生物《光合作用详程》课件.pdf

光合作用的过程-V-光反应阶段人-V-暗反应阶段冰的光解：为0到X 2H+l/2 02 光合磷酸化：ADP+Pi+能量里 ATPL 西每82的固定：CO2+C 2C3Q化合物还原：2 c3嗫果ch2o)$ADP+Ri光合作用的过程和能量转变A光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质，将光合作用分为三个阶段:.原初反应:光能的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:活跃的化学能转变为稳定的化学能。表1光合作用中各种能量转变情况能量转变光能T电能7舌跃的化学能 稳定的化学能贮能物质量子 电子 ATP、NADPH2转变过程原初反应电子传递光合磷酸化时间跨度（秒）10-15-10-9 10-10-10-4 100 _ 101反应部位PSI、PSH颗粒类囊体膜类曩体碳水化合物等碳同化101-102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起第一个光化学反应为止的过程。它包括：砂物理-光能的吸收、传递 煤化学-有电子得失原初反应特点1）速度非常快，10 12ssi0-9s内完成；2）与温度无关,（77K,液血温度）（2K,液氨温度）；3）量子效率接近1反应中心色素：少数特殊状 态的Chi a分子，它具有光化学活性，是光能的捕捉器 转换器。聚光色素（天线色素）：没有光化学活性，只有收集光能的 作用，包括大部分chia和全部chib.胡萝卜素、叶黄素。光合作肿的蚓懒光能吸收与传递7光合作用概述老舍*机天线色素与叶绿素3反应中心480-570 nm漱子传递Exciton transferPE第红蛋白 PC藻蓝雯白 AP别藻蓝要白藻类植物Light i 550-650 nmChlorophyll a reaction center叶嫌素a 反应中心Thylakoid类囊体膜 membrane8色素分子在类囊体膜上组织成光合单位光反应二一个光合单位大约 由250300个色素 分子组成hv、集光色素（天戏分子）老合家机电合珞口化暗反应卜结反应中心（叶绿素今光合单位光合膜上能进行完整光反应的最小结构单位Light 光激发态转移Excitation transfer电子转移Electron transferPicrnent molecules电子供体 e-Donor天线色素Antenna电子受体Acceptor10光合单位11Light光系统2模型12这些色素吸收 尤能，并接力传 递到反应中心反应中心3合碟联也50个分子的类胡萝卜素这些色亲分子吸收尤子（无量子），激发分子中的电子到达高能级就 道（=激发态）这种”能能被传送材移到K近 的色素分子（通过直接的电碰相互 作用），最后到达反应中心反应中心是色亲分子中一个小的 子集，能将光能传变为化学能.光化学反应使无能转变为化学能，即尤子激 发叶绿素打出高能电子，形成数初的电子流一.光能的吸收与传递(-)激发态的形成第二单线杰 KT12s能量的最低状态一基态。色素分子吸收了一个光子 后高能的激发态。Chi（基态）+hV 10-s,Chl*(激发态)第一单线态n 1047*UIUOE寸学国热能二亚态 基分子内融传递v 传向反应中心图8叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图 各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级。叶绿素分子受光激发后的能级变化叶绿素：红光区:被红光激 发，电子跃迁到 能量较低的第一 单线态蓝光区:被蓝光激 发，电子跃迁到 第二单线态。量 能配对电子的自旋态 基方向：单线态；三线态；第一单 线态；第二单线第二单线态H 10-12s 日第一单线态L10 9s hH*f-9舞寿*怒目089S 态通 线10 三能 热分子内能量传递，L 传向反应中心盖能 热图8叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图虚 线表示吸收光子后所产生的电子跃迁或发光，实线表示能量的释放，半箭头表示电子自旋方向（二）激发态的命运1.放热2.发射荧光与磷光3.色素分子间的能量传递4.光化学反应第二单线态B10-12s 口第一单线态n io己H热能-4能量基态*根3089 果IUU0N9冬明分子内能量传递v 传向反应中心1.放热激发态的叶绿素分子在 能级降低时以热的形式释uo.noa)一0oAPQU放能量，此过程又称内转换或无辐射退激。PhotonPhoton(fluorescence)state(b)Fluorescence(a)Excitation of isolated chlorophyll moleculeCopynoM O Pmhkxi Educabcn.Inc pubMivng m BengwnmChi*T Chl+热 Chi*T ChlT+热 ChlT T Chl+热另外吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能量虽 远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的 在极短的时间内以热能释放。由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。在能量利用上蓝 光没有红光高。？2.发射荧光与磷光激发态的叶绿素分子至基态时，可以光子形式释放能量。A荧光。A磷光。第二单线态f iod2s 匕 第一单线态n 10-9s 7架uiuOE寸冬第米次UHI089兴UIU0N9冬股Chl*1O-9S Chi+hv 荧光发射 ChlT 0-2s Chi+h v 磷光发射A磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧 光的1%,故需用仪器才能测量到。A对提取的叶绿体色素浓溶液照光，在与入射光垂直的方向上可观察到呈 暗红色的荧光。离体色素溶液为什么易发荧光？因为溶液中缺少能量受体或电子受 体的缘故。A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。常 用Q表示。在光合作用的光反应中，Q 即为电子受体。色素发射荧光的能量与用于光合作 用的能量是相互竞争的，这就是叶绿 素荧光常常被认作光合作用无效指标 的依据。/懒制if,直先(的 最低激活需1 1波长1g-就通过长幽财 而损失的健it(1)(b)1.Urtl1 1553.色素分子间的能量传递激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程。Chl*1+Chl2-ChL+Chl*2J.J,乙供体分子受体分子一般认为，色素分 子间激发能不是靠分 子间的碰撞传递的，也不是靠分子间电荷 转移传递的，可能是 通过激子传递或共振传递方式传 递。Increasing Energychr激子传递激子通常是指非金属晶体 中由电子激发的量子，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的方式 称为激子传递。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 的振动会引起附近另一个分子中 某个电子的振动（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的传递。这 种依靠电子振动在分子间传递能 量的方式就称为共振传递。共振传递示意图A在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种 分子。分子既无光的发射也无光的吸收，也无分子间的电子传递O通过上述色素分子间的能量传递，聚光色素吸 收的光能会很快到达并激发反应中心色素分子，启 动光化学反应。电子转移育巨石I车专运色素分r受体天线色素攵合体反心上-心佻体光合作用过程中能量运转的基本概念二.光化学反应(-)反应中心与光化学反应1.反应中心原初反应的光化学反应是在 光系统的反应中心进行的。光系统反应中心Incoming photons 乙(light)色 素分子 Decreasing energy反应中心是发生原初反应的最小单位。A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的微 环境所必需的蛋白质等成分组成的。反应中心中的原初 电子受体是指直接接 收反应中心色素分子 传来电子的电子传递 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 电子的，因此反应中 心色素分子又称原初 电子供体。Primary原初电j受体光/PhotonReactionelectron acceptor能量传递 Transfer of energyElectron transfer电f反应中心 Reaction centerAntenna pigment moleculesPhotosystem26FeHCO p*A-P+A.基态反应中心激发态反应中心电荷分离的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。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，供电子的能力增强 可将电子传给次级电子受体(A)。A那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：D-(P+A)-Ai-D+-(P-A)-A1这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电 子在电子传递体中传递。29（二）PS I和PS II的光化学反应高等植物的两个光系统有各自的反应中心。PS I 和PS IIAP700.P680碧 UAS甚 dBX nm 670 700 670 4-700红降现象和双光增益效应aps I和ps n反应中心中的 原初电子供体很相似，都是 由两个叶绿素a分子组成的 二聚慢，分别用P700、P680 来表示。A这里P代表色素，700、680则代表P氧化时其吸收光 谱中变化最大的波长位置是 近 7 OOnm 或680nm处。Q 0 L X 2函姿S-4-6 400 500 600 700波长(nm)图9菠菜反应中心色素吸收光谱的变化 照光下PSI(A).PSH(B)反应中心色素 氧化，其氧化态，与还原态的吸收光谱 差值最大变化的波长所在位置分别是 700nm(A)和682nm(B)。光合作用的两个光系统和电子传递方案吸收红光的光系统n(ps n)产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远 红光的光系统I(psi)产生弱氧化剂和强还原剂。psh产生的强 氧化剂氧化水，同时，psi产生的强还原剂还原NADP+。PS I和PS II的光化学反应 PS I的原初反应：P700 AoP700*Al P700+Ao PS II的原初反应：P680 Pheo一皿A在原初反应中，受光 激发的反应中心色素分 子发射出高能电子，完 成了光一电转变，随后 高能电子将沿着光合电 子传递链进一步传递。P680*Pheo P680+Pheo-PS I和PS II的电子供体和受体组成功能与特点（吸收光能 光化学反应）子终体 电最供级子体 次电供反应中心 色素分子 原初电子 供体一初子体级子体 次电受端子体 一末期受PS I还原NADP+,实现PC到 NADP+的电 子传递PCP700叶绿素 分子（Ao）硫心 铁中NADP+（电子最 终受体）PS II使水裂解释 放氧气，并 把水中的电 子传至质体 酿水YzP680去镁叶 绿素分子（Pheo）酿分 子（Qa）质体 酿PQE0(volts)2合作用概述,城含多麻INADPH产叱光合系统IPhoCocyMea 1GD光反应去他婚获。光合象优豆合碟戚位P68O光合系统n Pbotoy*Ufli IIP68(rPlattocyatua 质体长拈lP700eeFr-Sa”.g J FUNAD 产I 睨 osidaredQctAM31 X EES3P700Ph8=脱铁叶绿者PQ二质体PQb=4LB二叶绿素电子受体4=叶缘优，维生素KFd=铁氧还受白1.光子激发反应中心色素P700P700*2.P700*提供电子给叶绿素受体A。二电子在电子传递链上向下传递：F700*f A。一%f Fc-S f Fd4.2个还原的Fd传送2个电子给 F&NADP+氧化还原酶，形成 NADPH5.P700*失去 电子形 成P700,P700）从质体蓝素获得一个电子而还原 为P700（电子源来自PSH,经由 Cyt b/传递电子到质体蓝素）电子也可以从FuS传递到Cyt b6f；而不产生NADPH。因此PSI可以 在不产生还原力的情况下泵人质 子=循环光合磷啖化第四节电子传递和光合磷酸化原初反应的结果：A产生了高能电子推动着光 合膜上的电子传递。电子传递的结果：A引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；建立了跨膜的质子动力势，启 动了光合磷酸化，形成ATP。痛豌电羸前为活跃的化学能图4-37光合作用过程示意图一、电子和质子的传递（一）光合链A指定位在光合膜上的 由多个电子传递体组成 的电子传递的总轨道。希尔U960）等人提出 并经后人修正与补充的“Z”方案。即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，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 的“Z形。Zscheme diagram From Developed in collaboratian with Professor GWn（牺 ofU.of 111moi Wrbana SonrtgM 5000J 8&H，ADOCMNU uiojElectron transport chains convert light energy to chemical energy.PigmentsWater-splittingenzyme、ThylakoidPath ofelectrons、NADP+NADPH4H+ATP-producing carrier proteinHydrogen ions,ADP+0 ATP(1)电子传递链主要由光合 膜上的PSII.Cyt bf/f.PS I三个复合体串联组成。电子传递有二处逆电势 梯度，即P680至P680*,P700至P700*,逆电势梯度 的电子传递均由聚光色素 复合体吸收光能后推动，而其余电子传递都是顺电 势梯度的。“Z”方案特点：LHCO4H.PSI2H。金！10叶绿体中的电子传递模式方框代表了蛋白复合物。LHC I和LHCII分别是PS I和PSH各自的聚光色素复合体，M为含Mn的放氧复合体，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。水的氧化与psn电 子传递有关，NADP+的还 原与PS I电子传递有关 电子最终供体为水，水 氧化时，向PS II传交4个 电子，使2H2。产生1个。2 和4个H+。电子的最终受 体为NADP+。A(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OxygenvotingFSototyttem IICytochrome complexUgMPMtmyitem I的H+一起建立类囊体内外的中电化学势差。41(=)光合电子传递体的组成与功能l.psn复合体 a psn的生理功能是吸收光 能，进行光化学反应，产生 强的氧化剂，使水裂解释放 氧气，并把水中的电子传至 J由彳木酉肆3n复合体的组成与反 应中心中的电子传递 psn是含有多亚基的蛋白基质PSII反应中心结构横式BB复合体。组成：聚光色素复 合体n.中心天线,反应中 心.放氧复合体、细胞色素 和多种辅助因子.组成中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47000、43 000并与叶绿素结合 的聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比LHCH更快地把吸收的光能传至PSII反应 中心，所以被称为中心天线或近侧天线。43psn反应中心的核心部分是 分子量分别为32 000和34 000的 D和D?两条多肽。D很容易堂到 光化学破坏，会发生活性逆转。反应中心的次级电子供体Z、中心色素P680、原初电子受体 Pheo、次级电子受体Qa、Qb等都 结合在Di和口2上。其中与Di结合的质体酿定名 为Qb r与D2编合的质体酉星定名为 Qao Q有双重涵义，既是酿(quinone)的字首，又是荧光猝灭剂(quencher)的字首。Qa是单电子体传递体，每次反应只 接受一个电子生成半酿。它的电子 再传递至Qb，Qb是双电子传递体，Qb可两次从Qa接受电子以及从周围 介质中接受2个H+而还原成氢酶(QH2)o这样生成的氢酿可以与酿 库的PQ交换，生成PQ%。J680QAQ6 光P680QaQB 血何麻置“1 YZYj)望；P680QAQB P680QaQbfP680QaQbH2PSII反应中心中的电子槎通示标图 oiOI(OIn)水的氧化与放氧A放氧复合体(OEC)又称镒聚 合体(M,MSP),在PS II靠近类 囊体腔的一侧，参与水的裂解 和氧的释放。水的氧化反应是生物界中植 物光合作用特有的反应，也是 光合作用中最重要的反应之一。基质A每释放1个0 2需要从2个为0中移去4个e-,同时形成4个H+oC02+2H20*光叶绿体 a(CH2()+。2*+H20 20世纪60年代，法国的乔利 尔特(P.Joliot)发明了能 灵敏测定微量氧变化的极谱 电极，用它测定小球藻的光 合放氧反应。他们将小球藻预先保持在暗 中，然后给以一系列的瞬间 闪光照射施每次闪光5 10 u s f 间隔300ms)o发现闪光后氧的产量是不均 量的，是以4为周期呈现振 荡，即第一次闪光后没有0 2 的释放，第二次释放少量0 2 第三次0 2的释放达到高峰，每4次闪光出现1次放氧峰用高等植物叶绿体实验得到 同样的结果。.6科克（B.Kok f 1970）等人根据这一事实提出了关于H 2。裂解放氧的量子机理假说 psn的反应中心与h 2。之间存在 一个正电荷的贮存处（S）每次闪光，s交给psn反应中心1 个；当S失去4e-带有4个正电荷时能 裂解2个匕0释放1个。2（图13）,图中S即为M，按照氧化程度（即带 正电荷的多少）从低到高的顺序，将不同状态的M分别称为S0.Si.S2、$3和$4即S。不带电荷,S 1 带1个正电荷，S4带4个正电 荷。态变化（修改过的Kok水氧化钟模 型，注明了H+的释放部位）每一次闪光将状态s向前推进一步，直至S4。中获取4个e，井然后S4从2个H2080s0。2.质酉导质酶(pq)也叫质体酶，是psh 反应中心的末端电子受体，也 是介于PSII复合体与Cyt b6/f 复合体间的电子传递体。“PQ库；叶绿素的5%10%。个质体酶为脂溶性分子，质体酶有一个配的头和一个长的非极 性的尾，尾部使质体酶定位于膜中，能在类曩体膜中自由移动，转运电子与质子。A PQ库作为电子、质子的缓冲 库，能均衡两个光系统间的 电子传递（如当一个光系统 受损时，使另一光系统的电 子传递仍能进行），可使多 个PSII复合体与多个Cyt b6/f复合体发生联系，使得 类囊体膜上的电子传递成网 络式地进行。质体酿是双电子、双质子传 递体，对类囊体膜内外建立 质子梯度起着重要的作用。lumenSCytb/fOCytb6/f复合体作为连接PS n与PS I两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由4个多肽组成,即Cytf、Cytb、Rieske（铁-硫蛋白）、17kD的多肽等。表64细胞色索f复合体的多肽亚基蛋白多肽基因基因的位置分子质量/初功能CytfpetA叶绿体32Cytf脱辅基蛋白Cyt bepetB叶绿体24Cytk脱辅基蛋白RFeSpetC细胞核19Rieske脱辅基蛋白亚基IVpetD叶绿体17质能结合PetG PetMpetG,pelM细胞核4.0未知PetLPetL叶绿体3.4未知Cyt b6/f复合体主要催化PQH2的氧化和PC的还原,并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此Cyt b6/f复合体又称PQH2 PC氧还酶。PQH2+2PC(Cu2+)Cyt b6/f,PQ+2PC(Cu+)+2H+跨麓黑就$篇体介导的Mitchell曾提出Q循环的假设：1.还原的PQ为将2个电子中的一 个传给Cytb6/f复合体中的 FeSR再交给Cytf,进而传给 PC,2.与此同时，PQ%又将第二个电 子交给低电位的b 6,并释放2个 H+到膜腔内，电子由低电位的b 6传至高电位的b 6,再将电子传 至PQ。经过两次电子循环后，PQ两次 被还原，双还原的PQ又从膜外 结合两个质子，并将其贮入质 酿库中。(A)第一逆转运 Q循环基质(B)第二逆转运基质(A)First QH2 oxidized(B)Second OH2 oxidizedLUMEN2 H-4.质蓝素质蓝素(pc)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cyt b 6复合体与 PS I之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的 氧化还原变化来传递电子。PS i复合体存在类囊体非堆叠的部分，PSH复合体 存在堆叠部分，而Cyt b6/f比较均匀地分布在膜中,因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。高等植物的PS I由反应中心和LHC I等组成。表65光系统PSI核心复合体的蛋白亚基蛋白多肽基因基因的位置功能-疏水多肽PsaApsaA叶绿体/d反应中心多肽PsaBpsaB叶绿体/eV反应中心多肽PsaGpsaG细胞核/一号 c匚1未知Psalpsal叶绿体 A/i/未知PsaJt PsaMPsaJ 9 psaM叶绿体 A 1 B未知PsaK PsaLPsaK9 psaL细胞核 L/八未知亲水多肽m aQ基质面H 1Ao1PsaCpsaC叶绿体 G 乂FwS脱辅基蛋白PsaDpsaD细胞核 Ik孵nJ/结合铁氧还蛋白PsaEpsaE细胞核N VfcXy1循环电子传递PsaHpsaH细胞核 矣4LHC-1的连接腔面、飞-PsaFpsaF细胞核(pc,结合质蓝索PsaNpsaN细胞核未知PSI反应中心结构触PC-+瓜）A。A】Fx r Fa,Fr的Fe-S中,“图14铁一硫中心的模型左：4铁-4硫型；右：2铁-2硫型Fx、Fa、Fb是PS I中3个铁 硫蛋白，都具有4铁-4硫中心结 构，其中4个硫与蛋白质的4个 半胱氨酸残基连接，它们主要 依4铁-4硫中心中的铁离子的氧 化还原来传递电子。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的蛋白质。A Fd是通过它的2铁-2硫活性中心中的铁离子的氧化还 原传递电子的。FNR含1分子的黄素腺口票吟二核昔酸(FAD),依靠核 黄素的氧化还原来传递田。FNR是光合电子传递链的末端氧化酶，接收Fd传来的电子和基质中的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 Fd也是电子传递的分叉 点。电子从PSI传给Fd 后，Fdred去向：:传给FNR进行非环式电 子传递；:传给Cyt b6/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；2X根据电子传递到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A H2 0f PSIIPQf Cyt b6/fPCPS I FdFNR NADP+4个e-,2个为0 f 1个。2,2个NADP+f 8个光量子f 8个H+NADP+2.环式电子传递(i)psi中环式电子传递:PS I f Fdf PQf Cytb6/ff PCf PS I环式电子传递不发生为0的氧化，也 不形成NADPH，但有H+的跨膜运输，可产 生ATP,每传递一个电子需要吸收一个 光量子。(2)psh中环式电子传递：P680PheoQAQBCytb559P680也有实验指出ps n中环式电子传递为P680f Cytb559f Pheo P6803.假环式电子传递A也叫做梅勒反应(Mehler s reaction)oA 七0一PSIIPQfCytbe/fPC PS I Fd 02A Fd还原+。2-Fd氧化+。2一A超氧花物歧化酶(SOD)A。2-+。2 一+2%2H2()2+。2electron aooepforfiomi ATP.|_ Photosy stem 1光系统1IL+911(O+2H+Ii 廖 ht非环式电子传施二、光合磷酸化光合磷酸化的发现:*1954 f Arnon等发现向菠菜叶绿体加入 ADP、Pi和NADP+,在光下不加入CO2时,在体系中有ATP和NADPH产生。完整叶绿体破碎黄色上清液 含暗反应的酶离心I绿色上清液ADP、A和ATP 和 NADPHNADP+71概念光合磷酸化：A光下在叶绿体（或载色体）中发生的由ADP与Pi合成 ATP的反应(-)光合磷酸化的类型工.非环式光合磷酸化与非环式电子传递偶联产生ATP的反应。2NADP+3ADP+3Pi 8h叶绿体,2NADPH+3ATP+02+2H+6H20在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成ATP外，同时还有NADPH的产生和氧的释放。含有基粒片层的放氧生物所特有，在光合磷酸化中占主要地位。2.环式光合磷酸化与环式电子传递偶联产生ATP的反应。ADP+Pi 光叶绿体 ATP+H20非光合放氧痛超能转换的唯一形式，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不足的作用。光季绕1环式电子传递743.假环式光合磷酸化与假环式电子传递偶联产生ATP的反应既放氧又吸氧。H20+ADP+Pi ATP+0：+4H+02211光系统i，02：SOD t 八 一-*11202+02Photosystem II光系统n（二）光合磷酸化的机理1.光合磷酸化与电子传递的关系一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,光合磷酸化就会停止;在偶联磷酸化时，电子传递则会加快，所以在体系中加入磷 化底物会促进电子的传递和氧的释放。（解偶联:发生电子传递而不伴随磷酸化作用）1磷酸化和电子传递的关系偶联可用ATP/e 2或P/0来表示。ATP/e 2:表示每对电子通过光合电子传递链而形成的ATP分子数P/0：表示光反应中每释放1个氧原子所能形成的ATP分子数。比 值越大，表示磷酸化与电子传递偶联越紧密。772.光合磷酸化的机理中间产物学说变构学说化学渗透学说Chemiosmotic Model化学渗透学说0+2HIntermembrane.pace膜腔基质质子动力ATPATPpH(inside alkaline)nyn thesisjA driven by proton*motiveforceElectrical poLontinl(inside neffntive)化学渗透学说(chemiosmotic theory)由英国的米切尔(Mitchell 1961)提出，春蟹 mrannm则叽u则则ADP ADP 暇 se该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：。由磷脂和蛋白构成的膜对离子和质子的透过具有选择性。具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜上*膜上有偶联电子传递的质子转移系统*膜上有转移质子的ATP酶在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：光合电子传递链的电 子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力(proton motive force,pmf),并由质子动力推动AT P的合成。许多实验都证实了这一学说的正确性。80化学渗透学说的实验证据两阶段光合磷酸化实验指光合磷酸化可以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的实验。1962年，中国的沈允钢等人，用此实验探测到光合磷酸化高能态(Z*)的存在。1963年贾格道夫(Jagendorf)等也观察到了光合磷酸化高能态的存在。起初认为Z*是一种化学物质，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的用电化学势。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的H+电化学势，暗中利用H+电化学势将加入的ADP与Pi 合 ATP。A贾格道夫等(1963)在暗中把叶绿体的类囊体放在pH4的弱酸 性溶液中平衡，让类囊体膜腔的p H下降至4,然后加进pH8和 含有ADP和Pi的缓冲溶液，这样瞬间的pH变化使得类囊体膜内 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 成的类曩体内外的pH差在活体 中正是由光合电子传递和H+转 运所形成的。这一酸-碱磷酸化实验给化学 渗透假说以最重要的支持证据。AN ARTIFICIALLY IMPOSED pH GRADIENT DRIVES ATP SYNTHESISIf you have ADP+inorganic phosphate(Pi),and isolated mitochondria,and chloroplsts,how does one make ATP?光下类曩体吸收质子的实验对无pH缓冲液的叶绿体悬浮液照 光，用PH计可测到悬浮液的pH升 高。这是由于光合电子传递引起 了悬浮液中质子向类曩体膜腔运 输，使得膜内甲浓度高而膜外较 低的缘故。电子传递产生了质子梯度后，质 子就有反向跨膜转移的趋向，质 子反向转移时，质子梯度所贮藏 的能量就被用去合成ATP。以上实验都证实了米切尔的化学 渗透学说的正确性，因而米切尔 获得了 1978年度的诺贝尔化学奖。A e 传递与中向膜内的运转，还会引起类曩体膜的电势变化，从 而产生H+电化学势差(A u H+)(kJ-mol-1)：A uH+=u H+内-u H+外=2.3RT A pH+F A E式中R一气体常数，T 绝对温度(K),F法拉第常数，A E膜 电势(V)25 时 f A uH+=5.7 A pH+96.5AE将两边用户(96.5kJ mol t V-i)除，规定 u H+/F为质子动 力，其单位为电势(V)。在25时：pmf-0.059 A pH+A E-质子动力大部分是来自 PH部分AE?叶绿体类囊体膜上ATP的生成线粒体 Mitochondrion 口卜绿体 ChloroplastATP生成示意图线粒体结构Mitochondrion structure863.ATP合成的部 位ATPBS ATP酶(ATPase)又叫ATP合成酶，也称偶联因子或CFrCF。复合体。质子反向转移和合成ATP是在ATP酶上进行的。叶绿体的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A合成ATPA水解ATPH+transport orientation?CFi的分子量约400000 f它含有a,8,丫，8和 5种亚基。a：P：y：6：e=3:3:1:1:1:突出于膜表面:亲水性Lumen:埋置于膜中 CFo:疏水性含有四个亚基：I、n、m和 IV。III是多聚体，可能含有15个 多肽。质子泄漏：类囊体膜失去CFi后。加进CF。的抑制剂后，就停止了。表明CF。是质子的通道，供 应质子给CH去合成ATP。ADP+CFi如何利用H+越膜所释放的能量来合成ATP?结合转化机制的变构学说，由Paul Boyer提出ADP+,结合转化机制的变构学说ATP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的三个过程(见图)。该学说认为，在ATP形成过程中，与 ATP合成酶的3个B亚基各具一定的构象,(RTAtp 合成的结合转化机制Y-亚基的转动引起B亚基的构最依紧就5、松驰(L)和开放(0)的顺序变化，完 成ADP和Pi的结合.ATP的形成以及ATP的释放三个过程。构象的相互依次转化是和质子的通过引起Y亚基的旋转相偶 联的。当质子顺质子电化学梯度流过Fo,使Y亚基转动，Y亚 基的转动引起B亚基的构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(0)的顺 序改变，使ATP得以合成并从复合体上释放。ADP+0具体说，ADP和Pi与开放状态的B亚基结合；在质子流的推动下Y亚基的转动使B亚基转变为松驰状态并在较少能量变化情况下，ADP和Pi自发地形成ATP,再进一步转变为紧绷状 态；B亚基继续变构成松驰状态，使ATP的释放，并可以再次 结合ADP和Pi进行下一轮的ATP合成。在ATP合成的整个过程中,能量消耗的步骤主要在ATP的释放，而不是ATP的合成。按照Boyer的结合改变机理或旋转理论，CF1的3个亚基应 是均等地参与催化反应。但有人对此持有不同看法，并已发现 了一些CF1的3个亚基不是均等地参与催化反应的证据，于是提 出了非旋转的2点催化机理与之抗争。深信这些争论将会进一 步促进ATP合酶结构功能研究的深入和发展。PSII Cyt b/PSI ATP synthase4.光合磷酸化的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；有活性的ATP酶。破坏R三个条件之二的试剂都能使光合磷酸化中止,这些试剂-光合磷酸化的抑制剂。抑制剂类型A(1)电子传递抑制剂指抑制光合电子传递的试剂，如羟胺(NH2OH)切断水到psii的电子流，DCMU抑制从PSII上的Qb到PQ的电子传递；KCN 和Hg等则抑制PC的氧化。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抑制剂类型解偶联剂指解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。DNP（二硝基酚）.CCCP（carbonyl cyanide-3-chlorophenyl hydrazone,俄基氟-3-氯苯腺）、短杆菌肽D、尼日利亚菌素.NH+4等，增加类囊体膜对质子的透性或增加偶联因子渗漏 质子的能力，其结果是消除了跨膜的用电化学势，而电子传递仍可进行，甚至速度更快，但磷酸化作用不再进行。95抑制剂类型(3)能量传递抑制剂指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB)作用于CFi,寡霉素作用于CF(CF。下标的。就是 表明其对寡霉素。ligomycin敏感)。它们都抑制 了 ATP酶活性从而阻断光合磷酸化。96光合电子传递链的三种抑制剂DCMU、DBMIB和百草枯的化学结构。百草枯（一种除草剂）h2oH2O2叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点。DCMU和DBMIB阻止电子传递反应，而还原态的百草枯自动氧化为基本离子，导致超氧和其他活性氧种类的形成。三.光反应中的光能转化效率光能转化效率是指光合产物中所贮存的化学能占光合作用所吸收的有效辐射能 的百分率。光反应中，植物把光能转变成化学能贮藏在ATP和NADPH中。A每形成linol ATP需要约50kJ能量，每形成lmol NADPH便有2mol e-从 0.82V(10/()2氧化还原电位)上升到o.32V(NADPH电位)。这一过程的自由能变化为 G=-nFE=-2x96.5x(-0.32-0.82)=220kJ如果按非环式电子传递，每吸收81noi光量子形成2moiNADPH和3moiATP来考虑，在光反应中吸收的能量按680nm波长的光计算，则81noi光量子的能量(E2)为E2=hNC/X x8=6.626x10-34 0 x 1 0-9m)x8=1410kJ J sx6.023x 1 0 2 3 x(3.0 xl08m s-1/6 88 mol光子可转化成的化学能(Ei)(2molNADPH和3moiATP)E 1=220kJ x 2+50kJ x 3=590kJA能量转化率=(光反应贮存的化 学能/吸收的光能)=E1/E2=590kJ/1410kJ0.42=42%