竞赛课件植物生理系列之第四章 植物光合作用2下载

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，主要由原初反响完成；2.电能转变为活泼化学能，由电子传递和光合磷酸化完成；3.活泼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泼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响电子传递光合磷酸化碳同化时间跨度(秒)10-15－10-910-10－10-4100－101101－102反响部位PSⅠ、PSⅡ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，但受光促进不同层次和时间上的光合作用第三节原初反响原初反响是指从光合色素分子被光激发，到引起第一个光化学反响为止的过程。它包括：光物理－光能的吸收、传递光化学－有电子得失原初反响特点速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)与纳秒(ns，10－9s)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。作用中心色素：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，包括大局部chla和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。光合单位：聚光色素系统+作用中心〔光能转换色素分子+原初电子受体+原初电子供体〕概念一、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〕+hυ10－15sChl*〔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假设干能级。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

叶绿素分子受光激发后的能级变化叶绿素在可见光局部有二个吸收区：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，电子那么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。

(二)激发态的命运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。2.发射荧光与磷光激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能量。3.色素分子间的能量传递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称为色素分子间能量的传递。4.光化学反响激发态的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，经过一定时间后，就会发生能量的转变，转变的方式有以下几种：Chl*→Chl+热Chl*→ChlT+热ChlT→Chl+热这些都是无辐射退激。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。但超过局部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。如叶绿素分子从第一单线态降至基态或三线态，以及从三线态回至基态时的放热：2.发射荧光与磷光激发态的叶绿素分子回至基态时，可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*

Chl

＋hν荧光发射(12)ChlT

Chl

＋hν磷光发射(13)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。10-9s

10-2s由于叶绿素分子吸收的光能有一局部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些。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。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。〔叶片中较弱，光能用于光反响〕在色素溶液中，如参加某种受体分子，能使荧光消失，这种受体分子就称为荧光猝灭剂。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。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称为色素分子间能量的传递。

Chl*1＋Chl2Chl1＋Chl*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，假设通过发热、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响中心色素分子，以推动光化学反响的进行。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那么变为激发态，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根本概念许多色素集中在一起作为天线色素，收集光能转运到反响中心。在反响中心化学反响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，电子供体再次复原叶绿素能量。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响中心色素分子，启动光化学反响。图聚光系统到反响中心能量激发呈漏斗状〔A〕光合色素距离反响中心越远，其激发态能就越高，这样就保证了能量向反响中心的传递。〔B〕尽管在这个过程中一局部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响中心。星号表示激态。二、光化学反响(一)反响中心与光化学反响1.反响中心原初反响的光化学反响是在光系统的反响中心进行的。反响中心是发生原初反响的最小单位，它是由反响中心色素分子、原初电子受体、次级电子受体与供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质等成分组成的。反响中心中的原初电子受体是指直接接收反响中心色素分子传来电子的电子传递体反响中心色素分子是光化学反响中最先向原初电子受体供给电子的，因此反响中心色素分子又称原初电子供体。光系统‖的反响中心

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.光化学反响原初反响的光化学反响实际就是由光引起的反响中心色素分子与原初电子受体间的氧化复原反响，可用下式表示光化学反响过程：P·AhυP*·AP+·A－基态反响中心激发态反响中心电荷别离的反响中心原初电子供体，即反响中心色素(P)吸收光能后成为激发态(P*)，其中被激发的电子移交给原初电子受体(A)，使其被复原带负电荷(A-)，而原初电子供体那么被氧化带正电荷(P+)。这样，反响中心出现了电荷别离，到这里原初反响也就完成了。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+的复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)，那么电荷别离后反响中心的更新反响式可写为：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。(二)PSⅠ和PSⅡ的光化学反响高等植物的两个光系统有各自的反响中心。PSⅠ和PSⅡ反响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，700、680那么代表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复原态吸收光谱间的差值最大处的波长来作为反响中心色素的标志。图9菠菜反响中心色素吸收光谱的变化照光下PSⅠ(A)、PSⅡ(B)反响中心色素氧化，其氧化态，与复原态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)。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Ⅱ〔PSⅡ〕产生强氧化剂和弱复原剂。吸收远红光的光系统Ι〔PSΙ〕产生弱氧化剂和强复原剂。PSⅡ产生的强氧化剂氧化水，同时，PSΙ产生的强复原剂复原NADP+。PSⅠ和PSⅡ的光化学反响PSⅠ的原初电子受体是叶绿素分子(A0)，PSⅡ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(表4-2)。PSⅠ的原初反响：P700·A0hυP700*·Ａ0P700＋·A0－(17)PSⅡ的原初反响：P680·PheohυP680*·PheoP680+·Pheo-(18)在原初反响中，受光激发的反响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。功能与特点

(吸收光能光化学反应)电子最终供体次级电子供体反应中心色素分子原初电子供体原初电子受体次级电子受体末端电子受体PSⅠ还原NADP+

，实现PC到NADP+的电子传递PC质体蓝素P700叶绿素分子(A0)铁硫中心NADP+

(电子最终受体)PSⅡ使水裂解释放氧气，并把水中的电子传至质体醌。水YZP680去镁叶绿素分子(Pheo)醌分子(QA)质体醌PQ数量最多，既可以传递电子，又可以传递质子，起重要作用。PSⅠ和PSⅡ的电子供体和受体组成第四节电子传递和光合磷酸化原初反响的结果:使光系统的反响中心发生电荷别离，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+的复原；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泼的化学能。一、电子和质子的传递〔一〕光合链所谓光合链是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。现在较为公认的是由希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充的“Z〞方案，即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，电子传递体按氧化复原电位上下排列，使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复原剂。与此相反，光照下PSI产生复原NADP+的强复原剂和弱氧化剂。两个光系统通过电子传递链连接，使得PSI氧化剂接受PSII复原剂提供传递的电子。二、电子传递和光合磷酸化电能活泼的化学能㈠、光系统两个光系统量子产额：吸收一个光量子后放出的氧分子数目或固定CO2分子数目。红降现象：以绿藻和红藻为材料，研究其不同光波的光合效率，发现当用光波大于685nm〔远红光〕的光照射时，虽然仍被叶绿素大量吸收，但量子产额急剧下降，这种现象被称为红降现象。双光增益现象〔爱默生效应〕爱默生等发现，在用远红光〔光波大于685nm〕照射条件下，如补充红光〔约650nm)，那么量子产额大增，比这两种波长的光单独照射的总和还要多。如：红光：100，远红光：20，一起为：160.这种两种光波促进光合效率的现象，叫双光增益现象〔爱默生效应〕。所以，认为光合作用包括两个光系统，后来证明确实如此。⒈光系统Ⅰ〔PSⅠ〕这是一种直径较小的颗粒，直径为11nm，存在于类囊体膜的外侧。是长波光反响，主要特征是NADP的复原。

PSⅠ核心复合体反应中心P700电子受体PSⅠ捕光复合体（LHCⅠ）PCCytb6fNADP+FdFe-SA1A0P700*P700LHCⅠ⒉光系统Ⅱ〔PSⅡ〕：这是一种直径较大的颗粒，直径为17.5nm，存在于类囊体膜的内侧。是短波光反响，主要特征是水的光解和放氧。

Tyrp680p680*pheoQAQBPQH2PC酪氨酸去镁叶绿素与OEC联系，水解放氧2H2OO2+4H++4e-

由6种多肽组成，P680就位于D1、D2蛋白上PSⅡ组成核心复合体放氧复合体PSⅡ捕光复合体（LHCⅡ）(OEC):多肽；Mn复合物；Cl-，Ca2+光(1)电子传递链主要由光合膜上的PSⅡ、Cytb６/f、PSⅠ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PSⅡ电子传递有关，NADP+的复原与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。“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。LHCⅠ和LHCⅡ分别是PSⅠ和PSⅡ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.PSⅡ复合体PSⅡ的生理功能是吸收光能，进行光化学反响，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)PSⅡ复合体的组成与反响中心中的电子传递PSⅡ是含有多亚基的蛋白复合体。它由聚光色素复合体Ⅱ、中心天线、反响中心、放氧复合体、细胞色素和多种辅助因子组成。PSII反响中心结构模式图示意PSII反响中心D1蛋白和D2蛋白的结构。D1很容易受到光化学破坏，会发生活性逆转。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。P680+在“Z〞传递链中被D1亚基中酪氨酸残基复原。图中还说明了Mn聚集体(MSP)对水的氧化。CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。PSⅡ反响中心的核心局部是分子量分别为32000和34000的D1和D2两条多肽。反响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。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反响中心，所以被称为中心天线或“近侧天线〞。QA是单电子体传递体，每次反响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+而复原成氢醌(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)醌的氧化复原反响；(2)水的氧化与放氧CO２+2H２O*

光叶绿体

(CH２O)+O2*+H２O放氧复合体(OEC)又称锰聚合体(M,MSP)，在PSⅡ靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。水的氧化反响是生物界中植物光合作用特有的反响，也是光合作用中最重要的反响之一。每释放1个O２需要从2个H2O中移去4个e-，同时形成4个H＋。水的光解和放氧：Kok(1970)提出放氧系统的5个S状态循环模式水氧化钟:S0,S1,S2,S3,S4表示不同氧化复原状态，每闪光一次那么有不同的状态。从S0S4每两个状态之间的转变都失去1个电子，到S4时共积累4个正电荷。S4不稳定，从2分子水中获得4个电子又回到S0状态，同时产生O2,如此循环，每1个循环吸收4个光量子，氧化2个水分子，向PSⅡ反响中心传递4个电子并释放4个质子和1个氧分子。这种循环称水氧化钟。

2H2OO2S4S3S2S1S0关于氧释放的机理知道不多。第一、二次闪光，无氧产生。第三次闪光，放氧最多，第四次闪光，放氧量次之。结论：放氧复合体中以So和S1存在，其中S1最多。到S4就产生氧气。锰和氯是放氧反响中必不可少的物质。锰是PSⅡ颗粒的组成成分，它具有高的氧化复原电位，直接参与水的氧化反响。氯离子在放氧过程中起活化作用。2.质醌质醌(PQ)也叫质体醌，是PSⅡ反响中心的末端电子受体，也是介于PSⅡ复合体与Cytb６/f复合体间的电子传递体。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。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PSⅡ(也可是PSⅠ)传来的电子，同时与H＋结合；复原态的质体醌在膜的内侧把电子传给Cytb６/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.Cytb６/f复合体Cytb６/f复合体作为连接PSⅡ与PSⅠ两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由4个多肽组成，即Cytf、Cytb

、Rieske

铁-硫蛋白、17kD的多肽等。PQH２+2PC(Cu２＋)Cytb６/fPQ+2PC(Cu＋)+2H＋Cytb６/f复合体主要催化PQH２的氧化和PC的复原，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。4.质蓝素质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧外表的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cytb６/f复合体与PSⅠ之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化复原变化来传递电子。5.PSⅠ复合体PSⅠ的生理功能是吸收光能，进行光化学反响，产生强的复原剂，用于复原NADP+，实现PC到NADP+的电子传递。高等植物的PSⅠ由反响中心和LHCⅠ等组成。反响中心内含有11～12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PSⅠ复合体中含有两个LHCⅠ，LHCⅠ吸收的光能能传给PSⅠ的反响中心。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+从复原态的质蓝素〔PC〕中接受电子。

psaF，psaD和psaE几个PSI亚基参与可溶性电子传递底物与PSI复合体的结合。PSI反响中心结构模式4.光合磷酸化的抑制剂6.铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP＋复原酶铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白-NADP＋复原酶(FNR)都是存在类囊体膜外表的蛋白质。FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黄素的氧化复原来传递H+。因其与Fd结合在一起，所以称Fd-NADP＋复原酶。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＋，复原NADP＋为NADPH，反响式可用下式表示：2Fd复原+NADP＋+H＋FNR2Fd氧化+NADPH7.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。在光反响中吸收8个光量子(PSⅠ与PSⅡ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，而在暗反响中同化1个CO2需消耗3个ATP和2个NADPH，也即传递4个e-，可复原2个NADPH，经ATP酶流出8个H+要合成3个ATP。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PSⅡ与PSⅠ一直传到NADP＋的电子传递途径H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→NADP＋按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，复原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)PSⅠ中环式电子传递：由经Fd经PQ，Cytb6/fPC等传递体返回到PSⅠ而构成的循环电子传递途径。即：

PSⅠ→Fd→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ

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)PSⅡ中环式电子传递：

电子是从QB经Cytb559，然后再回到P680。即：

P680→Pheo→QA→QB→Cytb559→P680

也有实验指出PSⅡ中环式电子传递为：

P680→Cytb559→Pheo→P680Cytb5593.假环式电子传递指水中的电子经PSⅠ与PSⅡ传给Fd后再传给O２的电子传递途径，这也叫做梅勒反响(Mehler′sreaction)。H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ→Fd→O２Fd复原+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O２。二、光合磷酸化1954年阿农等人用菠菜叶绿体，弗伦克尔()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参加ADP与Pi那么有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的反响称为光合磷酸化。(一)光合磷酸化的类型１.非环式光合磷酸化与非环式电子传递偶联产生ATP的反响。非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示。2NADP+＋3ADP＋3Pi8hυ叶绿体2NADPH＋3ATP＋O2+2H+＋６H２O在进行非环式光合磷酸化的反响中，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。２.环式光合磷酸化与环式电子传递偶联产生ATP的反响。ADP＋Pi光叶绿体ATP＋H２O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缺乏的作用。３.假环式光合磷酸化与假环式电子传递偶联产生ATP的反响。此种光合磷酸化既放氧又吸氧，复原的电子受体最后又被氧所氧化。H２O+ADP＋Pi光叶绿体ATP+O2-·＋4H+(二)光合磷酸化的机理１.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：如在叶绿体体系中参加电子传递抑制剂,光合磷酸化就会停止；在偶联磷酸化时，电子传递那么会加快，所以在体系中参加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/e２或P/O来表示。ATP/e２:表示每对电子通过光合电子传递链而形成的ATP分子数；P/O：表示光反响中每释放1个氧原子所能形成的ATP分子数。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/e２或P/O理论值为1.5，而实测值在0.9～1.3之间。2.化学渗透学说

关于光合磷酸化的机理有多种学说，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：①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②具有氧化复原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜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。(1)化学渗透学说的实验证据①两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，而断光时再参加底物能形成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+电化学势将参加的ADP与Pi合成ATP。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。③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(ΔμH+)：ΔμH+=μH+内-μH+外=RT(ln[H+内]-ln[H+外])+F(E内-E外)=RTln([H+内]/[H+外])+FΔE=2.3RTΔpH+FΔE式中R——气体常数，T——绝对温度(K)，F——法拉第常数，ΔE——膜电势(V)25℃时，ΔμH+=5.7ΔpH(kJ·mol-1)+96.5ΔE(kJ·mol-1)将式4-31两边用F(96.5kJ·mol－1·V－1)除，规定△μH+/F为质子动力，其单位为电势(V)。在25℃时：pmf=0.059ΔpH+ΔE叶绿体类囊体膜的质子动力大局部是来自ΔpH局部，电荷分布所产生的ΔE的奉献很小，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：一个是突出于膜外表的亲水性的“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，催化的反响为磷酸酐键的形成，即把ADP和Pi合成ATP。另外ATP酶还可以催化逆反响，即水解ATP，并偶联H+向类囊体膜内运输。α亚基和β亚基交替排列组成“六角形〞的“头部〞，γ亚基位于“六角形〞的中央空隙，δ亚基位于“柄部〞，ε亚基与γ亚基与CF0结合。α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；β亚基是合成和水解ATP分子的催化位置；γ亚基控制CF1转动和质子流；δ亚基也许与CF0的结合有关；ε亚基似乎能抑制CF1-CFo复合体在暗中的活性，防止ATP的水解。δ和ε亚基还有阻塞经CFo的质子泄漏的作用。CF1CF1的分子量约400000，它含有α,β,γ,δ和ε5种亚基。α:β:γ:δ:ε＝3:3:1:1:1CFo含有四个亚基：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。Ⅲ是多聚体，可能含有15个多肽