1、植物光合作用暗反應(yīng)中C3、C4和CAM途徑在古代食譜分析中的應(yīng)用,1.光合作用的概念：植物是通過光合作用將空氣中的CO2轉(zhuǎn)化為植物組織。 CO2+H2O(CH2O)+O2 2.光合作用的發(fā)生部位葉綠體,知識(shí)鋪墊,3.光合作用的過程： （一）光反應(yīng)發(fā)生在類囊體 原初反應(yīng)：指葉綠素分子被光激發(fā)引起原初光化學(xué)反應(yīng)的過程，或是光能被捕光色素吸收并傳遞到反應(yīng)中心發(fā)生電荷分離的過程。 電子傳遞鏈：兩個(gè)光系統(tǒng)吸收光能引起原初反應(yīng)后，電子傳遞形成電子流。 光系統(tǒng)I（PSI）：在類囊體膜外側(cè)。PSI的作用中心色素分子是P700。是長(zhǎng)波光反應(yīng)，其主要特征是NADP的還原。 光系統(tǒng)II（PSII）：在類囊體膜內(nèi)側(cè)。

2、PSII的作用中心色素分子是P680。是短波光反應(yīng)，其主要特征是H2O的光解和放氧。 光合磷酸化：葉綠體在光下把無機(jī)磷和ADP轉(zhuǎn)化成ATP。,（二）暗反應(yīng)實(shí)質(zhì)是光合碳同化，就是CO2被固定和還原進(jìn)而形成糖的過程，該過程需要的能量及還原劑來自光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH(同化力)。 暗反應(yīng)將這些能量轉(zhuǎn)移到有機(jī)物中，CO2被還原形成糖不直接需要光。 整個(gè)植物界中存在著三種不同的光合作用途徑，分別是： 卡爾文循環(huán)(C4途徑) 哈奇途徑(C4途徑) CAM途徑,植物光合作用暗反應(yīng)中C3、C4和CAM途徑在古代食譜分析中的應(yīng)用,進(jìn)入正題！,暗反應(yīng)的各種途徑,卡爾文循環(huán)(C3途徑)：光合作用最先生成的有

3、機(jī)物是含有三個(gè)碳的3-PGA(3-磷酸甘油酸)，稱為C3途徑。又稱卡爾文循環(huán)、卡爾文-本生循環(huán)或光合環(huán)。它是所有植物光合作用碳同化的基本的和共同具有的途徑。僅能通過C3途徑固定CO2的植物被稱為C3植物。,巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 電泳技術(shù)和同位素示蹤技術(shù) 20世紀(jì)的50年代，Melvin Calvin 單細(xì)胞光合有機(jī)體小球藻懸液 持續(xù)的光照和CO2，使光合作用處于穩(wěn)態(tài)。接著，他們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)加入放射性同位素標(biāo)記的CO2以標(biāo)記循環(huán)的中間物。然后，將細(xì)胞懸液迅速傾入煮沸的乙醇溶液中殺死細(xì)胞，致使酶失活。最后，使用雙相紙電泳和放射自顯影分離、分析循環(huán)中的中間物。,卡爾文獲得了1961年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),(1)羧化

4、階段：CO2與水形成碳酸后，再與葉綠體中原有的CO2受體1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)反應(yīng)，生成兩分子的 3-磷酸甘油酸(PGA) 。,CO2受體：1,5-二磷酸核酮糖 (RuBP),酶：核酮糖1,5二磷酸羧化酶，光合作用碳固定的關(guān)鍵酶，對(duì)光照敏感。,(2)還原階段 3-磷酸甘油酸(PGA)在ATP的參與和3-磷酸甘油酸激酶的催化下，生成1，3-二磷酸甘油酸，再經(jīng)過3-磷酸甘油醛脫氫酶的催化，被NADPH還原成3-磷酸甘油醛(GAP)的反應(yīng)過程。 PGA + ATP + NADPH + H+ GAP + ADP + NADP+ + Pi 3-磷酸甘油酸是一種有機(jī)酸，要達(dá)到糖的能級(jí)，必須使用同

5、化力（ATP與NADPH）使3-磷酸甘油酸的羧基轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油醛的醛基。當(dāng)CO2被還原為3-磷酸甘油醛時(shí)，光合作用的貯能過程便基本完成。 酶：3-磷酸甘油酸激酶和3-磷酸甘油醛脫氫酶,(3)再生階段 3-磷酸甘油醛(GAP)經(jīng)過一系列的變化，最后轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸核酮糖，再在磷酸核酮糖激酶的作用下發(fā)生磷酸化作用重新形成1,5-二磷酸核酮糖(RuBP) 。 5GAP+3ATP+2H2O3RuBP+3ADP+2Pi+3H+,ATP,還原階段是光反應(yīng)與暗反應(yīng)的連接點(diǎn)。假設(shè)3分子CO2被3分子RuBP接受，經(jīng)過還原可生成6分子3-磷酸甘油醛(C3)，其中5分子再生3分子RuBP，只有1分子作為光合作用

6、初級(jí)產(chǎn)物，遠(yuǎn)到細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)檎崽?，或留在葉綠體中轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸蹠簳r(shí)儲(chǔ)存在葉綠體中。,3CO2+3H2O+3RuBP+9ATP+6NADPHGAP+6NADP+ +9ADP+3RuBP+9Pi,由CO2合成一個(gè)磷酸三糖需消耗6個(gè)NADPH和 9個(gè)ATP,總反應(yīng)式：,哈奇途徑(C4途徑)：因?yàn)镃O2首先固定在C4雙羧酸中，所以這一過程被稱作四碳雙羧酸途徑，簡(jiǎn)稱C4途徑。具有這種途徑的植物被稱為C4植物。 C4植物葉片在結(jié)構(gòu)上有自己的特點(diǎn)，在葉片維管束周圍有一圈含葉綠體的維管束鞘細(xì)胞，在它外圍又環(huán)列著幾層葉肉細(xì)胞，兩層細(xì)胞之間由胞間連絲形成的通道比一般細(xì)胞之間的通道多得多。,上:C4單子葉植物（甘蔗）

7、下:C3單子葉（一種草）,C4途徑首先在葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中發(fā)生羧化作用，以磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)作為CO2接受體，在PEP羧化酶的催化下形成草酰乙酸(OAA)，在草酰乙酸以后的代謝中，又可以分三種類型： A:依賴NADP的蘋果酸酶的蘋果酸型， 代表植物有玉米、甘蔗、高粱等； B:依賴NAD的蘋果酸酶的天冬氨酸型， 代表植物有狗尾草、馬齒莧等； C:具有PEP羧激酶的天冬氨酸型， 代表植物有羊草、非洲鼠尾粟等。,C4途徑的反應(yīng)過程因植物種類不同而有差異，但都包括四個(gè)階段：羧化、還原或轉(zhuǎn)氨、脫羧和底物再生。,在C4植物中，CO2 首先與PEP反應(yīng)而被固定為草酰乙酸；磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶只固定

8、 CO2而不與O2反應(yīng)。,C4 plants: 高光合作用,高生長(zhǎng)速度,低光呼吸, 低水分損失, 特殊葉片結(jié)構(gòu)。,植物每固定3-4個(gè)CO2，就固定一個(gè)O2；在強(qiáng)光和高溫條件下，光呼吸更明顯；C3植物的光呼吸所釋放出的CO2，常常達(dá)到光合作用所固定CO2的30%左右；C4植物(玉米，甘蔗，高梁等)進(jìn)化出了避免光呼吸的C4途徑。,C4 植物的CO2固定和核酮糖1,5二磷酸羧化酶活性在空間上是分開的,在葉肉細(xì)胞中： CO2PEP草酰乙酸； 草酰乙酸還原為蘋果酸，通過胞間連絲進(jìn)入維管束細(xì)胞;,在維管束細(xì)胞： 蘋果酸酶催化蘋果酸氧化脫羧為丙酮酸，釋放CO2給核酮糖1,5二磷酸羧化酶進(jìn)行碳同化; 丙酮酸又

9、進(jìn)入葉肉細(xì)胞被丙酮酸磷酸二激酶羧化為磷酸烯醇式丙酮酸;,葉肉細(xì)胞: CO2捕獲 維管束細(xì)胞：C3途徑碳同化,C4植物 CO2的同化需消耗更多能量:5個(gè)ATP；而C3植物只需3個(gè)ATP,CAM途徑(景天科酸代謝途徑) 晚上氣孔開啟，葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶固定CO2，形成的蘋果酸貯藏于液泡，使液泡的pH降低； 白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸脫羧，釋放的CO2由 核酮糖1,5二磷酸羧化酶羧化。,景天科植物的 CO2捕獲和核酮糖1,5二磷酸羧化酶活性在時(shí)間上是分開的,CAM Plants ：特別熱,特別干旱的環(huán)境,相對(duì)低溫潮濕的夜晚，氣孔打開：CO2進(jìn)入固定為草酰乙酸蘋果酸，儲(chǔ)存于液泡中；

10、白天，氣孔關(guān)閉(減少水份蒸發(fā))：CO2 被蘋果酸酶釋放，然后被核酮糖1,5二磷酸羧化酶和卡爾文循環(huán)的其它酶固定同化。,C4植物: 在同一時(shí)間(白天)和不同的空間(葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞)完成CO2固定(C4途徑)和還原(C3途徑)兩個(gè)過程； CAM植物: 在不同時(shí)間(黑夜和白天)和同一空間(葉肉細(xì)胞)完成上述兩個(gè)過程的。,古代食譜分析中的相關(guān)應(yīng)用,植物處于食物鏈的最低層，植物吸收空氣和土壤中的C、N及其化合物，轉(zhuǎn)化成自身的生物組織。動(dòng)物，包括人以植物和其他動(dòng)物為食物，組成了從植物、食草動(dòng)物到食肉動(dòng)物的食物鏈。 自然界的碳元素有兩種穩(wěn)定的同位素12C(自然豐度為98.9%)和13C(自然豐度為1

11、.1%)。由于同位素分餾效應(yīng)，各種物質(zhì)中的碳同位素組成是有一定差別的，并用(delta)13C值定量表示。,國(guó)際上規(guī)定，每種物質(zhì)的13C值定義如下： 13C =(13C/12C)樣品(13C/12C)標(biāo)準(zhǔn)/ (13C/12C)標(biāo)準(zhǔn)x1000 公式中的(13C/12C)樣品和(13C/12C)標(biāo)準(zhǔn)分別是樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的12C和13C同位素豐度的比值，可以由質(zhì)譜儀測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)規(guī)定取自美國(guó)南卡羅來納州產(chǎn)的一種箭石，成為國(guó)際PDB標(biāo)準(zhǔn)，其13C值定義等于零。 全球的大氣循環(huán)非常迅速，因此各地大氣中的CO2有相同的碳同位素組成。碳屬于輕元素，因此在光合作用過程中會(huì)發(fā)生顯著的同位素分餾。雖然植物因物種差

12、異、生長(zhǎng)地點(diǎn)氣候環(huán)境不同，分餾程度有一定的差別，但植物間碳同位素組成的主要差異是由其光合作用的途徑所決定。卡爾文途徑中的C3植物與哈奇途徑的C4植物的生物組織之間，碳同位素組成有顯著的差異，形成兩個(gè)分離的組別。,大量測(cè)量數(shù)據(jù)表明，C3植物的13C值處于-23 -30間，平均為-26；C4植物的13C值在-8 -14 間，平均為-11；CAM植物的13C值居中并 漲落稍大，平均為-17。 動(dòng)物和人在消化和吸收植物的營(yíng)養(yǎng)，轉(zhuǎn)化為自己的肌體時(shí)，碳同位素也要發(fā)生分餾，而且動(dòng)物各類機(jī)體組成的分餾情況也不同。相對(duì)于食物，動(dòng)物肌肉的13C值將提高1，骨骼中膠原蛋白的13C值提高5，而骨骼、牙釉質(zhì)中的含碳無機(jī)鹽的13C值將提高12。 因此，分析人骨或古人遺骸中膠原蛋白的13C值，就可以推斷他長(zhǎng)期食用哪種光合作用類型的植物。因?yàn)槿耸请s食動(dòng)物，利用人骨膠原蛋白的13C值可以進(jìn)一步推斷他食用C3和C4植物的百分比。,我國(guó)