生物化学- 光合作用

-胡萝卜素 素吸收光.
含有11个共轭双键
类胡萝卜素类(Carotenoids)在类囊体膜上作为辅助色
叶黄素
-胡萝卜素衍生的二元醇
7.2.2 光合作用机制
绿色植物的光合作用由光反应和暗反应组成。 光反应是光能转变成化学能的反应,
即植物的 叶绿素吸收光能进行光化学反应，使水分子活 化分裂出O2、H+和释放出电子，并产生NADPH和 ATP。即光合磷酸化反应和水的光氧化反应。 暗反应为酶促反应，由光反应产生的NADPH在 ATP供给能量情况下，使CO2还原成简单糖类的 反应。即二氧化碳的固定和还原反应。
fixation
Calvin循环分 为三个阶段：
3-磷酸甘油酸
reduction
2-羧基-3-酮基1,5-二磷酸核糖
烯醇式中 间产物
1,5-二磷酸核 酮糖(RUBP)
CO2固定 由二磷酸 核酮羧化 酶催化
水化中间体
负碳化合物
3-磷酸甘油酸
CO2+RuBP
3-磷酸甘油酸
2 X 3-磷酸甘油酸
3-磷酸甘油酸的还原
环式光合磷酸化

PS I作用中心P700受光激发释放出的高能电子, 在传递 到铁氧还蛋白后，不再继续向NADP+传递，而是将电子 传回给细胞色素bf复合物。然后细胞色素bf又将电子通 过质体蓝素传递给P700。电子在此循环流动过程中，产 生质子梯度，从而驱动ATP的合成。所以这种形式的光 合磷酸化称为环式光合磷酸化。
2．叶绿素
叶绿素是绿色植物叶绿体中吸收光能的主要组分， 结构与血红素相似。 包括叶绿素a和叶绿素b。其它的光合色素是类胡萝 卜素等。光合细菌和藻类中还含有叶绿素c和藻胆 色素等。 叶绿素是一类含镁的卟啉衍生物，带羧基的侧链与 一个含有20个碳的植醇形成酯。叶绿素a与b之间的 差别在于吡咯环上的一个基团不同。 叶绿素不溶于水，能溶于有机溶剂。叶绿素分子是 一个大的共轭体系，在可见光区有很强的吸收。不 同的叶绿素分子，它们的特征吸收也不相同：叶绿 素a为 680 nm, 叶绿素b为 460 nm。
只涉及PS I，并 且只生成ATP而 无NADPH生成。 这是当植物体内 需要ATP时选择 的电子传递形式。
环式光合磷酸化
光反应总览
2．暗反应
暗反应是指由光反应产生的NADPH在ATP供给
能量情况下，将CO2还原成糖的反应过程。这 是一个酶催化的反应过程，不需要光参加， 所以称为暗反应。 大多数植物的暗反应中，还原CO2的第一个产 物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），所以这 种途径称为C3途径。有些植物，如甘蔗和玉 米等高产作物，其暗反应还原CO2的产物是四 碳化合物（草酰乙酸等），所以称为C4途径。
3-磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸
3-磷酸甘油醛 + ATP 1,3-二磷酸甘油酸 + ADP
3-磷酸甘油醛脱氢酶
3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ NADPH + H+ 3-磷酸甘油醛 + NADP+ + Pi
葡萄 糖
3-磷酸甘油醛
1/6 6-磷 5/6 酸果糖
1,6-二磷 酸果糖
磷酸二羟丙酮
(CH2O)n + n O2 糖类化合物
光反应 + Calvin 循环(“暗反应”)
7.2.1 叶绿体及光合色素
1．叶绿体
植物的绿色部分含有叶绿体，叶绿体内含有叶绿素 等光合色素，是绿色植物进行光合作用的场所。 叶绿体由外膜和内膜组成，内外膜之间有间隙。 膜内为基质，包含有许多可溶性酶，是进行暗反应 的场所。 基质内还分布着具有膜结构特点的片层状类囊体。 类囊体含有大量可进行光反应的光合色素。

ATP合酶
在结构和功能上类似于线粒体内的ATP合酶
（2）光反应电子传递的Z型图式
光反应中心的色素分
子P吸收一个光子， 即形成激发态P*。激 发态P*的电子具有很 高的能量，是良好的 电子供体，因此P*是 一个强还原剂。

而失去了电子的P+，则是一个好的电子受体，是一个 强氧化剂。 从P*释放出来的高能电子将沿着类囊体膜中的电子 传递链传递。
（1）C3途径
C3途径的反应以循环形式进行，又称为三碳
循环。以三碳循环进行合成代谢的植物被称 为三碳植物。由于三碳循环是M. Calvin首先 提出来的，所以也称为Calvin循环。C3途径 可分为以下几个阶段：
Regeneration
用于糖酵解 供能或葡萄 糖的合成
3-磷酸甘油醛 1,5-二磷 酸核酮糖
7.2 光合作用
光合作用：绿色植物、光合细菌或藻类等将
光能转变成化学能的过程，即利用光能，由 CO2和H2O合成糖类化合物并释放出氧气的过程， 称为光合作用。 光合作用的总反应式可表示如下：
Aerobic metabolism of animals
n CO2 + n H2O
光能 叶绿体
ATP & NADPH
(2) C4 途径
甘蔗和玉米等高光效率植物的暗反应机制是
另一种途径，即C4途径或四碳循环，这类植 物被称为四碳植物。 四碳植物的叶片结构中含有维管束鞘细胞和 叶肉细胞。这两种细胞分别含有两种叶绿体 并进行两类循环：在维管束鞘细胞中的叶绿 体，以三碳循环途径固定CO2，而在叶肉细胞 中，则进行四碳循环。
1．光反应
（1）光反应系统
光反应过程由光系统I
(PS I) 和光系统II (PS II) 共同完成的。 PS I 和PS II又被称为光反应中心。所有放 氧的光合细胞中，叶绿体的类囊体膜中都包 含有PS I 和PS II。
光系统II (PS II)

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捕获光能的复合体： 即天线色素, 是由大约200个叶绿素 分子、50个类胡萝卜素分子以及12条多肽链等组成的跨膜 复合物。 功能：吸收光能，把吸收的激发子再传递给P680。 反应中心：含有20多个蛋白亚基，2个脱镁叶绿素，50个 叶绿素a，以及质体醌（在结构和功能和泛醌相似）等电 子供体和受体。由于反应中心在波长680 nm 处有最大吸 收，又称为P680 。 功能：由天线色素吸收的光能以激发能形式转移入反应中 心，并产生一种强氧化剂和一种弱还原剂。 产生氧的复合体:外在膜蛋白，含有能促进水裂解的蛋白 （含有Mn2+离子）等。 功能：反应中心产生的强氧化剂在水裂解酶摧化下，将水 裂解成氧和电子。这种高能电子是推动暗反应的动力。
(3) 光合磷酸化
通过光激发导致电子传递与磷酸化作用相偶
联合成ATP的过程，称为光合磷酸化。按照光 合链电子传递的方式，光合磷酸化可以分为 两种形式： 非环式光合磷酸化 环式光合磷酸化
非环式光合磷酸化

在光照条件下，水分子光裂解产生的电子，经 P680将电 子传递到NADP+，电子流动经过两个光系统，两次被激 发成高能电子。电子传递过程中产生的质子梯度，驱动 ATP合成，并生成NADPH。

外膜 内膜
基质
Dark reaction
CO2 + H2O → (CH2O) + O2
叶绿体基粒
light
薄片
叶绿体是进行光合 作用的场所。叶绿 体内有三种膜(外膜、 内膜和类囊体膜) 和三个被隔开的独 (Light reaction) 类囊体 类囊体 立空间 (膜间隙、 内 叶绿体在许多方面与 基质类囊体空间) 线粒体类似!
PEP 羧化酶
磷酸烯醇式丙酮酸
草酰乙酸
C4 途径
丙酮酸磷 酸二激酶
苹果酸脱氢酶
苹果酸
叶肉细胞
胞间连丝
丙酮酸 苹果酸
苹果酸酶
Free of PSII and O2 !
维管束鞘 细胞
3-磷酸甘油酸
1,5-二磷酸核酮糖
C3 循环
在四碳循环中，每还原1分子CO2需要消耗5分子ATP, 比三碳循环多了2分子ATP。 四碳循环的意义： 四碳植物叶片的叶肉细胞所含的磷酸烯醇式丙酮酸 羧化酶具有很高的活性，对CO2有很强的亲和力， 使叶肉细胞能够对大气中浓度较稀的CO2进行有效 的固定和浓缩，并以苹果酸的形式转移至维管束鞘 细胞中作为三碳循环的CO2源。 在维管束鞘细胞中，由于能够不断获得高浓度的 CO2源，大大提高了三碳循环固定CO2的效率。所以 四碳植物利用CO2能力很高，为高产型植物。
质体醌得失 电子情况
光系统I (PS I)
PS I是一个跨膜复合物，由13条多肽链及200个叶绿 素、50个类胡萝卜素以及质体蓝素（简写为PC）和 铁氧还蛋白（简写为FD）等组成。 PS I 的反应中 心含有130个叶绿素a，它的最大吸收波长为700 nm， 所以又称为P700。 Fd是一种水溶性蛋白，含有一个 Fe2S2中心。 PS I 在波长为700 nm的光照下被激活，产生一种强 还原剂和一种弱氧化剂。强还原剂在铁氧还蛋白作 用下，生成NADPH，是暗反应的主要还原剂。PS I产 生的弱氧化剂和PS II产生的弱还原剂作用与合成 ATP。

细胞色素bf复合物
一个大的多聚蛋白质，在结构和功能上类似于线粒体 内膜上的复合物III。 其辅基含有一个带两个血红素基的 b-型细胞色素b6和 一个c型细胞色素（常称为细胞色素f ）和铁硫蛋白。 功能：将电子从质体醌传递给质体蓝素（一个水溶 性蛋白质，相当于线粒体中的细胞色素c）；起质子 泵的作用，即在电子传递给质体蓝素过程中，将质子 泵入类囊体腔内，形成质子梯度和膜电势用于合成 ATP。

吸收光的共轭体系
The peak molar absorption coefficient of chlorophylls is among the highest observe for organic compounds.
叶绿素在结构上与血红素相似，只是在共轭环中心被配 位的是镁而不是铁
共轭多烯是吸收光的部位
大气中的CO2首先在叶肉细胞中与磷酸烯醇式
丙酮酸（PEP）作用，形成草酰乙酸。 草酰乙酰被NADPH还原成苹果酸。 苹果酸通过细胞胞液中的胞间连丝从叶肉细 胞转移到维管束鞘细胞中，并在苹果酸酶催 化下脱羧生成丙酮酸和CO2。 此反应生成的CO2在维管束鞘细胞中通过与 1,5-二磷酸核酮糖结合进入三碳循环。丙酮 酸则经过胞间连丝加到叶肉细胞，在丙酮酸 磷酸二激酶作用下，转化成磷酸烯醇式丙酮 酸。
Stage 2 电子在PS I 内的传递与 NADH的产生

PS I 经光照形成激发态P700*。释放出一个电子变成P700＋ ， 它是一个弱氧化剂，可以从还原型的质体蓝素（Cu+）中获 得电子。
P700*释放出的电子由一个受体A0接受，A0-是强还原剂。
高能电子从A0-传递到A1,再经Fe-S至铁氧还蛋白（Fd）。 电子从Fd通过Fd-NADP+还原酶传递至NADP+。
Stage 1 电子在PS II 内的传递与 O2的产生
在光照下，PS
II的反应中心P680 被激发，形成P680*， P680*将电子传递给脱镁叶绿素，然后再传递给质体醌，本 身则变成带一个正电荷的自由基P680＋。
P680＋是强氧化剂，通过放氧复合体从H2O获得电子。

还原型的PQH2将电子经由细胞色素bf复合物传递给质体蓝 素。在此过程中，质子被泵入类囊体腔内。
4-磷酸 赤藓糖
1,7-二磷 酸庚酮糖
5-磷酸木酮糖 7-磷酸 庚酮糖
5-磷酸 核酮糖
5-磷酸 核糖
1,5二 磷 酸 核 酮 糖 的 再 生
5-磷酸核糖
异构酶
激酶
异构酶
5-磷酸 核酮糖
1,5-二磷酸核 酮糖(RUBP)
5-磷酸木酮糖
能量消耗
上述所有反应组成了一个循环.每一个循环，1分子的二磷 酸核酮糖固定1分子CO2，生成1/6分子6-磷酸果糖，其中5/6 分子的6-磷酸果糖参与再循环，1/6分子的6-磷酸果糖则转 变成葡萄糖。从CO2的固定到生成一分子葡萄糖共需6个循环， 总反应式是： 6 CO2 + 12 H+ + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H2O C6H12O6 + 18 ADP + 12 NADP+ + 6 H+ G’ = 476.8 kJ / mol 上式表明，在三碳循环中，每还原1分子CO2需要消耗3分子 ATP和2分子NADPH。