生物化学光合作用

1、第五章 光合作用,第一节 光合作用概况 第二节 光反应 第三节 暗反应 第四节 光呼吸和C4途径,一、概念： 光合作用是糖合成代谢的主要途径。是绿色植物、光合细菌或藻类等将光能转变成化学能的过程，即利用光能，由CO2、H2O、H2S等合成糖类化合物并释放出氧气（或其他物质）的过程，称为光合作用。,CO2 + H2O (CH2O) + O2,光,叶绿体,CO2 + H2A (CH2O) +H2O+2A,光,第一节 概 述,二、光合作用的场所叶绿体,被膜 外膜 内膜 间质 ：(含可溶性蛋白质，酶类，DNA，RNA、核糖体等)-暗反应 类囊体 (基粒) 基粒片层 -光反应 基质片层,叶绿体的结构,类

2、囊体膜上蛋白质复合物,四、光合作用的两个阶段：,基质中,叶绿素类,类胡萝卜素,叶绿素类a (蓝绿色),叶绿素类b (黄绿色),胡萝卜素(橙黄色),叶黄素(黄色),藻胆素,第二节 光反应,一、光合色素,其他,主要色素：叶绿素a，作用：接受收集的光能并参与光化学反应 辅助色素：其它的叶绿素和类胡萝卜素、藻胆色素等。作用：收集光能,二、光合单位,能发生光合作用的功能上独立的单位。由大约几百个色素分子和一些肽链构成。 天线色素（集光色素） ：大部分色素分子（全部叶绿素b和大部分叶绿素a，类胡萝卜素和叶黄素分子），起捕获光能的作用。 作用中心 (反应中心)：一对特殊的叶绿素a分子和蛋白质组成的复合体，发

3、生光化学反应，将光能转变为化学能。,光反应中心,作用中心叶绿素分子,电子受体,电子传递,共振能传递,天线色素分子,天线色素分子,作用中心叶绿素分子,叶绿素通过激子传递把吸收的能量汇集到作用中心,三、植物的光反应系统,PS是一个跨膜复合物。 P700是PS反应中心色素。 PS的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的还原剂，用于还原NADP+，实现从PC到NADP+的电子传递。,1.光系统I (PSI),PS复合体,PS是含有多亚基的蛋白复合体。 P680是PS反应中心色素。 功能：吸收光能，进行光化学反应，产生O2。,2.光系统II (PSII),光系统的结构,PSI和PS在类囊体膜上的定

4、位,四、光合电子传递链,光合链：光合作用的光反应是由光系统和光系统这两个光系统启动的，两个光系统由电子传递链连接起来。连接两个光反应的排列紧密而互相衔接的传递电子的物质称为光合链 组成：三个跨膜复合体（PS、PS、Cytbf复合体），以及质体蓝素（简写为PC）、铁氧还蛋白（简写为Fd）和质体醌（简写为PQ）三个可移动电子载体,Cytbf复合体（PQHPC氧还酶）,含有Cytf、Cytb(2个，为电子传递循环剂)和Rieske铁-硫蛋白(又称Fe-SR，是由Rieske发现的非血红素的Fe蛋白质) 主要催化PQH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。每传递一对电子，可

5、转移4个质子到类囊体腔。,3、光合链电子传递顺序,（1）非环式电子传递： HOPSPQCytb6fPCPSFdFNRNADP 按非环式电子传递，每传递4个e-，分解2个H2O，释放1个O2，还原2个NADP+，需吸收8个光量子，同时Cytb6f复合体转运8个H+进类囊体腔，放氧复合体转运4个H+。 （2）环式电子传递： PS Fd PQ Cyt bf PC PS 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，每传递一个电子需要吸收一个光量子。,类囊体膜,类囊体腔,PS中的电子传递,PS中的电子传递,非环式电子传递：,环式电子传递：,光合链的特点,电子传递链主要由光合膜

6、上的PS、Cytb6/f、PSI三个复合体串联组成。 电子传递有二处是逆电势梯度，这种逆电势梯度的“上坡”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进行的。 水的氧化与PS电子传递有关，NADP+的还原与PSI电子传递有关。 PQ是双电子双H+传递体，它伴随电子传递，也把H+传递类囊体膜内，造成类囊体内外的H+电化学势差，推动ATP形成。,两个光系统的协同作用,五、 光合磷酸化,1.概念： 通过光激发导致电子传递与磷酸化作用相偶联合成ATP的过程，称为光合磷酸化。,2.类型： （1）非循环光合磷酸化：非环式电子传递过程中产生的质子梯度，驱动ATP合成，并生成NADP

7、H。这种形式的光合磷酸化叫光合磷酸化。 （2）环式光合磷酸化：环式电子循环流动过程中，产生质子梯度，驱动ATP的合成。这种形式的光合磷酸化称为环式光合磷酸化。 环式光合磷酸化只涉及PSI，并且只生成ATP而无NADPH和O2生成。这是当植物体内需要ATP时选择的电子传递形式。,非循环光合磷酸化,环式光合磷酸化,也称偶联因子或CF1-CFo复合体 叶绿体的ATP酶与线粒体的ATP酶结构十分相似，都由两个蛋白复合体组成：一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1”；另一个是埋置于膜中的疏水性的“CFo”。,3.ATP合成的部位ATP酶,化学渗透学说的现代模型（P.Mitchell）,4.光合磷酸化机理,

8、光合磷酸化的机理：类似于氧化磷酸化 PQ具有亲脂性，含量多，被称为PQ库，它可传递电子和质子，而其它传递体只能传递电子。 在光下，PQ在将电子向下传递的同时，又把膜外基质中的质子转运至类囊体膜腔内。 水在膜内侧分解也释放出H+,膜内H+浓度增高，则膜内电位较“正”，膜外H+浓度降低，则膜外电位较“负”，于是膜内外产生电位差(E)和质子浓度差（pH），两者合称质子动力势，是光合磷酸化的动力。 H+沿着浓度梯度返回膜外时，释放的自由能催化合成ATP。,第三节 暗反应,暗反应是指由光反应产生的NADPH在ATP供给能量情况下，将CO2还原成糖的反应过程。不需要光参加。 暗反应是在叶绿体的基质中进行的

9、，有许多种酶参与反应。 大多数植物的暗反应中，还原CO2的第一个产物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），所以这种途径称为C3途径。 有些植物，如甘蔗和玉米等高产作物，其暗反应还原CO2的产物是四碳化合物（草酰乙酸等），所以称为C4途径。 还有CAM（景天酸代谢）途径。,一、概述：,二、C3途径,又叫三碳循环、Calvin循环。 由于这个循环中CO2的受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸)，故又称为还原戊糖磷酸途径（reductive pentose phosphate pathway，RPPP）。 C3途径可分为三个阶段: 羧化阶段(CO2固定阶段) 还原阶段 更新阶段（受体再生阶段）,卡尔文循环,第一阶

10、段,第二阶段,第三阶段,1、固定（羧化）阶段：,1,5-二磷酸核酮糖,3-磷酸甘油酸,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(简称rubisco),2.还原阶段,糖异生途径,PPP途径,再生途径,3、更新阶段（受体再生阶段）,ATP,ADP,4、能量消耗,总反应式是： 6CO212H+18ATP12NADPH12H2O C6H12O618ADP12NADP+6H+ G = 476.8 kJ / mol 每还原1分子CO2需要消耗3分子ATP和2分子NADPH。,5、调控,限速步骤：CO2的固定 限速酶：Rubisco pH升高激活 Mg2+的浓度升高激活 NADPH(还原力)的产生,光,第四节

11、光呼吸（C2循环）和C4途径,一、光呼吸： 植物的绿色细胞在光下吸收氧气，放出二氧化碳的过程称为光呼吸(photorespiration)。 光呼吸仅在光下发生，且与光合作用密切相关。 以RuBP为底物，催化这一反应的酶是Rubisco。 光呼吸的全过程需要由叶绿体、过氧化体和线粒体三种细胞器协同完成。 光呼吸实际上是乙醇酸代谢途径，由于乙醇酸是C2化合物，因此光呼吸途径又称C2循环。,表 光呼吸与暗呼吸的区别,二、光呼吸的生物化学历程,底物：乙醇酸,光 呼 吸 途 径,叶 绿 体,线 粒 体,过氧化体,三、C4 途径（四碳双羧酸途径）,固定CO2的最初产物是含四个碳的二羧酸，故称为C4-二羧

12、酸途径，简称C4途径。 组织定位：叶肉细胞和微管束鞘细胞 历程：,固定阶段:,PEP + CO2 + H2O OAA + Pi,PEP - 羧化酶(草现乙酸,转移阶段:,OAA,苹果酸（叶肉细胞）,维管束鞘细胞,脱羧,CO2,C3,再生阶段：,大气,叶肉细胞,维管束鞘细胞,草酰乙酸,苹果酸,丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,C4 途径,叶肉细胞,维管束鞘细胞,四、景天酸代谢,景天科植物白天炎热时气孔不开,以防水分散失.夜间气孔开放,吸收CO2,在PEP羧化酶作用下, CO2与PEP结合生成草酰乙酸,随后被苹果酸脱氢酶还原成苹果酸,贮存于液泡中直到天亮,白天苹果酸从液泡中释放出来,脱羧生成CO2和丙酮酸

13、, CO2进入Calvin循环.,本章重点,光反应的功能单位：PS和PS的功能 光合电子传递途径 光合磷酸化 C3途径的三个阶段,Fe-S OAA CF1-Fo PC PSI CAM NADP+ Fd Pheo Q RuBP P680 P700 PEP PQ PGA FNR PSII Rubisco LHC,一、缩写符号翻译,二、填空题,1. 光合作用是一种氧化还原反应，在该反应中， 被还原， 被氧化；光合作用的暗反应是在 中进行的；光反应是在 上进行的。 2. 在光合电子传递中最终电子供体是，最终电子受体是 。 3.在光合作用过程中，当形成后，光能便转化成了活跃的化学能；当形成后，光能便转化

14、成了稳定的化学能。 4.光合作用的能量转换功能是在类囊体膜上进行的，所以类囊体亦称为。类囊体膜上的四种主要复合物是和、 。,5.光呼吸底物是 ，其代谢途径涉及到 、 和 等细胞器。 6.伴随非环式光合电子传递形成的产物有 、 和 。 7. 完整的C3循环可分为 、 和 三个阶段。 8. Rubisco具有 和 的特性。 9. 光合C4途径中CO2的固定和同化是在 和 两种细胞中依次进行的，其底物分别为 和 ，催化这两个反应的酶分别为 和 。 10.光合作用分为_和_两个阶段。第一阶段主要在叶绿体的_部位进行，第二阶段主要在叶绿体的_部位进行。,11.光合C3途径的CO2受体是 ， MCalvi

15、ng循环固定CO2形成的第一个产物是 。 12. C4途径的CO2受体是 ，CO2固定后的初产物是 13.碳素同化作用的三大类型为 ，_ 和 。 。 14.光反应的主要产物是_, _,_。 15.绿色植物中主要的光敏色素是_，其它光敏色素有_等。 16. P*700是强电子_，P+700是强电子_。 17. 三碳循环固定的第一个产物是_。四碳循环固定的第一个产物是_。 18.三碳循环的限速酶是_，四碳循环的限速酶是_。 19.在C3植物、C4植物与CAM植物中C3途径各发生_、_、_部位。,1.光合作用水的光解反应所必需的两种矿质元素为（ ）。 A. Ca2+和CI- B. Mn2+和Ca2+ C. Mn2+和CI- D. Mg2+和CI- 2. CAM植物叶肉细胞淀粉和苹果酸含量的昼夜变化是（ ）。 A. 淀粉含量白天增加，苹果酸含量夜间增加 B. 淀粉含量夜间增加，苹果酸含量白天增加 C. 淀粉含量和苹果酸含量白天增加 D. 淀粉含量和苹果酸含量夜间增加 3.光呼吸过程中的CO2的释放发生于( ) A 细胞质 B 叶绿体 C 过氧化物体 D 线粒体,三、选择题,4.叶绿体色素中，属于作用中心色素的是( )。 少数特殊状态的叶绿素a B. 叶绿素b C. 胡萝卜素 D. 叶黄素 5.C4途径CO