第八章叶绿体和光合作用.doc

第八章叶绿体和光合作用
1. 叶绿体是怎样形成的? 与其他质体的主要差异是什么?
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。
2. 什么是交换载体? 运输时有什么特点?
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。
3. 叶绿体基质与线粒体基质有什么不同?
答: 主要表现在组成和功能上不同:
在电子显微镜下观察可见到叶绿体基质中有一些细微颗粒, 其中最多的是淀粉颗粒。这种颗粒是用于储存光合作用所产生的碳水化合物；另外还有一些含脂的沉积物称为质体小球(plastoglobuli)，这种小球的产生同类囊体的破裂有关，当新类囊体形成时，老的类囊体破裂,可减少类囊体的数量和体积，由此可以推测质体小球可作为类囊体脂的储备库。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, 叶绿体基质中还含有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。
线粒体基质中主要参是参与TCA循环的酶类，功能是进行TCA循环。
4. 举例说明叶绿体基质蛋白定位的机理与特点。
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。
5. 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: 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(2500÷8≈300)，
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。
6. 光系统是怎样将光能转变成化学能?
答: 光能转变成化学能包括光的吸收、光能的传递和转变等三个主要过程。
首先由光系统中的捕光复合物通过聚光色素吸收光子,使叶绿素分子由基态变为激发态，并通过共振机制极其迅速地相互传递，最后传给反应中心的一对特殊的叶绿素分子a, 这一对叶绿素分子与作为电子供体和受体的蛋白质紧紧地结合在一起。叶绿素a被激发成激发态, 同时放出电子给原初电子受体(primary electron receptor), 此时叶绿素a被氧化成带正电荷的氧化态, 而受体被还原成带负电荷的还原型受体。氧化态的叶绿素a又可从原初电子供体处获得电子而恢复为原来的还原状态, 原初电子供体则被氧化成氧化态, 这样不断地氧化还原, 就不断地把电子传递给原初电子受体, 原初电子受体将高能电子释放进入电子传递链，完成了光能转化为化能的过程。
7. 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?
答: 光合作用电子传递链(photosynthetic electron transfer chain)也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。但二者不同的是，线粒体呼吸链中的载体位于内膜，将NADH和FADH2的电子传递给氧，释放出的能量用于ATP的合成；而光合作用的电子载体位于类囊体膜上，将来自于水的电子传递给NADP+，并且这是一个吸热的过程而不是放热的过程。
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、黄素蛋白和醌等构成。
8. PSⅡ是怎样进行光能吸收、转换和电子传递的?
答: 光系统Ⅱ含有两个捕光复合物和一个光反应中心。首先LHCⅡ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PSⅡ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,PSⅡ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。
9. 水光解中释放的四个电子是如何被传递的?
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PSⅡ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,PSⅡ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, PSⅡ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PSⅡ的P680,再从P680传递给QB的路线综合如下:
H2O→Mn→P680→脱镁叶绿素(Pheo)→QA→QB。
10. PSⅠ是怎样进行电子传递的?
答: PSⅠ的LCHⅠ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、FBā。在PSⅠ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。PSⅠ参与的电子传递路线是:
质体蓝素(Cu2+)→P700→:A0→A1→FeSx→FeSA→FeSB →铁氧还蛋白
11. 什么是非循环式电子传递?可分为几个阶段?
答: 在这种方式中,电子从水开始,经PSⅡ、质体Q、PC、复合物b6/f、PSⅠ、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:①电子从PSⅡ的P680传递给PQ,生成PQH2；②水光解释放的电子经Mn传递给PSⅡ的P680+；③电子从PQH2经复合物b6/f传递给质体蓝素(PC),即电子从PSⅡ传递给PSⅠ；④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。
12. 什么是循环式电子传递? 对光合作用有什么意义?
答: 在循环式电子传递途径中,被传递的电子经PSⅠ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PSⅠ,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。
13.在光合作用的光反应中, 类囊体膜两侧的H+质子梯度是如何建立的?
答: 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:①首先是水的光解,在释放4个电子、一分子O2的同时,释放4个H+。水的裂解是在类囊体的腔中进行的,所以水的裂解导致类囊体腔中H+浓度的增加；②Cyt b6/f复合物具有质子泵的作用,当P680将电子传递给PQ时,从基质中摄取了两个H+,形成PQH2,传递四个电子,则要从基质中摄取四个H+。当PQH2将电子传递给Cyt b6/f复合物时,两分子PQH2的四个H+全被泵入类囊体的腔,叶绿体腔中H+浓度降低的同时,类囊体腔中H+浓度进一步提高；③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.其结果使类囊体膜两侧建立了H+质子电化学梯度。
14. 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: 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10～20%，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。
15. 什么是光呼吸?它对植物的光合作用有什么影响?
答: 光呼吸是一种依靠光来消耗O2,放出CO2的作用。在光存在下,光呼吸降低了光合作用的效率,因为光呼吸要氧化光合作用中产生的还原型的碳原子,同时消耗了大量的能量。
Rubisco除了作为羧化酶催化将CO2添加到核酮糖1,5二磷酸,生成两分子3-磷酸甘油酸外,也可作为加氧酶,利用分子氧催化核酮糖1,5二磷酸裂解成3-磷酸甘油和磷酸乙醇酸。
由于磷酸乙醇酸不能被卡尔文循环利用,所以是碳同化的废物。磷酸乙醇酸合成,不仅浪费能源和碳源, 而且磷酸乙醇酸的积累可能杀死植物本身,因为这种物质能够抑制丙糖磷酸异构酶(triose-phosphate isomerase)的活性,从而破坏了叶绿体基质中甘油醛-3-磷酸与二羟丙酮(dihydroxyacetone)的平衡。
Rubisco同氧的亲和力比与二氧化碳的亲和力低得多,所以RuBP的氧化反应要比羧化反应慢。可以推测,一般情况下这种氧化作用构不成威胁，但是当CO2的浓度很低而O2的浓度很高时,O2就要取代CO2作为Rubisco的底物。将叶或藻类细胞置于低比值的CO2/O2气体环境中,发现RuBP每发生2～3个羧化反应就要发生一次氧化反应,严重影响光合作用的效率。
生活在地球的某些环境下的植物往往会受到这种影响。如生活在因强烈光照导致炎热和干旱地区的植物叶绿体中容易发生RuBP的氧化作用,因为这种环境会使叶绿体基质中CO2/O2的比值降低。虽然温度的升高,CO2、O2的溶解性都会降低,但CO2的溶解性下降更快,其结果导致基质中CO2/O2比值的降低。另外,生活在干旱地区的植物,为了防止水分蒸发,会关闭气孔,CO2就不能进入叶中,没有稳定的CO2供给同化作用,叶细胞中的CO2的浓度进一步下降。但是,叶绿体中水的光解继续进行,由于释放的O2不能扩散出叶,使得细胞内O2的浓度不断增加,进而严重影响光合作用。因此这些植物通过光呼吸来提高CO2的浓度，从而提高光合作用的效率。
16. 什么是CAM植物?它是如何提高CO2固定效率的?
17. 请列表比较线粒体和叶绿体的膜和区室在结构组成和功能上的差异。
答: 线粒体和叶绿体的膜和区室在结构组成和功能上都有所不同,如线粒体内膜除了作为线粒体界膜之外,主要功能是电子传递和合成ATP。从结构上看,线粒体内膜向内折叠成嵴, ATP合酶位于嵴上。而叶绿体的内膜只是稍向内折形成小管或小泡结构,且表面光滑。叶绿体内膜是脂合成的场所,是叶绿体的界膜。线粒体、叶绿体膜和区室的主要结构和功能特征列于表8Q-1。
表8Q-1 线粒体与叶绿体膜和区室的结构域功能比较
膜或区室 线粒体 叶绿体
外膜 标志酶:单胺氧化酶 　
　 厚5.5nm, 通透性强，有孔蛋白 厚7nm, 通透性强,有孔蛋白
内膜 标志酶:细胞色素氧化酶 　
　 蛋白质:脂 = 0.7 蛋白质:脂 = 0.9
　 通透性差 通透性差
　 向内折成嵴 稍向内折成管状或小泡状
　 内表面有ATP合酶颗粒 内表面光滑
　 有各种类型的运输蛋白 仅仅是运输交换蛋白
　 是电子传递和氧化磷酸化部位 是脂合成的部位
类囊体膜 无 光反应的部位
　 　 外表面有CF1-ATP,光合磷酸化部位
膜间隙 标志酶: 腺苷酸激酶 　
　 建立H+质子梯度 　
基质 含有各种酶系、mtDNA、核糖体 含有一些酶、ctDNA、核糖体、
　 tRNA和蛋白质表达因子 tRNA和蛋白质表达因子
　 TCA循环场所 卡尔文循环场所
类囊体腔 无 建立H+质子梯度
　 　 水的光解
18. 请列表比较氧化磷酸化与光合磷酸化。
答: 二者的差异列表比较如下:
表8Q-2 氧化磷酸化与光合磷酸化的比较
氧化磷酸化 光合磷酸化
细胞器 线粒体 叶绿体
定位 线粒体内膜 类囊体膜
电子传递系统 呼吸链 PSI、PSII
电子供体 NADH或FADH H2O的光解
电子终受体 1/2 O2 NADP+
传递电子对 1 对 1 对
造成的H+质子浓度差 膜间隙(高)/基质(低) 类囊体腔(高)/基质(低)
电子跨膜次数 3次 2次
偶联因子 F1-F0 ?CATP酶 CF1-CF0 -ATP酶
机理 化学渗透 化学渗透
偶联因子定位取向 向内朝向基质 向外朝向基质
H+质子流向 向外流向膜间隙 向内流向类囊体腔
产生ATP所需的H+ 2个H+ 3个H+