生物光合作用详程.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光合作用过程,光能,CO,2,色素分子,C,5,2C,3,ADP+Pi,ATP,H,2,O,O,2,H,各种酶,酶,吸收,光解,光反应阶段,暗反应阶段,水光解,：,H,2,O 2H+1/2 O,2,光解,CO,2,固定,:CO,2,+C,5,2C,3,酶,还,原,酶,固,定,供能,（CH2O）,酶,C,3,化合物还原,：2 C,3,（CH,2,O）,6,ATP,酶,H,ADP+Pi,光合磷酸化,：ADP+Pi能量 ATP,酶,1/98,光合作用过程和能量转变,光合作用实质是将光能转变成化学能。,依据能量转变性质，将光合作用分为三个阶段:,1.,原初反应,:光能吸收、传递和转换成电能；,2.,电子传递,和,光合磷酸化,:电能转变为活跃化学能;,3.,碳同化,:活跃化学能转变为稳定化学能。,2/98,表1 光合作用中各种能量转变情况,能量转变,光能 电能 活跃化学能 稳定化学能,贮能物质,量子,电子,ATP、NADPH,2,碳水化合物等,转变过程,原初反应 电子传递 光合磷酸化 碳同化,时间跨度,(,秒,),10,-15,10,-9,10,-10,10,-,4,10,0,10,1,10,1,10,2,反应部位,PS、PS颗粒 类囊体膜 类囊体 叶绿体间质,是否需光,需光,不一定，但受光促进,不一定，但受光促进,3/98,不一样层次和时间上光合作用,4/98,第三节 原初反应,原初反应,是指,从光合色素分子被光激发，到引发第一个光化学反应为止过程。,它包含：,原初反应特点,速度非常快，,10,12,s10,9,s内完成；,与温度无关,，(77K，液氮温度)(2K，液氦温度)；,量子效率,靠近1,光物理,光能吸收、传递,光化学,有电子得失,5/98,反应中心色素,：,少数特殊状态chl a分子，它含有光化学活性，是光能“捕捉器”、“转换器”。,聚光色素（天线色素）,：,没有光化学活性，只有搜集光能作用，包含大部分chla 和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。,概念,6/98,7/98,8/98,9/98,光合单位,光合膜上能进行完整光反应最小结构单位,10/98,11/98,12/98,13/98,一、光能吸收与传递,(一)激发态形成,能量最低状态,基态,。,色素分子吸收了一个光子后-高能,激发态,。,Chl,（,基态,）,+h,10,15,s,Chl,*,图8 叶绿素分子对光吸收及能量释放示意图,各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级。,（,激发态,）,14/98,叶绿素分子受光激发后能级改变,叶绿素：,红光区:,被红光激发，电子跃迁到能量较低第一单线态,蓝光区:,被蓝光激发，电子跃迁到第二单线态。,配对电子自旋方向：,单线态；三线态；,第一单线态；第二单线态,图8 叶绿素分子对光吸收及能量释放示意图,虚线表示吸收光子后所产生电子跃迁或发光，,实线表示能量释放，,半箭头表示,电子自旋,方向,15/98,(二)激发态命运,1.放热,2.发射荧光与磷光,3.色素分子间能量传递,4.光化学反应,16/98,Chl,*,Chl+热 Chl,*,Chl,T,+热 Chl,T,Chl+热,另外吸收蓝光处于第二单线态叶绿素分子，其含有能量虽远大于第一单线态叶绿素分子。但超出部分对光合作用是无用，在极短时间内以热能释放。,因为叶绿素是以第一单线态参加光合作用。在能量利用上蓝光没有红光高。,1.放热,激发态叶绿素分子在能级降低时以热形式释放能量，,此过程又称,内转换,或,无辐射退激,。,？,17/98,2.发射荧光与磷光,激发态叶绿素分子回至基态时，能够光子形式释放能量。,荧光。,磷光。,Chl,*,Chl h,荧光发射,Chl,T,Chl h,磷光发射,磷光波长比荧光波长长，转换时间也较长，而强度只有荧光1%，故需用仪器才能测量到。,10,-9,s,10,-2,s,18/98,对提取叶绿体色素浓溶液照光，在与入射光垂直方向上可观察到呈暗红色荧光。,因为溶液中缺乏能量受体或电子受体缘故。,荧光猝灭剂：,在色素溶液中，如加入某种受体分子，能使荧光消失。惯用Q表示。在光合作用光反应中，Q即为电子受体。,色素发射荧光能量与用于光合作用能量是相互竞争，这就是叶绿素荧光经常被认作光合作用,无效指标,依据。,离体色素溶液为何易发荧光？,19/98,激发态色素分子把激发能传递给处于基态同种或异种分子而返回基态过程。,Chl,*,1,Chl,2,Chl,1,Chl,*,2,供体分子 受体分子,3.色素分子间能量传递,普通认为，色素分子间激发能不是靠分子间碰撞传递，也不是靠分子间电荷转移传递，可能是经过“,激子传递,”或“,共振传递,”方式传递。,20/98,激子传递,激子通常是指非金属晶体中由电子激发量子，它能转移能量但不能转移电荷。,这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量方式称为激子传递。,21/98,共振传递,在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中,高能电子振动会引发附近另一个分子中某个电子振动(共振),，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量传递。这种,依靠电子振动在分子间传递能量方式就称为“共振传递”。,共振传递示意图,在共振传递过程中，,供体和受体分子能够是同种，也能够是异种分子,。分子既无光发射也无光吸收，也无分子间电子传递。,22/98,图 光合作用过程中能量运转基本概念,经过上述色素分子间能量传递，聚光色素吸收光能会很快抵达并激发反应中心色素分子，开启光化学反应。,23/98,图,聚光系统到反应中心能量激发呈漏斗状,24/98,二、光化学反应,(一)反应中心与光化学反应,1.反应中心,原初反应光化学反应是在光系统反应中心进行。,反应中心是发生原初反应最小单位。,由,反应中心色素分子,、,原初电子受体,、,次级电子受体,与,供体,等,电子传递,体,，以及维持这些电子传递体微环境所必需,蛋白质,等成份组成,。,25/98,反应中心,中,原初电子受体,是指直接接收反应中心色素分子传来电子电子传递体,反应中心色素分子,是光化学反应中最先向原初电子受体供给电子，所以反应中心色素分子又称,原初电子供体,。,26/98,光系统反应中心,配对叶绿素,去镁叶绿素,去镁叶绿素,副叶绿素,副叶绿素,胡萝卜素,27/98,2.光化学反应,原初反应光化学反应实际就是由光引发反应中心色素分子与原初电子受体间氧化还原反应,，可用下式表示光化学反应过程：,PA,h,P,*,A P,+,A,基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离反应中心,反应中心出现了电荷分离,(P,+,),(A,-,),，到这里原初反应也就完成,了。,28/98,原初电子供体,P,+,失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱”，便可从次级电子供体,(D),那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子能力增强，可将电子传给次级电子受体,(A,1,),。,那么电荷分离后反应中心更新反应式可写为：,DP,+,A,A,1,D,+,PAA,1,这一过程在光合作用中不停重复地进行，从而推进电子在电子传递体中传递。,29/98,(二)PS和PS光化学反应,高等植物,两个光系统,有各自反应中心。,PS和PS,P700、P680,红降现象和双光增益效应,30/98,图9 菠菜反应中心色素吸收光谱改变,照光下PS(A)、PS(B)反应中心色素氧化，其氧化态，与还原态吸收光谱差值最大改变波长所在位置分别是700nm(A)和682nm(B)。,PS和PS反应中心中原初电子供体很相同，都是由两个叶绿素a分子组成二聚体，分别用,P700、P680,来表示。,这里,P代表色素，700、680则代表P氧化时其吸收光谱中改变最大波长位置是近700nm或680nm处,。,31/98,光合作用两个光系统和电子传递方案,吸收红光光系统（,PS,）产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远红光光系统（,PS,）产生弱氧化剂和强还原剂。,PS,产生强氧化剂氧化水，同时，,PS,产生强还原剂还原,NADP,+,。,32/98,PS和PS光化学反应,PS原初反应：,P700A,0,h,P700,*,0,P700,A,0,PS原初反应：,P680Pheo,h,P680,*,Pheo P680,+,Pheo,-,在原初反应中，受光激发反应中心色素分子发射出,高能电子,，完成了光电转变，随即高能电子将沿着光合电子传递链深入传递。,33/98,功效与特点,(吸收光能,光化学反应),电子最终供体,次级电子供体,反应中心色素分子,原初电子供体,原初电子受体,次级电子受体,末端电子受体,PS,还原NADP+，实现PC到NADP+电子传递,PC,P700,叶绿素分子,(A,0,),铁硫中心,NADP,+,(,电子最终受体),PS,使水裂解释放氧气，并把水中电子传至质体醌。,水,Y,Z,P680,去镁叶绿素分子(Pheo),醌分子,(Q,A,),质体醌,PQ,PS和PS电子供体和受体组成,34/98,35/98,第四节 电子传递和光合磷酸化,原初反应结果:,产生了,高能电子,推进着光合膜上电子传递。,电子传递结果:,引发,水裂解放氧,以及,NADP,+,还原,；,建立了,跨膜质子动力势,，开启了光合磷酸化，形成,ATP。,这么就把电能转化为活跃化学能。,36/98,一、电子和质子传递,（一）光合链,指定位在光合膜上，由多个电子传递体组成电子传递总轨道。,希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充,“Z”方案。,即电子传递是在两个光系统串联配合下完成，电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写“Z”形。,37/98,38/98,39/98,(1),电子传递链主要由光合膜上,PS、Cyt b,/f、PS,三个复合体串联,组成。,(2)电子传递有,二处逆电势梯度,，即P680至P680,*,，P700至P700,*,，逆电势梯度电子传递均由,聚光色素复合体,吸收光能后推进，而其余电子传递都是顺电势梯度。,“Z”,方案特点：,图10 叶绿体中电子传递模式,方框代表了蛋白复合物。LHC和LHC分别是PS和PS各自聚光色素复合体，M为含Mn放氧复合体，实线箭头表示非环式电子传递方向；虚线箭头表示环式或假环式电子传递分叉处。,40/98,(3),水氧化,与PS电子传递相关，,NADP,+,还原,与PS电子传递相关。,电子最终供体为水,，水氧化时，向PS传交4个电子，使2H,2,O产生1个O,2,和4个H,+,。,电子最终受体为NADP,+,。,(4),PQ,是双电子双H,+,传递体，它伴随电子传递，把H,+,从类囊体膜外带至膜内，连同水分解产生H,+,一起建立类囊体内外,H,+,电化学势差,。,41/98,(二)光合电子传递体组成与功效,1.PS复合体,PS,生理功效,是吸收光能，进行光化学反应，产生强氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中电子传至质体醌。,(1)PS复合体组成与反应中心中电子传递,PS是含有多亚基蛋白复合体。,组成：,聚光色素复合体、,中心天线,、反应中心、放氧复合体、细胞色素和各种辅助因子。,PSII,反应中心结构模式图,42/98,组成中心天线,CP47,和,CP43,是指分子量分别为47 000、43 000并与叶绿素结合聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比LHC更加快地把,吸收光能,传至PS反应中心，所以被称为,中心天线,或“近侧天线”。,43/98,PS反应中心关键部分,是分子量分别为32 000和34 000,D,1,和D,2,两条多肽。,D,1,很轻易受到光化学破坏，会发生活性逆转,。,反应中心次级电子供体Z、中心色素P680、原初电子受体Pheo、次级电子受体Q,A,、Q,B,等都结合在D,1,和D,2,上。,其中与D,1,结合质体醌定名为,Q,B,，与D,2,结合质体醌定名为,Q,A,。Q有双重涵义，既是醌(quinone)字首，又是荧光猝灭剂(quencher)字首。,44/98,Q,A,是单电子体传递体，每次反应只接收一个电子生成半醌。它电子再传递至Q,B,，,Q,B,是双电子传递体，Q,B,可两次从Q,A,接收电子以及从周围介质中接收2个H,+,而还原成氢醌(QH,2,),。这么生成氢醌能够与醌库PQ交换，生成PQH,2,。,45/98,(2)水氧化与放氧,CO,+2H,O,*,光 叶绿体,(CH,O)+O,2,*,+H,O,放氧复合体(OEC),又称锰聚合体(M,MSP)，在PS靠近类囊体腔一侧，参加水裂解和氧释放。,水氧化反应是生物界中植物光合作用特有反应，也是光合作用中最主要反应之一。,每释放1个O,需要从2个H,2,O中移去 4 个 e,-,，同时形成 4 个 H,。,46/98,20世纪60年代，法国乔利尔特(P.Joliot)创造了能灵敏测定,微量氧改变,极谱电极，用它测定小球藻光合放氧反应。,他们将小球藻预先保持在暗中，然后给以一系列瞬间闪光照射(如每次闪光510s，间隔300ms)。,发觉,闪光后氧产量是,不均量,，是以,4,为周期展现振荡，,即第一次闪光后没有O,释放，第二次释放少许O,，第三次O,释放到达高峰，每4次闪光出现1次放氧峰,用高等植物叶绿体试验得到一样结果。,图12 系列闪光对小球藻放氧量影响,在第三个闪光阶段氧形成量最大，以后每四个闪光都能够看到一个周期性峰值。氧形成量大约在,第,20,个闪光后,体系放O,周期性会逐步消失，放O,量到达某一平稳数值。,(Joliot,，,1965),47/98,科克(B.Kok，1970)等人依据这一事实提出了关于H,O裂解放氧,“四量子机理假说”,：,PS反应中心与H,O之间存在一个,正电荷贮存处,(S),每次闪光，S交给PS反应中心1个e,；,当S失去4e,带有4个正电荷时能裂解2个H,O释放1个O,(图13)，,图中S即为M，按照氧化程度(即带正电荷多少)从低到高次序，将不一样状态M分别称为,S,、S,、S,、S,和S,。即S,不带电荷，S,带 1 个正电荷，S,4,带4个正电荷。,每一次闪光将状态 S 向前推深入，直至S,。然后S,从 2 个 H,O中获取 4 个e,，并回到S,。,图13 在水裂解放氧中S状态改变,(修改过,Kok水氧化钟,模型，注明了H,释放部位),48/98,2.质醌,质醌(PQ),也叫质体醌，是PS反应中心末端电子受体，也是介于PS复合体与Cyt b,/f复合体间电子传递体。,“PQ库”；,叶绿素5%10%。,质体醌为脂溶性分子，,质体醌有一个醌头和一个长非极性尾，尾部使质体醌定位于膜中,，,能在类囊体膜中自由移动，转运电子与质子。,49/98,PQ库作为电子、质子缓冲库，能均衡两个光系统间电子传递,(如当一个光系统受损时，使另一光系统电子传递仍能进行)，可使多个PS复合体与多个Cyt b,/f 复合体发生联络，使得类囊体膜上电子传递成网络式地进行。,质体醌是双电子、双质子传递体，对类囊体膜内外建立质子梯度起着主要作用。,Cytb6/f,50/98,3.Cytb,/f复合体,Cytb,/f 复合体,作为连接PS与PS两个光系统中间电子载体系统，是一个多亚基膜蛋白，由4个多肽组成，即,Cytf、Cytb、Rieske(铁-硫蛋白)、17kD多肽,等。,51/98,PQH,+2PC(Cu,),Cyt b/f,PQ+2PC(Cu,)+2H,Cyt b,/f 复合体主要催化PQH,氧化和PC还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。所以Cyt b,/f 复合体又称,PQH,PC氧还酶,。,52/98,关于Cytb,/f 复合体介导跨膜质子转移机理，Mitchell曾提出,Q循环,假设：,1.,还原PQH,2,将2个电子中一个传给 Cytb,6,/f 复合体中FeS,R，,再交给Cytf，进而传给 PC，,2.与此同时,，PQH,2,又将第二个电子交给低电位b,，并释放2个H,+,到膜腔内，电子由低电位b,传至高电位b,，再将电子传至PQ。,经过两次电子循环后，PQ两次被还原，双还原PQ又从膜外结合两个质子，并将其贮入质醌库中。,Q 循环,53/98,54/98,4.质蓝素,质蓝素(PC),是位于类囊体膜内侧表面含铜蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cyt b,/f复合体与PS之间电子传递组员。经过蛋白质中,铜离子,氧化还原改变来传递电子。,55/98,PS复合体存在类囊体非堆叠部分，PS复合体存在堆叠部分，而Cyt b,/f 比较均匀地分布在膜中，因而推测,PC经过在类囊体腔内扩散移动来传递电子,。,56/98,5.PS复合体,PS,生理功效,是吸收光能，进行光化学反应，产生强还原剂，用于还原NADP,+,，实现PC到NADP,+,电子传递。,57/98,高等植物PS由反应中心和LHC等组成。,58/98,PSI,反应中心结构模式,F,X,，,F,A,，,F,B,Fe-S,中心,A,0,A,1,59/98,F,X,、F,A,、F,B,是PS中3个铁硫蛋白，都含有4铁-4硫中心结构，其中4个硫与蛋白质4个半胱氨酸残基连接，它们主要依4铁-4硫中心中铁离子氧化还原来传递电子。,图14 铁-硫中心模型,左：4铁-4硫型；右：2铁-2硫型,60/98,6.铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP,还原酶,铁氧还蛋白(Fd),和铁氧还蛋白-NADP,还原酶,(FNR),都是存在类囊体膜表面蛋白质。,Fd是经过它2铁-2硫活性中心中,铁,离子氧化还原传递电子。,FNR 含1分子黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠,核黄素,氧化还原来传递H,+,。,FNR,是光合电子传递链末端氧化酶，接收Fd传来电子和基质中H,，还原NADP,为NADPH，反应式可用下式表示：,2Fd,还原,+NADP,+H,FNR,2Fd,氧化,+NADPH,61/98,Fd也是电子传递分叉点。电子从PS传给Fd后,Fdred去向,：,传给FNR进行非环式电子传递；,传给Cyt b,/f 或经NADPH再传给PQ进行环式电子传递；,传给氧进行假环式电子传递；,交给硝酸参加硝酸还原；,传给硫氧还蛋白(Td)进行光合酶活化调整。,62/98,7.光合膜上电子与H,+,传递,图15 光合膜上电子与质子传递,图中经非环式电子传递路径传递4个e,-,产生2个NADPH和3个ATP是依据光合作用总方程式推算出。在光反应中吸收8个光量子(PS与PS各吸收4个)，传递4个e,能分解2个H,2,O，释放1 个O,2,，同时使类囊体膜腔增加8个H,，又因为吸收8个光量子能同化1个CO,2,，而在暗反应中同化1个CO,2,需消耗3个ATP和2个,NADPH，也即传递4个e,-,，,可还原2个NADPH，经ATP酶流出8个H,+,要合成3个,ATP。,63/98,64/98,LHC等受光激发后将接收光能传到PS反应中心P680，并在那里发生光化学反应，同时将激发出e,传到原初电子受体Pheo，再传给靠近基质一边结合态质体醌(Q,A,)，从而推进了PS最初电子传递。P680失去e,后，变成一个强氧化剂，它向位于膜内侧电子传递体Y,Z,争夺电子而引发水分解，并将产生氧气和H,+,释放在内腔。另首先，Q,A,e,经Q,B,传给PQ，PQ还原需要2e,-,和来自基质2H,+,。还原PQH,2,向膜内转移，传2e,-,给Cyt b,6,/f复合体，其中1个e,-,交给Cyt b,/f，进而传给PQ，另1个e,-,则传给Fe-S,R,。因为Cyt b,/f 氧化还原仅包括电子，所以2H,+,就释放到膜腔。还原Cyt f将e,-,经位于膜内侧表面PC传至位于膜内侧PS反应中心P700。,与PS一样，P700受光激发后，把e,-,传给A,，经A,、F,X,、F,A,和F,B,，再把e,-,交给位于膜外侧Fd与FNR，最终由FNR使NADP,+,还原，NADP,+,还原时，还要消耗基质中H,+,。NADPH留在基质中，用于光合碳还原。,在电子传递同时，H,+,从基质运向膜内腔，产生了膜内外H,+,电化学势梯度。依电化学势梯度，H,+,经ATP酶流出时偶联ATP产生，形成ATP留在基质中，用于各种代谢反应。,65/98,光合膜上电子与质子传递概况,红线表示电子传递，黑线表示质子传递，蓝线质子越膜运输,66/98,(三)光合电子传递类型,依据电子传递到Fd后去向，将光合电子传递分为三种类型。,1.非环式电子传递,H,O PSPQCyt b,/fPCPSFdFNR NADP,4个e,-,，2个H,2,O，1个O,2,，2个NADP,+,，8个光量子，8个H,+,67/98,2.环式电子传递,(1)PS中环式电子传递：,PSFdPQCytb,/fPCPS,环式电子传递不发生H,2,O氧化，也不形成NADPH，但有H,+,跨膜运输，可产生ATP，每传递一个电子需要吸收一个光量子。,(2)PS中环式电子传递：,P680PheoQ,A,Q,B,Cytb,559,P680,也有试验指出PS中环式电子传递为：,P680 Cytb,559,Pheo P680,Cytb,559,68/98,3.假环式电子传递,也叫做梅勒反应(Mehlers reaction)。,H,OPSPQCytb,/fPC PSFd O,Fd,还原,+O,2,Fd,氧化,+O,2,-,超氧化物歧化酶(SOD),O,2,-,+O,2,-,+2H,2,SOD,2H,2,O,2,+O,2,69/98,70/98,光合磷酸化发觉,1954，Arnon等发觉向菠菜叶绿体加入ADP、P,i,和NADP,+,，在光下不加入CO,2,时，在体系中有ATP和NADPH产生。,完整叶绿体,黄色上清液,离心,破碎,绿色上清液,含暗反应酶,ADP、P,i,和NADP,+,ATP和NADPH,二、光合磷酸化,71/98,光合磷酸化：,光下在叶绿体(或载色体)中发生由ADP与Pi合成ATP反应,概念,72/98,(一)光合磷酸化类型,.非环式光合磷酸化,与非环式电子传递偶联产生ATP反应,。,2NADP,+,3ADP3Pi,8h叶绿体,2NADPH3ATPO,2,+2H,+,H,O,在进行非环式光合磷酸化反应中，体系除生成,ATP,外，同时还有,NADPH,产生和,氧,释放。,含有基粒片层放氧生物所特有，在光合磷酸化中占主要地位。,73/98,.环式光合磷酸化,与环式电子传递偶联产生ATP反应,。,ADP Pi,光 叶绿体,ATP H,O,非光合放氧生物光能转换唯一形式，主要在基质片层内进行。它在光合演化上较为原始，在高等植物中可能起着补充,ATP,不足作用。,74/98,.假环式光合磷酸化,与假环式电子传递偶联产生ATP反应,。,既放氧又吸氧。,H,O+ADP Pi,光 叶绿体,ATP+O,2,-,4H,+,75/98,(二)光合磷酸化机理,.光合磷酸化与电子传递关系-偶联,三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联：,如在叶绿体体系中加入,电子传递抑制剂,光合磷酸化就会停顿；,在偶联磷酸化时，电子传递则会加紧，所以在体系中加入,磷酸化底物,会促进电子传递和氧释放。,(,解偶联:,发生电子传递而不伴随磷酸化作用),76/98,磷酸化和电子传递关系偶联可用,ATP/e,或,P/O,来表示。,ATP/e,:,表示每对电子经过光合电子传递链而形成ATP分子数,P/O：,表示光反应中每释放1个氧原子所能形成ATP分子数。比值越大，表示磷酸化与电子传递偶联越紧密。,77/98,2.,光合磷酸化机理,中间产物学说,变构学说,化学渗透学说,78/98,79/98,化学渗透学说(chemiosmotic theory),由英国米切尔(Mitchell1961)提出，,该学说假设能量转换和偶联机构含有以下特点：,由磷脂和蛋白组成膜对离子和质子透过含有,选择性,含有氧化还原电位,电子传递体不匀称,地嵌合在膜上,膜上有偶联电子传递,质子转移系统,膜上有转移质子,ATP酶,在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：,光合电子传递链电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力(proton motive force,pmf)，并由质子动力推进合成。,许多试验都证实了这一学说正确性。,80/98,(1)化学渗透学说试验证据,两阶段光合磷酸化试验,指光合磷酸化能够相对分成照光阶段和暗阶段来进行，,照光不,向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物，而,断光,时再,加,入底物能,形成ATP,试验。,1962年，中国沈允钢等人，用此试验探测到光合磷酸化高能态(Z,*,)存在。,1963年贾格道夫(Jagendorf)等也观察到了光合磷酸化高能态存在。起初认为Z,*,是一个化学物质，以此提出了,光合磷酸化中间物学说,。现在知道高能态即为膜内外,H,+,电化学势,。,所谓两阶段光合磷酸化，其实质是光下类囊体膜上进行电子传递产生了跨膜H,+,电化学势，暗中利用H,+,电化学势将加入ADP与Pi合成ATP。,81/98,酸-碱磷酸化试验,贾格道夫等(1963)在暗中把叶绿体类囊体放在p4弱酸性溶液中平衡，让类囊体膜腔下降至4，然后加进pH8和含有ADP和Pi缓冲溶液，这么,瞬间pH改变,使得类囊体膜内外之间产生一个H,+,梯度。,这个H,梯度能使ADP与Pi生成ATP，而,这时并没照光，也没有电子传递,。这种驱动ATP合成类囊体内外pH差在活体中正是由光合电子传递和H,+,转运所形成。,这一酸-碱磷酸化试验给化学渗透假说以最主要支持证据。,82/98,酸-碱磷酸化试验,83/98,光下类囊体吸收质子试验,对无pH缓冲液叶绿体悬浮液照光，用,pH计,可测到,悬浮液pH升高,。这是因为光合电子传递引发了悬浮液中质子向类囊体膜腔运输，使得膜内H,+,浓度高而膜外较低缘故。,电子传递产生了质子梯度后，质子就有反向跨膜转移趋向，质子反向转移时，质子梯度所贮藏能量就被用去合成ATP。,以上试验都证实了米切尔化学渗透学说正确性，因而米切尔取得了1978年度诺贝尔化学奖。,84/98,(2)H,+,电化学势与质子动力,e,传递与H,+,向膜内运转,还会引发类囊体膜电势改变，从而产生H,+,电化学势差(H,+,),(kJmol,-1,),：,H,+,=,H,+,内,-H,+,外,=2.3RTpH+FE,式中R气体常数，,T,绝对温度(K)，F法拉第常数，E膜电势(V),25时，,H,+,=5.7pH+96.5E,将两边用,F,(96.5kJmol,1,V,1,)除，要求,H,+,/F,为,质子动力,，其单位为电势(V)。在25时：,pmf=0.059pH+E,质子动力大部分是来自pH部分,E？,85/98,叶绿体类囊体膜上ATP生成,86/98,3.ATP,合成部位,ATP酶,ATP酶(ATPase)又叫ATP合成酶，也称,偶联因子,或,CF,1,-CF,o,复合体,。质子反向转移和合成ATP是在ATP酶上进行。,叶绿体ATP酶由两个蛋白复合体组成,ATP酶由九种亚基组成，分子量为550 000左右,H,+,transport orientation,？,合成ATP,水解ATP,87/98,CF,1,分子量约400000，它含有,和5种亚基。:3:3:1:1:1,突出于膜表面,亲水性,88/98,CFo,含有四个亚基：、和。是多聚体，可能含有15个多肽。,质子泄漏：类囊体膜失去CF,1,后。加进CF,o,抑制剂后，就停顿了。,表明,CF,o,是质子“通道”，供给质子给CF,1,去合成ATP。,CF,1,怎样利用H,越膜所释放能量来合成ATP？,结合转化机制变构学说，,由Paul Boyer提出,埋置于,膜中,疏水性,89/98,结合转化机制变构学说,该,学说认为，在ATP形成过程中，与ATP合成酶3个,亚基,各具一定构象，分别称为,紧绷(tight)、松驰(loose)和开放(open),，各自对应于底物结合、产物形成和产物释放三个过程(见图)。,ATP合成结合转化机制,-亚基,转动引发,亚基构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(O)次序改变,，完成ADP和Pi结合、ATP形成以及ATP,释放三个过程,。,90/98,构象相互依次转化,是和,质子经过引发亚基旋转相偶联,。当质子顺质子电化学梯度流过Fo，使亚基转动，亚基转动引发亚基构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(O)次序改变，使ATP得以合成并从复合体上释放。,。,详细说，,ADP和Pi与开放状态亚基结合,；在,质子流推进,下,亚基转动使,亚基转变为,松驰状态,并在较少能量改变情况下，,ADP和Pi自发地,形成ATP,，再深入转变为,紧绷状态,；亚基继续变组成,松驰状态,，使,ATP释放,，并能够再次结合ADP和Pi进行下一轮ATP合成。在ATP合成整个过程中，能量消耗步骤主要在ATP,释放，,而不是ATP合成。,91/98,按照Boyer结合改变机理或旋转理论，CF13个亚基应是,均等地参加催化反应,。但有些人对此持有不一样看法，并已发觉了一些CF13个亚基不是均等地参加催化反应证据，于是提出了,非旋转2点催化机理,与之抗争。深信这些争论将会深入促进ATP合酶结构功效研究深入和发展。,92/98,4.光合磷酸化抑制剂,叶绿体进行光合磷酸化，,必须,：,(1)类囊体膜上进行电子传递；,(2)类囊体膜内外有质子梯度；,(3)有活性ATP酶。,破坏这三个条件之一试剂都能使光合磷酸化中止，这些试剂-光合磷酸化抑制剂。,93/98,抑制剂类型,(1)电子传递抑制剂,指,抑制,光合电子传递试剂，,如羟胺(NH,2,OH)切断水到PS电子流，,DCMU抑制从PS上Q,B,到PQ电子传递,；KCN和Hg等则抑制PC氧化。,一些,除草剂,如西玛津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、异草定(isocil)等也是电子传递抑制剂。,94/98,(2)解偶联剂,指,解除,磷酸化反应与电子传递之间偶联试剂。,DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonyl cyanide-3-chlorophenyl hydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌素、NH,等，,增加类囊体膜对质子透性或增加偶联因子渗漏质子能力，其结果是,消除了跨膜H,+,电化学势,，而电子传递仍可进行，甚至速度更加快,但磷酸化作用不再进行。,抑制剂类型,95/98,(3)能量传递抑制剂,指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB)作用于CF,1,，寡霉素作用于CF,o,(CF,o,下标o就是表明其对寡霉素oligomycin敏感)。它们都,抑制了ATP酶活性,从而阻断光合磷酸化。,抑制剂类型,96/98,百草枯（一个除草剂）,2,5,二溴,3,甲基,6,异丙基对苯醌,光合电子传递链三种抑制剂,DCMU,、,DBMIB,和百草枯化学结构。,叶绿体电子传递链抑制剂作用位点。,DCMU,和,DBMIB,阻止电子传递反应，而还原态百草枯自动氧化为基本离子，造成超氧和其它活性氧种类形成。,97/98,三、光反应中光能转化效率,光能转化效率是指光合产物中所贮存化学能占光合作用所吸收有效辐射能百分率。光反应中，植物把光能转变成化学能贮藏在ATP和NADPH中。,每形成,1mol ATP需要约50kJ能量,，每形成,1mol NADPH,便有2mol e,从0.82V(H,2,O/O,2,氧化还原电位)上升到0.32V(NADPH电位)。这一过程自由能改变为 G=nFE=296.5(0.32-0.82)=,220kJ,假如按非环式电子传递,每吸收8mol光量子形成2molNADPH和3molATP来考虑，在光反应中吸收能量按680nm波长光计算，则,8mol光量子能量(E,),为：,E,=,hNC/8,=6.62610,s6.023,(3.010,8,ms,m)8=,1410kJ,8 mol光子可转化成化学能(E,)(2molNADPH和3molATP),E,=220kJ2+50kJ3=590kJ,能量转化率=(光反应贮存化学能/吸收光能)=E,1,/E,2,=590kJ/1410kJ0.42=42%,98/98,