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1、高级植物生理学,讲授内容： 光合作用 呼吸作用 主讲老师：彭新湘 生命科学学院分子植物生理研究室 生命科学大楼北511# 联系电话：85282023,85281870 Email: ,参考资料,植物生理学潘瑞炽等，2007，第五版 Plant Physiology, Taiz & Zeiger, 2009, 4th edition 植物生理学报中相关综述文章 Annual Review of Plant Biology相关文章 网络相关文章,考试方式与成绩： 1、4-15周上课； 2、平时成绩占30%：包括17-18周进行的课堂讨论成绩，课堂互动成绩，课堂考勤几率等； 3、期终考试成绩占70%
2、 : 笔试，开卷，每道题可二选一。,光合作用（Photosynthesis),基本问题： 何谓光合作用？ 光合作用的意义？,光合作用被诺贝尔奖基金委员会评价为“地球上最重要的化学反应”，它也是地球上一切生命生存和发展的基础。 到目前为止，共有8次诺贝尔奖的桂冠被从事光合作用研究的科学家所摘取。,光合作用研究具有重大的学术及应用价值,植物光能利用效率潜力分析,当今光合作用的研究热点与难点？,一、光合电子传递链与光合磷酸化,光合电子传递链（ “Z 链”模式）,光反应中4大蛋白复合体 i.e. PSII复合体、细胞色素b/f复合体、PSI复合体和ATP酶复合体,定位于叶绿体类囊体膜上的电子传递体,4
3、 大复合体在膜上的不均匀分布：PSII主要分布在基粒片层，PSI和ATP合酶复合体主要分布在间质片层，细色素b/f则均匀分布在整个类囊体膜上。,结构与功能的关系,1、光系统II的结构与功能,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； (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； (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
4、。,光系统II的水裂解放氧功能,* 氧释放动力学：光合放氧的周期现象（闪光实验）,在黑暗中适应后的叶绿体经过第一、二次闪光处理，几乎无O2释放；闪到第三次，放O2最多；第四次次之，以后逐渐下降并稳定在一个恒定值。,经暗适应后的叶绿体主要处于S1态。经三次闪光后转变为S4态，随后作为强氧化剂将水氧化形成氧气。若继续不断闪光下去，因为会出现“错漏”、“双激”和“弛豫”等原因，以致逐步趋于一个适中的稳定值。,Kok等（1970）提出5个S状态循环的放氧复合体（OEC）需要4个氧化当量（失去4个电子，积累4个正电荷才能把水分子氧化裂解并放氧。,放氧机理： 氧化钟模型,2、细胞色素b/f复合体的结构与功
5、能,结构：细胞色素b/f复合体是类囊体膜上可分离的一种多亚基膜蛋白。由7个多肽组成，即细胞色素f，细胞色素b6，Rieske铁硫蛋白，另有4个功能尚未知的多肽subunitIV, PetG, PetL, PetM,一个Q循环的净反应结果：,PQH2 + 2PCox + 2H+stroma PQ + 2PCred + 4H+lumen,细胞色素b/f复合体的质子泵功能,PQ接受来自PSII的电子，通过双还原结合了个膜外质子形成PQH2，PQH2将个电子中的第一个传给铁硫中心 R FeS，然后到Cytf再向PC传递（主路）。与此同时，PQH2又将第二个电子交给Cytb6的低电位型血红素(bl)同时
6、释放个质子到类囊体腔内。 bl通过细胞色素b6上的高电位型血红素bh，将电子转移到PQ。,Q循环 （第一次）,经过次循环后，PQ二次被还原。双还原的PQ又从膜外结合个质子，并将其跨膜转移至类囊体腔内。,Q循环 （第二次）,H+,3.光系统I的结构与功能,PSI反应中心复合体由反应中心色素P700，电子受体和捕光天线三大部分组成。它们都结合在蛋白亚基上。,复合体由大亚基和许多小亚基组成： PSI-A和PSI-B两个大亚基，是由叶绿体基因编码的分子量分别为83kD和82kD的两个多肽。反应中心色素700，原初电子受体Ao, A1, Fx都存在在此大亚基之中； 小亚基PSI-C也是由叶绿体基因编码的
7、9kD的多肽，它也是铁硫中心FA和FB的所在部位； PSI的电子供体PC和电子受体Fd通过特殊蛋白的亚基的静电引力与PSI反应中心相连接； 由核基因编码的PSI-F小亚基作为PC与PSI的连接物； 由核基因编码的PSI-D和PSI-E两个小亚基作为Fd与PSI的连接物； 其他一些小亚基的功能尚不清楚 捕光天线由不同的捕光色素蛋白复合体LHCI组成。,PSI生产还原力的功能 形成还原型ferredoxin和NADPH,以用于光合碳循环和其它代谢反应所需（如硝酸还原，氨的同化等）。,Worlds smallest rotary motor,酶由两部分组成：跨膜区CFo和暴露在基质中的亲水区叫CF1
8、。CFo负责把质子跨膜运至质酶的催化部位CF1，CF1则负责由ADP形成ATP; 该酶的分子量为400kDa, 含9个不同的亚基。,4、 ATP合酶复合体的结构与功能,Lumen inside,Lumen outside,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 subu
9、nit 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,Evidences: The three catalytic subunits differ in their conformation and in nucleotide
10、 bound to them; The subunit is inserted like a shaft through the center of the catalytic complex (3+3); The interface between the subunit and the and subunits is highly hydrophobic.,酶的作用机理：构象（结合）变化模型 （The binding-change model）,Three important components: (1) the major energy-requiring step is not th
11、e synthesis of ATP, but the release of ATP from the enzyme; (2)substrate is bound and products are released at three separate but interacting catalytic sites, corresponding to the three catalytic subunits (b subunits). Each catalytic site can exist in one of three conformations: tight, loose and ope
12、n; (3) proton transport g rotation binding change, i. e. the binding change is driven by proton transport via the rotation.,Rotation of the g subunit and the ring of c subunits in the FoF1 complex was directly observed by in vitro studies using fluorescence microscopy,In vivo,In vitro,ATP合酶产生ATP的功能及
13、机理 在质子梯度驱动下进行ATP合成（化学渗透学说),亦具有水解ATP的活性。 pmf = 0.059 pH + ,非环式光合磷酸化 同时产生形成ATP与还原型ferredoxin和NADPH,以用于光合碳循环和其它代谢反应。,环式光合磷酸化 由PSI、Fdx-PQ氧化还原酶和Cytb6f共同参与完成，只产生ATP，不形成NADPH，以此调节ATP/NADPH的比例。,Stroma,Thylakoid,光合碳循环 （Calvin循环）,光合磷酸化（ATP&NADPH）,光合电子传递,光,驱动,驱动,驱动,Lollipop setup for elucidation of Calvin cycl
14、e,Dr. Melvin Calvin,诺贝尔奖获得者Dr. M. Calvin（ 1961.10）,The Calvin cycle,二、Rubisco的结构与功能,1.重要意义 被认为是提高光合速率的一个重要突破口； 也是生物界含量最为丰富的一种蛋白质。,核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶(Ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase).,Photorespiration,Photosynthesis,类型I （L8S8 ）：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
15、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，它们仅有28%同源性。然而它们之间在活性部位的一些氨基酸是保守的。,2. 亚基组成,2. 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聚体的两端各有一小亚基四聚体；每个小亚基陷窝大亚基之间的裂隙中。,3、Rubisco 的双功能催化反应,4. 酶活性的调控 Rubisco是世界上最“懒”的酶低催化效率和高丰度 酶的氨甲酰化作用 E(钝化）+ ACO2 E ACO2 (钝化) E ACO2 + Mg2+ E ACO2 Mg2+ (活化) 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。,RUBP,3-PGA,Rubisco 活化酶 如RuBP与首先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。Ru
