10 第四章 植物的光合作用(3).3.ppt

第1页：碳同化植物利用光反应中形成

第五节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

第2页：ATP的分子结构

ATP的分子结构

第3页：NADP+

NADP+和NADPH的分子结构

第4页：碳同化类型根据

碳同化类型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。不论是哪一种光合碳同化类型的植物，都具有C３途径，这是光合碳代谢的基本途径。C４途径、CAM途径以及光呼吸途径只是对C３途径的补充。

第5页：C3途径

一.C3途径

第6页：46年，美国加州大学放射化学实验

• 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作材料，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。1.C3途径的发现

第7页：试验分以下几步进行

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图用来研究光合藻类CO2固定仪器的图解

第8页：浓缩样品与层析用甲醇将标记化合物

(2)浓缩样品与层析用甲醇将标记化合物提取出来，将样品浓缩后点样于层析纸上，进行双向纸层析，使光合产物分开(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)设计循环图根据被14C标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。根据图D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

第9页：起先猜测

起先猜测CO2是与某一个2碳的片断结合生成3碳的PGA，然而情况并非如此。当光下把CO2浓度突然降低，作为CO2受体的化合物会积累起来。这一化合物被发现是含有5个C的核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)，当它接受CO2后，分解为2个PGA分子。光合试验中RuBP与PGA相互转化经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从CO２到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环或Calvin-Benson循环。

第10页：由于这条途径中

由于这条途径中CO2固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也叫做C３途径或C３光合碳还原循环，只具有C３途径的植物称为C３植物。此项研究的主持人卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。

第11页：光合碳还原循环参与反应的酶

• 光合碳还原循环参与反应的酶：(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)
• 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；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

第12页：

第13页：C３途径的反应过程

• (一) C３途径的反应过程
• 过程
• 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。
• 羧化、还原、再生。一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP

第14页：羧化阶段指进入叶绿体

(1)羧化阶段指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应过程。3RuBP+3CO2+3H2ORubisco6PGA+6H+Rubisco具有双重功能。在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上发生羧化反应形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸（CABP），它是一种与酶结合不稳定的中间产物，被水解后产生2分子PGA。

第15页：

第16页：Rubisco

Rubisco 的功能—羧化、加氧反应

第17页：Rubisco也是高等植物中一种

• Rubisco也是高等植物中一种主要储藏的有机氮形式。
• Rubisco 普遍存在于所有自养生物中。在C3植物中含量极为丰富。存在叶绿体间质中,其浓度在间质中可达30Omg/ml。
• 高度可溶性的蛋白

第18页：羧化作用

• 羧化作用
• Rubisco催化RuBP的羧化作用形成二分子PGA。可通过磷酸转运器从叶绿体输出到细胞质中，用于合成蔗糖;在叶绿体中产生淀粉。
• RuBP作为C02的最初受体，是在卡尔文循环中生成的，所以卡尔文循环是自动催化的，即循环中的任何中间产物可以再生，也可以从循环中的任何一步抽出。

第19页：氧化作用—光呼吸

• 氧化作用—光呼吸
• Rubisco 催化将氧加入RuBP 产生一分子PGA和一分子2-磷酸乙醇酸。
• 磷酸甘油酸可在卡尔文循环中进一步代谢。
• 两个分子磷酸乙醇酸通过叶绿体、过氧化物体和线粒体, 最终转化为一个分子磷酸甘油酸,这样使磷酸乙醇酸的一部分碳再被利用(乙醇酸途径或称光呼吸途径)。
• 消耗了许多能量，有25% 的碳作为C02 损失掉。

第20页：研究意义

• 研究意义
• Rubisco 的羧化/加氧反应可看作分别是调节卡尔文循环和光呼吸途径的首要步骤。因此该酶的羧化反应和氧化反应的比值非常重要，它决定了植物的净光合产量。
• 空气中C02和02的相对浓度影响这二反应的比值。(在无O2条件下,C3植物的Rubisco的km(C02) 约为12-15 μmol/L, 但在空气中(21%O2),则增高至26μmol/L)可见较高的C02浓度可以增强光合作用，生成较多有机物质。
• 在大田条件下，改变空气中C02和02的浓度是很难办到

第21页：研究Rubisco

研究Rubisco的反应机理及调节机制，通过对Rubisco基因的修饰和改造,构建转基因植物以改善光合效率，从而增加农业产量是一个非常有意义的课题。此外，Rubisco在细胞中含量丰富, 同时又为细胞核和叶绿体基因组共同编码构成,因此该酶又常常作为研究植物分子生物学的典范。包括基因表达的调节,翻译后的加工和细胞器之间的通讯等。

第22页：自然界有二种结构类型

• 自然界有二种结构类型的Rubisco 。
• 类型I (L8S8) 是由8 个大亚基(50-6OKD) 和8 个小亚基(12-18KD) 组成, 它广泛存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。
• 类型II Rubisco(L2)仅有2个大亚基构成,是最简单的一种Rubisco。存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中。

第23页：大、小亚基的功能

• 大、小亚基的功能
• 大亚基含有催化及活化过程有关的氨基酸残基。
• 小亚基的存在能更有效地分辨对O2和CO2的反应。
• 利用固相酶方法, 使烟草和水稻的大、小亚基之间进行体外分子杂交的实验似乎也提供了小亚基有改变羧化酶和氧化酶酶活性比值的证据。

第24页：Rubisco酶活性的调节作用

Rubisco酶活性的调节作用1. 酶的氨基甲酰化作用2. Rubisco 活化酶3. 2-羧基阿拉伯糖1 一磷酸的调节作用4.酶的催化作用机理及调节

第25页：Rubisco的活化作用

•纯化的Rubisco在活性测定之前一般先要将酶在偏碱性pH条件下与20mmol/LMg2+和1Ommol/LNaHCO3保温好几分钟。这样处理后的酶反应才能达到最高速度。这种酶的预保温过程便是酶的活化作用1.酶的氨基甲酰化作用

第26页：E(钝化)十

• E(钝化)十ACO2→E.ACO2(钝化)
• E.ACO2十Mg2+→E.ACO2·Mg2+(活化)快反应慢反应

第27页：Rubisco 在体内

• Rubisco 在体内的活化作用随光强而增加，并和光合作用强度的增加相一致,而且在高光强下, 酶的活化作用往往是在RuBP浓度高的情况下(4mmol/L以上)产生的, 因此体内酶的活化作用机理必定不同于体外。
• 这一问题研究促使发现了一个核编码的叶绿体蛋白, 称为Rubisco 活化酶。2. Rubisco 活化酶的调节作用

第28页：利用菠菜叶绿体重组系统研究了部分

•利用菠菜叶绿体重组系统研究了部分纯化活化酶的活性，发现活性所需的必需成分包括生理浓度的C02和Mg2+, 类囊体膜，非活化的Rubisco、活化酶和高浓度的RuBP。反应必须有RuBP存在，这暗示在活化机制中需要有RuBP结合的Rubisco。当对重组系统照光时，Rubisco迅速活化，后来认识到活化酶表现活性需要照光，实际上就是需要ATP。

第29页：李立人等曾分析了烟草叶子在光下

• 李立人等曾分析了烟草叶子在光下和暗中粗提液的初活性和总活性,发现光下生长的叶子的初活性比黑暗处理的叶子约高1倍,而光叶粗提液用CO2及时Mg2+预保温后活性还可进一步提高，暗叶却不能再提高。如果暗叶粗提液用凝胶柱层析除去其小分子后, 则暗叶粗提液也同样为CO2及Mg2+活化。
• 2-羧阿拉伯糖醇1-磷酸（CAIP）的调节作用
• 这些实验结果说明在暗叶粗提液中似乎有什么抑制剂存在, 而照光下叶子有什么可解除抑制作用的机制。

第30页：在暗处理叶子粗提液中加入甲醇或硫

•在暗处理叶子粗提液中加入甲醇或硫酸铵等或用碱性磷酸酯酶处理可解除暗的这种抑制作用。这说明暗处理叶中存在着一种磷脂化合物的抑制剂。后来从共同纯化的暗处理叶子酶制剂中分离出来，是一种6-碳中间产物类似物，即CAIP, 比CABP仅差一个磷酸根。Rubisco的蛋白侧链和金属原子与CABP的相互作用图解a-羧-D-阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸Mg2+Rubisco--Lys

第31页：酶的催化作用机理及调节

• 酶的催化作用机理及调节
• 但人为的提高酶的羧化反应办法目前较少。如：用Mn2+代替Mg2+以及构建一些细菌酶的突变体可降低酶的羧化和氧化的比值。提高空气中的CO2/O2的浓度比例如自然界中的C4植物, 利用它本身具有的一种“CO2泵”使存在于叶鞘细胞中的Rubisco 周围的CO2浓度提高。
• RuBP 羧化酶是一个双功能酶, 已经证明O2和CO2是互为竞争性抑制剂。反应的相对速率被O2或CO2浓度调节。显然RuBP 羧化酶的二个反应是为同一个酶催化, 并发生在同一个活性中心。

第32页：还原阶段

• (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
• 磷酸化和还原。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。

第33页：再生阶段

• (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+
• 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。

第34页：光合碳还原循环羧化还原再生

光合碳还原循环羧化还原再生

第35页：C3途径的总反应式3

• C3途径的总反应式3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+
• 可见，每同化一个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)
• 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。再

第36页：C3途径的调节

• (二)C3途径的调节
• 自我催化调节
• 即指在C3途径中，通过调节RUBP等光合中间产物含量，使CO2同化速率处于某一稳态的机制。C3途径的运转状态光合中间产物的数量

第37页：2.酶活性的调节

• 酶活性的调节
• 总量一定，光对酶活性的调节：
• 间接调节：制造激活酶的微环境条件H+Mg++Mg++H+Mg++H+电子传递光pH上升Mg++增多基质膜腔(二)C3途径的调节

第38页：直接调节

• 直接调节：通过某种机理直接使酶激活
• 有两种机制
• 认为高等植物有Fd/Td系统，由硫氧还蛋白(Td)，铁氧还蛋白(Fd)，以及铁氧还蛋白---硫氧还蛋白还原酶(FTR)组成。
• Td的分子量：1200D，有一个-S-S-，非活性可以变成活性形式：-S-S--SH-SH(二)C3途径的调节

第39页：

第40页：作用过程

• 作用过程：
• 首先：4Fd(氧化型)+2H2O4Fd(还原型)+O2+4H+
• 然后：2Fd(还原型)+Td(氧化型)2Fd(氧化型)+Td(还原型)
• Td(还原型)+ 酶Td(氧化型)+激活酶叶绿体光FTR(二)C3途径的调节

第41页：Anderson提出了光效应中介

• Anderson提出了光效应中介物学说：认为膜上含有一种带两个-SH的物质(蛋白)，在光下能激活某些光合作用的酶。这种蛋白称为光效应中介物(LEM)。膜—LEM 兼性离子去污剂膜LEM 不激活光合酶组合光激活光合酶(2)、光效应中介物(LEM)
• ①激活酶的物质在膜上②激活物质中含有-SH亚砷酸处理(无酶活）

第42页：3.光合产物运输的调节

• 光合产物运输的调节
• 光合作用的产物是三碳糖（C3-P，向外转动，合成其他。C3-P有一个磷酸，大量带出所有磷酸，所以转出一个C3-P则运进一个无机Pi。
• 担任转运Pi的是一个蛋白—反向运载体。
• 磷肥过多会减产？(二)C3途径的调节

第43页：

第44页：二、光呼吸

二、光呼吸1920年瓦伯格在用小球藻做实验时发现，O2对光合作用有抑制作用，这种现象被称为瓦伯格效应(Warburgeffect)。这实际上是氧促进光呼吸的缘故。光呼吸：植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气,释放CO2的反应。(一)光呼吸的发现

第45页：1955年德克尔(J.P

• 1955年德克尔(J.P.Decher)用红外线CO2气体分析仪测定烟草光合速率时，观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光照，断光后叶片有一个CO2快速释放(猝发)过程。CO2猝发(CO2outburst)现象实际上是光呼吸的“余辉”，即在光照下所形成的光呼吸底物尚未立即用完，在断光后光呼吸底物的继续氧化。现在通常把1955年作为发现光呼吸的年代。
• 1971年托尔伯特(Tolbert)阐明了光呼吸的代谢途径。

第46页：

第47页：

第48页：光呼吸的生化途径现在认

(二)光呼吸的生化途径现在认为光呼吸的生化途径是乙醇酸的代谢，主要证据：以上两步反应在叶绿体中进行

第49页：乙醇酸代谢要经过三种细胞器

乙醇酸代谢要经过三种细胞器：叶绿体过氧化体线粒体

第50页：其中耗氧反应部位有两处

• 其中耗氧反应部位有两处，一是叶绿体中的Rubisco加氧反应，二是过氧化体中的乙醇酸氧化反应。
• 脱羧反应则在线粒体中进行，2个甘氨酸形成1个丝氨酸时脱下1分子CO2。图光呼吸途径及其在细胞内的定位
• ①Rubisco；②磷酸乙醇酸磷酸(酯)酶；③乙醇酸氧化酶；④谷氨酸-乙醛酸转氨酶；⑤丝氨酸-乙醛酸氨基转移酶；⑥甘氨酸脱羧酶⑦丝氨酸羟甲基转移酶⑧羟基丙酮酸还原酶；⑨甘油酸激酶

第51页：从RuBP到PGA

从RuBP到PGA的整个反应总方程式为：RuBP+15O2+11H2O+34ATP+15NADPH+10Fdred5CO2+34ADP+36Pi+15NADP++10Fdox+9H+因为光呼吸底物乙醇酸和其氧化产物乙醛酸，以及后者经转氨作用形成的甘氨酸皆为C2化合物，因此光呼吸途径又称为C2光呼吸碳氧化循环，简称C2循环。

第52页：光合作用和光呼吸都由

光合作用和光呼吸都由Rubisco开始。光合作用的电子运输提供ATP和NADPH；光呼吸消耗ATP和FdxRED。C3循环中的一种底物CO2是C2循环的产物；同样地，C2循环的底物O2是C3光合作用的产物。光合作用和光呼吸的联系

第53页：光呼吸与“暗呼吸”的区别相对

（三）光呼吸与“暗呼吸”的区别相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作“暗呼吸”。另外光呼吸速率也要比“暗呼吸”速率高3～5倍。

第54页：光呼吸的意义

(四)光呼吸的意义Rubisco既可催化羧化反应，又可以催化加氧反应，即CO2和O2竞争Rubisco同一个活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。Rubisco是进行羧化还是加氧，取决于外界CO2浓度与O2浓度的比值。从碳素角度看，光呼吸往往将光合作用固定的20%～40%的碳变为CO2放出(C3植物)；从能量角度看，每释放1分子CO2需消耗6.8个ATP，3个NADPH和2个高能电子，显然，光呼吸是一种浪费。在长期的进化历程中光呼吸为什么未被消除掉?这可能与Rubisco的性质有关。Rubisco催化特性

第55页：光呼吸生理意义

• 光呼吸生理意义：
• 回收碳素通过C2碳氧化环可回收乙醇酸中3/4的碳(2个乙醇酸转化1个PGA，释放1个CO2)。
• 维持C3光合碳还原循环的运转在叶片气孔关闭或外界CO2浓度低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持光合碳还原循环的运转。

第56页：3.防止强光对光合机构

•3.防止强光对光合机构的破坏作用在强光下，光反应中形成的同化力会超过CO2同化的需要，从而使叶绿体中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同时由光激发的高能电子会传递给O2，形成的超氧阴离子自由基O-·2会对光合膜、光合器有伤害作用，而光呼吸却可消耗同化力与高能电子，降低O-·2的形成，从而保护叶绿体，免除或减少强光对光合机构的破坏。

第57页：4.消除乙醇酸

• 消除乙醇酸乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，使细胞免遭毒害。
• 另外，光呼吸代谢中涉及多种氨基酸的转变，这可能对绿色细胞的氮代谢有利。
• C3植物中有光呼吸缺陷的突变体在正常空气中是不能存活的，只有在高CO2浓度下(抑制光呼吸)才能存活，这也说明在正常空气中光呼吸是一个必需的生理过程。

第58页：C4途径

• C4途径(一) C4 途径的发现
• 自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。
• 1954年，哈奇(M.D.Hatch)等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有与C3途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视。
• 1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克(H.P.Kortschak)等人报道，甘蔗叶中14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。

第59页：1966-1970年

• 1966-1970年，澳大利亚的哈奇和斯莱克(C.R.Slack) 重复上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸途径，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环，或叫Hatch-Slack途径。
• 至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4plant)。

第60页：C4植物高梁甘蔗田粟

C4植物高梁甘蔗田粟(millet)的穗形, “谷子”，去皮后称“小米”苋菜玉米

第61页：C4植物叶片结构特点

• (二）C4植物叶片结构特点
• C4植物维管束被发育良好的大型BSC包围，外面又密接1-2层叶肉细胞，这种呈同心圆排列的BSC与周围的叶肉细胞层被称为“花环”(Kranz,德语)结构，C4植物的BSC中含有大而多的叶绿体，线粒体和其它细胞器也较丰富。
• 栅栏组织与海绵组织分化不明显，叶片两侧颜色差异小。

第62页：两类光合细胞中含有不同的酶类

• 两类光合细胞中含有不同的酶类
• 叶肉细胞—PEPC等；BSC--Rubisco等参与C3途径的酶、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。
• 有两类光合细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞(BSC)。
• BSC与相邻叶肉细胞间的壁较厚，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这些结构特点有利于MC与BSC间的物质交换，以及光合产物向维管束的就近转运。C4植物叶片结构特点

第63页：

第64页：C4植物玉米花环状维管束细胞

C4植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图。紧密的维管束鞘四周被大的维管束鞘细胞环绕包围。在这类作物中大的叶绿体分布在维管束鞘细胞的外围，维管束细胞被叶肉细胞包围。

第65页：C4途径的反应过程

• (三)C4途径的反应过程C4途径中的反应虽因植物种类不同而有差异，但基本上可分为羧化、还原或转氨、脱羧和底物再生四个阶段(图22，C)。
• ①羧化反应在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；
• ②还原或转氨作用OAA被还原为苹果酸(Mal)，或经转氨作用形成天冬氨酸(Asp)；
• ③脱羧反应C4酸通过胞间连丝移动到BSC，在BSC中释放CO2，CO2由C3 途径同化；
• ④底物再生脱羧形成的C3酸从BSC运回叶肉细胞并再生出CO2受体PEP。图22 C4植物叶的结构以及C4 植物光合碳代谢的基本反应( )内为酶名；PEPC.PEP羧化酶; PPDK.丙酮酸磷酸二激酶

第66页：羧化阶段

• 羧化阶段
• 由PEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO3-羧化，形成OAA。
• 碳酸酐酶(CA)
• CO2+H2OCAHCO3-+H+
• PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量400 000，由四个相同亚基组成。PEPC无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。

第67页：还原或转氨阶段

• 还原或转氨阶段
• OAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。
• (1)还原反应由NADP-苹果酸脱氢酶催化，将OAA还原为Mal，该反应在叶肉细胞的叶绿体中进行：
• 苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过Fd-Td系统调节其活性。
• (2)转氨作用由天冬氨酸转氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH2基，形成天冬氨酸，该反应在细胞质中进行。

第68页：脱羧阶段根据植物所形成的初期

• 脱羧阶段根据植物所形成的初期C4二羧酸的种类以及脱羧反应参与的酶类，可把C4途径分为三种亚类型：
• ①依赖NADP的苹果酸酶的苹果酸型(NADP-ME型)；
• ②依赖NAD的苹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)。

第69页：叶绿体线粒体细胞质三种亚类型

叶绿体线粒体细胞质三种亚类型叶绿体的结构及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NAD-ME型植物，叶绿体在BSC中向心排列，而NADP-ME与PCK型，叶绿体在BSC中离心排列；另外NADP-ME型BSC中叶绿体的基粒不发达，PSⅡ活性低。NADP-ME型初期产物为Mal，而NAD-ME型与PCK型初期产物为Asp。

第70页：C4途径脱羧方式

C4途径脱羧方式—NADP-ME型

第71页：C4途径脱羧方式

C4途径脱羧方式—NAD-ME型

第72页：C4途径脱羧方式

C4途径脱羧方式—PCK型

第73页：底物再生阶段

• 底物再生阶段
• C4二羧酸脱羧后形成的Pyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受体PEP。
• NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然后再生成PEP。
• 此步反应要消耗2个ATP(因AMP变成ADP再要消耗1个ATP)。
• PPDK易被光活化，光下该酶的活性比暗中高20倍。
• 由于PEP底物再生要消耗2个ATP，这使得C4植物同化1个CO2需消耗5个ATP与2个NADPH。PPDK

第74页：C４途径的意义

• (四)C４途径的意义
• 在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C４植物显示出高的光合效率。C4植物具较高光合速率的因素有：1)C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO－3的亲和力极高，细胞中的HCO3－浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素；2)鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。

第75页：C4植物由于有

• 3)C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；
• 但是C4植物同化CO2消耗的能量比C３植物多，也可以说这个“CO2泵”是要由ATP来开动的，故在光强及温度较低的情况下，其光合效率还低于C３植物。可见C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。4)高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求；

第76页：光呼吸比较

光呼吸比较C4植物C3植物

第77页：景天科酸代谢途径

四、景天科酸代谢途径(一)CAM在植物界的分布与特征景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM(Crassulacean acid metabolism)途径景天科酸代谢途径（1）PEP羧化酶（2）苹果酸脱氢酶（3）NADP+—苹果酸酶OOA

第78页：CAM最早是在景天科植物中发现

• CAM最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科，1万多个种的植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中。其中凤梨科植物达1千种以上，兰科植物达数千种，此外还有一些裸子植物和蕨类植物。
• CAM植物起源于热带，往往分布于干旱的环境中，多为肉质植物，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和液泡，然而肉质植物不一定都是CAM植物。
• 常见的CAM植物有菠萝、剑麻、兰花、百合、仙人掌、芦荟、瓦松等。

第79页：剑麻芦荟落地生根龙舌兰绯牡丹昙花

剑麻芦荟落地生根龙舌兰绯牡丹昙花

第80页：CAM植物-瓦松属

CAM植物-瓦松属瓦松属1

第81页：多肉质植物鸡冠掌红司锦晃星静夜

多肉质植物鸡冠掌红司锦晃星静夜

第82页：CAM代谢的反应过程

• (二)CAM代谢的反应过程
• 典型CAM植物一天中的CO2固定速率，气孔导度、苹果酸和葡聚糖（如淀粉）含量变化以及代谢过程如图24和图25所示。图CAM植物气孔导度、CO2固定、苹果酸和葡聚糖含量的日变化
• 阶段Ⅰ.夜间CO2吸收旺盛期；
• 阶段Ⅱ.日间开始CO2吸收期；
• 阶段Ⅲ.日间CO2交换停止期；
• 阶段Ⅳ.日间结束CO2吸收期。

第83页：CO２固定昼夜变化分为4个阶段

CO２固定昼夜变化分为4个阶段：1.阶段ⅠPEPC的羧化阶段。夜间气孔开启，CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者还原成苹果酸贮存于液泡。此间CO2固定约占全天固定CO2的3/4左右，而白天贮存的葡聚糖在此期间用于形成PEP。2.阶段Ⅱ由PEPC羧化转向Rubisco羧化的阶段。白昼开始时气孔导度与CO2吸收出现一个高峰，此期间C４途径与C３途径同时进行，苹果酸积累中止。3.阶段ⅢRubisco同化CO2阶段。日间气孔关闭，停止从外界吸收CO2，苹果酸从液泡转移至细胞质，氧化脱羧。脱羧释放的CO2进入叶绿体被C３途径同化。4.阶段Ⅳ由Rubisco羧化转向由PEPC羧化的阶段。苹果酸脱羧降至最低点，气孔开始张开，CO2吸收增加，且由C3途径过渡至C4途径，从而又重复下一个昼夜变化周期。

第84页：图景天科酸代谢途径

图景天科酸代谢途径（CAM）。光合反应吸收的CO2暂时的分离：夜间CO2的吸收和固定，白天内部释放的CO2进行脱酸和再固定。

第85页：上述这些阶段的划分不是截然分明

• 上述这些阶段的划分不是截然分明的，而是逐渐地由一个阶段过渡到下一个阶段。
• CAM植物与C4植物固定与还原CO2的途径基本相同，二者的差别在于：
• C4植物是在同一时间(白天)和不同的空间(叶肉细胞和维管束鞘细胞)完成CO2固定(C4途径)和还原(C3途径)两个过程；
• 而CAM植物则是在不同时间(黑夜和白天)和同一空间(叶肉细胞)完成上述两个过程的。
• CAM植物由于白天气孔关闭、苹果酸脱羧、细胞间的CO2/O２比例高、以及CO２再固定率高，因而表观光呼吸较低。

第86页：C３、C４

• C３、C４、CAM植物的特性比较及鉴别(一)C3、C４、CAM植物的特性比较及鉴别1.特性比较
• 在光合作用与生理生态特性有较大的差异。见表4-4。C3 plantC4 plantCAM plant

第87页：

第88页：鉴别方法

• 鉴别方法(1)从同位素比区分(2)从进化方面区分(3)从分类学上区分(4)从地理分布区分(5)从植物外形区分
• 常用碳同位素比。所谓碳同位素比是指样品与标样(美洲拟箭石,一种古生物化石，其13C/12C为1.116‰)之间碳同位素比值的相对差异，以δ１３C(‰)表示：
• δ１３C(‰)=〔(试样的13C/12C )/(标样的13C/12C ) -1〕×1000
• 碳同位素比可作为碳代谢分类的方法，是基于各类植物对１2C与１３C的亲和力不同。
• C3植物的Rubisco是以CO2为底物,固定１2C比１３C要容易些，C4植物的PEPC则是以HCO３-为底物，固定１2C和１３C的速率基本相等。
• 将植物体燃烧释放出来的CO2分别按１２CO2和１３CO2进行定量分析，测定的结果
• C３植物的δ１３C为-35‰～-24‰
• C４植物为-17‰～-11‰
• CAM植物为-34‰～-13‰。
• 无论是用干燥的植物或是植物体化石，只需取极少量的样品就能测定δ１３C(‰)

第89页：鉴别方法

• 鉴别方法(1)从同位素比区分(2)从进化方面区分(3)从分类学上区分(4)从地理分布区分(5)从植物外形区分
• C３植物较原始，C4植物较进化。蕨类和裸子植物中就没有C4植物，只有被子植物中才有C4植物。
• 木本植物中未发现C4植物，只有草本植物中有C4植物。
• 由于单子叶植物比双子叶植物进化程度高，因此单子叶植物中C4植物约占C4植物总数的80%，而双子叶植物中C4植物较少，只占双子叶植物总数的0.2%。

第90页：鉴别方法

• 鉴别方法(1)从同位素比区分(2)从进化方面区分(3)从分类学上区分(4)从地理分布区分(5)从植物外形区分
• C4植物多集中在单子叶植物的禾本科中，约占C4植物总数的75%，其次为莎草科。危害最严重的18种农田杂草有14种是C4植物，它们生长得快，具有很强的竞争优势。例如稗草、香附子、狗牙根、狗尾草、马唐、蟋蟀草等都是C4植物。双子叶植物中C4植物多分布于藜科、大戟科、苋科和菊科等十几个科中。而豆科、十字花科、蔷薇科、茄科和葫芦科中都未出现过C4植物。

第91页：鉴别方法

• 鉴别方法(1)从同位素比区分(2)从进化方面区分(3)从分类学上区分(4)从地理分布区分(5)从植物外形区分
• 由于C３植物生长的适宜温度较低，而C4植物生长的适宜温度较高，因而在热带和亚热带地区C4植物相对较多，而在温带和寒带地区C３植物相对较多。
• 在北方早春开始生长的植物几乎全是C３植物，直至夏初才出现C4的植物。
• CAM植物主要分布在干旱、炎热的沙漠沙滩地区。

第92页：鉴别方法

• 鉴别方法(1)从同位素比区分(2)从进化方面区分(3)从分类学上区分(4)从地理分布区分(5)从植物外形区分
• 由于C３植物栅栏组织和海绵组织分化明显，叶片背腹面颜色不一致，而C4植物分化不明显，叶背腹面颜色较一致，多为深绿色。C３植物BSC不含叶绿体，外观上叶脉是淡色的，而C4植物BSC有叶绿体，叶脉就显现绿色，具有花环结构。
• C３植物叶片上小叶脉间的距离较大，而C4植物小叶脉间的距离较小。
• 测一下CO２补偿点，或光下向无CO２气体中的CO２释放量(光呼吸速率)。通常C4植物的这两个测定值都较低。
• CAM植物的生长量大多很低。多肉型的，往往具有角质层厚、气孔下陷，叶面上有蜡质层等旱生特征。

第93页：C３、C４

• (二)C３、C４、CAM植物的相互关系
• 从生物进化的观点看，C４和CAM植物是从C３植物进化而来的。
• 由于长期受环境的影响，使得在同一科属内甚至在同一植物中可以具有不同的光合碳同化途径。例如C３植物感病时往往会出现C４植物的特征，如C３植物烟草感染花叶病毒后，PEPC代替了被抑制了的Rubisco，在幼叶中出现了C４途径。玉米幼苗叶片具有C３特征，至第五叶才具有完全的C４特性。C４植物衰老时，会出现C３植物的特征。也有一些肉质植物在水分胁迫条件下由C４途径转变为CAM途径。CAM植物则有专性和兼性之分。

第94页：总之，不同碳代谢类型之间

•总之，不同碳代谢类型之间的划分不是绝对的，它们在一定条件下可互相转化，这也反映了植物光合碳代谢途径的多样性、复杂性以及在进化过程中植物表现出的对生态环境的适应性。