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第四章 植物的光合作用(1)


第四章 植物的光合作用

光合作用(photosynthesis)概念 光合作用 概念
绿色植物 利用光能把CO2和水合成有机物,同时 释放氧气的过程。 CO2+ H2O 光 绿色植物 (CH2O)+O2 (1) CO2+2H2O*
光 绿色植物(CH 2O)+

O2*+ H2O

(2)

/>
光合细菌 利用光能,以某些无机物或有机物作供氢体,把CO2 合成有机物的过程。 CO2+2H2S 光 光合硫细菌(CH2O)+2S+H2O (3)
比较绿色植物和光合细菌的光合方程式,得出光合作用的通式:

CO2+2H2A

光 光养生物

(CH2O)+2A+H2O

(4)

H2A代表一种还原剂,可以是H2O、 H2S、有机酸等,

光养生物 利用光能把CO2合成有机物的过程。 问题: 问题:绿色植物和光养生物的光合方程式有何异同?

光合作用的意义
O)+ CO2+H2O→(CH2O)+O2 (△G=478kJ/mol) 44 18 30 32 重量比

1.把无机物变为有机物的重要途径 把无机物变为有机物的重要途径 约合成5×1011t/y 有机物 “绿色工厂” 绿色工厂” 吸收2.0×1011t/y 碳素 (6400t/s) 2.巨大的能量转换过程 巨大的能量转换过程 将3.2×1021J/y的日光能转化为化学能 3. 维持大气中 2和CO2的相对平衡 维持大气中O 释放出5.35×1011t氧气/y “环保天使” 环保天使” 环保天使

光合作用是生物界获得能量、 光合作用是生物界获得能量、食物和氧气的根本途径 光合作用是“地球上最重要的化学反应” 光合作用是“地球上最重要的化学反应”

问题:为什么没有光合作用也就没有繁荣的生物世界? 问题:

第一节 叶绿体的结构
叶片是光合作 用的主要器官,而 叶绿体是光合作用 最重要的细胞器。

(一)叶绿体的分离
1.从叶片中直接分离(机械法) 从叶片中直接分离(机械法)
叶片 匀 浆 化 0.4mol/L糖醇 pH7.6±, 0~4℃ 匀 浆 过 细胞液 分级离心 500g去沉淀,3000g去上清淀,沉淀悬浮,冰浴保存 叶绿体 滤 匀浆4~8层纱布或100目尼龙纱布

2. 从原生质体分离(酶解法) 从原生质体分离(酶解法)
酶解 叶组织 原生质体
果胶酶,纤维素酶 0.5mol/L甘露醇 pH5.0~pH5.5 40℃,振荡

挤压 质膜与细胞器

离心 叶绿体 Chlor被膜完 整度较高

<20?m尼龙网

二、叶绿体的发育、形态及分布 叶绿体的发育、
1.发育 2.形态 3.分布 4.运动
高等植物的叶绿体由前 由前 质体发育而来。当茎端分 质体发育 生组织形成叶原基时,前 质体的双层膜中的内膜在 若干处内折并伸入基质扩 展增大,在光照下逐渐排 列成片,并脱离内膜形成 类囊体,同时合成叶绿素, 使前质体发育成叶绿体。

1.发育 2.形态 3.分布 4.运动

高等植物的叶 绿体大多呈扁平 扁平 椭圆形,每个细 椭圆形 胞中叶绿体的大 小与数目依植物 种类、组织类型 以及发育阶段而 异。一个叶肉细 胞中约有10至数 百个叶绿体,其 长3~7μm,厚 2~3μm。

1.发育 2.形态 3.分布 4.运动
叶肉细胞中的叶 绿体较多分布在 与空气接触的质 膜旁,在与非绿 膜旁 色细胞(如表皮 细胞和维管束细 胞)相邻处,通 常见不到叶绿体。 这样的分布有利 有利 于叶绿体同外界 进行气体交换。 进行气体交换。

叶绿体随光照的方向和强度而运动
俯视图

1.发育
侧视图

2.形态
显微照片

3.分布 4.运动
随原生质环流运动 环流运动, 环流运动 随光照的方向和强度而 运动。在弱光下,叶绿体 运动 以扁平的一面向光;在强 光下,叶绿体的扁平面与 光照方向平行。

三、叶绿体的基本结构
被膜 叶绿体 基质 类囊体

1.叶绿体被膜 1.叶绿体被膜
由两层单位膜组成,两膜间距 5~10nm。被膜上无叶绿素, 主要功能是控制物质的进出, 维持光合作用的微环境。 膜对物质的透性受膜成分和结 构的影响。膜中蛋白质含量高, 物质透过膜的受控程度大。 外膜 磷脂和蛋白的比值是3.0 (w/w)。密度小(1.08 g/ml ), 非选择性膜 。分子量小于 10000的物质如蔗糖、核酸、 无机盐等能自由通过。 内膜 磷脂和蛋白的比值是0.8(w/w)密度大(1.13g/ml),选 选 择透性膜。 择透性膜。CO2、O2、H2O可自由通过;Pi、磷酸丙糖、双羧酸、 甘氨酸等需经膜上的运转器才能通过;蔗糖、C5、C7糖的二磷 酸酯、NADP+、PPi等物质则不能通过。

2.基质及内含物
基质:被膜以内的基础物质。
以水为主体,内含多种离子、低分 子有机物,以及多种可溶性蛋白质等。 基质中能进行多种多样复杂的生化反应
含有还原CO2 (Rubisco 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)与合成 淀粉的全部酶系 ——碳同化场所 碳同化场所 含有氨基酸、蛋白质、DNA、RNA、还原亚硝酸盐和硫酸盐的酶类以 及参与这些反应的底物与产物 ——N代谢场所 N 脂类(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(叶绿素类、细胞色素类)和萜类 (类胡萝卜素、叶醇)等物质及其合成和降解的酶类——脂、色素等代 脂 谢场所

基质是淀粉和脂类等物的贮藏库 —— 淀粉粒与质体小球
将照光的叶片研磨成匀浆离心,沉淀在离心 管底部的白色颗粒就是叶绿体中的淀粉粒。 质体小球又称脂质球或亲锇颗粒,在叶片衰 老时叶绿体中的膜系统会解体,此时叶绿体 中的质体小球也随之增多增大。

3.类囊体
由单层膜围起的扁平小囊。 膜厚度5~7nm,囊腔空间为 10nm左右,片层伸展的方向 为叶绿体的长轴方向 类囊体分为二类: 基质类囊体 又称基质片 层,伸展在基质中彼此 不重叠; 基粒类囊体 或称基粒片 层,可自身或与基质类 囊体重叠,组成基粒。 堆叠区 片层与片层互 相接触的部分, 非堆叠区 片层与片层 非互相接触的部分。

类囊体片层堆叠的生理意义
1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高 度密集,能更有效地收集光能。 2.膜系统常是酶有序排列的支架, 膜的堆叠易构成代谢的连接带, 能使代谢高效地进行。 类囊体片层堆叠成基粒是高等植物 细胞所特有的膜结构,它有利于光 合作用的进行。

由单层膜围起的扁平小 囊。膜厚度5~7nm,囊 腔空间为10nm左右,片 层伸展的方向为叶绿体 的长轴方向

3.类囊体

玉米 牧草

各种植物 类囊体分为二类: 类囊体片 基质类囊体 又称基质片 层堆叠情 层,伸展在基质中彼此 况不一样 不重叠; 基粒类囊体 或称基粒片 类囊体片层堆叠的生理意义 层,可自身或与基质类 1.膜的堆叠意味着捕获光能机构高度密集, 囊体重叠,组成基粒。 堆叠区 片层与片层互 能更有效地收集光能。 2.膜系统是酶有序排列的支架,膜的堆叠 相接触的部分, 构成代谢的连接带,能使代谢高效地进行。 非堆叠区 片层与片层 类囊体片层堆叠成基粒是高等植物细胞所 非互相接触的部分。 特有的膜结构,它有利于光合作用的进行。

四、类囊体膜上的蛋白复合体
1.蛋白复合体的概念和种类
蛋白复合体:由多种亚基、多种成分组成的复合体。 蛋白复合体:由多种亚基、多种成分组成的复合体。 主要有四类: 主要有四类:即光系统Ⅰ(PSI)、光系统Ⅱ(PSⅡ)、 Cytb6/f复合体和ATP酶复合体(ATPase)。

类囊体膜是光合膜
类囊体膜的蛋白质复合体参与了 光能吸收、传递与转化、电子传递、 H+输送以及ATP合成等反应。由于光合 作用的光反应是在类囊体膜上进行的, 所以称类囊体膜为光合膜 光合膜。

ATP酶

问题: 如何证实CO 问题: 如何证实CO2同化 场所是在叶绿体的基质, 场所是在叶绿体的基质, 而光合放氧反应是在叶绿 体的膜上? 体的膜上? 解析:要证实CO2同化场所是在叶绿体的基质而不是在叶 解析:
绿体的被膜或类囊体的膜,首先要提取出完整的叶绿体, 然后把叶绿体的基质和叶绿体的被膜或类囊体的膜分开, 在基质和膜上分别检测光反应和暗反应活性,如果在分 离的叶绿体的基质中做出了有暗反应活性而无光反应活 性的实验,就能证实CO2同化场所是在叶绿体的基质而不 是在叶绿体的被膜或类囊体的膜。 同理也可证实光合放氧反应是否在叶绿体的膜上。

光+CO2

O2+CH2O

完整叶绿体

低渗

光+KCN 破损叶绿体 Hill反应 离心 光合膜

O2

光+KCN

O2
CO2

证实叶绿体中CO 证实叶绿体中CO2同化和光合 放氧反应部位的实验示意图

基质

CH2O

2.蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点 2.蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点
PSⅡ主要存在于基 粒片层的堆叠区, PSⅠ与ATPase存在 于基质片层与基粒片 层的非堆叠区, Cytb6/f复合体分 布较均匀。 蛋白复合体及其 亚基的这种分布,有 利于电子传递、H+的 转移和ATP合成

3.叶绿体与细胞质间的能量运输 3.叶绿体与细胞质间的能量运输
叶绿体与细胞质之间存在频繁的能量交换。已经知道, 照光时光合细胞的呼吸作用受到抑制,细胞质中ATP与ADP的 比值随叶绿体中此比值的上升而迅速增大。 已有的研究表明,光下叶绿体光合磷酸化合成的ATP约有 3%(?10 ?mol/mgchl.h)输出到细胞质中,以供它进行生物 合成、运输等各种需能反应之用。

能量交换的途径: 能量交换的途径:
通过被膜上的腺苷酸 载体直接运输 通过代谢物质的穿梭 系统进行间接运输

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,主要由原初反应完成; 2.电能转变为活跃化学能,由电子传递和光合磷酸化完成; 3.活跃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 活跃的化学能 稳定的化学能 ATP、 贮能物质 量子 电子 ATP、NADPH2 碳水化合物等 转变过程 原初反应 电子传递 光合磷酸化 碳同化 时间跨度(秒 10 时间跨度 秒)10-15-10-9 1010-104? 100-101 101-102 PSⅠ、PSⅡ颗粒 反应部位 PSⅠ、PSⅡ颗粒 类囊体膜 类囊体 叶绿体间质 不一定, 不一定, 是否需光 需光 不一定,但受光促进 不一定,但受光促进

光合作用的大致过程
①原初反应

②电子传递 和光合磷酸 化 ③碳同化

不同层次和时间上的光合作用 光合作用的层次与时间跨度

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: 光物理- 光物理-光能的吸收、传递 光化学- 光化学-有电子得失

原初反应特点: 原初反应特点:
1) 速度非常快,可在皮秒(ps,10-12s)与纳秒(ns, 10-9s)内完成 2) 与温度无关,可在-196℃(77K,液氮温度)或 -271℃(2K,液氦温度)下进行 3) 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 。

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 基态。 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 激发态。 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) Chl(基态)+hυ
10- 10-15S

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若干能级。

激发态) Chl*(激发态)

叶绿素分子受光激发后的能级变化
叶绿素在可见光部分有二 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,电子则跃 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。

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

(二)激发态的命运
激发态是不稳定的状态, 会发生能量的转变。

转变的方式: 转变的方式:
1.放热 激发态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 激发态叶绿素分子回至基态时,以光子形式释放能量。 。 3.色素分子间的能量传递 激发态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。 4.光化学反应 激发态色素分子把激发的电子传递给受体分子。

1.放热 1.放热
激发态叶绿素分子在能级降低 时以热的形式释放能量。如: 叶绿素分子从第一单线态降至 基态或三线态
Chl* → Chl+热 Chl* → ChlT +热

从三线态回至基态时的放热
ChlT → Chl+热

第二单线态降至第一单线态

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。 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. 发射荧光与磷光
激发态的叶绿素分子回 至基态时以光子形式释放 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 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 磷光 Chl*?10-9s Chl + hν 荧光发射 ChlT 10-2s Chl + hν 磷光发射 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。

由于叶绿素分子吸收的光能有一 部分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。 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。 在色素溶液中,如加入某种受体分 子,能使荧光消失,这种受体分子就 称为荧光猝灭剂 荧光猝灭剂,常用Q表示,在光 荧光猝灭剂 合作用的光反应中,Q即为电子受体。 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。

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。

3.色素分子间的能量传递 3.色素分子间的能量传递
指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。 。

Chl*1+ Chl2
供体分子 受体分子

Chl1+Chl*2

色素分子吸收的光能,若通过发热、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应中心 色素分子,以推动光化学反应的进行。 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 激子 传递”或“共振传递 共振传递”方式传递的。 传递 共振传递

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则变 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 。

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。

图 光合作用过程中能量运转的基本概念
许多色素集中在一起作为天线色素,收集光能转运到反应中心。在反 应中心化学反应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, 电子供体再次还原叶绿素能量。 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。

图 聚光系统到反应中心能量传递呈漏斗状
(A)光合色素距离反应中心越远,其激发态能就越高,这样就保证 了能量向反应中心的传递。 (B)尽管在这个过程中一部分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应中 心。星号表示激态。

二、光化学反应
(一)反应中心与光化学 反应 1.反应中心
发生原初反应的最小单位
去镁叶绿素 去镁叶绿素 副叶绿素 副叶绿素 胡萝卜素

反应中心组成: 反应中心组成:

配对叶绿素

① 反应中心色素分子(原初电子供体):光化学反应中最先 反应中心色素分子(原初电子供体) 向原初电子受体供给电子的。反应中心色素分子又称原 向原初电子受体供给电子的。反应中心色素分子又称原 初电子供体。 初电子供体。 原初电子受体: ② 原初电子受体:直接接收反应中心色素分子传来电子的 电子传递体 ③ 次级电子受体与供体等电子传递体 ④ 维持电子传递体的微环境所必需的蛋白质

去镁叶绿素 副叶绿素

去镁叶绿素 副叶绿素 胡萝卜素

配对叶绿素

光系统‖ 光系统‖的反应中心

2.光化学反应
由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还 原反应 可用下式表示光化学反应过程:

P·A



P*·A
激发态反应中心

P+·A-
电荷分离的反应中心

基态反应中心

P:反应中心色素分子;P*:激发态色素分子;A:原初电子受体;A-: 带负电荷原初电子受体; P+:带正电荷色素分子。

反应中心出现了电荷分离,到这里原初反应也就完成了。 反应中心出现了电荷分离,到这里原初反应也就完成 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+的还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),那么电荷分离后反应中心 的更新反应式可写为: D·〔P+·A-〕·A1 D+·〔P·A〕·A1- 这一过程在光合作用中反复地进行,推动电子在电子传递 体中传递。

(二)PSⅠ和PSⅡ的光化学反应 )PSⅠ和PSⅡ的光化学反应
高等植物的两个光系统 有各自的反应中心。 PSⅠ和PSⅡ反应中心中 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代表色素分子, 700、680则代表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 光谱与还原态吸收光谱间的 差值最大处的波长来作为反 应中心色素的标志。

图9 菠菜反应中心色素氧化态与还原态 的差示光谱 照光下PSⅠ(A)、PSⅡ(B)反应中心色素 氧化(P+),其氧化态与(黑暗中)还原态 (P)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)。

PSⅠ和PSⅡ的光化学反应 PSⅠ和PSⅡ的光化学反应
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。 PSⅠ的原初反应: PSⅠ的原初反应: 的原初反应 P700·A0 hυ P700*·A0 P700+·A0- PSⅡ的原初反应: PSⅡ的原初反应: 的原初反应 P680·Pheo hυ P680*·Pheo 在原初反应中,受 光激发的反应中心色素 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。 P680+·Pheo-

PSⅠ和PSⅡ的电子供体和受体组成 PSⅠ和PSⅡ的电子供体和受体组成
功能与特点 电子 次级 反应中心 最终 电子 色素分子 (吸收光能 供体 供体 原初电子 光化学反应) 供体 PS Ⅰ
还原NADP+ ,实 现PC到NADP+的 电子传递 使水裂解释放 氧气,并把水 中的电子传至 质体醌。 PC P700

原初 电子 受体
叶绿素 分子 (A0) 去镁叶 绿素分 子 (Pheo)

次级 电子 受体
铁硫 中心

末端 电子 受体
NADP+ (电子最 终受体) 质体醌 PQ

PS Ⅱ



YZ

P680

醌分 子 (QA)

第三节 电子传递和光合磷酸化
原初反应的结果: 原初反应的结果:
使光系统的反应中心发生 电荷分离,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: 电子传递的结果:
一方面引起水的裂解放氧 以及NADP+的还原; 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跃的 化学能。

一、电子和质子的传递
(一)光合链
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。 较为公认的是:

“Z”方案
由 希 尔 (1960) 等 人 提出并经后人修正与补 充。 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 还原电位高低排列。 电子传递链呈侧写 的“Z”形。
PSII和PSI共同参与从水到 PSII和PSI共同参与从水到NADP+电 共同参与从水到NADP 子传递的Z 子传递的Z-方案模式图
光下PSII产生氧化水的强氧化剂和还原剂。 与此相反,光照下PSI产生还原NADP+的 强还原剂和弱氧化剂。两个光系统通过电 子传递链连接,使得PSI氧化剂接受PSII 还原剂提供传递的电子。

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)产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远红光 的光系统Ι(PSΙ)产生弱氧化剂和强还原剂。PSⅡ产生的强氧化剂氧 化水,同时,PSΙ产生的强还原剂还原NADP+。

“Z”方案特点: 方案特点:
(1)电子传递链主要由光合膜上的 (1) PSⅡ、Cyt b6/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 图10 叶绿体中的电子传递模式 NADP+。 方框代表了蛋白复合物。LHCⅠ和LHCⅡ (4)PQ是双电子双H+传递体,它伴随 分别是PSⅠ和PSⅡ各自的聚光色素复合 电子传递,把H+从类囊体膜外带至 体,M为含Mn的放氧 复合体,实线箭头 膜内,连同水分解产生的H+一起建 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。 立类囊体内外的H+电化学势差。

(二)光合电子传递体的组成与功能
1.PSⅡ复合体 PSⅡ复合体
PSⅡ的生理功能 PSⅡ的生理功能 吸收光能,进行光化学反应,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复合体的组成与反应中心中的电子传递 )PSⅡ复合体的组成与反应中心中的电子传递
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、反应中心、放氧复合体、细胞色素和多种辅助因子 组成。
PSII反应中心结构模式图 PSII反应中心结构模式图
示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的 结构。 D1很容易受到光化学破坏。 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。 图中还表明了Mn聚集体(MSP)对水 的氧化。 CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。

PSⅡ反应中心的核心部分 是 分 子 量 分 别 为 32 000 和 34 000的D1和D2两条多肽。 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。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。 中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47 000、43 000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”。

PSⅡ的聚光色素复合体(LHCⅡ),因离反应中心远而称 远侧天线” “远侧天线”。 LHCⅡ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。

高等植物PSⅡ的聚光色素复合体(LHCⅡ) 高等植物PSⅡ的聚光色素复合体(LHCⅡ)的结构 PSⅡ的聚光色素复合体(LHCⅡ)的结构
(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三聚体的结构分布在PSII反 应中心复合体周边(看下图)。

PSI和PSII中叶绿素的分布 PSI和PSII中叶绿素的分布
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。 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。 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。

LHCⅡ磷酸化后,可在类囊体膜上移 动,从堆叠的基粒(富含PSⅡ)区域横 向移动至非堆叠的基质(富含PSⅠ)区 域,并成为PSⅠ的聚光色素系统,扩 大了PSⅠ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”。

QA 是单电子体传递体,每次反应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。

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)醌的氧化还原反应;

(2)水的氧化与放氧
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。 水的氧化反应是生物界 中植物光合作用特有的反 应,也是光合作用中最重 要的反应之一。 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+。

CO2+2H2O*

光叶绿体
4 e-

(CH2O)+ O2*+ H2O

20世纪60年代,法国的乔利 尔 特 (P. Joliot) 发 明 了 能 灵敏测定微量氧变化的极谱 电极,用它测定小球藻的光 合放氧反应。 他们将小球藻预先保持在暗 中,然后给以一系列的瞬间 闪光照射(如每次闪光5~ 10μs,间隔300ms)。 发现闪光后氧的产量是不均 量的,是以4为周期呈现振 图12 系列闪光对小球藻放 荡,即第一次闪光后没有O2 氧量的影响 的释放,第二次释放少量O2, 在第三个闪光阶段氧形成量最大, 第三次O2的释放达到高峰, 每 4 次 闪 光 出 现 1 次 放 氧 峰 以后每四个闪光都可以看到一个周期 性的峰值。氧形成量大约在第20个闪 (图12)。 光后体系放O2的周期性会逐渐消 用高等植物叶绿体实验得到 失,放O2量达到某一平稳的数值。 同样的结果。 (Joliot,1965 )

科克(B.Kok,1970)等人根据这 一事实提出了关于H2O裂解放氧 的“四量子机理假说”: 四量子机理假说” ①PSⅡ的反应中心与H2O之间存 在一个正电荷的贮存处(S) ②每次闪光,S交给PSⅡ反应中 心1个e-; ③当S失去4e-带有4个正电荷时 能裂解2个H2O释放1个O2(图13), S 图中S即为MSP,按照氧化程度 (即带正电荷的多少)从低到高 的顺序,将不同状态的M分别称 为S 0 、S 1 、S 2 、S 3 和S 4 。即S 在水裂解放氧中的S状态变化 0 不 带 电 荷 , S 1 带 1 个 正 电 氧的转化机制被认为存在5个不同 荷,……S4带4个正电荷。 的 氧 化 阶 段 ( S0 到 S4 ) 循 环 由 于 每一次闪光将状态 S 向前推进 PSII捕获光子可连续进行直到较高 一步,直至S4。然后S4从 2 个 氧化态阶段(S )产生。S 是唯一 4 4 H2O中获取 4 个e-并回到S0。 具有进行水氧化能力的阶段。

此模型被称为水氧化钟或Kok钟(Kok clock)。 这个模型还认为,S0和S1是稳定状态,S2和S3在暗中退回到S1,S4不稳 定。这样在叶绿体暗适应过程后,有3/4的M处于S1,1/4处于S0。因此最大 的放O2量在第三次闪光时出现。 此外,每次闪光后多数S会发生状态转变,但有些S不发生状态转变,在 若干次闪光后体系中的放氧复合体会处于不同状态使变化不同步,因而在若 干次闪光后体系放O2的周期性会逐渐消失,放O2量达到某一平稳的数值。

原Kok钟模型没有指出 H +的释放部位与机理。后人 的闪光实验表明,当S变化 时,H+的释放数是1、0、1、 2,即2个H2O中的4H+分别在 S0→S1,S2→S3,S3→S4 转变时释放。氧的释放发生 在循环的最后一步。 质子释放可能并非来源 于水的部分氧化,而是来自 放氧复合体上蛋白质的某些 可离子化的氨基酸集团。 由于放氧复合体位于类 囊体的囊腔,因此水氧化释 放的H+ 进入类囊体囊腔中, 这也是形成跨类囊体膜H+ 梯 度的重要因素。

锰是水氧化必不可少的元素。 S的各种状态很可能代表了含锰蛋 白的不同氧化态。每个放氧复合 体含有4个Mn的锰聚合体,Mn可以 有M2+ 、Mn3+ 和Mn4+ 的各种不同氧 化态。而所有4个Mn对O2的释放都 是必需的。锰原子被四个独立的 光化学反应而依次转化为高价的 状态,每一次P680被光激发从D1161 酪氨酸得到1个电子,锰聚合体 就会转变到1个新的氧化状态,直 到氧气的释放。
12.31 锰聚集体结构。聚集体中 四个锰原子和PSII D1蛋白质的 氨基酸残基结合,氧与氯也参 与锰聚集体结构。这种模式内 还包括一个钙原子

图6-24C

组氨酸

2.质醌 2.质醌
质醌(PQ)也叫质体醌,是PSⅡ反 应中心的末端电子受体,也是介 于PSⅡ复合体与Cyt b 6 /f复合体 间的电子传递体。 质体醌为脂溶性分子,能在类囊 体膜中自由移动,转运电子与质 子。 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。 PQ库作为电子、质子的缓冲库,能均衡两个光系统间的电子传递 (如当一个光系统受损时,使另一光系统的电子传递仍能进行), 可使多个PSⅡ复合体与多个Cyt b6/f 复合体发生联系,使得类 囊体膜上的电子传递成网络式地进行。 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;还原态的 质体醌在膜的内侧把电子传给Cyt b6/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 3.Cytb6/f复合体
Cyt b6/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,由几个多肽组成,即Cyt f、Cyt b 、 Rieske 铁-硫蛋白、亚基Ⅳ、光合电子传递体(Pet)G、M、L等。

Cyt b6/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Cyt b6/f 复 合体又称PQH2·PC氧还酶。 PQH2+2PC(Cu2+)
Cyt b6/f

PQ +2PC(Cu+)+ 2H+

Q 循环
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 Q 的假设: 的假设 氧化态的质醌在类囊体膜的外侧接 收由PSⅡ传来的电子,与质子结合;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。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。 质醌的这种反复进行的氧化还原反 应和跨膜转移质子称为(P)Q穿梭或(P)Q 循环。 Q循环对类囊体膜内外建立质子梯 度起着重要的作用。

4.质蓝素
质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质,氧化 时呈蓝色。它是介于Cyt b6/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还原变化来传递电子。 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Cyt b6/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。

5.PSⅠ复合体 5.PSⅠ复合体
PSⅠ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PC到NADP+ 的电子 传递。

高等植物的PSⅠ由反应中心和LHCⅠ等组成。反应中心内 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的反应中心。

PSI反应中心结构模式 PSI反应中心结构模式
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, F FA,FB的Fe-S中心,最 后到达可溶性铁硫蛋白 (Fdx)。P700+从还原 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 传递体与PSI复合体的结 合。

图14 铁-硫中心的模型 左:4铁-4硫型; 右:2铁-2硫型

FX、FA、FB是PSⅠ中3个 铁硫蛋白,都具有4铁-4硫中 心结构,其中4个硫与蛋白质 的4个半胱氨酸残基连接,它 们主要依4铁-4硫中心中的铁 离子的氧化还原来传递电子。

辅助叶绿素

6.铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP+还原酶 铁氧还蛋白和铁氧还蛋白铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白-NADP+还原酶(FNR) 都是存在类囊体膜表面的蛋白质。 Fd是通过它的2铁-2硫(图14右)活性中心中的铁 离子的氧化还原传递电子的。 FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),依 靠核黄素的氧化还原来传递H+。因其与Fd结合在 一起,所以称Fd-NADP + 还原酶。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 + ,还原NADP + 为NADPH,反应式可用下式 表示: 2Fd还原+NADP++ H+ FNR 2Fd氧化 + NADPH

Fd也是电子传递的分 Fd 也是电子传递的分 叉点。电子从PSⅠ 叉点 传给Fd后有多种去 向: 传给FNR进行非环式 电子传递; 传 给 Cyt b 6 /f 或 经NADPH再传给PQ进 行环式电子传递; 传给氧进行假环式 电子传递; 交给硝酸参与硝酸 还原; 传给硫氧还蛋白(Td) 进行光合酶的活化 调节……。

7.光合膜上的电子与H+的传递 光合膜上的电子与H

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。在光反应中吸收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,而在暗反应中同化1个CO2需消耗3个ATP和2个 NADPH,也即传递4个e-, 可还原2个NADPH,经ATP酶流出8个H+要合成3个ATP。

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Cyt b6/f复合体,其中1个e- 交给Cyt b 6 /f , 进而传给PQ,另1个e- 则传给〔Fe-S〕R 。因为Cyt b 6 /f 的氧 化还原仅涉及电子,所以2H+就释放到膜腔。还原的Cyt f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A 1 、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。

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 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→Cyt b6/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 ,还原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 2.环式电子传递
(1) PSⅠ中环式电子传递: PSⅠ中环式电子传递 中环式电子传递:
由经Fd经PQ,Cyt b6/f PC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: PSⅡ中环式电子传递 中环式电子传递:
电子是从QB经Cytb559,然后再回到 P680。即: 680→Pheo→Q →P680 P680→Pheo→QA→QB→Cytb559→P680 也有实验指出PSⅡ中环式电子传 递为: 680→ →P680 P680→ Cytb559→ Pheo →P680
Cytb559

3.假环式电子传递 3.假环式电子传递
指水中的电子经PSⅠ与PSⅡ传给Fd后再传给O 2 的电子传 递途径,这也叫做梅勒反应(Mehler′s reaction)。 H2O→PSⅡ→PQ→Cytb6/f→PC→ PSⅠ→Fd →O2 Fd为单电子传递体,其氧化时把电子交给O2,使O2生成超 氧阴离子自由基。 Fd还原 + O2 Fd氧化 + O2 叶绿体中有超氧化物歧化酶(SOD),能消除O2 -?。 O2 - + O2 - + 2H2 SOD 2H2O2 + O2 假环式电子传递的结果造成O2的消耗与H2O2的生成。 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。
百草枯

二、光合磷酸化
1954年阿农等人用菠菜 叶绿体,弗伦克尔 (A.M.Frenkel) 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 中加入ADP 与 Pi则有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 反应称为光合磷酸化。

(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的反应。 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+3Pi 8hυ叶绿体 2NADPH+3ATP+O2+2H+ + 6H2O 在进行非环式光合磷酸化的反应中,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的反应。 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不足的作用。

3.假环式光合磷酸化
与假环式电子传递偶联产生ATP的反应。此种 光合磷酸化既放氧又吸氧,还原的电子受体最 后又被氧所氧化。 H2O + ADP + Pi 光 叶绿体 ATP + O2-·+4H+ NADP+供应量较低,例如NADPH的氧化受阻,则有 利于假环式电子传递的进行。 非环式光合磷酸化与假环式光合磷酸化均被 DCMU(二氯苯基二甲基脲,敌草隆)除草剂所抑制, 而环式光合磷酸化则不被DCMU抑制。

(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 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: 三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联: 在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂,光合磷酸化就会停止; 在偶联磷酸化时,电子传递则会加快,所以在体系中加入磷酸化底 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 解偶联) 解偶联 磷酸化和电子传递的关系偶联可用ATP/e P/O来表示 来表示。 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:每对电子通过光合电子传递链而形成的ATP分子数; P/O: P/O:表示光反应中每释放1个氧原子所能形成的ATP分子数。 P/O比值越大,表示磷酸化与电子传递偶联越紧密。 ATP/e2和 P/O
2NADP++3ADP+3Pi
8hυ叶绿体

2NADPH+3ATP+O2+2H++6H2O

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。

2.化学渗透学说
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 (chemiosmotic theory) 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具有氧化还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(proton motive force,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 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,而断光时再加入底物能 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 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 化中间物学说 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+电化学势将加入的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) ΔμH ΔpH(kJ·mol )+96 ΔE(kJ·mol 96. 将式4-31两边用 F(96.5kJ·mol -1·V -1)除,规定 △ μH+/F 为 规定△ /F为 规定 质子动力(proton motive force,pmf),单位为电势(V)。 质子动力 pmf=0 在25℃时:pmf=0.059ΔpH+ΔE pmf= 059ΔpH+ΔE 叶绿体类囊体膜的质子动力大部分是来自ΔpH部分,电荷分 布所产生的ΔE的贡献很小,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 ATP 合成的部 ATP酶 位——ATP酶 ATP

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:一个是突出于膜表面 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550 000左右,催化的反应为 磷酸酐键的形成,即把ADP和Pi 合成ATP。另外ATP酶还可以催 化逆反应,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 CF1的分子量约400000,它含 成“六角形”的“头部”, γ 有α,β,γ,δ和ε5种亚基。 亚基位于“六角形”的中央空隙, δ 亚基位于“柄部” , ε亚 α:β:γ:δ:ε=3:3:1:1:1 基与γ亚基与CF0结合。 亚基有结合核苷酸的部位, α亚基 在进行催化时可能发生构象变化; β 亚基 亚基是合成和水解ATP分子 的催化位置; 亚基控制CF1转动和质子流; γ亚基 亚基也许与CF0的结合有关; δ亚基 亚基似乎能抑制CF1-CFo复合 ε亚基 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。

CF1

CFo
含有四个亚基: Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 和Ⅳ。Ⅲ是多聚体,可能含 有15个多肽。 Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ = 1:1:12:1 Ⅰ和Ⅱ组成柄,Ⅲ形成质子 通道,Ⅳ亚基的功能可能与 建立质子转移通道或与结合 CF1有关。 当类囊体膜失去CF1 后,就失 去磷酸化功能,如果重新加 进CF1 即可恢复磷酸化功能。 失去了CF1 的类囊体膜会泄漏 至于CF1如何利用H+越膜 质子。但是一旦将CF1 加回到 膜上或是加进CFo 的抑制剂后,所释放的能量来合成ATP,虽 质子泄漏就停止了。这表明 有很多假说,但都需进一步 CFo 是质子的“通道”,供应 验证。当前起主导的假说为 结合转化机制的变构学说 质子给CF1去合成ATP。

结合转化机制的变构学说
该学说由Paul Boyer提出,他认为,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 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。

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与的开放状态的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。

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。

4.光合磷酸化的抑制剂
叶绿体进行光合磷酸化,必须:(1)类囊体膜上进行电子传递;(2)类囊 体膜内外有质子梯度;(3)有活性的ATP酶。破坏这三个条件之一的试剂都能 使光合磷酸化中止,这些试剂也就成了光合磷酸化的抑制剂。 断水到PSⅡ的电子流,DCMU抑制从PSⅡ上的Q到PQ的电子传递;KCN和Hg等则 抑制PC的氧化。一些除草剂如西玛津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除 草定(bromacil)、异草定(isocil)等也是电子传递抑制剂,它们通过阻断电 子传递抑制光合作用来杀死植物。

(1) 电子传递抑制剂 指抑制光合电子传递的试剂,如羟胺(NH2OH)切

(2)解偶联剂 指解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。常见的
这 类 试 剂 有 DNP( 二 硝 基 酚 ) 、 CCCP(carbonyl cyanide-3-chlorophenyl hydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌素、NH+4等,这些 试剂可以增加类囊体膜对质子的透性或增加偶联因子渗漏质子的能力,其结 果是消除了跨膜的H+电化学势,而电子传递仍可进行,甚至速度更快(因为 消除了内部高H+浓度对电子传递的抑制),但磷酸化作用不再进行。

(3)能量传递抑制剂 指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂,如二
环 己 基 碳 二 亚 胺 (DCCD) 、 对 氯 汞 基 苯 (PCMB) 作 用 于 CF1 , 寡 霉 素 作 用 于 CFo(CFo 下标的o就是表明其对寡霉素oligomycin敏感)。它们都抑制了ATP酶 活性从而阻断光合磷酸化。

光合电子传递链的三种抑制剂DCMU、 、 光合电子传递链的三种抑制剂 DBMIB和百草枯的化学结构 和百草枯的化学结构。 和百草枯的化学结构

百草枯(一种除草剂)

2,5-二溴-3-甲基-6-异丙基-对苯醌

叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点。 阻止电子传递反应, 叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点。DCMU和DBMIB阻止电子传递反应, 和 阻止电子传递反应 而还原态的百草枯自动氧化为基本离子,导致超氧和其他活性氧种类的形成。 而还原态的百草枯自动氧化为基本离子,导致超氧和其他活性氧种类的形成。

三、光反应中的光能转化效率
光能转化效率是指光合产物中所贮存的化学能占光合作用所吸收的有效辐 射能的百分率。光反应中,植物把光能转变成化学能贮藏在ATP和NADPH中。 每 形 成 1mol ATP 需 要 约 50kJ 能 量 , 每 形 成 1mol NADPH 便 有 2mole - 从 0.82V(H2O/O2氧化还原电位)上升到-0.32V(NADPH电位)。这一过程的自由能 变化为 G=-nF△E=-2×96.5×(-1.14)=220kJ 如 果 按 非 环 式 电 子 传 递 , 式 (4-27) 每 吸 收 8mol 光 量 子 形 成 2molNADPH 和 3molATP来考虑,在光反应中吸收的能量按680nm波长的光计算,则8mol光量 子的能量(E2)为: E 2 =hNC/λ×8=6.626×10 -34 J·s×6.023×10 23 ×(3.0×108m·s -1 / 680×10-9m)×8 =1410kJ 8 mol光子可转化成的化学能(E1) E1=220kJ×2+50kJ×3=590kJ 能量转化率= (光反应贮存的化学能/吸收的光能) = E1/E2=590kJ/1410kJ≈0.42=42%


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