第三章植物的光合作用第一節光合作用的重要性1.把無機物變成有機物約合成5千億噸/年有機物“綠色工廠”吸收2千億噸/年碳素(6400t/s)2.蓄積太陽能量

將3.2×1021J/年的光能轉化為化學能3.環境保護釋放出5.35千億噸氧氣/年“環保天使”光合作用是生物界獲得能量、食物和氧氣的根本途徑，光合作用是“地球上最重要的化學反應”問題：為什么沒有光合作用也就沒有繁榮的生物世界？CO２+H２O→(CH２O)＋O２

(△G=478kJ/mol)44183032重量比

因此深入探討光合作用的規律，揭示光合作用的機理，使之更好地為人類服務，愈加顯得重要和迫切。

人類面臨四大問題人口急增食物不足資源匱乏環境惡化依賴光合生產第二節葉綠體及葉綠體色素一、葉綠體的結構和成分1.發育高等植物的葉綠體由前質體發育而來。當莖端分生組織形成葉原基時，前質體的雙層膜中的內膜在若干處內折并伸入基質擴展增大，在光照下逐漸排列成片，并脫離內膜形成類囊體，同時合成葉綠素，使前質體發育成葉綠體。1.發育

2.形態

3.分布

4.運動5.結構高等植物的葉綠體大多呈扁平橢圓形，每個細胞中葉綠體的大小與數目依植物種類、組織類型以及發育階段而異。一個葉肉細胞中約有20至數百個葉綠體，其長3～6μm，厚2～3μm。水稻葉綠體玉米葉綠體1.發育

2.形態3.分布

4.運動5.結構葉肉細胞中的葉綠體較多分布在與空氣接觸的質膜旁，在與非綠色細胞(如表皮細胞和維管束細胞)相鄰處，通常見不到葉綠體。有利于葉綠體同外界進行氣體交換。葉綠體1.發育

2.形態

3.分布

4.運動5.結構隨原生質環流運動隨光照的方向和強度而運動。在弱光下，葉綠體以扁平的一面向光；在強光下，葉綠體的扁平面與光照方向平行。葉綠體隨光照的方向和強度而運動側視圖俯視圖5.結構葉綠體被膜基質(間質)類囊體(片層)1).葉綠體被膜內膜

磷脂和蛋白的比值是0.8（w/w）密度大(1.13g/ml),選擇透性膜。CO2、O2、H2O可自由通過；Pi、磷酸丙糖、雙羧酸、甘氨酸等需經膜上的運轉器才能通過；蔗糖、C5、C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物質則不能通過。由兩層單位膜組成，兩膜間距5～10nm。被膜上無葉綠素.主要功能是控制物質的進出，維持光合作用的微環境。

膜對物質的透性受膜成分和結構的影響。膜中蛋白質含量高，物質透膜的受控程度大。

外膜

磷脂和蛋白的比值是3.0(w/w)。密度小(1.08g/ml)，非選擇性膜。分子量小于10000的物質如蔗糖、核酸、無機鹽等能自由通過。2).基質及內含物基質中能進行多種多樣復雜的生化反應含有還原CO2(Rubisco1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶)與合成淀粉的全部酶系——碳同化場所

含有氨基酸、蛋白質、DNA、RNA、還原亞硝酸鹽和硫酸鹽的酶類以及參與這些反應的底物與產物——N代謝場所基質：被膜以內的基礎物質。以水為主體，含多種離子、低分子有機物、可溶性蛋白質等。基質是淀粉和脂類等物的貯藏庫脂類(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(葉綠素類、細胞色素類)和萜類(類胡蘿卜素、葉醇)等物質及其合成和降解的酶類——脂、色素等代謝場所——淀粉粒與質體小球增將照光的葉片研磨成勻漿離心，沉淀在離心管底部的白色顆粒就是淀粉粒。質體小球又稱脂質球或親鋨顆粒，在葉片衰老時葉綠體中的膜系統會解體，此時葉綠體中的質體小球也隨之增多大。

3）.類囊體

玉米由單層膜圍起的扁平小囊。膜厚度5～7nm，囊腔空間為10nm左右，片層伸展的方向為葉綠體的長軸方向類囊體分為二類：基質類囊體

又稱基質片層，伸展在基質中彼此不重疊；基粒類囊體或稱基粒片層，可自身或與基質類囊體重疊，組成基粒。1.膜的堆疊意味著捕獲光能機構高度密集,更有效地收集光能。2.膜系統常是酶排列的支架，膜的堆疊易構成代謝的連接帶，使代謝高效地進行。類囊體片層堆疊成基粒是高等植物細胞所特有的膜結構,它有利于光合作用的進行。類囊體片層堆疊的生理意義類囊體膜上的蛋白復合體蛋白復合體：由多種亞基、多種成分組成的復合體。主要有四類：即光系統Ⅰ（PSI）、光系統Ⅱ（PSⅡ）、Cytb６/f復合體和ATP酶復合體（ATPase）。類囊體膜的蛋白質復合體參與了光能吸收、傳遞與轉化、電子傳遞、H+輸送以及ATP合成等反應。由于光合作用的光反應是在類囊體膜上進行的，所以稱類囊體膜為光合膜。二、光合色素的化學特性在光合作用的反應中吸收光能的色素稱為光合色素圖5主要光合色素的結構式藻類葉綠素類胡蘿卜素藻膽素——高等植物共同特點：分子內具有許多共軛雙鍵，能捕獲光能，捕獲光能能在分子間傳遞。(一)葉綠素葉綠素是雙羧酸的酯，一個羧基被甲醇所酯化，另一個被葉綠醇所酯化。葉綠素a比b多兩個氫少一個氧。兩者結構上的差別僅在于葉綠素a的第Ⅱ吡咯環上一個甲基(－CH3)被醛基(－CHO)所取代。葉綠素結構含有由中心原子Mg連接四個吡咯環的卟林環結構和一個使分子具有疏性的長碳氫鏈。葉綠素a葉綠素b葉綠素c葉綠素d高等植物藻類中細菌葉綠素——光合細菌葉綠素分子含有一個卟啉環的“頭部”和一個葉綠醇(植醇)的“尾巴”。卟啉環由四個吡咯環與四個甲烯基(－CH＝)連接而成。卟啉環的中央絡合著一個鎂原子，鎂偏向帶正電荷，與其相聯的氮原子帶負電荷，因而“頭部”有極性。*環IV上的丙酸側鏈以酯鍵與葉綠醇相結合，葉綠醇是由四個異戊二烯單位所組成的雙萜，具有親脂性。卟啉環上的共軛雙鍵和中央鎂原子容易被光激發而引起電子的得失，決定了葉綠素具有特殊的光化學性質。葉綠醇卟啉環葉綠素是一種酯，因此不溶于水。通常用含有少量水的有機溶劑如80％的丙酮，或者95%乙醇，或丙酮∶乙醇∶水＝4.5∶4.5∶1的混合液來提取葉片中的葉綠素，用于測定葉綠素含量。葉綠素的提取研磨法提取光合色素提取方法研磨法浸提法0.1g葉+10ml混合液浸提之所以要用含有水的有機溶劑提取葉綠素，這是因為葉綠素與蛋白質結合牢，需要經過水解作用才能被提取出來。卟啉環中的鎂可被H+所置換,即形成褐色的去鎂葉綠素。去鎂葉綠素中的H＋再被Cu2+取代，就形成銅代葉綠素，顏色比原來的葉綠素更鮮艷穩定。根據這一原理可用醋酸銅處理來保存綠色標本。銅代葉綠素反應向葉綠素溶液中放入兩滴5％鹽酸搖勻，溶液顏色的變為褐色，形成去鎂葉綠素。當溶液變褐色后，投入醋酸銅粉末，微微加熱，形成銅代葉綠素制作綠色標本方法：

用50%醋酸溶液配制的飽和醋酸銅溶液浸漬植物標本(處理時可加熱)（二）類胡蘿卜素(carotenoid)

由8個異戊二烯形成的四萜，含有一系列的共軛雙鍵，分子的兩端各有一個不飽和的取代的環己烯，也即紫羅蘭酮環，類胡蘿卜素包括胡蘿卜素(C40H56)和葉黃素(C40H56O2)兩種。3(紫羅蘭酮環)環己烯橙黃色黃色胡蘿卜素(carotene)呈橙黃色，有α、β、γ三種同分異構體，其中以β-胡蘿卜素在植物體內含量最多。β-胡蘿卜素在動物體內經水解轉變為維生素A。葉黃素(xanthophyll)呈黃色，也叫胡蘿卜醇,通常葉片中葉黃素與胡蘿卜素的含量之比約為2:1。一般來說，葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的比值約為3∶1，所以正常的葉子總呈現綠色。秋天或在不良的環境中，葉片中的葉綠素較易降解，數量減少，而類胡蘿卜素比較穩定，所以葉片呈現黃色。類胡蘿卜素總是和葉綠素一起存在于高等植物的葉綠體中，此外也存在于果實、花冠、花粉、柱頭等器官的有色體中。類胡蘿卜素都不溶于水,而溶于有機溶劑。深秋樹葉變黃是葉中葉綠素降解的緣故1.分光儀將葉綠體色素放在分光儀的光孔前，觀察其色帶變化。2.分光光度計觀察葉綠體色素的吸收光譜3.間接法借助其它相關實驗進行判別三、光合色素的光學特征分光儀光源葉綠體色素三角棱鏡（二）吸收光譜640～660nm的紅光430～450nm的藍紫光葉綠素a在紅光區的吸收峰比葉綠素b的高，藍紫光區的吸收峰則比葉綠素b的低。陽生植物葉片的葉綠素a/b比值約為3∶1，陰生植物的葉綠素a/b比值約為2.3∶1。對橙光、黃光吸收較少，尤以對綠光的吸收最少。葉綠素吸收光譜有兩個強吸收峰區藻藍素的吸收光譜最大值是在橙紅光部分藻紅素則吸收光譜最大值是在綠光部分植物體內不同光合色素對光波的選擇吸收是植物在長期進化中形成的對生態環境的適應，這使植物可利用各種不同波長的光進行光合作用。類胡蘿卜素和藻膽素的吸收光譜類胡蘿卜素吸收帶在400～500nm的藍紫光區基本不吸收黃光，從而呈現黃色。四、葉綠素的形成(一)葉綠素的生物合成參與反應的酶類：(1)膽色素原合成酶；(2)膽色素原脫氨基酶；(3)尿卟啉原Ⅲ合成酶；(4)尿卟啉原Ⅲ脫羧酶；(5)糞卟啉原氧化酶；(6)原卟啉氧化酶；(7)Mg-螯合酶；(8)Mg-原卟啉甲酯轉移酶；(9)Mg-原卟啉甲酯環化酶；(10)乙烯基還原酶；(11)原葉綠素酸酯還原酶；(12)葉綠素合成酶·表示δ-氨基酮戊酸的C-5的去向（二）影響葉綠素形成的條件（1）光：主要條件從原葉綠素酸酯轉變為葉綠酸酯需要光，而光過強，葉綠素又會受光氧化而破壞。黑暗中生長的幼苗呈黃白色，遮光或埋在土中的莖葉也呈黃白色。這種因缺乏某些條件而影響葉綠素形成，使葉子發黃的現象，稱為黃化現象。黑暗使植物黃化的原理常被應用于蔬菜生產中，如韭黃、軟化藥芹、白蘆筍、豆芽菜、蔥白、蒜白、大白菜等生產。

(2)溫度高溫下葉綠素分解大于合成，因而夏天綠葉蔬菜存放不到一天就變黃；相反，溫度較低時，葉綠素解體慢，這也是低溫保鮮的原因之一

葉綠素的生物合成是一系列酶促反應，受溫度影響。葉綠素形成的最低溫度約2℃，最適溫度約30℃,最高溫度約40℃。受凍的油菜秋天葉子變黃和早春寒潮過后秧苗變白，都與低溫抑制葉綠素形成有關。(3)礦質元素

葉綠素的形成必須有一定的營養元素。氮和鎂是葉綠素的組成成分，鐵、錳、銅、鋅等則在葉綠素的生物合成過程中有催化功能或其它間接作用。因此，缺少這些元素時都會引起缺綠癥，其中尤以氮的影響最大，因而葉色的深淺可作為衡量植株體內氮素水平高低的標志。缺N老葉發黃枯死，新葉色淡,生長矮小，根系細長，分枝（蘗）減少。缺NCK蘿卜缺N的植株老葉發黃缺N棉花缺Mg網狀脈蘋果缺Fe新葉脈間失綠黃瓜缺錳葉脈間失綠柑桔缺Zn小葉癥

伴脈間失綠(4)遺傳葉綠素的形成受遺傳因素控制，如水稻、玉米的白化苗以及花卉中的斑葉不能合成葉綠素。有些病毒也能引起斑葉。吊蘭海棠花葉植物體內的葉綠素在代謝過程中一方面合成，一方面分解，在不斷地更新。如環境不適宜，葉綠素的形成就受到影響，而分解過程仍然進行，因而莖葉發黃，光合速率下降。農業生產中，許多栽培措施如施肥，合理密植等的目的就是促進葉綠素的形成，延緩葉綠素的降解，維持作物葉片綠色，使之更多地吸收光能，用于光合作用，生產更多的有機物。第三節光合作用的機制

光合作用的實質是將光能轉變成化學能。根據能量轉變的性質，將光合作用分為三個階段(表1)：1.光能的吸收、傳遞和轉換成電能，主要由原初反應完成；2.電能轉變為活躍化學能，由電子傳遞和光合磷酸化完成；3.活躍的化學能轉變為穩定的化學能，由碳同化完成。表1光合作用中各種能量轉變情況

能量轉變

光能電能活躍的化學能穩定的化學能貯能物質

量子

電子

ATP、NADPH2

碳水化合物等轉變過程

原初反應電子傳遞光合磷酸化碳同化時間跨度(秒)10-15－10-910-10－10-4100－101

101－102反應部位

PSⅠ、PSⅡ顆粒類囊體膜類囊體葉綠體基質是否需光

需光

不一定，但受光促進

不一定，但受光促進一、原初反應原初反應是指光能的吸收傳遞與轉換過程。包括：光物理－光能的吸收、傳遞

光化學－有電子得失

原初反應特點：速度非常快，可在皮秒(ps，10－12s)與納秒(ns，10－9s)內完成；與溫度無關，可在－196℃(77K，液氮溫度)或－271℃(2K，液氦溫度)下進行；量子效率接近1

由于速度快，散失的能量少，所以其量子效率接近1

。反應中心色素：少數特殊狀態的chla分子，它具有光化學活性，是光能的“捕捉器”、“轉換器”。聚光色素（天線色素）：沒有光化學活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla和全部chlb、胡蘿卜素、葉黃素。概念葉綠素分子受光激發后的能級變化葉綠素在可見光部分有二個吸收區：紅光區與藍光區。如果葉綠素分子被藍光激發，電子就躍遷到能量較高的第二單線態；如果被紅光激發，電子則躍遷到能量較低的第一單線態。處于單線態的電子，其自旋方向保持原有狀態，即配對電子的自旋方向相反。如果電子在激發或退激過程中，其自旋方向發生了變化，使原配對的電子自旋方向相同，那么該電子就進入了能級較單線態低的三線態。圖8葉綠素分子對光的吸收及能量的釋放示意圖

虛線表示吸收光子后所產生的電子躍遷或發光，實線表示能量的釋放，半箭頭表示電子自旋方向

1、光能的吸收與傳遞

1)激發態的命運激發態是不穩定的狀態，很快就會發生能量的轉變，轉變的方式有以下幾種：①放熱

Chl*在能級降低時以熱的形式釋放能量，此過程又稱內轉換或無輻射退激。1、光能的吸收與傳遞②熒光與磷光現象

激發態的葉綠素分子回至基態時，可以光子形式釋放能量。處在第一單線態的葉綠素分子回至基態時所發出的光稱為熒光。而處在三線態的葉綠素分子回至基態時所發出的光稱為磷光。Chl*

Chl

＋hν熒光發射

(12)ChlT

Chl

＋hν磷光發射

(13)磷光波長比熒光波長長，轉換的時間也較長，而強度只有熒光的1%，故需用儀器才能測量到。10-9s

10-2s由于葉綠素分子吸收的光能有一部分消耗在分子內部的振動上，且熒光又總是從第一單線態的最低振動能級輻射的，輻射出的光能必定低于吸收的光能，因此葉綠素的熒光的波長總要比被吸收的波長長些。對提取的葉綠體色素濃溶液照光，在與入射光垂直的方向上可觀察到呈暗紅色的熒光。在色素溶液中，如加入某種受體分子，能使熒光消失，這種受體分子就稱為熒光猝滅劑，常用Q表示，在光合作用的光反應中，Q即為電子受體。色素發射熒光的能量與用于光合作用的能量是相互競爭的，這就是葉綠素熒光常常被認作光合作用無效指標的依據。3)色素分子間的能量傳遞

激發態的色素分子把激發能傳遞給處于基態的同種或異種分子而返回基態的過程稱為色素分子間能量的傳遞。Chl*1＋Chl2Chl1＋Chl*2供體分子受體分子色素分子吸收的光能，若通過發熱、發熒光與磷光等方式退激，能量就被浪費了。在光合器里，聚光葉綠素分子在第一單線態的能量水平上，通過分子間的能量傳遞，把捕獲的光能傳到反應中心色素分子，以推動光化學反應的進行。一般認為，色素分子間激發能不是靠分子間的碰撞傳遞的，也不是靠分子間電荷轉移傳遞的，可能是通過“激子傳遞”或“共振傳遞”方式傳遞的。圖光合作用過程中能量運轉的基本概念天線色素收集光能轉運到反應中心。在反應中心化學反應通過從葉綠素色素到電子受體分子的電子轉運過程存儲一些能量，電子供體再次還原葉綠素能量。在集光色素中的傳遞是單純的物理現象不涉及參與任何化學變化。

通過上述色素分子間的能量傳遞，聚光色素吸收的光能會很快到達并激發反應中心色素分子，啟動光化學反應。2.光化學反應1)反應中心與光化學反應①反應中心反應中心是指在類囊體中進行光合作用原初反應的最基本單位，它是由反應中心色素分子、原初電子受體、原初電子供體等電子傳遞體，以及維持這些電子傳遞體的微環境所必需的蛋白質等成分組成的。②光化學反應原初反應的光化學反應實際就是由光引起的反應中心色素分子與原初電子受體間的氧化還原反應，可用下式表示光化學反應過程：

D·P·AhυD·P*·AD·P+·A－D+·P·A－D、P、A分別是什么角色？2)PSⅠ和PSⅡ的光化學反應高等植物的兩個光系統（PSⅠ和PSⅡ）有各自的反應中心。兩個反應中心的的原初電子供體很相似，都是由兩個葉綠素a分子組成的二聚體，分別用P700、P680來表示。P代表色素，700、680則代表P氧化時其吸收光譜中變化最大的波長位置是近700nm或680nm處，也即用氧化態吸收光譜與還原態吸收光譜間的差值最大處的波長來作為反應中心色素的標志。圖9菠菜反應中心色素吸收光譜的變化照光下PSⅠ(A)、PSⅡ(B)反應中心色素氧化，其氧化態，與還原態的吸收光譜差值最大變化的波長所在位置分別是700nm(A)和682nm(B)。二、電子傳遞和光合磷酸化（一）光系統(p80)紅降現象和雙光增益效應(二）電子傳遞和質子傳遞光合鏈是指定位在光合膜上的，由多個電子傳遞體組成的電子傳遞的總軌道。在光反應中，由水至NADP+的電子傳遞由排列緊密的電子傳遞體完成，根據其氧化還原電勢高低排列，呈“Z”形，電子定向轉移，這就是光合作用中非循環電子傳遞的Z方案。

光合作用的兩個光系統和電子傳遞方案吸收紅光的光系統Ⅱ（PSⅡ）產生強氧化劑和弱還原劑。吸收遠紅光的光系統Ι（PSΙ）產生弱氧化劑和強還原劑。PSⅡ產生的強氧化劑氧化水，同時，PSΙ產生的強還原劑還原NADP+。(1)電子傳遞鏈主要由光合膜上的PSⅡ、Cytb６/f、PSⅠ三個復合體串聯組成。(2)電子傳遞有二處逆電勢梯度，即P680至P680*，P700至P700*，由聚光色素復合體吸收光能后推動。(3)水的氧化與PSⅡ電子傳遞有關，NADP+的還原與PSⅠ電子傳遞有關。電子最終供體為水，水氧化時，向PSⅡ傳交4個電子，使2H2O產生1個O2和4個H+。電子的最終受體為NADP+。(4)PQ是雙電子雙H+傳遞體，伴隨電子傳遞，把H+從類囊體膜外帶至膜內，連同水分解產生的H+一起建立類囊體內外的H+電化學勢差。“Z”方案特點：圖葉綠體中的電子傳遞模式

方框代表了蛋白復合物。LHCⅠ和LHCⅡ分別是PSⅠ和PSⅡ各自的聚光色素復合體，M為含Mn的放氧復合體，實線箭頭表示非環式電子傳遞方向；虛線箭頭表示環式或假環式電子傳遞分叉處。1、PSⅡ多存在于基粒片層的垛疊區。利用光能氧化水和還原質體醌。放氧復合體(OEC)又稱錳聚合體(M,MSP)，在PSⅡ靠近類囊體腔的一側，參與水的裂解和氧的釋放。（1）水裂解放氧每釋放1個O２需要從2個H2O中移去4個e-，同時形成4個H＋。將小球藻預先保持在暗中，然后給以一系列的瞬間閃光照射(5～10μs閃光，間隔300ms)。閃光后氧的產量是以4為周期呈現振蕩，即第一次閃光后沒有O２的釋放，第二次釋放少量O２，第三次O２的釋放達到高峰，每4次閃光出現1次放氧峰(圖)。科克(B.Kok，1970)等人根據這一事實提出了關于H２O裂解放氧的“四量子機理假說”：①PSⅡ的反應中心與H２O之間存在一個正電荷的貯存處(S)②每次閃光，S交給PSⅡ反應中心1個e－；③當S失去4e－帶有4個正電荷時能裂解2個H２O釋放1個O２。按照氧化程度(即帶正電荷的多少)從低到高的順序，將不同狀態的M分別稱為S０、S１、S２、S３和S４。即S０不帶電荷，S１帶1個正電荷，……S4帶4個正電荷。每一次閃光將狀態S向前推進一步，直至S４。然后S４從2個H２O中獲取4個e－，并回到S０。圖在水裂解放氧中的S狀態變化

(修改過的Kok水氧化鐘模型，注明了H＋的釋放部位)水裂解放氧（2）PSⅡ中的電子傳遞PSII核心復合體由6種多肽組成。電子從P680傳遞到去鎂葉綠素（Pheo）繼而傳遞到兩個質體醌QA和QB。P680+被D1亞基中酪氨酸殘基還原。Mn聚集體(MSP)即放氧復合體OEC，對水的氧化。CP43和CP47是葉綠素結合蛋白。QA是單電子體傳遞體，每次只接受一個電子生成半醌，電子再傳遞至QB，QB是雙電子傳遞體，可兩次從QA接受電子以及從周圍介質中接受2個H+而還原成氫醌(QH2)。這樣生成的氫醌可以與醌庫的PQ交換，生成PQH2。光系統‖的反應中心

5.PSⅠ復合體PSⅠ的生理功能是吸收光能，進行光化學反應，產生強的還原劑，用于還原NADP+，實現PC到NADP+的電子傳遞。PSⅠ復合體的顆粒較小，直徑約11nm。高等植物的PSⅠ反應中心含有12～14個多肽，其中在A和B兩個多肽上結合著P700及A0、A1、FX、FA、FB等電子傳遞體。每個PSⅠ復合體中含有兩個LHCⅠ，LHCⅠ吸收的光能能傳給PSⅠ的反應中心。Figure3-10-3

光合膜上的電子與質子傳遞概況紅線表示電子傳遞，黑線表示質子傳遞，藍線質子越膜運輸2.質體醌的結構和電子傳遞A.質體醌有一個醌的頭和一個長的非極性的尾，尾部使質體醌定位于膜中B.(質)醌的氧化還原反應；

3.Cytb６/f復合體連接PSⅡ與PSⅠ兩個光系統的中間電子載體系統，含有Cytf、Cytb６(2個，為電子傳遞循環劑)和鐵-硫蛋白(又稱〔Fe-S〕R。催化PQH２的氧化和PC的還原，并把質子從類囊體膜外間質中跨膜轉移到膜內腔中。因此Cytb６/f復合體又稱PQH２·PC氧還酶。4.質藍素質藍素(PC)是位于類囊體膜內側表面的含銅蛋白質，氧化時呈藍色。通過蛋白質中銅離子的氧化還原變化來傳遞電子。PSⅠ復合體存在類囊體非堆疊的部分，PSⅡ復合體存在堆疊部分，而Cytb６/f比較均勻地分布在膜中，因而推測PC通過在類囊體腔內擴散移動來傳遞電子。5.PSⅠ復合體PSⅠ的生理功能是吸收光能，進行光化學反應，產生強的還原劑，用于還原NADP+，實現PC到NADP+的電子傳遞。PSⅠ復合體的顆粒較小，直徑約11nm。高等植物的PSⅠ反應中心含有11～12個多肽，其中在A和B兩個多肽上結合著P700及A0、A1、FX、FA、FB等電子傳遞體。每個PSⅠ復合體中含有兩個LHCⅠ，LHCⅠ吸收的光能能傳給PSⅠ的反應中心。Figure3-10-3

類囊體膜超分子蛋白質復合物PSⅠ和PSⅡ的光化學反應PSⅠ的原初電子受體是葉綠素分子(A0)，PSⅡ的原初電子受體是去鎂葉綠素分子(Pheo)，它們的次級電子受體分別是鐵硫中心和醌分子(表4-2)。PSⅠ的原初反應：

P700·A0

hυP700*·Ａ0P700＋·A0－

(17)PSⅡ的原初反應：P680·PheohυP680*·PheoP680+·Pheo-(18)在原初反應中，受光激發的反應中心色素分子發射出高能電子，完成了光→電轉變，隨后高能電子將沿著光合電子傳遞鏈進一步傳遞。功能與特點

(吸收光能光化學反應)電子最終供體次級電子供體反應中心色素分子原初電子供體原初電子受體次級電子受體末端電子受體PSⅠ還原NADP+

，實現PC到NADP+的電子傳遞PCP700葉綠素分子(A0)鐵硫中心NADP+

(電子最終受體)PSⅡ使水裂解釋放氧氣，并把水中的電子傳至質體醌。水YZP680去鎂葉綠素分子(Pheo)醌分子(QA)質體醌PQPSⅠ和PSⅡ的電子供體和受體組成（三）光合磷酸化1.光合磷酸化方式（1）非環式光合磷酸化指水中的電子經PSⅡ與PSⅠ一直傳到NADP＋的電子傳遞途徑

每傳遞4個e-，分解2個H2O，釋放1個O2，還原2個NADP+，需吸收8個光量子，量子產額為1/8，同時轉運8個H+進類囊體腔。

2NADP+＋2ADP+2H２O+2Pi8hυ葉綠體

2NADPH＋2ATP＋O2（2）循環光合磷酸化

PSⅠ→Fd→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ

環式電子傳遞不發生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜運輸，可產生ATP，每傳遞一個電子需要吸收一個光量子。2.ATP合酶質子反向轉移和合成ATP是在ATP酶(ATPase)上進行的。ATP酶又叫ATP合成酶，也稱偶聯因子或CF1-CFo復合體。葉綠體的ATP酶由兩個蛋白復合體組成：一個是突出于膜表面的親水性的“CF1”；另一個是埋置于膜中的疏水性的“CFo”。ATP酶由九種亞基組成，分子量為550000左右，催化的反應為磷酸酐鍵的形成，即把ADP和Pi合成ATP。另外ATP酶還可以催化逆反應，即水解ATP，并偶聯H+向類囊體膜內運輸。

α亞基和β亞基交替排列組成“六角形”的“頭部”，γ亞基位于“六角形”的中央空隙，δ亞基位于“柄部”，ε亞基與γ亞基與CF0結合。α亞基有結合核苷酸的部位，在進行催化時可能發生構象變化；β亞基是合成和水解ATP分子的催化位置；γ亞基控制CF1轉動和質子流；δ亞基也許與CF0的結合有關；ε亞基似乎能抑制CF1-CFo復合體在暗中的活性，防止ATP的水解。δ和ε亞基還有阻塞經CFo的質子泄漏的作用。CF1CF1的分子量約400000，它含有α,β,γ,δ和ε5種亞基。α:β:γ:δ:ε＝3:3:1:1:1CFo

含有四個亞基：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。Ⅲ是多聚體，可能含有15個多肽。Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ＝1:1:12:1Ⅰ和Ⅱ組成柄，Ⅲ形成質子通道，Ⅳ亞基的功能可能與建立質子轉移通道或與結合CF1有關。當類囊體膜失去CF1后，就失去磷酸化功能，如果重新加進CF1即可恢復磷酸化功能。失去了CF1的類囊體膜會泄漏質子。但是一旦將CF1加回到膜上或是加進CFo的抑制劑后，質子泄漏就停止了。這表明CFo是質子的“通道”，供應質子給CF1去合成ATP。

CF1如何利用H＋越膜所釋放的能量來合成ATP，雖有很多假說，但都需進一步驗證。3光合磷酸化機制化學滲透學說(chemiosmotictheory)由英國的米切爾(Mitchell

1961)提出，該學說假設能量轉換和偶聯機構具有以下特點：①由磷脂和蛋白多肽構成的膜對離子和質子的透過具有選擇性②具有氧化還原電位的電子傳遞體不勻稱地嵌合在膜③膜上有偶聯電子傳遞的質子轉移系統④膜上有轉移質子的ATP酶在解釋光合磷酸化機理時，該學說強調：光合電子傳遞鏈的電子傳遞會伴隨膜內外兩側產生質子動力(protonmotiveforce,pmf)，并由質子動力推動ＡＴＰ的合成。ATP合成酶的動態圖三、碳同化

1946年，美國加州大學放射化學實驗室的卡爾文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了兩項新技術：(1)14C同位素標記與測定技術(可排除原先存在于細胞里的物質干擾，凡被14C標記的物質都是處理后產生的)；(2)雙向紙層析技術(能把光合產物分開)。選用小球藻等單細胞的藻類作材料，藻類不僅在生化性質上與高等植物類似，且易于在均一條件下培養，還可在試驗所要求的時間內快速地殺死。1.羧化階段在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上發生羧化反應形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸，它是一種與酶結合不穩定的中間產物，被水解后產生2分子PGA。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)具有雙重功能，既能使RuBP與CO2起羧化反應，推動C3碳循環，又能使RuBP與O2起加氧反應而引起C2氧化循環即光呼吸。圖Rubisco（L8S8）的結構。由8個大亞基（56-kDa，475氨基酸）8個小亞基（14-kDa，123個氨基酸）組成。四對交互結合的L2大亞基二聚體排列成8聚體核。在大亞基8聚體的兩端各有一個小亞基四聚體；每個小亞基陷窩在大亞基之間的裂縫中。4個可見的小亞基用紅色表示，大亞基用藍色和綠色表示以顯示兩聚體的界限。2.還原階段6PGA+6ATP+6NADPH+6H+→→6GAP+6ADP+6NADP++6Pi有兩步反應：磷酸化和還原。磷酸化反應由3-磷酸甘油酸激酶催化當CO2被還原為GAP時，光合作用的貯能過程便基本完成。利用同化力將3-磷酸甘油酸還原為甘油醛-3-磷酸.3更生階段指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的過程5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+這里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反應。最后由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP，再形成RuBP。光合碳還原循環羧化還原再生C3途徑的總反應式3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+每同化一個CO2需要消耗3個ATP和2個NADPH，還原3個CO2可輸出1個磷酸丙糖(GAP或DHAP)固定6個CO2可形成1個磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可運出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖或參與其它反應；形成的磷酸己糖則留在葉綠體中轉化成淀粉而被臨時貯藏。再4.卡爾文循環的調節（1）自身催化（2）光的調節：13個酶中許多催化的是可逆反應，也參與糖酵解途徑，調控碳水化合物的合成還是降解必有個開關----“光”。圖氨甲酰化作用活化Rubisco(RuBPC)。RuBPC結合CO2和Mg2+后被激活。照光后葉綠體基質中的pH和Mg2+濃度上升,RuBPC釋放質子加快。C4植物高梁甘蔗田粟(millet)莧菜玉米（二）、C4途徑①.羧化階段

PEPC催化葉肉細胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與HCO3-羧化，形成OAA。空氣中的CO2進入葉肉細胞后先由碳酸酐酶(CA)轉化為HCO3-，HCO3-被PEP固定在OAA的C4羧基上

CO2+H2OCAHCO3-

+H+PEPC是胞質酶，主要分布在葉肉細胞的細胞質中，分子量400000，由四個相同亞基組成。PEPC無加氧酶活性，因而羧化反應不被氧抑制。1.C4途徑的反應②.還原或轉氨階段(1)還原反應由NADP-蘋果酸脫氫酶催化，將OAA還原為Mal，在葉肉細胞的葉綠體中進行：蘋果酸脫氫酶為光調節酶，可通過Fd-Td系統調節其活性。(2)轉氨作用由天冬氨酸轉氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH2基，形成天冬氨酸，該反應在細胞質中進行。OAA被還原成蘋果酸或經轉氨作用形成天冬氨酸。

③.脫羧階段根據植物所形成的初期C4二羧酸的種類以及脫羧反應參與的酶類，可把C4途徑分為三種亞類型：①依賴NADP的蘋果酸酶的蘋果酸型(NADP-ME型)；②依賴NAD的蘋果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)；③具有PEP羧激酶的天冬氨酸型(PCK型)。葉綠體線粒體

葉綠體NADP-ME型初期產物為Mal，而NAD-ME型與PCK型初期產物為Asp。三種亞類型葉綠體的結構及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NAD-ME型植物，葉綠體在BSC中向心排列，而NADP-ME與PCK型，葉綠體在BSC中離心排列；另外NADP-ME型BSC中葉綠體的基粒不發達，PSⅡ活性低。④.底物再生階段C4二羧酸脫羧后形成的Pyr運回葉肉細胞，由葉綠體中的丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受體PEP。

NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在葉肉細胞中先轉為丙酮酸，然后再生成PEP（P97,圖3-19）。此步反應要消耗2個ATP。PPDK在體內存在鈍化與活化兩種狀態，易被光活化，光下該酶的活性比暗中高20倍。由于PEP底物再生要消耗2個ATP，這使得C4植物同化1個CO2需消耗5個ATP與2個NADPH。①羧化反應在葉肉細胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；②還原或轉氨作用

OAA被還原為蘋果酸(Mal)，或經轉氨作用形成天冬氨酸(Asp)；③脫羧反應

C4酸通過胞間連絲移動到BSC，在BSC中釋放CO2，CO2由C3途徑同化；④底物再生脫羧形成的C3酸從BSC運回葉肉細胞并再生出CO2受體PEP。圖22C4植物葉的結構以及C4植物光合碳代謝的基本反應PEPC.PEP羧化酶;PPDK.丙酮酸磷酸二激酶圖丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）。暗中不生成ATP，故ADP量增加，通過調節蛋白促進了PPDK的磷酸化，使酶失活；光下，隨著ATP的合成，ADP濃度下降，PPDK脫磷酸化，因此被激活。3.C4途徑的調節：(1）光可激活PEPC、PPDK(丙酮酸磷酸二激酶）、蘋果酸脫氫酶.圖C4植物中PEPC的光調節。光激活一個調節激酶，其磷酸化從而激活PEPC。黑暗下，激酶不活躍，PEPC的磷酸基團被水解掉，因此其酶活性下降。（2）效應劑調節PEPC的活性。不同效應劑引起酶動力學參數發生不同變化，效應劑之間亦存在協同效應，可在不同條件下，引起酶活性及調節特性的變化。（3）二價金屬離子都是脫羧酶的活化劑。4.C4植物的光合特征C4植物維管束分布密集，間距小，每條維管束都被發育良好的大型BSC包圍，外面又密接1-2層葉肉細胞，這種呈同心圓排列的BSC與周圍的葉肉細胞層被稱為“花環”(Kranz,德語)結構，結構：圖C4植物高粱維管束鞘細胞的葉綠體（下）和葉肉細胞葉綠體（上）的電鏡圖片。維管束鞘細胞的葉綠體缺少基粒片層，含有較少的PSII；葉肉細胞葉綠體含有光合作用光反應所需的所有跨膜復合體，但幾乎沒有RuBPC。C4植物的BSC中含有大而多的葉綠體，沒有基粒或基粒發育不良；而葉肉細胞葉綠體數目少，個體小，有基粒。BSC與相鄰葉肉細胞間的壁較厚，壁中紋孔多，胞間連絲豐富。這些結構特點有利于MC與BSC間的物質交換，以及光合產物向維管束的就近轉運。兩類光合細胞中含有不同的酶類，葉肉細胞中含有光合作用光反應所需的所有跨膜復合體，PEPC以及與C4二羧酸生成有關的酶，但幾乎沒有RuBPC。而BSC中含有Rubisco等參與C3途徑的酶、乙醇酸氧化酶以及脫羧酶。在這兩類細胞中進行不同的生化反應。C4植物具較高光合速率的生理因素有：C4植物的葉肉細胞中的PEPC對底物HCO－3的親和力極高，細胞中的HCO3－濃度一般不成為PEPC固定CO2的限制因素；。3)

鞘細胞中的光合產物可就近運入維管束，從而避免了光合產物累積對光合作用可能產生的抑制作用.2)C4植物由于有“CO2泵”濃縮CO2的機制，使得BSC中有高濃度的CO2，從而促進Rubisco的羧化反應，降低了光呼吸，且光呼吸釋放的CO2又易被再固定；C4植物同化CO2消耗的能量比C３植物多，也可以說這個“CO2泵”是要由ATP來開動的，故在光強及溫度較低的情況下，其光合效率還低于C３植物。可見C4途徑是植物光合碳同化對熱帶環境的一種適應方式。高光強又可推動電子傳遞與光合磷酸化，產生更多的同化力，以滿足C4植物PCA循環對ATP的額外需求；因此干旱環境中，C4植物生長比C3好。（三）、景天科酸代謝1.CAM的特征景天科等植物有一個很特殊的CO2同化方式：夜間固定CO2產生有機酸，白天有機酸脫羧釋放CO2，用于光合作用，這樣的與有機酸合成日變化有關的光合碳代謝途徑稱為CAM(

Crassulaceanacidmetabolism)途徑.景天科酸代謝途徑（1）

PEP羧化酶（2）蘋果酸脫氫酶（3）

NADP+—蘋果酸酶OOACAM最早是在景天科植物中發現的，目前已知在近30個科，1萬多個種的植物中有CAM途徑，主要分布在景天科、仙人掌科、蘭科、鳳梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中。其中鳳梨科植物達1千種以上，蘭科植物達數千種，此外還有一些裸子植物和蕨類植物。CAM植物起源于熱帶，往往分布于干旱的環境中，多為肉質植物，具有大的薄壁細胞，內有葉綠體和液泡，然而肉質植物不一定都是CAM植物。常見的CAM植物有菠蘿、劍麻、蘭花、百合、仙人掌、蘆薈、瓦松等。劍麻蘆薈落地生根龍舌蘭緋牡丹曇花

CAM植物-瓦松屬瓦松屬1多肉質植物雞冠掌紅司錦晃星靜夜1.PEPC的羧化階段。夜間氣孔開啟，CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者還原成蘋果酸貯存于液泡，而白天貯存的葡聚糖在此期間用于形成PEP。2.由PEPC羧化轉向Rubisco羧化的階段。白晝開始時氣孔導度與CO2吸收出現一個高峰，此期間C４途徑與C３途徑同時進行，蘋果酸積累中止。3.Rubisco同化CO2階段。日間氣孔關閉，停止從外界吸收CO2，蘋果酸從液泡轉移至細胞質，氧化脫羧。脫羧釋放的CO2進入葉綠體被C３途徑同化。4.由Rubisco羧化轉向由PEPC羧化的階段。蘋果酸脫羧降至最低點，氣孔開始張開，CO2吸收增加，且由C3途徑過渡至C4途徑，從而又重復下一個晝夜變化周期。2.CAM代謝的反應過程圖8.12景天科酸代謝途徑（CAM）。光合反應吸收的CO2暫時的分離：夜間CO2的吸收和固定，白天內部釋放的CO2進行脫酸和再固定。

CAM植物與C4植物固定與還原CO2的途徑基本相同，二者的差別在于：C4植物是在同一時間(白天)和不同的空間(葉肉細胞和維管束鞘細胞)完成CO2固定(C4途徑)和還原(C3途徑)兩個過程；而CAM植物則是在不同時間(黑夜和白天)和同一空間(葉肉細胞)完成上述兩個過程的。CAM植物由于白天氣孔關閉、蘋果酸脫羧、細胞間的CO2/O２比例高、以及CO２再固定率高，因而表觀光呼吸較低。第五節光呼吸（C2循環）一、光呼吸的途徑底物：乙醇酸反應場所：葉綠體乙醇酸從葉綠體轉入過氧化體，由乙醇酸氧化酶催化氧化成乙醛酸，乙醛酸經轉氨作用轉變為甘氨酸，甘氨酸在進入線粒體后發生氧化脫羧和羥甲基轉移反應轉變為絲氨酸，絲氨酸再轉回過氧化體，轉氨后為羥基丙酮酸，還原為甘油酸，轉入葉綠體后，在甘油酸激酶催化下生成的3-磷酸甘油酸又進入C3途徑，整個過程構成一個循環。其中耗氧反應有兩處，一是葉綠體中的Rubisco加氧反應，二是過氧化體中的乙醇酸氧化反應。脫羧反應則在線粒體中進行，2個甘氨酸形成1個絲氨酸時脫下1分子CO2。光合作用和光呼吸都由Rubisco開始。光合作用的電子運輸提供ATP和NADPH；光呼吸消耗ATP。C3循環中的一種底物CO2是C2循環的產物；同樣地，C2循環的底物O2是C3光合作用的產物。光合作用和光呼吸的聯系二、光呼吸生理功能1.回收碳素通過C2碳氧化環可回收乙醇酸中3/4的碳(2個乙醇酸轉化1個PGA，釋放1個CO2)。2.維持C3光合碳還原循環的運轉在葉片氣孔關閉或外界CO2濃度低時，光呼吸釋放的CO2能被C3途徑再利用，以維持光合碳還原循環的運轉。3.防止強光對光合機構的破壞作用

在強光下，光反應中形成的同化力會超過CO2同化的需要，從而使葉綠體中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同時由光激發的高能電子會傳遞給O2，形成的超氧陰離子自由基O-·2會對光合膜、光合器有傷害作用，而光呼吸卻可消耗同化力與高能電子，降低O-·2的形成，從而保護葉綠體，免除或減少強光對光合機構的破壞。4.消除乙醇酸乙醇酸對細胞有毒害，光呼吸則能消除乙醇酸，使細胞免遭毒害。C３、C４、CAM植物的特性比較（一）葉綠體中淀粉的合成合成部位:葉綠體CO2G6PG1PF6PFBPTPPGAADPG淀粉RuBPATPPPi四、光合作用的產物過程：當卡爾文循環形成磷酸丙糖（TP）時，經過各種酶的催化，先后形成果糖-1，6-二磷酸、果糖-6-磷酸、葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖-1-磷酸、ADP-葡萄糖，最后合成淀粉（二）胞質溶膠中蔗糖的合成

（三）淀粉和蔗糖合成的調節

第六節影響光合作用的因素光補償點一、外界條件對光合速率的影響光合速率概念P87（一）光照光飽和點光強：光抑制光保護：p109光抑制p109光保護：p109直接傷害間接傷害減少光能吸收通過代謝過程散失能量非輻射能量散失不同光波下菜豆的光合速率光質：ＣＯ２對光合速率的影響（二）二氧化碳（三）溫度（四）水分（五）礦質元素“午休”現象（六）光合速率的日變化二、內部因素對光合速率的影響（一）不同部位（二）不同生育期第七節植物對光能利用率一、植物的光能利用率單位地面上的植物光合作用積累有機物所含能量占照射在同一地面上的日光能量的百分比。光能利用率（％）＝

單位面積作物干物質所含熱量（Ｊ）單位面積太陽平均總輻射能（Ｊ）