李合生植物生理学光合作用
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➢ 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。
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。
一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP
(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+3H2O Rubisco 6PGA + 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
H14CO3-+H
＋
→14CO2+H2O
图 用来研究光合藻类CO2 固定仪器的图解
(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。
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
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
NADP+和NADPH的分子结构
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。
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 。
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，
一.C3途径
1.C3途径的发现
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)。
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。
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。
光合碳还原循环
➢代谢wenku.baidu.com物名：RuBP.
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
• Rubisco也是高等植物中一种主要储藏的有机 氮形式。
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。
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。
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。
Rubisco 的功能—羧化、加氧反应
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
用纸层析和放射自显影技术追踪被 14CO2标记的产物
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
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)
(一) C３途径的反应 过程
➢ 1.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。
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。
一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP
(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+3H2O Rubisco 6PGA + 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
H14CO3-+H
＋
→14CO2+H2O
图 用来研究光合藻类CO2 固定仪器的图解
(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。
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
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
NADP+和NADPH的分子结构
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。
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 。
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，
一.C3途径
1.C3途径的发现
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)。
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。
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。
光合碳还原循环
➢代谢wenku.baidu.com物名：RuBP.
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
• Rubisco也是高等植物中一种主要储藏的有机 氮形式。
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。
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。
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。
Rubisco 的功能—羧化、加氧反应
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
用纸层析和放射自显影技术追踪被 14CO2标记的产物
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
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)
(一) C３途径的反应 过程
➢ 1.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。