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. Senebi
2、er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)
3、+ O*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
4、 (CH2O) +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）+2SLactate+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
7、组成 1个大的卟啉环,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
8、量子后将光能汇集到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
9、5种氧化状态。,Photoreaction 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
10、，后者产生O2。,PS 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AT
11、P生成。PS II是一个脱镁叶绿素-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,Phe
12、ophytin：脱镁叶绿素,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
13、传给Cytb6/f 复合物，而不传给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NA
14、DPH的还原能和ATP的水解能），并以此促进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),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
15、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6NADPH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
16、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
17、(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,Gly,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:
18、 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
19、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
20、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,干旱地区生长的景天科、仙人掌科等植物特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收CO2，在PEP羧化酶作用下与糖酵解过程中产生的PEP结合形成OAA，OAA在苹果酸脱氢酶作用下还原为苹果酸，积累于液胞中，表现出夜间淀粉、糖减少，苹果酸增加，细胞液变酸。白天气孔关闭，液胞中的苹果酸运至
21、细胞质在苹果酸酶和PEP羧激酶催化下氧化脱羧释放CO2，再由C3途径同化；脱羧后形成的丙酮酸和PEP则转化为淀粉。丙酮酸也可进入线粒体，也被氧化脱羧生成CO2进入C3途径，同化为淀粉。所以白天表现出苹果酸减少，淀粉、糖增加，酸性减弱。这种代谢类型被称为景天科酸代谢（crassulacean acid metabolism,CAM）途径。,CAM途径最早是在景天科植物中发现的，目前已经在近30个科、100多个属、1万多种植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、百合科、石蒜科等植物中。 CAM植物多起源于热带，分布于干旱环境中。因此，CAM植物多为肉质植物(但并非所有的肉质植物都是CAM植物)，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和大液泡。根据植物在一生中对CAM的专营程度，CAM植物又分为两类:一类为专性CAM，一生大部分时间的碳代谢是CAM途径；另一类为兼性CAM植物，如冰叶日中花(ice plant)，在正常条件下进行C3途径，当遇到干旱、盐渍和短日照时则进行CAM途径以抵抗不良环境。CAM途径与C4途径基本相同，二者的差别在于C4植物的两次羧化反应是在空间上(叶肉细胞和维管束鞘细胞)分开的，而CAM植物则是在时间上(黑夜和白天)分开的。,
