第四章2光合作用-52

Z链电子传递的氧化还原电位示意图
光解
光合电子传递体及其在类囊体膜上的分布
基质
内腔
4．电子传递链的组成
位置
• 1）光系统II • 光合电子链上的第 一个蛋白复合体， 它利用光能推动电 子传递，导致水的 裂解和氧气的释放， 并将电子传递到质 体醌（PQ）。
• （1）PSII复合体的结构 • 大约250个chls以及β－胡 萝卜素，叶黄素，新黄 素和紫黄质。复合体多 肽有20多种。 • 分三部分： • ①捕光天线系统； • ②反应中心的电子传递 链； • ③水氧化放氧系统。 • 另外，与D1－D2多肽紧 结合的9kDa（α）和 4kDa（β）两个多肽构成 细胞色素-b559，其功能 不太清楚，可能参与围 绕PSII的循环电子传递。
5）环式电子传递
• PSII上可能存在通 过Cytb559的环绕 PSII的电子循环， 此循环由醌提供电 子给Cytb559，再 通过与P680结合 紧密的叶绿素a传 递给P680。在饱 和光照下，约有15 ％的电子进行循环。
• PSI还原侧的电子可以通 过Fd返回到PQ而构成围 绕PSI的循环电子传递， 但具体的传递过程尚不清 楚。 • 曾认为Fd直接将电子交 给Cytb6，再向PQ传递。 但目前认为Cytb6位于膜 的疏水区，使得具有亲水 性的Fd难以与之直接接 触，因此，这一传递途径 不大可能发生。 • 有人认为电子还可以在 Fd：质醌氧还酶（FQR） 作用下从Fd传递给PQ， 然而FQR的实体至今尚 未发现。 • 还原的Fd也能将电子传 递给分子氧，使叶绿体在 照光下发生吸氧反应。
• 锰、钙、氯是水氧化的必需元素。S状态循环过程包括由4 个锰原子组成的聚集体，称为锰簇（Mn cluster）。 S态 的转换代表着锰原子的不同氧化状态。这些锰原子被4个 独立的光化学反应依次转化为高价的状态，每一次P680被 光激发从D1－161Tyr得到1个电子，锰簇就会转变到一个 新的氧化状态，直到氧气放出后，锰簇又回到原初状态， 由此形成了锰簇氧化状态的循环。
• 4）光系统I • 光系统I从质篮素接受电子，利用光能推动电子传 递，最终将电子传递到铁氧还蛋白，因此可以把 PSI作为氧化还原酶系，氧化PC，还原Fd，也可 称4个左右多肽（A、B、 C…，其中5个叶绿体基因编 码，其余核基因编码）、100 个左右的chla、几个胡萝卜素、 2个维生素K1（叶醌，A1）、 3个4Fe-4S中心。 • 绿藻和高等植物还含有内天线 捕光色素蛋白复合体I （LHCI），含有约100个左右 叶绿素分子，故将PSI（＋ LHCI）称为PSI－200。
由叶绿体基因编码的PsaA(83kDa)和PsaB(82kDa)是PSI反应 中心的基本多肽结构，组成跨膜的对称异二聚体结构。除 FA/FB外，所有电子载体都结合其上，几乎所有的PSI核心复 合体的叶绿素a及胡萝卜素都结合其上。 • 叶绿体基因编码的PsaC （8.9kDa），位于基质 面，是FA/FB的结合场 所，其提供FA和FB铁 硫中心的配位基。 • 核基因编码的 PsaF(17kDa)位于类囊 体腔面，为PC提供结合 部位。 • 核基因编码的 PsaD(15kDa)位于基质 面，为Fd的结合提供位 点。 • PsaE位于基质面，可能 参与循环电子传递，与 Fd的结合有关。
• （2）细胞色素b/f复合体 • 组成与结构：细胞色素b/f复合体是一种多亚基 膜蛋白，在植物体内以二聚体的形式存在。有4 个主要亚基：cytf、cytb6、Rieske-Fe-S蛋白和 亚基Ⅳ。
• 电子传递：细胞色素b/f复合体可以看作为氧化还 原酶类，它催化PQH2的氧化和PC的还原，在此 过程中，一部分自由能被细胞色素b/f复合体转变 为质子的驱动力，把质子从类囊体外的基质中转 移到类囊体的腔中，形成跨膜的质子梯度。
• （3）质篮素（PC） • PC是40kDa的含铜的水溶性蛋白，由4条多 肽组成，每条多肽上含有1个铜原子，结合 在组氨酸残基上，还有2个硫原子结合于胱 氨酸残基上。 • 氧化态的PC是蓝色的。存在于类囊体腔内。 • 由于质篮素是核基因编码的蛋白质，必须 经叶绿体膜和类囊体膜2个膜系统才能进入 类囊体腔。 • 可能主要承担两个光系统间及色素蛋白复 合体间电子的扩散过程。
（二）光反应中心和电子传递过程
• 1.原初光化学反应 • 在生物体内，利用光能生成化学能的过程 都是光化学反应——利用光能推动氧化还 原反应的进行。原初反应是光合作用中将 光能转化成化学能的起始过程，也是光反 应的起始过程。它是生物将太阳光能转换 成化学能的最初的重要反应过程。其过程 为： hυ • DPA D P* A D P ＋ A－ D＋ P A － • 原初的电荷分离经过一系列电子载体的传 递就形成了电子的流动。
• PSI的运转:
• P700是PSI的原初 电子供体，一般认 为是一对叶绿素a 分子，其吸收光谱 的峰值是700。 P700的氧还电位是 +430mV，受激发 的P700*氧还电位 是-1200mV，是生 物界氧还电位最低 的分子之一。
• PSI还原侧的电子传递: • 从Fd到NADP+的电子传递，是由Fd－NADP还原酶 （FNR）催化的。在此电子传递过程中，Fd是单电子 载体，而NADP+是双电子递体。其可能的转换过程是：
• PQH2失去2个电子的同 时将2个质子释放到类囊 体腔中，被氧化成PQ。 被还原的bH-把Qn位点的 PQ还原为半醌阴离子 PQ-，在下次PQH2电子 传递时从基质获取H+， 将PQ-还原为PQH2。据 此，每在Qp位点氧化2个 PQH2就会有4个电子进 行传递，2个经高电位途 径还原2个PC，另2个传 递到Qn位点产生1个 PQH2，同时，向类囊体 腔中释放4个质子，从基 质吸收2个质子。总结果： 氧化1分子PQH2为PQ， 向前传递2个电子，跨膜 运转4个质子。
•Rieske Fe-S 蛋白 •Cytf结构
•电子在细胞色素b/f复合体上的确切传递过程尚无定论。 目前广泛承认是醌循环模型。
• 在细胞色素b/f复合体上存在 两个Q结合位点： • Q氧化中心（Qp），在类囊 体的囊腔侧；Q还原中心 （Qn），在类囊体的基质 侧。 • 2个cytb6不同，1个是低电 位b6（bL），在Qp侧；另1 个是高电位b6(bH)，在Qn 侧。 • 当PQH2在Qp位点被氧化时， 第一个电子经： • PQH2→Rfe-S→Cytf→PC 途径（高电位电子传递途径） 进行传递。 • 其第二个电子则经低电位电 子传递途径传递： PQH2→CytbL→CytbH。
2.光反应中心
光合作用的反应中心是植物吸收光能进行原初光化学反应 的场所，是由原初电子供体（primary electron donor，D）、 原初电子受体（primary electron acceptor，A）等电子传递体、 作用中心色素分子（P）及维持这些电子传递体的微环境所必 须的色素蛋白复合体组成。 光反应中心分为两大类: I－型反应中心（type-I reaction center） II－型反应中心（type-II reaction center）
血红素
• 其反应中心还有14 个色素电子传递组 分：4个Bchl，2个 Bpheo，2个醌分子 （QA,QB），1个 非血红素Fe原子， 1个胡萝卜素和4个 血红素分子。其原 初电子供体 P870/P865，是由2 个Bchl组成的二聚 体（Dimer），被 称为“特殊对”。
• 3.电子传递链 • 光合作用能量转换 是在原初反应发生 电荷分离后，由光 能转变成电能，还 需经过光驱动的电 子传递和光合磷酸 化反应，才再转化 成稳定的化学能。 Z链是光合作用中 电子传递的主要途 径。
• • • •
2）PSII的水裂解放氧 PSII的一个重要功能是氧化水，它发生在PSII的氧化侧。 水的氧化式为：2H2O →O2+ 4H+ + 4ePSII需要积累4个氧化等量物才能从2个水分子中提取4 个还原等量物来产生1分子氧气。 Pierre Joliot 在20世纪60年 代，观察到，在适应了黑暗 条件后，用非常短的脉冲强 光照射，发现在第1、2次闪 光时几乎不产生氧气，在第 3次闪光时才有最大的放氧 量，之后的闪光都产生氧气 并逐渐达到稳定。
• PSII复合体在体内主要以二聚体的形式存在， 并且结合天线LHCII形成超分子复合体。
• （2）PSII的电子 传递 • PSII反应中心的电 子传递过程是： • D1-161Tyr（酪氨 酸） →P680+； • P680*→Pheo→QA →QB • 当P680的激发电子 传递给Pheo，就会 产生P680＋，其就 会从D1-161Tyr （过去称Z）残基 上夺取电子
实验证明钙、氯影响放氧，但具体作用不清楚。 • 锰簇结合在放氧 复合体的蛋白结 构上，另外放氧 复合体的三条肽 链也是水分子氧 化所必需的，其 功能可能是结合 Ca2+和Cl-，同时 保护锰簇免受外 部还原剂的影响， 33kDa多肽可能 起稳定锰簇的作 用。
• 3）两个光系统之间的电子传递 • 两个光系统之间的电子传递包括电子从PSII还原 侧的QA到PSI氧化侧的PC，中间有PQ，细胞色 素b/f和PC参加。 • （1）电子从QA到PQ的传递
（三）ATP的合成
I－型反应中心
II－型反应中心
• 两种反应中心分别分布在两种不同的厌氧光合细菌 中。 • I－型反应中心分布在绿硫光合细菌和阳生光合细 菌中； • II－型反应中心分布在硫紫色光合细菌、非硫紫色 光合菌以及一些绿色光合细菌中。 • 需氧光合细菌、藻类和高等植物则同时包含有两种 类型的光合反应中心，这两个反应中心串连耦合可 以氧化水分子同时产生还原型NADPH. • 其中: • 光系统I属于I－型反应中心 • 光系统II属于II－型反应中心。
• I－型反应中心和II型反应中心很可能有相同的进 化来源，研究结果表明，它们的原初电子供体和 原初电子受体很相似，如原初电子供体可能是由 两个叶绿素分子组成的“特殊对”，原初电子受 体是一个叶绿素或去镁叶绿素分子，其氧化还原 电位和吸收光谱由各自独特的蛋白微环境决定。 • 20世纪60年代末，Reed和Clayton从紫色光合细菌 中纯化出光反应中心复合物，但是由于光合反应 中心属于膜蛋白，其晶体生长非常困难。 • 近20年，德国科学家Michel、Deisenhofer和 Huber成功地得到了紫色细菌（Rps. viridis）反 应中心色素蛋白复合体的三维晶体，并利用X－ 衍射分析方法首次在原子水平上确定了其三维空 间结构。