第二讲第二讲 光合作用及其调节光合作用及其调节 光合作用是地球上最大规模的生物合成过程。光合作用是地球上最大规模的生物合成过程。光合作用是地球上最大规模的生物合成过程。光合作用是地球上最大规模的生物合成过程。 “ “没有光合作用，就没有植物、动物和人类的没有光合作用，就没有植物、动物和人类的没有光合作用，就没有植物、动物和人类的没有光合作用，就没有植物、动物和人类的生存、繁衍和发展！生存、繁衍和发展！生存、繁衍和发展！生存、繁衍和发展！” ” 植物利用太阳能将环境中的植物利用太阳能将环境中的植物利用太阳能将环境中的植物利用太阳能将环境中的COCO2 2和和和和HH2 2OO同化为动同化为动同化为动同化为动物能够利用的有机物物能够利用的有机物物能够利用的有机物物能够利用的有机物糖类。动物生存的能源就来糖类。动物生存的能源就来糖类。动物生存的能源就来糖类。动物生存的能源就来自于绿色植物叶片所转化的自于绿色植物叶片所转化的自于绿色植物叶片所转化的自于绿色植物叶片所转化的“ “一股小小的电子流一股小小的电子流一股小小的电子流一股小小的电子流” ”。 碳同化过程是植物贮藏太阳能的主要途径，碳碳同化过程是植物贮藏太阳能的主要途径，碳碳同化过程是植物贮藏太阳能的主要途径，碳碳同化过程是植物贮藏太阳能的主要途径，碳同化的途径主要有同化的途径主要有同化的途径主要有同化的途径主要有C C3 3和和和和C C4 4途径。途径。途径。途径。1/ 1012.1 光合碳还原（光合碳还原（PCR）循环的酶调节）循环的酶调节2.2 Rubisco的光活化的光活化2.3 Rubisco的纯化与分析的纯化与分析2.4 C4二羧酸途径及其调节二羧酸途径及其调节2.5 光合产物的运转及调节光合产物的运转及调节2.6 光合作用与环境因子光合作用与环境因子2.7 光合作用研究进展光合作用研究进展2/ 1012.1.1 PCR的循环中的调节酶的循环中的调节酶 PCR循环反应：循环反应：（1）羧化作用）羧化作用 6RuBP+6CO2+6H2O 12 3-PGA（2）磷酸甘油酸的还原）磷酸甘油酸的还原 12 3-PGA+12ATP 12DPGA + 12ADP 12DPGA+12（NADPH+H+） 12PGA1d+12Pi+12NADP+RuBPCPGAKNADP-Gald-3-PDH2.1 光合碳还原（光合碳还原（PCR）循环的酶调节）循环的酶调节3/ 1012 2SBP+SBP+2 2HH2 2O O 2 2S7P + S7P + 2 2PiPi2 2S7P + S7P + 2 2PGA1d PGA1d 2 2R5P + R5P + 2 2Xu5PXu5P 2 2R5P R5P 2 2Ru5PRu5P4 4Xu5P Xu5P 4 4Ru5PRu5P 6 6Ru5P+Ru5P+6 6ATP ATP 6 6RuBP+RuBP+6 6ADPADPSBPase转酮酶核糖磷酸异构酶核糖磷酸表异构酶Ru-5-PK5/ 101自然界有两种类型的自然界有两种类型的自然界有两种类型的自然界有两种类型的Rubisco:Rubisco:（1 1）类型）类型）类型）类型I Rubisco, LI Rubisco, L8 8S S8 8 存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。 （2 2）类型）类型）类型）类型Rubisco, LRubisco, L2 2 存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中。存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中。存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中。存在于一种紫色非硫光合细菌、深红红螺菌中。 2.1.2.1 Rubisco 2.1.2.1 Rubisco （Rubulose-1,5-bisphophate Rubulose-1,5-bisphophate carboxylase-oxygenase, carboxylase-oxygenase, E.C.1.1.1.39E.C.1.1.1.39） 2.1.2 PCR循环中调节酶的调节作用循环中调节酶的调节作用6/ 101 8 8个大亚基（个大亚基（个大亚基（个大亚基（5060KD5060KD）和）和）和）和8 8个小亚基个小亚基个小亚基个小亚基（1218KD1218KD）组成，全酶分子量）组成，全酶分子量）组成，全酶分子量）组成，全酶分子量M560KDM560KD。氨基残基数氨基残基数氨基残基数氨基残基数 同源性同源性同源性同源性 同源区域同源区域同源区域同源区域 功功功功 能能能能L L 475 80% 169-220, 475 80% 169-220, 活化部位活化部位活化部位活化部位 321-340 321-340 催化部位催化部位催化部位催化部位S S 123 70% 10-21, 123 70% 10-21, 装配？装配？装配？装配？ 61-76 61-76 增强羧化作用？增强羧化作用？增强羧化作用？增强羧化作用？ L L8 8(S(S8 8) )与与与与L L2 2的同源性约的同源性约的同源性约的同源性约28%28%，但在，但在，但在，但在活性部位的氨活性部位的氨活性部位的氨活性部位的氨基残基是保守的基残基是保守的基残基是保守的基残基是保守的。类型类型类型类型I RubiscoI Rubisco（L L8 8S S8 8）的特征：）的特征：）的特征：）的特征：7/ 101RubiscoRubisco的羧化功能和氧化功能的羧化功能和氧化功能的羧化功能和氧化功能的羧化功能和氧化功能 ：图图图图2-1 Rubisco2-1 Rubisco催化的羧化和氧化反应过程催化的羧化和氧化反应过程催化的羧化和氧化反应过程催化的羧化和氧化反应过程 8/ 101 Km /Km /COCO2 2 Km /Km / OO2 2，且羧化和氧化反应发生在，且羧化和氧化反应发生在，且羧化和氧化反应发生在，且羧化和氧化反应发生在同一个活性中心。同一个活性中心。同一个活性中心。同一个活性中心。 RubiscoRubisco羧化和氧化初速之比：羧化和氧化初速之比：羧化和氧化初速之比：羧化和氧化初速之比： V Vc c/V/V0 0=(V=(Vc c/K/Kc c)/(V)/(V0 0/K/K0 0) )* *(CO(CO2 2/O/O2 2) ) 其中其中其中其中(V(Vc c/K/Kc c)/(V)/(V0 0/K/K0 0) )称为特征性因子（称为特征性因子（称为特征性因子（称为特征性因子（S Srelrel），即羧化酶），即羧化酶），即羧化酶），即羧化酶与加氧酶的与加氧酶的与加氧酶的与加氧酶的V Vmaxmax/Km/Km之间的比值。之间的比值。之间的比值。之间的比值。 Rubisco所催化的羧化反应与氧化反应的速所催化的羧化反应与氧化反应的速率之比决定于率之比决定于细胞内细胞内CO2和和O2浓度的相对比值浓度的相对比值。 RubiscoRubisco：9/ 101 C C3 3植物植物植物植物- -高光呼吸植物，高光呼吸植物，高光呼吸植物，高光呼吸植物，C C4 4植物植物植物植物- -低光呼吸植低光呼吸植低光呼吸植低光呼吸植物？物？物？物？ C3C3植物：植物：植物：植物：同化同化同化同化34mol CO34mol CO2 2, , 吸收吸收吸收吸收1mol O1mol O2 2，光，光，光，光呼吸速率呼吸速率呼吸速率呼吸速率30% 30% 。 C4 C4植物：植物：植物：植物：维管束鞘细胞中维管束鞘细胞中维管束鞘细胞中维管束鞘细胞中 CO CO2 2 OO2 2 。10/ 101 Rubisco Rubisco活性中心活性中心活性中心活性中心( Tolbert( Tolbert，1980)1980)： 活化分子底物分子(L201)Srel Srel 随生物进化而提高随生物进化而提高随生物进化而提高随生物进化而提高! ! Fig. 2-2Fig. 2-211/ 101菠菜中纯化的菠菜中纯化的菠菜中纯化的菠菜中纯化的GA1d-3-PDHGA1d-3-PDH有两种型式：有两种型式：有两种型式：有两种型式：（1 1）原基体（）原基体（）原基体（）原基体（MMr r=100KD=100KD）：）：）：）：四亚基构成，优先利用四亚基构成，优先利用四亚基构成，优先利用四亚基构成，优先利用NADPNADP（HH）（2 2）寡聚体（）寡聚体（）寡聚体（）寡聚体（MMr r=600KD=600KD）：）：）：）：1616个亚基构成，对个亚基构成，对个亚基构成，对个亚基构成，对NADNAD（HH）专一（参与）专一（参与）专一（参与）专一（参与EMPEMP中中中中PGAPGA的还原）的还原）的还原）的还原）原基体原基体原基体原基体活化活化活化活化NADPHNADPH、 、ATPATPDTTDTT P P酶蛋白解离酶蛋白解离酶蛋白解离酶蛋白解离活化活化活化活化NADPHNADPH联结的反应联结的反应联结的反应联结的反应 NADNAD+ +或或或或PGA1d PGA1d 原基体聚合原基体聚合原基体聚合原基体聚合活化活化活化活化NADHNADH联结的反应联结的反应联结的反应联结的反应 光光光光2.1.2.2 甘油醛甘油醛-3-磷酸脱氢酶（磷酸脱氢酶（GAld-3PDH）12/ 101GA1d-3-P-DH 调节的多样性与复杂性：调节的多样性与复杂性： 光；还原剂；聚合；解聚光；还原剂；聚合；解聚光；还原剂；聚合；解聚光；还原剂；聚合；解聚 ；组装过程中的修饰作用；组装过程中的修饰作用；组装过程中的修饰作用；组装过程中的修饰作用 在在在在10mmol/L Mg10mmol/L Mg2+2+存在时，其最适存在时，其最适存在时，其最适存在时，其最适pHpH为为为为8.08.0且且且且MgMg2+2+ 可单独激活可单独激活可单独激活可单独激活FBPase FBPase ； 叶绿体在照光时，类囊体中的叶绿体在照光时，类囊体中的叶绿体在照光时，类囊体中的叶绿体在照光时，类囊体中的MgMg2+2+ 外流，可使间外流，可使间外流，可使间外流，可使间质中的质中的质中的质中的MgMg2+2+浓度高达浓度高达浓度高达浓度高达13mmol/L13mmol/L，同时也使间质中的，同时也使间质中的，同时也使间质中的，同时也使间质中的pHpH升高，接近该酶的最适升高，接近该酶的最适升高，接近该酶的最适升高，接近该酶的最适pHpH。 光诱导光诱导光诱导光诱导MgMg2+2+和和和和pHpH的变化是活化的变化是活化的变化是活化的变化是活化FBPaseFBPase的重要因素。的重要因素。的重要因素。的重要因素。12.1.2.3 2.1.2.3 果糖果糖果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸酯酶（二磷酸酯酶（二磷酸酯酶（二磷酸酯酶（FBPaseFBPase）13/ 101 在在在在MgMg2+2+浓度较低（浓度较低（浓度较低（浓度较低（4mmol/LA A型型型型; ; B B型蛋白又存在二聚体和四聚体两种亚型，且这型蛋白又存在二聚体和四聚体两种亚型，且这型蛋白又存在二聚体和四聚体两种亚型，且这型蛋白又存在二聚体和四聚体两种亚型，且这两种亚型之间可以可逆转换（视两种亚型之间可以可逆转换（视两种亚型之间可以可逆转换（视两种亚型之间可以可逆转换（视FBPFBP和和和和MgMg2+2+的存在与的存在与的存在与的存在与否）。否）。否）。否）。 16/ 101 SFBPase SFBPase与与与与 FBPase FBPase 一样，亦受体内铁氧化蛋白一样，亦受体内铁氧化蛋白一样，亦受体内铁氧化蛋白一样，亦受体内铁氧化蛋白和硫氧化还蛋白系统的活化，活化过程需要和硫氧化还蛋白系统的活化，活化过程需要和硫氧化还蛋白系统的活化，活化过程需要和硫氧化还蛋白系统的活化，活化过程需要MgMg2+2+，DTTDTT亦可代替亦可代替亦可代替亦可代替FdFdredred的作用。的作用。