生物光合作用详程

生物光合作用详程第1页/共97页不同层次和时间上的光合作用第2页/共97页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：原初反应特点速度非常快，10－12s∽10－9s内完成；与温度无关，(77K，液氮温度)(2K，液氦温度)；量子效率接近1光物理－光能的吸收、传递

光化学－有电子得失第3页/共97页

反应中心色素：少数特殊状态的chla分子，它具有光化学活性，是光能的“捕捉器”、“转换器”。聚光色素（天线色素）：没有光化学活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。概念第4页/共97页第5页/共97页第6页/共97页第7页/共97页光合单位光合膜上能进行完整光反应的最小结构单位第8页/共97页第9页/共97页第10页/共97页第11页/共97页第12页/共97页第13页/共97页第14页/共97页Chl*→

Chl+热Chl*→ChlT+热ChlT→Chl+热

另外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，在极短的时间内以热能释放。由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。在能量利用上蓝光没有红光高。1.放热激发态的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。？？第15页/共97页第16页/共97页第17页/共97页第18页/共97页第19页/共97页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。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。第20页/共97页图光合作用过程中能量运转的基本概念

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。第21页/共97页第22页/共97页第23页/共97页第24页/共97页第25页/共97页第26页/共97页原初电子供体P+失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱”，便可从次级电子供体(D)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(A1)。那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：D·〔P+·A－〕·A1D+·〔P·A〕·A1－

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。第27页/共97页第28页/共97页第29页/共97页第30页/共97页第31页/共97页第32页/共97页第33页/共97页第四节电子传递和光合磷酸化原初反应的结果:产生了高能电子推动着光合膜上的电子传递。

电子传递的结果:引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；

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。第34页/共97页第35页/共97页第36页/共97页第37页/共97页第38页/共97页(3)水的氧化与PSⅡ电子传递有关，NADP+的还原与PSⅠ电子传递有关。电子最终供体为水，水氧化时，向PSⅡ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。第39页/共97页第40页/共97页

组成中心天线的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LHCⅡ更快地把吸收的光能传至PSⅡ反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线”。第41页/共97页PSⅡ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。D1很容易受到光化学破坏，会发生活性逆转。

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。Q有双重涵义，既是醌(quinone)的字首，又是荧光猝灭剂(quencher)的字首。第42页/共97页QA是单电子体传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌。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。第43页/共97页第44页/共97页第45页/共97页第46页/共97页第47页/共97页第48页/共97页第49页/共97页PQH２+2PC(Cu２＋)Cytb６/fPQ+2PC(Cu＋)+2H＋Cytb６/f复合体主要催化PQH２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Cytb６/f复合体又称PQH２·PC氧还酶。第50页/共97页关于Cytb６/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：1.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，2.与此同时，PQH2又将第二个电子交给低电位的b６，并释放2个H+到膜腔内，电子由低电位的b６传至高电位的b６，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。Q循环第51页/共97页第52页/共97页第53页/共97页PSⅠ复合体存在类囊体非堆叠的部分，PSⅡ复合体存在堆叠部分，而Cytb６/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。第54页/共97页第55页/共97页高等植物的PSⅠ由反应中心和LHCⅠ等组成。第56页/共97页第57页/共97页第58页/共97页第59页/共97页第60页/共97页第61页/共97页第62页/共97页LHCⅡ等受光激发后将接受的光能传到PSⅡ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PSⅡ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Cytb６/f，进而传给PQ，另1个e-则传给〔Fe-S〕R。因为Cytb６/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PSⅠ反应中心P700。与PSⅡ一样，P700受光激发后，把e-传给A０，经A１、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。第63页/共97页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，蓝线质子越膜运输第64页/共97页第65页/共97页第66页/共97页第67页/共97页第68页/共97页光合磷酸化的发现1954，Arnon等发现向菠菜叶绿体加入ADP、Pi和NADP+，在光下不加入CO2时，在体系中有ATP和NADPH产生。完整叶绿体黄色上清液离心破碎绿色上清液含暗反应的酶ADP、Pi和NADP+ATP和NADPH二、光合磷酸化第69页/共97页光合磷酸化：光下在叶绿体(或载色体)中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应概念第70页/共97页第71页/共97页第72页/共97页第73页/共97页第74页/共97页第75页/共97页第76页/共97页第77页/共97页化学渗透学说

(chemiosmotictheory)由英国的米切尔(Mitchell

1961)提出，该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：①由磷脂和蛋白构成的膜对离子和质子的透过具有选择性

②具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜上③膜上有偶联电子传递的质子转移系统

④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ＡＴＰ的合成。许多实验都证实了这一学说的正确性。第78页/共97页第79页/共97页②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pＨ4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，而这时并没照光，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。第80页/共97页酸-碱磷酸化实验第81页/共97页第82页/共97页第83页/共97页叶绿体类囊体膜上ATP的生成第84页/共97页第85页/共97页CF1的分子量约400000，它含有α,β,γ,δ和ε5种亚基。α:β:γ:δ:ε＝3:3:1:1:1突出于膜表面亲水性第86页/共97页第87页/共97页结合转化机制的变构学说

该学说认为，在ATP形成过程中，与ATP合成酶的3个β亚基各具一定的构象，分别称为紧绷(tight)、松驰(loose)和开放(open)，各自对应于底物结合、产物形成和产物释放的三个过程(见图)。ATP合成的结合转化机制

γ-亚基的转动引起β亚基的构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(O)的顺序变化，完成ADP和Pi的结合、ATP的形成以及ATP的释放三个过程。第88页/共97页构象的相互依次转化是和质子的通过引起γ亚基的旋转相偶联的。当质子顺质子电化学梯度流过Fo，使γ亚基转动，γ亚基的转动引起β亚基的构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(O)的顺序改变，使ATP得以合成并从复合体上释放。。具体说，ADP和Pi与开放状态的β亚基结合；在质子流的推动下γ亚基的转动使β亚基转变为松驰状态并在较少能量变化情况下，ADP和Pi自发地形成ATP，再进一步转变为紧绷状态；β亚基继续变构成松驰状态，使ATP的释放，并可以再次结合ADP和Pi进行下一轮的ATP合成。在ATP合成的整个过程中，能量消耗的步骤主要在ATP的释放，而不是ATP的合成。第89页/共97页按照Boyer的结合改变机理或旋转理论，CF1的3个亚基应是均等地参与催化反应。但有人对此持有不同看法，并已发现了一些CF1的3个亚基不是均等地参与催化反应的证据，于是提出了非旋转的2点催化机理与之抗争。深信这些争论将会进一步促进ATP合酶结构功能研究的深入和发展。第90页/共97页第91页/共97页