光合作用的原初反应

1.光 能 的 吸 收 、 传 递 和 转 换 成 电 能 ， 主 要 由 原 初 反 应 完 成 ； 2.电 能 转 变 为 活 跃 化 学 能 ， 由 电 子 传 递 和 光 合 磷 酸 化 完 成 ； 3.活 跃 的 化 学 能 转 变 为 稳 定 的 化 学 能 ， 由 碳 同 化 完 成 。 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 (表 1)： 表 1 光 合 作 用 中 各 种 能 量 转 变 情 况 能 量 转 变 光 能 电 能 活 跃 的 化 学 能 稳 定 的 化 学 能 贮 能 物 质 量 子 电 子 ATP、 NADPH2 碳 水 化 合 物 等 转 变 过 程 原 初 反 应 电 子 传 递 光 合 磷 酸 化 碳 同 化 时 间 跨 度 (秒 )10-15 10-9 10-10 10-4 100 101 101 102 反 应 部 位 PS 、 PS 颗 粒 类 囊 体 膜 类 囊 体 叶 绿 体 间 质 是 否 需 光 需 光 不 一 定 ， 但 受 光 促 进 不 一 定 ， 但 受 光 促 进 原 初 反 应 是 指 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 ： 光 物 理 光 能 的 吸 收 、 传 递 光 化 学 有 电 子 得 失 原 初 反 应 特 点 速 度 非 常 快 ， 可 在 皮 秒 (ps， 10 12s)与 纳 秒(ns， 10 9s)内 完 成 ； 与 温 度 无 关 ， 可 在 196 (77K， 液 氮 温 度 )或 271 (2K， 液 氦 温 度 )下 进 行 ； 量 子 效 率 接 近 1 由 于 速 度 快 ， 散 失 的 能 量 少 ，所 以 其 量 子 效 率 接 近 1 。 概 念 一 、 光 能 的 吸 收 与 传 递(一 ) 激 发 态 的 形 成通 常 色 素 分 子 是 处 于 能 量 的 最 低 状 态 基 态 。 色 素 分 子 吸 收 了 一 个 光 子 后 ， 会 引 起 原 子 结 构 内电 子 的 重 新 排 列 。 其 中 一 个 低 能 的 电 子 获 得 能 量 后 就 可 克 服 原 子 核正 电 荷 对 其 的 吸 引 力 而 被 推 进 到 高 能 的 激 发 态 。 下 式 表 示 叶 绿 素 吸 收 光 子 转 变 成 了 激 发 态 。 激 发态 具 有 比 基 态 高 的 能 级 ， 能 级 的 升 高 来 自 被 吸 收 的光 能 。 Chl（ 基 态 ） +h 10 15s Chl*（ 激 发 态 ） 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 。 叶 绿 素 分 子 受 光 激 发 后 的 能 级 变 化叶 绿 素 在 可 见 光 部 分 有 二 个 吸 收 区 ： 红 光 区 与 蓝 光 区 。如 果 叶 绿 素 分 子 被 蓝 光 激 发 ， 电 子 就 跃 迁 到 能 量 较 高 的 第二 单 线 态 ； 如 果 被 红 光 激 发 ， 电 子 则 跃 迁 到 能 量 较 低 的 第一 单 线 态 。 处 于 单 线 态 的 电 子 ， 其 自 旋 方 向 保 持 原 有 状 态 ， 即 配 对电 子 的 自 旋 方 向 相 反 。 如 果 电 子 在 激 发 或 退 激 过 程 中 ， 其自 旋 方 向 发 生 了 变 化 ， 使 原 配 对 的 电 子 自 旋 方 向 相 同 ， 那么 该 电 子 就 进 入 了 能 级 较 单 线 态 低 的 三 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 (二 )激 发 态 的 命 运激 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 。 激 发 态 的 叶 绿 素 分 子 回 至 基 态 时 ， 可 以 光 子 形 式 释 放 能 量激 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 称 为 色 素 分 子 间 能 量 的 传 递 。 激 发 态 的 色 素 分 子 把 激 发 的 电 子 传 递 给 受 体 分 子 。激 发 态 是 不 稳 定 的 状 态 ， 经 过 一 定 时 间 后 ， 就 会发 生 能 量 的 转 变 ， 转 变 的 方 式 有 以 下 几 种 ： Chl* Chl+热 Chl* ChlT +热 ChlT Chl+热 这 些 都 是 无 辐 射 退 激 。 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 叶 绿 素 分 子 要 从 第 二 单 线 态 降 至 第 一 单 线 态 ， 多 余的 能 量 在 降 级 过 程 中 也 是 以 热 能 释 放 。 由 于 叶 绿 素 是 以 第 一 单 线 态 参 加 光 合 作 用 的 。 所 以 一 个 蓝 光 光子 所 引 起 的 光 合 作 用 与 一 个 红 光 光 子 所 引 起 的 光 合 作 用 是 相 同 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 。 如 叶 绿 素 分 子 从 第 一 单 线 态 降至 基 态 或 三 线 态 ， 以 及 从 三 线 态 回 至 基 态 时 的 放 热 ： 2. 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 。 处 在 第 一 单 线 态 的 叶 绿 素 分 子 回 至 基 态 时 所 发 出 的 光 称为 荧 光 。 而 处 在 三 线 态 的 叶 绿 素 分 子 回 至 基 态 时 所 发 出 的 光 称 为磷 光 。 Chl* Chl h 荧 光 发 射 (12) ChlT Chl h 磷 光 发 射 (13) 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 由 于 叶 绿 素 分 子 吸 收 的光 能 有 一 部 分 消 耗 在 分 子内 部 的 振 动 上 ， 且 荧 光 又总 是 从 第 一 单 线 态 的 最 低振 动 能 级 辐 射 的 ， 辐 射 出的 光 能 必 定 低 于 吸 收 的 光能 ， 因 此 叶 绿 素 的 荧 光 的波 长 总 要 比 被 吸 收 的 波 长长 些 。 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 。 离 体 色 素 溶 液 为 什 么 易 发 荧 光 ， 这 是 因为 溶 液 中 缺 少 能 量 受 体 或 电 子 受 体 的 缘故 。 在 色 素 溶 液 中 ， 如 加 入 某 种 受 体 分 子 ，能 使 荧 光 消 失 ， 这 种 受 体 分 子 就 称 为 荧光 猝 灭 剂 ， 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 。 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 称 为 色 素 分 子 间 能 量 的 传 递 。 Chl*1 Chl2 Chl1 Chl*2 供 体 分 子 受 体 分 子色 素 分 子 吸 收 的 光 能 ， 若 通 过 发 热 、 发 荧 光 与 磷 光 等 方 式退 激 ， 能 量 就 被 浪 费 了 。 在 光 合 器 里 ， 聚 光 叶 绿 素 分 子 在 第 一 单 线 态 的 能 量 水 平 上 ，通 过 分 子 间 的 能 量 传 递 ， 把 捕 获 的 光 能 传 到 反 应 中 心 色 素 分子 ， 以 推 动 光 化 学 反 应 的 进 行 。 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 的 。 激 子 通 常 是 指 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 。 在 由 相 同 分 子 组 成 的 聚 光 色素 系 统 中 ， 其 中 一 个 色 素 分子 受 光 激 发 后 ， 高 能 电 子 在返 回 原 来 轨 道 时 也 会 发 出 激子 ， 此 激 子 能 使 相 邻 色 素 分子 激 发 ， 即 把 激 发 能 传 递 给了 相 邻 色 素 分 子 ， 激 发 的 电子 可 以 相 同 的 方 式 再 发 出 激子 ， 并 被 另 一 色 素 分 子 吸 收 ， 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 。 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 ， 第一 个 分 子 中 原 来 被 激 发 的 电 子 便停 止 振 动 ， 而 第 二 个 分 子 中 被 诱导 的 电 子 则 变 为 激 发 态 ， 第 二 个分 子 又 能 以 同 样 的 方 式 激 发 第 三个 、 第 四 个 分 子 。 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 。 图 光 合 作 用 过 程 中 能 量 运 转 的 基 本 概 念许 多 色 素 集 中 在 一 起 作 为 天 线 色 素 ， 收 集 光 能 转 运 到 反 应 中 心 。 在 反 应 中心 化 学 反 应 通 过 从 叶 绿 素 色 素 到 电 子 受 体 分 子 的 电 子 转 运 过 程 存 储 一 些 能量 ， 电 子 供 体 再 次 还 原 叶 绿 素 能 量 。 在 集 光 色 素 中 的 传 递 是 单 纯 的 物 理 现 象 不 涉 及 参 与 任 何 化 学 变 化 。 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 。 图 聚 光 系 统 到 反 应 中 心 能 量 激 发 呈 漏 斗 状（ A） 光 合 色 素 距 离 反 应 中 心 越 远 ， 其 激 发 态 能 就 越 高 ， 这 样 就 保 证了 能 量 向 反 应 中 心 的 传 递 。 （ B） 尽 管 在 这 个 过 程 中 一 部 分 能 量 以 热 的 形 式 向 环 境 中 耗 损 散 ， 但是 在 适 当 的 条 件 下 聚 光 色 素 复 合 体 吸 收 的 激 发 态 能 量 都 可 以 传 送 到 反 应 中心 。 星 号 表 示 激 态 。 二 、 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 ， 它 是 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 。 反 应 中 心 中 的 原 初 电 子 受 体 是 指 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 。 光光 系 统 的 反 应 中 心系 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 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 2.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 A h P* A P+ A 基 态 反 应 中 心 激 发 态 反 应 中 心 电 荷 分 离 的反 应 中 心 原 初 电 子 供 体 ， 即 反 应 中 心 色 素 (P)吸 收 光 能 后 成为 激 发 态 (P*)， 其 中 被 激 发 的 电 子 移 交 给 原 初 电 子受 体 (A)， 使 其 被 还 原 带 负 电 荷 (A-)， 而 原 初 电 子 供体 则 被 氧 化 带 正 电 荷 (P +)。 这 样 ， 反 应 中 心 出 现 了电 荷 分 离 ， 到 这 里 原 初 反 应 也 就 完 成 了 。 原 初 电 子 供 体 失 去 电 子 ， 有 了 “ 空 穴 ” ， 成 为 “ 陷阱 ” ， 便 可 从 次 级 电 子 供 体 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 。 供 电 子 给 P+的 还 原 剂 叫做 次 级 电 子 供 体 (D)， 从 A 接 收 电 子 的 氧 化 剂 叫 做 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 A1 D+ 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 。 (二 )PS 和 PS 的 光 化 学 反 应高 等 植 物 的 两 个 光 系 统 有 各 自 的 反 应 中心 。 PS 和 PS 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 (图 9)， 也 即 用 氧 化 态 吸收 光 谱 与 还 原 态 吸 收 光 谱 间 的 差 值 最 大 处的 波 长 来 作 为 反 应 中 心 色 素 的 标 志 。 图 9 菠 菜 反 应 中 心 色 素 吸 收 光 谱 的 变 化 照 光 下 PS (A)、 PS (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)。 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 （ PS ） 产 生 强 氧 化 剂 和 弱 还 原 剂 。 吸 收 远 红 光 的 光系 统 （ PS） 产 生 弱 氧 化 剂 和 强 还 原 剂 。 PS 产 生 的 强 氧 化 剂 氧 化 水 ， 同时 ， PS产 生 的 强 还 原 剂 还 原 NADP+。 PS 的 原 初 电 子 受 体 是 叶 绿 素 分 子 (A0)，PS 的 原 初 电 子 受 体 是 去 镁 叶 绿 素 分 子(Pheo)， 它 们 的 次 级 电 子 受 体 分 别 是 铁 硫 中心 和 醌 分 子 (表 4-2)。 PS 的 原 初 反 应 ： P700 A0 h P700* 0 P700 A0 (17) PS 的 原 初 反 应 ： P680 Pheo h P680 * Pheo P680+ Pheo- (18) 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 。 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PS 还 原 NADP+ ，实 现 PC到NADP+的 电子 传 递 PC P700 叶 绿 素分 子 (A0) 铁 硫中 心 NADP+ (电 子 最终 受 体 )PS 使 水 裂 解 释放 氧 气 ， 并把 水 中 的 电子 传 至 质 体醌 。 水 YZ P680 去 镁 叶绿 素 分子(Pheo) 醌 分子 (Q A) 质 体醌 PQ