光合碳同化及其调节PPT文件格式下载.ppt

1、（2）3-磷酸甘油酸激酶（PGAK）；（3）NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶；（4）丙糖磷酸异构酶；（5）（8）醛缩酶；（6）果糖-1,6-二磷酸（酯）酶（FBPase）；（7）（10）（12）转酮酶；（9）景天庚酮糖1，7-二磷酸（酯）酶（SBPase）；（11）核酮糖-5-磷酸表异构酶；（13）核糖-5-磷酸异构酶；（14）核酮糖-5-磷酸激酶（Ru5PK）,代谢产物名：RuBP.核酮糖1,5二磷酸；PGA.3-磷酸甘油酸；BPGA.1，3二磷酸甘油酸；GAP.甘油醛-3-磷酸；DHAP.二羟丙酮磷酸；FBP.果糖-1，6-二磷酸；F6P.果糖-6-磷酸；E4P.赤藓糖-4-磷酸；SBP.

2、景天庚酮糖-1,7-二磷酸；S7P.景天庚酮糖-7-磷酸；R5P.核糖-5-磷酸；Xu5P.木酮糖-5-磷酸；Ru5P.核酮糖-5-磷酸；G6P.葡萄糖-6-磷酸；TPP.硫胺焦磷酸；TPP-C2.TPP羟基乙醛,（一）C途径的反应过程,1.过程 整个循环如图所示，由RuBP开始至RuBP再生结束，共有14步反应，均在叶绿体的基质中进行。羧化、还原、再生。,一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP,羧化阶段,指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应过程。3RuBP+3CO2+3H2O Rubisco 6PGA+6H+Rubisco具有双重功能。在Rubisc

3、o作用下RuBP的C-2位置上发生羧化反应形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸（CABP），它是一种与酶结合不稳定的中间产物，被水解后产生2分子PGA。,Rubisco 的功能羧化、加氧反应,Rubisco也是高等植物中一种主要储藏的有机氮形式。,Rubisco 普遍存在于所有自养生物中。在C3植物中含量极为丰富。存在叶绿体间质中,其浓度在间质中可达30Omg/ml。高度可溶性的蛋白,羧化作用,Rubisco催化 RuBP 的羧化作用形成二分子 PGA。可通过磷酸转运器从叶绿体输出到细胞质中，用于合成蔗糖;在叶绿体中产生淀粉。RuBP 作为 C02 的最初受体，是在卡尔文循环中生成

4、的，所以卡尔文循环是自动催化的，即循环中的任何中间产物可以再生，也可以从循环中的任何一步抽出。,氧化作用光呼吸,Rubisco 催化将氧加入 RuBP 产生一分子 PGA和一分子 2-磷酸乙醇酸。磷酸甘油酸可在卡尔文循环中进一步代谢。两个分子磷酸乙醇酸通过叶绿体、过氧化物体和线粒体,最终转化为一个分子磷酸甘油酸,这样使磷酸乙醇酸的一部分碳再被利用（乙醇酸途径或称光呼吸途径）。消耗了许多能量，有 25%的碳作为 C02 损失掉。,研究意义,Rubisco 的羧化/加氧反应可看作分别是调节卡尔文循环和光呼吸途径的首要步骤。因此该酶的羧化反应和氧化反应的比值非常重要，它决定了植物的净光合产量。,空气

5、中C02和 02的相对浓度影响这二反应的比值。（在无O2条件下,C3植物的 Rubisco的 km（C02）约为 12-15 mol/L,但在空气中（21%O2）,则增高至26mol/L）可见较高的C02浓度可以增强光合作用，生成较多有机物质。在大田条件下，改变空气中 C02 和 02 的浓度是很难办到,研究Rubisco的反应机理及调节机制，通过对Rubisco基因的修饰和改造,构建转基因植物以改善光合效率，从而增加农业产量是一个非常有意义的课题。,此外，Rubisco在细胞中含量丰富,同时又为细胞核和叶绿体基因组共同编码构成,因此该酶又常常作为研究植物分子生物学的典范。包括基因表达的调节,

6、翻译后的加工和细胞器之间的通讯等。,自然界有二种结构类型的 Rubisco。类型 I（L8S8）是由 8 个大亚基（50-6OKD）和 8 个小亚基（12-18KD）组成,它广泛存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。类型II Rubisco（L2）仅有2个大亚基构成,是最简单的一种Rubisco。存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中。,大、小亚基的功能,大亚基 含有催化及活化过程有关的氨基酸残基。,小亚基的存在能更有效地分辨对O2 和CO2 的 反应。利用固相酶方法,使烟草和水稻的大、小亚基之间进行体外分子杂交的实验似乎也提供了小亚基有改变羧化酶和氧化酶酶活性比值的证据。,Rubisc

7、o酶活性的调节作用,1.酶的氨基甲酰化作用2.Rubisco 活化酶3.2-羧基阿拉伯糖 1 一磷酸的调节作用4.酶的催化作用机理及调节,纯化的 Rubisco在活性测定之前一般先要将酶在偏碱性pH条件下与20mmol/L Mg2+和1Ommol/L NaHCO3保温好几分钟。这样处理后的酶反应才能达到最高速度。这种酶的预保温过程便是酶的活化作用,1.酶的氨基甲酰化作用,E（钝化）十 ACO2E.ACO2（钝化）E.ACO2 十Mg2+E.ACO2Mg2+（活化）,快反应,慢反应,Rubisco 在体内的活化作用随光强而增加，并和光合作用强度的增加相一致,而且在高光强下,酶的活化作用往往是在

8、RuBP浓度高的情况下（4mmol/L以上）产生的,因此体内酶的活化作用机理必定不同于体外。,这一问题研究促使发现了一个核编码的叶绿体蛋白,称为 Rubisco 活化酶。,2.Rubisco 活化酶的调节作用,利用菠菜叶绿体重组系统研究了部分纯化活化酶的活性，发现活性所需的必需成分包括生理浓度的C02和Mg2+,类囊体膜，非活化的Rubisco、活化酶和高浓度的RuBP。反应必须有RuBP存在，这暗示在活化机制中需要有RuBP结合的Rubisco。当对重组系统照光时，Rubisco迅速活化，后来认识到活化酶表现活性需要照光，实际上就是需要ATP。,李立人等曾分析了烟草叶子在光下和暗中粗提液的初

9、活性和总活性,发现光下生长的叶子的初活性比黑暗处理的叶子约高1倍,而光叶粗提液用CO2 及时Mg2+预保温后活性还可进一步提高，暗叶却不能再提高。如果暗叶粗提液用凝胶柱层析除去其小分子后,则暗叶粗提液也同样为CO2及 Mg2+活化。,3.2-羧阿拉伯糖醇1-磷酸（CAIP）的调节作用,这些实验结果说明在暗叶粗提液中似乎有什么抑制剂存在,而照光下叶子有什么可解除抑制作用的机制。,在暗处理叶子粗提液中加入甲醇或硫酸铵等或用碱性磷酸酯酶处理可解除暗的这种抑制作用。这说明暗处理叶中存在着一种磷脂化合物的抑制剂。后来从共同纯化的暗处理叶子酶制剂中分离出来，是一种 6-碳中间产物类似物，即CAIP,比CA

10、BP仅差一个磷酸根。,Rubisco的蛋白侧链和金属原子与CABP的相互作用图解,a-羧-D-阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸,Mg2+,Rubisco-Lys,4.酶的催化作用机理及调节,但人为的提高酶的羧化反应办法目前较少。如：用Mn2+代替Mg2+以及构建一些细菌酶的突变体可降低酶的羧化和氧化的比值。提高空气中的CO2/O2的浓度比例如自然界中的C4植物,利用它本身具有的一种“CO2泵”使存在于叶鞘细胞中的 Rubisco 周围的 CO2 浓度提高。,RuBP 羧化酶是一个双功能酶,已经证明 O2和 CO2是互为竞争性抑制剂。反应的相对速率被O2 或 CO2浓度调节。显然 RuBP 羧化酶的二

11、个反应是为同一个酶催化,并发生在同一个活性中心。,（2）还原阶段,指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过程 6PGA+6ATP+6NADPH+6H+6GAP+6ADP+6NADP+6Pi 磷酸化和还原。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。,（3）再生阶段,指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程5GAP+3ATP+2H2O3RuBP+3ADP+2Pi+3H+包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反应。最后由核酮糖-5-磷酸激酶（Ru5PK）催化，消耗1分子ATP，再形成RuBP。,光合碳还原循环,羧化,还原,再生,C3途径的总反

12、应式,3CO2+5H2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+8Pi+6NADP+3H+,可见，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH，还原3个CO2可输出1个磷酸丙糖（GAP或DHAP）形成的磷酸丙糖可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应；形成的磷酸己糖则留在叶绿体中转化成淀粉而被临时贮藏。,再,（二）C3途径的调节,1.自我催化调节即指在C3途径中，通过调节RUBP等光合中间产物含量，使CO2同化速率处于某一稳态的机制。,C3途径的运转状态,光合中间产物的数量,2.酶活性的调节总量一定，光对酶活性的调节：间接调节：制造激活酶的微环境条件,（二）C3途径的调节,直接调

13、节：通过某种机理直接使酶激活 有两种机制（1）、认为高等植物有Fd/Td系统，由硫氧还蛋白（Td），铁氧还蛋白（Fd），以及铁氧还蛋白-硫氧还蛋白还原酶（FTR）组成。Td的分子量：1200D，有一个-S-S-，非活性可以变成活性形式：,（二）C3途径的调节,铁氧还蛋白硫氧还蛋白系统的调节的酶NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶FBP酯酶SBP酯酶Ru5P激酶以及的NADP-苹果酸脱氢酶（C4途径中）,作用过程：首先：4Fd（氧化型）+2H2O 4Fd（还原型）+O2+4H+然后：2 Fd（还原型）+Td（氧化型）2Fd（氧化型）+Td（还原型）Td（还原型）+酶 Td（氧化型）+激活酶,叶绿体,

14、光,FTR,（二）C3途径的调节,FTR,Trx,Fd,Trx f,Trx m,FBPase NADP-MDH,图2 铁氧还蛋白硫氧还蛋白系统调节酶活性示意图,图3 FTR及硫氧还蛋白的不同类型,（引自Buchanan等2000）,Anderson提出了光效应中介物学说：认为膜上含有一种带两个-SH的物质（蛋白），在光下能激活某些光合作用的酶。这种蛋白称为光效应中介物（LEM）。,（2）、光效应中介物（LEM）,激活酶的物质在膜上 激活物质中含有-SH,亚砷酸处理（无酶活）,3.光合产物运输的调节光合作用的产物是三碳糖（C3-P，向外转动，合成其他。C3-P有一个磷酸，大量带出所有磷酸，所以转

15、出一个C3-P则运进一个无机Pi。担任转运Pi的是一个蛋白反向运载体。磷肥过多会减产？,（二）C3途径的调节,二、光 呼 吸,1920年瓦伯格在用小球藻做实验时发现，O2对光合作用有抑制作用，这种现象被称为瓦伯格效应（Warburg effect）。这实际上是氧促进光呼吸的缘故。,光呼吸：植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气,释放CO2的反应。,（一）光呼吸的发现,1955年德克尔（J.P.Decher）用红外线CO2气体分析仪测定烟草光合速率时，观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光照，断光后叶片有一个CO2快速释放（猝发）过程。CO2猝发（CO2 outburst）现象实际上是光呼吸的“余辉

16、”，即在光照下所形成的光呼吸底物尚未立即用完，在断光后光呼吸底物的继续氧化。现在通常把1955年作为发现光呼吸的年代。1971年托尔伯特（Tolbert）阐明了光呼吸的代谢途径。,（二）光呼吸的生化途径,现在认为光呼吸的生化途径是乙醇酸的代谢，主要证据：,以上两步反应在叶绿体中进行,乙醇酸代谢要经过三种细胞器：叶绿体 过氧化体线粒体,其中耗氧反应部位有两处，一是叶绿体中的Rubisco加氧反应，二是过氧化体中的乙醇酸氧化反应。脱羧反应则在线粒体中进行，2个甘氨酸形成1个丝氨酸时脱下1分子CO2。,图光呼吸途径及其在细胞内的定位 Rubisco；磷酸乙醇酸磷酸（酯）酶；乙醇酸氧化酶；谷氨酸-乙醛

17、酸转氨酶；丝氨酸-乙醛酸氨基转移酶；甘氨酸脱羧酶丝氨酸羟甲基转移酶 羟基丙酮酸还原酶；甘油酸激酶,从RuBP到PGA的整个反应总方程式为：,RuBP+15O2+11H2O+34ATP+15NADPH+10Fdred 5CO2+34ADP+36Pi+15NADP+10Fdox+9H+因为光呼吸底物乙醇酸和其氧化产物乙醛酸，以及后者经转氨作用形成的甘氨酸皆为C2化合物，因此光呼吸途径又称为C2光呼吸碳氧化循环，简称C2循环。,光合作用和光呼吸都由Rubisco开始。光合作用的电子运输提供ATP和NADPH；光呼吸消耗 ATP和FdxRED。C3循环中的一种底物CO2是C2循环的产物；同样地，C2循

18、环的底物O2是C3光合作用的产物。,光合作用和光呼吸的联系,（三）光呼吸与“暗呼吸”的区别,相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作“暗呼吸”。另外光呼吸速率也要比“暗呼吸”速率高35倍。,（四）光呼吸的意义,Rubisco既可催化羧化反应，又可以催化加氧反应，即CO2和O2竞争Rubisco同一个活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。Rubisco是进行羧化还是加氧，取决于外界CO2浓度与O2浓度的比值。,从碳素角度看，光呼吸往往将光合作用固定的20%40%的碳变为CO2放出（C3植物）；从能量角度看，每释放1分子CO2需消耗6.8个ATP，3个NADPH和2个高能电子，显然，光呼吸是一种浪费

19、。在长期的进化历程中光呼吸为什么未被消除掉?这可能与Rubisco的性质有关。,Rubisco催化特性,光呼吸生理意义：,1.回收碳素 通过C2碳氧化环可回收乙醇酸中3/4的碳（2个乙醇酸转化1个PGA，释放1个CO2）。2.维持C3光合碳还原循环的运转 在叶片气孔关闭或外界CO2浓度低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持光合碳还原循环的运转。,3.防止强光对光合机构的破坏作用 在强光下，光反应中形成的同化力会超过CO2同化的需要，从而使叶绿体中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同时由光激发的高能电子会传递给O2，形成的超氧阴离子自由基O-2会对光合膜、光合器有伤害作

20、用，而光呼吸却可消耗同化力与高能电子，降低O-2的形成，从而保护叶绿体，免除或减少强光对光合机构的破坏。,4.消除乙醇酸 乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，使细胞免遭毒害。,另外，光呼吸代谢中涉及多种氨基酸的转变，这可能对绿色细胞的氮代谢有利。C3植物中有光呼吸缺陷的突变体在正常空气中是不能存活的，只有在高CO2浓度下（抑制光呼吸）才能存活，这也说明在正常空气中光呼吸是一个必需的生理过程。,三、C4 途 径,（一）C4 途径的发现自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。1954年，哈奇（M.D.Hatch）等人

21、用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有与C3途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视。1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克（H.P.Kortschak）等人报道，甘蔗叶中14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。,1966-1970年，澳大利亚的哈奇和斯莱克（C.R.Slack）重复上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸途径，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环，或叫Hatch-Slack途径。至今已知道，被子植物中有20

22、多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物（C4 plant）。,C4植物,高梁,甘蔗田,粟（millet）的穗形,“谷子”，去皮后称“小米”,苋菜,玉米,（二）C4植物叶片结构特点,C4植物维管束被发育良好的大型BSC包围，外面又密接1-2层叶肉细胞，这种呈同心圆排列的BSC与周围的叶肉细胞层被称为“花环”（Kranz,德语）结构，C4植物的BSC中含有大而多的叶绿体，线粒体和其它细胞器也较丰富。,栅栏组织与海绵组织分化不明显，叶片两侧颜色差异小。,两类光合细胞中含有不同的酶类，叶肉细胞PEPC等；BSC-Rubisco等参与C3途径的酶、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。,

23、有两类光合细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞（BSC）。,BSC与相邻叶肉细胞间的壁较厚，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这些结构特点有利于MC与BSC间的物质交换，以及光合产物向维管束的就近转运。,C4植物叶片结构特点,C4植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图。紧密的维管束鞘四周被大的维管束鞘细胞环绕包围。在这类作物中大的叶绿体分布在维管束鞘细胞的外围，维管束细胞被叶肉细胞包围。,（三）C4途径的反应过程,C4途径中的反应虽因植物种类不同而有差异，但基本上可分为羧化、还原或转氨、脱羧和底物再生四个阶段（图22，C）。羧化反应 在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）与HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸

24、（OAA）；还原或转氨作用 OAA被还原为苹果酸（Mal），或经转氨作用 形成天冬氨酸（Asp）；脱羧反应 C4酸通过胞间连丝移动到BSC，在BSC中释放CO2，CO2由C3 途径同化；底物再生 脱羧形成的C3酸从BSC运回叶肉细胞并再生出CO2受体PEP。,图22 C4植物叶的结构以及 C4 植物光合碳代谢的基本反应（）内为酶名；PEPC.PEP羧化酶;PPDK.丙酮酸磷酸二激酶,1.羧化阶段,由PEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）与HCO3-羧化，形成OAA。碳酸酐酶（CA）CO2+H2O CA HCO3-+H+PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量400 0

25、00，由四个相同亚基组成。PEPC无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。,2.还原或转氨阶段,OAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。（1）还原反应 由NADP-苹果酸脱氢酶催化，将OAA还原为Mal，该反应在叶肉细胞的叶绿体中进行：苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过Fd-Td系统调节其活性。（2）转氨作用 由天冬氨酸转氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH2基，形成天冬氨酸，该反应在细胞质中进行。,3.脱羧阶段,根据植物所形成的初期C4二羧酸的种类以及脱羧反应参与的酶类，可把C4途径分为三种亚类型：依赖NADP的苹果酸酶的苹果酸型（NADP-ME型）；依赖NAD的苹果酸酶的天冬氨酸型（NAD-M

26、E型）；具有PEP羧激酶的天冬氨酸型（PCK型）。,叶绿体,线粒体,细胞质,三种亚类型叶绿体的结构及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NAD-ME型植物，叶绿体在BSC中向心排列，而NADP-ME与PCK型，叶绿体在BSC中离心排列；另外NADP-ME型BSC中叶绿体的基粒不发达，PS活性低。,NADP-ME型初期产物为Mal，而NAD-ME型与PCK型初期产物为Asp。,C4途径脱羧方式NADP-ME型,C4途径脱羧方式NAD-ME型,C4途径脱羧方式PCK型,4.底物再生阶段,C4二羧酸脱羧后形成的Pyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸磷酸二激酶（PPDK）催化，重新形成CO2

27、受体PEP。NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然后再生成PEP。此步反应要消耗2个ATP（因AMP变成ADP再要消耗1个ATP）。PPDK易被光活化，光下该酶的活性比暗中高20倍。由于PEP底物再生要消耗2个ATP，这使得C4植物同化1个CO2需消耗5个ATP与2个NADPH。,PPDK,（四）C途径的意义,在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C植物显示出高的光合效率。C4植物具较高光合速率的因素有：,1）C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO3的亲和力极高，细胞中的HCO3浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素；,2）鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从

28、而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。,3）C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；,但是C4植物同化CO2消耗的能量比C植物多，也可以说这个“CO2泵”是要由ATP来开动的，故在光强及温度较低的情况下，其光合效率还低于C植物。可见C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。,4）高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求；,光呼吸比较C4植物C3植物,四、景天科酸代谢途径,（一）CAM在植物界的分布与特征

29、景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM（Crassulacean acid metabolism）途径,景天科酸代谢途径（1）PEP羧化酶（2）苹果酸脱氢酶（3）NADP+苹果酸酶,OOA,CAM最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科，1万多个种的植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中。其中凤梨科植物达1千种以上，兰科植物达数千种，此外还有一些裸子植物和蕨类植物。,CAM植物起源于热带，往往分布于干旱的环境中，多为肉质植物，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和液泡，然而肉质植物不一定都是CAM植物。常见的CAM植物有菠萝、剑麻、兰花、百合、仙人掌、芦荟、瓦松等。,剑麻,芦荟,落地生根,龙舌兰,绯牡丹,昙花,CAM植物-瓦松属,瓦松属1,多肉质植物,鸡冠掌,红司,锦晃星,静夜,（二）CAM代谢的反应过程