1,高级植物生理学（2003秋）,讲授章节： 光合作用 呼吸作用 讲授教师：彭新湘 生命科学学院分子植物生理研究室 联系电话：85282023 Email: ,2,主要参考教材：Biochemistry and Molecular Biology of Plants(Buchanan et al,2000),3,其它参考书目或期刊,Annual Review of Plant Biology 植物生理学潘瑞炽主编，2001 现代植物生理学李合生等主编，2002 植物生理与分子生物学余叔文、汤章城 主编，1998 植物生理学通讯中相关综述,4,光合作用（photosynthesis),基本问题： 什么叫光合作用？ 光合作用的重要性如何？ 光合作用在什么细胞器中进行？ 光合作用的几个主要过程？ 叶绿素在光合作用中主要起什么作用？ ,5,一、光合电子传递链与光合磷酸化,1. 重要意义？ 2.电子传递体在类囊体上的分布 类囊体膜存在4种膜蛋白复合体：PSII复合体、细胞色素b/f复合体、PSI复合体和ATP酶复合体，光合电子传递分布在前三个复合体中（Figure 12.22）。 PSII主要分布在类囊体垛叠区（基粒片层），PSI和ATP酶复合体主要分布在类囊体的非垛叠区（间质片层），细色素b/f则均匀分布在整个类囊体膜上（Figure 12.19）。,6,back,7,back,8,3. 光系统II的结构与功能31 光系统II复合体的结构,从紫色光合细菌反应中心结构研究的成就中得到启示建立了植物PSII复合体的结构模型, 主要分三部分结构： (1)由围绕P680的CP43和CP47两个色素蛋白复合体组成的近侧天线，及主要由LHCII捕光复合体组成的远侧天线共同构成的捕光天线系统(Figure12.12） ； (2)由两个32kD多肽组成的D1-D2蛋白，其中包括着原初供体 Z; 中心色素P680; 原初受体Pheo、QA、QB 和铁原子构成反应中心的电子传递链(Figure12.12） ； (3)由33kD, 23kD及17kD三种外周多肽以及与放氧有关的猛簇和氯、钙离子组成的水氧化放氧系统(Figure12.12）。,9,back,10,3.2 光系统II的水裂解放氧,* 氧释放动力学：光合放氧的周期现象（闪光实验） （Figure12.29 该酶的分子量为400kDa, 含9个不同的亚基（Table12.9）,27,6.2 功能 在质子梯度驱动下进行ATP合成（化学渗透学说：chemiosmotic mechanism);亦具有水解ATP的活性。 pmf = 0.059 pH + 酶的作用机理 （figure12. 36),28,back,29,Table 12.9 Peptide subunits of the ATP synthase complex,Protein Gene Location MW Function of gene (kDa) CF1 subunit atpA C 55 catalytic subunit atpB C 54 catalytic subunit atpC N 36 proton gating subunit atpD N 20 binding of CF1 to CFo subunit atpE C 15 ATPase inhibition CFo I atpF C 17 binding of CFo to CF1 II atpG N 16 binding of CFo to CF1 III atpH C 8 proton translocation IV atpI C 27 binding of CFo to CF1 back,30,back,31,7光合磷酸化的机理,81 化学学说82 化学渗透理论83 蛋白质构型变化学说84 区域化质子势,32,Passage overview,4 complexes in photosynthetic electron transport and photosynthetic phosphorylation (Z scheme): PSII, Cytochrome b6f, PSI and ATP synthase; Fundamental structure of each complex: proteins and electron carrier (3 and 1 dimensional); Ultimate roles of each complex: PSII for water oxidation; cytochrome b6f for H+ pump; PSI for producing reducing power such as NADPH and reduced ferredoxin; ATP synthase for ATP synthesis; Mechanism of phosphorylation: chemiosmotic mechanism (pmf = 0.059 pH + ); ATP synthase: world smallest rotary motor,33,二、Rubisco的结构与功能,意义？ 亚基组成 类型I （L8S8 ）是由8个大亚基和8个小亚基组成，广泛存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。大亚基一般由475个氨基酸组成，其序列大部分由其核苷酸序列推测而来，同源性在80%以上。小亚基一般由123个氨基酸组成，其同源性在70%； 类型II（ L2）仅有2个大亚基，是最简单的一种Rubisco。它存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红硫菌中； 比较类型I和类型II大亚基的氨基酸序列，它们仅显示28%同源性。尽管它们之间有如此大的差异，然而它们之间在活性部位的一些氨基酸是保守的。,34,3. 立体结构 高等植物的Rubisco外型呈桶状圆柱体。它由四对交互结合的L2大亚基二聚体排成8聚体核（L8）。在大亚基8聚体的两端各有一个小亚基四聚体；每个小亚基陷窝大亚基之间的裂隙中（Figure12.39）。,35,back,36,4. 亚基间的相互作用 以具有小亚基的 L8S8 结构的酶与L2型酶相比，它们之间的Km和Vmax等动力学参数均很接近。最近，利用酶的固定化技术证明小亚基为类型I酶的活性所必需。小亚基远离酶的活性部位，它的调节作用只能通过大、小亚基间远距离的通讯产生影响。,37,5. 酶活性的调控 51 酶的氨甲酰化作用： E(钝化）+ ACO2 E ACO2 (钝化) E ACO2 + Mg2+ E ACO2 Mg2+ (活化) (Figure12.42) 三元复合物的形成可以不要小亚基，但缺少小亚基时不利于三元复合物的形成。当三元复合物形成后，酶的构象发生很大变化。,38,back,39,5.2 Rubisco 的双功能催化反应,40,5.3 Rubisco 活化酶： RuBP与酶的非氨基甲酰化状态紧密结合，阻止了酶与活化剂CO2分子的结合，使酶不能活化。Rubisco 活化酶能在ATP存在下除去结合在非氨基甲酰化Rubisco上的RuBP，从而使Rubisco游离得以进一步被活化（Figure 12.44）。,41,back,42,呼 吸 作 用,基本问题： 1.呼吸作用的概念？ 2.主要功能？ . . . . . .,43,一、呼吸代谢的底物氧化,1底物氧化的多条路线 * EMP-TCAC; Fermentation; PPP； * 汤佩松先生关于呼吸代谢多条路线的观点则认为不能只从字面上去认为多条途径就是不止一条途径，而需要从呼吸代谢与其它生理功能互相的关系的角度去理解它的内涵。,44,back,45,back,46,back,47,2. 呼吸代谢与其它代谢的关系,The primary pathways of respiration provide metabolic inermediates that serve as substrates for the synthesis of: Amino acids and proteins; Nucleic acids; Fatty acids; Secondary metabolites,48,go,49,back,50,3.呼吸代谢与其他生理功能的相互调控 * 烟草花叶病毒所需碳架是由寄主EMP-TCAC供给，而能量是由ETP供给； * 水稻根和芽的生长由有氧呼吸类型控制；芽鞘生长由无氧呼吸控制； * 水稻幼根及烟草愈伤组织分化由抗氰呼吸控制,go,next,51,4. 基因表达的代谢调控 * 按照多条路线的观点，代谢是由基因所控制的。反过来，代谢的变化也在一定程度上影响基因的表达； * 一个基因的引入，可能影响多种代谢，以至形态结构。如将腺苷二磷酸葡糖焦磷酸的B亚基的反义RNA导入马铃薯，转化植株的块茎数目、大小、含水量、碳水化合物组成、酶活性等都发生改变； * 代谢对基因的控制：代谢物激素对基因的表达；代谢物诱导蔗糖合成酶基因表达，促进蔗糖分解；丁酸或来源于丁酸的代谢产物抑制大麦糊粉层-淀粉酶基因表达；蔗糖、葡萄糖、麦芽糖可抑制水稻种子盾状体淀粉酶基因表达。,52,二、呼吸电子传递与氧化磷酸化,1. 植物线粒体电子传递链结构 植物线粒体的电子转递链由4个多蛋白整合复合物组成 （I-IV)（Figure14.15）; ATP 合酶复合体 (occasionally called V),53,go,54,Complex I is a large multisubunit complex of 30-40 polypeptides. Depending on the species, the plant genome may encode as many as 9 components of complex I, which oxidizes NADH produced by the reactions of the citric acid cycle and by the other NAD-linked enzymes in the matrix.,EM analysis indicates that it has a pronounced L shape. The plant complex I is similar to the better-characterized mammalian and fungal NADH dehydrogenase complexs,55,Complex II, the smallest of the four proteins of sizes 70, 27, 15 and 13.5 KDa. Unlike complex I, complex II does not translocate protons, so succinate oxidation is linked to the synthesis of less ATP than is NADH oxidation.,56,Complex III, also known as the cytochrome bc1 complex, inludes a 42-kDa cytochrome with 2 b-type hemes,a 31 kDa cytochrome c1, a 27-kDa Rieske-type Fe-S protein, and five or so additional polyp