2第三章 植物的光合作用

1.自(动)催化作用
植物同化CO2 速率，很大程度上决定于 光合碳还原循环的运转状态，以及光合 中间产物的数量。 在C3途径中存在一种自动调节RuBP浓度 的机制，即在RuBP含量低时，最初同化 CO2 形成的磷酸丙糖不输出循环，而用 于RuBP的增生，以加快CO2 固定速率， 待光合碳还原循环到达“稳态”时，形 成的磷酸丙糖再输出。
Ru5P.核酮糖-5-磷酸； G6P.葡萄糖-6磷酸； TPP.硫胺焦磷酸； TPP-C2.TPP 羟基乙醛 参与反应的酶：(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)； (2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)； (3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶； (4)丙糖磷酸异构酶； (5)(8)醛缩酶； (6)果糖-1,6-二磷 酸(酯)酶(FBPase)； (7)(10)(12)转酮酶； (9)景天庚酮糖1，7-二磷酸(酯)酶(SBPase)； (11)核酮糖-5-磷酸表异构酶； (13)核糖-5-磷酸异构酶； (14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)
当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。
(3)再生阶段
指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程 5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+ 这里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反应。 最后由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP， 再形成RuBP。
将样品进行双向纸层析
(3)鉴定分离物 采用放射自显影技术，鉴 定被 14CO2 标记的产物并测定其 相对数量。 (4)设计循环图
根据所显示的结果，即短
时 间 内 (5 秒 ， 最 终 到 0.5 秒
钟)14C标记物首先出现在3-磷
酸甘油酸(PGA)上，说明PGA是 光合作用的最初产物。
用纸层析和放射自显影技术 追踪被14CO2标记的产物
再
2.能量转化效率
光合产物中所贮存的化学能占消 耗同化力中贮能的百分率。
同化3个CO2形成1个磷酸丙糖为例:
每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个 NADPH。在标准状态下每形成1mol GAP 贮能1460 kJ，每水解1mol ATP放能32 kJ， 每氧化1mol NADPH放能220 kJ
2.光调节作用
光除了通过光反应对CO2 同化提供同化力外，还调节 着光合酶的活性。C3循环中 的Rubisco、PGAK、GAPDH、 FBPase,SBPase,Ru5PK都是光 调节酶(图中打圈处)。 光下酶活性提高，暗中 活性降低或丧失。 光对酶活性的调节大体 可分为两种情况： 通过改变微环境调节 通过产生效应物调节
则C3途径的能量转化效率为1460/(32×9+220×6)= 91%
这是一个很高的值。然而在生理状态下，各种化合物的活度低于1.0， 与上述的标准状态有差异，另外，要维持C3光合还原循环的正常运转， 其本身也要消耗能量，因而一般认为，C3 途径中能量的转化效率在 80%左右。
(二) C3途径的调节
Байду номын сангаас
这种调节RuBP等光合中间产物含 量 ， 使 同 化 CO2 速 率 处 于 某 一 “稳态”的机制，称为C3 途径的 自(动)催化作用。
C3途径的自(动)催化作用示意图
15个RuBP固定15个CO2，可再生18 个RuBP，即产生3个额外RuBP(实线)， 当到达“稳态”时产生5个TP(磷酸
丙糖)输出(虚线)
藻类不仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还 可在试验所要求的时间内快速地杀死。
试验分以下几步进行：
(1)饲喂14CO2与定时取样
向正在进行光合作用的藻液中
注入14CO2使藻类与 14CO2接触，每隔 一定时间取样，并立即杀死。
H14CO3-+H＋→14CO2+H2O
(2)浓缩样品与层析
这个酶的合成量可能是地球上合成的蛋白质中 最多的，需要两个基因组的表达并需要三个亚细胞 参与：细胞核，细胞溶质和叶绿体。
Rubisco被认为普 遍存在的蛋白质构成 了叶绿体基质蛋白质 的一半。
(Rubisco)核酮糖-1,5二磷酸羧化酶/加氧酶具有 双重功能，既能使RuBP与 CO2起羧化反应，推动C3 碳循环，又能使RuBP与O2 起加氧反应而引起C2氧化 循环即光呼吸。
(1)微环境调节
光驱动的电子传 递 使 H+ 向 类 囊 体 腔 转 移 ， Mg2+ 则 从 类 囊 体 腔转移至基质，引起叶 绿体基质的pH从7上升 到8，Mg2+浓度增加。
Mg2+浓度增加
RUBISCO大亚基的三维结构
其催化活性要依靠大、 小亚基的共同存在才能 实现。 Rubisco约占叶 绿体可溶性蛋白的50%， 因此它也是自然界中最 丰富的蛋白质。
5-二磷酸核酮糖羧化酶分子晶体点阵的排列 晶体点阵：一种由晶体的原子、分子或离子 在空间各点所作的几何排列
植物Rubisco的合成、加工和组装
植物的光合作用2
第五节
光合作用过程3 碳 同 化
植物利用光反应 中形成的NADPH和ATP 将CO2转化成稳定的碳 水化合物的过程，称
为CO2同化或碳同化
类囊体
基质
根据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以 及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类：C3途径、
C4途径和CAM(景天科酸代谢)途径。
一.C3途径
光合碳还原循环
代谢产物名：RuBP.核酮糖1,5二磷
酸； PGA.3-磷酸甘油酸； BPGA.1，3 二磷酸甘油酸； GAP.甘油醛-3-磷酸； DHAP.二羟丙酮磷酸； FBP.果糖-1，6-
二磷酸； F6P.果糖-6-磷酸； E4P.赤藓
糖-4-磷酸； SBP.景天庚酮糖-1,7-二磷 酸； S7P.景天庚酮糖-7-磷酸； R5P.核 糖-5-磷酸； Xu5P.木酮糖-5-磷酸；
(一) C３途径的反应过程
1.过程 2.能量转化效率
(二) C3途径的调节
1.自(动)催化作用 2.光调节作用 3.光合产物输出速率的调节
一.C3途径
糖和淀粉等碳水化合物是光合作用的产物，这在100多年前就知道了，但其中的反应步骤和中间 产物用一般的化学方法是难以测定的。因为植物体内原本就有很多种含碳化合物，无法辨认哪些是光合 作用当时制造的，哪些是原来就有的。况且光合中间产物量很少，转化极快，难以捕捉。
在结构中四个可见 圆形突出的每一个 都包含一个大亚基 和一个小亚基。小 亚基以红色，大亚 基以蓝色和绿色表 示（L8S8）。
Rubisco（L8S8）结构
Rubisco的结构
1.Rubisco包含16个蛋白亚基：8个 小亚基（SSU）和8个大亚基 （LSU）。SSU的基因rbcS存在于 核中，而LSU的 rbcL基因是由质编 码的。
光调节酶
(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)； (2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK) (3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH) (6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase) (9)景天庚酮糖1,7-二磷酸(酯)酶(SBPase) (14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)
1946 年 ， 美 国 加 州 大 学 放 射 化 学 实 验 室 的 卡 尔 文 (M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术： (1)14C同位素标记与测定技术 可排除原先存在于细胞里 的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的 (2)双向纸层析技术 能把光合产物分开 选用小球藻等单细胞的藻类材料
基反应。首先钝化型酶的ε-NH2 与CO2(起活化的CO2 不是底物 CO2)作用，形成氨基甲酰化合物(E-NH· COO － )，它与Mg2+ 作 用形成活化型的酶(E-NH· COO· 2+,也称三元复合体ECM)， Mg 然后底物RuBP和CO2再依次结合到活化型酶上进行羧化反应：
Rubisco只有 先与CO2、Mg2+ 作用才能成为 活化型的ECM， 如果先与 RuBP(或RuBP 类似物)结合， 就会成为非活 化型的E-RuBP。
(一) C３途径的 反应过程
C ３ 途径是光合碳代谢 中最基本的循环，是所有 放氧光合生物所共有的同 化CO2的途径。 整个循环如图所示， 由RuBP开始至RuBP再生 结束，共有14步反应，均 在叶绿体的基质中进行。 全过程分为羧化、还 原、再生3个阶段。
一分子C02固定需要消耗2分子 NADPH和3分子ATP
(2)还原阶段
指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过程 6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H+→→6GAP+6ADP+6NADP+ + 6Pi 有两步反应：磷酸化和还原。磷酸化反应由3-磷酸甘油酸激酶催化：
羧化反应产生的PGA是一种有机酸，要达到糖的能级，必须使用光反应中 生成的同化力，ATP与NADPH能使PGA的羧基转变成GAP的醛基。
C3途径的总反应式
3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+
可见，每同化1个CO2 需要消耗3 个ATP和2个NADPH，还原3个CO2 可 输出1个磷酸丙糖(GAP或DHAP) 固定6个CO2 可形成1个磷酸己糖 (G6P或F6P)。 形成的磷酸丙糖可运出叶绿体， 在细胞质中合成蔗糖或参与其它 反应； 形成的磷酸己糖则留在叶绿体 中转化成淀粉而被临时贮藏。
发生氨甲酰化，然
后与CO2和Mg2+结合 形成ECM,促进RuBP 的羧化。
三元复合体ECM
Rubisco活化酶活化Rubisco的假说图解