1、第二節(jié) 二氧化碳固定,1945年美國的Calvin M等人利用單細胞小球藻作為實驗材料，應用14C示蹤技術和雙向紙層析法，經(jīng)過十年的研究揭示了光合作用暗反應階段碳素同化及受體再生的循環(huán)途徑，因此稱為卡爾文循環(huán)（Calvin Benson cycle）。,由于途徑中的最初產(chǎn)物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），故也稱作C3途徑。,10.1.3 卡爾文循環(huán)（C3途徑）,10.1.3.1 CO2的固定,整個循環(huán)可分為三個階段：(1) CO2固定,CO2的固定（CO2 fixation），即游離的CO2經(jīng)酶促反應轉變?yōu)橛袡C物分子中的羧基,也稱作CO2的羧化（carboxylation）。 CO2的受體是核

2、酮糖-1,5-二磷酸（ribulose-1,5-bisphosphate，RuBP），催化此反應的酶是核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase / oxygenase，Rubisco）。,10.1.3.1 CO2的固定,整個循環(huán)可分為三個階段：(1) CO2固定,上述反應在夜間或黑暗條件下受阻,CO2的固定反應是卡爾文循環(huán)的限速步驟。其關鍵酶Rubisco是個雙功能的酶。它的活性中心有兩種功能：既可以催化上述羧化反應，又可以催化加氧反應（在光呼吸中）。該酶位于葉綠體基質(zhì)中，約占葉子可溶性蛋白的50%，是植物中含量最豐富

3、的酶。,10.1.3.1 CO2的固定,Rubisco活性中心受CO2和Mg2+以及ATP的活化。酶的最適pH8。已知底物RuBP與Rubisco結合較牢，反而降低了羧化反應的速度，在Rubisco激活酶（Rubisco activase）的調(diào)節(jié)下，可以促進RuBP的釋放，活化了Rubisco?；罨^程 中Rubisco激活酶需要ATP，因ATP來自于光反應，所以光是Rubisco的間接激活劑。,這一階段包括兩步反應：（1）在磷酸甘油酸激酶催化下，發(fā)生高能鍵的轉移，產(chǎn)生1，3-二磷酸甘油酸（BPG）；（2）在磷酸甘油醛脫氫酶的催化下，還原產(chǎn)生3-磷酸甘油醛（G3P）。第二步酶是光調(diào)節(jié)酶。反應中

4、消耗的ATP和NADPH來自于前面介紹的光合作用光反應所產(chǎn)生的化學能和還原力。,10.1.3.2 羧化產(chǎn)物的還原,在磷酸丙糖異構酶的催化下，3-磷酸甘油醛（G3P）異構為磷酸二羥丙酮（DHAP）；接著在醛縮酶的催化下，縮合成果糖-1, 6-二磷酸（FBP）；然后在光調(diào)節(jié)酶：果糖-1, 6-二磷酸酶（fructose -1,6-bisphosphatase, FBPase）的催化下，水解去掉一個磷酸基團，變?yōu)楣?6-磷酸（F6P）；再經(jīng)磷酸葡萄糖異構酶催化，就變?yōu)槠咸?6-磷酸（G6P）,10.1.3.3 受體的再生,10.1.3.3 受體的再生,磷酸丙糖是代謝中的一個轉折點，除了參與卡爾文循

5、環(huán)中的反應外，還有其它去路： 轉化為淀粉，作為植物貯存形式備用； 外運到細胞質(zhì)中先形成蔗糖，再轉移到植物生長的區(qū)域； 在發(fā)育的葉片中，相當一部分磷酸丙糖轉移到細胞質(zhì)，進入糖酵解、TCA循環(huán)等途徑為生物供能。,10.1.3.3 受體的再生,10.1.3.3 受體的再生,醛縮酶還可將上述反應產(chǎn)生的4-磷酸赤蘚糖與磷酸二羥丙酮縮合，形成七碳糖：景天庚酮糖-1, 7-二磷酸（SBP）。在景天庚酮糖二磷酸酶（sedoheptulose bisphosphatase，SBPase）的作用下，SBP被水解，去除一個磷酰基，成為景天庚酮糖-7-磷酸（S7P）。此水解酶是光調(diào)節(jié)酶，也是植物中特有的酶,10.1.

6、3.3 受體的再生,10.1.3.3 受體的再生,10.1.3.3 受體的再生,轉羥乙醛酶還可以催化酮糖供體“景天庚酮糖-7-磷酸”將羥乙醛基轉移給醛糖受體“3-磷酸甘油醛”，產(chǎn)生5-磷酸核糖（R5P）和5-磷酸木酮糖（Xu5P）。,10.1.3.3 受體的再生,再經(jīng)兩種異構酶催化，可發(fā)生五碳糖的轉變，其共同的目標是形成5-磷酸核酮糖（Ru5P）。Xu5P經(jīng)磷酸核酮糖差向異構酶催化，C3上羥基位置的改變，就可以變成Ru5P 。,10.1.3.3 受體的再生,R5P經(jīng)磷酸核糖異構酶催化，醛糖就可以變成酮糖Ru5P,10.1.3.3 受體的再生,最后在磷酸核酮糖激酶（phosphoribulose

7、 kinase）催化下, 消耗1ATP, 產(chǎn)生1, 5-二磷酸核酮糖（RuBP），完成了受體的再生。, Rubisco*； 磷酸甘油酸激酶； 磷酸甘油醛脫氫酶*； 磷酸丙糖異構酶； 醛縮酶； FBPase*； 磷酸葡糖異構酶； 磷酸葡糖酶； 轉羥乙醛酶； 醛縮酶； SBPase*； 轉羥乙醛酶； 磷酸核酮糖差向異構酶； 磷酸核糖異構酶； 磷酸核酮糖激酶*,10.1.3.3 受體的再生,總反應式,光合作用的卡爾文循環(huán)中，每同化一分子CO2，需要消耗三分子ATP和二分子的NADPH。,或,在這樣的弱堿性條件下，Rubisco，磷酸甘油醛脫氫酶，F(xiàn)BPase，SBPase，磷酸核酮糖激酶這些卡爾文循

8、環(huán)關鍵酶均有激活作用,10.1.3.4 卡爾文循環(huán)調(diào)節(jié)（C3途徑）,C4途徑是一種在光合作用中與卡爾文循環(huán)有一定聯(lián)系的輔助途徑。該途徑的作用是固定、濃縮和轉運CO2到C3途徑所在的維管束鞘細胞中，使其中的CO2濃度升高，提高其光合作用速率。因CO2固定最初產(chǎn)物是四碳二羧酸，固稱為C4途徑。通過C4途徑固定、同化CO2的植物，簡稱為C4植物，如玉米、甘蔗、高粱、莧菜、狼尾草、黍等。,10.1.4 C4 途徑,C3植物與C4植物光合作用的差異在于暗反應階段：C3植物的CO2固定及碳素同化途徑均在葉肉細胞的葉綠體中進行。C4植物的CO2固定先在靠近葉表面的葉肉細胞中進行，然后經(jīng)C4途徑的四碳二羧酸的

9、轉移，把CO2運輸?shù)饺~片內(nèi)部維管束鞘細胞的葉綠體中，再進行卡爾文循環(huán)?？梢奀4植物碳同化過程應包括C4途徑和C3途徑。,10.1.4.1 C4途徑與C3途徑的關系,10.1.4.1 C4途徑與C3途徑的關系,C4途徑將CO2和Rubisco 從氧含量較高的葉片表面轉移到氧濃度較低的內(nèi)部維管束鞘細胞之中，再進行CO2的固定反應。其轉移的目的是避免 Rubisco 發(fā)生另一種浪費資源的加氧反應。熱帶禾本科植物采用C4途徑的原因之一是克服了高溫條件下CO2和Rubisco的親和力的下降。,10.1.4.1 C4途徑與C3途徑的關系,C4途徑CO2的最初受體是一種三碳化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），

10、在PEP羧化酶催化下，固定CO2，生成草酰乙酸（OAA）,10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應,這個反應在葉肉細胞質(zhì)中進行。PEP羧化酶對CO2的親和力很強，其Km7 mol/L，而此時的Rubisco的Km450 mol/L。 PEP羧化酶從高O2低CO2的葉肉中固定CO2，為CO2的轉移、同化奠定了基礎。PEP羧化酶是一種調(diào)節(jié)酶，被CO2固定的反應產(chǎn)物OAA所抑制，受EMP途徑中的葡萄糖-6-磷酸（G6P）的活化。該酶遇到光也活化，視作光合作用的酶。,10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應,在葉肉細胞的葉綠體中，經(jīng)NADP-蘋果酸脫氫酶催化，轉變?yōu)樘O果酸。,10.1.4.2 C4

11、途徑中主要的酶促反應,在葉肉細胞質(zhì)內(nèi)，由谷草轉氨酶催化，轉變?yōu)樘於彼?10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應,上述蘋果酸或天冬氨酸均能夠從葉肉細胞轉移到維管束鞘細胞中。這些四碳二羧酸起著CO2攜帶體的作用。 在維管束鞘細胞中，它們發(fā)生脫羧反應，放出CO2，以利于CO2進入卡爾文循環(huán)，再參與糖的合成。脫羧反應因植物不同；也相應有差異，主要有三種形式：,10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應,在維管束鞘細胞的葉綠體中，經(jīng)NADP-蘋果酸酶催化，氧化脫羧變?yōu)楸?。屬于這類的植物是玉米、甘蔗、高粱等。,10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應,在維管束鞘線粒體中，經(jīng)NAD-蘋果酸酶作用，

12、氧化脫羧，形成丙酮酸。,10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應,脫羧后，形成的丙酮酸先經(jīng)轉氨酶作用變?yōu)楸彼?，從維管束鞘細胞轉移到葉肉細胞的葉綠體中，再經(jīng)轉氨酶作用又轉變回丙酮酸，然后通過丙酮酸磷酸雙激酶（pyruvate phosphate dikinase）的催化才轉變成PEP，完成C4途徑受體的再生。,10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應,葡萄糖異生作用（gluconeogenesis）是指以非糖有機物作為前體合成為葡萄糖的過程。這是植物、動物體內(nèi)一種重要的單糖合成途徑。非糖物質(zhì)包括乳酸、丙酮酸、甘油、草酰乙酸、乙酰CoA以及生糖氨基酸（如丙氨酸）等。 植物果實成熟期間，有機酸

13、含量下降，糖份含量增加，就是葡糖異生作用的結果。動物機體內(nèi)葡萄糖異生作用是必不可少的。它對維持血糖濃度的恒定，為大腦、肌肉、眼晶狀體、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等組織利用葡糖分解供能提供了保障。,10. 2 糖異生作用,葡萄糖異生途徑幾乎是EMP途徑的逆轉，但要繞過EMP途徑三處不可逆反應，采用葡萄糖異生作用特有的酶催化、轉移，才能完成非糖有機物合成為葡萄糖的過程。葡萄糖異生途徑三處迂回路徑是:,10.2.1 葡萄糖異生途徑,(1) 丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸,10.2.1 葡萄糖異生途徑,(2) 果糖 1, 6 -二磷酸 果糖- 6-磷酸,10.2.1 葡萄糖異生途徑,(3) 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖,10.

14、2.1 葡萄糖異生途徑,10.3.1 糖核苷酸的作用,10. 3 蔗糖和多糖的生物合成,在高等植物、動物體內(nèi)，游離的單糖不能參與雙糖和多糖的合成反應，延長反應中提供的單糖基必須是活化的糖供體，這種活化的糖是一類糖核苷酸，即糖與核苷酸結合的化合物。糖核苷酸的作用是作為雙糖或多糖，甚至是糖蛋白等復合糖合成過程中參與延長單糖基的活化形式或供體。最早發(fā)現(xiàn)的糖核苷酸是尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose, UDPG）,10. 3 蔗糖和多糖的生物合成,UDPG結構式,10. 3 蔗糖和多糖的生物合成,UDPG 合成反應,10. 3.2 蔗糖的生物合成,該途徑存在于光合

15、組織的細胞質(zhì)中。被認為是植物合成蔗糖的主要途徑。磷酸蔗糖合酶（sucrose phosphate synthase）屬于轉移酶類。它利用UDPG作為葡萄糖的供體，以F6P為葡萄糖的受體，反應產(chǎn)物是蔗糖-6-磷酸；再通過磷酸蔗糖酶水解，脫去磷酸基團而生成蔗糖。,(1) 磷酸蔗糖合酶途徑,(1) 磷酸蔗糖合酶途徑,10. 3.2 蔗糖的生物合成,在非光合組織中蔗糖合酶（sucrose synthase）活性較高。蔗糖合酶也屬于轉移酶類，可催化糖基轉移。,(2) 蔗糖合酶途徑,10. 3.3 淀粉和糖原的生物合成, 淀粉合酶（starch synthase）,10.3.3.1 直鏈淀粉的生物合成,式中；引物的n3；活化的葡糖基從引物的非還原端延長；淀粉合酶催化連接的鍵是-1，4糖苷鍵。,10. 3.3 淀粉和糖原的生物合成, D酶,10.3.3.1 直鏈淀粉的生物合成,D酶是一種糖苷基轉移酶，作用的鍵是-1，4糖苷鍵；轉移的基團主要是麥芽糖殘基；催化的底物可以是葡萄糖、麥芽多糖；起著加成反應作用。故有人稱之為加成酶。D酶的存在，有利于葡萄糖轉變?yōu)辂溠慷嗵?，為直鏈淀粉延長反應提供了必要的引物。,10. 3.3 淀粉和糖原的生物合成, 蔗糖轉化為淀粉,10.3