《第十一讲：碳的同化v备课讲稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十一讲：碳的同化v备课讲稿（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十一讲：碳碳 同同 化与光呼吸化与光呼吸 11-111-1：碳：碳 同同 化化11-2：光 呼 吸11-111-1碳碳 同同 化化植物利用光反应中形成的NADPH和ATP将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程，称为CO2同化或碳同化类囊体基质根据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类：C3途径、C4途径和CAM(景天科酸代谢)途径。1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术： (1)14C同位素标记与测定技术(可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的)； (2
2、)双向纸层析技术(能把光合产物分开)。 选用小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。 试验分以下几步进行：试验分以下几步进行：( (1)1)饲喂饲喂1414COCO2 2与定时取样与定时取样 向正在进行光合作用的藻液中注入14CO2使藻类与14CO2接触，每隔一定时间取样，并立即杀死。 H14CO3-+H14CO2+H2O 图 用来研究光合藻类CO2固定仪器的图解 (2)(2)浓缩样品与层析浓缩样品与层析 用甲醇将标记化合物提取出来，将样品浓缩后点样于层析纸上，进行双向纸层析，使光合产物分开 (3)(3)鉴定分
3、离物鉴定分离物 采用放射自显影技术，鉴定被14CO2标记的产物并测定其相对数量。 (4)(4)设计循环图设计循环图 根据被14C标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。根据图D所显示的结果，即短时间内(5秒，最终到0.5秒钟)14C标记物首先出现在3-磷酸甘油酸(PGA)上，说明PGA是光合作用的最初产物。 用纸层析和放射自显影技术追踪被14CO2标记的产物起先猜测CO2是与某一个2碳的片断结合生成3碳的PGA，然而情况并非如此。 当光下把CO2浓度突然降低，作为CO2受体的化合物会积累起来。这一化合物被发现是含有5个C的核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)，当它接受CO2后，分解为2个PGA
4、分子。 光合试验中RuBP与PGA相互转化经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从CO到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环或Calvin-Benson循环 。 由于这条途径中CO2固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也叫做C途径或C光合碳还原循环，并把只具有C途径的植物称为C植物。 此项研究的主持人卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。光合碳还原循环 代谢产物名：RuBP.核酮糖1,5二磷酸； PGA.3-磷酸甘油酸； BPGA.1，3二磷酸甘油酸； GAP.甘油醛-3-磷酸； DHAP.二羟丙酮磷酸； FBP.果糖-1，6-二
5、磷酸； F6P.果糖-6-磷酸； E4P.赤藓糖-4-磷酸； SBP.景天庚酮糖-1,7-二磷酸； S7P.景天庚酮糖-7-磷酸； R5P.核糖-5-磷酸； Xu5P.木酮糖-5-磷酸； Ru5P.核酮糖-5-磷酸； G6P.葡萄糖-6-磷酸； TPP.硫胺焦磷酸； TPP-C2.TPP羟基乙醛参与反应的酶：(1)核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)； (2)3-磷酸甘油酸激酶(PGAK)； (3)NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶； (4)丙糖磷酸异构酶； (5)(8)醛缩酶； (6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)； (7)(10)(12)转酮酶； (9)景天庚酮糖1，7
6、-二磷酸(酯)酶(SBPase)； (11)核酮糖-5-磷酸表异构酶； (13)核糖-5-磷酸异构酶； (14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)(一) C途径的反应过程C途径是光合碳代谢中最基本的循环，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途径。 1.过过程 整个循环如图所示，由RuBP开始至RuBP再生结束，共有14步反应，均在叶绿体的基质中进行。 全过程分为羧化、还原、再羧化、还原、再生生3 3个阶段。一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP(1) 羧化阶段指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应过程。 以固定3分子CO2为例： 3RuBP+3CO2+
7、3H2O Rubisco 6PGA + 6H+ 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)具有双重功能，既能使RuBP与CO2起羧化反应，推动C3碳循环，又能使RuBP与O2起加氧反应而引起C2氧化循环即光呼吸。 羧化阶段分两步进行，即羧化和水解： 在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上发生羧化反应形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸，它是一种与酶结合不稳定的中间产物，被水解后产生2分子PGA。(2)还还原阶阶段 指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过程 6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H+6GAP+6ADP+6NADP+ + 6Pi 有
8、两步反应：磷酸化和还原。磷酸化反应由3-磷酸甘油酸激酶催化 羧化反应产生的PGA是一种有机酸，要达到糖的能级，必须使用光反应中生成的同化力，ATP与NADPH能使PGA的羧基转变成GAP的醛基。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。(3)再生阶段 指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程5GAP+3ATP+2H2O3RuBP+3ADP+2Pi+3H+ 这里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反应。最后由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP，再形成RuBP。 光合碳还原循环光合碳还原循环羧化还原再生C C3 3途径的总反应式途径的
9、总反应式3CO2+5H2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+8Pi+6NADP+3H+ 可见，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH，还原3个CO2可输出1个磷酸丙糖(GAP或DHAP) 固定6个CO2可形成1个磷酸己糖(G6P或F6P)。 形成的磷酸丙糖可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应； 形成的磷酸己糖则留在叶绿体中转化成淀粉而被临时贮藏。再二、C4 途 径(一) C4 途径的发现自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。 1954年，哈奇(M.D.Hatch)等人用甘蔗叶实验，发现甘
10、蔗叶片中有与C3途径不同的光合最初产物，但未受到应有的重视。 1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克(H.P.Kortschak)等人报道，甘蔗叶中14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。 1966-1970年，澳大利亚的哈奇和斯莱克(C.R.Slack) 重复上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸途径，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环，或叫Hatch-Slack途径。 至今已知道，被子植物中有20多个科约近20
11、00种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4 plant)。C4植物高梁甘蔗田 粟(millet)的穗形, “谷子”，去皮后称“小米”苋菜玉米(二）C4植物叶片结构特点 栅栏组织与海绵组织分化不明显，叶片两侧颜色差异小。 有两类光合细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞(BSC)。 C4植物维管束分布密集，间距小，每条维管束都被发育良好的大型BSC包围，外面又密接1-2层叶肉细胞，这种呈同心圆排列的BSC与周围的叶肉细胞层被称为“花环”(Kranz,德语)结构，C4植物的BSC中含有大而多的叶绿体，线粒体和其它细胞器也较丰富。 BSC与相邻叶肉细胞间的壁较厚，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这
12、些结构特点有利于MC与BSC间的物质交换，以及光合产物向维管束的就近转运。 两类光合细胞中含有不同的酶类，叶肉细胞中含有PEPC以及与C4二羧酸生成有关的酶；而BSC中含有Rubisco等参与C3途径的酶、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶。在这两类细胞中进行不同的生化反应。C C4 4植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图。植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图。紧密的维管束鞘四周被大的维管束鞘细胞环绕包围。在这类作物中大的叶绿体分布在维管束鞘细胞的外围，维管束细胞被叶肉细胞包围。(三)C4途径的反应过程 C4途径中的反应虽因植物种类不同而有差异，但基本上可分为羧化、还原或转氨、脱羧和底物再生四个阶段(图2
13、2，C)。 羧化反应 在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)； 图22 C4植物叶的结构以及 C4 植物光合碳代谢的基本反应 ( )内为为酶名； PEPC.PEP羧羧化酶; PPDK.丙酮酸磷酸二激酶还原或转氨作用 OAA被还原为苹果酸(Mal)，或经转氨作用 形成天冬氨酸(Asp)； 脱羧反应 C4酸通过胞间连丝移动到BSC，在BSC中释放CO2，CO2由C3 途径同化； 底物再生 脱羧形成的C3酸从BSC运回叶肉细胞并再生出CO2受体PEP。1.羧羧化阶阶段 由PEPC催化叶肉细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO3-羧化，形成OAA。
14、 空气中的CO2进入叶肉细胞后先由碳酸酐酶 (CA)转化为HCO3-， HCO3- 被PEP固定在OAA的C4羧基上 CO2 +H2O CA HCO3- + H+ PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，分子量400 000，由四个相同亚基组成。PEPC无加氧酶活性，因而羧化反应不被氧抑制。2.还还原或转转氨阶阶段 OAA被还原成苹果酸或经转氨作用形成天冬氨酸。 (1)还原反应 由NADP-苹果酸脱氢酶催化，将OAA还原为Mal，该反应在叶肉细胞的叶绿体中进行： 苹果酸脱氢酶为光调节酶，可通过Fd-Td系统调节其活性。 (2)转氨作用 由天冬氨酸转氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH2基，
15、形成天冬氨酸，该反应在细胞质中进行。3.脱羧阶羧阶 段根据植物所形成的初期C4二羧酸的种类以及脱羧反应参与的酶类，可把C4途径分为三种亚类型： 依赖NADP的苹果酸酶的苹果酸型(NADP-ME型)； 依赖NAD的苹果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)； 具有PEP羧激酶的天冬氨酸型(PCK型)。叶绿体线粒体 细胞质 NADP-ME型初期产物为Mal，而NAD-ME型与PCK型初期产物为Asp。三种亚类型叶绿体的结构及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NAD-ME型植物，叶绿体在BSC中向心排列，而NADP-ME与PCK型，叶绿体在BSC中离心排列；另外NADP-ME型BSC中叶绿体
16、的基粒不发达，PS活性低。 4.底物再生阶阶段 C4二羧酸脱羧后形成的Pyr运回叶肉细胞，由叶绿体中的丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受体PEP。 NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在叶肉细胞中先转为丙酮酸，然后再生成PEP。 此步反应要消耗2个ATP(因AMP变成ADP再要消耗1个ATP)。 PPDK在体内存在钝化与活化两种状态，它易被光活化，光下该酶的活性比暗中高20倍。 由于PEP底物再生要消耗2个ATP，这使得C4植物同化1个CO2需消耗5个ATP与2个NADPH。 (四) C途径的意义 在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C植物显示出高的光合效率。 植物具较高光合速率的因素有： 1)C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO3的亲和力极高，细胞中的HCO3浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素； 2)C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进Rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定； 3）高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求
