3.3 光合作用机理

• 光合作用二个反应两个阶段的发现1) 1920 年 warburg 的小球藻闪光实验

同等光强相同时间

结论：光合作用分两个阶段，前者需光，后者不需光。• 目前已证实，光合作用分光反应和暗反应两个阶段，

前者发生在类囊体膜上，后者发生在叶绿体基质中。

光反应

暗反应 碳的固定： 形成稳定的化学能

连续照射， 光合效率小，放氧少

间歇照射 ( 每次闪光 0.0034S ，间歇 0.0166S ，每秒 50 次 ) ，光合效率高，放氧多

原初反应： 光能的吸收、传递与转化

水的光解放氧

电子传递与光合磷酸化： 形成活跃的化学能

图 3.12 光合作用总过程示意图

3.3.1 原初反应 Primary Reaction

原初反应是光合作用的起点，是指光合作用色素分子被光激发到引起第一个光化学反应的过程。它包括光能的吸收、传递以及将光能转化为电能，这一切都发生在类囊体膜上。

1. 光合单位 photosynthetic unit1) 定义：是指能够独自进行光能的吸收、传递和

能量转化、以及水的光解放氧的光反应的基本单位。它是由 200~300 个 chl 分子及相关蛋白质密切合作完成的。

2) 组成 ：A.聚光色素系统：由大部分 chla, 全部 chlb 和

类胡萝卜素 ( 聚光色素或天线色素 ) 及相关蛋白组成 ，只具有收集和传递光能的作用。

B. 反应中心（ reaction centre) ：由反应中心色素 ( 少数 chla) 、原初电子供体和原初电子受体和相关蛋白组成，具有将光能转换为电能的作用。

2. 光能的吸收与传递光照到叶绿体上时，类囊体膜上的叶绿体色素

吸收光能而激发，由于 色素分子排列紧密及其特殊的共轭体系，激发能可在相同色素分子间 (2nm) 以激子传递（ exciton transfer) 或相同及不同色素分子间 (>2nm) 共振传递（ resonance transfer) 的方式传递，最后传给反应中心的中心色素（ chla ）。

激发能的传递速度及效率很高，一个红光量子可传过几百个 chla 分子 (30ps/ 个 ) ，效率达90~100% 。

3. 光能转化为电能

总式： DPA → DP*A →DP+A- →D+PA-光

3.3.2 电子传递和光合磷酸化

# 定义：原初反应产生的电子，经光合电子传递链传递下去，并最终生成活跃的化学能 ATP 和 NADPH

# 部位：类囊体膜

Ⅰ. 电子传递需两个光系统： PSI 和 PSII

两个光系统的发现：　　　———红降现象和双光增益效应

红降 red drop: 　 Emerson 在 1943 年研究不同波长的光的光合效率时发现，当光的波长大于 685nm 时，虽然仍在叶绿素的吸收范围，但光合量子产额（每吸收1 个光量子所放出 O2 的分子数或吸收 CO2 的分子数）急剧下降。

图 3.14 爱默生效应

双光增益效应 enhancement effect ： 1957年， Emerson 等进一步发现，当发生红降时，若补充 650nm 的红光，则量子产额剧增，比有 685nm 和 650nm 单独照射的各还要多，这种两种波长的光波促进光合效率的现象称为 Emerson enhancement effect.

EMERSON ENHANCEMENT EFFECT

结论：光反应由两个光系统接力进行：

一个是是长波长反应（光系统 I, photosystem I, PS I);

另一个短波长反应（光系统 II, photosystem II, PS II ）。

图：四大蛋白复合体在类囊体膜上的分布

ATP 合成酶和 PSI 主要分布在非垛叠区

Cytb6f 和 PSII主要分布在垛叠区

1. PSI 、 PSII 及电子传递链

1. 类囊体膜上的 4 个蛋白复合体

1) 光系统 II(PSII)A. 三部分组成： D1&D2:

a) 中心色素分子： P680b) 原初电子受体： pheoc) 原初电子供体： Z(Tyr)d) QA ， QB 等传递体LHCII:CP43 & CP47, B559OEC or MSP:a) 33 kDa, 23 kDa & 16 kDab) Mn, Cl & Ca

B. 作用：a) 水的光解放氧，b) 提供电子给 Cyt b6/f comple

xc) 产生 H+ 并留在囊腔中

LHCII Antenna Complex

~15

LHCII PROTEIN

LHCⅡ的单体结构示意图

图 3.16 高等植物集光色素复合体Ⅱ (LHCⅡ) 的结构 ( 引自Buchanan et al. 2000)

（ A ） LHCⅡ 的单体结构示意图；（ B ） LHCⅡ 的三聚体示意图

Events at the PS II reaction center

c.f. TZ 7.24

C.放氧本质： Hill 反应—氧化还原反应

离体叶绿体，加入电子受体 ( 如 Fe3+) ，在光照下产生氧气 (1937) 。

2H2O+2A 2AH2(4H++4e-)+O2

光

Hill 反应的意义：1. 它证明没有 CO2 还原时发生氧的释放，从而

解剖了光合作用。2. 证明所释放的氧来自于水而不是 CO2 ，因

为该过程无 CO2参与。（直到 1948 年才发现了 18O ，可以用同位素方法证明 O2来自于水，因此 Hill 的发现是超前的。）

3. 证明分离的叶绿体能进行光合作用的重要部分反应。

4.揭示了光合作用的基本过程是光活化的电子沿着化学势梯度从一种物质传送到另一种物质。

图 3.19 光合放氧复合体的几种 S 状态与放氧的关系（引自潘瑞炽， 2001 ）

A: 叶绿体闪光照射不同次数的放氧量； B: 放氧系统的 5 种 S 状态

A:P Joliot:5-10 s300 ms intervalB:B. KokWaterOxidizing Clock

D. 放氧机理：水氧化钟模型 (water oxidation clock)

2) 光系统 I (PSI)A. 三部分组成 大亚基： A & B

a)中心色素分子： P700

b)原初电子受体： A0c) 原初电子供体： PCd)其它电子传递体大亚基： C, D , E, F

等 LHCI ： G-L 多条肽

链

B. 功能：产生 NADPH

3) Cytb6-f 复合体• 组成：有 4 个多肽组成，其

中三个含 Fe,( 分别含 cytb6, cytf, 和 Fe-S) 。

• 功能：参与电子传递和质子传递 (PQ穿梭 )

4) ATP 合成酶复合体• 组成： CF1 ： α ： β ： γ ： δ ： ε

5 种多肽。 组成比例为 α ： β ： γ ： δ ：

ε= 3 ： 3 ： 3 ： 3 ： 1 。 CF0 由 I 、 II 、 III 和 IV 四

个亚基组成。组成比例为 I ：II ： III ： IV= 1 ： 1 ： 12 ：1 。

• 功能：合成 ATP

1. 电子传递链

除 PQ 、 PC 、 Fd 是游离于类囊体膜上外，其它电子传递体都结合在 PSII 、PSI 和 cytb6-f 三个蛋白复合体上

光合电子传递的类型 :（ 1 ）非循环式电子传递 (noncyclic electron tran

sport) ：电子从 H2O 经 PSII ， PSI 一直到 NADP+ ，引起 NADPH 的生成，同时引起 ATP的合成。

（ 2 ）循环式电子传递 (cyclic electron transport) ：电子在 PSI 上经 P700 、 A0 、 A1………一直传到 Fd, 然后经 cytb6-f 复合体、 PC又加到 P700 。如此不会引起 NADH 的生成，只能引起 ATP 的合成。

（ 3 ）假循环式电子传递 (pseudocyclic electron transport) ：指光解 H2O 产生的电子经 PSⅡ和 PSⅠ两个光系统，最终传给 O2 的电子传递路径。这条电子传递路径最早有 Mehler 提出，所以又称 Mehler 反应。

长方形代表光合膜蛋白复合体，实线箭头表示非循环式电子传递，虚线箭头表示循环式或假电子传递分叉处。 YZ 为次级电子供体； Fd 为铁氧还蛋白；其它组分见正文及“光合膜蛋白复合体”部分。

图 3-18类 囊 体膜 中 光合 电 子传 递 模式 （ Z方案）

电子传递链的阻断剂：敌草隆 (DCMU ，一种除草剂 )阻断 PSII 的电子传递；百草枯 (Paraquat ，一种除草剂 )阻断 PSI 的电子传递。

3. 光合膜上的电子传递与 H+ 跨膜转运光合链实际是由 PSII 、 Cytb6/f复合体和 PSI

中的传递体组成，这些传递体绝大部分只有传递电子的功能，但质体醌（ plastoquinone ，简称 PQ ）既可传递电子，又可传递质子。正是 PQ 在电子传递过程中把 H+从叶绿体基质转运到囊腔中，加上 PSII 光解水在囊腔中产生 H+ ，产生跨类囊体膜的质子动力 (proton motive force, pmf), 又称质子电化学势差，即质子浓度差 (pH) 和电位差 () 。 pH 为光合磷酸化的动力。

4. 光合磷酸化— ATP 的生成1) 装置： ATP 合成酶， CF

2) 驱动力：类囊体膜内外的质子梯度 (内高外低 )

3) 导致质子梯度形成的原因：非循环式电子传递和循环式电子传递 ( 水的解离和 PQ穿梭 )

4) 机理： Michell 的化学渗透学说 Boyer 等人的结合变构学说 or 旋转催化假说

5) 抑制剂：A. 解偶联剂 ： DNP ， FCCP 等，消除质子梯度B. ATP 酶的抑制剂：寡霉素，阻止 H+通过 CF0

C. 电子传递抑制剂：敌草隆、百草枯

Figure: Model of binding change mechanism of ATP synthesis

同化力 (assimilatory power) ：由光反应生成的 NADPH 和 ATP 称为同化力。

同化力将用于暗反应二氧化碳的固定和碳水化合物的形成。