光合作用的过程和能量转变.ppt

光合作用的过程和能量转变 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 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 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 10 910 10 10 4 100 101101 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 不同层次和时间上的光合作用 第三节原初反应 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 反应中心色素 少数特殊状态的chla分子 它具有光化学活性 是光能的 捕捉器 转换器 聚光色素 天线色素 没有光化学活性 只有收集光能的作用 包括大部分chla和全部chlb 胡萝卜素 叶黄素 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 15sChl 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 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 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 3 色素分子间的能量传递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 4 光化学反应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 ChlTChl 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 Chl2Chl1 Chl 2供体分子受体分子 3 色素分子间的能量传递 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 激子传递 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 共振传递 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 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 Ah P AP 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 A1D 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 和PS 的光化学反应 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 A0h P700 0P700 A0 17 PS 的原初反应 P680 Pheoh P680 PheoP680 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 PS 和PS 的电子供体和受体组成 第四节电子传递和光合磷酸化 原初反应的结果 使光系统的反应中心发生电荷分离 产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递 电子传递的结果 一方面引起水的裂解放氧以及NADP 的还原 另一方面建立了跨膜的质子动力势 启动了光合磷酸化 形成ATP 这样就把电能转化为活跃的化学能 一 电子和质子的传递 一 光合链所谓光合链是指定位在光合膜上的 由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道 现在较为公认的是由希尔 1960 等人提出并经后人修正与补充的 Z 方案 即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的 电子传递体按氧化还原电位高低排列 使电子传递链呈侧写的 Z 形 PSII和PSI共同参与从水到NADP 电子传递的Z 方案模式图光下PSII产生氧化水的强氧化剂和还原剂 与此相反 光照下PSI产生还原NADP 的强还原剂和弱氧化剂 两个光系统通过电子传递链连接 使得PSI氧化剂接受PSII还原剂提供传递的电子 1 电子传递链主要由光合膜上的PS Cytb f PS 三个复合体串联组成 2 电子传递有二处逆电势梯度 即P680至P680 P700至P700 逆电势梯度的电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动 而其余电子传递都是顺电势梯度的 3 水的氧化与PS 电子传递有关 NADP 的还原与PS 电子传递有关 电子最终供体为水 水氧化时 向PS 传交4个电子 使2H2O产生1个O2和4个H 电子的最终受体为NADP 4 PQ是双电子双H 传递体 它伴随电子传递 把H 从类囊体膜外带至膜内 连同水分解产生的H 一起建立类囊体内外的H 电化学势差 Z 方案特点 图10叶绿体中的电子传递模式方框代表了蛋白复合物 LHC 和LHC 分别是PS 和PS 各自的聚光色素复合体 M为含Mn的放氧复合体 实线箭头表示非环式电子传递方向 虚线箭头表示环式或假环式电子传递分叉处 二 光合电子传递体的组成与功能 1 PS 复合体PS 的生理功能是吸收光能 进行光化学反应 产生强的氧化剂 使水裂解释放氧气 并把水中的电子传至质体醌 1 PS 复合体的组成与反应中心中的电子传递PS 是含有多亚基的蛋白复合体 它由聚光色素复合体 中心天线 反应中心 放氧复合体 细胞色素和多种辅助因子组成 PSII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 PS 反应中心的核心部分是分子量分别为32000和34000的D1和D2两条多肽 反应中心的次级电子供体Z 中心色素P680 原初电子受体Pheo 次级电子受体QA QB等都结合在D1和D2上 其中与D1结合的质体醌定名为QB 与D2结合的质体醌定名为QA 这里的Q有双重涵义 既是醌 quinone 的字首 又是荧光猝灭剂 quencher 的字首 组成中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47000 43000并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体 它们围绕P680 比LHC 更快地把吸收的光能传至PS 反应中心 所以被称为中心天线或 近侧天线 QA是单电子体传递体 每次反应只接受一个电子生成半醌 图11 它的电子再传递至QB QB是双电子传递体 QB可两次从QA接受电子以及从周围介质中接受2个H 而还原成氢醌 QH2 这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换 生成PQH2 质体醌的结构和电子传递 A 质体醌有一个醌的头和一个长的非极性的尾 尾部使质体醌定位于膜中B 质 醌的氧化还原反应 2 水的氧化与放氧 CO 2H O 光叶绿体 CH O O2 H O 放氧复合体 OEC 又称锰聚合体 M MSP 在PS 靠近类囊体腔的一侧 参与水的裂解和氧的释放 水的氧化反应是生物界中植物光合作用特有的反应 也是光合作用中最重要的反应之一 每释放1个O 需要从2个H2O中移去4个e 同时形成4个H 2 质醌 质醌 PQ 也叫质体醌 是PS 反应中心的末端电子受体 也是介于PS 复合体与Cytb f复合体间的电子传递体 质体醌在膜中含量很高 约为叶绿素分子数的5 10 故有 PQ库 之称 质体醌是双电子 双质子传递体 氧化态的质体醌可在膜的外侧接收由PS 也可是PS 传来的电子 同时与H 结合 还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给Cytb f 氧化时把H 释放至膜腔 这对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用 3 Cytb f复合体 Cytb f复合体作为连接PS 与PS 两个光系统的中间电子载体系统 是一种多亚基膜蛋白 由4个多肽组成 即Cytf Cytb Rieske铁 硫蛋白 17kD的多肽等 PQH 2PC Cu Cytb fPQ 2PC Cu 2H Cytb f复合体主要催化PQH 的氧化和PC的还原 并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中 因此Cytb f复合体又称PQH PC氧还酶 4 质蓝素 质蓝素 PC 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Cytb f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化还原变化来传递电子 5 PS 复合体 PS 的生理功能是吸收光能 进行光化学反应 产生强的还原剂 用于还原NADP 实现PC到NADP 的电子传递 高等植物的PS 由反应中心和LHC 等组成 反应中心内含有11 12个多肽 其中在A和B两个多肽上结合着P700及A0 A1 FX FA FB等电子传递体 每一个PS 复合体中含有两个LHC LHC 吸收的光能能传给PS 的反应中心 模式图中显示了复合体中以A和B命名的两个主要的蛋白质亚基psaA和psaB的分布状况 电子从P700传递到叶绿素分子A0 然后到电子受体A1 电子传递穿过一系列的被命名为FX FA FB的Fe S中心 最后到达可溶性铁硫蛋白 Fdx P700 从还原态的质蓝素 PC 中接受电子 psaF psaD和psaE几个PSI亚基参与可溶性电子传递底物与PSI复合体的结合 PSI反应中心结构模式 6 铁氧还蛋白和铁氧还蛋白 NADP 还原酶 铁氧还蛋白 Fd 和铁氧还蛋白 NADP 还原酶 FNR 都是存在类囊体膜表面的蛋白质 FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 依靠核黄素的氧化还原来传递H 因其与Fd结合在一起 所以称Fd NADP 还原酶 FNR是光合电子传递链的末端氧化酶 接收Fd传来的电子和基质中的H 还原NADP 为NADPH 反应式可用下式表示 2Fd还原 NADP H FNR2Fd氧化 NADPH 7 光合膜上的电子与H 的传递 图15光合膜上的电子与质子传递图中经非环式电子传递途径传递4个e 产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作用总方程式推算出的 在光反应中吸收8个光量子 PS 与PS 各吸收4个 传递4个e 能分解2个H2O 释放1个O2 同时使类囊体膜腔增加8个H 又因为吸收8个光量子能同化1个CO2 而在暗反应中同化1个CO2需消耗3个ATP和2个NADPH 也即传递4个e 可还原2个NADPH 经ATP酶流出8个H 要合成3个ATP 光合膜上的电子与质子传递概况 红线表示电子传递 黑线表示质子传递 蓝线质子越膜运输 三 光合电子传递的类型 根据电子传递到Fd后去向 将光合电子传递分为三种类型 1 非环式电子传递指水中的电子经PS 与PS 一直传到NADP 的电子传递途径H O PS PQ Cytb f PC PS Fd FNR NADP 按非环式电子传递 每传递4个e 分解2个H2O 释放1个O2 还原2个NADP 需吸收8个光量子 量子产额为1 8 同时转运8个H 进类囊体腔 2 环式电子传递 1 PS 中环式电子传递 由经Fd经PQ Cytb6 fPC等传递体返回到PS 而构成的循环电子传递途径 即 PS Fd PQ Cytb f PC PS 环式电子传递不发生H2O的氧化 也不形成NADPH 但有H 的跨膜运输 可产生ATP 每传递一个电子需要吸收一个光量子 2 PS 中环式电子传递 电子是从QB经Cytb559 然后再回到P680 即 P680 Pheo QA QB Cytb559 P680也有实验指出PS 中环式电子传递为 P680 Cytb559 Pheo P680 Cytb559 3 假环式电子传递 指水中的电子经PS 与PS 传给Fd后再传给O 的电子传递途径 这也叫做梅勒反应 Mehler sreaction H O PS PQ Cytb f PC PS Fd O Fd还原 O2Fd氧化 O2 叶绿体中有超氧化物歧化酶 SOD 能消除O2 O2 O2 2H2SOD2H2O2 O2假环式电子传递实际上也是非环式电子传递 也有H 的跨膜运输 只是电子的最终受体不是NADP 而是O 二 光合磷酸化 1954年阿农等人用菠菜叶绿体 弗伦克尔 A M Frenkel 用紫色细菌的载色体相继观察到 光下向叶绿体或载色体体系中加入ADP与Pi则有ATP产生 从此 人们把光下在叶绿体 或载色体 中发生的由ADP与Pi合成ATP的反应称为光合磷酸化 一 光合磷酸化的类型 非环式光合磷酸化与非环式电子传递偶联产生ATP的反应 非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示 2NADP 3ADP 3Pi8h 叶绿体2NADPH 3ATP O2 2H H O在进行非环式光合磷酸化的反应中 体系除生成ATP外 同时还有NADPH的产生和氧的释放 非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有 它在光合磷酸化中占主要地位 环式光合磷酸化与环式电子传递偶联产生ATP的反应 ADP Pi光叶绿体ATP H O环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式 主要在基质片层内进行 它在光合演化上较为原始 在高等植物中可能起着补充ATP不足的作用 假环式光合磷酸化与假环式电子传递偶联产生ATP的反应 此种光合磷酸化既放氧又吸氧 还原的电子受体最后又被氧所氧化 H O ADP Pi光叶绿体ATP O2 4H 二 光合磷酸化的机理 光合磷酸化与电子传递的关系 偶联三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联 如在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂 光合磷酸化就会停止 在偶联磷酸化时 电子传递则会加快 所以在体系中加入磷酸化底物会促进电子的传递和氧的释放 发生电子传递而不伴随磷酸化作用称解偶联 磷酸化和电子传递的关系偶联可用ATP e 或P O来表示 ATP e 表示每对电子通过光合电子传递链而形成的ATP分子数 P O 表示光反应中每释放1个氧原子所能形成的ATP分子数 比值越大 表示磷酸化与电子传递偶联越紧密 如按8个H 形成3个ATP算 即传递2对电子放1个O2 能形成3个ATP 即ATP e 或P O理论值为1 5 而实测值在0 9 1 3之间 2 化学渗透学说 关于光合磷酸化的机理有多种学说 如中间产物学说 变构学说 化学渗透学说等 其中被广泛接受的是化学渗透学说 化学渗透学说 chemiosmotictheory 由英国的米切尔 Mitchell1961 提出 该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点 由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子的透过具有选择性 具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜 膜上有偶联电子传递的质子转移系统 膜上有转移质子的ATP酶在解释光合磷酸化机理时 该学说强调 光合电子传递链的电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力 protonmotiveforce pmf 并由质子动力推动 的合成 许多实验都证实了这一学说的正确性 1 化学渗透学说的实验证据 两阶段光合磷酸化实验指光合磷酸化可以相对分成照光阶段和暗阶段来进行 照光不向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物 而断光时再加入底物能形成ATP的实验 1962年 中国的沈允钢等人 用此实验探测到光合磷酸化高能态 Z 的存在 1963年贾格道夫 Jagendorf 等也观察到了光合磷酸化高能态的存在 起初认为Z 是一种化学物质 以此提出了光合磷酸化中间物学说 现在知道高能态即为膜内外的H 电化学势 所谓两阶段光合磷酸化 其实质是光下类囊体膜上进行电子传递产生了跨膜的H 电化学势 暗中利用H 电化学势将加入的ADP与Pi合成ATP 酸 碱磷酸化实验 贾格道夫等 1963 在暗中把叶绿体的类囊体放在p 4的弱酸性溶液中平衡 让类囊体膜腔的 下降至4 然后加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液 这样瞬间的pH变化使得类囊体膜内外之间产生一个H 梯度 这个H 梯度能使ADP与Pi生成ATP 而这时并不照光 也没有电子传递 这种驱动ATP合成的类囊体内外的pH差在活体中正是由光合电子传递和H 转运所形成的 这一酸 碱磷酸化实验给化学渗透假说以最重要的支持证据 光下类囊体吸收质子的实验 对无pH缓冲液的叶绿体悬浮液照光 用pH计可测到悬浮液的pH升高 这是由于光合电子传递引起了悬浮液中质子向类囊体膜腔运输 使得膜内H 浓度高而膜外较低的缘故 电子传递产生了质子梯度后 质子就有反向跨膜转移的趋向 质子反向转移时 质子梯度所贮藏的能量就被用去合成ATP 以上实验都证实了米切尔的化学渗透学说的正确性 因而米切尔获得了1978年度的诺贝尔化学奖 2 H 电化学势与质子动力 e 传递与H 向膜内的运转 还会引起类囊体膜的电势变化 从而产生H 电化学势差 H H H 内 H 外 RT ln H 内 ln H 外 F E内 E外 RTln H 内 H 外 F E 2 3RT pH F E式中R 气体常数 T 绝对温度 K F 法拉第常数 E 膜电势 V 25 时 H 5 7 pH kJ mol 1 96 5 E kJ mol 1 将式4 31两边用F 96 5kJ mol 1 V 1 除 规定 H F为质子动力 其单位为电势 V 在25 时 pmf 0 059 pH E叶绿体类囊体膜的质子动力大部分是来自 pH部分 电荷分布所产生的 E的贡献很小 原因是其它离子 如Cl K 或Mg2 也能穿透类囊体膜 当H 穿透类囊体膜时 Cl 可以与H 同向穿透 或Mg2 与H 1Mg2 2H 反向穿透 这样就保持了电中性 结果不产生电势差 3 ATP合成的部位 ATP酶 质子反向转移和合成ATP是在ATP酶 ATPase 上进行的 ATP酶又叫ATP合成酶 也称偶联因子或CF1 CFo复合体 叶绿体的ATP酶由两个蛋白复合体组成 一个是突出于膜表面的亲水性的 CF1 另一个是埋置于膜中的疏水性的 CFo ATP酶由九种亚基组成 分子量为550000左右 催化的反应为磷酸酐键的形成 即把ADP和Pi合成ATP 另外ATP酶还可以催化逆反应 即水解ATP 并偶联H 向类囊体膜内运输 亚基和 亚基交替排列组成 六角形 的 头部 亚基位于 六角形 的中央空隙 亚基位于 柄部 亚基与 亚基与CF0结合 亚基有结合核苷酸的部位 在进行催化时可能发生构象变化 亚基是合成和水解ATP分子的催化位置 亚基控制CF1转动和质子流 亚基也许与CF0的结合有关 亚基似乎能抑制CF1 CFo复合体在暗中的活性 防止ATP的水解 和 亚基还有阻塞经CFo的质子泄漏的作用 CF1 CF1的分子量约400000 它含有 和 5种亚基 3 3 1 1 1 CFo含有四个亚基 和 是多聚体 可能含有15个多肽 1 1 12 1 和 组成柄 形成质子通道 亚基的功能可能与建立质子转移通道或与结合CF1有关 当类囊体膜失去CF1后 就失去磷酸化功能 如果重新加进CF1即可恢复磷酸化功能 失去了CF1的类囊体膜会泄漏质子 但是一旦将CF1加回到膜上或是加进CFo的抑制剂后 质子泄漏就停止了 这表明CFo是质子的 通道 供应质子给CF1去合成ATP 至于CF1如何利用H 越膜所释放的能量来合成ATP 虽有很多假说 但都需进一步验证 当前起主导的假说为结合转化机制的变构学说 结合转化机制的变构学说 该学说由PaulBoyer提出 他认为 在ATP形成过程中 与ATP合成酶的3个 亚基各具一定的构象 分别称为紧绷 tight 松驰 loose 和开放 open 各自对应于底物结合 产物形成和产物释放的三个过程 见图 ATP合成的结合转化机制 亚基的转动引起 亚基的构象依紧绷 T 松驰 L 和开放 O 的顺序变化 完成ADP和Pi的结合 ATP的形成以及ATP的释放三个过程 构象的相互依次转化是和质子的通过引起 亚基的旋转相偶联的 当质子顺质子电化学梯度流过Fo 使 亚基转动 亚基的转动引起 亚基的构象依紧绷 T 松驰 L 和开放 O 的顺序改变 使ATP得以合成并从复合体上释放 具体说 ADP和Pi与的开放状态的 亚基结合 在质子流的推动下 亚基的转动使 亚基转变为松驰状态并在较少能量变化情况下 ADP和Pi自发地形成ATP 再进一步转变为紧绷状态 亚基继续变构成松驰状态 使ATP的释放 并可以再次结合ADP和Pi进行下一轮的ATP合成 在ATP合成的整个过程中 能量消耗的步骤主要在ATP的释放 而不是ATP的合成 按照Boyer的结合改变机理或旋转理论 CF1的3个亚基应是均等地参与催化反应 但有人对此持有不同看法 并已发现了一些CF1的3个亚基不是均等地参与催化反应的证据 于是提出了非旋转的2点催化机理与之抗争 深信这些争论将会进一步促进ATP合酶结构功能研究的深入和发展 4 光合磷酸化的抑制剂 叶绿体进行光合磷酸化 必须 1 类囊体膜上进行电子传递 2 类囊体膜内外有质子梯度 3 有活性的ATP酶 破坏这三个条件之一的试剂都能使光合磷酸化中止 这些试剂也就成了光合磷酸化的抑制剂 1 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Q到PQ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 百草枯 一种除草剂 2 5 二溴 3 甲基 6 异丙基 对苯醌 光合电子传递链的三种抑制剂DCMU DBMIB和百草枯的化学结构 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 三 光反应中的光能转化效率 光能转化效率是指光合产物中所贮存的化学能占光合作用所吸收的有效辐射能的百分率 光反应中 植物把光能转变成化学能贮藏在ATP和NADPH中 每形成1molATP需要约50kJ能量 每形成1molNADPH便有2mole 从0 82V H2O O2氧化还原电位 上升到 0 32V NADPH电位 这一过程的自由能变化为G nF E 2 96 5 1 14 220kJ如果按非环式电子传递 式 4 27 每吸收8mol光量子形成2molNADPH和3molATP来考虑 在光反应中吸收的能量按680nm波长的光计算 则8mol光量子的能量 E 为 E hNC 8 6 626 10 s 6 023 3 0 108m s m 8 1410kJ8mol光子可转化成的化学能 E E 220kJ 2 50kJ 3 590kJ 能量转化率 光反应贮存的化学能 吸收的光能 E1 E2 590kJ 1410kJ 0 42 42 二 光合电子传递体的组成与功能 1 PS 复合体PS 的生理功能是吸收光能 进行光化学反应 产生强的氧化剂 使水裂解释放氧气 并把水中的电子传至质体醌 1 PS 复合体的组成与反应中心中的电子传递PS 是含有多亚基的蛋白复合体 它由聚光色素复合体 中心天线 反应中心 放氧复合体 细胞色素和多种辅助因子组成 PSII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 PS 反应中心的核心部分是分子量分别为32000和34000的D1和D2两条多肽 反应中心的次级电子供体Z 中心色素P680 原初电子受体Pheo 次级电子受体QA QB等都结合在D1和D2上 其中与D1结合的质体醌定名为QB 与D2结合的质体醌定名为QA 这里的Q有双重涵义 既是醌 quinone 的字首 又是荧光猝灭剂 quencher 的字首 组成中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47000 43000并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体 它们围绕P680 比LHC 更快地把吸收的光能传至PS 反应中心 所以被称为中心天线或 近侧天线 QA是单电子体传递体 每次反应只接受一个电子生成半醌 图11 它的电子再传递至QB QB是双电子传递体 QB可两次从QA接受电子以及从周围介质中接受2个H 而还原成氢醌 QH2 这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换 生成PQH2 质体醌的结构和电子传递 A 质体醌有一个醌的头和一个长的非极性的尾 尾部使质体醌定位于膜中B 质 醌的氧化还原反应 2 水的氧化与放氧 CO 2H O 光叶绿体 CH O O2 H O 放氧复合体 OEC 又称锰聚合体 M MSP 在PS 靠近类囊体腔的一侧 参与水的裂解和氧的释放 水的氧化反应是生物界中植物光合作用特有的反应 也是光合作用中最重要的反应之一 每释放1个O 需要从2个H2O中移去4个e 同时形成4个H 20世纪60年代 法国的乔利尔特 P Joliot 发明了能灵敏测定微量氧变化的极谱电极 用它测定小球藻的光合放氧反应 他们将小球藻预先保持在暗中 然后给以一系列的瞬间闪光照射 如每次闪光5 10 s 间隔300ms 发现闪光后氧的产量是不均量的 是以4为周期呈现振荡 即第一次闪光后没有O 的释放 第二次释放少量O 第三次O 的释放达到高峰 每4次闪光出现1次放氧峰 图12 用高等植物叶绿体实验得到同样的结果 图12系列闪光对小球藻放氧量的影响在第三个闪光阶段氧形成量最大 以后每四个闪光都可以看到一个周期性的峰值 氧形成量大约在第20个闪光后体系放O 的周期性会逐渐消失 放O 量达到某一平稳的数值 Joliot 1965 科克 B Kok 1970 等人根据这一事实提出了关于H O裂解放氧的 四量子机理假说 PS 的反应中心与H O之间存在一个正电荷的贮存处 S 每次闪光 S交给PS 反应中心1个e 当S失去4e 带有4个正电荷时能裂解2个H O释放1个O 图13 图中S即为M 按照氧化程度 即带正电荷的多少 从低到高的顺序 将不同状态的M分别称为S S S S 和S 即S 不带电荷 S 带1个正电荷 S4带4个正电荷 每一次闪光将状态S向前推进一步 直至S 然后S 从2个H O中获取4个e 并回到S 图13在水裂解放氧中的S状态变化 修改过的Kok水氧化钟模型 注明了H 的释放部位 2 质醌 质醌 PQ 也叫质体醌 是PS 反应中心的末端电子受体 也是介于PS 复合体与Cytb f复合体间的电子传递体 质体醌为脂溶性分子 能在类囊体膜中自由移动 转运电子与质子 质体醌在膜中含量很高 约为叶绿素分子数的5 10 故有 PQ库 之称 PQ库作为电子 质子的缓冲库 能均衡两个光系统间的电子传递 如当一个光系统受损时 使另一光系统的电子传递仍能进行 可使多个PS 复合体与多个Cytb f复合体发生联系 使得类囊体膜上的电子传递成网络式地进行 质体醌是双电子 双质子传递体 氧化态的质体醌可在膜的外侧接收由PS 也可是PS 传来的电子 同时与H 结合 还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给Cytb f 氧化时把H 释放至膜腔 这对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用 3 Cytb f复合体 Cytb f复合体作为连接PS 与PS 两个光系统的中间电子载体系统 是一种多亚基膜蛋白 由4个多肽组成 即Cytf Cytb Rieske铁 硫蛋白 17kD的多肽等 PQH 2PC Cu Cytb fPQ 2PC Cu 2H Cytb f复合体主要催化PQH 的氧化和PC的还原 并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中 因此Cytb f复合体又称PQH PC氧还酶 Q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 4 质蓝素 质蓝素 PC 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Cytb f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化还原变化来传递电子 PS 复合体存在类囊体非堆叠的部分 PS 复合体存在堆叠部分 而Cytb f比较均匀地分布在膜中 因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子 5 PS 复合体 PS 的生理功能是吸收光能 进行光化学反应 产生强的还原剂 用于还原NADP 实现PC到NADP 的电子传递 高等植物的PS 由反应中心和LHC 等组成 反应中心内含有11 12个多肽 其中在A和B两个多肽上结合着P700及A0 A1 FX FA FB等电子传递体 每一个PS 复合体中含有两个LHC LHC 吸收的光能能传给PS 的反应中心 模式图中显示了复合体中以A和B命名的两个主要的蛋白质亚基psaA和psaB的分布状况 电子从P700传递到叶绿素分子A0 然后到电子受体A1 电子传递穿过一系列的被命名为FX FA FB的Fe S中心 最后到达可溶性铁硫蛋白 Fdx P700 从还原态的质蓝素 PC 中接受电子 psaF psaD和psaE几个PSI亚基参与可溶性电子传递底物与PSI复合体的结合 PSI反应中心结构模式 FX FA FB是PS 中3个铁硫蛋白 都具有4铁 4硫中心结构 其中4个硫与蛋白质的4个半胱氨酸残基连接 它们主要依4铁 4硫中心中的铁离子的氧化还原来传递电子 图14铁 硫中心的模型左 4铁 4硫型 右 2铁 2硫型 6 铁氧还蛋白和铁氧还蛋白 NADP 还原酶 铁氧还蛋白 Fd 和铁氧还蛋白 NADP 还原酶 FNR 都是存在类囊体膜表面的蛋白质 Fd是通过它的2铁 2硫 图14右 活性中心中的铁离子的氧化还原传递电子的 FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 依靠核黄素的氧化还原来传递H 因其与Fd结合在一起 所以称Fd NADP 还原酶 FNR是光合电子传递链的末端氧化酶 接收Fd传来的电子和基质中的H 还原NADP 为NADPH 反应式可用下式表示 2Fd还原 NADP H FNR2Fd氧化 NADPH Fd也是电子传递的分叉点 电子从PS 传给Fd后有多种去向 传给FNR进行非环式电子传递 传给Cytb f或经NADPH再传给PQ进行环式电子传递 传给氧进行假环式电子传递 交给硝酸参与硝酸还原 传给硫氧还蛋白 Td 进行光合酶的活化调节 7 光合膜上的电子与H 的传递 图15光合膜上的电子与质子传递图中经非环式电子传递途径传递4个e 产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作用总方程式推算出的 在光反应中吸收8个光量子 PS 与PS 各吸收4个 传递4个e 能分解2个H2O 释放1个O2 同时使类囊体膜腔增加8个H 又因为吸收8个光量子能同化1个CO2 而在暗反应中同化1个CO2需消耗3个ATP和2个NADPH 也即传递4个e 可还原2个NADPH 经ATP酶流出8个H 要合成3个ATP LHC 等受光激发后将接受的光能传到PS 反应中心P680 并在那里发生光化学反应 同时将激发出的e 传到原初电子受体Pheo 再传给靠近基质一边的结合态的质体醌 QA 从而推动了PS 的最初电子传递 P680失去e 后 变成一个强的氧化剂 它向位于膜内侧的电子传递体YZ争夺电子而引起水的分解 并将产生的氧气和H 释放在内腔 另一方面 QA的e 经QB传给PQ PQ的还原需要2e 和来自基质的2H 还原的PQH2向膜内转移 传2e 给Cytb6 f复合体 其中1个e 交给Cytb f 进而传给PQ 另1个e 则传给 Fe S R 因为Cytb f的氧化还原仅涉及电子 所以2H 就释放到膜腔 还原的Cytf将e 经位于膜内侧表面的PC传至位于膜内侧的PS 反应中心P700 与PS 一样 P700受光激发后 把e 传给A 经A FX FA和FB 再把e 交给位于膜外侧的Fd与FNR 最后由FNR使NADP 还原 NADP 还原时 还要消耗基质中的H NADPH留在基质中 用于光合碳的还原 在电子传递的同时 H 从基质运向膜内腔 产生了膜内外的H 电化学势梯度 依电化学势梯度 H 经ATP酶流出时偶联ATP的产生 形成的ATP留在基质中 用于各种代谢反应 光合膜上的电子与质子传递概况 红线表示电子传递 黑线表示质子传递 蓝线质子越膜运输 三 光合电子传递的类型 根据电子传递到Fd后去向 将光合电子传递分为三种类型 1 非环式电子传递指水中的电子经PS 与PS 一直传到NADP 的电子传递途径H O PS PQ Cytb f PC PS Fd FNR NADP 按非环式电子传递 每传递4个e 分解2个H2O 释放1个O2 还原2个NADP 需吸收8个光量子 量子产额为1 8 同时转运8个H 进类囊体腔