势

17、梯度二处逆电势梯度电子传递，即电子传递，即P680P680至至P680P680* *，P700P700至至P700P700* *， 由由聚光色素复合体聚光色素复合体吸收光能后推动电子吸收光能后推动电子传递，而其余都是顺传递，而其余都是顺电势梯度的。电势梯度的。 图图10 10 叶绿体中的电子传递模式叶绿体中的电子传递模式 方框代表了蛋白复合物。方框代表了蛋白复合物。LHCLHC和和LHCLHC分别是分别是PSPS和和PSPS各自的聚光色素复合各自的聚光色素复合体，体，M M为含为含MnMn的放氧复合体，实线箭头的放氧复合体，实线箭头表示非环式电子传递方向；虚线箭头表表示非环式电子传递方向；虚线

18、箭头表示环式或假环式电子传递分叉处。示环式或假环式电子传递分叉处。(3)(3)水的氧化水的氧化PSPS电子传递电子传递; ;4 4个电子个电子,2H,2H2 2O,1O,1个个O O2 2和和4 4个个H H+ +。 NADPNADP+ +的还原的还原 PSPS电子传递电子传递; ;电子最终供体为电子最终供体为水水，电子的最终电子的最终受体为受体为NADPNADP+ +。 (4)(4)PQPQ 建 立 类 囊 体建 立 类 囊 体内外的内外的H H+ +电化学电化学势差势差。( (二二) )光合电子传递体的组成与功能光合电子传递体的组成与功能1.PS1.PS复合体复合体 放氧复合体放氧复合体(

19、OEC)(OEC)又称又称锰聚合体锰聚合体(M,MSP)(M,MSP)，在，在PSPS靠近类囊体腔的一靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧侧，参与水的裂解和氧的释放。的释放。 每释放每释放1 1个个O O2 2个个H H2 2O;4 O;4 个个 e e- -; 4 ; 4 个个 H HS state modelS state model（Kok,1970)Kok,1970)实验：实验： 将小球藻预先保温在暗中，然后给予一系列闪将小球藻预先保温在暗中，然后给予一系列闪光照射（光照射（5-10s5-10s，间隔，间隔300ms300ms），测定每次闪光后），测定每次闪光后的放氧反应。结果见图的放

20、氧反应。结果见图Pattern of oxygen evolution in flashing light.The oxygen evolution apparatus is considered to exist in five different oxidation state (S0 through S4)。S0，S1，S2，S3，S4S0和和S1是稳定态，是稳定态，S2和和S3在暗在暗中退回到中退回到S1，S4不稳定。不稳定。 在叶绿体暗适应过程后，有在叶绿体暗适应过程后，有3/4的的S处于处于S1，1/4 处于处于S0，因此最大，因此最大的放的放O2量在第三次闪光时出现。量在第三次闪

21、光时出现。水氧化钟水氧化钟，或，或KOK钟钟 锰锰是水氧化所必不可少的元素是水氧化所必不可少的元素. .目前认为目前认为,S,S状态状态的转换代表着锰原子的不同氧化状态。已知放氧复合的转换代表着锰原子的不同氧化状态。已知放氧复合体中包含着四个锰原子组成的集合体体中包含着四个锰原子组成的集合体, ,称为称为 MnMn ClusterCluster. .这些锰原子被四个独立的光化学反应依次转这些锰原子被四个独立的光化学反应依次转化为一个新的氧化状态化为一个新的氧化状态, ,直到氧气放出直到氧气放出, Mn, Mn Cluster Cluster又回到原初状态。又回到原初状态。 CaCa2 2+ +

22、和和 ClCl- -也是放氧所必也是放氧所必需的需的, ,但作用还不清楚。但作用还不清楚。Structure of the Structure of the manganese cluster.manganese cluster.质子释放: 水裂解过程中所引起的质子释放似乎与氧的释放没有直接偶联,因为质子释放在氧释放之前,因此质子可能来自放氧复合体上蛋白质的某些可离子化的氨基酸基团.质子电化学势梯度形成: 放氧复合体位于类囊体腔一侧,水氧化放出的质子就释放在类囊体腔,是形成跨类囊体膜质子电化学势梯度的重要因素.Structure of PSII super-complex反应中心蛋反应中心蛋D

23、1,D2,cyt559内天线内天线CP43，CP47放氧复合体（放氧复合体（OEC）捕光色素复合物捕光色素复合物II(LHCII) LHCLHC因离反应中心远而称因离反应中心远而称“远侧天线远侧天线”。 LHCLHC除具有吸收、传递光能的作用外，还具有耗散过除具有吸收、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。多激发能，保护光合器免受强光破坏的作用。(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

24、体的结构分布在PSII反应中心复合体周边（看下图）。v 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。v 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。v 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，从堆叠的基粒从堆叠的基粒( (富含富含PS)PS)区域横区域横向移动至非堆叠的基质向移动至非堆叠的基质( (富含富含PS)PS)区区域域，并成为PS的聚光

25、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“天线移动天线移动”。 Q QA A是单电子体传递体是单电子体传递体; ; 半醌半醌。 Q QB B是双电子传递体是双电子传递体; ; 氢醌氢醌(QH(QH2 2 ) ) 。生成的氢醌可以与醌库的生成的氢醌可以与醌库的PQPQ交换，交换，生成生成PQHPQH2 2。接收电子后产物接收电子后产物2.2.质醌质醌 质体醌为脂溶性分子，非质体醌为脂溶性分子，非极性的极性的尾部使质体醌定位尾部使质体醌定位于膜中于膜中 PQPQ库作为电子、质子的缓库作为电子、质子的缓冲库，能均衡两个光系统冲库，能均衡两个光系统间的电子传递间的电子

26、传递，可使多个，可使多个PSPS复合体与多个复合体与多个CytCyt b b/f /f 复合体发生联系，使复合体发生联系，使得类囊体膜上的电子传递得类囊体膜上的电子传递成成网络式网络式地进行。地进行。 质体醌是双电子、双质子质体醌是双电子、双质子传递体，对类囊体膜内外传递体，对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的建立质子梯度起着重要的作用。作用。Cytb6/f醌的头和一个长的非极性的尾，醌的头和一个长的非极性的尾，3.Cytb3.Cytb/f/f复合体复合体连接连接PSPS与与PSPS两个光系统的中间电子载体系统，两个光系统的中间电子载体系统，多亚基膜蛋白，由多亚基膜蛋白，由CytfCytf、C

27、ytbCytb 、RieskeRieske ( (铁铁- -硫蛋白硫蛋白) )、17kD17kD的多肽的多肽等等4 4个多肽组成。个多肽组成。关于关于CytbCytb/f /f 复合体介导的复合体介导的跨膜质子转移的机理，跨膜质子转移的机理，MitchellMitchell曾提出曾提出Q Q循环循环的假设：的假设：1.1.还原的还原的PQHPQH2 2将将2 2个电子中的一个电子中的一个个传给传给 CytbCytb6 6/f /f 复合体中的复合体中的FeSFeSR R，再交给再交给CytfCytf，进而传给，进而传给 PCPC，2.2.与此同时与此同时，PQHPQH2 2又将又将第二个电第二

28、个电子子交给低电位的交给低电位的b b，并释放，并释放2 2个个H H+ +到膜腔内，电子由低电位的到膜腔内，电子由低电位的b b传至高电位的传至高电位的b b，再将电子传，再将电子传至至PQPQ。经过两次电子循环后，经过两次电子循环后，PQPQ两次两次被还原，双还原的被还原，双还原的PQPQ又从膜外又从膜外结合两个质子，并将其贮入质结合两个质子，并将其贮入质醌库中。醌库中。Q Q 循环循环总结果：氧化总结果：氧化1PQH2为为PQ,向前传递向前传递2个电子，跨膜运转个电子，跨膜运转2个个H+.4.4.质蓝素质蓝素位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质

29、，氧化时呈蓝色。介于色。介于CytCyt b b/f/f复合体与复合体与PSPS之间的电子传递成员之间的电子传递成员通过蛋白质中通过蛋白质中铜离子铜离子的氧化还原变化的氧化还原变化在类囊体腔内扩在类囊体腔内扩散移动散移动来传递电子。其电子传递可被来传递电子。其电子传递可被HgCl2HgCl2所抑制所抑制5.PS5.PS复合体复合体PSPS的的生理功能生理功能是吸收光能，进行光化学反应，是吸收光能，进行光化学反应，产生强的还原剂，用于还原产生强的还原剂，用于还原NADPNADP+ +，实现，实现PCPC到到NADPNADP+ +的的电子传递。电子传递。FX，FA，FB的的Fe-S中心中心A0A1

30、A0: ChlaA1:维生素维生素K1(叶醌叶醌）A A、B(82-83kDa)B(82-83kDa)组组成跨膜的成跨膜的对称异二对称异二聚体聚体，P700P700，A0A0，A1A1，FXFX结合在结合在异二聚体上，异二聚体上，Structure of 2Fe-2S center and 4Fe-4S center6.6.铁氧还蛋白和铁氧还蛋白铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP-NADP还原酶还原酶FdFd和和FNRFNR都是存在类囊体膜表面的蛋白质。都是存在类囊体膜表面的蛋白质。 FdFd是通过它的是通过它的2 2铁铁-2-2硫活性中心中的硫活性中心中的铁铁离子的氧离子的氧化还原传递电子的。

31、化还原传递电子的。 FNRFNR 含含1 1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)(FAD)，依，依靠靠核黄素核黄素的氧化还原来传递的氧化还原来传递H H+ +。存在于类囊体非堆。存在于类囊体非堆叠区外膜处。叠区外膜处。FNRFNR是光合电子传递链的末端氧化酶，是光合电子传递链的末端氧化酶， 2Fd2Fd还原还原+NADP+NADP+ H+ H FNRFNR 2Fd 2Fd氧化氧化 + NADPH+ NADPH基质中的基质中的H+v 传给硫氧还蛋白传给硫氧还蛋白(Td)(Td)进进行 光 合 酶 的 活 化 调行 光 合 酶 的 活 化 调节节。v 交于SO3-参与其还原。

32、 传给传给FNRFNR进行非环式电进行非环式电子传递；子传递； 传给传给CytCyt b b/f /f 或经或经NADPHNADPH再传给再传给PQPQ进行环进行环式电子传递；式电子传递； 传给氧进行假环式电子传给氧进行假环式电子传递；传递；v 交给硝酸参与硝酸还原交给硝酸参与硝酸还原 FdFd也是电子传递的分叉也是电子传递的分叉点。电子从点。电子从PSPS传给传给FdFd后后, , FdredFdred去向去向： 7.7.光合膜上的电子与光合膜上的电子与H H+ +的传递的传递( (三三) ) 光合电子传递的类型光合电子传递的类型 H HO PSPQCytO PSPQCyt b b/fPCP

33、SFdFNR/fPCPSFdFNR NADP NADP 4 4个个e e- -，2 2个个H H2 2O O，1 1个个O O2 2，2 2个个NADPNADP+ +，8 8个光量子，个光量子，8 8个个H H+ +2.2.环式电子传递环式电子传递 PSFdPQCytbPSFdPQCytb/fPCPS/fPCPS H H+ +的跨膜运输的跨膜运输-ATP-ATP，每传递一个电，每传递一个电子需要吸收一个光量子。子需要吸收一个光量子。 P680PheoQP680PheoQA AQQB BCytbCytb559559P680P680 也有实验指出为：也有实验指出为： P680 CytbP680 C

34、ytb559559 Pheo Pheo P680 P680Cytb5593.3.假环式电子传递假环式电子传递 也叫做梅勒反应也叫做梅勒反应(Mehlers(Mehlers reaction) reaction)。 H HOPSPQCytbOPSPQCytb/fPC PSFd/fPC PSFd O O FdFd还原还原 + O+ O2 2 FdFd氧化氧化 + O+ O2 2- - 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(SOD) (SOD) O O2 2 - - + O + O2 2 - - + 2H + 2H2 2 SOD SOD 2H 2H2 2O O2 2 + O + O2 2.引起引起水的裂解放

35、氧水的裂解放氧以及以及NADP+的还原的还原； 建立了建立了跨膜的质子动力势跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，启动了光合磷酸化，形成形成ATP。电子传递结果：电子传递结果：光合磷酸化的发现光合磷酸化的发现v1954，Arnon等发现向菠菜叶绿体加入等发现向菠菜叶绿体加入ADP、Pi和和NADP+，在光下不加入，在光下不加入CO2时，时，在体系中有在体系中有ATP和和NADPH产生。产生。完整叶绿体完整叶绿体黄色上清液黄色上清液离心离心破碎破碎绿色上清液绿色上清液含暗反应的酶含暗反应的酶ADP、 Pi和和NADP+ATP和和NADPH二、光合磷酸化二、光合磷酸化光合磷酸化：光合磷酸化：光下在叶

36、绿体光下在叶绿体( (或载色体或载色体) )中发生的由中发生的由ADPADP与与PiPi合成合成ATPATP的反应的反应概念概念( (一一) ) 光合磷酸化的类型光合磷酸化的类型. .非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化 与非环式电子传递偶联产生与非环式电子传递偶联产生ATPATP的反应。的反应。 2NADP2NADP+ +3ADP3ADP3Pi 3Pi 8h8h叶绿体叶绿体 2NADPH2NADPH3ATP3ATPO O2 2+2H+2H+ +H HO O ATPATP; ;NADPHNADPH; ;O O2 2。 含有基粒片层的放氧生物所特有，在光合磷酸化中占主要地位含有基粒片层的放氧生物所特

37、有，在光合磷酸化中占主要地位 . .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与环式电子传递偶联产生ATPATP的反应。的反应。 ADP ADP Pi Pi 光光 叶绿体叶绿体 ATPATP H HO O 非光合放氧生物光能转换的唯一形式，主要在基质片层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起着补充ATPATP不足的作用。不足的作用。. .假环式光合磷酸化假环式光合磷酸化 与假环式电子传递偶联产生与假环式电子传递偶联产生ATPATP的反应。的反应。既放氧又吸氧。既放氧又吸

38、氧。 H HO + ADP O + ADP Pi Pi 光光 叶绿体叶绿体 ATP + OATP + O2 2- -4H4H+ +.( (二二) )光合磷酸化的机理光合磷酸化的机理. .光合磷酸化与电子传递的关系光合磷酸化与电子传递的关系-偶联偶联 三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联：三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联： 如在叶绿体体系中加入如在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂电子传递抑制剂, ,光合磷酸化就会停止；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磷酸化底物化底物会促进电子的传递和氧的释放。会促进电

39、子的传递和氧的释放。 ( (解偶联解偶联: :发生电子传递而不伴随磷酸化作用发生电子传递而不伴随磷酸化作用) ) 磷酸化和电子传递的关系偶联可用磷酸化和电子传递的关系偶联可用ATP/e或或P/O来表示。来表示。实侧值实侧值0.9-1.32.2.光合磷酸化的机理光合磷酸化的机理 中间产物学说中间产物学说 变构学说变构学说 化学渗透学说化学渗透学说化学渗透学说化学渗透学说(chemiosmotic(chemiosmotic theory) theory) 由英国的米切尔由英国的米切尔(Mitchell(Mitchell1961)1961)提出，提出， 该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：该学

40、说假设能量转换和偶联机构具有以下特点： v由磷脂和蛋白构成的膜对离子和质子的透过具有由磷脂和蛋白构成的膜对离子和质子的透过具有选择性选择性 v具有氧化还原电位的具有氧化还原电位的电子传递体不匀称电子传递体不匀称地嵌合在膜上地嵌合在膜上 v膜上有偶联电子传递的膜上有偶联电子传递的质子转移系统质子转移系统 v膜上有转移质子的膜上有转移质子的ATPATP酶酶 在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：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子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力(proton motive (proton motive forc

41、e,pmfforce,pmf) )，并由质子动力推动的合成。，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。许多实验都证实了这一学说的正确性。(1)(1)化学渗透学说的实验证据化学渗透学说的实验证据两阶段光合磷酸化实验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，指光合磷酸化可以相对分成照光阶段和暗阶段来进行，照光不照光不向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物，而向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物，而不照光不照光时再时再加加入底物能入底物能形形成成ATPATP的实验。的实验。 19621962年，中国的沈允钢等人，用此实验探测到光合磷酸化高能年，中国的沈允钢等人，用此实验

42、探测到光合磷酸化高能态态(Z(Z* *) )的存在。的存在。 19631963年贾格道夫年贾格道夫(Jagendorf(Jagendorf) )等也观察到了光合磷酸化高能态等也观察到了光合磷酸化高能态的存在。起初认为的存在。起初认为Z Z* *是一种化学物质，以此提出了是一种化学物质，以此提出了光合磷酸化光合磷酸化中间物学说中间物学说。现在知道高能态即为膜内外的。现在知道高能态即为膜内外的H H+ +电化学势电化学势。 酸酸- -碱磷酸化实验碱磷酸化实验 贾格道夫等贾格道夫等(1963)(1963)在暗中把叶绿体的类囊体放在在暗中把叶绿体的类囊体放在p p4 4的弱酸的弱酸性溶液中平衡，让类囊

43、体膜腔的下降至性溶液中平衡，让类囊体膜腔的下降至4 4，然后加进，然后加进pH8pH8和含有和含有ADPADP和和PiPi的缓冲溶液，这样的缓冲溶液，这样瞬间的瞬间的pHpH变化变化使得类囊体膜使得类囊体膜内外之间产生一个内外之间产生一个H H+ +梯度。梯度。 这个这个H H梯度能使梯度能使ADPADP与与PiPi生成生成ATPATP，而，而这时并没照光，这时并没照光，也没有电子传递也没有电子传递。这种驱。这种驱动动ATPATP合成的类囊体内外的合成的类囊体内外的pHpH差在活体中正是由光合差在活体中正是由光合电子传递和电子传递和H H+ +转运所形成转运所形成的。的。光下类囊体吸收质子的实

44、验光下类囊体吸收质子的实验 对无对无pHpH缓冲液的叶绿体悬浮液照光，缓冲液的叶绿体悬浮液照光，用用pHpH计计可测到可测到悬浮液的悬浮液的pHpH升高升高。这。这是由于光合电子传递引起了悬浮液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，使得膜中质子向类囊体膜腔运输，使得膜内内H H+ +浓度高而膜外较低的缘故。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向转移时，质子梯度所贮藏的能量就被用去合成就被用去合成ATPATP。 以上实验都证实了米切尔的化学渗

45、以上实验都证实了米切尔的化学渗透学说的正确性，因而米切尔获得透学说的正确性，因而米切尔获得了了19781978年度的诺贝尔化学奖。年度的诺贝尔化学奖。(2)H(2)H+ +电化学势与质子动力电化学势与质子动力 e e传递与传递与H H+ +向膜内的运转向膜内的运转, ,还会引起类囊体膜的电势变化，从还会引起类囊体膜的电势变化，从而产生而产生H H+ +电化学势差电化学势差(H(H+ +) ) (kJ(kJmolmol-1-1) ) ： vHH+ += =HH+ +内内-H-H+ +外外 =2.3RTpH+FE=2.3RTpH+FE 式中式中R R气体常数，气体常数，T T绝对温度绝对温度(K)

46、(K)，F F法拉第常数，法拉第常数，EE膜电势膜电势(V)(V) 2525时，时，HH+ + =5.7pH+96.5E=5.7pH+96.5E 将两边用将两边用F F(96.5kJ(96.5kJmolmol1 1V V1 1) )除，规定除，规定HH+ +/F/F为为质子动力质子动力，其单位为电势其单位为电势(V)(V)。在。在2525时：时：pmfpmf=0.059pH+E=0.059pH+E 质子动力大部分是来自质子动力大部分是来自pHpH部分部分E E ？叶绿体类囊体膜上ATP的生成3.ATP3.ATP合成的部位合成的部位ATPATP酶酶 ATPATP酶酶(ATPase(ATPase)

47、 )又叫又叫ATPATP合成酶，合成酶，也称也称偶联因子偶联因子或或CFCF1 1-CF-CFo o复合体复合体。 叶绿体的叶绿体的ATPATP酶由两个蛋白复合酶由两个蛋白复合体组成体组成 ATPATP酶由九种亚基组成，分子量酶由九种亚基组成，分子量为为550 000550 000左右左右H H+ + transport orientationtransport orientation？合成合成ATPATP水解水解ATPATPCF1CF1 CFCFo o是质子的是质子的“通道通道”，供应质，供应质子给子给CFCF1 1去合成去合成ATPATP。CFCF1 1如何利用如何利用H H越膜所释放的能

48、量来合成越膜所释放的能量来合成ATPATP？结合转化机制的变构学说结合转化机制的变构学说，由由Paul BoyerPaul Boyer提出提出v埋置于埋置于膜中膜中v疏水性疏水性v突出于膜表面突出于膜表面v亲水性亲水性 该该学说认为，在学说认为，在ATPATP形成过程中，与形成过程中，与ATPATP合成酶的合成酶的3 3个个亚基亚基各具一定的构象，各具一定的构象，分别称为分别称为紧绷紧绷(tight)(tight)、松驰、松驰(loose)(loose)和开和开放放(open)(open)，各自对应于底物结合、产物形，各自对应于底物结合、产物形成和产物释放的三个过程成和产物释放的三个过程( (见图见图) ) 。ATPATP合成的结合转化机制合成的结合转化机制-亚基亚基的转动引起的转动引起亚基的构象依紧绷亚基的构象依紧绷(T)(T)、松驰、松驰(L)(L)和开放和开放(O)(O)的顺序变化的顺序变化，完，完成成ADPADP和和PiPi的结合、的结合、 ATPATP的形成以及的形成以及ATPATP的的释放三个过程释放三个过程。构象的相互依次转化构象的相互依次转化是和是和质子的通过引起质子的通过引起亚基的旋转相亚基的旋转相偶联偶联