第二节二氧化碳固定课件

第二节第二节 二氧化碳固定二氧化碳固定 1945年美国的年美国的Calvin M等人利用单细胞小球藻作等人利用单细胞小球藻作为实验材料，应用为实验材料，应用14C示踪技术和双向纸层析法，经示踪技术和双向纸层析法，经过十年的研究揭示了光合作用暗反应阶段碳素同化及过十年的研究揭示了光合作用暗反应阶段碳素同化及受体再生的循环途径，因此称为卡尔文循环（受体再生的循环途径，因此称为卡尔文循环（Calvin Benson cycle）。）。由于途径中的最初产物是三碳化合物（由于途径中的最初产物是三碳化合物（3-磷酸甘磷酸甘油酸），故也称作油酸），故也称作C3途径。途径。10.1.3 卡尔文循环（C3途径）10.1.3.1 CO2的固定 整个循环可分为三个阶段：整个循环可分为三个阶段：(1)CO2固定固定 CO2的的固固定定（CO2 fixation），即即游游离离的的CO2经经酶酶促促反反应应转转变变为为有有机机物物分分子子中中的的羧羧基基,也也称称作作CO2的的羧羧化（化（carboxylation）。）。CO2的的受受体体是是核核酮酮糖糖-1,5-二二磷磷酸酸（ribulose-1,5-bisphosphate，RuBP），催催化化此此反反应应的的酶酶是是核核酮酮糖糖-1,5-二二 磷磷 酸酸 羧羧 化化 酶酶/加加 氧氧 酶酶（ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase，Rubisco）。）。10.1.3.1 CO2的固定 整个循环可分为三个阶段：整个循环可分为三个阶段：(1)CO2固定固定 上述反应在夜间或黑暗条件下受阻上述反应在夜间或黑暗条件下受阻 CO2的的固固定定反反应应是是卡卡尔尔文文循循环环的的限限速速步步骤骤。其其关关键键酶酶Rubisco是是个个双双功功能能的的酶酶。它它的的活活性性中中心心有有两两种种功功能能：既既可可以以催催化化上上述述羧羧化化反反应应，又又可可以以催催化化加加氧氧反反应应（在在光光呼呼吸吸中中）。该该酶酶位位于于叶叶绿绿体体基基质质中中，约约占占叶叶子子可可溶溶性性蛋蛋白白的的50%，是是植植物物中中含量最丰富的酶。含量最丰富的酶。10.1.3.1 CO2的固定 Rubisco活活性性中中心心受受CO2和和Mg2+以以及及ATP的的活活化化。酶酶的的最最适适pH8。已已知知底底物物RuBP与与Rubisco结结合合较较牢牢，反反而而降降低低了了羧羧化化反反应应的的速速度度，在在Rubisco激激活活酶酶（Rubisco activase）的的调调节节下下，可可以以促促进进RuBP的的释释放放，活活化化了了Rubisco。活活化化过过程程 中中Rubisco激激活活酶酶需需要要ATP，因因ATP来来自自于于光光反反应应，所所以以光光是是Rubisco的的间接激活剂。间接激活剂。这这一一阶阶段段包包括括两两步步反反应应：（1）在在磷磷酸酸甘甘油油酸酸激激酶酶催催化化下下，发发生生高高能能键键的的转转移移，产产生生1，3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸（BPG）；（2）在在磷磷酸酸甘甘油油醛醛脱脱氢氢酶酶的的催催化化下下，还还原原产产生生3-磷磷酸酸甘甘油油醛醛（G3P）。第第二二步步酶酶是是光光调调节节酶酶。反反应应中中消消耗耗的的ATP和和NADPH来来自自于于前前面面介介绍绍的的光光合合作作用光反应所产生的化学能和还原力。用光反应所产生的化学能和还原力。10.1.3.2 羧化产物的还原 在在磷磷酸酸丙丙糖糖异异构构酶酶的的催催化化下下，3-磷磷酸酸甘甘油油醛醛（G3P）异异构构为为磷磷酸酸二二羟羟丙丙酮酮（DHAP）；接接着着在在醛醛缩缩酶酶的的催催化化下下，缩缩合合成成果果糖糖-1,6-二二磷磷酸酸（FBP）；然然后后在在光光调调节节酶酶：果果糖糖-1,6-二二磷磷酸酸酶酶（fructose-1,6-bisphosphatase,FBPase）的的催催化化下下，水水解解去去掉掉一一个个磷磷酸酸基基团团，变变为为果果糖糖-6-磷磷酸酸（F6P）；再再经经磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖异构酶催化，就变为葡糖异构酶催化，就变为葡糖-6-磷酸（磷酸（G6P）10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 磷磷酸酸丙丙糖糖是是代代谢谢中中的的一一个个转转折折点点，除除了了参参与与卡卡尔尔文文循循环环中中的的反反应应外外，还还有有其其它它去去路路：转转化化为为淀淀粉粉，作作为为植植物物贮贮存存形形式式备备用用；外外运运到到细细胞胞质质中中先先形形成成蔗蔗糖糖，再再转转移移到到植植物物生生长长的的区区域域；在在发发育育的的叶叶片片中中，相相当当一一部部分分磷磷酸酸丙丙糖糖转转移移到到细细胞胞质质，进进入入糖糖酵酵解解、TCATCA循循环环等途径为生物供能。等途径为生物供能。10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 醛醛缩缩酶酶还还可可将将上上述述反反应应产产生生的的4-磷磷酸酸赤赤藓藓糖糖与与磷磷酸酸二二羟羟丙丙酮酮缩缩合合，形形成成七七碳碳糖糖：景景天天庚庚酮酮糖糖-1,7-二二磷磷酸酸（SBP）。在在景景天天庚庚酮酮糖糖二二磷磷酸酸酶酶（sedoheptulose bisphosphatase，SBPase）的的作作用用下下，SBP被被水水解解，去去除除一一个个磷磷酰酰基基，成成为为景景天天庚庚酮酮糖糖-7-磷磷酸酸（S7P）。此此水解酶是光调节酶，也是植物中特有的酶水解酶是光调节酶，也是植物中特有的酶 10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 10.1.3.3 受体的再生 转羟乙醛酶还可以催化酮糖供体“景天庚酮糖-7-磷酸”将羟乙醛基转移给醛糖受体“3-磷酸甘油醛”，产 生 5-磷 酸 核 糖（R5P）和 5-磷 酸 木 酮 糖（Xu5P）。10.1.3.3 受体的再生 再经两种异构酶催化，可发生五碳糖的转变，其共同的目标是形成5-磷酸核酮糖（Ru5P）。Xu5P经磷酸核酮糖差向异构酶催化，C3上羟基位置的改变，就可以变成Ru5P。10.1.3.3 受体的再生 R5P经磷酸核糖异构酶催化，醛糖就可以变成酮糖Ru5P 10.1.3.3 受体的再生 最最 后后 在在 磷磷 酸酸 核核 酮酮 糖糖 激激 酶酶（phosphoribulose kinase）催催化化下下,消消耗耗1ATP,产产生生1,5-二二磷磷酸酸核核酮酮糖糖（RuBP），），完成了受体的再生。完成了受体的再生。Rubisco*；磷酸甘油酸激酶；磷酸甘油酸激酶；磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶*；磷酸丙糖异构酶；磷酸丙糖异构酶；醛缩酶；醛缩酶；FBPase*；磷酸葡糖异构酶；磷酸葡糖异构酶；磷酸葡糖酶；磷酸葡糖酶；转羟乙醛酶；转羟乙醛酶；醛缩酶；醛缩酶；SBPase*；转羟乙醛酶；转羟乙醛酶；磷酸核酮糖差向异构磷酸核酮糖差向异构酶；酶；磷酸核糖异构酶；磷酸核糖异构酶；磷酸核酮糖激酶磷酸核酮糖激酶*10.1.3.3 受体的再生 总反应式 光合作用的卡尔文循环中，每同化一分子光合作用的卡尔文循环中，每同化一分子CO2，需要消耗三分子需要消耗三分子ATP和二分子的和二分子的NADPH。或 在这样的弱碱性条件下，在这样的弱碱性条件下，Rubisco，磷酸甘油醛磷酸甘油醛脱氢酶，脱氢酶，FBPase，SBPase，磷酸核酮糖激酶这些卡磷酸核酮糖激酶这些卡尔文循环关键酶均有激活作用尔文循环关键酶均有激活作用 10.1.3.4 卡尔文循环调节（C3途径）C4途径途径是一种在光合作用中与卡尔文循环有一定是一种在光合作用中与卡尔文循环有一定联系的辅助途径。该途径的作用是固定、浓缩和转运联系的辅助途径。该途径的作用是固定、浓缩和转运CO2到到C3途径所在的维管束鞘细胞中，使其中的途径所在的维管束鞘细胞中，使其中的CO2浓度升高，提高其光合作用速率。因浓度升高，提高其光合作用速率。因CO2固定最初产固定最初产物是四碳二羧酸，固称为物是四碳二羧酸，固称为C4途径。通过途径。通过C4途径固定、途径固定、同化同化CO2的植物，简称为的植物，简称为C4植物，如玉米、甘蔗、高植物，如玉米、甘蔗、高粱、苋菜、狼尾草、黍等。粱、苋菜、狼尾草、黍等。10.1.4 C4 途径 C3植植物物与与C4植植物物光光合合作作用用的的差差异异在在于于暗暗反反应应阶阶段段：C3植植物物的的CO2固固定定及及碳碳素素同同化化途途径径均均在在叶叶肉肉细细胞胞的的叶叶绿绿体体中中进进行行。C4植植物物的的CO2固固定定先先在在靠靠近近叶叶表表面面的的叶叶肉肉细细胞胞中中进进行行，然然后后经经C4途途径径的的四四碳碳二二羧羧酸酸的的转转移移，把把CO2运运输输到到叶叶片片内内部部维维管管束束鞘鞘细细胞胞的的叶叶绿绿体体中中，再再进进行行卡卡尔尔文文循循环环。可可见见C4植植物物碳碳同同化化过过程程应应包包括括C4途途径和径和C3途径。途径。10.1.4.1 C4途径与C3途径的关系 10.1.4.1 C4途径与C3途径的关系 C4途途径径将将CO2和和Rubisco 从从氧氧含含量量较较高高的的叶叶片片表表面面转转移移到到氧氧浓浓度度较较低低的的内内部部维维管管束束鞘鞘细细胞胞之之中中，再再进进行行CO2的的固固定定反反应应。其其转转移移的的目目的的是是避避免免 Rubisco 发发生生另另一一种种浪浪费费资资源源的的加加氧氧反反应应。热热带带禾禾本本科科植植物物采采用用C4途途径径的的原原因因之之一一是是克克服服了了高高温温条条件件下下CO2和和Rubisco的亲和力的下降。的亲和力的下降。10.1.4.1 C4途径与C3途径的关系 C4途途径径CO2的的最最初初受受体体是是一一种种三三碳碳化化合合物物磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸（PEP），在在PEP羧羧化化酶酶催催化化下下，固定固定CO2，生成草酰乙酸（生成草酰乙酸（OAA）10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 这个反应在叶肉细胞质中进行。这个反应在叶肉细胞质中进行。PEP羧化酶对羧化酶对CO2的亲和力很强，其的亲和力很强，其Km7 mol/L，而此时的而此时的Rubisco的的Km450 mol/L。PEP羧化酶从高羧化酶从高O2低低CO2的叶肉中固定的叶肉中固定CO2，为为CO2的转移、同化奠定了基础。的转移、同化奠定了基础。PEP羧化酶是一种调羧化酶是一种调节酶，被节酶，被CO2固定的反应产物固定的反应产物OAA所抑制，受所抑制，受EMP途途径中的葡萄糖径中的葡萄糖-6-磷酸（磷酸（G6P）的活化。该酶遇到光也的活化。该酶遇到光也活化，视作光合作用的酶。活化，视作光合作用的酶。10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 在叶肉细胞的叶绿体中，经在叶肉细胞的叶绿体中，经NADP-苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶催化，转变为苹果酸。催化，转变为苹果酸。10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 在叶肉细胞质内，由谷草转氨酶催化，转变为天在叶肉细胞质内，由谷草转氨酶催化，转变为天冬氨酸冬氨酸 10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 上述苹果酸或天冬氨酸均能够从叶肉细胞转移到上述苹果酸或天冬氨酸均能够从叶肉细胞转移到维管束鞘细胞中。这些四碳二羧酸起着维管束鞘细胞中。这些四碳二羧酸起着CO2携带体的携带体的作用。作用。在在维维管管束束鞘鞘细细胞胞中中，它它们们发发生生脱脱羧羧反反应应，放放出出CO2，以以利利于于CO2进进入入卡卡尔尔文文循循环环，再再参参与与糖糖的的合合成成。脱脱羧羧反反应应因因植植物物不不同同；也也相相应应有有差差异异，主主要要有有三三种种形形式：式：10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 在在维维管管束束鞘鞘细细胞胞的的叶叶绿绿体体中中，经经NADP-苹苹果果酸酸酶酶催催化化，氧氧化化脱脱羧羧变变为为丙丙酮酮酸酸。属属于于这这类类的的植植物物是是玉玉米米、甘蔗、高粱等。甘蔗、高粱等。10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 在在维维管管束束鞘鞘线线粒粒体体中中，经经NAD-苹苹果果酸酸酶酶作作用用，氧化脱羧，形成丙酮酸。氧化脱羧，形成丙酮酸。10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 脱脱羧羧后后，形形成成的的丙丙酮酮酸酸先先经经转转氨氨酶酶作作用用变变为为丙丙氨氨酸酸，从从维维管管束束鞘鞘细细胞胞转转移移到到叶叶肉肉细细胞胞的的叶叶绿绿体体中中，再再经经转转氨氨酶酶作作用用又又转转变变回回丙丙酮酮酸酸，然然后后通通过过丙丙酮酮酸酸磷磷酸酸双双激激酶酶（pyruvate phosphate dikinase）的的催催化化才才转转变成变成PEP，完成完成C4途径受体的再生。途径受体的再生。10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应 葡葡萄萄糖糖异异生生作作用用（gluconeogenesis）是是指指以以非非糖糖有有机机物物作作为为前前体体合合成成为为葡葡萄萄糖糖的的过过程程。这这是是植植物物、动动物物体体内内一一种种重重要要的的单单糖糖合合成成途途径径。非非糖糖物物质质包包括括乳乳酸酸、丙丙酮酮酸酸、甘甘油油、草草酰酰乙乙酸酸、乙乙酰酰CoA以以及及生生糖糖氨氨基酸（如丙氨酸）等。基酸（如丙氨酸）等。植植物物果果实实成成熟熟期期间间，有有机机酸酸含含量量下下降降，糖糖份份含含量量增增加加，就就是是葡葡糖糖异异生生作作用用的的结结果果。动动物物机机体体内内葡葡萄萄糖糖异异生生作作用用是是必必不不可可少少的的。它它对对维维持持血血糖糖浓浓度度的的恒恒定定，为为大大脑脑、肌肌肉肉、眼眼晶晶状状体体、中中枢枢神神经经系系统统等等组组织织利利用用葡糖分解供能提供了保障。葡糖分解供能提供了保障。10.2 糖异生作用 葡葡萄萄糖糖异异生生途途径径几几乎乎是是EMP途途径径的的逆逆转转，但但要要绕绕过过EMP途途径径三三处处不不可可逆逆反反应应，采采用用葡葡萄萄糖糖异异生生作作用用特特有有的的酶酶催催化化、转转移移，才才能能完完成成非非糖糖有有机机物物合合成成为为葡萄糖的过程。葡萄糖异生途径三处迂回路径是葡萄糖的过程。葡萄糖异生途径三处迂回路径是:10.2.1 葡萄糖异生途径 (1)(1)丙酮酸丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 10.2.1 葡萄糖异生途径 (2)(2)果糖果糖 1,6-1,6-二磷酸二磷酸 果糖果糖-6-6-磷酸磷酸 10.2.1 葡萄糖异生途径 (3)(3)葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 葡萄糖葡萄糖 10.2.1 葡萄糖异生途径 10.3.1 10.3.1 糖核苷酸的作用糖核苷酸的作用 10.3 蔗糖和多糖的生物合成 在在高高等等植植物物、动动物物体体内内，游游离离的的单单糖糖不不能能参参与与双双糖糖和和多多糖糖的的合合成成反反应应，延延长长反反应应中中提提供供的的单单糖糖基基必必须须是是活活化化的的糖糖供供体体，这这种种活活化化的的糖糖是是一一类类糖糖核核苷苷酸酸，即即糖糖与与核核苷苷酸酸结结合合的的化化合合物物。糖糖核核苷苷酸酸的的作作用用是是作作为为双双糖糖或或多多糖糖，甚甚至至是是糖糖蛋蛋白白等等复复合合糖糖合合成成过过程程中中参参与与延延长长单单糖糖基基的的活活化化形形式式或或供供体体。最最早早发发现现的的糖糖核核苷苷酸酸是是尿尿苷苷二二磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖（uridine diphosphate glucose,UDPG）10.3 蔗糖和多糖的生物合成 UDPG结构式 10.3 蔗糖和多糖的生物合成UDPG 合成反应 10.3.2 蔗糖的生物合成 该该途途径径存存在在于于光光合合组组织织的的细细胞胞质质中中。被被认认为为是是植植物物合合成成蔗蔗糖糖的的主主要要途途径径。磷磷酸酸蔗蔗糖糖合合酶酶（sucrose phosphate synthase）属属于于转转移移酶酶类类。它它利利用用UDPG作作为为葡葡萄萄糖糖的的供供体体，以以F6P为为葡葡萄萄糖糖的的受受体体，反反应应产产物物是是蔗蔗糖糖-6-磷磷酸酸；再再通通过过磷磷酸酸蔗蔗糖糖酶酶水水解解，脱脱去去磷磷酸基团而生成蔗糖。酸基团而生成蔗糖。(1)磷酸蔗糖合酶途径磷酸蔗糖合酶途径(1)磷酸蔗糖合酶途径磷酸蔗糖合酶途径10.3.2 蔗糖的生物合成在在非非光光合合组组织织中中蔗蔗糖糖合合酶酶（sucrose synthase）活活性性较高。蔗糖合酶也属于转移酶类，可催化糖基转移。较高。蔗糖合酶也属于转移酶类，可催化糖基转移。(2)(2)蔗糖合酶途径蔗糖合酶途径 10.3.3 淀粉和糖原的生物合成 淀粉合酶（淀粉合酶（starch synthase）10.3.3.1 直链淀粉的生物合成直链淀粉的生物合成 式式中中；引引物物的的n3；活活化化的的葡葡糖糖基基从从引引物物的的非非还还原端延长；原端延长；淀粉合酶催化连接的键是淀粉合酶催化连接的键是-1，4糖苷键。糖苷键。10.3.3 淀粉和糖原的生物合成 D酶酶 10.3.3.1 直链淀粉的生物合成直链淀粉的生物合成 D酶酶是是一一种种糖糖苷苷基基转转移移酶酶，作作用用的的键键是是-1，4糖糖苷苷键键；转转移移的的基基团团主主要要是是麦麦芽芽糖糖残残基基；催催化化的的底底物物可可以以是是葡葡萄萄糖糖、麦麦芽芽多多糖糖；起起着着加加成成反反应应作作用用。故故有有人人称称之之为为加加成成酶酶。D酶酶的的存存在在，有有利利于于葡葡萄萄糖糖转转变变为为麦麦芽芽多多糖糖，为为直直链链淀淀粉粉延延长长反反应应提提供了必要的引物。供了必要的引物。10.3.3 淀粉和糖原的生物合成 蔗糖转化为淀粉蔗糖转化为淀粉 10.3.3.1 直链淀粉的生物合成直链淀粉的生物合成 10.3.3 淀粉和糖原的生物合成 蔗糖转化为淀粉蔗糖转化为淀粉 10.3.3.1 直链淀粉的生物合成直链淀粉的生物合成 10.3.3 淀粉和糖原的生物合成 支支链链淀淀粉粉分分支支点点-1,6糖糖苷苷键键的的形形成成需需要要淀淀粉粉分分支支酶酶又又称称Q酶酶（Q enzyme）作作用用，将将直直链链淀淀粉粉的的一一部部分分拆拆下下来来，装装配配成成侧侧链链。Q酶酶具具有有双双重重功功能能：既既能能催催化化直直链链淀淀粉粉的的-1,4糖糖苷苷键的断裂，又能催化键的断裂，又能催化-1,6糖苷键的连接，形成支链淀粉。糖苷键的连接，形成支链淀粉。10.3.3.2 支链淀粉的生物合成支链淀粉的生物合成 支链淀粉的生物合成支链淀粉的生物合成