1、光合作用,Photosynthesis,18世紀(jì)初以前，人們?nèi)匀徽J(rèn)為植物是從土壤中獲取生長發(fā)育所需要的全部元素。1727年S. Hales提出植物的營養(yǎng)有一部分可能來自于空氣，并且光以某種方式參與此過程。,1771年英國牧師、化學(xué)家J. Priestley 發(fā)現(xiàn)將薄荷枝條和燃燒著的蠟燭放在一個(gè)密封的鐘罩內(nèi)，蠟燭不易熄滅；將小鼠與綠色植物放在同一鐘罩內(nèi)，小鼠也不易窒息死亡。 1776年他提出植物可以“凈化”由于燃燒蠟燭和小鼠呼吸弄“壞”的空氣。接著，荷蘭醫(yī)生J. Ingenhousz證實(shí)，植物只有在光下才能“凈化”空氣。人們把1771年定為發(fā)現(xiàn)光合作用的年代。,1782年瑞士的J. Senebi

2、er用化學(xué)分析方法證明，CO2是光合作用必需的，O2是光合作用的產(chǎn)物。1804年N.T.De Saussure進(jìn)行了光合作用的第一次定量測定，指出水參與光合作用，植物釋放O2的體積大致等于吸收CO2的體積。1864年J.V. Sachs觀測到照光的葉片生成淀粉粒，證明了光合作用形成有機(jī)物。到了19世紀(jì)末，人們寫出了光合作用的總反應(yīng)式：,1941年美國科學(xué)家S. Ruben和M. D. Kamen通過18O2和C18O2同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，證明光合作用中釋放的O2來自于H2O。為了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以區(qū)別，通常用下式作為光合作用的總反應(yīng)式： CO2 + 2H2O* (CH2O)

3、+ O*2 H2O 至此，人們已清楚地知道光合作用的反應(yīng)物和生成物，并依據(jù)光合產(chǎn)物和O2釋放的增加或CO2的減少來計(jì)算光合速率。例如，用改良半葉法測定有機(jī)物質(zhì)的積累，用紅外線CO2氣體分析儀法測定CO2的變化，用氧電極測定O2的變化等。由于植物體含水量高，光合作用所利用的水分只占體內(nèi)總含水量的極小部分，一般不用含水量的變化來衡量植物的光合速率。,Chlorophyll：葉綠素 Haemin：氯化血紅素,瑞士,德,德,美,美,美,英,美、英、丹麥,德,德,美,光合作用(Photosynthesis),綠色植物或光合細(xì)菌利用太陽的光能把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，并把CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的過程。 H2O+CO

4、2 (CH2O) +O2 （產(chǎn)氧生物） 2H2D+CO2(CH2O)+H2O+2D（通式） 光合細(xì)菌以其它化合物代替水作為電子供體，不產(chǎn)氧。 2H2S+CO2（CH2O）+2S Lactate+CO2(CH2O) +H2O+CH3COCOOH,光能,太陽能是生物能量的最初來源,光合有機(jī)體吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原有機(jī)物的化學(xué)能，是幾乎所有生物能量的最初來源。 大量的能量以光合產(chǎn)物的形式被貯存，每年大約有1018 KJ的來自太陽的自由能被光合生物所捕獲，相當(dāng)于全球人類每年消耗化石燃料能量的100倍。,太陽光能是所有生物能的最初來源,光合作用的意義,合成有機(jī)物，據(jù)估計(jì)地球上自養(yǎng)植物每年約同化71011 t

5、 CO2，如以葡萄糖計(jì)算，每年同化的碳素相當(dāng)于四五千億噸有機(jī)物質(zhì)。 蓄積太陽能量，把太陽投射到地球表面的一部分輻射能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，貯藏在形成的有機(jī)物中。據(jù)計(jì)算綠色植物每年貯存的太陽能量為7.110l8 kJ，約為全人類日常生活、工業(yè)等方面所需能量的100倍。 調(diào)節(jié)大氣成分，在光合作用中，綠色植物每年大約向大氣釋放5.351011 t 氧，它是地球上一切需氧生物生存所必須的氧源。其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞酰诖髿馍蠈有纬善琳衔諒?qiáng)的紫外輻射，保護(hù)生物。,光反應(yīng)與暗反應(yīng),Robert Hill(1939)發(fā)現(xiàn)葉綠體照光后產(chǎn)生O2并不需要CO2，把光合作用分為兩個(gè)階段： I、光反應(yīng)(light react

6、ion)，需光，光合色素把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，光解H2O放出O2、并產(chǎn)生ATP和NADPH。 II、暗反應(yīng)(dark reaction)，不需光，利用光反應(yīng)的ATP和NADPH將CO2固定、還原為糖或其他有機(jī)物的一系列酶促反應(yīng)。,光反應(yīng)產(chǎn)生的能量用于暗反應(yīng)的固定和同化,葉綠體(Chloroplast),類囊體膜上分布著許多電子載體蛋白，包括4種細(xì)胞色素、質(zhì)體醌(PQ)、質(zhì)體藍(lán)素(PC)和鐵氧還蛋白(Fd)。,類囊體膜的形成大大增加了膜片層的總面積，更有效地收集光能、加速光反應(yīng)。類囊體膜含有葉綠素，是光合作用的基地。,葉綠素(Chlorophyll a),葉綠素a和細(xì)菌葉綠素是主要色素，其他為輔助

7、色素,四個(gè)吡咯環(huán)組成 1個(gè)大的卟啉環(huán),其他色素(Other Pigments),葉黃素,-胡蘿卜素,藻紅素,電磁輻射光譜及可見光光子能量分布,葉綠素的吸收光譜,吸收紅光和藍(lán)光，反射綠光,645 nm,663 nm,425,450,光合色素的光吸收,Phycoerythrin (PE):藻紅蛋白 Phycocyanin (PC):藻青蛋白 Lutein:葉黃素,葉綠素與光反應(yīng)中心,Phycoerythrin (PE):藻紅蛋白 Phycocyanin (PC):藻青蛋白 Allophycocyanin (AP):異藻青蛋白,光反應(yīng)系統(tǒng)(Photoreaction System),葉綠素分子或/和

8、輔助色素吸收光量子后將光能匯集到一小部分葉綠素分子上，只有這一小部分葉綠素分子能參與光反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，這種由色素分子裝配成的系統(tǒng)稱為光（反應(yīng)）系統(tǒng)。 有兩類光系統(tǒng)，即PS I, PS II。每個(gè)光系統(tǒng)都含有不同的光化學(xué)反應(yīng)中心和天線（色素）分子。,光系統(tǒng) II(Photoreaction System II, PS II),包括三個(gè)部分： 1捕獲光能的復(fù)合體，有200個(gè)葉綠素分子和12個(gè)跨膜的多肽組成。 2光反應(yīng)中心核，有50個(gè)葉綠素a分子組成，激發(fā)電子的光能就由這些天線分子流入反應(yīng)中心，又稱P680。 3. 產(chǎn)生O2的復(fù)合體，即光反應(yīng)的水裂解酶。水裂解酶內(nèi)由4個(gè)錳離子組成簇，位于催化

9、中心，從S0到S4有5種氧化狀態(tài)。,Photoreaction System IIPS II,PS II 是強(qiáng)氧化劑，通過Z形中間物使錳中心失去四個(gè)電子，斷裂2H2O得到4個(gè)電子，產(chǎn)生O2，釋放4個(gè)H+。不放O2的光合細(xì)菌無PS II，產(chǎn)氧的光合細(xì)菌含有PS II。,光系統(tǒng) I(Photoreaction System I),為跨膜復(fù)合物，含13條多肽鏈，由70個(gè)Chl a和Chl b組裝而成，光反應(yīng)中心(P700)有130個(gè)Chl a分子，PS I在700 nm附近被激活，不產(chǎn)生O2，與一系列的載體相連，最終產(chǎn)生NADPH。 PS I與PS II互相補(bǔ)充（分別由700 nm和680 nm激活

10、），前者產(chǎn)生NADPH，后者產(chǎn)生O2。,PS I and PS II,光系統(tǒng)與ATP,光合電子傳遞鏈（Photosynthetic Chain）,光反應(yīng)中心周圍的天線色素吸收光能，匯集到反應(yīng)中心，色素分子受光照激發(fā)由基態(tài)P激發(fā)為激發(fā)態(tài)P*，通常吸收一個(gè)光子可使一個(gè)電子的能量提高1V(1ev)。 被激發(fā)的電子沿類囊體膜中一系列電子傳遞體傳遞，組成了光合作用的電子傳遞鏈-光合鏈。光合鏈的能量有兩次起落，涉及兩個(gè)光系統(tǒng)，組成Z字形光合鏈。分為兩階段：,光合電子傳遞鏈PS II（Photosynthetic Chain）,PS II被激發(fā)為強(qiáng)氧化劑，從H2O得電子產(chǎn)生O2，通過Cyt b6f還原質(zhì)藍(lán)素

11、并產(chǎn)生質(zhì)子梯度用于ATP生成。 PS II是一個(gè)脫鎂葉綠素-醌類型的含有幾乎等量葉綠素a和b的系統(tǒng)，P680的激發(fā)驅(qū)動(dòng)了電子通過細(xì)胞色素b6f復(fù)合物的流動(dòng)，并伴隨質(zhì)子的跨類囊體膜的轉(zhuǎn)移。,光合電子傳遞鏈PS I,PS I光照激發(fā)變?yōu)镻700*(弱氧化劑)，還原的PC捕獲電子變?yōu)镻700，并再一次激發(fā)電子，受體A0接受P700*發(fā)出的電子變?yōu)锳0-(強(qiáng)還原劑)，最終傳至NADP+形成NADPH。 PS I 是鐵氧還蛋白型的光系統(tǒng)，高的葉綠素a/b。激發(fā)的P700的電子通過Fe-S中心蛋白鐵氧還蛋白、NADP+，產(chǎn)生NADPH。,光合電子傳遞鏈,Plastoquinone：質(zhì)體醌 Phylloqu

12、inone：葉綠醌,Pheophytin：脫鎂葉綠素,光合磷酸化（Photophosphorylation）,由光照引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過程。 非循環(huán)光合磷酸化（non-cyclic photophosphorylation） 光照激發(fā)Chl分子P680*從H2O得到電子傳遞給NADP+，電子流動(dòng)經(jīng)過兩個(gè)PS，兩次激發(fā)生成的高能電子呈Z字傳遞，產(chǎn)生的質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)ATP形成，產(chǎn)物還有NADPH和O2。,光合磷酸化（續(xù)）（Photophosphorylation）,循環(huán)光合磷酸化（Cyclic photophosphorylation），電子流動(dòng)的途徑從PS I （P70

13、0）至Fd（鐵氧還蛋白）后又傳給Cytb6/f 復(fù)合物，而不傳給NADP+，前者又將電子通過PC（質(zhì)藍(lán)素）傳給PS I （P700），電子循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生質(zhì)子梯度，驅(qū)動(dòng)ATP形成，不伴隨NADPH的產(chǎn)生。PS II不參與循環(huán)，也不產(chǎn)生O2。,光合磷酸化作用的機(jī)制,化學(xué)滲透假說可以科學(xué)地解釋光合磷酸化作用的機(jī)制。人為在類囊體膜兩側(cè)形成pH梯度，也能產(chǎn)生ATP。,光合作用的質(zhì)子梯度可以被用于合成ATP,CF0-CF1 ATP合成酶,暗 反 應(yīng) Dark Reaction,卡爾文循環(huán)： Calvin cycle C3循環(huán)、三碳循環(huán),暗反應(yīng)(Dark Reaction),綠色植物和光合細(xì)菌通過光合磷酸化作

14、用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能（即NADPH的還原能和ATP的水解能），并以此促進(jìn)CO2還原為糖，CO2的固定和還原主要靠卡爾文循環(huán)（Calvin cycle，又稱三碳或碳三循環(huán)）。,暗反應(yīng)(Dark Reaction),Melvin Calvin(1911-1997) (1940年）通過同位素標(biāo)記14C-CO2和雙向紙層析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)光合作用最早標(biāo)記的產(chǎn)物是3-P-甘油酸，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)CO2首先與RUBP(1, 5-二磷酸核酮糖)縮合為六碳糖，然后迅速裂解為2分子三碳糖（3-P-甘油酸），催化CO2與RUBP縮合反應(yīng)的酶是Ribulose 1, 5-bisphosphate carboxylase /

15、oxygenase-rubisco 。 Calvin循環(huán)固定和同化6 CO2生成1分子葡萄糖消耗18 ATP和12 NADPH。,RUBP羧化酶Carboxylase,葉綠體中催化CO2固定的酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，或稱RUBP羧化酶/加氧酶，縮寫為rubisco。 Rubisco是植物光合作用的關(guān)鍵酶，為復(fù)合物，8個(gè)大亞基Mr56000，每個(gè)含一個(gè)活性位點(diǎn)；8個(gè)小亞基Mr14000，功能還不完全清楚。 植物中酶位于葉綠體的基質(zhì)，占葉綠體總蛋白的60%，是生物圈中最豐富的酶。,光合生物二氧化碳同化的三個(gè)階段,固定,還原,受體再生,卡爾文循環(huán)的受體再生,CO2還原生成糖,6-P-果糖的合

16、成,CO2還原生成糖,蔗糖的生物合成,卡爾文循環(huán),由二氧化碳合成三碳糖需6NADPH和9ATP,光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH是二氧化碳還原的必需底物,暗反應(yīng)的調(diào)節(jié),限速反應(yīng)是由rubisco催化的CO2的固定反應(yīng)，酶是別構(gòu)酶，光照葉綠體產(chǎn)生的三個(gè)因素可刺激酶的活性： 葉綠體光照后，質(zhì)子流向類囊體腔，基質(zhì)pH升高，由7升至8，刺激酶活； 光照時(shí)質(zhì)子泵入類囊體腔，伴隨Cl-和Mg2+的轉(zhuǎn)移，Mg2+升高也刺激酶活； NADPH刺激暗反應(yīng)，光照PSI時(shí)產(chǎn)生NADPH，加速反應(yīng)活性； 葉綠體中幾個(gè)酶由于二硫鍵的還原被活化。,Rubisco的調(diào)節(jié),光通過調(diào)節(jié)硫氧還蛋白活化卡爾文循環(huán),光呼吸Photor

17、espiration,植物的綠色細(xì)胞在光下消耗氧氣，放出二氧化碳的過程稱為光呼吸。僅在光下發(fā)生，與光合作用密切相關(guān)。通常細(xì)胞的呼吸在光照和黑暗中都可以進(jìn)行，對光照沒有特殊要求的呼吸-暗呼吸。 光呼吸速率比暗呼吸速率高3-5倍。 光呼吸是一個(gè)氧化過程，被氧化的底物是乙醇酸，乙醇酸的產(chǎn)生則以RuBP為底物，催化這一反應(yīng)的酶是Rubisco，具有催化羧化反應(yīng)和加氧反應(yīng)兩種功能。其催化方向取決于CO2和O2的分壓。當(dāng)CO2分壓高而O2分壓低時(shí)，RuBP與CO2經(jīng)羧化活性生成2分子的PGA；反之，則RuBP與O2經(jīng)加氧生成1分子PGA和1分子磷酸乙醇酸(C2化合物)，后者在磷酸乙醇酸磷酸（酯）酶的作用下

18、變成乙醇酸。,乙醇酸生成光呼吸,低CO2、高O2,RUBP,進(jìn)入過氧化物酶體,Gly,轉(zhuǎn)氨酶,線粒體,脫羧酶,Ser,H2O+O2,光呼吸的生理作用,光呼吸將光合作用固定的20-40%的碳變?yōu)镃O2放出；從能量的角度看，每釋放1分子CO2需要消耗6.8個(gè)ATP和3個(gè)NADPH。顯然，光呼吸是一種浪費(fèi)。 CO2和O2競爭Rubisco的同一活性部位，并互為加氧與羧化反應(yīng)的抑制劑。Rubisco催化反應(yīng)的方向，是進(jìn)行光合作用還是光呼吸，取決于外界CO2與O2濃度的比值。大氣中CO2/O2比值很低，加氧酶活性就不可避免地表現(xiàn)出來。 其主要生理功能如下: 1. 消除乙醇酸的毒害：乙醇酸的產(chǎn)生在代謝中是

19、不可避免的。光呼吸消除乙醇酸的代謝作用，避免了乙醇酸積累，使細(xì)胞免受傷害。,光呼吸的生理作用續(xù),2. 維持C3途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)：在葉片氣孔關(guān)閉或外界CO2濃度降低時(shí)，光呼吸釋放的CO2能被C3途徑再利用，以維持C3途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)。 3. 防止強(qiáng)光對光合機(jī)構(gòu)的破壞：在強(qiáng)光下，光反應(yīng)中形成的同化力會(huì)超過暗反應(yīng)的需要，葉綠體NADPH/ NADP+的比值增高，最終電子受體NADP+不足，由光激發(fā)的高能電子會(huì)傳遞給O2，形成超氧陰離子自由基O2-.，O2-.對光合機(jī)構(gòu)具有傷害作用，而光呼吸可消耗過剩的同化力，減少O2-.的形成，從而保護(hù)光合機(jī)構(gòu)。 4. 氮代謝的補(bǔ)充：光呼吸代謝中涉及多種氨基酸(甘氨酸、絲氨酸等

20、)的形成和轉(zhuǎn)化過程，它對綠色細(xì)胞的氮代謝是一個(gè)補(bǔ)充。,四碳(碳四)途徑(CO2固定循環(huán)、C4二羧酸途徑),1965年，M.D. Hatch和C.R. Slack研究熱帶和亞熱帶植物如甘蔗光合作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記的CO2首先被標(biāo)記在蘋果酸、草酰乙酸及Asp等四碳二羧酸物質(zhì)上，命名之，又稱Hatch-Slack pathway。后來在玉米、高粱、其他禾本科及莎草科植物中也發(fā)現(xiàn)有這一途徑。,C4植物的葉肉結(jié)構(gòu),有兩類葉綠體進(jìn)行兩類循環(huán)，葉肉細(xì)胞中進(jìn)行C4代謝，微管束鞘細(xì)胞進(jìn)行C3循環(huán)。,C4植物的葉片與C3植物有不同的解剖學(xué)特征。C4植物的維管束鞘細(xì)胞中含有大量的葉綠體，其葉綠體中的內(nèi)膜系統(tǒng)主要由基質(zhì)片層組成，基粒很少，在維管束鞘細(xì)胞外面有一圈整齊排列的葉肉細(xì)胞。,葉肉細(xì)胞中，PEP羧化酶催化PEP羧化生成OAA（草酰乙酸），再轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果酸或天冬氨酸 C4二羧酸從葉肉細(xì)胞轉(zhuǎn)移到維管束鞘細(xì)胞內(nèi)脫羧釋放CO2，進(jìn)入C3循環(huán)固定,C4循環(huán),C4循環(huán),景天科酸代謝途徑CAM,干