复旦大学生化课件-光合作用

光合作用

Photosynthesis2021/5/9118世纪初以前，人们仍然认为植物是从土壤中获取生长发育所需要的全部元素。1727年S.Hales提出植物的营养有一部分可能来自于空气，并且光以某种方式参与此过程。2021/5/921771年英国牧师、化学家J.Priestley发现将薄荷枝条和燃烧着的蜡烛放在一个密封的钟罩内，蜡烛不易熄灭；将小鼠与绿色植物放在同一钟罩内，小鼠也不易窒息死亡。1776年他提出植物可以“净化”由于燃烧蜡烛和小鼠呼吸弄“坏”的空气。接着，荷兰医生J.Ingenhousz证实，植物只有在光下才能“净化”空气。人们把1771年定为发现光合作用的年代。2021/5/931782年瑞士的J.Senebier用化学分析方法证明，CO2是光合作用必需的，O2是光合作用的产物。1804年N.T.DeSaussure进行了光合作用的第一次定量测定，指出水参与光合作用，植物释放O2的体积大致等于吸收CO2的体积。1864年J.V.Sachs观测到照光的叶片生成淀粉粒，证明了光合作用形成有机物。到了19世纪末，人们写出了光合作用的总反应式：2021/5/941941年美国科学家S.Ruben和M.D.Kamen通过18O2和C18O2同位素标记实验，证明光合作用中释放的O2来自于H2O。为了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以区别，通常用下式作为光合作用的总反应式：

CO2+2H2O*→(CH2O)+O*2

＋H2O

至此，人们已清楚地知道光合作用的反应物和生成物，并依据光合产物和O2释放的增加或CO2的减少来计算光合速率。例如，用改良半叶法测定有机物质的积累，用红外线CO2气体分析仪法测定CO2的变化，用氧电极测定O2的变化等。由于植物体含水量高，光合作用所利用的水分只占体内总含水量的极小部分，一般不用含水量的变化来衡量植物的光合速率。2021/5/95Chlorophyll：叶绿素Haemin：氯化血红素瑞士德德美美美英美、英、丹麦德德美2021/5/96光合作用(Photosynthesis)

绿色植物或光合细菌利用太阳的光能把光能转变成化学能，并把CO2转化为有机物的过程。

H2O+CO2

(CH2O)+O2

（产氧生物）

2H2D+CO2

(CH2O)+H2O+2D（通式）

光合细菌以其它化合物代替水作为电子供体，不产氧。

2H2S+CO2

（CH2O）+2S

Lactate+CO2(CH2O)+H2O+CH3COCOOH光能2021/5/97太阳能是生物能量的最初来源

光合有机体吸收光能转变为还原有机物的化学能，是几乎所有生物能量的最初来源。 大量的能量以光合产物的形式被贮存，每年大约有1018KJ的来自太阳的自由能被光合生物所捕获，相当于全球人类每年消耗化石燃料能量的100倍。2021/5/98太阳光能是所有生物能的最初来源2021/5/99光合作用的意义合成有机物，据估计地球上自养植物每年约同化7×1011tCO2，如以葡萄糖计算，每年同化的碳素相当于四五千亿吨有机物质。蓄积太阳能量，把太阳投射到地球表面的一部分辐射能转换为化学能，贮藏在形成的有机物中。据计算绿色植物每年贮存的太阳能量为7.1×10l8kJ，约为全人类日常生活、工业等方面所需能量的100倍。调节大气成分，在光合作用中，绿色植物每年大约向大气释放5.35×1011t氧，它是地球上一切需氧生物生存所必须的氧源。其中一部分转变为臭氧，在大气上层形成屏障吸收强的紫外辐射，保护生物。2021/5/910光反应与暗反应

RobertHill(1939)发现叶绿体照光后产生O2并不需要CO2，把光合作用分为两个阶段：

I、光反应(lightreaction)，需光，光合色素把光能转化为化学能，光解H2O放出O2、并产生ATP和NADPH。

II、暗反应(darkreaction)，不需光，利用光反应的ATP和NADPH将CO2固定、还原为糖或其他有机物的一系列酶促反应。

2021/5/911光反应产生的能量用于暗反应的固定和同化2021/5/9122021/5/913叶绿体(Chloroplast)2021/5/914类囊体膜上分布着许多电子载体蛋白，包括4种细胞色素、质体醌(PQ)、质体蓝素(PC)和铁氧还蛋白(Fd)。类囊体膜的形成大大增加了膜片层的总面积，更有效地收集光能、加速光反应。类囊体膜含有叶绿素，是光合作用的基地。2021/5/915叶绿素(Chlorophylla)叶绿素a和细菌叶绿素是主要色素，其他为辅助色素四个吡咯环组成1个大的卟啉环2021/5/916其他色素(OtherPigments)叶黄素-胡萝卜素藻红素2021/5/917电磁辐射光谱及可见光

光子能量分布2021/5/918叶绿素的吸收光谱吸收红光和蓝光，反射绿光645nm663nm4254502021/5/919光合色素的光吸收Phycoerythrin(PE):藻红蛋白Phycocyanin(PC):藻青蛋白Lutein:叶黄素2021/5/920叶绿素与光反应中心Phycoerythrin(PE):藻红蛋白Phycocyanin(PC):藻青蛋白Allophycocyanin(AP):异藻青蛋白2021/5/921光反应系统(PhotoreactionSystem)

叶绿素分子或/和辅助色素吸收光量子后将光能汇集到一小部分叶绿素分子上，只有这一小部分叶绿素分子能参与光反应将光能转变为化学能，这种由色素分子装配成的系统称为光（反应）系统。 有两类光系统，即PSI,PSII。每个光系统都含有不同的光化学反应中心和天线（色素）分子。

2021/5/922光系统II

(PhotoreactionSystemII,PSII)

包括三个部分：

1．捕获光能的复合体，有200个叶绿素分子和12个跨膜的多肽组成。

2．光反应中心核，有50个叶绿素a分子组成，激发电子的光能就由这些天线分子流入反应中心，又称P680。

3.

产生O2的复合体，即光反应的水裂解酶。水裂解酶内由4个锰离子组成簇，位于催化中心，从S0到S4有5种氧化状态。2021/5/923PhotoreactionSystemII[PSII]

PSII是强氧化剂，通过Z形中间物使锰中心失去四个电子，断裂2H2O得到4个电子，产生O2，释放4个H+。不放O2的光合细菌无PSII，产氧的光合细菌含有PSII。

2021/5/924光系统I(PhotoreactionSystemI)

为跨膜复合物，含13条多肽链，由70个Chla和Chlb组装而成，光反应中心(P700)有130个Chla分子，PSI在700nm附近被激活，不产生O2，与一系列的载体相连，最终产生NADPH。

PSI与PSII互相补充（分别由700nm和680nm激活），前者产生NADPH，后者产生O2。2021/5/925PSIandPSII2021/5/926光系统与ATP2021/5/927光合电子传递链

（PhotosyntheticChain）

光反应中心周围的天线色素吸收光能，汇集到反应中心，色素分子受光照激发由基态P激发为激发态P*，通常吸收一个光子可使一个电子的能量提高1V(1ev)。被激发的电子沿类囊体膜中一系列电子传递体传递，组成了光合作用的电子传递链--光合链。光合链的能量有两次起落，涉及两个光系统，组成Z字形光合链。分为两阶段：2021/5/928光合电子传递链—PSII（PhotosyntheticChain）

PSII被激发为强氧化剂，从H2O得电子产生O2，通过Cytb6f还原质蓝素并产生质子梯度[用于ATP生成]。

PSII是一个脱镁叶绿素-醌类型的含有几乎等量叶绿素a和b的系统，P680的激发驱动了电子通过细胞色素b6f复合物的流动，并伴随质子的跨类囊体膜的转移。2021/5/929光合电子传递链—PSI

PSI光照激发变为P700*(弱氧化剂)，还原的PC捕获电子变为P700，并再一次激发电子，受体A0接受P700*发出的电子变为A0-(强还原剂)，最终传至NADP+形成NADPH。

PSI是铁氧还蛋白型的光系统，高的叶绿素a/b。激发的P700的电子通过Fe-S中心蛋白—铁氧还蛋白、NADP+，产生NADPH。2021/5/930光合电子传递链Plastoquinone：质体醌Phylloquinone：叶绿醌Pheophytin：脱镁叶绿素2021/5/931光合磷酸化（Photophosphorylation）

由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程。

非循环光合磷酸化（non-cyclicphotophosphorylation）

光照激发Chl分子P680*从H2O得到电子传递给NADP+，电子流动经过两个PS，两次激发生成的高能电子呈Z字传递，产生的质子梯度驱动ATP形成，产物还有NADPH和O2。

2021/5/932光合磷酸化（续）（Photophosphorylation）

循环光合磷酸化（Cyclicphotophosphorylation），电子流动的途径从PSI

（P700）至Fd（铁氧还蛋白）后又传给Cytb6/f

复合物，而不传给NADP+，前者又将电子通过PC（质蓝素）传给PSI

（P700），电子循环流动产生质子梯度，驱动ATP形成，不伴随NADPH的产生。PSII不参与循环，也不产生O2。

2021/5/933光合磷酸化作用的机制

化学渗透假说可以科学地解释光合磷酸化作用的机制。人为在类囊体膜两侧形成pH梯度，也能产生ATP。

2021/5/934光合作用的质子梯度可以被用于合成ATP2021/5/935CF0-CF1ATP合成酶2021/5/936暗反应DarkReaction卡尔文循环：CalvincycleC3循环、三碳循环2021/5/937暗反应(DarkReaction)

绿色植物和光合细菌通过光合磷酸化作用将光能转变为化学能（即NADPH的还原能和ATP的水解能），并以此促进CO2还原为糖，CO2的固定和还原主要靠卡尔文循环（Calvincycle，又称三碳或碳三循环）。

2021/5/938暗反应(DarkReaction)

MelvinCalvin(1911-1997)(1940年）通过同位素标记[14C-CO2]和双向纸层析技术，发现光合作用最早标记的产物是3-P-甘油酸，进一步研究发现CO2首先与RUBP(1,5-二磷酸核酮糖)缩合为六碳糖，然后迅速裂解为2分子三碳糖（3-P-甘油酸），催化CO2与RUBP缩合反应的酶是Ribulose1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase--rubisco。

Calvin循环固定和同化6CO2生成1分子葡萄糖消耗18ATP和12NADPH。

2021/5/939RUBP羧化酶[Carboxylase]

叶绿体中催化CO2固定的酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，或称RUBP羧化酶/加氧酶，缩写为rubisco。

Rubisco是植物光合作用的关键酶，为复合物，8个大亚基[Mr56000]，每个含一个活性位点；8个小亚基[Mr14000]，功能还不完全清楚。植物中酶位于叶绿体的基质，占叶绿体总蛋白的60%，是生物圈中最丰富的酶。2021/5/940光合生物二氧化碳同化的三个阶段固定还原受体再生2021/5/941卡尔文循环的受体再生2021/5/942CO2还原生成糖2021/5/9436-P-果糖的合成2021/5/944CO2还原生成糖2021/5/945蔗糖的生物合成2021/5/946卡尔文循环2021/5/947由二氧化碳合成三碳糖需6NADPH和9ATP2021/5/948光反应产生的ATP和NADPH是二氧化碳还原的必需底物2021/5/949暗反应的调节

限速反应是由rubisco催化的CO2的固定反应，酶是别构酶，光照叶绿体产生的三个因素可刺激酶的活性：叶绿体光照后，质子流向类囊体腔，基质pH升高，由7升至8，刺激酶活；光照时质子泵入类囊体腔，伴随Cl-和Mg2+的转移，[Mg2+]升高也刺激酶活；NADPH刺激暗反应，光照PSI时产生NADPH，加速反应活性；叶绿体中几个酶由于二硫键的还原被活化。2021/5/950Rubisco的调节2021/5/951光通过调节硫氧还蛋白活化

卡尔文循环2021/5/952光呼吸[Photorespiration]植物的绿色细胞在光下消耗氧气，放出二氧化碳的过程称为光呼吸。仅在光下发生，与光合作用密切相关。通常细胞的呼吸在光照和黑暗中都可以进行，对光照没有特殊要求的呼吸--暗呼吸。光呼吸速率比暗呼吸速率高3-5倍。光呼吸是一个氧化过程，被氧化的底物是乙醇酸，乙醇酸的产生则以RuBP为底物，催化这一反应的酶是Rubisco，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。其催化方向取决于CO2和O2的分压。当CO2分压高而O2分压低时，RuBP与CO2经羧化活性生成2分子的PGA；反之，则RuBP与O2经加氧生成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）酶的作用下变成乙醇酸。2021/5/953乙醇酸生成—光呼吸低CO2、高O2RUBP进入过氧化物酶体Gly转氨酶线粒体脱羧酶SerH2O+O22021/5/9542021/5/955光光呼吸暗呼吸底物在光下由Rubisco加氧反应形成的乙醇酸，底物是新形成的。可以是碳水化合物，脂肪或蛋白质，但最常见的底物是葡萄糖。底物可以是新形成的，也可以是贮存物。代谢途径乙醇酸代谢途径，或称C2途径。糖酵解，三羧酸循环，磷酸戊糖途径。发生部位只发生在光合细胞里，在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三种细胞器协同作用下进行。在所有活细胞的细胞质和线粒体中进行。对O2和CO2

浓度的反应在O2浓度1-100%范围内，光呼吸随氧浓度提高而增强，高浓度的CO2抑制光呼吸。一般而言，O2和CO2浓度对暗呼吸无明显影响。反应部位、条件光下、绿色细胞。光、暗处活细胞。2021/5/956光呼吸的生理作用

光呼吸将光合作用固定的20％-40%的碳变为CO2放出；从能量的角度看，每释放1分子CO2需要消耗6.8个ATP和3个NADPH。显然，光呼吸是一种浪费。

CO2和O2竞争Rubisco的同一活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。Rubisco催化反应的方向，是进行光合作用还是光呼吸，取决于外界CO2与O2浓度的比值。大气中CO2/O2比值很低，加氧酶活性就不可避免地表现出来。

其主要生理功能如下:1.消除乙醇酸的毒害：乙醇酸的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸消除乙醇酸的代谢作用，避免了乙醇酸积累，使细胞免受伤害。2021/5/957光呼吸的生理作用[续]2.维持C3途径的运转：在叶片气孔关闭或外界CO2浓度降低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持C3途径的运转。3.防止强光对光合机构的破坏：在强光下，光反应中形成的同化力会超过暗反应的需要，叶绿体NADPH/NADP+的比值增高，最终电子受体NADP+不足，由光激发的高能电子会传递给O2，形成超氧阴离子自由基O2-.，O2-.对光合机构具有伤害作用，而光呼吸可消耗过剩的同化力，减少O2-.的形成，从而保护光合机构。4.氮代谢的补充：光呼吸代谢中涉及多种氨基酸(甘氨酸、丝氨酸等)的形成和转化过程，它对绿色细胞的氮代谢是一个补充。2021/5/958四碳(碳四)途径

(CO2固定循环、C4二羧酸途径)

1965年，M.D.Hatch和C.R.Slack研究热带和亚热带植物如甘蔗光合作用时发现，标记的CO2首先被标记在苹果酸、草酰乙酸及Asp等四碳二羧酸物质上，命名之，又称Hatch-Slackpathway。后来在玉米、高粱、其他禾本科及莎草科植物中也发现有这一途径。

2021/5/959C4植物的叶肉结构有两类叶绿体进行两类循环，叶肉细胞中进行C4代谢，微管束鞘细胞进行C3循环。2021/5/960C4植物的叶片与C3植物有不同的解剖学特征。C4植物的维管束鞘细胞中含有大量的叶绿体，其叶绿体中的内膜系统主要由基质片层组成，基粒很少，在维管束鞘细胞外面有一圈整齐排列的叶肉细胞。2021/5/961叶肉细胞中，PEP羧化酶催化PEP羧化生成OAA（草酰乙酸），再转变为苹果酸或天冬氨酸C4二羧酸从叶肉