04 第三章 光合作用（二）.ppt

第1页：光合作用的过程和能量转变

光合作用的过程和能量转变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：1.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成；2.电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成；3.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。

第2页：不同层次和时间上的光合作用

不同层次和时间上的光合作用

第3页：第三节 原初反应

第三节原初反应原初反应

是指从光合色素分子被光激发，到引起第一个光化学反应为止的过程。光物理－光能的吸收、传递光化学－有电子得失特点速度非常快在皮秒(ps)与纳秒(ns)内完成与温度无关－196℃(液氮或－271℃(液氦)下进行量子效率接近1速度快，散失的能量少

第4页：反应中心色素与聚光色素

概念反应中心色素：少数特殊状态的chl a分子，它具有光化学活性，是光能的“捕捉器”、“转换器”。没有光化学活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。聚光色素（天线色素）：

第5页：光能的吸收与传递

一、光能的吸收与传递Chl（基态）+hυ10－15sChl*（激发态）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。(一)激发态的形成基态吸光激发态(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6页：荧光与磷光

处在第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为荧光。处在三线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为磷光。

第7页：光合作用能量运转概念图

图光合作用过程中能量运转的基本概念许多色素集中在一起作为天线色素，收集光能转运到反应中心。在反应中心化学反应通过从叶绿素色素到电子受体分子的电子转运过程存储一些能量，电子供体再次还原叶绿素能量。在集光色素中的传递是单纯的物理现象不涉及参与任何化学变化。

第8页：反应中心与光化学反应

二、光化学反应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，又称原初电子供体。(一)反应中心与光化学反应1.反应中心反应中心色素分子原初电子受体次级电子供体

第9页：光系统Ⅱ的反应中心

光系统‖的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

第10页：光化学反应的过程

2.光化学反应实际:是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应：P·AhυP*·AP+·A－反应中心色素(P):原初电子供体原初电子受体(A)供电子给P+的还原剂叫做次级电子供体(D)从A－接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(A1)D·〔P+·A－〕·A1D+·〔P·A〕·A1－

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第15页：PSⅠ与PSⅡ的光化学反应

(二)PSⅠ和PSⅡ的光化学反应高等植物的两个光系统有各自的反应中心。PSⅠ和PSⅡ反应中心:P700、P680来表示。

第16页：两个光系统与电子传递方案

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Ⅱ（PSⅡ）产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远红光的光系统Ι（PSΙ）产生弱氧化剂和强还原剂。PSⅡ产生的强氧化剂氧化水，同时，PSΙ产生的强还原剂还原NADP+。

第17页：PSⅠ和PSⅡ的电子供受体

高等植物的两个光系统各有反应中心与电子供受体成员，组成对比如下。

第18页：第四节 电子传递和光合磷酸化

第四节电子传递和光合磷酸化电子传递的结果:一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；另一方面建立了跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，形成ATP。电能转化为活跃的化学能。

第19页：光合链

一、电子和质子的传递PSII和PSI共同参与从水到NADP+电子传递的Z-方案模式图（一）光合链光合链是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。

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第21页：Z方案的特点

• “Z”方案特点：图10叶绿体中的电子传递模式
• (1)链主要由光合膜上的PSⅡ、Cyt b６/f、PSⅠ复合体串联
• (2)二处逆电势梯度，即P680至P680*，P700至P700*，而其余电子传递都是顺电势梯度。
• (3)水的氧化与PSⅡ电子传递有关，NADP+的还原与PSⅠ电子传递有关。电子最终供体为水，电子的最终受体为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，连同水分解产生的H+一起建立类囊体内外的H+电化学势差。

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第23页：PSⅡ复合体

(二)光合电子传递体的组成与功能PSII反应中心结构模式图1.PSⅡ复合体吸光，光化学反应，使水裂解释放氧气，并把电子传至质体醌。由聚光色素复合体Ⅱ、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。

第24页：水的氧化与放氧

水的氧化与放氧CO２+2H２O*光叶绿体(CH２O)+O2*+H２O每释放1个O２需要从2个H2O中移去4个e-，同时形成4个H＋。放氧复合体(OEC)又称锰聚合体(M,MSP)

第25页：质体醌

2.质醌质醌(PQ)也叫质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数5%～10%，有“PQ库”称。

第26页：Cyt b6/f复合体与质蓝素

3.Cytb６/f复合体Cytb６/f复合体，由4个多肽组成，即Cytf、Cytb、铁-硫蛋白、17kD的多肽等4.质蓝素质蓝素(PC)是含铜蛋白质,通过铜离子的氧化还原来传递电子。

第27页：PSⅠ复合体

5.PSⅠ复合体PSⅠ的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的还原剂，用于还原NADP+，实现PC到NADP+的电子传递。

第28页：PSⅠ反应中心结构

模式图中电子从P700传递到叶绿素分子A0，然后到电子受体A1。电子传递穿过一系列的被命名为FX，FA，FB的Fe-S中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（Fdx）。PSI反应中心结构模式

第29页：铁氧还蛋白与FNR

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。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＋FNR2Fd氧化+NADPH

第30页：光合膜上的电子与质子传递

7.光合膜上的电子与H+的传递图15光合膜上的电子与质子传递图中经非环式电子传递途径传递4个e-产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收8个光量子(PSⅠ与PSⅡ各吸收4个)，传递4个e－能分解2个H2O，释放1个O2，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CO2，而在暗反应中同化1个CO2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。

第31页：电子与质子传递概况

光合膜上的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

第32页：非环式电子传递

(三)光合电子传递的类型指水中的电子经PSⅡ与PSⅠ一直传到NADP＋的电子传递途径H２O→ PSⅡ→PQ→Cyt b６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→ NADP＋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

第33页：环式电子传递

• 2.环式电子传递
• (1)PSⅠ中环式电子传递：由经Fd经PQ，Cytb6/fPC等传递体到PSⅠ而构成的循环电子传递途径。即：PSⅠ→Fd→PQ→Cytb６/f→PC→PSⅠ环式电子传递不发生H2O的氧化，也不形成NADPH，但有H+的跨膜运输，可产生ATP。
• (2)PSⅡ中环式电子传递：电子是从QB经Cytb559，然后再回到P680。即：P680→Pheo→QA→QB→Cytb559→P680也有实验指出PSⅡ中环式电子传递为：P680→Cytb559→Pheo→P680Cytb559

第34页：假环式电子传递

3.假环式电子传递指水中的电子经PSⅠ与PSⅡ传给Fd后再传给O２的电子传递途径，这也叫做梅勒反应(Mehler′s reaction)。H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→ PSⅠ→Fd →O２叶绿体中有超氧化物歧化酶(SOD)，能消除O2-。O2-+ O2-+ 2H2SOD2H2O2+ O2假环式电子传递实际上也是非环式电子传递，也有H+的跨膜运输，只是电子的最终受体不是NADP＋而是O２。

第35页：光合磷酸化

二、光合磷酸化光下向叶绿体或载色体体系中加入ADP与Pi则有ATP产生。从此，人们把光下在叶绿体(或载色体)中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应称为光合磷酸化。

第36页：非环式与环式光合磷酸化

(一)光合磷酸化的类型１.非环式光合磷酸化与非环式电子传递偶联产生ATP的反应。除生成ATP外，同时还有NADPH的产生和氧的释放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＋H２O环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式。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。

第37页：假环式光合磷酸化

３.假环式光合磷酸化与假环式电子传递偶联产生ATP的反应。此种光合磷酸化既放氧又吸氧，还原的电子受体最后又被氧所氧化。H２O+ADP＋Pi光叶绿体ATP+O2-·＋4H+

第38页：化学渗透学说

(二)光合磷酸化的机理化学渗透学说学说强调：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ＡＴＰ的合成。许多实验都证实了这一学说的正确性

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第41页：叶绿体的ATP酶

叶绿体的ATP酶由两个蛋白复合体组成：一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1”；另一个是埋置于膜中的疏水性的“CFo”。

第42页：两阶段光合磷酸化实验

(1)化学渗透学说的实验证据①两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的H+电化学势，暗中利用H+电化学势将加入的ADP与Pi合成ATP。

第43页：酸—碱磷酸化实验

②酸-碱磷酸化实验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ｐＨ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，而这时并不照光，也没有电子传递。这种驱动ATP合成的类囊体内外的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。

第44页：光下类囊体吸收质子的实验

③光下类囊体吸收质子的实验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囊体膜腔运输，使得膜内H+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。

第45页：H+电化学势与质子动力

(2)H+电化学势与质子动力e－传递与H+向膜内的运转,还会引起类囊体膜的电势变化，从而产生H+电化学势差(ΔμH+)：ΔμH+=μH+内-μH+外=RT(ln [H+内]-ln [H+外])+F(E内-E外)=RTln([H+内]/ [H+外])+FΔE=2.3RTΔpH+FΔE式中R——气体常数，T——绝对温度(K)，F——法拉第常数，ΔE——膜电势(V)25℃时，ΔμH+=5.7ΔpH(kJ·mol-1)+96.5ΔE(kJ·mol-1)将式4-31两边用F(96.5kJ·mol－1·V－1)除，规定△μH+/F为质子动力，其单位为电势(V)。在25℃时：pmf=0.059ΔpH+ΔE叶绿体类囊体膜的质子动力大部分是来自ΔpH部分，电荷分布所产生的ΔE的贡献很小，原因是其它离子，如Cl－、K+或Mg2+也能穿透类囊体膜，当H+穿透类囊体膜时，Cl－可以与H+同向穿透，或Mg2+与H+(1Mg2+/2H+)反向穿透，这样就保持了电中性，结果不产生电势差。

第46页：ATP合成的部位

3.ATP合成的部位——ATP酶质子反向转移和合成ATP是在ATP酶(ATPase)上进行的。ATP酶又叫ATP合成酶，也称偶联因子或CF1-CFo复合体。叶绿体的ATP酶由两个蛋白复合体组成：一个是突出于膜表面的亲水性的“CF1”；另一个是埋置于膜中的疏水性的“CFo”。ATP酶由九种亚基组成，分子量为550000左右，催化的反应为磷酸酐键的形成，即把ADP和Pi合成ATP。另外ATP酶还可以催化逆反应，即水解ATP，并偶联H+向类囊体膜内运输。

第47页：CF1的亚基组成

α亚基和β亚基交替排列组成“六角形”的“头部”，γ亚基位于“六角形”的中央空隙，δ亚基位于“柄部”，ε亚基与γ亚基与CF0结合。α亚基有结合核苷酸的部位，在进行催化时可能发生构象变化；β亚基是合成和水解ATP分子的催化位置；γ亚基控制CF1转动和质子流；δ亚基也许与CF0的结合有关；ε亚基似乎能抑制CF1-CFo复合体在暗中的活性，防止ATP的水解。δ和ε亚基还有阻塞经CFo的质子泄漏的作用。CF1CF1的分子量约400000，它含有α,β,γ,δ和ε5种亚基。α:β:γ:δ:ε＝3:3:1:1:1

第48页：CFo的结构与功能

CFo含有四个亚基：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。Ⅲ是多聚体，可能含有15个多肽。Ⅰ:Ⅱ:Ⅲ:Ⅳ＝1:1:12:1Ⅰ和Ⅱ组成柄，Ⅲ形成质子通道，Ⅳ亚基的功能可能与建立质子转移通道或与结合CF1有关。当类囊体膜失去CF1后，就失去磷酸化功能，如果重新加进CF1即可恢复磷酸化功能。失去了CF1的类囊体膜会泄漏质子。但是一旦将CF1加回到膜上或是加进CFo的抑制剂后，质子泄漏就停止了。这表明CFo是质子的“通道”，供应质子给CF1去合成ATP。至于CF1如何利用H＋越膜所释放的能量来合成ATP，虽有很多假说，但都需进一步验证。当前起主导的假说为结合转化机制的变构学说

第49页：结合转化机制的变构学说

结合转化机制的变构学说该学说由Paul Boyer提出，他认为，在ATP形成过程中，与ATP合成酶的3个β亚基各具一定的构象，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的三个过程(见图)。ATP合成的结合转化机制γ-亚基的转动引起β亚基的构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(O)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。

第50页：ATP合成的结合转化机制

构象的相互依次转化是和质子的通过引起γ亚基的旋转相偶联的。当质子顺质子电化学梯度流过Fo，使γ亚基转动，γ亚基的转动引起β亚基的构象依紧绷(T)、松驰(L)和开放(O)的顺序改变，使ATP得以合成并从复合体上释放。。具体说，ADP和Pi与的开放状态的β亚基结合；在质子流的推动下γ亚基的转动使β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；β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。

第51页：旋转催化机理的争论

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。

第52页：光合磷酸化的抑制剂

破坏电子传递、质子梯度与ATP酶活性三类条件之一的试剂，都可使光合磷酸化中止。

第53页：三种电子传递抑制剂

百草枯（一种除草剂）2,5－二溴－3－甲基－6－异丙基－对苯醌光合电子传递链的三种抑制剂DCMU、DBMIB和百草枯的化学结构。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。