高级植物生理课件

第二讲第二讲第二讲第二讲 光合作用生态生理光合作用生态生理光合作用生态生理光合作用生态生理EcoEcoPhysiologyofphotosynthesisPhysiologyofphotosynthesis 主讲主讲：赵会杰赵会杰 1.地地球球上上生生命命活活动动的的能能量量，基基本本上上都都是是依依赖赖于于太太阳阳能，光合作用是最主要的能将太阳能固定的生命过程。能，光合作用是最主要的能将太阳能固定的生命过程。可可以以说说，通通过过光光合合作作用用的的反反应应系系统统，利利用用自自然然界界最最丰丰富富而而廉廉价价的的资资源源COCO2 2和和H H2 2O O提提供供了了我我们们所所需需的的有机物。有机物。从从光光能能吸吸收收到到碳碳水水化化合合物物形形成成，有有5050多多个个中中间间步步骤骤。直直接接发发生生在在光光合合膜膜上上、由由光光驱驱动动的的反反应应，叫叫做做光光反反应应；而而不不依依赖赖于于光光，由由酶酶催催化化的的反反应应叫叫做做暗暗（碳碳）反应。反应。研究对象：研究对象：从分子水平的激发态到植物群体；从分子水平的激发态到植物群体；研究课题：研究课题：从光的吸收到生态系统；从光的吸收到生态系统；时间跨度：时间跨度：从飞秒从飞秒(fs)(fs)到世纪。到世纪。（s,ms,s,ns,ps,fss,ms,s,ns,ps,fs）2.3.一、光反应一、光反应同化力形成同化力形成 （一）光能的吸收与传递（一）光能的吸收与传递 叶叶绿绿素素的的卟卟啉啉环环上上具具有有很很多多共共轭轭双双键键，正正是是这些共轭双键能够吸收可见光（这些共轭双键能够吸收可见光（400400700nm700nm）。）。最最稳稳定定的的价价电电子子处处于于基基态态，能能量量最最低低。当当光光量量子子被被一一个个基基态态的的电电子子吸吸收收，光光量量子子的的能能量量就就被被加加到到电电子子上上，电电子子跃跃迁迁为为能能级级较较高高的的激激发发态态。对对于可见光，电子跃迁时间为于可见光，电子跃迁时间为10101515s.s.4.1 1、叶绿素激发与去激、叶绿素激发与去激 5.2 2、色素之间的能量传递、色素之间的能量传递 共共振振传传递递：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。这这种种依依靠靠电电子子振振动动在在分分子子间间传传递递能能量量的的方方式式就就称称为为“共共振振传传递递”。6.激子传递：激子传递：激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子（子（激子是能量和动量相同的分子共有的电子激发态）。它它能转移能量但不能转移电荷。能转移能量但不能转移电荷。其能量传递效率决定于两个分子间的作用矩阵。在由相同分子组成的聚光色素系统中，其中一个色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，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。称为激子传递。7.天线色素吸收的光能，经过色天线色素吸收的光能，经过色素间的一系列传递，汇集到反应中素间的一系列传递，汇集到反应中心，在那里引起心，在那里引起光化学反应光化学反应。8.（二）原初光化学反应（二）原初光化学反应 原原初初反反应应是是光光合合作作用用中中将将光光能能转转化化为为化化学学能能的最初步骤，其反应非常快，在的最初步骤，其反应非常快，在fspsfsps之间。之间。反应部位：光合膜（反应中心）反应部位：光合膜（反应中心）9.（三）叶绿体电子传递（三）叶绿体电子传递1 1、光合电子传递的顺序、光合电子传递的顺序（1 1）两个光系统）两个光系统 红降现象：红降现象：双光增益效应：双光增益效应：10.PSII和和PSI：PSII：P680核心、捕光色素蛋白复合体核心、捕光色素蛋白复合体(LHCII)、放氧复合体（、放氧复合体（OEC）PSI:P700核心、核心、LHCI11.（2）Z链链（Zschem）12.2、电子传递体在类囊体膜上的分布、电子传递体在类囊体膜上的分布13.类囊体膜上存在类囊体膜上存在4 4中蛋白复合体：中蛋白复合体：PSII复合体：PSII-：基粒中央PSII-：间质片层Cytb/f复合体：基粒垛叠区、基粒末端与边缘PSI复合体：PSI-：基粒外周PSI-：间质片层ATP酶复合体（CF,couplingfactor）：CF1:位于膜表面，起催化作用，ADP+PiATPCFo:插入膜内，提供H+通道14.OEC（放氧复合体）：（放氧复合体）：膜内表面P680的原初电子供体的原初电子供体：位于膜内侧，原初电子受体位于膜外测。PQ：可以在膜的疏水区移动。P700的电子供体（的电子供体（PC）位于膜内表面，受体Fd位于膜外表面。这样的空间排列，使得这样的空间排列，使得P680P680受光激发后，在类囊体的内表受光激发后，在类囊体的内表面发生水的氧化，并向类囊体膜内释放面发生水的氧化，并向类囊体膜内释放O O2 2和和H H+。在膜的外侧发生。在膜的外侧发生PQPQ还原，并通过跨膜移动，把膜外质子传到腔内。还原，并通过跨膜移动，把膜外质子传到腔内。PSI PSI受光激发后，从类囊体内侧的受光激发后，从类囊体内侧的PCPC接受电子，并在膜的外接受电子，并在膜的外侧把电子交给侧把电子交给FdFd，从而在膜的外侧进行，从而在膜的外侧进行NADPNADP的还原。的还原。电子传递体在类囊体膜上的这种分布，使电子在膜的内外电子传递体在类囊体膜上的这种分布，使电子在膜的内外进行定向传递，形成跨膜质子梯度，推动进行定向传递，形成跨膜质子梯度，推动ATPATP形成。形成。15.（四）（四）PSII的结构与运转的结构与运转1、PSII复合体的结构16.PSII反应中心结构模式图反应中心结构模式图示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的结构。D1很容易受到光化学破坏，会发生活性逆转。电子从P680传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌QA和QB。P680+在“Z”传递链中被D1亚基中酪氨酸残基还原。图中还表明了Mn聚集体(MSP)对水的氧化。CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。17.包括3个部分：（1）捕光天线系统）捕光天线系统围绕P680的CP43和CP47蛋白复合体组成的内周天线（近侧天线）由LHCII复合体组成的外周天线（远侧天线）（2）D1-D2蛋白蛋白D1-D2蛋白：由2个32KD蛋白组成，其中包括原初电子供体Yz（Tyr161残基）。反应中心电子传递链：YzP680PheoQA(D2蛋白)QB（D1蛋白）构成反应中心的电子传递链。（3）水氧化放氧系统）水氧化放氧系统包括：三种外周蛋白（包括：三种外周蛋白（33，23，17KD）,Mn簇簇,Cl,Ca2+18.19.2、PSII的运转的运转PSII是执行光诱导电荷分离及电子传递的基本单位，P680中心色素是一个chla双分子体(chlorophyll special pair)。电子从放氧中心到P680是很快的过程。Yz是D1蛋白上的第161位Tyr残基。原初的电荷从P680到Pheo只需几个皮秒（ps）,Pheo-又立即被QA氧化，QA又被QB在100200微秒时间内氧化。QB先形成半醌QB，然后又从另一个QA接受1个电子，形成还原型醌QB2。（这里QA是单电子受体，QB是双电子受体）。完全还原的QB2从间质接受2个质子，形成QBH2，并与PQ交换位置，随后再向cytb/f传递。D1蛋白亚基是蛋白亚基是QB的载体，故又称为的载体，故又称为QB蛋白，它可被蛋白，它可被DCMU等除草剂结合，从而阻断电子从等除草剂结合，从而阻断电子从QA向向QB的传递。此外，许的传递。此外，许多逆境因子，如高温、强光、高盐等对电子传递的抑制部位，多逆境因子，如高温、强光、高盐等对电子传递的抑制部位，也是这里。也是这里。20.3、PSII的水裂解放氧的水裂解放氧PSII的一个重要功能，就是参与水的裂解放氧。有关分子氧释放的机理，依然是目前研究的重要问题。（1）氧释放动力学光合放氧具有周期现象，在闪光诱导动力学研究中，发现氧的释放伴随着4个闪光周期的摆动，即每4次闪光出现一个放氧高峰。Kok等提出4个S态循环的模型（Kok钟），OEC需要积累4个氧化当量（正电荷），才能从2个水分子中夺取4个还原当量，释放一分子氧。hv1 hv2 hv3 hv4S0S1S2S3S4S0+4H+O2这里，S0-S4代表放氧中心的不同氧化还原状态，hv1-hv4表示闪光的顺序。从S0到S4共积累4个氧化当量，S4是不稳定的，它释放出分子氧后又回到S0状态。这样，每次循环吸收4个光量子，氧化2个水分子，向PSII中心传递4个电子，释放4个质子，1个氧分子。21.22.（2）Mn,Cl,Ca与放氧的关系（1）Mn直接参与水裂解积累4个氧化当量的过程。锰以不同的亲和程度结合在PSII颗粒上，利用加热或Tris溶液洗涤，把锰除去，放氧就受到抑制，回加锰后，放氧活性得到恢复。（2）Cl与CaColema和Govindjee利用35Cl-NMR技术证明，氯和钙与外周蛋白相互作用，会导致蛋白质区域之间盐桥的断裂，从而在锰簇中取出质子。23.（五）两个光系统之间的电子传递（五）两个光系统之间的电子传递两个光系统之间的电子传递，包括电子从PSII还原侧的QA到PSI氧化侧的PC，中间有PQ,cytb/f复合体，PC的参与。1、从QA起到PQ的传递QA的单电子载体行为转换为QB的双电子载体行为，这个转化机理，是通过暗适应叶绿体的闪光实验认识的。24.e第一次闪光：QAQA（半醌离子）e暗中：QAQBQBe第二次闪光：QAQBQB22HPQQB2QBH2PQH225.关于关于PQPQ库：库：PQ是类囊体上含量最多的电子传递体，因此，认为存在一个PQ库(PQ pool)。由于PQ是脂溶性的，它可以在类囊体膜的疏水区移动，使类囊体膜上的电子传递链之间连接通用，当两个光系统发生光能分配不均衡时，PQ库可以起到调节与缓冲作用，从而保证两个光系统的均衡运转。此外，PQ的移动性，也使得H向类囊体腔内释放，造成跨膜质子动力势，推动ATP形成。26.2、cytb/f复合体（1）组成4个多肽链组成（多亚基膜蛋白）：cytf,cytb6,Rieske铁硫蛋白，17KD蛋白（功能不详）（2）电子传递顺序PQH2FeSRCytfPCcytb/f复合体结构27.（3）cytb/f复合体介导跨膜质子转移的机理复合体介导跨膜质子转移的机理Q循环循环关于Cytb/f复合体介导的跨膜质子转移的机理，Mitchell曾提出Q循环的假设：还原的PQH2将2个电子中的一个传给Cytb6/f复合体中的FeSR，再交给Cytf，进而传给PC，与此同时，PQH2又将第二个电子交给低电位的b，并释放2个H+到膜腔内，电子由低电位的b传至高电位的b，再将电子传至PQ。经过两次电子循环后，PQ两次被还原，双还原的PQ又从膜外结合两个质子，并将其贮入质醌库中。28.Q循环（第一次周转）循环（第一次周转）Q循环（第二次周转）循环（第二次周转）放出的放出的2个电子中，一个经个电子中，一个经RFeS和和Cytf传递给传递给PC。另一个经。另一个经Cytb6的两个的两个b型血红素型血红素bl（低电势）和（低电势）和bh（高电势）（高电势）传递到类囊体基质侧的质醌氧化位点传递到类囊体基质侧的质醌氧化位点Qn，将一个质醌分子还原为半醌。，将一个质醌分子还原为半醌。电子传递同第一次周转，只是这电子传递同第一次周转，只是这次的电子传递将半醌还原成还原型次的电子传递将半醌还原成还原型质醌。而后者再从基质侧接受质醌。而后者再从基质侧接受2个质个质子后，离开复合体进入质醌库。子后，离开复合体进入质醌库。29.Q循环的结果：循环的结果：一个质醌分子被氧化生成一个一个质醌分子被氧化生成一个醌分子（醌分子（PQ，在，在Qn位点），两个位点），两个电子转移给质蓝素，电子转移给质蓝素，4个质子从基个质子从基质转移到内腔。质转移到内腔。30.3、PC（质蓝素）（质蓝素）质蓝素质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cytb/f复合体与复合体与PS之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。化还原变化来传递电子。分子特点：Mr=10.5KD，含铜蛋白。在氧化还原时，在597nm处有可逆的吸收变化。PS复合体存在类囊体非堆叠的部分，复合体存在类囊体非堆叠的部分，PS复合复合体存在堆叠部分，而体存在堆叠部分，而Cytb/f比较均匀地分布在膜比较均匀地分布在膜中，因而推测中，因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。电子。电子传递顺序：绿藻：cytfPCP700高等植物：cytfPCP70031.32.（六）（六）PSI结构与运转结构与运转1、PSI复合体组成反应中心P700电子受体LHCI（捕光天线）33.2、PSI反应中心的运转反应中心的运转P700：chla双分子体A0：chla单分子体A1：叶醌（维生素K1）FA,FB,FX:三个铁硫中心，含12个Fe，12个S。Fd:是2Fe2S铁氧还蛋白P700A0A1FAFBFXfdNADP假环式cytb/fO2PCO2-环式34.PSI电子传递体及其动力学电子传递体及其动力学NADPO2NADPHO-2（非环式）（假环式）（循环式）35.（七）光合磷酸化（七）光合磷酸化1、概念：在照光条件下，叶绿体把ADP与Pi形成ATP的过程。2、机理：36.3.ATP合成的部位合成的部位ATP合酶合酶37.类囊体类囊体ATP合酶有两部分组成：合酶有两部分组成：CF0：跨膜部分：跨膜部分CF1：位于基质的亲水部分：位于基质的亲水部分质子通过质子通过CF0被转运到酶的催化位点，利被转运到酶的催化位点，利用形成的质子浓度梯度，用形成的质子浓度梯度，CF1将将ADP和和Pi合成合成ATP。ATP合酶在文献中也被称为合酶在文献中也被称为CF0CF1复合复合体。体。38.4、光合磷酸化的抑制剂、光合磷酸化的抑制剂(1)电子传递抑制剂电子传递抑制剂指抑制光合电子传递的试剂，如羟胺(NH2OH)切断水到PS的电子流，DCMU抑制从PS上的QA到QB的电子传递；KCN和Hg等则抑制PC的氧化。一些除草剂如西玛津(simazine)、阿特拉津(atrazine)、除草定(bromacil)、异草定(isocil)等也是电子传递抑制剂，它们通过阻断电子传递抑制光合作用来杀死植物。(2)解偶联剂解偶联剂指解除磷酸化反应与电子传递之间偶联的试剂。常见的这类试剂有DNP(二硝基酚)、CCCP(carbonylcyanide-3-chlorophenylhydrazone,羰基氰-3-氯苯腙)、短杆菌肽D、尼日利亚菌素、NH等，这些试剂可以增加类囊体膜对质子的透性或增加偶联因子渗漏质子的能力，其结果是消除了跨膜的H+电化学势，而电子传递仍可进行，甚至速度更快(因为消除了内部高H浓度对电子传递的抑制)，但磷酸化作用不再进行。(3)能量传递抑制剂能量传递抑制剂指直接作用ATP酶抑制磷酸化作用的试剂，如二环己基碳二亚胺(DCCD)、对氯汞基苯(PCMB)作用于CF1，寡霉素作用于CFo(CFo下标的o就是表明其对寡霉素oligomycin敏感)。它们都抑制了ATP酶活性从而阻断光合磷酸化。39.光合电子传递链的三种抑制剂DCMU、DBMIB和百草枯的化学结构40.叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点叶绿体电子传递链的抑制剂作用位点：DCMU和DBMIB阻止电子传递反应，而还原态的百草枯自动氧化为基本离子，导致超氧和其他活性氧种类的形成。41.二、碳同化二、碳同化1、C3途径：光调节酶：光调节酶：RuBP羧化酶NADP-磷酸甘油醛脱氢酶SBP酯酶FBP酯酶Ru5P激酶42.RubiscoActivase43.2、C4途径途径44.3、CAM途径途径45.剑麻龙舌兰落地生根46.47.五、展望四、RCA的基因工程一、RubisCO的结构与功能二、Rubisco的活化-Rubisco活化酶三、Rubisco活化酶、Rubisco与光合作用的关系Contents48.1,5-二磷酸核二磷酸核酮糖糖羧化加氧化加氧酶酶简称称为Rubisco，它是在，它是在l947年年由由Wildmen和和Bonnor发现的。的。1965年人年人们首次从菠菜中提首次从菠菜中提纯了了这个个酶酶。同同时发现它具有催它具有催化化CO2和和RuBP(即即1，5一一二磷酸核二磷酸核酮糖糖)形成形成PGA(即即3磷酸甘油酸磷酸甘油酸的功能的功能，参参与光合成作用。与光合成作用。20世世纪70年代年代，Bowes对此此酶酶又有又有了新了新的的发现，即即该酶酶具有具有催催化化RuBP的氧化反的氧化反应的功能的功能，参参与光呼吸作用。与光呼吸作用。RubisCO存在于高等植物和自养存在于高等植物和自养细菌中，是所有光合生物菌中，是所有光合生物进行光行光台碳同化的关台碳同化的关键性性酶酶，它参与，它参与了光合作用和光了光合作用和光呼吸呼吸过程程,调节两者之两者之间的的关系，关系，对净光合速率起着决定性作用。光合速率起着决定性作用。光合生物的光合生物的RubisCO是一个重要的的是一个重要的的酶酶，它是将，它是将CO2还原成有机原成有机碳的限速碳的限速酶酶。地球上的光合生物每年。地球上的光合生物每年约固定固定51014kgCO2。CO2是是对“温室效温室效应”贡献献最大的气体最大的气体(大大约占占5O)，同同时又是地球上又是地球上最丰最丰富的碳富的碳资源。成功源。成功固定二氧化碳固定二氧化碳既可降低温室效既可降低温室效应，又可充分利，又可充分利用碳用碳资源。同源。同时，RubisCO酶酶活性活性的高低的高低直接影直接影响响植物的净光合植物的净光合产量。产量。RubisCO本身是植物可溶性蛋白中含量最高的蛋白，本身是植物可溶性蛋白中含量最高的蛋白，约占占50，是植物是植物体内重要体内重要的的储藏蛋藏蛋白。因此，白。因此，对RubisCO的深人研究具有深的深人研究具有深远的意的意义。49.RubisCO的的结构比构比较复复杂，随个体的不同差异，随个体的不同差异较大。植物大。植物与微生物之与微生物之间、不同植物之不同植物之间、不同微生物之不同微生物之间的的RubisCO结构不构不同，甚至在同一微生物体内的同，甚至在同一微生物体内的RubisCO也存在两种不也存在两种不同同的形式。的形式。大大亚基基(rbcL)+小小亚基基(rbcS)LxLy由由单一大一大亚基基(rbcL)组成的：成的：Lx大大亚基分子量一般在基分子量一般在5060kD之之间，是是由叶由叶绿体体DNA编码、由叶由叶绿体核糖体翻体核糖体翻译。小小亚基分子量一般在基分子量一般在1218kD之之间，是由核是由核DNA编码、由由细胞胞质核糖体翻核糖体翻译。一、RubisCO的结构与功能50.高等植高等植物的物的RubisCO是由是由8个大个大亚基基和和8个小个小亚基基组成的成的L8S8。不不同植物的同植物的大大亚基之基之间同源性同源性较高高小小亚基基的同源性的同源性则较低。低。原核光合生物的原核光合生物的RubisCO结构构较复复杂，有由有由单一大一大亚基基组成的多聚体成的多聚体(如如L2、L4、L6、L8)，有，有由大由大亚基和小基和小亚基共同基共同组成的成的L6S6及及L8S8，在有的光合微生在有的光合微生物中同物中同时存在两种不同形式的存在两种不同形式的RubisCO。51.RubisCO的立体的立体结构已由构已由Andersson采用高采用高分辨率的分辨率的X射射线分析分析给出了出了较为明确明确的四的四级结构模型构模型。模型。模型认为高等植高等植物的物的RubisCO外外形呈形呈“桶状桶状”。以四。以四对交互交互结合的合的L2发生四聚生四聚化化产生的生的L8为核心核心，而，而8个小个小亚基基则平分成两平分成两组分分别位于核心的上位于核心的上面和下面。面和下面。大大亚基是基是由由N、B和和C三个三个结构域构域组成。成。N结构域开始于构域开始于N端包括端包括I37个氨基酸残基个氨基酸残基。并含有并含有5股股折叠；折叠；B、C结构域构域由由螺旋构成。螺旋构成。52.53.同来源的RubisCO大亚基是很保守的，氨基酸序列的同源性一般大于80，而小亚基的序别变化较大。RubisCORubisCO的活性中心位于大亚的活性中心位于大亚 基上，基上，而不在小亚基上。而不在小亚基上。证据：由单一大亚基组成的多聚体(如L2、L4、L6、L8)仍具有催化RuBP的羧化和加氧活性。仅有小亚基组成的多聚体则无活性。目前认为小亚基与RubisCO的活性无关，而与Rubisco的装配有关。54.二、Rubisco的活化-Rubisco活化酶RubisCO必必须处于活化状于活化状态才能催化底物才能催化底物RuBP的的羧化化和氧化反和氧化反应。它在体外和体内的活化机制不同。它在体外和体内的活化机制不同。RubisCO的体外活化的体外活化过程已程已经被很好地了解，被很好地了解，活活化化作作用用依依赖于于PH值、CO2浓度度、以、以及及Mg2+。活化活化过程程:首先是首先是ERubisCO的氨基甲的氨基甲酰化作用化作用，即即CO2与与酶酶活化位点内的活化位点内的Lys201结合，然后，合，然后，再与再与Mg2快速形成一个快速形成一个有活性的三元复台物，即活化型的有活性的三元复台物，即活化型的酶酶ECM。（一）（一）RubisCO的体外活化机制的体外活化机制甲酰化的部位：大亚基的Lys20155.二、Rubisco的活化-Rubisco活化酶RubisCO必必须处于活化状于活化状态才能催化底物才能催化底物RuBP的的羧化化和氧化反和氧化反应。它在体外和体内的活化机制不同。它在体外和体内的活化机制不同。RubisCO的体外活化的体外活化过程已程已经被很好地了解，被很好地了解，活活化化作作用用依依赖于于PH值、CO2浓度度、以、以及及Mg2+。活化活化过程程:首先是首先是ERubisCO的氨基甲的氨基甲酰化作用化作用，即即CO2与与酶酶活化位点内的活化位点内的Lys201结合，然后，合，然后，再与再与Mg2快速形成一个快速形成一个有活性的三元复台物，即活化型的有活性的三元复台物，即活化型的酶酶ECM。（一）（一）RubisCO的体外活化机制的体外活化机制甲酰化的部位：大亚基的Lys20156.Jordan和Chollet发现，上述的体外活化的机制并不适用。因为在体内高浓度的底物RuBP与RubisCO紧密地结合，阻止了氨基甲酰化作用的进行。Ogren等发现一种核基因编码的叶绿体蛋白具有激活Rubisco的效应，命名为RubisCO活化酶(RubiscoActivae,RCA).RCA激活RubisCO的过程需要合适的CO2、Mg2+、未被活化的RubisCO以及RuBP等条件。（二）（二）RubisCO的体内活化机制的体内活化机制Rubisco活化活化酶酶57.1、RCA的分子特性的分子特性RCA是一种核是一种核编码的可溶性叶的可溶性叶绿体蛋白，具有体蛋白，具有ATPase活性。活性。RCA通常由通常由(4547kD)、(4144kD)两种两种亚基基组成，但不同植物成，但不同植物亚基的种基的种类和和数量不同。数量不同。拟南芥、菠菜南芥、菠菜、大麦、大麦、水稻、棉花、小麦等植、水稻、棉花、小麦等植物物RCA均含有均含有、两种两种亚基，而烟草、玉基，而烟草、玉米和衣米和衣藻藻(Chlamydomonasreinhardtii)仅含一种含一种亚基。基。但无但无论同种植物或不同种植物的同种植物或不同种植物的亚基之基之间，其，其抗体都能抗体都能发生交叉反生交叉反应。这为利用利用Western杂交交检测不同植物不同植物RCA的表达方式提供了方便。的表达方式提供了方便。亚基组成：亚基组成：58.59.Shen和Ogren报道了菠菜RCA氨基酸序列和二级结构，RCA前体多肽的N端含有58个氨基酸的转运肽，当前体肽跨膜运输到叶绿体后，转运肽立即在Ser和Thr丰富的区域被切除，形成成熟的亚基，它有2个ATP结合部位。对菠菜的RCA定点突变发现，Glu取代Gln109位点的突变，导致亚基活化Rubisco的活性上升，而ATPase活性下降，说明RCA活化Rubisco的活性和ATPase活性并非紧密偶联；用Asp替换Gln109也能增加活化Rubisco的活性，但用其它氨基酸替换则导致活性下降，说明酸性残基(如Glu和Asp)在这一位点上能增加活化Rubisco的活性。结构与活性：结构与活性：60.RCA本身虽然不是ATPase，但具有ATPase活性。这是因为RCA的两种亚基结构均含“P-环”序列(phosphate-bindingloop，G-X-X-X-X-G-K-ST)，P-环是许多ATPase具有的核苷酸结合序列,它能维持酶和ATP上的、磷酸基团形成的氢键，稳定ATP水解过程的中间状态，因此RCA活化Rubisco依赖于ATP而为ADP抑制。在菠菜RCA“P环”处对Lys进行定点诱变，得到的突变体与ATP的结合能力不及野生型的50，结果是突变体RCA的总活性下降，这说明Lys169对于维持RCA活性具有重要作用；菠菜RCAN端的Trp11和随后的Lys残基缺失时，活性几乎完全丧失，这些残基定位在酶的表面，RCA有可能在这一区域与Rubisco相互作用。ATPase活性：活性：61.2、RCA对Rubisco的活化作用的活化作用 RCA RCA的活性与叶绿体的能荷有密切关系的活性与叶绿体的能荷有密切关系,黑暗条件下黑暗条件下RCARCA以失活态存在以失活态存在,光照下光照下,随随着光合磷酸化的进行和着光合磷酸化的进行和ATPATP的增加的增加,与与ATPATP的水解相偶联的水解相偶联,利用所提供的能量进行变利用所提供的能量进行变构形成活化态构形成活化态RCA,RCA,当活化态当活化态RCA RCA 发生作用发生作用后即形成失活态后即形成失活态RCARCA。62.RCA催化Rubisco的活化 图中上部的方框表示图中上部的方框表示Rubisco，下部的圆饼代表钝化态，下部的圆饼代表钝化态RCA；带缺口的正方形代；带缺口的正方形代表活化态的表活化态的RCA。63.目前，关于目前，关于RCA如何活化如何活化RubiSCO的的详细机机制尚不清楚，上制尚不清楚，上图便是便是Jensen等提出的等提出的RCA作作用模式。用模式。已知已知CO2除了作除了作为Rubisco的底物之外，的底物之外，还具有具有Rubisco激活激活剂的功能。的功能。Rubisco只有先与作只有先与作为激活激活剂的的CO2形成氨甲形成氨甲酰化化Rubisco后，才能后，才能催化催化羧化化/加氧反加氧反应；此外，；此外，Rubisco在与另一个在与另一个底物底物RuBP结合之前，合之前，还必必须与与Mg2结合，才能合，才能被完全活化被完全活化(图中步中步骤1)。该反反应还可以自可以自发地地逆逆转，即氨甲，即氨甲酰化的化的Rubisco能自能自发脱掉脱掉CO2(去去氨甲氨甲酰化化)和和Mg2+，重新，重新转变为非活化非活化态(步步骤2)。64.然而，问题在于非活化态的Rubisco还能够与RuBP结合，改变其构象，形成钝化态的终端复合物(步骤3)，这种复合物即不能再被CO2和Mg2+所活化。RCA的作用在于与这种钝化的终端复合体结合(步骤5)，改变其构象，使Rubisco与RuBP的结合变松弛(步骤6)，并将RuBP从Rubisco活化区域解离下来(步骤7)，空出Rubisco中的CO2和Mg2+结合位点，RCA则转变为非活化状态(步骤8)。这样，Rubisco便可以重新被CO2和Mg2+激活，催化RuBP的羧化/加氧反应(步骤1)。至于RCA本身的活化，则需要与ATP的水解相偶联，以提供变构所需的能量(步骤4)，这就是RCA自身具有ATPase活性的原因。也正因为如此，RCA的活性与叶绿体的能荷有密切关系，当叶片从黑暗中转移到光照下以后，随着光合磷酸化的进行和ATP的增加，RCA和RubisCO活性有一个逐渐诱导提高的过程。65.66.Rubiscoregulationanditseffectors(a)RegulationschemeofRubisco.InactiveuncarbamylatedRubisco(E)iscarbamylatedbyaddingactivatorCO2(C)throughaslow,rate-eterminingreactiontoproducetheECform,andthentheformisrapidlystabilizedbyMg2+(M)coordinationtoformanactiveternarycomplex,ECM.TheECMformbindsthesubstrateRuBP(R)andreactswitheitherCO2inthecarboxylationorO2intheoxygenationreactionsofRubisco,respectively.TheEformcanalsobindRuBPtoformthenon-catalyticERcomplex.TheECMformcanbind2-carboxy-D-arabinitol1-phosphate(c)toformECMcinnocturnalconditions.Duringlightillumination,light-regulatedRubiscoactivaseinteractswiththeERandECMcformsandreleasesRuBPand2-carboxy-D-arabinitol1-phosphatefromthecomplexes.(b)ChemicalstructureofNADPH.(c)Chemicalstructureof6PG.(d)Chemicalstructureof2CABP.67.三、三、Rubisco活化活化酶酶、Rubisco与光合作用的关系与光合作用的关系 不同环境条件特别是逆境条件下，作物的光合不同环境条件特别是逆境条件下，作物的光合速率常会下降，速率常会下降，RubiscoRubisco活性下降是引起光合下降的活性下降是引起光合下降的非气孔因素之一。非气孔因素之一。1、温度和、温度和CO2离体离体Rubisco保持最高活性的温度大于保持最高活性的温度大于50，离体，离体RCA的的ATPase活性最适温活性最适温为42，但叶内，但叶内Rubisco活性在叶活性在叶温超温超过35时就会下降。就会下降。Crafts,Brandner和和Salvuccim研研究究认为温度升高到温度升高到35-40，RubiSCO活性下降是由于活性下降是由于Rubisco失活的速率超失活的速率超过RCA的活化能力，也有可能是影响的活化能力，也有可能是影响了了RCA和和Rubisco的的结合合过程，但决不是由于程，但决不是由于RCA的活性下的活性下降；当温度达到并超降；当温度达到并超过42时，RCA的活性下降，并促的活性下降，并促进Rubisco的活性下降。的活性下降。68.RCA结构构发生微小生微小变化就会影响与化就会影响与Rubisco的的有效有效结合。当温度升高到合。当温度升高到35时，植物叶片中，植物叶片中RCA从从Rubisco活化区域解离出来，活化区域解离出来，亚基之基之间相互相互作用消失，作用消失，Rubisco活性下降但可以恢复；活性下降但可以恢复；Western-blot分析表分析表明，当温度高于明，当温度高于42时，RCA展开成展开成单体，体，这些些单体自身或与其它叶体自身或与其它叶绿体体蛋白蛋白结合成高分子量的不可溶的聚合体合成高分子量的不可溶的聚合体，这时Rubisco的活性下降加速且不能逆的活性下降加速且不能逆转；豌豆和菠菜、豌豆和菠菜、拟南芥南芥2种种亚基基热稳定性和聚集定性和聚集方式相同。方式相同。69.小麦叶片小麦叶片经38热胁迫后，迫后，RCA的表达量明的表达量明显减少，减少，经24h缓解后，解后，42kD亚基数量增加，同基数量增加，同时诱导产生一种新的生一种新的41kD亚基。尽管基。尽管C4植物光合的植物光合的最适温度比最适温度比C3植物高，但玉米在叶温升高超植物高，但玉米在叶温升高超过38时的反的反应与小麦相同。与小麦相同。许多植物在多植物在热胁迫下会迫下会产生新的生新的RCA亚基，它基，它和和组成型成型RCA亚基的增加同基的增加同时发生，生，这有可能是光有可能是光合碳同化的一种适合碳同化的一种适应机制机制。有有报道都支持道都支持RCA是一种分子伴是一种分子伴侣(molecularchaperone)的看法，但后来又遭到反的看法，但后来又遭到反对。不。不过，RCA虽然不能修复在体内然不能修复在体内热变性的性的Rubisco，但它，但它的的许多特征多特征(包括序列同源性、包括序列同源性、热胁迫迫导致原有致原有亚基增加和基增加和诱导新新亚基的基的产生等都与分子伴生等都与分子伴侣相同。相同。70.2、光、光 光照度是一个重要的生态因子，光照度是一个重要的生态因子，RubiscoRubisco初始活性是影初始活性是影响光合速率的生理因子。响光合速率的生理因子。根据小麦光合日变化过程中根据小麦光合日变化过程中RubiscoRubisco活性的变化规律，活性的变化规律，认为光合午休过程中，小麦光合磷酸化受阻而使认为光合午休过程中，小麦光合磷酸化受阻而使ATPATP供应减供应减少，能荷降低，从而抑制少，能荷降低，从而抑制 RCA RCA对对RubiscoRubisco的活化作用。的活化作用。RCA RCA对对Rubisco Rubisco 初始活性的调节主要发生在每天早晚及初始活性的调节主要发生在每天早晚及光暗转换的初期，此时钝化态光暗转换的初期，此时钝化态RubiscoRubisco比较多。苹果、番茄、比较多。苹果、番茄、大麦和拟南芥中大麦和拟南芥中RCARCA都有明显都有明显 的昼夜节奏的昼夜节奏 。Rubisco Rubisco的光调节是通过的光调节是通过RCARCA起作用的。实验表明，就基起作用的。实验表明，就基因转录受光诱导而因转录受光诱导而 言，言，RCARCA基因比基因比RubiscoRubisco大小亚基基因敏感。大小亚基基因敏感。光照度可能通过调节基质的氧化还原势，改变光照度可能通过调节基质的氧化还原势，改变Trx.f Trx.f 对对亚基的调节作用，从而影响亚基的调节作用，从而影响RCARCA的活性及的活性及RubiscoRubisco的活性。的活性。71.四、四、RCA的基因工程的基因工程 活化酶基因工程的工作已经较深入，rca基因分离、表达、转化等主要工作都已经开展。现在人们已经克隆了菠菜、拟南芥、大麦、玉米、水稻、棉花等植物 rca基因的cDNA，并对转基因(主要是反义转化)植株的生理生化性状进行了研究。目前，主要采用体外定点突变和转反义基因的技术，研究植物RCA的结构、功能及其对Rubisco的调控机制。72.e.g:e.g:分别将分别将RCARCA的的亚基或亚基或亚基基亚基基因转入拟南芥突因转入拟南芥突变体变体(rca)(rca)，结果表明，只转，结果表明，只转 亚基或定点突变的亚基或定点突变的 亚基亚基(1(1个或个或2 2个个Cys Cys 被被AlaAla代替代替)时，时，RubiscoRubisco不受不受光调节，转光调节，转 亚基或两者都转的植株则受光调节，亚基或两者都转的植株则受光调节，这证明这证明RubiscoRubisco的光调节是基于的光调节是基于R AR A的的亚基受到氧亚基受到氧化调节。化调节。拟南芥、烟草、大豆的转反义拟南芥、烟草、大豆的转反义rcarca植株，植株，RCARCA水平和水平和RubiscoRubisco活性均下降，同时光合作用减弱，而活性均下降，同时光合作用减弱，而且烟草转反义且烟草转反义rcarca基因在热胁迫基因在热胁迫(42)(42)下与未经热下与未经热胁迫的比较，胁迫的比较，野生型光合作用几乎完全能恢复，而转基因植野生型光合作用几乎完全能恢复，而转基因植株则恢复很少。株则恢复很少。73.五、五、展望展望 从发现RCA至今,广大研究者对其分子特性和调控机理的认识已取得了重大进展。今后,RCA研究的主要方向为:利用基因工程技术、蛋白质组学、代谢组学技利用基因工程技术、蛋白质组学、代谢组学技术术,通过突变体通过突变体(点突变点突变)和转反义和转反义RCA RCA 技术研究技术研究RCA RCA 亚基间相互作用、亚基间相互作用、RCA RCA 的活化机制、对的活化机制、对RubiscoRubisco的调节的调节机制以及机制以及RCARCA结构中氨基酸残基和结构域对其功能的贡结构中氨基酸残基和结构域对其功能的贡献献,以完善以完善RCARCA作用的分子基础。作用的分子基础。随着全球气候变化,异常高温经常出现,关于温度尤其是高温对RCA调节Rubisco活性影响的研究将显得更有实际意义,将人工改造的具有更高热稳定性的RCA 基因导入植物,提高RCA 活性与热稳定性,最终提高植物光合作用速率与效率将会是可行的策略。74.75.光合机构对环境的响应合适应，是目前光合光合机构对环境的响应合适应，是目前光合作用研究中的一个热点，它不仅涉及光合机构的作用研究中的一个热点，它不仅涉及光合机构的调节控制，而且关系到作物的光合性能和生产能调节控制，而且关系到作物的光合性能和生产能力，以及农业、环境等一系列重大问题。力，以及农业、环境等一系列重大问题。在植物的进化过程中，光合作用机构也在不在植物的进化过程中，光合作用机构也在不断进化。从细菌光合到植物光合就是一个重大进断进化。从细菌光合到植物光合就是一个重大进步。但这不意味着光合功能就此稳定下来一成不步。但这不意味着光合功能就此稳定下来一成不变了。变了。当我们发现，从水域到陆地，从寒冷的极当我们发现，从水域到陆地，从寒冷的极圈到炎热的赤道，从泥泞的沼泽到荒凉的沙漠，圈到炎热的赤道，从泥泞的沼泽到荒凉的沙漠，都可以发现靠自身光合作用而生存的植物，便会都可以发现靠自身光合作用而生存的植物，便会知道光合作用这一植物的基本功能是多么善于适知道光合作用这一植物的基本功能是多么善于适应环境的变化啊！应环境的变化啊！76.适应（适应（adaptation）:在长期（几天、几周、几个月）变化了的环境中光合机构的形态、结构和功能上的变化。响应（响应（response）：）：在短期（最多几小时）变化的环境中，光合功能的变化。但有时二者难以严格区分。77.一、光照一、光照（一）植物光合机构对光照条件的适应阴生植物与阳生植物光合机构比较部位参数阳生植物阴生植物叶绿体体积正常偏大基粒类囊体多少chla/chlb高低叶片厚度厚薄气孔密度大小栅栏组织/海绵组织高低光合速率、光补偿点、光饱和点高低整体R/T大小78.（二）植物光合机构对光照条件的响应（二）植物光合机构对光照条件的响应短时间内光强的改变，光合机构具有一定的调节功能：短时间内光强的改变，光合机构具有一定的调节功能：1、酶活性变化：激活或失活（如、酶活性变化：激活或失活（如C3途径中的光调节酶：途径中的光调节酶：RuBP羧化酶、羧化酶、NADP-磷酸甘油醛脱氢酶、磷酸甘油醛脱氢酶、SBP酯酶、酯酶、FBP酯酶、酯酶、Ru5P激酶。）激酶。）2、类囊体垛叠程度改变、类囊体垛叠程度改变3、叶绿体运动、叶绿体运动4、叶片伸展角度改变、叶片伸展角度改变但这些调节是有一定限度的，当光强突然增加，植物但这些调节是有一定限度的，当光强突然增加，植物来不及调节适应时，便会引起光抑制或光破坏。来不及调节适应时，便会引起光抑制或光破坏。79.（三）强光对植物光合作用的影响（三）强光对植物光合作用的影响光抑制光抑制1、光抑制现象、光抑制现象photoinhibition:植物的光合机构所接受的光能超过光合作用所能利用的数量时，光合功能降低的现象。（1）光抑制的基本特征）光抑制的基本特征A量子效率下降B光饱和光合速率下降CPS2电子传递效率下降其中，量子效率是用来测定光抑制程度的较好指标。80.葡萄（葡萄（Vitis vinifera）：）：光强和量子效率日变化光强和量子效率日变化81.凌霄花（凌霄花（Campsis grandiflora):光强和量子效率日变化光强和量子效率日变化82.（2）植物对光抑制的敏感性）植物对光抑制的敏感性受植物遗传因素和环境条件影响。受植物遗传因素和环境条件影响。阴生植物比阳生植物敏感阴生植物比阳生植物敏感C3植物比植物比C4植物敏感植物敏感当高温、低温、干旱、营养不足等胁迫因素存在时，植物当高温、低温、干旱、营养不足等胁迫因素存在时，植物对光抑制的敏感性增加。对光抑制的敏感性增加。原因：原因：逆境下不利于光合作用进行，光能过剩程度加大；不利于光胁迫破坏的修复。83.2、光抑制的机理、光抑制的机理（1）光合机构的破坏部位：PSII反应中心。按其发生的原初部位可分为：受体侧光抑制：受体侧光抑制：常起始于还原型QA的积累。还原型QA的积累促使三线态P680(P680T)的形成，而P680T可以与氧作用(P680T+O2P680+1O2)形成单线态氧(1O2)；供体侧光抑制：供体侧光抑制：起始于水氧化受阻。由于放氧复合体不能很快把电子传递给反应中心，从而延长了氧化型P680(P680+)的存在时间。680680+和和1 1O O2 2都是强氧化剂，如不及时消除，它们都是强氧化剂，如不及时消除，它们都可以氧化破坏附近的叶绿素和都可以氧化破坏附近的叶绿素和D1D1蛋白，从而使光合器官蛋白，从而使光合器官损伤，光合活性下降。损伤，光合活性下降。84.MechanismofthephotoinhibitionofPSII.(a)Theacceptor-sidephotoinhibitionofPSII.(b)Thedonor-sidephotoinhibitionofPSII.Intheacceptor-sidephotoinhibition,excessilluminationwithvisiblelightinduces1O2,whichdamagestheD1protein,whileinthedonor-sidephotoinhibition,thecationicradicalsformedatthedonorsideofPSIIbytheilluminationdamagetheD1protein.85.86.Thefateofthelight-orheat-damagedD1protein.87.Thefateofthelight-orheat-damagedD1protein.ThePSIIcomplexesareenrichedinthegranaandpresentasdimers.Whensubjectedtolightorheatstress,thePSIIcomplexessufferdamageandareconvertedtoamonomericform.ThedamagedPSIIcomplexesmigratefromthegranatothestromathylakoids,andunstackingofthethylakoidsmayfacilitatethediffusionoftheproteincomplexesonthethylakoidmembranes.TheD1proteininthePSIIcomplexisphosphorylatedbeforethestress,butisdephosphorylatedwhenlightorheatstressisapplied.PhosphatasesinthestromathylakoidsareresponsibleforthedephosphorylationoftheD1protein.ThedephosphorylatedD1proteinisrecognizedbyFtsHproteasesanddegraded.Bycontrast,thePSIIcomplexesthatarelocatedinthegranacoreandarenotdephosphorylatedformaggregateswiththenearbypolypeptidessuchasD2andCP43.AccumulationofsuchproteinaggregatesleadstothedysfunctionofPSII.FtsHisalsofoundinthegrana(Komayamaetal.2007)andistentativelydepictedasamonomer88.（2）活性氧的破坏作用）活性氧的破坏作用通过通过Mehler反应生成的活性氧，如果可被及反应生成的活性氧，如果可被及时清除，则有防护作用；但是，如果不能被及时时清除，则有防护作用；但是，如果不能被及时清除，会对叶绿体的膜蛋白、膜脂造成破坏。清除，会对叶绿体的膜蛋白、膜脂造成破坏。（3）热耗散的增加）热耗散的增加这是一种不发生光合机构破坏的光抑制。量子效率的降这是一种不发生光合机构破坏的光抑制。量子效率的降低是由于天线色素或反应中心激发态叶绿素热耗散的增加引低是由于天线色素或反应中心激发态叶绿素热耗散的增加引起的，反应中心复合体并不受到破坏。起的，反应中心复合体并不受到破坏。这实际上也是一种对光合机构的保护机理。这实际上也是一种对光合机构的保护机理。89.3、光抑制后光合功能的恢复、光抑制后光合功能的恢复光抑制引起的破坏与自身的修复过程是同光抑制引起的破坏与自身的修复过程是同时发生的，两个相反过程的相对速率决定光抑时发生的，两个相反过程的相对速率决定光抑制程度和对光抑制的忍耐性。制程度和对光抑制的忍耐性。当光抑制不太严重时，回到非胁迫条件下，当光抑制不太严重时，回到非胁迫条件下，几分钟到几个小时，光合功能可以恢复。光抑几分钟到几个小时，光合功能可以恢复。光抑制严重时，则难以恢复。制严重时，则难以恢复。90.研究表明，恢复光合功能，需要对光破坏部位的修复。这研究表明，恢复光合功能，需要对光破坏部位的修复。这种修复需要从膜上去掉被破坏的部分，并用新的取而代之。研种修复需要从膜上去掉被破坏的部分，并用新的取而代之。研究表明，修复需要究表明，修复需要D1蛋白蛋白(QB蛋白蛋白)的从头合成。的从头合成。实验证据：已知实验证据：已知D1蛋白是由叶绿体基因蛋白是由叶绿体基因(PsbA)编码，并在编码，并在叶绿体内合成的蛋白质。采用氯霉素（叶绿体内合成的蛋白质。采用氯霉素（chloramphenicol）,一一种叶绿体蛋白质合成抑制剂处理，可以加剧光抑制，并且抑制种叶绿体蛋白质合成抑制剂处理，可以加剧光抑制，并且抑制恢复过程。恢复过程。而采用环己亚胺（而采用环己亚胺（cycloheximide）,一种细胞质蛋白质合一种细胞质蛋白质合成抑制剂处理，不加剧光抑制，也不妨碍恢复过程。成抑制剂处理，不加剧光抑制，也不妨碍恢复过程。此外，还有实验证明，此外，还有实验证明，D1蛋白的合成需要有稳定