CHAPTER 4
?PHOTOSYNTHESIS
Topic 1 Significance
?1 合成有机物质的主要途径 70× 1011吨
CO2被吸收，合成 5× 1011吨的有机物
?2 巨大能量转换过程
?光能 →化学能，唯一的将光能 →化学能
的过程
?3 地球 O2的源泉 占空气中 21%的 O2的
平衡：靠光合作用维持
?4 人工合成食物：从 1950开始研究，现
在还不清楚。
?热点,cancer机理治疗；光合作用
Topic 2 Evolution
?细菌光合作用 bacterial photosynthesis
?化能合成作用 chemosynthesis
?绿色植物光合作用
细菌光合作用 bacterial
photosynthesis
?指含有色素的光合细菌在光照下利用硫
化氢，异丙醇等无机物或有机物作为还
原剂，把 CO2还原为有机物的进程
?厌氧菌中的红硫细菌科（紫硫细菌）和
红色无硫细菌科（紫色无硫细菌）
?类似于叶绿体，称为载色体 →具双层膜
的球状膜粒，含有细菌叶绿素和类胡萝
卜素
?CO2+2H2S （ CH2O） +2S+H20
光
红硫细菌
化能合成作用 chemosynthesis
?指不含色素的化能合成细菌, 在暗处利
用 H2S, 氯化铁, 氨等氧化时释放的化
学能同化 CO2为有机物的过程 。
?均为好气型细菌 。
植物碳素同化过程与上述过程
的比较
? 过程 碳源 能源 氢来源
?绿色植物光合作用 CO2 光 H2O
?细菌光合作用 CO2 光 H2S,有机物
?化能合成作用 CO2 化学能 H2O NH3
Topic 3 photosynthesis organ
Structure
?高等植物细胞中,50— 100个 chloroplast
叶绿体
?直径 5— 10um,厚 2— 3um扁平的椭圆形
?藻类 1个 （ 水绵, 一个带状叶绿体 ）
?典型的叶绿体由三部份组成：被膜 内部
片层 lamella 基质 （ 类囊体 thylokoid 基
粒 grain）
?见图：叶绿体的结构
?一个叶绿体含有 50-200个基粒
?基粒直径 0.5-1um,厚度 0.1-0.2um
?基 质 中 有, 脂 类 储 藏 所, 嗜 锇 滴
osmiophilic droplet or lipid droplet
?禾本科：旗叶 （ 最高的一片叶, 占光合
产量的大部分 ）, 叶绿体及基粒类囊体
多
叶绿体类囊基粒垛叠的意义：
?光合膜 photosynthetic membrane：即类
囊体膜
?1 捕光机构高度密集, 更有效的收集光
能
?2 酶的排列
叶绿体成分
?叶绿体含 75%的水分, 蛋白质占干物质
的 30-45%,色素占干物质的 8%,脂类
20-40%,储藏物质 10%,矿物质 10%，
核苷酸, ATP,叶绿体 DNA,醌类 。
类囊体膜的主要成分
?50% 蛋 白 质, 40% 脂类, 10% 色素
pigment
类囊体膜脂组成有以下特点
1主要由不带电荷的糖脂组成
?1主要由不带电荷的糖脂组成, MGDG和
DGDG占膜脂的 75%,而且这两种糖脂
均含高比例的不饱和脂肪酸, 主要是亚
麻酸 （ 称为 18,3植物 ） 。 有些植物的
MGDG还含有十六碳三烯酸 （ 16,3）,
称为 16,3植物, 如烟草, 番茄, 菠菜,
花椰菜
The Structures of
Chloroplast
Glycosylglycerides
?monogalactosyldiacylglycerol单半乳
糖二酰基甘油 (MGDG)
?digalactosyldiacylglycerol双半乳糖二
酰基甘油 (DGDG)
?sulfoquinovosyldiacylglycerol硫喹诺
基二酰基甘油 (SQDG)
?见英文网站（ topic1.4)
?单半乳糖二酰基甘油 （ MGDG） 45-50%
?双半乳糖二酰基甘油 DGDG 25-30%
?DGDG和 MGDG共占 70%
?SQDG和 PG（ 磷脂酰甘油 ） 含量各占
10%
?PC（ 磷脂酰胆碱 ） 占 5%
2 特有的带负电荷的 SQDG
?2 含有特有的带负电荷的 SQDG，含量在
10%左右，非光合组织中含量极低。
3 MGDG是非双层结构脂
?3 类囊体膜的主要脂类 MGDG是非双层
结构脂
?在生理温度时,DGDG,SQDG,PG，
PC单独分散到水中都形成双层结构，而
MGDG不形成双层结构，而是翻转柱状
团粒（ inverted cyclindrical micelles）,或
翻转球形团粒结构（ inverted spherical
micelles）
4 主要的磷脂成分是 PG
?主要的磷脂成分是 PG, 而不是 PC。 PG
中含有叶绿体特有的脂肪酸, 反式十六
碳一烯酸 。 此脂肪酸的 反式构型和第三
个碳原子的双键, 以及所结合脂类的特
异位点, 仅结合与 PG分子甘油 C2位上,
是值得研究的 。
trans-16:1
?自然界中的不饱和脂肪酸绝大多数是顺
式构型，而且双键位于从羧基碳开始的
第五个碳原子以后，只有 trans-16:1在第
三个碳原子含有双键。至今，对于这种
脂肪酸还很少研究。
Topic 4 protein synthesis
?叶绿体是由前质体 （ Proplastid） 发育而
来的, 在叶绿体发生过程中有许多新的
蛋白质被合成, 所以无论是蛋白质的种
类还是数量都有极大的增加 。
?在成熟叶绿体中, 也要发生蛋白质的周
转 （ turnover）, 即不断有蛋白质的从头
（ de novo） 合成发生, 旧有的蛋白质又
不断降解 。
叶绿体中新蛋白质的合成特点
?1 叶绿体中的大部分多肽是由核基因编码
并在细胞质中核糖体上合成的。 mRNA
不能穿过叶绿体被膜。
?2 细胞质中所合成的叶绿体中多肽的前体
几乎都是带有一段转运肽（ transit
peptide）的。这种前体被运入叶绿体时
转运肽被蛋白酶切去，同时相应的多肽
则被运送到位（ targeting）。
? 3 叶绿体基因组也是必要的，它编码百种左右
多肽和 RNA。
? 4 叶绿体 DNA所编码的多肽与各种 RNA仅在叶
绿体中起作用，目前尚无证据表明它们在叶绿
体之外起作用。
? 5 虽然叶绿体中的大部分蛋白质在光下和暗中
都可被合成、转运和组装，但光对这些蛋白质
在叶绿体中的积累却在不同水平上有促进作用。
蛋白质合成特点总结
?叶绿体虽然含有一部分它所需要的蛋白
质的遗传密码，有复制 DNA的 DNA聚合
酶，有转录所需的 RNA聚合酶，也有翻
译即合成蛋白质的机构，但它不能独立
地合成它所需要的全部蛋白质，所以它
不是独立自主的，而是主要受到核控制
的。
叶绿体蛋白复合体的组装
?与其他 protein complex的特点：
?1 组成 complex的多肽可能是核 pene or
叶绿 gene分别 encobe
?2 叶绿体 pr complex大部分结合着叶绿素
?3 在组装过程中，有些蛋白复合体需要
companion protein参与
Topic 5 chloroplast
genenome
?1962年已证实叶绿体中存在 DNA
?以后用 CsCI密度梯度离心法将叶绿体
DNA与核 DNA清楚地分开后，更直接证
明其存在。
?叶绿体中所含 DNA约为叶片中全部 DNA
的 10％～ 2O％，叶绿体 DNA的浮力密度
约为 1.697g·ml-1，相当于 37％的 G十 C。
?它与核 DNA不同，不含 5一甲基胞嘧啶，
不与组蛋白络合，而且容易变性。
?维管植物的叶绿体 DNA属于原核生物类
型, 为环 状, 其轮 廓 长度 （ contour
length） 为 37～ 45Um,120～ 180kb。
?每一质体 （ 包括叶绿体 ） 中所含有基因
组的拷贝数为 22～ 900。
?这些 DNA分子存在于叶绿体基质中, 常
是 10～ 20个分子聚成一簇, 与叶绿体的
内被膜或类囊体膜结合 。
鉴定叶绿体基因的方法
?① 将叶绿体 DNA的各种不同的限制性酶
切片段与纯化的 RNA分子杂交。不过这
种方法只适用于那些编码含量较多的
rRNA和 tRNA的基因。
?② 对于编码蛋白质的基因，可以利用下
列现象，即光诱导叶绿体中许多基因的
转录活性，因而光下能产生大量的许多
种类的 mRNA。将在光下增多的 mRNA
与 DNA的酶切片段杂交，再将此 mRNA
在体外进行表达，用免疫方法鉴定表达
产物，从而鉴定基因。
?③ 将酶切片段在大肠杆菌中扩增，然后
用体外转录和翻译的实验以及免疫方法
鉴定表达产物
?④ 叶绿体中有许多基因与细菌 （ 通常用
大肠杆菌进行实验 ） 中某些基因相当,
所以可以根据核苷酸顺序或基因表达产
物的氨基酸顺序与细菌的相应顺序之间
的同源性来鉴定叶绿体 DNA中的基因 。
?⑤ 根据某一开放读码结构（ open reading
frame,ORF）的核苷酸顺序可以推知
其所编码的蛋白质的部分氨基酸序列，
然后人工合成此肽段作为抗原决定部位
以产生抗体。这种抗体就可作为探针，
用以确定该蛋白质的定位和功能，因为
可以用这种抗体去试验它是否与某种已
知的蛋白质发生凝集反应从而确定其免
疫特性
?根据近年来已测定的烟草（ Nicotiana
tabacum）、地钱（ Marchantia
polymorpha）和水稻（ Oryza sativa）叶
绿体 DNA的全部顺序和许多其他植物叶
绿体 DNA中已鉴定的基因，可以知道叶
绿体 DNA中大约有 123个基因
?这些基因可分为 3大类
? 一 与光合作用有关的基因
? 光系统 1
? 光系统 II
? 细胞色素 b6/f复合物
? ATP合成酶
? Rubsico 大亚基
? 二 叶绿体基因表达所需基因
? 核糖体 RNA
? 核糖体蛋白
? tRNA
? DNA polymerase
? RNA polymerase
? Initiation factor
? 三 其他基因
? NADH脱氢酶的各亚基
Topic 6 光合色素
?三类：
叶绿素 chlorophyll
类胡萝卜素 carotenoid
藻胆素 phycobilin
叶绿素
?叶绿素 a
?叶绿素 b,高等植物 绿藻
?c,海藻
?d,红藻
?原叶绿素,黄化植物
?类胡萝卜素：
?藻胆素：藻兰 protein,藻胆体
?螺旋藻中叶绿素, 类胡萝卜素与藻胆素
含量高
光合色素的化学结构
叶绿素
?1 叶绿素：见书
?
?叶绿素 a：蓝绿色
?叶绿素 b：黄绿色
?不溶于水, 溶于乙醇, 石油醚, 酒精
?是双羧酸的酯, 朴啉环, Mg在中间
?叶绿醇：高分子量的碳氢化合物, 亲脂的尾部
?头部,Mg带正电荷, N带负电荷, 有极性, 亲
水
?
?因此提叶绿素用 80%乙醇
?Mg被 H+取代, 变黄；加 CuSO4,并加热,
又变绿 。
叶绿素的功能
?吸收光能, 绝大多数 chla和 chlb
?将光能转变成电能, 只有少数 chla
chla和 chlb的吸收光谱
?chla和 chlb的乙醚溶液在吸收光上稍有不
同：
?而 chla在红光部分的吸收带偏向于长波
长方面, chlb 在蓝紫光部分的吸收带较
宽；
阴生植物与阳生植物相比：
?以叶绿体而言, 阴生植物有较大的基粒, 基粒
片层数目多, 叶绿素含量高, 这样, 阴生植物
就能在较低的光照强度下充分地吸收光线
?阴生植物还适应与遮阴处的光的波长 。 阴生植
物经常处于漫射光中, 漫射光中的较短波长占
优势, 而 chla在红光部分的吸收带偏向于长波
长方面, chlb 在蓝紫光部分的吸收带较宽；阴
生植物的 chlb多, 阴生植物能强烈的利用蓝紫
光, 而适应在遮阴处生长
?2,类胡萝卜素 carotenoid,分为
?胡萝卜素 carotene
?叶 黄 素 xanthophylls,又 叫 胡 萝 卜 醇
carotenol
?不溶于水, 溶于有机溶剂
?功能：收集光能
?3,藻胆素 phycobilin
Beer's Law
? The absorbance of a sample can be related
to the concentration of the absorbing species
through Beer's law,
?A = ε c l
c is concentration
l is the length of the light path,usually 1 cm
ε is a proportionality constant known as the
molar extinction coefficient
? Chlorophylls typically have an ε value
of about 100,000 L mol–1 cm–1.
? When more than one component of a
complex mixture absorbs at a given
wavelength,the absorbances due to the
individual components are generally
additive.
The Spectrophotometer
?The Spectrophotometer分光光度计
Schematic diagram of a spectrophotometer
?The instrument consists of a light
source,a monochromator that contains
a wavelength selection device such as a
prism,a sample holder,a photodetector,
and a recorder or computer,
spectrum光谱
?The output wavelength of the
monochromator can be changed by
rotation of the prism; the graph of
absorbance versus wavelength is called
a spectrum光谱,
Action Spectra
?An action spectrum（动态范围） is a
graph of the magnitude of the biological
effect observed as a function of
wavelength（ 研究不同波长的生物学效
应）
?Examples of effects measured by action
spectra are oxygen evolution（氧气的释
放）
An action spectrum compared to an absorption spectrum
?An action spectrum is measured by
plotting （ 测绘 ） a response to light
such as oxygen evolution,as a function
of wavelength,If the pigments used to
obtain the absorption spectrum are the
same as those that cause the response,
the absorption and action spectra will
match,
?In the example shown here,the action
spectrum for oxygen evolution matches
the absorption spectrum of intact
chloroplasts quite well,indicating that
light absorption by the chlorophylls
mediates oxygen evolution,
?Discrepancies（差异） are found in the
region of carotenoid类胡萝卜素
absorption,from 450 to 550 nm,
indicating that energy transfer from
carotenoids to chlorophylls is not as
effective as energy transfer between
chlorophylls.
?Some of the first action spectra were
measured by T,W,Engelmann in the
late 1800s
Schematic diagram of the action spectrum measurements
? T,W,Engelmann projected a spectrum of
light onto the spiral（螺旋的） chloroplast of
the filamentous green alga（丝状绿藻）
Spirogyra and observed that oxygen-seeking
bacteria introduced into the system collected
in the region of the spectrum where
chlorophyll pigments absorb,
? This action spectrum gave the first indication
of the effectiveness of light absorbed by
accessory pigments in driving photosynthesis.
?Chl定量测定, 640-660nm
?721.751.752分光光度计
?T透光度 D光密度
?Arnon公式：
?Ca=12.7D663— 2.69D643 kg/L
?Cb=22,9D645— 4.68D663 kg/L
对一般正常植物叶片采取此公式
?1987年； Lichteathorler进行了校正
?Ca=12.21D663-2.81D646
?Cb=20.13D646-5.03D663
?Cx+c=1000D470-3.27Ca-104Cb
?
?
x+c:胡萝卜素和叶黄素
229
叶绿素的光学特性
?光的能量与波长成反比
?太阳到地表的光是 300-2000nm
?可见光区,390-770nm
?640-660nm：红光部分
?430-450nm：蓝紫光部分
?不吸收绿光, 因此叶绿素的溶液为绿色
激发的叶绿素分子可以通过三种方式
放出能量
?叶绿素分子可被光所激发
?① chl*→chl→+热 （ 无辐射内转换 ）
?② chl*→chl+hv（ 荧光或磷光发射 ）
?③ chl1*+chl2→chl+chl2*（ 诱导共振 ）
荧光现象和磷光现象
?见书
诱导共振与激发能的传递：
?一个色素分子吸收光被激发之后, 其中
高能电子的振动可以引起附近某个电子
的振动, 当第二个分子电子振动被诱导
起来时, 就发生了电子能量的传递 。 激
发传递完毕之后, 第一个分子中原来被
激发的电子就停止振动, 第二个分子被
诱导振动的电子变为激发状态 。
?共振传递速度 很快, 从光能吸收到原初
电荷分离涉及的时间尺度 10-15～ 10-7s
?能量传递效率 很高, 在叶绿素分子之间,
95— 99%可将光能量 →光反应中心 。
?类胡萝卜素传递光能的效率低些 。
?被吸收的光能通过诱导共振传递到反应
中心, 是一个纯粹的物理过程, 而不是
光子本身被转移 。
叶绿素的人工合成
?中间产物,S-氨荃乙酰丙酸 ALA
?叶绿素首先合成 chla，再变成 chl b
?正常的叶片
?chl：类胡萝卜素 =3:1
? cha,chlb=3:1
?注意阴生与阳生植物的区别
? 叶黄素：胡萝卜素 =2,1
叶子的叶色
?在秋天, chl首先降解, 叶片变黄
?糖份积累, 使花青素合成, 使叶片成为
红色
?莲米里的子叶是绿色, 表明叶绿素合成
可以不需要光
?但大部份叶绿素的合成需要光；
?光与植物的形态建成有关, 黄化植物的
口感嫩 。
叶绿素的合成条件
?1 光
?2 温度 合成叶绿素的最低温度 24度, 最
高温度 40度
?3 所需矿质元素,Mg N Fe Mn Cu Zn
Topic 7光合作用的机理
? light reaction:光反应
?光反应中仅色素吸收光需要光, 以后电
子传递和能量传递不需光
?dark reaction:暗反应 有些步骤需要光,
例 Rubisco等为光调解酶
?光合作用的研究对象是多方面的, 研究
对象的水平从分子的激发态发展到植物
群体
?研究的课题可从光的吸收延伸到生态学
?反应的时间可从飞秒一直跨越到世纪
皮秒飞秒 纳秒 微秒 毫秒 秒 小时 周 年 世纪
光吸收
原初反应
电子传递
放氧
C固定
生产力
生态学
物质合成
激
发
态
发
色
团
反
应
中
心
膜
叶
绿
体
叶
片
植
株
群
体
反
应
系
统
反应时间
三大步骤：
?三大步骤：
?1光能的吸收, 传递, 转换 （ 原初反应 )
?2 电子传递和光合磷酸化
?3 碳同化
一、原初反应
固定 1个 CO2需 8-10个光量子
?原初反应是光合作用中将光能转化成化
学能的起始过程, 也是光反应的起始过
程 。 它是生物将光能转变成化学能的最
初的重要反应过程 。
?原初反应速度非常快, 反应时间一般在飞秒
（ 10-15s） 到皮秒 （ 10-12s） 量级之间 。
?主要包括光能的吸收, 激发能的传递等光物理
过程和原初光化学反应等步骤, 是有关色素吸
收太阳光能所引起的光物理和光化学反应 。
?它甚至可以在 低温 下进行 。 由于反应迅速, 从
其他途径 消耗的 能量少, 效率很高 。
?研究原初反应所涉及的知识面较广，表
现了生物学、化学、物理学等一级学科
间或生物学本领域内学科的相互渗透和
交叉。
?定义：必须掌握
?光合作用单位：见书
?最终电子供体 doner：水
?原终电子受体 acceptor,NADP
红降现象
?红降现象, 波长大于 680（ 685） nm时
的远红外光照射时，量子产额大量下降
?量子产额 quantum yield：吸收一个光量
子后释放氧分子或固定一个 CO2的数目,
?量子需要量,是量子产额的倒数
?1个光量子产额是 1/10,即吸收一个光量
子, 所释放的氧分子为 1/10
双光增益效应
?双光增益效应：在远红外光区 （ 大于 685nm）,
补充红光, 则量子产额大增, 又叫爱默生效应,
比这两个波长的光单独照射的总和还多
? 1961荷兰 Duysens 提出双系统概论
?高等植物和藻类有两个系统, PSII,即 P680；
PSI,即 P700
?光合细菌只有一个光系统, 不放 O2光合细菌,
类从于高等植物的 PSI
二、电子和质子的传递
?见书
传递电子和质子的复合体：
?PSI
?PSII
?Cytb6/f
?ATP 合成酶
1 光系统 Ⅱ （ PSII）
?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，和主要
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
?② 由两个 32kD多肽组成的 DI-D2蛋白，
其中包括原初电子供体 YZ；中心色素
P680；原初电子受体 Pheo； QA； QB和
铁原子，构成反应中心的电子传递链。
?在高等植物中现已能提纯到仅含 D1－ D2
多肽并具有光化学电荷分离活性的最基
本结构组分。
?③ 由 33,23及 17kD三种外周多肽以及与
放氧有关的锰簇和氯与钙离子组成的水
氧化放氧系统。
?高等植物 PSⅡ 反应中心的 D1－ D2多肽与
紫细菌反应中心的 L及 M多肽相比较，不
仅在氨基酸顺序上有很大的同源性，而
且分子结构上也很相似。
?与 D1-D2多肽相紧密结合的 9KD（ a）和
4KD（ ?）两个多肽构成细胞色素 b-559。
其功能不甚清楚，推测可能参与围 PSⅡ
的循环电子传递
2 细胞色素 b/f复合体
?它是由 4个多肽组成，即细胞色素 f，细
胞色素 b6,Rieske铁硫蛋白和一个功能
尚未知的 17KD多肽。电子传递的顺序是
PQH2→FeSr→Cytf→PC
3 光系统 I
?PSI反应中心复合体由反应中心 P700，
电子受体和捕光天线三部分组成
三、电子质子传递的途径
H2O的氧化
?2H2O→O2↑+4H++4e-在 PSII进行
?PSII运转一次, 只能获取一个电子, 要
完成此方程式, 则可能；
?① 4个 PSII反应中心同时运转
?②每个 PSII独立运转，依次获取 4个电子，
以某种机制积累 4个正电荷，然后一次用
于水的氧化
?法国, Pierre Joliot 闪光实验
?1,叶绿体的暗适应
?2,给予一系列闪光照射, 每一次闪光是
5— 10us,间隙 500ms
?1970,KOK钟：水氧化钟模型
?放氧复合体 OEC每次闪光后, 积累一个
正电荷直到积累 4个正电荷, 一次性地氧
化 2H2O, 从中得到 4个电子 。
?按氧化程度的不同, 把不同状态的 OEC
分为 S0（ 不带电荷 ）, S1+,S2++, S33+,
S44+
?每一次闪光把 OEC往前推一步, 最后到
S44+,把水光解后, S44+→S0
?S0 S1是稳定状态, S2和 S3在黑暗里将回
到 S1,S4是不稳定的 。 叶绿体经过暗适
应后, 3/4的 OEC处于 S1状态 所以第三
次闪光处于最高峰,
?见书
量子需要量的计算
? PSI 的 P700与 PSII的 P680从基态变到为激发态,
将电子传递给原初电子受体一脱镁叶绿素和 A2
?失去电子的 P680与 P700分别又从原初电子供体
获得电子, 即从 Z和 PC获得电子, 最终通过水
氧化钟模型, 将水分解成质子, 电子, 氧气
? P700 从 PC 获得电子, 最终推动了电子从
PS→cytb/f的传递,
?此传递是非闭合的, 从水 →NADP的电子
传递为非循环式电子传递, 每传递一个
电子, 需要二次光的驱动, 需要 PSI、
PSII的密切配合 。 即传递一个电子需要
两个光子 。 释放一个 O2需要 4个电子的驱
动, 则需要 8个光量子 。
?一般将量子需要量为 10（ 8— 12）
?见书：
?循环式电子传递
?非循环式电子传递
四 光合磷酸化
?循环式光合磷酸化
?非循环式光合磷酸化
?Mitchell 1953年提出化学渗透模型 1978
年获得诺贝尔奖
?H.Fischer 确定叶绿素的分子结构 1930
年获得诺贝尔奖
?R.B.Woodwood 人工合成叶绿素, 1965
年获得诺贝尔奖
?Melvin Calvin 碳同化的途径 1961年获得
诺贝尔奖
Topic8 How the Calvin Cycle Was
Elucidated
?The elucidation of the Calvin cycle was
the result of a series of elegant
experiments by Melvin Calvin and his
colleagues in the 1950s,for which a
Nobel prize was awarded in 1961
?the unicellular eukaryotic green alga
Chlorella
?The Calvin cycle is also referred to as
the reductive pentose phosphate cycle还
原戊糖磷酸途径
? photosynthetic carbon reduction cycle
光合碳还原循环
?1 they exposed the algal cells to constant
conditions of light and CO2 to establish
steady-state photosynthesis,
?2 they added radioactive 14CO2 for a
brief period to label the intermediates
中间体 of the cycle.
? 3 They then killed the cells and inactivated
their enzymes by plunging the suspension
into boiling alcohol酒精,
? 4 They separated the 14C-labeled compounds
from one another and identified them by their
positions on two-dimensional paper
chromatograms纸层析
? The time intervals shown in the figures
indicate the length of exposure to the
radiolabel,
? At the indicated time intervals,the reaction
was terminated,by plunging of the contents
into boiling alcohol,
? The labeled compounds in the cell
homogenates were then separated by paper
chromatography,The heavy labeling of 3-
phosphoglycerate (PGA) after the shorter
exposure indicates that it is the first stable
intermediate of the Calvin cycle,
?Therefore,the other labeled sugar
phosphates must be derived from a
subsequent reduction of 3-
phosphoglycerate
?To deduce the path of carbon,it was
necessary to determine the distribution
of 14C in each of the labeled sugars.,
?After a brief exposure to l4CO2,
individual intermediates were isolated
and chemically degraded so that the
amount of 14C in each carbon atom
could be determined,
?The results showed that 3-
phosphoglycerate was initially labeled
predominantly in the carboxyl group,
?This finding suggested that the initial
CO2 acceptor was a two-carbon
compound,and it prompted a long and
futile(无用的 ） search for such a
compound,
?The subsequent discovery that pentose
monophosphates （戊糖单磷酸） and a
pentose bisphosphate (ribulose)戊糖二
磷酸 participate in the cycle raised the
possibility that the initial CO2 acceptor
was a five-carbon compound,
?This conceptual breakthrough突破
rapidly led to the identification of
ribulose-1,5-bisphosphate as the CO2
acceptor and to the formulation of the
complete cycle,
?The operation of the cycle explained the
14C-labeling pattern of the other
intermediates
Demonstration
?To demonstrate conclusively that a
metabolic pathway exists,it is necessary
to prove that the postulated假定
enzymes catalyze the proposed
reactions in the test tube,
?Ideally,the rates of these enzyme
reactions (in vitro离体 ) should be equal
to or in excess of those observed in the
intact cell (in vivo体内 ).
? However,this evidence can be used
only to support a proposed pathway,
Failure to demonstrate a reaction in
vitro does not prove that the reaction
does not occur
?All of the reactions of the Calvin cycle
have been demonstrated in vitro,With
one exception,the in vitro rates of
enzymatic activity are well in excess of
the maximal observed rates of
photosynthesis,
?That exception is rubisco,which,when
assayed under the levels of CO2 and O2
in air,shows barely enough in vitro
activity to account for the observed rate
of photosynthesis in air,
Topic 9 Rubisco,A Model Enzyme for
Studying Structure and Function
?With the exception of the carbon fixed
by a some prokaryotic organisms,most
of the carbon fixed on Earth is
processed by the Calvin cycle,
?The concentration of rubisco,the
carboxylating enzyme of the Calvin cycle,
is generally high,
?For example,it accounts for 50% or
more of the total protein in plant leaves,
and its concentration within
chloroplasts is extremely high (ca,0.2
g/ml).
?Rubisco occurs in two functionally
analogous forms,having different
structure,distribution,and O2
sensitivity,
Enzyme structure
?chloroplasts from high plants and many
photosynthetic bacteria contain a form
of the form I structure
? made up of eight large (L) catalytic
subunits (about 55 kDa each) and eight
small (S) subunits (about 14 kDa each)
? giving a molecular mass of about 560
kDa for the complete protein (L8S8),
?The 8 L subunits of form I are arranged
as an octameric八聚体 core surrounded
by two layers of four S subunits,with
each layer located on opposite sides of
the molecule
?A model for the structure of rubisco in
chloroplasts from higher plants,
?Small subunits are shown in red (only
four of the small subunits are seen),
large subunits are shown in blue and
green,in order to show the boundaries
of the dimers,
?Form II of rubisco is found in some
photosynthetic purple nonsulfur
bacteria紫色非硫细菌,and it is
composed of two L subunits,each 50
kDa,Eukaryotic algal dinoflagellates
（ 腰鞭毛虫，单细胞原生生物） also use
a dimeric enzyme of proteobacterial
ancestry,
Enzyme Specificity
?Besides its carboxylation reaction,
rubisco also reacts with O2,leading to
photorespiration光呼吸,an apparently
wasteful reaction that lowers the
efficiency of carbon incorporation to
organic compounds
Photorespiration
光呼吸
?植物的 绿色 cell依赖光照, 放出 co2和吸
收 o2的过程, 称为光呼吸 。 又叫 C2环
?与普通的呼吸 respiration不一样
?光呼吸氧化的底物是 glycolate乙醇酸
?见书
?Several studies have shown that,as with
the Calvin cycle,the enzymes of the C2
oxidative photosynthetic carbon cycle
catalyze all the proposed reactions in
vitro at rates higher than the in vivo rate
of photorespiration,
? In addition,the participating enzymes are
? localized in the choroplast (rubisco,
phosphoglycolate phosphatase,glycerate
kinase),
? the peroxisome 过氧化物体 (glycolate oxidase,
catalase,hydroxypyruvate reductase,and the
two aminotransferases)
? the mitochondrion线粒体 (glycine
decarboxylase and serine
hydroxymethyltransferase)
?Since CO2 and O2 are competing
substrates for rubisco,the carboxylation
depends on the environmental ratio CO2
/ O2 and an intrinsic内在的 feature of
the enzyme
Biosynthesis and Assembling
?The genes that code for the small (rbcS)
and the large (rbcL) subunit of rubisco
are critical to the functioning of
autotrophic cells,
?In contrast to prokaryotes,in which
gene expression and protein
biosynthesis take place in the same
cellular compartment (cytosol),rubisco
of most eukaryotic organisms is
assembled by the coordinate action of
multiple biochemical processes which
might require the participation of
several cellular compartments,
? The light-mediated modulation of rbcS
expression in the nucleus of plants
(Metaphyte多细胞植物 ) and green algae
(Chlorophyte) produces a precursor
polypeptide on cytosolic ribosomes,
? Translocation across the chloroplast envelope
removes the N-terminal plastid-targeting
peptide,and releases the mature form in the
stroma of chloroplasts,
?On the other hand,the chloroplast
genome of plants and green algae
encodes rbcL,so the biosynthesis of the
large subunit occurs entirely on
chloroplast ribosomes,
?The assembly of rubisco from its
constituent subunits takes place in the
chloroplast
? Not all photosynthetic organisms have the
same rubisco genes,Genes encoding both the
large and the small rubisco subunits occur in
chloroplasts of brown (Chromophyte) and red
(Rhodophyte) algae.
? On the other hand,dinoflagellates lack rbcS
because they only have the form II of the
enzyme in their chloroplasts and,more
important,rbcL resides entirely in the nuclear
genome,
?Genes encoding chloroplast proteins in
the nuclear DNA of some
photosynthetic eukaryotes have another
interesting feature.
? The rbcS genes of plants and green algae
encode a precursor that comprises only one
copy of the mature protein,but the rbcS of
the protist Euglena gracilis and the nuclear
rbcL of dinoflagellates code for polypeptides
that contain eight and three copies,
respectively,of the mature protein,The
subsequent proteolytic processing of these
precursors at the chloroplast envelope
ensures the assembly of the functional
enzyme in the stroma
?Special proteins that modulate protein
folding assist the formation of the L8S8
type of rubisco in a process that uses
ATP,These proteins,called chaperonins
陪伴蛋白,modify the noncovalent
interactions of target proteins and bring
about the active conformation of the
enzyme,Several different chaperonins
promote the assembly of both subunits,
?PHOTOSYNTHESIS
Topic 1 Significance
?1 合成有机物质的主要途径 70× 1011吨
CO2被吸收，合成 5× 1011吨的有机物
?2 巨大能量转换过程
?光能 →化学能，唯一的将光能 →化学能
的过程
?3 地球 O2的源泉 占空气中 21%的 O2的
平衡：靠光合作用维持
?4 人工合成食物：从 1950开始研究，现
在还不清楚。
?热点,cancer机理治疗；光合作用
Topic 2 Evolution
?细菌光合作用 bacterial photosynthesis
?化能合成作用 chemosynthesis
?绿色植物光合作用
细菌光合作用 bacterial
photosynthesis
?指含有色素的光合细菌在光照下利用硫
化氢，异丙醇等无机物或有机物作为还
原剂，把 CO2还原为有机物的进程
?厌氧菌中的红硫细菌科（紫硫细菌）和
红色无硫细菌科（紫色无硫细菌）
?类似于叶绿体，称为载色体 →具双层膜
的球状膜粒，含有细菌叶绿素和类胡萝
卜素
?CO2+2H2S （ CH2O） +2S+H20
光
红硫细菌
化能合成作用 chemosynthesis
?指不含色素的化能合成细菌, 在暗处利
用 H2S, 氯化铁, 氨等氧化时释放的化
学能同化 CO2为有机物的过程 。
?均为好气型细菌 。
植物碳素同化过程与上述过程
的比较
? 过程 碳源 能源 氢来源
?绿色植物光合作用 CO2 光 H2O
?细菌光合作用 CO2 光 H2S,有机物
?化能合成作用 CO2 化学能 H2O NH3
Topic 3 photosynthesis organ
Structure
?高等植物细胞中,50— 100个 chloroplast
叶绿体
?直径 5— 10um,厚 2— 3um扁平的椭圆形
?藻类 1个 （ 水绵, 一个带状叶绿体 ）
?典型的叶绿体由三部份组成：被膜 内部
片层 lamella 基质 （ 类囊体 thylokoid 基
粒 grain）
?见图：叶绿体的结构
?一个叶绿体含有 50-200个基粒
?基粒直径 0.5-1um,厚度 0.1-0.2um
?基 质 中 有, 脂 类 储 藏 所, 嗜 锇 滴
osmiophilic droplet or lipid droplet
?禾本科：旗叶 （ 最高的一片叶, 占光合
产量的大部分 ）, 叶绿体及基粒类囊体
多
叶绿体类囊基粒垛叠的意义：
?光合膜 photosynthetic membrane：即类
囊体膜
?1 捕光机构高度密集, 更有效的收集光
能
?2 酶的排列
叶绿体成分
?叶绿体含 75%的水分, 蛋白质占干物质
的 30-45%,色素占干物质的 8%,脂类
20-40%,储藏物质 10%,矿物质 10%，
核苷酸, ATP,叶绿体 DNA,醌类 。
类囊体膜的主要成分
?50% 蛋 白 质, 40% 脂类, 10% 色素
pigment
类囊体膜脂组成有以下特点
1主要由不带电荷的糖脂组成
?1主要由不带电荷的糖脂组成, MGDG和
DGDG占膜脂的 75%,而且这两种糖脂
均含高比例的不饱和脂肪酸, 主要是亚
麻酸 （ 称为 18,3植物 ） 。 有些植物的
MGDG还含有十六碳三烯酸 （ 16,3）,
称为 16,3植物, 如烟草, 番茄, 菠菜,
花椰菜
The Structures of
Chloroplast
Glycosylglycerides
?monogalactosyldiacylglycerol单半乳
糖二酰基甘油 (MGDG)
?digalactosyldiacylglycerol双半乳糖二
酰基甘油 (DGDG)
?sulfoquinovosyldiacylglycerol硫喹诺
基二酰基甘油 (SQDG)
?见英文网站（ topic1.4)
?单半乳糖二酰基甘油 （ MGDG） 45-50%
?双半乳糖二酰基甘油 DGDG 25-30%
?DGDG和 MGDG共占 70%
?SQDG和 PG（ 磷脂酰甘油 ） 含量各占
10%
?PC（ 磷脂酰胆碱 ） 占 5%
2 特有的带负电荷的 SQDG
?2 含有特有的带负电荷的 SQDG，含量在
10%左右，非光合组织中含量极低。
3 MGDG是非双层结构脂
?3 类囊体膜的主要脂类 MGDG是非双层
结构脂
?在生理温度时,DGDG,SQDG,PG，
PC单独分散到水中都形成双层结构，而
MGDG不形成双层结构，而是翻转柱状
团粒（ inverted cyclindrical micelles）,或
翻转球形团粒结构（ inverted spherical
micelles）
4 主要的磷脂成分是 PG
?主要的磷脂成分是 PG, 而不是 PC。 PG
中含有叶绿体特有的脂肪酸, 反式十六
碳一烯酸 。 此脂肪酸的 反式构型和第三
个碳原子的双键, 以及所结合脂类的特
异位点, 仅结合与 PG分子甘油 C2位上,
是值得研究的 。
trans-16:1
?自然界中的不饱和脂肪酸绝大多数是顺
式构型，而且双键位于从羧基碳开始的
第五个碳原子以后，只有 trans-16:1在第
三个碳原子含有双键。至今，对于这种
脂肪酸还很少研究。
Topic 4 protein synthesis
?叶绿体是由前质体 （ Proplastid） 发育而
来的, 在叶绿体发生过程中有许多新的
蛋白质被合成, 所以无论是蛋白质的种
类还是数量都有极大的增加 。
?在成熟叶绿体中, 也要发生蛋白质的周
转 （ turnover）, 即不断有蛋白质的从头
（ de novo） 合成发生, 旧有的蛋白质又
不断降解 。
叶绿体中新蛋白质的合成特点
?1 叶绿体中的大部分多肽是由核基因编码
并在细胞质中核糖体上合成的。 mRNA
不能穿过叶绿体被膜。
?2 细胞质中所合成的叶绿体中多肽的前体
几乎都是带有一段转运肽（ transit
peptide）的。这种前体被运入叶绿体时
转运肽被蛋白酶切去，同时相应的多肽
则被运送到位（ targeting）。
? 3 叶绿体基因组也是必要的，它编码百种左右
多肽和 RNA。
? 4 叶绿体 DNA所编码的多肽与各种 RNA仅在叶
绿体中起作用，目前尚无证据表明它们在叶绿
体之外起作用。
? 5 虽然叶绿体中的大部分蛋白质在光下和暗中
都可被合成、转运和组装，但光对这些蛋白质
在叶绿体中的积累却在不同水平上有促进作用。
蛋白质合成特点总结
?叶绿体虽然含有一部分它所需要的蛋白
质的遗传密码，有复制 DNA的 DNA聚合
酶，有转录所需的 RNA聚合酶，也有翻
译即合成蛋白质的机构，但它不能独立
地合成它所需要的全部蛋白质，所以它
不是独立自主的，而是主要受到核控制
的。
叶绿体蛋白复合体的组装
?与其他 protein complex的特点：
?1 组成 complex的多肽可能是核 pene or
叶绿 gene分别 encobe
?2 叶绿体 pr complex大部分结合着叶绿素
?3 在组装过程中，有些蛋白复合体需要
companion protein参与
Topic 5 chloroplast
genenome
?1962年已证实叶绿体中存在 DNA
?以后用 CsCI密度梯度离心法将叶绿体
DNA与核 DNA清楚地分开后，更直接证
明其存在。
?叶绿体中所含 DNA约为叶片中全部 DNA
的 10％～ 2O％，叶绿体 DNA的浮力密度
约为 1.697g·ml-1，相当于 37％的 G十 C。
?它与核 DNA不同，不含 5一甲基胞嘧啶，
不与组蛋白络合，而且容易变性。
?维管植物的叶绿体 DNA属于原核生物类
型, 为环 状, 其轮 廓 长度 （ contour
length） 为 37～ 45Um,120～ 180kb。
?每一质体 （ 包括叶绿体 ） 中所含有基因
组的拷贝数为 22～ 900。
?这些 DNA分子存在于叶绿体基质中, 常
是 10～ 20个分子聚成一簇, 与叶绿体的
内被膜或类囊体膜结合 。
鉴定叶绿体基因的方法
?① 将叶绿体 DNA的各种不同的限制性酶
切片段与纯化的 RNA分子杂交。不过这
种方法只适用于那些编码含量较多的
rRNA和 tRNA的基因。
?② 对于编码蛋白质的基因，可以利用下
列现象，即光诱导叶绿体中许多基因的
转录活性，因而光下能产生大量的许多
种类的 mRNA。将在光下增多的 mRNA
与 DNA的酶切片段杂交，再将此 mRNA
在体外进行表达，用免疫方法鉴定表达
产物，从而鉴定基因。
?③ 将酶切片段在大肠杆菌中扩增，然后
用体外转录和翻译的实验以及免疫方法
鉴定表达产物
?④ 叶绿体中有许多基因与细菌 （ 通常用
大肠杆菌进行实验 ） 中某些基因相当,
所以可以根据核苷酸顺序或基因表达产
物的氨基酸顺序与细菌的相应顺序之间
的同源性来鉴定叶绿体 DNA中的基因 。
?⑤ 根据某一开放读码结构（ open reading
frame,ORF）的核苷酸顺序可以推知
其所编码的蛋白质的部分氨基酸序列，
然后人工合成此肽段作为抗原决定部位
以产生抗体。这种抗体就可作为探针，
用以确定该蛋白质的定位和功能，因为
可以用这种抗体去试验它是否与某种已
知的蛋白质发生凝集反应从而确定其免
疫特性
?根据近年来已测定的烟草（ Nicotiana
tabacum）、地钱（ Marchantia
polymorpha）和水稻（ Oryza sativa）叶
绿体 DNA的全部顺序和许多其他植物叶
绿体 DNA中已鉴定的基因，可以知道叶
绿体 DNA中大约有 123个基因
?这些基因可分为 3大类
? 一 与光合作用有关的基因
? 光系统 1
? 光系统 II
? 细胞色素 b6/f复合物
? ATP合成酶
? Rubsico 大亚基
? 二 叶绿体基因表达所需基因
? 核糖体 RNA
? 核糖体蛋白
? tRNA
? DNA polymerase
? RNA polymerase
? Initiation factor
? 三 其他基因
? NADH脱氢酶的各亚基
Topic 6 光合色素
?三类：
叶绿素 chlorophyll
类胡萝卜素 carotenoid
藻胆素 phycobilin
叶绿素
?叶绿素 a
?叶绿素 b,高等植物 绿藻
?c,海藻
?d,红藻
?原叶绿素,黄化植物
?类胡萝卜素：
?藻胆素：藻兰 protein,藻胆体
?螺旋藻中叶绿素, 类胡萝卜素与藻胆素
含量高
光合色素的化学结构
叶绿素
?1 叶绿素：见书
?
?叶绿素 a：蓝绿色
?叶绿素 b：黄绿色
?不溶于水, 溶于乙醇, 石油醚, 酒精
?是双羧酸的酯, 朴啉环, Mg在中间
?叶绿醇：高分子量的碳氢化合物, 亲脂的尾部
?头部,Mg带正电荷, N带负电荷, 有极性, 亲
水
?
?因此提叶绿素用 80%乙醇
?Mg被 H+取代, 变黄；加 CuSO4,并加热,
又变绿 。
叶绿素的功能
?吸收光能, 绝大多数 chla和 chlb
?将光能转变成电能, 只有少数 chla
chla和 chlb的吸收光谱
?chla和 chlb的乙醚溶液在吸收光上稍有不
同：
?而 chla在红光部分的吸收带偏向于长波
长方面, chlb 在蓝紫光部分的吸收带较
宽；
阴生植物与阳生植物相比：
?以叶绿体而言, 阴生植物有较大的基粒, 基粒
片层数目多, 叶绿素含量高, 这样, 阴生植物
就能在较低的光照强度下充分地吸收光线
?阴生植物还适应与遮阴处的光的波长 。 阴生植
物经常处于漫射光中, 漫射光中的较短波长占
优势, 而 chla在红光部分的吸收带偏向于长波
长方面, chlb 在蓝紫光部分的吸收带较宽；阴
生植物的 chlb多, 阴生植物能强烈的利用蓝紫
光, 而适应在遮阴处生长
?2,类胡萝卜素 carotenoid,分为
?胡萝卜素 carotene
?叶 黄 素 xanthophylls,又 叫 胡 萝 卜 醇
carotenol
?不溶于水, 溶于有机溶剂
?功能：收集光能
?3,藻胆素 phycobilin
Beer's Law
? The absorbance of a sample can be related
to the concentration of the absorbing species
through Beer's law,
?A = ε c l
c is concentration
l is the length of the light path,usually 1 cm
ε is a proportionality constant known as the
molar extinction coefficient
? Chlorophylls typically have an ε value
of about 100,000 L mol–1 cm–1.
? When more than one component of a
complex mixture absorbs at a given
wavelength,the absorbances due to the
individual components are generally
additive.
The Spectrophotometer
?The Spectrophotometer分光光度计
Schematic diagram of a spectrophotometer
?The instrument consists of a light
source,a monochromator that contains
a wavelength selection device such as a
prism,a sample holder,a photodetector,
and a recorder or computer,
spectrum光谱
?The output wavelength of the
monochromator can be changed by
rotation of the prism; the graph of
absorbance versus wavelength is called
a spectrum光谱,
Action Spectra
?An action spectrum（动态范围） is a
graph of the magnitude of the biological
effect observed as a function of
wavelength（ 研究不同波长的生物学效
应）
?Examples of effects measured by action
spectra are oxygen evolution（氧气的释
放）
An action spectrum compared to an absorption spectrum
?An action spectrum is measured by
plotting （ 测绘 ） a response to light
such as oxygen evolution,as a function
of wavelength,If the pigments used to
obtain the absorption spectrum are the
same as those that cause the response,
the absorption and action spectra will
match,
?In the example shown here,the action
spectrum for oxygen evolution matches
the absorption spectrum of intact
chloroplasts quite well,indicating that
light absorption by the chlorophylls
mediates oxygen evolution,
?Discrepancies（差异） are found in the
region of carotenoid类胡萝卜素
absorption,from 450 to 550 nm,
indicating that energy transfer from
carotenoids to chlorophylls is not as
effective as energy transfer between
chlorophylls.
?Some of the first action spectra were
measured by T,W,Engelmann in the
late 1800s
Schematic diagram of the action spectrum measurements
? T,W,Engelmann projected a spectrum of
light onto the spiral（螺旋的） chloroplast of
the filamentous green alga（丝状绿藻）
Spirogyra and observed that oxygen-seeking
bacteria introduced into the system collected
in the region of the spectrum where
chlorophyll pigments absorb,
? This action spectrum gave the first indication
of the effectiveness of light absorbed by
accessory pigments in driving photosynthesis.
?Chl定量测定, 640-660nm
?721.751.752分光光度计
?T透光度 D光密度
?Arnon公式：
?Ca=12.7D663— 2.69D643 kg/L
?Cb=22,9D645— 4.68D663 kg/L
对一般正常植物叶片采取此公式
?1987年； Lichteathorler进行了校正
?Ca=12.21D663-2.81D646
?Cb=20.13D646-5.03D663
?Cx+c=1000D470-3.27Ca-104Cb
?
?
x+c:胡萝卜素和叶黄素
229
叶绿素的光学特性
?光的能量与波长成反比
?太阳到地表的光是 300-2000nm
?可见光区,390-770nm
?640-660nm：红光部分
?430-450nm：蓝紫光部分
?不吸收绿光, 因此叶绿素的溶液为绿色
激发的叶绿素分子可以通过三种方式
放出能量
?叶绿素分子可被光所激发
?① chl*→chl→+热 （ 无辐射内转换 ）
?② chl*→chl+hv（ 荧光或磷光发射 ）
?③ chl1*+chl2→chl+chl2*（ 诱导共振 ）
荧光现象和磷光现象
?见书
诱导共振与激发能的传递：
?一个色素分子吸收光被激发之后, 其中
高能电子的振动可以引起附近某个电子
的振动, 当第二个分子电子振动被诱导
起来时, 就发生了电子能量的传递 。 激
发传递完毕之后, 第一个分子中原来被
激发的电子就停止振动, 第二个分子被
诱导振动的电子变为激发状态 。
?共振传递速度 很快, 从光能吸收到原初
电荷分离涉及的时间尺度 10-15～ 10-7s
?能量传递效率 很高, 在叶绿素分子之间,
95— 99%可将光能量 →光反应中心 。
?类胡萝卜素传递光能的效率低些 。
?被吸收的光能通过诱导共振传递到反应
中心, 是一个纯粹的物理过程, 而不是
光子本身被转移 。
叶绿素的人工合成
?中间产物,S-氨荃乙酰丙酸 ALA
?叶绿素首先合成 chla，再变成 chl b
?正常的叶片
?chl：类胡萝卜素 =3:1
? cha,chlb=3:1
?注意阴生与阳生植物的区别
? 叶黄素：胡萝卜素 =2,1
叶子的叶色
?在秋天, chl首先降解, 叶片变黄
?糖份积累, 使花青素合成, 使叶片成为
红色
?莲米里的子叶是绿色, 表明叶绿素合成
可以不需要光
?但大部份叶绿素的合成需要光；
?光与植物的形态建成有关, 黄化植物的
口感嫩 。
叶绿素的合成条件
?1 光
?2 温度 合成叶绿素的最低温度 24度, 最
高温度 40度
?3 所需矿质元素,Mg N Fe Mn Cu Zn
Topic 7光合作用的机理
? light reaction:光反应
?光反应中仅色素吸收光需要光, 以后电
子传递和能量传递不需光
?dark reaction:暗反应 有些步骤需要光,
例 Rubisco等为光调解酶
?光合作用的研究对象是多方面的, 研究
对象的水平从分子的激发态发展到植物
群体
?研究的课题可从光的吸收延伸到生态学
?反应的时间可从飞秒一直跨越到世纪
皮秒飞秒 纳秒 微秒 毫秒 秒 小时 周 年 世纪
光吸收
原初反应
电子传递
放氧
C固定
生产力
生态学
物质合成
激
发
态
发
色
团
反
应
中
心
膜
叶
绿
体
叶
片
植
株
群
体
反
应
系
统
反应时间
三大步骤：
?三大步骤：
?1光能的吸收, 传递, 转换 （ 原初反应 )
?2 电子传递和光合磷酸化
?3 碳同化
一、原初反应
固定 1个 CO2需 8-10个光量子
?原初反应是光合作用中将光能转化成化
学能的起始过程, 也是光反应的起始过
程 。 它是生物将光能转变成化学能的最
初的重要反应过程 。
?原初反应速度非常快, 反应时间一般在飞秒
（ 10-15s） 到皮秒 （ 10-12s） 量级之间 。
?主要包括光能的吸收, 激发能的传递等光物理
过程和原初光化学反应等步骤, 是有关色素吸
收太阳光能所引起的光物理和光化学反应 。
?它甚至可以在 低温 下进行 。 由于反应迅速, 从
其他途径 消耗的 能量少, 效率很高 。
?研究原初反应所涉及的知识面较广，表
现了生物学、化学、物理学等一级学科
间或生物学本领域内学科的相互渗透和
交叉。
?定义：必须掌握
?光合作用单位：见书
?最终电子供体 doner：水
?原终电子受体 acceptor,NADP
红降现象
?红降现象, 波长大于 680（ 685） nm时
的远红外光照射时，量子产额大量下降
?量子产额 quantum yield：吸收一个光量
子后释放氧分子或固定一个 CO2的数目,
?量子需要量,是量子产额的倒数
?1个光量子产额是 1/10,即吸收一个光量
子, 所释放的氧分子为 1/10
双光增益效应
?双光增益效应：在远红外光区 （ 大于 685nm）,
补充红光, 则量子产额大增, 又叫爱默生效应,
比这两个波长的光单独照射的总和还多
? 1961荷兰 Duysens 提出双系统概论
?高等植物和藻类有两个系统, PSII,即 P680；
PSI,即 P700
?光合细菌只有一个光系统, 不放 O2光合细菌,
类从于高等植物的 PSI
二、电子和质子的传递
?见书
传递电子和质子的复合体：
?PSI
?PSII
?Cytb6/f
?ATP 合成酶
1 光系统 Ⅱ （ PSII）
?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，和主要
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
?② 由两个 32kD多肽组成的 DI-D2蛋白，
其中包括原初电子供体 YZ；中心色素
P680；原初电子受体 Pheo； QA； QB和
铁原子，构成反应中心的电子传递链。
?在高等植物中现已能提纯到仅含 D1－ D2
多肽并具有光化学电荷分离活性的最基
本结构组分。
?③ 由 33,23及 17kD三种外周多肽以及与
放氧有关的锰簇和氯与钙离子组成的水
氧化放氧系统。
?高等植物 PSⅡ 反应中心的 D1－ D2多肽与
紫细菌反应中心的 L及 M多肽相比较，不
仅在氨基酸顺序上有很大的同源性，而
且分子结构上也很相似。
?与 D1-D2多肽相紧密结合的 9KD（ a）和
4KD（ ?）两个多肽构成细胞色素 b-559。
其功能不甚清楚，推测可能参与围 PSⅡ
的循环电子传递
2 细胞色素 b/f复合体
?它是由 4个多肽组成，即细胞色素 f，细
胞色素 b6,Rieske铁硫蛋白和一个功能
尚未知的 17KD多肽。电子传递的顺序是
PQH2→FeSr→Cytf→PC
3 光系统 I
?PSI反应中心复合体由反应中心 P700，
电子受体和捕光天线三部分组成
三、电子质子传递的途径
H2O的氧化
?2H2O→O2↑+4H++4e-在 PSII进行
?PSII运转一次, 只能获取一个电子, 要
完成此方程式, 则可能；
?① 4个 PSII反应中心同时运转
?②每个 PSII独立运转，依次获取 4个电子，
以某种机制积累 4个正电荷，然后一次用
于水的氧化
?法国, Pierre Joliot 闪光实验
?1,叶绿体的暗适应
?2,给予一系列闪光照射, 每一次闪光是
5— 10us,间隙 500ms
?1970,KOK钟：水氧化钟模型
?放氧复合体 OEC每次闪光后, 积累一个
正电荷直到积累 4个正电荷, 一次性地氧
化 2H2O, 从中得到 4个电子 。
?按氧化程度的不同, 把不同状态的 OEC
分为 S0（ 不带电荷 ）, S1+,S2++, S33+,
S44+
?每一次闪光把 OEC往前推一步, 最后到
S44+,把水光解后, S44+→S0
?S0 S1是稳定状态, S2和 S3在黑暗里将回
到 S1,S4是不稳定的 。 叶绿体经过暗适
应后, 3/4的 OEC处于 S1状态 所以第三
次闪光处于最高峰,
?见书
量子需要量的计算
? PSI 的 P700与 PSII的 P680从基态变到为激发态,
将电子传递给原初电子受体一脱镁叶绿素和 A2
?失去电子的 P680与 P700分别又从原初电子供体
获得电子, 即从 Z和 PC获得电子, 最终通过水
氧化钟模型, 将水分解成质子, 电子, 氧气
? P700 从 PC 获得电子, 最终推动了电子从
PS→cytb/f的传递,
?此传递是非闭合的, 从水 →NADP的电子
传递为非循环式电子传递, 每传递一个
电子, 需要二次光的驱动, 需要 PSI、
PSII的密切配合 。 即传递一个电子需要
两个光子 。 释放一个 O2需要 4个电子的驱
动, 则需要 8个光量子 。
?一般将量子需要量为 10（ 8— 12）
?见书：
?循环式电子传递
?非循环式电子传递
四 光合磷酸化
?循环式光合磷酸化
?非循环式光合磷酸化
?Mitchell 1953年提出化学渗透模型 1978
年获得诺贝尔奖
?H.Fischer 确定叶绿素的分子结构 1930
年获得诺贝尔奖
?R.B.Woodwood 人工合成叶绿素, 1965
年获得诺贝尔奖
?Melvin Calvin 碳同化的途径 1961年获得
诺贝尔奖
Topic8 How the Calvin Cycle Was
Elucidated
?The elucidation of the Calvin cycle was
the result of a series of elegant
experiments by Melvin Calvin and his
colleagues in the 1950s,for which a
Nobel prize was awarded in 1961
?the unicellular eukaryotic green alga
Chlorella
?The Calvin cycle is also referred to as
the reductive pentose phosphate cycle还
原戊糖磷酸途径
? photosynthetic carbon reduction cycle
光合碳还原循环
?1 they exposed the algal cells to constant
conditions of light and CO2 to establish
steady-state photosynthesis,
?2 they added radioactive 14CO2 for a
brief period to label the intermediates
中间体 of the cycle.
? 3 They then killed the cells and inactivated
their enzymes by plunging the suspension
into boiling alcohol酒精,
? 4 They separated the 14C-labeled compounds
from one another and identified them by their
positions on two-dimensional paper
chromatograms纸层析
? The time intervals shown in the figures
indicate the length of exposure to the
radiolabel,
? At the indicated time intervals,the reaction
was terminated,by plunging of the contents
into boiling alcohol,
? The labeled compounds in the cell
homogenates were then separated by paper
chromatography,The heavy labeling of 3-
phosphoglycerate (PGA) after the shorter
exposure indicates that it is the first stable
intermediate of the Calvin cycle,
?Therefore,the other labeled sugar
phosphates must be derived from a
subsequent reduction of 3-
phosphoglycerate
?To deduce the path of carbon,it was
necessary to determine the distribution
of 14C in each of the labeled sugars.,
?After a brief exposure to l4CO2,
individual intermediates were isolated
and chemically degraded so that the
amount of 14C in each carbon atom
could be determined,
?The results showed that 3-
phosphoglycerate was initially labeled
predominantly in the carboxyl group,
?This finding suggested that the initial
CO2 acceptor was a two-carbon
compound,and it prompted a long and
futile(无用的 ） search for such a
compound,
?The subsequent discovery that pentose
monophosphates （戊糖单磷酸） and a
pentose bisphosphate (ribulose)戊糖二
磷酸 participate in the cycle raised the
possibility that the initial CO2 acceptor
was a five-carbon compound,
?This conceptual breakthrough突破
rapidly led to the identification of
ribulose-1,5-bisphosphate as the CO2
acceptor and to the formulation of the
complete cycle,
?The operation of the cycle explained the
14C-labeling pattern of the other
intermediates
Demonstration
?To demonstrate conclusively that a
metabolic pathway exists,it is necessary
to prove that the postulated假定
enzymes catalyze the proposed
reactions in the test tube,
?Ideally,the rates of these enzyme
reactions (in vitro离体 ) should be equal
to or in excess of those observed in the
intact cell (in vivo体内 ).
? However,this evidence can be used
only to support a proposed pathway,
Failure to demonstrate a reaction in
vitro does not prove that the reaction
does not occur
?All of the reactions of the Calvin cycle
have been demonstrated in vitro,With
one exception,the in vitro rates of
enzymatic activity are well in excess of
the maximal observed rates of
photosynthesis,
?That exception is rubisco,which,when
assayed under the levels of CO2 and O2
in air,shows barely enough in vitro
activity to account for the observed rate
of photosynthesis in air,
Topic 9 Rubisco,A Model Enzyme for
Studying Structure and Function
?With the exception of the carbon fixed
by a some prokaryotic organisms,most
of the carbon fixed on Earth is
processed by the Calvin cycle,
?The concentration of rubisco,the
carboxylating enzyme of the Calvin cycle,
is generally high,
?For example,it accounts for 50% or
more of the total protein in plant leaves,
and its concentration within
chloroplasts is extremely high (ca,0.2
g/ml).
?Rubisco occurs in two functionally
analogous forms,having different
structure,distribution,and O2
sensitivity,
Enzyme structure
?chloroplasts from high plants and many
photosynthetic bacteria contain a form
of the form I structure
? made up of eight large (L) catalytic
subunits (about 55 kDa each) and eight
small (S) subunits (about 14 kDa each)
? giving a molecular mass of about 560
kDa for the complete protein (L8S8),
?The 8 L subunits of form I are arranged
as an octameric八聚体 core surrounded
by two layers of four S subunits,with
each layer located on opposite sides of
the molecule
?A model for the structure of rubisco in
chloroplasts from higher plants,
?Small subunits are shown in red (only
four of the small subunits are seen),
large subunits are shown in blue and
green,in order to show the boundaries
of the dimers,
?Form II of rubisco is found in some
photosynthetic purple nonsulfur
bacteria紫色非硫细菌,and it is
composed of two L subunits,each 50
kDa,Eukaryotic algal dinoflagellates
（ 腰鞭毛虫，单细胞原生生物） also use
a dimeric enzyme of proteobacterial
ancestry,
Enzyme Specificity
?Besides its carboxylation reaction,
rubisco also reacts with O2,leading to
photorespiration光呼吸,an apparently
wasteful reaction that lowers the
efficiency of carbon incorporation to
organic compounds
Photorespiration
光呼吸
?植物的 绿色 cell依赖光照, 放出 co2和吸
收 o2的过程, 称为光呼吸 。 又叫 C2环
?与普通的呼吸 respiration不一样
?光呼吸氧化的底物是 glycolate乙醇酸
?见书
?Several studies have shown that,as with
the Calvin cycle,the enzymes of the C2
oxidative photosynthetic carbon cycle
catalyze all the proposed reactions in
vitro at rates higher than the in vivo rate
of photorespiration,
? In addition,the participating enzymes are
? localized in the choroplast (rubisco,
phosphoglycolate phosphatase,glycerate
kinase),
? the peroxisome 过氧化物体 (glycolate oxidase,
catalase,hydroxypyruvate reductase,and the
two aminotransferases)
? the mitochondrion线粒体 (glycine
decarboxylase and serine
hydroxymethyltransferase)
?Since CO2 and O2 are competing
substrates for rubisco,the carboxylation
depends on the environmental ratio CO2
/ O2 and an intrinsic内在的 feature of
the enzyme
Biosynthesis and Assembling
?The genes that code for the small (rbcS)
and the large (rbcL) subunit of rubisco
are critical to the functioning of
autotrophic cells,
?In contrast to prokaryotes,in which
gene expression and protein
biosynthesis take place in the same
cellular compartment (cytosol),rubisco
of most eukaryotic organisms is
assembled by the coordinate action of
multiple biochemical processes which
might require the participation of
several cellular compartments,
? The light-mediated modulation of rbcS
expression in the nucleus of plants
(Metaphyte多细胞植物 ) and green algae
(Chlorophyte) produces a precursor
polypeptide on cytosolic ribosomes,
? Translocation across the chloroplast envelope
removes the N-terminal plastid-targeting
peptide,and releases the mature form in the
stroma of chloroplasts,
?On the other hand,the chloroplast
genome of plants and green algae
encodes rbcL,so the biosynthesis of the
large subunit occurs entirely on
chloroplast ribosomes,
?The assembly of rubisco from its
constituent subunits takes place in the
chloroplast
? Not all photosynthetic organisms have the
same rubisco genes,Genes encoding both the
large and the small rubisco subunits occur in
chloroplasts of brown (Chromophyte) and red
(Rhodophyte) algae.
? On the other hand,dinoflagellates lack rbcS
because they only have the form II of the
enzyme in their chloroplasts and,more
important,rbcL resides entirely in the nuclear
genome,
?Genes encoding chloroplast proteins in
the nuclear DNA of some
photosynthetic eukaryotes have another
interesting feature.
? The rbcS genes of plants and green algae
encode a precursor that comprises only one
copy of the mature protein,but the rbcS of
the protist Euglena gracilis and the nuclear
rbcL of dinoflagellates code for polypeptides
that contain eight and three copies,
respectively,of the mature protein,The
subsequent proteolytic processing of these
precursors at the chloroplast envelope
ensures the assembly of the functional
enzyme in the stroma
?Special proteins that modulate protein
folding assist the formation of the L8S8
type of rubisco in a process that uses
ATP,These proteins,called chaperonins
陪伴蛋白,modify the noncovalent
interactions of target proteins and bring
about the active conformation of the
enzyme,Several different chaperonins
promote the assembly of both subunits,
