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1、第二节 二氧化碳固定,1945年美国的Calvin M等人利用单细胞小球藻作为实验材料，应用14C示踪技术和双向纸层析法，经过十年的研究揭示了光合作用暗反应阶段碳素同化及受体再生的循环途径，因此称为卡尔文循环（Calvin Benson cycle）。,由于途径中的最初产物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），故也称作C3途径。,10.1.3 卡尔文循环（C3途径）,10.1.3.1 CO2的固定,整个循环可分为三个阶段：(1) CO2固定,CO2的固定（CO2 fixation），即游离的CO2经酶促反应转变为有机物分子中的羧基,也称作CO2的羧化（carboxylation）。 CO2的受体是核
2、酮糖-1,5-二磷酸（ribulose-1,5-bisphosphate，RuBP），催化此反应的酶是核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose-1, 5-bisphosphate carboxylase / oxygenase，Rubisco）。,10.1.3.1 CO2的固定,整个循环可分为三个阶段：(1) CO2固定,上述反应在夜间或黑暗条件下受阻,10.1.3.1 CO2的固定,Rubisco活性中心受CO2和Mg2+以及ATP的活化。酶的最适pH8。已知底物RuBP与Rubisco结合较牢，反而降低了羧化反应的速度，在Rubisco激活酶（Rubisco activas
3、e）的调节下，可以促进RuBP的释放，活化了Rubisco。活化过程 中Rubisco激活酶需要ATP，因ATP来自于光反应，所以光是Rubisco的间接激活剂。,这一阶段包括两步反应：（1）在磷酸甘油酸激酶催化下，发生高能键的转移，产生1，3-二磷酸甘油酸（BPG）；（2）在磷酸甘油醛脱氢酶的催化下，还原产生3-磷酸甘油醛（G3P）。第二步酶是光调节酶。反应中消耗的ATP和NADPH来自于前面介绍的光合作用光反应所产生的化学能和还原力。,10.1.3.2 羧化产物的还原,在磷酸丙糖异构酶的催化下，3-磷酸甘油醛（G3P）异构为磷酸二羟丙酮（DHAP）；接着在醛缩酶的催化下，缩合成果糖-1,
4、6-二磷酸（FBP）；然后在光调节酶：果糖-1, 6-二磷酸酶（fructose -1,6-bisphosphatase, FBPase）的催化下，水解去掉一个磷酸基团，变为果糖-6-磷酸（F6P）；再经磷酸葡萄糖异构酶催化，就变为葡糖-6-磷酸（G6P）,10.1.3.3 受体的再生,10.1.3.3 受体的再生,磷酸丙糖是代谢中的一个转折点，除了参与卡尔文循环中的反应外，还有其它去路： 转化为淀粉，作为植物贮存形式备用； 外运到细胞质中先形成蔗糖，再转移到植物生长的区域； 在发育的叶片中，相当一部分磷酸丙糖转移到细胞质，进入糖酵解、TCA循环等途径为生物供能。,10.1.3.3 受体的再生
5、,10.1.3.3 受体的再生,醛缩酶还可将上述反应产生的4-磷酸赤藓糖与磷酸二羟丙酮缩合，形成七碳糖：景天庚酮糖-1, 7-二磷酸（SBP）。在景天庚酮糖二磷酸酶（sedoheptulose bisphosphatase，SBPase）的作用下，SBP被水解，去除一个磷酰基，成为景天庚酮糖-7-磷酸（S7P）。此水解酶是光调节酶，也是植物中特有的酶,10.1.3.3 受体的再生,10.1.3.3 受体的再生,10.1.3.3 受体的再生,转羟乙醛酶还可以催化酮糖供体“景天庚酮糖-7-磷酸”将羟乙醛基转移给醛糖受体“3-磷酸甘油醛”，产生5-磷酸核糖（R5P）和5-磷酸木酮糖（Xu5P）。,1
6、0.1.3.3 受体的再生,再经两种异构酶催化，可发生五碳糖的转变，其共同的目标是形成5-磷酸核酮糖（Ru5P）。Xu5P经磷酸核酮糖差向异构酶催化，C3上羟基位置的改变，就可以变成Ru5P 。,10.1.3.3 受体的再生,R5P经磷酸核糖异构酶催化，醛糖就可以变成酮糖Ru5P,10.1.3.3 受体的再生,最后在磷酸核酮糖激酶（phosphoribulose kinase）催化下, 消耗1ATP, 产生1, 5-二磷酸核酮糖（RuBP），完成了受体的再生。, Rubisco*； 磷酸甘油酸激酶； 磷酸甘油醛脱氢酶*； 磷酸丙糖异构酶； 醛缩酶； FBPase*； 磷酸葡糖异构酶； 磷酸葡糖
7、酶； 转羟乙醛酶； 醛缩酶； SBPase*； 转羟乙醛酶； 磷酸核酮糖差向异构酶； 磷酸核糖异构酶； 磷酸核酮糖激酶*,10.1.3.3 受体的再生,总反应式,光合作用的卡尔文循环中，每同化一分子CO2，需要消耗三分子ATP和二分子的NADPH。,或,在这样的弱碱性条件下，Rubisco，磷酸甘油醛脱氢酶，FBPase，SBPase，磷酸核酮糖激酶这些卡尔文循环关键酶均有激活作用,10.1.3.4 卡尔文循环调节（C3途径）,C4途径是一种在光合作用中与卡尔文循环有一定联系的辅助途径。该途径的作用是固定、浓缩和转运CO2到C3途径所在的维管束鞘细胞中，使其中的CO2浓度升高，提高其光合作用速
8、率。因CO2固定最初产物是四碳二羧酸，固称为C4途径。通过C4途径固定、同化CO2的植物，简称为C4植物，如玉米、甘蔗、高粱、苋菜、狼尾草、黍等。,10.1.4 C4 途径,C3植物与C4植物光合作用的差异在于暗反应阶段：C3植物的CO2固定及碳素同化途径均在叶肉细胞的叶绿体中进行。C4植物的CO2固定先在靠近叶表面的叶肉细胞中进行，然后经C4途径的四碳二羧酸的转移，把CO2运输到叶片内部维管束鞘细胞的叶绿体中，再进行卡尔文循环。可见C4植物碳同化过程应包括C4途径和C3途径。,10.1.4.1 C4途径与C3途径的关系,10.1.4.1 C4途径与C3途径的关系,C4途径将CO2和Rubis
9、co 从氧含量较高的叶片表面转移到氧浓度较低的内部维管束鞘细胞之中，再进行CO2的固定反应。其转移的目的是避免 Rubisco 发生另一种浪费资源的加氧反应。热带禾本科植物采用C4途径的原因之一是克服了高温条件下CO2和Rubisco的亲和力的下降。,10.1.4.1 C4途径与C3途径的关系,C4途径CO2的最初受体是一种三碳化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），在PEP羧化酶催化下，固定CO2，生成草酰乙酸（OAA）,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,这个反应在叶肉细胞质中进行。PEP羧化酶对CO2的亲和力很强，其Km7 mol/L，而此时的Rubisco的Km450 mol/L。
10、PEP羧化酶从高O2低CO2的叶肉中固定CO2，为CO2的转移、同化奠定了基础。PEP羧化酶是一种调节酶，被CO2固定的反应产物OAA所抑制，受EMP途径中的葡萄糖-6-磷酸（G6P）的活化。该酶遇到光也活化，视作光合作用的酶。,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,在叶肉细胞的叶绿体中，经NADP-苹果酸脱氢酶催化，转变为苹果酸。,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,在叶肉细胞质内，由谷草转氨酶催化，转变为天冬氨酸,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,上述苹果酸或天冬氨酸均能够从叶肉细胞转移到维管束鞘细胞中。这些四碳二羧酸起着CO2携带体的作用。 在维管束鞘细胞中，它们
11、发生脱羧反应，放出CO2，以利于CO2进入卡尔文循环，再参与糖的合成。脱羧反应因植物不同；也相应有差异，主要有三种形式：,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,在维管束鞘细胞的叶绿体中，经NADP-苹果酸酶催化，氧化脱羧变为丙酮酸。属于这类的植物是玉米、甘蔗、高粱等。,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,在维管束鞘线粒体中，经NAD-苹果酸酶作用，氧化脱羧，形成丙酮酸。,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,脱羧后，形成的丙酮酸先经转氨酶作用变为丙氨酸，从维管束鞘细胞转移到叶肉细胞的叶绿体中，再经转氨酶作用又转变回丙酮酸，然后通过丙酮酸磷酸双激酶（pyruvate phos
12、phate dikinase）的催化才转变成PEP，完成C4途径受体的再生。,10.1.4.2 C4途径中主要的酶促反应,葡萄糖异生作用（gluconeogenesis）是指以非糖有机物作为前体合成为葡萄糖的过程。这是植物、动物体内一种重要的单糖合成途径。非糖物质包括乳酸、丙酮酸、甘油、草酰乙酸、乙酰CoA以及生糖氨基酸（如丙氨酸）等。 植物果实成熟期间，有机酸含量下降，糖份含量增加，就是葡糖异生作用的结果。动物机体内葡萄糖异生作用是必不可少的。它对维持血糖浓度的恒定，为大脑、肌肉、眼晶状体、中枢神经系统等组织利用葡糖分解供能提供了保障。,10. 2 糖异生作用,葡萄糖异生途径几乎是EMP途径
13、的逆转，但要绕过EMP途径三处不可逆反应，采用葡萄糖异生作用特有的酶催化、转移，才能完成非糖有机物合成为葡萄糖的过程。葡萄糖异生途径三处迂回路径是:,10.2.1 葡萄糖异生途径,(1) 丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸,10.2.1 葡萄糖异生途径,(2) 果糖 1, 6 -二磷酸 果糖- 6-磷酸,10.2.1 葡萄糖异生途径,(3) 葡萄糖-6-磷酸 葡萄糖,10.2.1 葡萄糖异生途径,10.3.1 糖核苷酸的作用,10. 3 蔗糖和多糖的生物合成,在高等植物、动物体内，游离的单糖不能参与双糖和多糖的合成反应，延长反应中提供的单糖基必须是活化的糖供体，这种活化的糖是一类糖核苷酸，即糖与核苷酸结合
14、的化合物。糖核苷酸的作用是作为双糖或多糖，甚至是糖蛋白等复合糖合成过程中参与延长单糖基的活化形式或供体。最早发现的糖核苷酸是尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose, UDPG）,10. 3 蔗糖和多糖的生物合成,UDPG结构式,10. 3 蔗糖和多糖的生物合成,UDPG 合成反应,10. 3.2 蔗糖的生物合成,该途径存在于光合组织的细胞质中。被认为是植物合成蔗糖的主要途径。磷酸蔗糖合酶（sucrose phosphate synthase）属于转移酶类。它利用UDPG作为葡萄糖的供体，以F6P为葡萄糖的受体，反应产物是蔗糖-6-磷酸；再通过磷酸蔗糖酶水解，脱
15、去磷酸基团而生成蔗糖。,(1) 磷酸蔗糖合酶途径,(1) 磷酸蔗糖合酶途径,10. 3.2 蔗糖的生物合成,在非光合组织中蔗糖合酶（sucrose synthase）活性较高。蔗糖合酶也属于转移酶类，可催化糖基转移。,(2) 蔗糖合酶途径,10. 3.3 淀粉和糖原的生物合成, 淀粉合酶（starch synthase）,10.3.3.1 直链淀粉的生物合成,式中；引物的n3；活化的葡糖基从引物的非还原端延长；淀粉合酶催化连接的键是-1，4糖苷键。,10. 3.3 淀粉和糖原的生物合成, D酶,10.3.3.1 直链淀粉的生物合成,D酶是一种糖苷基转移酶，作用的键是-1，4糖苷键；转移的基团主要是麦芽糖残基；催化的底物可以是葡萄糖、麦芽多糖；起着加成反应作用。故有人称之为加成酶。D酶的存在，有利于葡萄糖转变为麦芽多糖，为直链淀粉延长反应提供了必要的引物。,10. 3.3 淀粉和糖原的生物合成, 蔗糖转化为淀粉,10.3.3.1 直链淀粉的生物合成,10. 3.3 淀粉和糖原的生物合成, 蔗糖转化为淀粉,10.3.3.1 直链淀粉的生物合成,
