细胞生物学08叶绿体与光合作用.doc

第八章. 叶绿体与光合作用叶绿体(chloroplast)是植物细胞所特有的能量转换细胞器(图8-1), 其功能是进行光合作用, 即利用光能同化二氧化碳和水, 生成糖, 同时产生分子氧。图8-1 叶绿体的结构域功能俯瞰8.1 叶绿体的来源、形态与分布 8.1.1 叶绿体与质体叶绿体是质体的一种, 由光诱导前质体而来。 前质体(proplastid)前质体的直径约为1m，或更小一些，它是由双层膜包被着未分化的基质(stroma)所组成。植物中的前质体随着在发育过程中所处的位置以及接受光的多少程度，分化成功能各异的质体(plastid)。 质体(plastid)是植物细胞中一类膜结合细胞器的总称,这类细胞器都是由共同的前体:前质体分化发育而来(图8-2)。图8-2 前质体分化途径 白色体(etioplast)质体的一种，不含色素, 具有制造和储藏淀粉、蛋白质和油脂的功能。这类质体是由于前质体在发育分化过程中一直处于黑暗中，发育的顺序发生了改变，使内部的膜结构形成了片层体。 有色体(chromoplast)有色体含有叶黄素、胡萝卜素和类胡萝卜素，不含叶绿素, 无类囊体结构。分布于高等植物的某些器官, 如花瓣、果实和根细胞中, 使其呈现黄色或桔黄色。不进行光合作用, 功能是富集淀粉和脂类。 光诱导前质体分化成叶绿体叶绿体是惟一含有类囊体膜结构的质体, 是前质体在光照条件下诱导发育而来。 (图8-3)。 叶绿体是怎样形成的? 与其他质体的主要差异是什么?( 叶绿体是怎样形成的? 与其他质体的主要差异是什么?（答案） 答: 叶绿体是前质体在光照条件下诱导发育而来。在光的诱导下, 激发了叶绿体蛋白的合成,并跨过前质体的内膜运输到前质体内。同时内膜向内出芽形成膜泡,这些膜泡能够自我成堆排列,通过摄取必要的蛋白和叶绿素, 最后形成成熟的类囊体。详细过程包括:(a)光触发叶绿素、磷脂、叶绿体基质蛋白和类囊体蛋白的合成, 然后从叶绿体内膜出芽形成小泡;(b)前质体变大,某些球形的小泡融合,最后形成连成一体的扁平的类囊体小泡,某些类囊体小泡堆积起来并在光诱导下大量合成LHC蛋白;(d)叶绿体进一步变大,当更多的类囊体小泡形成基粒时,叶绿体成熟。叶绿体是惟一含有类囊体膜结构的质体,能够进行光合作用, 这是叶绿体与其他质体的根本区别。)图8-3 光诱导前质体分化成叶绿体的过程8.1.2 叶绿体的形态大小、数量和分布 形态大小 形态:高等植物中的叶绿体为球形、椭圆形或卵圆形，为双凹面。有些叶绿体呈棒状，中央区较细小而两端膨大(图8-4)。图8-4 植物叶细胞中的叶绿体 大小叶绿体的大小变化很大, 高等植物叶绿体通常宽为25m,长510m。对于特定的细胞类型来说，叶绿体的大小相对稳定, 但受遗传和环境的影响。例如多倍体细胞内的叶绿体就比单倍体细胞的要大些。 数量和分布 数量不同植物中叶绿体的数目相对稳定, 大多数高等植物的叶肉细胞含有几十到几百个叶绿体, 可占细胞质体积的40%。 分布叶绿体在细胞质中的分布有时是很均匀的，但有时也常集聚在核的附近， 或者靠近细胞壁。叶绿体在细胞内的分布和排列因光能量的不同而有所变化。叶绿体可随植物细胞的胞质环流而改变位置和形状。8.2 叶绿体的结构与化学组成叶绿体是由叶绿体膜(chloroplast membrane或称之为外被out envelope)、类囊体(thylakoid)和基质(stroma)组成(图8-5)。叶绿体的结构比较特殊, 它含有3种不同的膜(外膜、内膜和类囊体膜)以及3种彼此分隔的区室(膜间隙、叶绿体基质和类囊体腔)。图8-5 叶绿体的膜与区室8.2.1 叶绿体被膜的结构及特性叶绿体是由外膜、内膜和类囊体膜等3种不同类型的膜将其内部分隔成3个不同的区室: 膜间隙、叶绿体基质和类囊体腔。因此,叶绿体是一种特别的膜结合细胞器。 叶绿体膜的结构与化学组成 被膜: 叶绿体的外膜和内膜合称为被膜(membrane envelope)。每层膜的厚度为68nm, 内外两膜间有1020nm宽的间隙, 称为膜间隙。叶绿体的内膜并不向内折成嵴, 但在某些植物中，内膜可皱折形成相互连接的泡状或管状结构，称为周质网(peripheral reticulum)。这种结构的形成可增加内膜的表面积。叶绿体内膜含有较多的膜整合蛋白, 因此内膜的蛋白与脂的比值比外膜高(表8-1)。表8-1 菠菜叶绿体膜的脂含量总脂的百分数脂 外膜 内膜 类囊体膜 糖脂 单半乳糖二乙酰甘油 17 55 40 二半乳糖二乙酰甘油 29 29 19 硫醌二乙酰甘油 6 5 5 磷脂 磷脂酰甘油 10 9 5 磷脂酰胆碱 32 0 0 磷脂酰肌醇 5 1 1 光吸收色素 叶绿素 0 0 20 类胡萝卜素 1 1 6 醌 0 0 3 蛋白质/脂的比值 0.35 0.9 1.5 内膜参与脂的合成内膜上的蛋白质大多是与糖脂、磷脂合成有关的酶类。研究结果表明叶绿体的被膜不仅是叶绿体脂合成的场所，也是整个植物细胞的脂合成的主要场所。这一点与动物细胞有很大的不同,在动物细胞中,脂类的合成主要是在光面内质网上进行的。 膜间隙叶绿体膜间隙将叶绿体的内外膜分开，间隔约为210nm。由于外膜的通透性大，所以膜间隙的成分几乎同胞质溶胶的一样。尚不了解在膜间隙中有哪些蛋白的存在。 叶绿体被膜的通透性与内膜转运蛋白 外膜的通透性叶绿体外膜上也有孔蛋白的存在,不过与线粒体外膜中的孔蛋白稍有不同, 叶绿体孔蛋白的通道孔径要大一些,最大可允许相对分子质量在1000013000道尔顿的分子通过。由于胞质溶胶中的大多数分子都能通过孔蛋白,所以叶绿体膜间隙的环境与细胞质中的环境相差无几。 内膜的通透性叶绿体内膜的通透性较差,是叶绿体的界膜。除了叶绿体功能必需的三种分子,即氧、水和二氧化碳能自由通过内膜外,其他都不能自由通过。 转运蛋白(translocator)与磷酸交换载体(phosphate exchange carrier)在叶绿体内膜上有很多运输蛋白,称为转运蛋白。叶绿体中转运蛋白的一个重要运输机制是通过交换进行的,叶绿体内膜中的转运蛋白-磷酸交换载体能够通过交换将细胞质膜中的无机Pi转运到叶绿体基质,并将叶绿体基质中形成的3PGAL释放到细胞质(图8-6)。图8-6 叶绿体内膜中Pi-3PGAL转运蛋白 二羧酸转运载体(dicarboxylate exchange carrier)这种运输蛋白的主要功能是参与各种穿梭活动。叶绿体基质和细胞质间NADP的电子传递就是靠这种穿梭作用进行的,主要是将叶绿体基质中的苹果酸和细胞质中的延胡索酸进行交换,将叶绿体膜两侧的反应结合起来就形成了NADP的氧化和还原的反应对(图8-7)。图8-7 叶绿体内膜中苹果酸/延胡索酸穿梭转运蛋白苹果酸/延胡索酸穿梭转运蛋白是典型的二羧酸交换载体。通过穿梭交换含有两个羧基的不同有机酸,并且是一对一的交换。交换的结果是将叶绿体基质中的高能电子转运到细胞质膜中。叶绿体内膜中还有其他一些转运载体和穿梭转运载体(表8-2)。表8-2 叶绿体内膜中的运输系统载体 功能 ADP/ATP交换载体 进行细胞质和叶绿体基质间的ADP/ATP交换 二羧酸交换载体 进行细胞质和叶绿体基质间二羧酸的交换 葡萄糖载体 将叶绿体基质中的葡萄糖运输到胞质溶胶 乙醇酸载体 将叶绿体基质中的乙醇酸运输到胞质溶胶 磷酸交换载体 将细胞质中的无机磷与叶绿体基质中的三碳糖进行交换 什么是交换载体? 运输时有什么特点?( 什么是交换载体? 运输时有什么特点?（答案） 答: 存在于叶绿体内膜中一类转运蛋白, 参与叶绿体的物质运输。此类蛋白运输的主要特点是通过交换进行的, 并且不消耗能量, 而是靠浓度梯度进行的。交换是一对一的交换, 如磷酸交换载体、二羧酸转运载体(dicarboxylate exchange carrier)等。)8.2.2 类囊体(thylakoid)与线粒体不同,叶绿体基质中有第三种膜结构系统,称为类囊体,是由内膜发展而来的, 由单位膜封闭而成的扁平小囊。它是叶绿体内部组织的基本结构单位,上面分布着许多光合作用色素, 是光合作用的光反应场所。 类囊体的结构叶绿体中的类囊体有两种类型基粒类囊体(granum thylakoid)和基质类囊体(stroma thylakoid)(图8-8)。基本上,所有参与光合作用的色素、光合作用所需的酶类、参与电子传递的载体、以及将电子传递与质子泵和ATP合成偶联的蛋白都定位在类囊体膜上。图8-8 基粒和基质类囊体立体结构(a) 切开的叶绿体模式图; (b) 两种类型的类囊体模式图由类囊体膜封闭的区室称为类囊体腔(thylakoid lumen),类囊体腔与叶绿体基质是分隔的,它在电化学梯度的建立和ATP的合成中起重要作用。在光反应过程中,由光驱动的电子传递释放出的能量将氢质子泵进类囊体腔从而建立氢质子梯度。 类囊体膜的化学组成 类囊体膜脂 主要是含半乳糖的一些糖脂和具有光吸收功能的脂类色素,而磷脂只占5%20%(线粒体中为90%, 内质网中为80%)。叶绿体膜脂中的脂肪酸主要是不饱和的亚麻酸, 约占87%, 因此,类囊体膜的脂双层流动性特别大。 类囊体膜膜蛋白类囊体膜上的蛋白质与脂的比值很高(表8-1)。类囊体的蛋白分为内在蛋白和外周蛋白两类。外周蛋白在类囊体膜的向叶绿体基质面的较多。内在蛋白镶嵌在脂双层中, 如质体兰素、细胞色素等。 叶绿体基质(stroma)叶绿体内膜与类囊体之间的区室，称为叶绿体基质。基质中含有大量的可溶性蛋白, 其中RuBP羧化酶占可溶性蛋白总量的60%。此外,基质中还含有CO2固定反应的所有酶类。叶绿体基质中还有核糖体、DNA和RNA等。叶绿体的DNA大约编码100种多肽,涉及叶绿体DNA的复制、转录、遗传信息的翻译。基质是光合作用固定CO2的场所。8.2.3 叶绿体蛋白的定位构成叶绿体的蛋白质,大约有90%是由核基因编码的,10%是叶绿体DNA编码的。所有叶绿体DNA编码的蛋白质都是在叶绿体基质中合成后再运送到目的地。而核基因编码的蛋白质则是在细胞质中合成后,通过与线粒体蛋白类似的转运方式运入叶绿体。 叶绿体基质蛋白的转运 Rubisc的分子组成核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco) 是叶绿体基质中进行CO2固定的重要酶类，总共有16个亚基,其中8个大亚基含有催化位点,8个小亚基是全酶活性所必需的。Rubisco的小亚基由核基因编码,在细胞质的游离核糖体上合成后被运送到叶绿体基质中。 Rubisc的信号肽结构小亚基前体蛋白的N-端有一段引导肽序列,长为44个氨基酸残基,作为定位运输的信号; Rubisc小亚基蛋白转运受体在Rubisco小亚基蛋白运输中, 与通道形成和打开有关的受体蛋白有三种:Toc86主要是识别信号序列, Toc75是通道蛋白, Toc34是调节蛋白, 与GTP结合后可改变Toc75的构型使通道打开(图8-9)。 Rubisc小亚基蛋白转运的能量与线粒体基质蛋白转运不同的是, 叶绿体基质蛋白转运的能量仅仅是ATP, 不需要电化学梯度的驱动。图8-9 Rubisco小亚基蛋白的转运及全酶装配举例说明叶绿体基质蛋白定位的机理与特点。(举例说明叶绿体基质蛋白定位的机理与特点（答案） 答: 核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco) 是叶绿体基质中进行CO2固定的重要酶类，相对分子质量为550 kDa，总共有16个亚基,其中8个大亚基(每个相对分子质量为55kDa)含有催化位点,8个小亚基(每个相对分子质量12 kDa)是全酶活性所必需的。Rubisco的大亚基由叶绿体基因编码,而小亚基则由核基因编码,在细胞质的游离核糖体上合成后被运送到叶绿体基质中。通过离体实验表明,小亚基前体蛋白的N-端有一段引导肽序列,长为44个氨基酸残基,运输过程也需要分子伴侣Hsc70的参与,运输到叶绿体基质后,引导肽要被切除,最后8个小亚基与叶绿体基因编码的8个大亚基结合形成全酶。在Rubisco小亚基蛋白运输中, 与通道形成和打开有关的受体蛋白有三种:Toc86主要是识别信号序列, Toc75是通道蛋白, Toc34是调节蛋白, 与GTP结合后可改变Toc75的构型使通道打开。与线粒体基质蛋白转运不同的是, 叶绿体基质蛋白转运的能量仅仅是ATP, 不需要电化学梯度的驱动。) 类囊体蛋白的定位定位于类囊体膜或腔的蛋白质除了要有叶绿体基质引导序列外,还须有插入类囊体膜或跨过类囊体膜的引导序列。类囊体蛋白的转运需要两个导肽, 进入叶绿体基质后切除一个, 另一个引导肽进入类囊体。已知有四种转运方式, 图8-10 给出了两种,其中质体蓝素(plastocyanin,PC)一直保持非折叠状态, 直到进入类囊体腔。而金属结合蛋白(metal-binding protein)进入叶绿体基质后要进行折叠, 然后以折叠的方式进入类囊体腔。图8-10 质体蓝素和金属结合蛋白在类囊体腔中的定位过程8.2.4 叶绿体组分的分离为了更好地研究和了解叶绿体的结构和功能，分离叶绿体的各个结构组分是必要的。已经发展了几种方法从植物细胞中分离叶绿体及其各部分结构。请你设计一种方法分离叶绿体的各个组分(被膜、类囊体、基质), 并简要说明原理？(请你设计一种方法分离叶绿体的各个组分(被膜、类囊体、基质), 并简要说明原理?（答案） 答: 叶绿体组份的分离首先要考虑用何种方法破碎细胞壁。有些分离方法使用了剧烈的匀浆技术，例如通过研磨破坏细胞壁让叶绿体释放到溶液中，然后通过差速离心分离叶绿体。也可用纤维素酶或果胶酶水解细胞壁获得原生质体，再用温和的方法破坏细胞质膜，然后通过离心分离叶绿体。用剧烈方法分离的叶绿体能够在光诱导下产生氧、ATP、NADPH、但是不能固定CO2。在电子显微镜下观察这种有缺陷的叶绿体，发现它含有很少或者根本没有叶绿体基质，并且叶绿体外被是破损的或者没有外被,将这种叶绿体称为型叶绿体。相比之下，用温和方法分离的叶绿体具有完整的被膜，将它称为类叶绿体，它能够完成整个光合作用，包括CO2的固定。 可以用型或型叶绿体作为分离叶绿体各组分的出发材料，常用型叶绿体分离叶绿体的亚组分。将叶绿体悬浮在低渗溶液中，破裂外被，接着用等密度离心分离叶绿体基质、外被、类囊体。如果用型叶绿体作为分离叶绿体亚组分的出发材料，需要弗氏细胞压碎器(French pressure cell), 分离到组成叶绿体的亚组分之后，便可对这些组分化学组成和功能进行分析。实验流程见图8E-1。图8E-1 叶绿体各组分的分离用温和匀浆技术分离型叶绿体,这种类型的叶绿体保留完整的被膜。然后在低渗条件下破坏叶绿体,使叶绿体的膜、叶绿体基质、类囊体相互分开。)8.3 光合作用的光反应叶绿体的主要功能是进行光合作用(photosynthesis),它是绿色植物利用体内的叶绿素吸收光能，然后固定CO2，并与H2O同化成有机物,同时释放出氧的反应过程。8.3.1 光合作用概述18世纪末就已经知道光合作用能够将水和CO2转变成有机物和氧，并很快确定了光合作用的反应式6CO2 + 6H2O+ 光 C6H12O6 + 6O2 + 化学能(674000千卡)。早在1905年，F.Blackman就提出光合作用可分为两个不同的阶段，即光反应(light reaction)和暗反应(dark reaction)。光反应是对光的吸收，并产生氧。暗反应涉及到CO2的固定(图8-11)。图8-11 光反应与暗反应间的关系光合作用利用光能和动物释放的废气CO2合成糖作为其他反应的能源和结构分子, 光合作用释放的O2则是好氧生物生存的基本条件。据估计,地球上的植物每年将6001012公斤的CO2转变成糖, 同时释放4001012公斤的O2。8.3.2 光吸收(light absorption) 概念光吸收又称原初反应, 指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程，包括光能的吸收、传递和转换。即光能被聚光色素分子吸收, 并传递至作用中心, 在作用中心发生最初的光化学反应, 使电荷分离从而将光能转化为电能的过程。 光子(photon)光吸收就是固定光子, 光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。 基态(ground state)与激发态(exited state)当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量并从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。激发态的分子是不稳定的,推测只能维持10-9秒。这样,由于环境的不同,激发的电子会有几种不同的结果。以叶绿素为例,如果激发态的叶绿素分子的电子又回到低能轨道,它就必须释放所吸收的能量。如果能量是以热或光(荧光)的形式被释放,叶绿素分子就会恢复到原始的基态,那么吸收光子的能量就没有被利用。实际上,叶绿素分子由激发态变为基态时,它的高能电子并没有回落到低能轨道,而是在叶绿素分子回落到基态之前被传递给了受体,时间约为10-12秒。这实际上将吸收的光子的光能转变成了电能。 光合作用色素色素(pigments)是含有特定化学基团的分子,这些化学基团能够吸收可见光谱中特定波长的光，能够吸收光的色素称为捕光色素(light-harvesting pigment)或光吸收色素(light-absorbing pigment),此类色素位于类囊体的膜上，只具有吸收聚集光能的作用, 而无光化学活性, 故此又称为天线色素。 叶绿素(chlorophylls)植物中进行光合作用的主要色素是叶绿素(图8-12a),它是一类含脂的色素家族，位于类囊体膜，并且赋予植物的绿色。叶绿素吸收的光主要是蓝色和红色而不是绿色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。 类胡萝卜素(carotenoids)类胡萝卜素(图6-12b) 也是一个含脂的分子家族, 类胡萝卜素吸收紫色和蓝色光(400500nm), 它可帮助叶绿素提高对光吸收的效应。 藻胆素(phycobillins)藻胆素(图8-12c),存在于红藻和蓝细菌中。图8-12 叶绿素、类胡萝卜素和胆红素的结构类胡萝卜素和藻胆素吸收了一些叶绿素不能吸收的杂色光, 起了过滤作用(图8-13), 同时, 这些色素吸收的光能也能转移给叶绿素, 从而帮助叶绿素提高了光吸收效应。图8-13 光合作用的作用光谱图中的作用光谱是指不同波长光对植物叶光合作用的影响;吸收光谱是三种色素联合起来的吸收光谱,三种不同色素的吸收光谱用不同的线表示。 光合作用单位和反应中心 叶绿素必须组成功能单位才能吸收足够的光能用于固定CO2实验发现叶绿体在光合作用中，每固定一个CO2分子(或者说每释放一分子O2)需要2500个叶绿素分子，也就是说2500个分子的叶绿素吸收的光能才能用于一分子CO2的固定，后来发现每固定一分子CO2，需要消耗8个光子，由此推算固定一个光子大约需要300个分子的叶绿素(25008300)，为什么说在进行光合作用时，叶绿素分子必须组成功能单位?( 为什么说在进行光合作用时, 叶绿素分子必须组成功能单位?（答案） 答: 因为在实验中发现每固定一个CO2分子(或者说每释放一分子O2)需要2500个叶绿素分子，也就是说2500个分子的叶绿素吸收的光能才能用于一分子CO2的固定，后来发现每固定一分子CO2，需要消耗8个光子，由此推算固定一个光子大约需要300个分子的叶绿素(25008300)，由此看来，叶绿素分子单枪匹马是不行的,必须由几百个叶绿素分子组成的功能单位才能进行光子的固定和进行光能的吸收。) 光系统(photosystem)进行光吸收的功能单位称为光系统, 是由叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白质组成的复合物。每一个光系统含有两个主要成分捕光复合物(light -harvesting complex)和光反应中心复合物(reaction-center complex)。光系统中的光吸收色素的功能像是一种天线，将捕获的光能传递给中心的一对叶绿素a,由叶绿素a激发一个电子，并进入光合作用的电子传递链。 捕光复合物典型的捕光复合物是由几百个叶绿素分子、数量不等但都与蛋白质连接在一起的类胡萝卜素分子所组成。当一个光子被捕光复合物中的一个叶绿素或类胡萝卜素分子吸收时, 就有一个电子被激活，激发状态从一个色素向另一个色素传递,直到传递给反应中心：一对特别的叶绿素a (图8-14)。捕光复合物中色素激发状态的传递,实际是光能的传递,这种能称为共振能(resonance energy) 。 光反应中心复合物反应中心复合物是由几种与叶绿素a相关的多肽，以及一些与脂相连的蛋白质所构成，它们的作用是作为电子供体和受体。图8-14 天线色素和反应中心叶绿素间的关系 光能吸收、传递与转变光的吸收和光能的传递是由光系统完成的, 整个过程如图8-15所示。图8-15 光系统对光能的吸收、传递与转变(a)反应中心的起始过程。一对特别的叶绿素分子紧紧地与色素-蛋白复合物结合在一起, 左右两侧分别是低电动势和高电动势的供体和受体。一旦叶绿素中的电子被光能激发,就能传递到电子受体,并作为高能电子被稳定下来。带正电荷的叶绿素分子很快从供体中获取一个低能电子,从而回复到静息状态。整个反应不到10-6秒。(b)从低能电子到形成高能电子过程。在此过程中使整个反应中心回复到静息状态,其中需从水中获得低能电子并使之成为类囊体膜中的高能电子。8.3.3 电子传递电子传递是光反应的第二步。通过电子传递,将光吸收产生的高能电子的自由能贮备起来, 同时使光反应中心的叶绿素分子获得低能电子以补充失去的电子, 回复静息状态。在电子传递过程中, 涉及水的光解、还涉及两对偶联氧还对: O2-H2O、NADP+-NADPH。其中H2O作为原初电子供体, NADP+作为最终电子受体。水被光解释放电子的同时还释放O2和H+,因此伴随电子传递的同时也会建立H+质子电化学梯度,以供ATP的合成。 电子载体和电子传递复合物光合作用的电子传递是通过光合作用电子传递链(photosynthetic electron transfer chain)传递的。该传递链是由一系列的电子载体构成的，同线粒体呼吸链中电子载体的作用基本相似。光合作用的电子传递链与氧化磷酸化作用的电子传递链有什么异同? 电子载体象线粒体的呼吸链一样，光合作用的电子传递链中的电子载体也是细胞色素、铁氧还蛋白、黄素蛋白和醌等。细胞色素 植物细胞有几个特殊的细胞色素参与光合作用的电子传递。其中主要的两种: 细胞色素b6和细胞色素f的吸收波长都已非常清楚，一个是563nm，另一个为553nm。细胞色素f是细胞色素c的一种, 中等电位型；细胞色素b6是下等电位型。铁氧还蛋白 铁氧还蛋白(ferredoxin)含有一个氧化-还原的位点，该位点有两个同硫结合的铁原子。如同其它的铁硫蛋白，铁氧还蛋白也是通过Fe3+ Fe2+的循环传递电子。在氧化状态,对波长在420nm和463nm的光有较强的吸收作用, 能够增强NADP+的还原能力。NADP+还原酶(NADP+ reductase) NADP+还原酶是参与光合作用电子传递的主要黄素蛋白，这是一种含有FAD的酶，催化电子从铁氧还蛋白传递给NADP+。质体蓝素(plastocyanin, PC) 一种含铜的蛋白质, 氧化型呈蓝色, 吸收光谱为600nm。在还原状态时蓝色消失；传递电子时靠Cu2+ Cu+ 的状态循环。质体醌(plastoquinone, PQ): 质子和电子载体,同线粒体的电子传递链的泛醌一样，也是通过醌和醌醇循环来传递电子和氢质子,不过质体醌与泛醌的结构是不同的(图8-16)。NADP+ 是光合作用中的最后一个电子受体，是NAD+的衍生物。NADP+接受两个电子成为还原型的NADPH。图8-16 质体醌的氧化和还原状态 电子传递复合物在光合作用的电子传递链上有三种复合物,其中两种是光系统(光系统和光系统)的组成部分, 另一种是细胞色素b6/f复合物。细胞色素b/f复合物(cytochrome b6-f complex)是类囊体膜上可分离出来的复合物, 由四个多肽组成: 即细胞色素f、细胞色素b6、一个铁硫蛋白和一个相对分子质量为17kDa的多肽。前三个都是电子载体。细胞色素f也是c型的细胞色素,与线粒体的细胞色素c1关系密切。该复合物位于基质面, 功能是参与电子传递。 光系统复合物的结构及功能光系统(photosystem complex, PScomplex)是类囊体膜中的一种光合作用单位,它含有两个捕光复合物和一个光反应中心。构成PS的捕光复合物称为LHC, 而将PS的光反应中心色素称为P680, 这是由于PS反应中心色素(pigment,P)吸收波长为680nm的光。PS的功能是利用从光中吸收的能量将水裂解,并将其释放的电子传递给质体醌,同时通过对水的氧化和PQB2-的还原在类囊体膜两侧建立H+质子梯度(图8-17)。图8-17 光系统的功能结构PS是怎样进行光能吸收、转换和电子传递的?( PS是怎样进行光能吸收、转换和电子传递的?（答案） 答: 光系统含有两个捕光复合物和一个光反应中心。首先LHC中的天线色素吸收光,然后将光能从LHC传递给反应中心叶绿素P680,P680 是一个二聚体。P680吸收了光能激发了一个电子,并传递给PS的原初电子受体脱镁叶绿素(Pheo),然后将电子传递给质体醌PQA.再传递给PQB,形成负电的游离PQB- 。当以同样的方式吸收第二个光子并传递第二个电子到达PQB-后,将PQB- 转变成PQB2-,从叶绿体基质中摄取两个氢质子后,产生了PQH2,并被释放到膜的脂双层中,留下的空缺被新的PQB取代。在电子被传递时,来自水的电子经Tyrz传递到反应中心色素(步骤B和A)。总的看来,PS催化电子从水传递给质体醌,并且建立了氢质子梯度,这是因为水氧化释放的氢质子进入类囊体腔,使类囊体腔中氢质子浓度升高,同时又从基质中摄取H+将PQB2-还原,降低了叶绿体基质中氢质子的浓度,从而建立了类囊体膜两侧的H+质子梯度。) 水裂解反应与电子向PS的传递 水裂解反应(water-splitting reaction) 在实验条件下裂解水需要极强的电流或近乎2000的高温,而植物细胞对水的裂解仅仅是利用可见光的能量。PS在光反应中, 反应中心色素被氧化成P680+, 这是一个很好的氧化剂, 它的氧还电位为+1.1V, 足以将水裂解 (水的氧还电位是+0.82V)。水裂解反应(water-splitting reaction)中, 每裂解两分子的H2O, 释放4个电子、1分子O2和4个H+ 质子: 2H2O O2 + 4H+ + 4e- , 这一反应又称为水的光解作用(photolysis)。 水裂解释放的电子传递值得注意的是水的光解释放出了4个电子，而P680+一次只能接受一个电子，如何解释这种现象? 可能的机制是(图8-18): 图8-18 Mn的电子传递与水的光解。S表示Mn集团的正电荷数水光解中释放的四个电子是如何被传递的?( 水光解中释放的四个电子是如何被传递的?（答案） 答: 是由含锰的蛋白复合物介导的。该复合物中四个锰离子与PS的D1蛋白紧密地靠在一起,每个锰离子可以传递一个电子。四个锰离子可以连续四次,每次传递一个,共传递四个电子给邻近的P680+,使Mn带上正电荷。Mn传递的电子经过带正电荷的酪氨酸(Tyr+z)才能传给P680+, Tyrz也可写成TyrZ,它是反应中心的一种含酪氨酸残基的蛋白。Mn集团每传递一个电子给P680+,使其成为还原型的P680后,PS又可吸收一个光子, P680 又被氧化成P680+,以此反复,直到四个Mn都释放了电子成为氧化型之后, PS的氧释放复合物(oxygen-release complex) 才能从2分子水中移去四个电子,形成一分子氧,并使Mn回复到原始状态(S0 state)。从水光解释放的电子传递给PS的P680,再从P680传递给QB的路线综合如下:H2OMnP680脱镁叶绿素(Pheo)QAQB。) 光系统复合物的结构及电子传递光系统复合物(photosystem complex, PScomplex)含有一个捕光复合物和一个光反应中心。构成PS的捕光复合物称为LCH, 而将PS的光反应中心色素称为P700, 这是由于PS反应中心色素吸收波长为700 nm的光。PS的功能是将电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白(ferredoxin), 一种与类囊体膜表面松散结合的小分子蛋白。电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白在热力学上是不利的,需要光能去驱动(图8-19)。图8-19 光系统的功能结构PS是怎样进行电子传递的?( PS是怎样进行电子传递的?（答案） 答: PS的LCH吸收一个光子,然后将吸收的光能传递给反应中心的一对特别的叶绿素P700,使其中一个成为激发态从而释放一个电子,释放的电子经一系列与蛋白结合的电子载体:A0、A1、FeSx、FeSA、FeSB传递给铁氧还蛋白。其中A0是一种叶绿素a, A1是一种醌,称为叶绿醌(或维生素K1)。而FeSx、FeSA、FeSB都是铁-硫中心,可分别简称写成FX、FA、FB 在PS的电子传递中,P700释放的电子被传递给铁氧还蛋白,同时从质体蓝素中接收一个低能电子得以补充。PS参与的电子传递路线是:质体蓝素(Cu2+)P700:A0A1FeSxFeSAFeSB 铁氧还蛋白) 电子从PS向PS传递上面讨论了电子从水传递到PQH2,以及从PC传递给铁氧还蛋白,那么电子是如何从PS传递到PS的呢?PQH2是一种脂溶性的分子, 在脂双层中通过扩散, 将PQH2中的电子传递给细胞色素b6/f复合物,同时将氢质子释放到类囊体的腔,由于PQH2的氢质子来源于叶绿体基质,所以这一过程实际上是将H+进行了跨膜转运,有利于质子梯度的建立。细胞色素b6/f复合物接受电子后,经Cyt b6FeSCyt f,再传递给另一个可动的水溶性的电子载体质体蓝素, 这是一种含铜的蛋白,位于类囊体膜的腔面,然后再传递给PS的P700+(图8-20)。图8-20 电子在PS与PSI之间的传递 电子传递的两种途径:非循环式与循环式由于在光合作用的电子传递链中有两个光系统，它们都能吸收光能进行光反应，所以会形成两个高峰(hill),通常用Z形图来表示电子传递过程。根据电子的最后去向,分为两种方式:非循环式电子传递途径(noncyclic electron transfer pathway)和循环式电子传递途径(cyclic electron transfer pathway)。 非循环式电子传递 在这种方式中,电子从水开始,经PS、质体Q、PC、复合物b6/f、PS、Fd,最后传递给NADP+(图6-21), 这种方式又称为线性电子流, 或Z型路线。可以将线性电子流分为四个阶段:电子从PS的P680传递给PQ,生成PQH2；水光解释放的电子经Mn传递给PS的P680+；电子从PQH2经复合物b6/f传递给质体蓝素(PC),即电子从PS传递给PS；电子经P700+传递给铁氧还蛋白(Fd),最后在铁氧还蛋白-NADP+还原酶的作用下，电子被NADP+接收。图8-21 光合作用中线性电子传递Z形图在非循环式电子传递途径中,电子的最终受体是NADP+, 有两个原初受体Pheo和A0。电子供体是来自光解的水。什么是非循环式电子传递?可分为几个阶段?( 什么是非循环式电子传递?可分为几个阶段?（答案） 答: 在这种方式中,电子从水开始,经PS、质体Q、PC、复合物b6/f、PS、Fd,最后传递给NADP+, 这种方式又称为线性电子流, 或Z型路线。可以将线性电子流分为四个阶段:电子从PS的P680传递给PQ,生成PQH2；水光解释放的电子经Mn传递给PS的P680+；电子从PQH2经复合物b6/f传递给质体蓝素(PC),即电子从PS传递给PS；电子经P700+传递给铁氧还蛋白(Fd),最后在铁氧还蛋白-NADP+还原酶的作用下,电子被NADP+接收。) 循环式电子传递途径在循环式电子传递途径中,被传递的电子经PS传递给Fd之后,不是进一步传递给NADP+,而是重新传递给细胞色素b6/f复合物,再经PC又回到PS,形成了闭路循环(图8-22)。图8-22 循环式电子流电子传递到Fd之后,又重新传递给Cys b6/f,再经PC传递给PS的P700+,形成回路。什么是非循环式电子传递? 对光合作用有什么意义?( 什么是循环式电子传递? 对光合作用有什么意义?（答案） 答: 在循环式电子传递途径中,被传递的电子经PS传递给Fd之后,不是进一步传递给NADP+,而是重新传递给细胞色素b6/f复合物,再经PC又回到PS,形成了闭路循环。造成循环式电子流的主要原因是NADP+的浓度不足,或者说NADPH的浓度过高,所以Fd只能将电子传回给Cyt b6/f。这种电子流对光合作用具有重要的调节作用,主要是调节光反应中合成的ATP与还原的NADPH的比值,因为在暗反应中,固定CO2时既需要ATP也需要NADPH,二者间应有一个合适的比例,保持平衡。)8.3.4 光合磷酸化(photophosphorylation)在光合作用的光反应中,除了将一部分光能转移到NADPH中暂时储存外,还要利用另外一部分光能合成ATP,将光合作用与ADP的磷酸化偶联起来,这就是光合磷酸化。光合磷酸化同样需要建立电化学质子梯度、ATP合酶,其机理也可用化学渗透假说来解释。 电子传递与H+质子电化学梯度的建立在叶绿体进行的光反应中,类囊体的膜在进行电子传递的同时,会在类囊体膜两侧建立H+质子梯度。类囊体膜两侧H+质子梯度的建立,主要有三种因素:首先是水的光解,释放4个H+；Cyt b6/f复合物具有质子泵的作用,当P680将电子传递给PQ时,则要从基质中摄取四个H+,并全被泵入类囊体的腔；当电子最后传递给NADP+时,需从基质中摄取两个H+质子将NADP+还原成NADPH,这样又降低了基质中的H+质子的浓度(图8-23)。图8-23 类囊体膜进行的电子传递与H+梯度的建立 CF0-CF1 ATP合酶 结构组成和功能光合磷酸化的能量转换单位是ATP酶复合体(CF1-CF0 -ATPase complex),或称ATP合酶,位于基粒和基质类囊体膜上，朝向叶绿体基质(图8-24)，简称CF1颗粒,C代表叶绿体,以便与线粒体ATP合酶相区别。同线粒体的F1颗粒一样, CF1颗粒也是由两部分组成, 即头部(CF1)和膜部(CF0)。CF1有五种亚基: 、, 相对分子质量分别是59、56、37、17、13kDa.在、亚基上有ATP、ADP结合和催化位点。亚基与CF0结合。亚基控制质子流动。CF0 至少有四种亚基，分别称为、。CF1, CF0 要提供H+质子通道。ATP合酶的激活与线粒体的不同,需要-SH化合物,同时还要Mg2+。另外, F1ATP合酶只要通过两个H+就可以合成一个ATP,而CF1需要通过三个H+才能合成一分子ATP。图8-24 基粒和基质类囊体膜中CF1ATP合酶及其它复合物的分布 CF1-CF0功能的离体鉴定通过对分离的类囊体的研究, 证明了CF1颗粒就是ATP合酶,是偶联光合磷酸化的装置。另外,通过体外实验, 还证明了CF1ATP合酶在类囊体膜中合成ATP时,除了需要ADP和Pi,还需要pH梯度。请设计一个实验证明类囊体的CF1颗粒能够在pH梯度驱动下合成ATP。(请设计一个实验证明类囊体的CF1颗粒能够在pH梯度驱动下合成ATP（答案） 播放动画 答: 首先用温和法分离纯化含有CF1CF0的类囊体小泡, 将分离的类囊体置于pH7.5 的溶液中平衡后,再于暗处置于pH4.0的溶液中,使类囊体小泡膜内外的pH平衡(pH达到4,0),最后将类囊体小泡置于含有ADP和Pi的溶液中,测定ATP的合成,及H+质子从类囊体小泡中输出。流程如图8E-2。图8E-2 CF1利用人工pH梯度合成ATP) 电子传递与光合磷酸化由于伴随电子传递在类囊体膜两侧建立了pH梯度(H+质子梯度),同时在类囊体膜中有ATP合成装置,这样,H+质子电化学梯度有了将自由能转变成ATP,即光合磷酸化的基本条件。 非循环式光合磷酸化(non-cyclic photophosphorylation) 在线性电子传递中,光驱动的电子经两个光系统最后传递给NADP+,并在电子传递过程中建立H+质子梯度,驱使ADP磷酸化产生ATP。非循环式电子传递和光合磷酸化的最终产物有ATP、NADPH、分子氧(图8-25)。图8-25 电子传递与光合磷酸化(非循环式) 循环式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation) 在循环式电子传递中,光驱动的电子从PS传递给铁氧化还原蛋白后不是进一步传递给NADP+，而是传递给细胞色素b6/f复合物，再经由质体蓝素(PC)而流回到PS（图8-22）。在此过程中, 电子循环流动,同样促进质子梯度的建立,并与磷酸化相偶联,产生ATP,故称为循环式光合磷酸化。图8-26是典型的紫细菌的循环式光合磷酸化。图8-26 紫细菌中的循环式光合磷酸化, 细菌中每通过4个H+合成一分子ATP什么是循环式光合磷酸化?产物是什么?对光合作用有什么意义?( 什么是循环式光合磷酸化?产物是什么?对光合作用有什么意义?（答案） 答: 将光合作用的循环式电子传递中建立的质子梯度与ADP的磷酸化相偶联,合成ATP的过程称为循环式光合磷酸化。循环式光合磷酸化的产物仅为ATP, 无NADPH和分子氧。循环式光合磷酸化约占光合磷酸化的1020%，特别是NADP+不足时，所占的比例更大, 因此它对光反应中产生的ATP和NADPH的比例具有调节作用。由于NADP+接收电子被还原时,同时需要从叶绿体基质中摄取一个H+,如果基质中NADP+浓度不高,或NADPH的浓度过高,说明NADPH与ATP的比例失调,需要加以调整。调整的机制是将电子回传给细胞色素b6/f复合物, 细胞色素b6/f复合物是一种质子泵,得到电子从而有足够的自由能将基质中的H+跨膜传递到类囊体腔,使类囊体腔中质子梯度升高,高浓度的H+质子通过CF1CF0-ATP合酶的H+通道返回叶绿体基质,从而促进了ATP的合成。其结果,调整了光反应中ATP和NADPH的比值,有利于CO2的固定。)8.4 二氧化碳的固定和碳水化合物的合成光合作用的第二阶段是进行CO2的固定,合成碳水化合物。叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP的化学能, 将CO2还原合成糖。由于这一过程不需要光, 故称为暗反应(dark reaction),暗反应在叶绿体基质中进行。8.4.1 C3途径: 卡尔文循环(Calvin cycle) 卡尔文循环的发现二次世界大战之后,美国加州大学贝克利分校的 Melvin Calvin和他的同事们用14C示踪和双向纸层析技术,研究Chlorella藻在光合作用中怎样固定CO2的实验中发现了C3途径。由于该途径是一中循环途径, 并且是卡尔文发现的, 所以称为卡尔文循环(图8-27)。什么是卡尔文循环? 是如何发现的(实验要点)？(什么是卡尔文循环? 是如何发现的(实验要点)?（答案） 答: 卡尔文通过实验发现的CO2在光合作用中被固定的一种途径, 由于这一途径中CO2的固定是一个循环过程, 并且是卡尔文发现的, 故称为卡尔文循环。 二次世界大战之后,美国加州大学贝克利分校的 Melvin Calvin和他的同事们使用14C示踪和双向纸层析技术,研究一种藻:Chlorella在光合作用中怎样固定CO2,。他们将培养的藻生长在含有未标记CO2的密闭容器中,然后将标记的CO2注入培养基,培养合适时间后,将培养的藻浸入热的乙醇中,这种处理有三种功效:杀死细胞、终止酶的作用、提取溶解的分子。然后将提取物点在层析纸上进行双向纸层析,最后通过放射自显影分析放射性斑点,并同已知化学成份进行比较。在卡尔文的实验中,发现标记的CO2转变成有机物的速度很快,几秒钟之内,在层析纸上就有放射性的斑点,经测定,斑点中的化学成份是三磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate,PGA),是糖酵解的中间体。由于被鉴定到的第一个中间体是三碳分子, 所以将CO2的这种固定途径称为C3途径,将通过这种途径固定CO2的植物称为C3植物。最终的研究结果发现, CO2固定的C3途径是一个循环过程,称为C3循环,由于这一循环是卡尔文发现的,故又称卡尔文循环,可分为三个阶段: 羧化、还原和RuBP的再生。)图8-27 卡尔文循环 CO2的羧化(carboxylation)CO2的受体是一个5碳糖:核酮糖1,5二磷酸(RuBP), CO2 在被还原之前,在RuBP羧化酶(ribulose bisphosphate carboxylase)的催化下,以RuBP作为CO2受体,首先被固