1、二二.光合作用机理光合作用机理原初反应在光合作原初反应在光合作用研究中的地位用研究中的地位二二.光合作用机理光合作用机理(一一)原初反应原初反应 (光能光能电能电能)v光合作用中将光能转换成化学能的起始过程，也是光反应的起始过程。它主要包括光能的吸收、激发能传递等光物理过程和原初光化学反应等。v原初反应速度非常快，反应时间在飞秒（10-15S）到皮秒（10-12S）量级之间。v反应是在类囊体膜上的集光色素蛋白复合体和光合作用反应中心进行。1.1.光能的吸收和传递光能的吸收和传递-光物理过程光物理过程1.1 1.1 光合色素光合色素v高等植物光合色素主要是高等植物光合色素主要是叶绿素和类胡萝卜叶
2、绿素和类胡萝卜素素。其中叶绿素是光合器官中最典型的色素。其中叶绿素是光合器官中最典型的色素,高等植物有高等植物有chlchl a a 和和chl b,chlchl b,chl c c 和和chlchl d d存在于某些原生生物中。存在于某些原生生物中。v活体内的叶绿素是呈聚集状态有序排列的，活体内的叶绿素是呈聚集状态有序排列的，且均以叶绿素蛋白复合体的形式存在，在这且均以叶绿素蛋白复合体的形式存在，在这里叶绿素是以专一的非共价方式与相关多肽里叶绿素是以专一的非共价方式与相关多肽结合，形成色素蛋白复合体。结合，形成色素蛋白复合体。藻红素v类胡萝卜素能和色素蛋白复合体或反应中心核心蛋类胡萝卜素能和
3、色素蛋白复合体或反应中心核心蛋白结合。类胡萝卜素是一种辅助色素，它也可以吸白结合。类胡萝卜素是一种辅助色素，它也可以吸收光能向反应中心传递，但效率比叶绿素之间的传收光能向反应中心传递，但效率比叶绿素之间的传递效率低。递效率低。v类胡萝卜素所起的另一重要作用是光保护作用。胡类胡萝卜素所起的另一重要作用是光保护作用。胡萝卜素可以淬灭激发态的叶绿素，生成激发态的胡萝卜素可以淬灭激发态的叶绿素，生成激发态的胡萝卜素萝卜素它不足以形成单线态氧，而是通过热耗散它不足以形成单线态氧，而是通过热耗散返回基态，以避免单线态氧对叶绿体的伤害。返回基态，以避免单线态氧对叶绿体的伤害。v缺乏类胡萝卜素的植物突变体很难
4、在光和氧气同时缺乏类胡萝卜素的植物突变体很难在光和氧气同时存在的条件下生存。存在的条件下生存。1.2 1.2 光能的吸收光能的吸收叶绿素和类胡萝卜素分子都有许多共轭双键，其叶绿素和类胡萝卜素分子都有许多共轭双键，其电电子或未成键的电子比较活泼，容易受一定波长的光量子或未成键的电子比较活泼，容易受一定波长的光量子激发而跃迁到能级更高的轨道上去。子激发而跃迁到能级更高的轨道上去。v1.3 光能的传递光能的传递v叶绿素分子吸收光能后会向作用中心传递叶绿素分子吸收光能后会向作用中心传递,传传递机制为共振传递递机制为共振传递.v叶绿素的传递效率是叶绿素的传递效率是100%100%，类胡萝卜素的传，类胡萝
5、卜素的传递效率是递效率是50%50%。v叶绿素叶绿素b b的最大吸收在的最大吸收在650nm650nm，叶绿素，叶绿素a a的最大的最大吸收在吸收在670nm670nm，类胡萝卜素吸收的是蓝光类胡萝卜素吸收的是蓝光v能量传递是定向和高效的：类胡萝卜素能量传递是定向和高效的：类胡萝卜素叶叶绿素绿素b b 叶绿素叶绿素a a2.原初光化学反应D.P.A D.P*.A D.P.+A-D+.P.A-hn高等植物高等植物PS的原初的原初电子受体是去镁叶绿素电子受体是去镁叶绿素（Pheo），原初电子供），原初电子供体假设为体假设为Yz，PS的的原初电子受体是叶绿素，原初电子受体是叶绿素，原初电子供体是原初
6、电子供体是PC。光合作用3.3.叶绿素叶绿素a a荧光荧光 光能光化学反应光化学反应荧光荧光热辐射热辐射叶绿素吸收的光能并不是全部用于光化学反应叶绿素吸收的光能并不是全部用于光化学反应,还可还可以荧光或热辐射的方式消耗掉以荧光或热辐射的方式消耗掉.辐射的荧光主要在辐射的荧光主要在685nm和和740nm.有五个组分可以辐射荧光有五个组分可以辐射荧光:PSII 的的LHCII在在680nm,CP43在在 685nm,CP47在在695nm,PSI的反应中心在的反应中心在720nm,LHCI在在740nm处处.vPSIPSI只在低温只在低温(77K)才明显辐射荧光才明显辐射荧光,因此室温因此室温下
7、下活体内叶绿素活体内叶绿素a a的荧光约的荧光约90%90%是从是从PSPS发出发出的，的，PSIPSI发出的荧光很弱，决定这一差别的机发出的荧光很弱，决定这一差别的机理至今仍不清楚。理至今仍不清楚。v可能原因：可能原因：vPSPS反应中心的结构比反应中心的结构比PSPS反应中心更能反应中心更能集中激发能用于原初光化学反应；集中激发能用于原初光化学反应；vPSPS的的P700P700相对更稳定相对更稳定,而而PSPS的的P680P680*会会很快返回基态；很快返回基态；vPSPS天线叶绿素天线叶绿素a a的理化性质决定了它以热的理化性质决定了它以热辐射方式为主。辐射方式为主。离体叶绿素离体叶绿
8、素a溶液可将其吸溶液可将其吸收光能的收光能的30%用于辐射荧用于辐射荧光光,因此荧光较强，肉眼可因此荧光较强，肉眼可见见,呈暗红色呈暗红色;活体状态只有活体状态只有3%-0.6%的的光能用于辐射荧光光能用于辐射荧光,因此荧因此荧光比离体细胞水平的低，光比离体细胞水平的低，需用仪器测定需用仪器测定.3.1 德国植物生理学家德国植物生理学家Kautsky于于1931年发现年发现叶绿素荧光动力学现象。叶绿素荧光动力学现象。上世纪上世纪80年代，年代，gren（1985）和）和Schreiber（1986）相继创制出便携的调制式荧光仪，）相继创制出便携的调制式荧光仪，并实现了商品化。成为光合作用研究的
9、新热并实现了商品化。成为光合作用研究的新热点，极大地推动了光合过程中光能利用、逆点，极大地推动了光合过程中光能利用、逆境条件下光合作用的光抑制、光破坏及其防境条件下光合作用的光抑制、光破坏及其防御机制的研究。御机制的研究。叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息光能的吸收与转换光能的吸收与转换 能量的传递与分配能量的传递与分配 反应中心的状态反应中心的状态过剩光能及其耗散过剩光能及其耗散光合作用光抑制与光破坏光合作用光抑制与光破坏等等等等可以对光合器官进行可以对光
10、合器官进行“无损伤探查无损伤探查”，获得，获得“原位原位”的的（in situ）信息。）信息。近年来测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步近年来测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步骤越也来越简便。骤越也来越简便。由于以上原因由于以上原因叶绿素荧光动力学技术在：叶绿素荧光动力学技术在：光合作用生理生态光合作用生理生态逆境生理逆境生理等研究领域得到了较快的普及和等研究领域得到了较快的普及和广泛的应用广泛的应用3.2 叶绿素叶绿素a荧光动力学测定的基本荧光动力学测定的基本原理原理 叶绿素的激发叶绿素的激发(excitation)与去与去激发激发(de-excitation)叶绿素荧光的产生
11、 激发能的三种去向：激发能的三种去向：一部分转变通过电子传递、光化学反应形成化一部分转变通过电子传递、光化学反应形成化学能（学能（EP）一部分以荧光形式重新发射出来（一部分以荧光形式重新发射出来（EF）一部分则转变成热能散失（一部分则转变成热能散失（ED）三者关系为：三者关系为：EP+EF+ED=1三者为互相竞争的关系三者为互相竞争的关系叶绿素荧光叶绿素荧光：植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来P+D+F=1 F=1-P-D光化学的光化学的 和和 耗散性的耗散性的 荧光荧光 淬灭淬灭(F)(D)(P)荧光产量降低是荧光猝灭荧光产量降低是荧光猝灭(
12、Quench)的结果。的结果。所谓荧光猝灭，是指叶绿素吸收光量子后的所谓荧光猝灭，是指叶绿素吸收光量子后的部分激发能通过光化学途径或以热的方式散失，部分激发能通过光化学途径或以热的方式散失，从而使荧光发射量减少的现象。从而使荧光发射量减少的现象。光化学能量转换引起的荧光淬灭通常称为光化学能量转换引起的荧光淬灭通常称为光化学淬灭（光化学淬灭（Photochemical Quenching）耗散性的荧光淬灭通常称为非光化学淬灭耗散性的荧光淬灭通常称为非光化学淬灭(Non-Photochemical Quenching)，也称非辐射能量耗散，也就是指热耗散也称非辐射能量耗散，也就是指热耗散荧光动力学
13、曲线荧光动力学曲线Kautsky 曲线曲线经过暗适应后的叶片从黑暗中转入光下，叶片的经过暗适应后的叶片从黑暗中转入光下，叶片的荧光产量随时间而发生的动态变化，称为荧光产量随时间而发生的动态变化，称为Kautsky效效应，荧光的这种动态变化所描绘出的曲线即应，荧光的这种动态变化所描绘出的曲线即Kautsky 曲线。曲线。v完整的完整的Kautsky曲线可分为两部分，从开始照曲线可分为两部分，从开始照光到荧光产量达到最大值时的荧光上升部分，光到荧光产量达到最大值时的荧光上升部分，所用时间很短，只需所用时间很短，只需0.5-2.0s，称为，称为快速荧光快速荧光动力学曲线动力学曲线；此后，荧光产量降低
14、，并逐渐达；此后，荧光产量降低，并逐渐达到一个稳恒值，时间大致需要到一个稳恒值，时间大致需要8-10min，称为，称为慢速荧光动力学曲线。慢速荧光动力学曲线。叶绿素荧光诱导动力学曲线origininflection(intermediate)peakdippeakquasi-steady state a maximum terminal steady state 上升相：快速诱导 下降相：淬灭分析v上升相的上升速度与受体库大小相关，用上升相的上升速度与受体库大小相关，用于鉴别阳生和阴生植物于鉴别阳生和阴生植物;叶片正反面，也叶片正反面，也有所区别有所区别v下降相，用于淬灭分析下降相，用于淬灭分
15、析调制式荧光仪测定原理调制式荧光仪测定原理MR-经调制的弱测量光，经调制的弱测量光，2m mmolm-2s-1，l l583nm(绿光绿光)；频率；频率600HzAR-光化光光化光,白光白光,持续照射持续照射,；SR-饱和脉冲光饱和脉冲光,白光白光,8500m mmolm-2s-1,照射照射0.5sFR-弱远红光，弱远红光，7-10m mmolm-2s-1；l l 700nm；D-荧光检测器；荧光检测器；A-信号放大器；信号放大器；SF-短波滤光片；短波滤光片；LF-长波滤光片长波滤光片A typical modulated fluorescence induction curve,showi
16、ng:(i)modulated light on after darkness,(ii)a pulse of saturating light which induces maximal fluorescence,Fm;(iii)actinic light on;(iv)four pulses of saturating light at 15 s intervals,inducing maximal fluorescence in the light(Fm)at steady-state fluorescence(Fs);(v)actinic light off and far-red li
17、ght on,giving F0;and(vi)all illumination off.饱和脉冲法饱和脉冲法饱和脉冲法饱和脉冲法光合电子传递的光合电子传递的“Z图图”饱和脉冲法短饱和脉冲光短饱和脉冲光PS II反应中心被暂时完全关闭反应中心被暂时完全关闭光化学淬灭全部被抑制光化学淬灭全部被抑制剩余的荧光淬灭即为非光化学淬灭剩余的荧光淬灭即为非光化学淬灭经验表明，只有PS II（不是PS I）的光化学与荧光发射呈竞争关系3.3 重要的荧光参数重要的荧光参数基础荧光参数基础荧光参数Fo:初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下当当PS II的所有反应中心处
18、于完全开放状态（的所有反应中心处于完全开放状态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最小时并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧的荧光产量光产量.Fm:最大荧光，是在暗适应状态下当最大荧光，是在暗适应状态下当PS II的所有的所有反应中心处于完全关闭状态反应中心处于完全关闭状态(qP=0)并且所有的非并且所有的非光化学过程处于最小时光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量的荧光产量.Fv:暗适应状态下当所有的非光化学过程处于最小暗适应状态下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光，时的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo.Fm:在光适应状态下当在光适应状态下当PS II的所有反应中心
19、处于的所有反应中心处于关闭态（关闭态（qP=0）并且所有的非光化学过程处于）并且所有的非光化学过程处于最优态时（最优态时（qN0）的荧光产量）的荧光产量.Fo:在光适应状态下当在光适应状态下当PS II的所有反应中心处于的所有反应中心处于开放态（开放态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于）并且所有的非光化学过程处于最优态时（最优态时（qN0）的荧光产量。）的荧光产量。Fv:任意光适应状态下的最大可变荧光，任意光适应状态下的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo Fs:稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射光化光后达稳定值时的荧光产量（光化光后达稳定值时的荧光
20、产量（qP0，qN0）叶绿素荧光术语及生物学意义术术 语语 意意 义义 Fo 初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下当初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下当PS II的所有反应中心的所有反应中心处于完全开放状态（处于完全开放状态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最小时）并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量的荧光产量 Fm 最大荧光，是在暗适应状态下当最大荧光，是在暗适应状态下当PS II的所有反应中心处于完全关闭状的所有反应中心处于完全关闭状态态(qP=0)并且所有的非光化学过程处于最小时并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量的荧光产量 Fv 暗适应
21、状态下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光，暗适应状态下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo Fm 在光适应状态下当在光适应状态下当PS II的所有反应中心处于关闭态（的所有反应中心处于关闭态（qP=0）并且所有）并且所有的非光化学过程处于最优态时（的非光化学过程处于最优态时（qN0）的荧光产量）的荧光产量 Fo 在光适应状态下当在光适应状态下当PS II的所有反应中心处于开放态（的所有反应中心处于开放态（qP=1）并且所有）并且所有的非光化学过程处于最优态时（的非光化学过程处于最优态时（qN0）的荧光产量。）的荧光产量。Fv 任意光适应状态下的最大可变荧光，
22、任意光适应状态下的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo Fs 稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射光化光后达稳定值时的稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射光化光后达稳定值时的荧光产量（荧光产量（qP0，qN0）荧光猝灭参数荧光猝灭参数 qP=(Fm-Fs)/(Fm-Fo)：光化学淬灭系数光化学淬灭系数.即激即激发能被开放的反应中心捕获并转化为化学能而导致发能被开放的反应中心捕获并转化为化学能而导致的荧光淬灭，反映了光适应状态下的荧光淬灭，反映了光适应状态下PSII进行光化学进行光化学反应的能力反应的能力.0qP1 qN=(Fm-Fm)/(Fm-Fo)：非光化学猝灭系数。：非光化学猝灭系数。反
23、映反映PSIIPSII天线色素吸收的光能不用于光化学电子传天线色素吸收的光能不用于光化学电子传递而以热的形式耗散掉的部分递而以热的形式耗散掉的部分.反映反映PSII光化学效率的荧光参数光化学效率的荧光参数 Fv/Fm：是重要的荧光参数之一，名称很多，有：是重要的荧光参数之一，名称很多，有：最大原初光化学产量；最大原初光化学产量；PSII最大潜在量子产量；开最大潜在量子产量；开放的放的PSII反应中心量子效率等反应中心量子效率等；我们习惯上称其为；我们习惯上称其为“PSII最大光化学效率最大光化学效率”。其值恒小于。其值恒小于1。Fv/Fm是是暗适应下暗适应下PSPS反应中心完全开放时的最大光反
24、应中心完全开放时的最大光化学效率。化学效率。反映反映PSPS反应中心最大光能转换效率。反应中心最大光能转换效率。在非胁迫条件下，在非胁迫条件下，Fv/Fm的值很稳定，根据的值很稳定，根据对大量植物的测定，其平均值为对大量植物的测定，其平均值为0.832 0.004，但在逆境条件下，但在逆境条件下，Fv/Fm显著降低。正因为显著降低。正因为如此，所以如此，所以Fv/Fm的降低常作为发生光抑制的降低常作为发生光抑制或或PSII遭受其他伤害的指标。遭受其他伤害的指标。Fv/Fm：光适应下光适应下PSPS最大光化学效率。最大光化学效率。它反映有热耗散存在时，开放的它反映有热耗散存在时，开放的PS反应中
25、反应中心的光化学效率。心的光化学效率。由于在光适应状态下非光化由于在光适应状态下非光化学过程得到活化，因此学过程得到活化，因此Fv/Fm往往小于往往小于Fv/Fm PS=(Fm-Fs)/Fm：PS实际光化学实际光化学效率。效率。它反映在照光下它反映在照光下PS反应中心部分关反应中心部分关闭的情况下的实际光化学效率。闭的情况下的实际光化学效率。ETR(或或Prate)=PS PFDa 0.5：表表观光合电子传递速率观光合电子传递速率(PFDa为实际吸收的光为实际吸收的光量子，一般设定为入射量子，一般设定为入射PFD的的0.84；0.5为假为假设光能在两个光系统中各分配设光能在两个光系统中各分配5
26、0%)(二）叶绿体的电子传递二）叶绿体的电子传递1.两个光系统的发现两个光系统的发现v红降现象红降现象:是指光合作用的作用光谱中，当波长在是指光合作用的作用光谱中，当波长在680nm680nm以上以上时，虽还在叶绿素有效吸收范围内，但光合作用的量子效率却时，虽还在叶绿素有效吸收范围内，但光合作用的量子效率却急剧下降。急剧下降。v量子产额：每吸收一个光量子所放出氧分子数。量子产额：每吸收一个光量子所放出氧分子数。v双光增益效应：当发生红降现象时，如补充一个双光增益效应：当发生红降现象时，如补充一个650nm短波光，光合作用的量子产额可以提高并超短波光，光合作用的量子产额可以提高并超过两种波长的光
27、单独照射的量子产额总和。过两种波长的光单独照射的量子产额总和。v基于红降现象和双光增益效应，人们提出：光合作用过程中存在基于红降现象和双光增益效应，人们提出：光合作用过程中存在着两个光化学反应，分别由两个不同的光系统完成。着两个光化学反应，分别由两个不同的光系统完成。v研究表明，光系统研究表明，光系统（PSPS）的作用中心色素分子最大吸收峰在）的作用中心色素分子最大吸收峰在700nm700nm，称为，称为P700P700，主要特征是，主要特征是NADPNADP的还原；的还原；vPSPS的作用中心色素分子最大吸收峰在的作用中心色素分子最大吸收峰在680nm680nm，因此称为，因此称为P680,
28、P680,其其主要特征是水的光解和放氧。主要特征是水的光解和放氧。v光合电子传递由这两个光反应步骤串联进行光合电子传递由这两个光反应步骤串联进行，连接两个光反应之连接两个光反应之间的电子传递是由细胞色素复合体完成的。光合电子传递的顺序间的电子传递是由细胞色素复合体完成的。光合电子传递的顺序就是：就是：2.PSII2.PSII的运转的运转vPSPS是执行光诱导电荷分离及电子传递的基是执行光诱导电荷分离及电子传递的基本单位，本单位，P680P680中心色素是中心色素是chlachla的双分子体，的双分子体，其电子传递顺序其电子传递顺序：PSPS反应中心色素反应中心色素P680P680受受光激发后，
29、将电子交给原初电子受体去镁叶光激发后，将电子交给原初电子受体去镁叶绿素（绿素（PheoPheo），然后氧化的），然后氧化的P P+680680被原初电子被原初电子供体供体YzYz还原。在其氧化侧还原。在其氧化侧PSPS产生强氧化势，产生强氧化势，使水氧化并释放质子和氧，电子从放氧中心使水氧化并释放质子和氧，电子从放氧中心传到传到YzYz。当放氧复合体。当放氧复合体MnMn积累积累4 4个电荷后，从个电荷后，从水中释放一个水中释放一个O O2 2。v在还原侧，电子从在还原侧，电子从PheoPheo传递到第一个稳定的电子受传递到第一个稳定的电子受体体QAQA（单电子受体质醌），它把电子传给（单电子
30、受体质醌），它把电子传给QBQB（双电（双电子受体质醌），子受体质醌），QBQB从从QAQA处连续接受两个电子以后从处连续接受两个电子以后从间质接受间质接受2 2个质子形成个质子形成QBHQBH2 2（质体醌醇），质体醌被（质体醌醇），质体醌被还原成质体醌醇后降低它与结合位点的亲和力，便还原成质体醌醇后降低它与结合位点的亲和力，便从反应中心从反应中心D1D1蛋白释放出来，另一分子的蛋白释放出来，另一分子的PQPQ被交换被交换结合到结合到D1D1蛋白上。蛋白上。PQHPQH2 2随后再向随后再向CytCyt复合体转移。复合体转移。vQAQA和和QBQB的吸收光谱相同，只是的吸收光谱相同，只是QB
31、QB在还原时没有在还原时没有550nm550nm处的吸收变化。处的吸收变化。vYzYz是假设的原初电子供体，利用定位突变的方法，已是假设的原初电子供体，利用定位突变的方法，已证明在蓝细菌中，证明在蓝细菌中，D1D1多肽上的多肽上的Tyr-161Tyr-161（第（第161161位上的位上的酪酪AAAA残基）就是残基）就是YzYz，它直接供电子到，它直接供电子到P680P680。3.PSII的水裂解放氧的水裂解放氧3.1.水裂解放氧酶复合体水裂解放氧酶复合体v水裂解放氧发生在水裂解放氧发生在PS的氧化侧，在放氧复合体的氧化侧，在放氧复合体（Oxygen Evolving Complex,OEC）
32、进行，）进行，OEC位于类囊体膜的内表面，与位于类囊体膜的内表面，与PS的反应中心的反应中心相连。相连。OEC有三个各为有三个各为33，23，17KD的多肽的多肽，还有与放氧有关的还有与放氧有关的4个锰构成的锰簇，另外还有个锰构成的锰簇，另外还有Cl离子和钙离子。三个多肽松驰地结合在离子和钙离子。三个多肽松驰地结合在PS反反应中心复合体的外周，并且像一层屏障遮盖着放应中心复合体的外周，并且像一层屏障遮盖着放氧复合体的锰簇。氧复合体的锰簇。3.2.氧释放的动力学叶绿体闪光处理的放氧方式叶绿体闪光处理的放氧方式闪光数闪光数3.2.3.2.氧释放的动力学氧释放的动力学S0 S1 S2 S3 S4 D
33、ark2H2OO2+4H+4e-h h1 1h h2 2h h3 3h h4 43.3.3.3.锰锰.氯氯.钙与氧释放的关系钙与氧释放的关系v锰对光合放氧是必要的，锰直接作用于水裂解积累锰对光合放氧是必要的，锰直接作用于水裂解积累4 4个氧化当量的过程。个氧化当量的过程。v实验表明：每个放氧复合体结合实验表明：每个放氧复合体结合4 4个锰，但并不是所个锰，但并不是所有有4 4个锰都起同样效用，其中一部分可能在积累氧化个锰都起同样效用，其中一部分可能在积累氧化当量中起直接作用，其余仅作为结构因子。锰离子以当量中起直接作用，其余仅作为结构因子。锰离子以不同亲和程度结合在不同亲和程度结合在PSPS颗
34、粒上，利用颗粒上，利用TrisTris溶液洗涤溶液洗涤或加热，就能把锰去除而抑制放氧。回加锰以后可以或加热，就能把锰去除而抑制放氧。回加锰以后可以稍微恢复。稍微恢复。v关于锰在氧释放中的作用机理，曾由关于锰在氧释放中的作用机理，曾由BrudvigBrudvig和和CrabeteeCrabetee提出锰复合物在提出锰复合物在S S态循环过程有态循环过程有5 5种氧化态的种氧化态的中间体，存在中间体，存在MnMn4 4O O4 4类立方烷与类立方烷与MnMn4 4O O6 6类金刚烷之间结构类金刚烷之间结构的转变，以此来解释的转变，以此来解释OOOO键的形成，以及键的形成，以及O O2 2从从S
35、S4 4状态状态返回返回S S0 0时时释放的分子机制（图释放的分子机制（图1414）。v关于氯和钙与氧释放的关系，关于氯和钙与氧释放的关系，ColemanColeman和和GovindjeeGovindjee用用3535ClNMRClNMR技术证明，一部分氯离子与内在锰相结技术证明，一部分氯离子与内在锰相结合，另一部分在外周蛋白合，另一部分在外周蛋白33KD33KD多肽上。并且设想，多肽上。并且设想，氯和钙离子与外周蛋白之间的相互作用会导致蛋白氯和钙离子与外周蛋白之间的相互作用会导致蛋白区域间盐桥的逐渐断裂，从而在锰簇中取出质子。区域间盐桥的逐渐断裂，从而在锰簇中取出质子。氯和钙的作用也可能
36、在氯和钙的作用也可能在S S3 3 S S4 4 S S0 0的转换步骤的转换步骤上。上。PSPS含有含有2323个钙离子，结合的个钙离子，结合的CaCa2+2+若被洗脱，若被洗脱，PSPS就失去放氧活性。钙离子紧靠锰复合体，如果就失去放氧活性。钙离子紧靠锰复合体，如果有钙存在，锰就可以被留住。有钙存在，锰就可以被留住。v?钙是否起着保护锰复合物的作用，或者直接参与钙是否起着保护锰复合物的作用，或者直接参与放氧反应放氧反应S4S1S4S2S3S040m ms70m ms300m ms1ms1.2msvTo explain why most O2 is released on the third
37、 flash(rather than the fourth as expected),it is assumed(假定假定)that in darkness S is 75%in the state S1 and 25%in state S0.vThe damped oscillations(减幅振荡减幅振荡)observed experimentally are thought to result from 5%of the light flashes causing double hits and two oxidations and 10%of the photos not hittin
38、g a target,so averaging the states.4.4.细胞色素复合体与细胞色素复合体与Q Q循环循环v细胞色素复合体细胞色素复合体(细胞色素细胞色素b/fb/f复合体复合体)是类囊体膜是类囊体膜上可分离的一种多亚基膜蛋白。上可分离的一种多亚基膜蛋白。v由由4 4个多肽组成，即细胞色素个多肽组成，即细胞色素f f，细胞色素，细胞色素b6b6，RieskeRieske铁硫蛋白和一个功能尚未知的铁硫蛋白和一个功能尚未知的17KD17KD多肽。多肽。它们在膜的疏水区内，分子结构尚不清楚。但生它们在膜的疏水区内，分子结构尚不清楚。但生化证据已经证明它是一个二聚体。化证据已经证明它
39、是一个二聚体。v电子传递的顺序电子传递的顺序:PQH:PQH2 2 FeS FeSR R Cytf Cytf PC PCv在进行循环电子传递时，也可能转移电子从还原在进行循环电子传递时，也可能转移电子从还原的的FdFd传到传到PQPQ。vCytCyt复合体参与光能在两个光系统之间的均衡分配。复合体参与光能在两个光系统之间的均衡分配。vCytb/fCytb/f复合体和复合体和Q Q循环一起介导了电子传递时质子循环一起介导了电子传递时质子跨膜转移。跨膜转移。Q-cycleQ-cycle5.PS15.PS1的运转的运转v如果将全部光合电子传递过程按顺序列出如果将全部光合电子传递过程按顺序列出并根据电
40、子传递体的氧化还原电位高低排并根据电子传递体的氧化还原电位高低排序，那么非循环的光合电子传递序，那么非循环的光合电子传递Z Z字图形字图形排列排列（见下图）（见下图）。又称。又称Z Z链。（链。（HillHill和和BendallBendall）。）。v这个非循环电子传递使水分解，放出这个非循环电子传递使水分解，放出O O2 2，产生产生NADPHNADPH，另外将，另外将H H+从类囊体膜外传递从类囊体膜外传递到膜内。到膜内。6.6.循环电子传递循环电子传递?围绕围绕PSI的循环电子传递有两种途径：依赖于的循环电子传递有两种途径：依赖于NDH复合物（复合物（NADH脱氢酶复合物）的途径和脱氢
41、酶复合物）的途径和依赖于依赖于PGR5（质子梯度调节蛋白）的途径（质子梯度调节蛋白）的途径7.7.假循环电子传递假循环电子传递v当植物在高光强或低温引起碳同化降低，当植物在高光强或低温引起碳同化降低，NADPNADP+缺乏等环境下，水光解产生的电子由缺乏等环境下，水光解产生的电子由PSPS传到传到PSPS时，电子没有传递给时，电子没有传递给NADPNADP+，而是传递给分子氧，形成超氧自由基（而是传递给分子氧，形成超氧自由基（O O2 2-），），在体内在体内 O O2 2-具有毒害作用，可通过超氧化物具有毒害作用，可通过超氧化物歧化酶（歧化酶（SODSOD）清除，同时产生）清除，同时产生H
42、H2 2O O2 2，H H2 2O O2 2可可通过抗坏血酸通过抗坏血酸过氧化酶系统被清除，形成过氧化酶系统被清除，形成H H2 2O O，似乎电子是从，似乎电子是从H H2 2O HO H2 2O O循环，故也称循环，故也称为水为水水循环（水循环（MehlerMehler反应）。反应）。v（1 1）2H2H2 2O 4eO 4e-+4H+4H+O+O2 2 PSPS的水光氧化的水光氧化 v（2 2）2O2O2 2+2e+2e-2O 2O2 2-PSIPSI的的O O2 2光还原光还原 v（3 3）2O2O2 2-+2H+2H+H H2 2O O2 2+O+O2 2 SODSOD催化的歧化作
43、用催化的歧化作用 v（4 4）H H2 2O O2 2+2ascorbate(Vc)2H+2ascorbate(Vc)2H2 2O+2MDA(O+2MDA(单脱水单脱水抗坏血酸抗坏血酸,MDHA),MDHA)抗坏血酸过氧化物酶抗坏血酸过氧化物酶(APX)(APX)催化的催化的H H2 2O O2 2被被VCVC还原还原 v（5 5）2MDA(2MDA(oror DHA)+2e DHA)+2e-+2H+2H+2Vc 2Vcv2H2H2 2O +OO +O2 2*O O2 2+2H+2H2 2O O*v在水在水水循环中，水循环中，PSPS从从2 2分子水中产生的分子水中产生的4 4个电子将环境中的
44、个电子将环境中的1 1分子的分子的O O2 2在在PSIPSI还原成还原成2 2分分子的子的H H2 2O O而没有而没有O O2 2的净改变。可以用下图简单的净改变。可以用下图简单地表示叶绿体的水地表示叶绿体的水水循环。水循环。叶绿体中的水水循环叶绿体中的水水循环v假循环电子传递也有两个光系统的参与假循环电子传递也有两个光系统的参与,没有没有NADPH的形成，但因经过的形成，但因经过PQ和和Cytb/f进行进行电子传递电子传递,因此可以偶联质子的跨膜运转因此可以偶联质子的跨膜运转.8.电子传递和杂草控制电子传递和杂草控制(1)(1)脲 的 衍 生脲 的 衍 生物物,灭草隆灭草隆和敌草隆和敌草
45、隆(2)(2)三嗪类除草三嗪类除草剂剂,三嗪和三嗪和西玛三嗪西玛三嗪8.电子传递和杂草控制电子传递和杂草控制(1)(1)脲的衍生物脲的衍生物,灭草隆和敌草隆灭草隆和敌草隆(2)(2)三嗪类除草剂三嗪类除草剂,三嗪和西玛三嗪三嗪和西玛三嗪v这两类除草剂的特点：都是被根吸收，运输到叶这两类除草剂的特点：都是被根吸收，运输到叶子。在叶子里，它们结合在子。在叶子里，它们结合在PS D1PS D1蛋白蛋白QBQB的结合的结合位点，这就干扰了质体醌在此位点的结合，因而位点，这就干扰了质体醌在此位点的结合，因而阻断了光合电子从阻断了光合电子从QAQBQAQB的传递。的传递。v作物对除草剂的抗性：三嗪类除草剂
46、广泛地用于作物对除草剂的抗性：三嗪类除草剂广泛地用于玉米地杂草的控制。玉米根含有一种酶，它降解玉米地杂草的控制。玉米根含有一种酶，它降解除草剂成为无活性的形式。一些植物会将除草剂除草剂成为无活性的形式。一些植物会将除草剂隔离在特殊的腺体里，比如棉花；其它一些植物隔离在特殊的腺体里，比如棉花；其它一些植物会将根系深扎入地下低于除草剂的施用区域以避会将根系深扎入地下低于除草剂的施用区域以避免吸收。免吸收。8.电子传递和杂草控制电子传递和杂草控制杂草对除草剂的耐性：在许多情况下，杂草也杂草对除草剂的耐性：在许多情况下，杂草也会发展一些抗三嗪的种类或小种。在某些情会发展一些抗三嗪的种类或小种。在某些情
47、况，抗性可以追溯到况，抗性可以追溯到D1D1蛋白上单个蛋白上单个AAAA的取代的取代（置换），（置换），AAAA的改变降低了除草剂与蛋白的的改变降低了除草剂与蛋白的亲和力，但并不影响质体醌的结合，也就不亲和力，但并不影响质体醌的结合，也就不影响光合电子传递。杂草能正常生长，因此影响光合电子传递。杂草能正常生长，因此表现出对除草剂的抗性。表现出对除草剂的抗性。另一类除草剂是双吡啶阳离子，另一类除草剂是双吡啶阳离子，敌草快和百草敌草快和百草枯枯。敌草隆敌草隆百草枯百草枯(三）三）叶绿体的光合磷酸化叶绿体的光合磷酸化 (电能电能活跃的化学能活跃的化学能)v光合磷酸化：叶绿体的类囊体膜在光合电子传递的
48、同时，偶联了由ADP和Pi合成ATP的过程。此过程需要光，不需要氧。1.1.类型类型v1954年，D.I.Arnon发现离体叶绿体在光下可进行非环式光合磷酸化和环式光合磷酸化两种类型的反应。v非 环 式 光 合 磷 酸 化：非 环 式 光 合 磷 酸 化：水 光 解 释 放 出 的 电 子 经 过PS,Cytb/f复合体和PSI一系列电子传递的过程中，形成ATP，同时形成NADPH并放出O2，即 2H2H2 2O+2ADP+2PO+2ADP+2Pi i+2NADP+2NADP 2ATP+O 2ATP+O2 2+2NADPH+2NADPH2 2 在这个过程中，磷酸化与非环式电子传递相偶联。v环式光合磷酸化环式光合磷酸化：在PSI独立地进行电子传递，电子从P700经Fd传回PQ，然后返回P+700的循环过程中，也形成ATP。在这个过程中磷酸化与循环式电子传递相偶联，故称为循环光合磷酸化或环式光合磷酸化。ADP +Pi ATP光叶绿体光叶绿体3.1 PSII 3.1 PSII 反应中心叶绿素蛋白复合体反应中心叶绿素蛋白复合体光系统光系统IIII核心复合体示意图核心复合体示意图3.2 PSI3.2 PSI反应中心叶绿素蛋白复合体反应中心叶绿素蛋白复合体光系统光系统I I 复合体示意图复合体示意图
