09 第四章 植物的光合作用(2).2.ppt

第1页：光合作用的过程光能

光合作用的过程光能CO2色素分子C52C3ADP+PiATPH2OO2[H]多种酶酶吸收光解光反应阶段暗反应阶段水的光解：H2O 2[H]+1/2 O2光解CO2的固定: CO2+C5 2C3酶还原酶固定供能（CH2O）酶C3化合物还原：2 C3 （CH2O）6ATP酶[H],ADP+Pi光合磷酸化：ADP+Pi＋能量ATP酶

第2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
• 光合作用的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:
• 原初反应:光能的吸收、传递和转换成电能；
• 电子传递和光合磷酸化:电能转变为活跃化学能;
• 碳同化:活跃的化学能转变为稳定的化学能。

第3页：光合作用中能量转变情况

表1 光合作用中各种能量转变情况：下表比较各阶段能量转变的贮能物质、转变过程、时间跨度与反应部位。

注：原文“是否需光”一行仅有三项数据，稳定的化学能一栏原文缺失，以“—”标注，待对照原图补充。

第4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5页：原初反应

第三节原初反应•原初反应

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。•它包括：原初反应特点1)速度非常快，10－12s∽10－9s内完成；2)与温度无关，(77K，液氮温度)(2K，液氦温度)；3)量子效率接近1光物理－光能的吸收、传递光化学－有电子得失

第6页：反应中心色素

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”。聚光色素（天线色素）：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。概念

第7页：

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第10页：光合单位光合膜上能进行完整光反应

光合单位光合膜上能进行完整光反应的最小结构单位

第11页：

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第14页：光能的吸收与传递

• 光能的吸收与传递(一)激发态的形成
• 能量的最低状态─基态。
• 色素分子吸收了一个光子后-----高能的激发态。
• Chl（基态）+hυ 10－15sChl*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。（激发态）

第15页：叶绿素分子受光激发后的能级变化

• 叶绿素分子受光激发后的能级变化
• 叶绿素：红光区:被红光激发，电子跃迁到能量较低的第一单线态蓝光区:被蓝光激发，电子跃迁到第二单线态。
• 配对电子的自旋方向：单线态；三线态；第一单线态；第二单线态图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图虚线表示吸收光子后所产生的电子跃迁或发光，实线表示能量的释放，半箭头表示电子自旋方向

第16页：激发态的命运

(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17页：Chl*→Chl+热

• Chl*→Chl+热Chl*→ChlT+热ChlT→Chl+热
• 另外吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能量虽远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的，在极短的时间内以热能释放。
• 由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。在能量利用上蓝光没有红光高。1.放热
• 激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量，此过程又称内转换或无辐射退激。？？

第18页：发射荧光与磷光

• 发射荧光与磷光
• 激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能量。
• 荧光。
• 磷光。
• Chl*Chl ＋hν 荧光发射
• ChlTChl ＋hν 磷光发射
• 磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧光的1%，故需用仪器才能测量到。10-9s 10-2s

第19页：对提取的叶绿体色素浓溶液照光

• 对提取的叶绿体色素浓溶液照光，在与入射光垂直的方向上可观察到呈暗红色的荧光。
• 因为溶液中缺少能量受体或电子受体的缘故。
• 荧光猝灭剂：在色素溶液中，如加入某种受体分子，能使荧光消失。常用Q表示。在光合作用的光反应中，Q即为电子受体。
• 色素发射荧光的能量与用于光合作用的能量是相互竞争的，这就是叶绿素荧光常常被认作光合作用无效指标的依据。离体色素溶液为什么易发荧光？

第20页：色素分子间的能量传递

• 激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程。Chl*1＋Chl2 Chl1＋Chl*2供体分子受体分子3.色素分子间的能量传递
• 一般认为，色素分子间激发能不是靠分子间的碰撞传递的，也不是靠分子间电荷转移传递的，可能是通过“激子传递”或“共振传递”方式传递。

第21页：激子传递

激子传递•激子通常

非金属晶体中由电子激发的量子，它能转移能量但不能转移电荷。•这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。

第22页：共振传递

• 共振传递
• 在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。共振传递示意图
• 在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种分子。分子既无光的发射也无光的吸收，也无分子间的电子传递。

第23页：图光合作用过程中能量运转

图光合作用过程中能量运转的基本概念通过上述色素分子间的能量传递，聚光色素吸收的光能会很快到达并激发反应中心色素分子，启动光化学反应。

第24页：图聚光系统到反应中心能量激发呈漏

图聚光系统到反应中心能量激发呈漏斗状

第25页：光化学反应

• 光化学反应(一)反应中心与光化学反应1.反应中心
• 原初反应的光化学反应是在光系统的反应中心进行的。
• 反应中心是发生原初反应的最小单位。
• 由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子受体与供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质等成分组成的。

第26页：反应中心中

•反应中心中的原初电子受体

直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体•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，因此反应中心色素分子又称原初电子供体。

第27页：光系统‖的反应中心配对叶绿素去镁

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28页：光化学反应

• 光化学反应
• 原初反应的光化学反应实际就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，可用下式表示光化学反应过程：P·AhυP*·AP+·A－基态反应中心激发态反应中心电荷分离的反应中心
• 反应中心出现了电荷分离(P+)(A-)，到这里原初反应也就完成了。

第29页：原初电子供体P+失去电子

• 原初电子供体P+失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱”，便可从次级电子供体(D)那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体(A1)。
• 那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为：
• D·〔P+·A－〕·A1D+·〔P·A〕·A1－
• 这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。

第30页：PSⅠ和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
• P700、P680红降现象和双光增益效应

第31页：图9 菠菜反应中心色素吸收光谱

• 图9 菠菜反应中心色素吸收光谱的变化照光下PSⅠ(A)、PSⅡ(B)反应中心色素氧化，其氧化态，与还原态的吸收光谱差值最大变化的波长所在位置分别是700nm(A)和682nm(B)。
• PSⅠ和PSⅡ反应中心中的原初电子供体很相似，都是由两个叶绿素a分子组成的二聚体，分别用P700、P680来表示。
• 这里P代表色素，700、680则代表P氧化时其吸收光谱中变化最大的波长位置是近700nm或680nm处。

第32页：光合作用

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33页：PSⅠ和PSⅡ的光化学反应

• PSⅠ和PSⅡ的光化学反应
• PSⅠ的原初反应：
• P700·A0hυP700*·Ａ0 P700＋·A0－
• PSⅡ的原初反应：
• P680·PheohυP680*·PheoP680+·Pheo-
• 在原初反应中，受光激发的反应中心色素分子发射出高能电子，完成了光→电转变，随后高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。

第34页：功能与特点(吸收光能光化学反应

功能与特点(吸收光能光化学反应)电子最终供体次级电子供体反应中心色素分子原初电子供体原初电子受体次级电子受体末端电子受体PSⅠ还原NADP+，实现PC到NADP+的电子传递PCP700叶绿素分子(A0)铁硫中心NADP+(电子最终受体)PSⅡ使水裂解释放氧气，并把水中的电子传至质体醌。水YZP680去镁叶绿素分子(Pheo)醌分子(QA)质体醌PQPSⅠ和PSⅡ的电子供体和受体组成

第35页：

第36页：电子传递和光合磷酸化原初反应

• 第四节电子传递和光合磷酸化原初反应的结果:
• 产生了高能电子推动着光合膜上的电子传递。电子传递的结果:
• 引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；
• 建立了跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，形成ATP。这样就把电能转化为活跃的化学能。

第37页：电子和质子的传递

• 电子和质子的传递（一）光合链
• 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。
• 希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充的“Z”方案。
• 即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写的“Z”形。

第38页：

第39页：

第40页：1)电子传递链主要由光合膜上

• (1)电子传递链主要由光合膜上的PSⅡ、Cyt b６/f、PSⅠ三个复合体串联组成。
• (2)电子传递有二处逆电势梯度，即P680至P680*，P700至P700*，逆电势梯度的电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动，而其余电子传递都是顺电势梯度的。“Z”方案特点：图10 叶绿体中的电子传递模式方框代表了蛋白复合物。LHCⅠ和LHCⅡ分别是PSⅠ和PSⅡ各自的聚光色素复合体，M为含Mn的放氧复合体，实线箭头表示非环式电子传递方向；虚线箭头表示环式或假环式电子传递分叉处。

第41页：3)水的氧化

• (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，水氧化时，向PSⅡ传交4个电子，使2H2O产生1个O2和4个H+。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。

第42页：光合电子传递体的组成与功能

• (二)光合电子传递体的组成与功能1.PSⅡ复合体
• PSⅡ的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中的电子传至质体醌。(1)PSⅡ复合体的组成与反应中心中的电子传递
• PSⅡ是含有多亚基的蛋白复合体。组成：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。PSII反应中心结构模式图

第43页：组成中心天线

组成中心天线的CP47和CP43

分子量分别为47 000、43 000并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比LHCⅡ更快地把吸收的光能传至PSⅡ反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线”。

第44页：PSⅡ反应中心

PSⅡ反应中心的核心部分是分子量分别为32000和34000的D1和D2两条多肽。D1很容易受到光化学破坏，会发生活性逆转。反应中心的次级电子供体Z、中心色素P680、原初电子受体Pheo、次级电子受体QA、QB等都结合在D1和D2上。其中与D1结合的质体醌定名为QB，与D2结合的质体醌定名为QA。Q有双重涵义，既是醌(quinone)的字首，又是荧光猝灭剂(quencher)的字首。

第45页：QA是单电子体传递体

•QA是单电子体传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌。它的电子再传递至QB，QB是双电子传递体，QB可两次从QA接受电子以及从周围介质中接受2个H+而还原成氢醌(QH2)。这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换，生成PQH2。

第46页：水的氧化与放氧

• (2)水的氧化与放氧
• CO２+2H２O*光叶绿体(CH２O)+O2*+H２O
• 放氧复合体(OEC)又称锰聚合体(M,MSP)，在PSⅡ靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。
• 水的氧化反应是生物界中植物光合作用特有的反应，也是光合作用中最重要的反应之一。
• 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＋。

第47页：20世纪60年代

• 20世纪60年代，法国的乔利尔特(P. Joliot)发明了能灵敏测定微量氧变化的极谱电极，用它测定小球藻的光合放氧反应。
• 他们将小球藻预先保持在暗中，然后给以一系列的瞬间闪光照射(如每次闪光5～10μs，间隔300ms)。
• 发现闪光后氧的产量是不均量的，是以4为周期呈现振荡，即第一次闪光后没有O２的释放，第二次释放少量O２，第三次O２的释放达到高峰，每4次闪光出现1次放氧峰
• 用高等植物叶绿体实验得到同样的结果。图12系列闪光对小球藻放氧量的影响在第三个闪光阶段氧形成量最大，以后每四个闪光都可以看到一个周期性的峰值。氧形成量大约在第20个闪光后体系放O２的周期性会逐渐消失，放O２量达到某一平稳的数值。(Joliot，1965 )

第48页：科克(B

• 科克(B.Kok，1970)等人根据这一事实提出了关于H２O裂解放氧的“四量子机理假说”：
• ①PSⅡ的反应中心与H２O之间存在一个正电荷的贮存处(S)
• ②每次闪光，S交给PSⅡ反应中心1个e－；
• ③当S失去4e－带有4个正电荷时能裂解2个H２O释放1个O２(图13)
• 图中S即为M，按照氧化程度(即带正电荷的多少)从低到高的顺序，将不同状态的M分别称为S０、S１、S２、S３和S４。即S０不带电荷，S１带1 个正电荷，……S4带4个正电荷。
• 每一次闪光将状态S 向前推进一步，直至S４。然后S４从2 个H２O中获取4 个e－，并回到S０。图13 在水裂解放氧中的S状态变化(修改过的Kok水氧化钟模型，注明了H＋的释放部位)

第49页：质醌质醌

• 质醌
• 质醌(PQ)也叫质体醌，是PSⅡ反应中心的末端电子受体，也是介于PSⅡ复合体与Cyt b６/f复合体间的电子传递体。
• “PQ库”；叶绿素的5%～10%。
• 质体醌为脂溶性分子，质体醌有一个醌的头和一个长的非极性的尾，尾部使质体醌定位于膜中，能在类囊体膜中自由移动，转运电子与质子。

第50页：PQ库作为电子、质子的缓冲库

• PQ库作为电子、质子的缓冲库，能均衡两个光系统间的电子传递(如当一个光系统受损时，使另一光系统的电子传递仍能进行)，可使多个PSⅡ复合体与多个Cyt b６/f 复合体发生联系，使得类囊体膜上的电子传递成网络式地进行。
• 质体醌是双电子、双质子传递体，对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。Cytb6/f

第51页：Cytb６/f复合体

• Cytb６/f复合体
• Cytb６/f复合体作为连接PSⅡ与PSⅠ两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由4个多肽组成，即Cytf、Cytb、Rieske(铁-硫蛋白)、17kD的多肽等。

第52页：PQH２+2PC(Cu２＋) C

• PQH２+2PC(Cu２＋) Cyt b６/fPQ +2PC(Cu＋)+ 2H＋
• Cyt b６/f 复合体主要催化PQH２的氧化和PC的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此Cyt b６/f 复合体又称PQH２·PC氧还酶。

第53页：关于Cytb６/f 复合体介导

关于Cytb６/f 复合体介导的跨膜质子转移的机理，Mitchell曾提出Q循环的假设：1.还原的PQH2将2个电子中的一个传给Cytb6/f 复合体中的FeSR，再交给Cytf，进而传给PC，2.与此同时，PQH2又将第二个电子交给低电位的b６，并释放2个H+到膜腔内，电子由低电位的b６传至高电位的b６，再将电子传至PQ。经过两次电子循环后，PQ两次被还原，双还原的PQ又从膜外结合两个质子，并将其贮入质醌库中。Q 循环

第54页：

第55页：4.质蓝素

• 质蓝素
• 质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cyt b６/f复合体与PSⅠ之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。

第56页：PSⅠ复合体存在类囊体非堆叠

•PSⅠ复合体存在类囊体非堆叠的部分，PSⅡ复合体存在堆叠部分，而Cyt b６/f 比较均匀地分布在膜中，因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。

第57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58页：高等植物

高等植物的PSⅠ由反应中心和LHCⅠ等组成。

第59页：PSI反应中心结构模式FX

PSI反应中心结构模式FX，FA，FB的Fe-S中心A0A1

第60页：FX、FA、FB是PSⅠ中3个铁

FX、FA、FB是PSⅠ中3个铁硫蛋白，都具有4铁-4硫中心结构，其中4个硫与蛋白质的4个半胱氨酸残基连接，它们主要依4铁-4硫中心中的铁离子的氧化还原来传递电子。图14 铁-硫中心的模型左：4铁-4硫型；右：2铁-2硫型

第61页：铁氧还蛋白

• 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。
• Fd是通过它的2铁-2硫活性中心中的铁离子的氧化还原传递电子的。
• FNR 含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黄素的氧化还原来传递H+。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62页：Fd也是电子传递的分叉点

•Fd也是电子传递的分叉点。电子从PSⅠ传给Fd后, Fdred去向：传给FNR进行非环式电子传递；传给Cyt b６/f 或经NADPH再传给PQ进行环式电子传递；传给氧进行假环式电子传递；交给硝酸参与硝酸还原；传给硫氧还蛋白(Td)进行光合酶的活化调节……。

第63页：光合膜上的电子与H+的传递图

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64页：

第65页：LHCⅡ等受光激发后将接受

• LHCⅡ等受光激发后将接受的光能传到PSⅡ反应中心P680，并在那里发生光化学反应，同时将激发出的e－传到原初电子受体Pheo，再传给靠近基质一边的结合态的质体醌(QA)，从而推动了PSⅡ的最初电子传递。P680失去e－后，变成一个强的氧化剂，它向位于膜内侧的电子传递体YZ争夺电子而引起水的分解，并将产生的氧气和H+释放在内腔。另一方面，QA的e－经QB传给PQ，PQ的还原需要2e-和来自基质的2H+。还原的PQH2向膜内转移，传2e-给Cytb6/f复合体，其中1个e-交给Cytb６/f，进而传给PQ，另1个e-则传给〔Fe-S〕R。因为Cytb６/f的氧化还原仅涉及电子，所以2H+就释放到膜腔。还原的Cytf将e-经位于膜内侧表面的PC传至位于膜内侧的PSⅠ反应中心P700。
• 与PSⅡ一样，P700受光激发后，把e-传给A０，经A１、FX、FA和FB，再把e-交给位于膜外侧的Fd与FNR，最后由FNR使NADP+还原，NADP+还原时，还要消耗基质中的H+。NADPH留在基质中，用于光合碳的还原。
• 在电子传递的同时，H+从基质运向膜内腔，产生了膜内外的H+电化学势梯度。依电化学势梯度，H+经ATP酶流出时偶联ATP的产生，形成的ATP留在基质中，用于各种代谢反应。

第66页：光合膜上

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67页：光合电子传递的类型

• (三) 光合电子传递的类型
• 根据电子传递到Fd后去向，将光合电子传递分为三种类型。
• 非环式电子传递
• H２O→ PSⅡ→PQ→Cyt b６/f→PC→PSⅠ→Fd→FNR→ NADP＋
• 4个e-，2个H2O，1个O2，2个NADP+，8个光量子，8个H+

第68页：环式电子传递

• 环式电子传递
• (1)PSⅠ中环式电子传递：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，每传递一个电子需要吸收一个光量子。
• (2)PSⅡ中环式电子传递：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69页：假环式电子传递

3.假环式电子传递•也

梅勒反应(Mehler′s reaction)。•H２O→PSⅡ→PQ→Cytb６/f→PC→ PSⅠ→Fd →O２•Fd还原+ O2 Fd氧化+ O2-•超氧化物歧化酶(SOD) •O2-+ O2-+ 2H2 SOD2H2O2+ O2

第70页：

第71页：光合磷酸化的发现

光合磷酸化的发现1954，Arnon等发现向菠菜叶绿体加入ADP、Pi和NADP+，在光下不加入CO2时，在体系中有ATP和NADPH产生。完整叶绿体黄色上清液离心破碎绿色上清液含暗反应的酶ADP、Pi和NADP+ATP和NADPH二、光合磷酸化

第72页：光合磷酸化

• 光合磷酸化：
• 光下在叶绿体(或载色体)中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应概念

第73页：光合磷酸化的类型

• (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。
• 2NADP+＋3ADP＋3Pi 8hυ叶绿体2NADPH＋3ATP＋O2+2H+＋６H２O
• 在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成ATP外，同时还有NADPH的产生和氧的释放。
• 含有基粒片层的放氧生物所特有，在光合磷酸化中占主要地位。

第74页：环式光合磷酸化

• 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
• 非光合放氧生物光能转换的唯一形式，主要在基质片层内进行。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75页：假环式光合磷酸化

• 假环式光合磷酸化
• 与假环式电子传递偶联产生ATP的反应。
• 既放氧又吸氧。
• H２O+ADP＋Pi光叶绿体ATP+O2-·＋4H+

第76页：光合磷酸化

• (二)光合磷酸化的机理１.光合磷酸化与电子传递的关系--偶联三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联：
• 如在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂,光合磷酸化就会停止；
• 在偶联磷酸化时，电子传递则会加快，所以在体系中加入磷酸化底物会促进电子的传递和氧的释放。
• (解偶联:发生电子传递而不伴随磷酸化作用)

第77页：磷酸化和电子传递的关系偶联可用

• 磷酸化和电子传递的关系偶联可用ATP/e２或P/O来表示。
• ATP/e２:表示每对电子通过光合电子传递链而形成的ATP分子数
• P/O：表示光反应中每释放1个氧原子所能形成的ATP分子数。比值越大，表示磷酸化与电子传递偶联越紧密。

第78页：光合磷酸化的机理

• 光合磷酸化的机理
• 中间产物学说
• 变构学说
• 化学渗透学说

第79页：

第80页：化学渗透学说

• 化学渗透学说(chemiosmotic theory)
• 由英国的米切尔(Mitchell1961)提出
• 该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：①由磷脂和蛋白构成的膜对离子和质子的透过具有选择性②具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜上③膜上有偶联电子传递的质子转移系统④膜上有转移质子的ATP酶
• 在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：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(protonmotiveforce,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。

第81页：化学渗透学说

• (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82页：②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，而这时并没照光，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83页：酸-碱磷酸化实验

酸-碱磷酸化实验

第84页：③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85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+) (kJ·mol-1)：ΔμH+=μH+内-μH+外=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+96.5ΔE
• 将两边用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质子动力大部分是来自ΔpH部分ΔE？

第86页：叶绿体类囊体膜上

叶绿体类囊体膜上ATP的生成

第87页：ATP合成的部位

• ATP合成的部位——ATP酶
• ATP酶(ATPase)又叫ATP合成酶，也称偶联因子或CF1-CFo复合体。质子反向转移和合成ATP是在ATP酶上进行的。
• 叶绿体的ATP酶由两个蛋白复合体组成
• ATP酶由九种亚基组成，分子量为550000左右H+transportorientation？
• 合成ATP
• 水解ATP

第88页：CF1的分子量约40

CF1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突出于膜表面亲水性

第89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。
• 质子泄漏：类囊体膜失去CF1后。加进CFo的抑制剂后，就停止了。
• 表明CFo是质子的“通道”，供应质子给CF1去合成ATP。CF1如何利用H＋越膜所释放的能量来合成ATP？结合转化机制的变构学说，由Paul Boyer提出埋置于膜中疏水性

第90页：结合转化机制的变构学说该学说认

结合转化机制的变构学说该学说认为，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91页：构象的相互依次转化是和质子

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92页：按照Boyer

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93页：光合磷酸化的抑制剂叶绿体进行

4.光合磷酸化的抑制剂叶绿体进行光合磷酸化，必须：(1)类囊体膜上进行电子传递；(2)类囊体膜内外有质子梯度；(3)有活性的ATP酶。破坏这三个条件之一的试剂都能使光合磷酸化中止，这些试剂--------光合磷酸化的抑制剂。

第94页：抑制剂类型

• 抑制剂类型
• (1)电子传递抑制剂指抑制光合电子传递的试剂，如羟胺(NH2OH)切断水到PSⅡ的电子流，DCMU抑制从PSⅡ上的QB到PQ的电子传递；KCN和Hg等则抑制PC的氧化。一些除草剂如西玛津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、异草定(isocil)等也是电子传递抑制剂。

第95页：2)解偶联剂指解除磷酸化反应与电

•(2)解偶联剂指解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonylcyanide-3-chlorophenylhydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌素、NH＋４等，增加类囊体膜对质子的透性或增加偶联因子渗漏质子的能力，其结果是消除了跨膜的H+电化学势，而电子传递仍可进行，甚至速度更快,但磷酸化作用不再进行。抑制剂类型

第96页：3)能量传递抑制剂指直接作用

•(3)能量传递抑制剂指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB)作用于CF1，寡霉素作用于CFo(CFo下标的o就是表明其对寡霉素oligomycin敏感)。它们都抑制了ATP酶活性从而阻断光合磷酸化。抑制剂类型

第97页：百草枯（一种除草剂）2

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。

第98页：光反应中的光能转化效率

三、光反应中的光能转化效率•光能转化效率

光合产物中所贮存的化学能占光合作用所吸收的有效辐射能的百分率。光反应中，植物把光能转变成化学能贮藏在ATP和NADPH中。•每形成1molATP需要约50kJ能量，每形成1molNADPH便有2mole－从0.82V(H2O/O2氧化还原电位)上升到－0.32V(NADPH电位)。这一过程的自由能变化为G=－nF△E=－2×96.5×(－0.32-0.82)=220kJ•如果按非环式电子传递,每吸收8mol光量子形成2molNADPH和3molATP来考虑，在光反应中吸收的能量按680nm波长的光计算，则8mol光量子的能量(E２)为：•E２=hNC/λ×8=6.626×10－３４Ｊ·s×6.023×１０２３×(3.0×108m·s－１／６８０×１０－９m)×8=1410kJ•8mol光子可转化成的化学能(E１)(2molNADPH和3molATP)•E１=220kJ×2+50kJ×3=590kJ•能量转化率= (光反应贮存的化学能/吸收的光能) =E1/E2=590kJ/1410kJ≈0.42=42%