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1、光合电子传递光合电子传递地球上最重要的化学反应光合作用光CO2+H2O（CH2O）+O2+H2O绿色细胞蓝藻叠层石蓝藻叠层石光光合合作作用用可可能能起起源源于于34亿亿年年前前（A）植物叶绿体的剖面图。（B）电子显微镜观察到的叶绿体的超微结构。类囊体膜上蛋白复合体的分布SynehcocystisPCC6803SynechocystisPCC6803光合作用的过程光合作用的过程光能光能CO2色素分子色素分子C52C3ADP+PiATPH2OO2H多种酶多种酶酶酶吸收吸收光解光解光反应光合碳同化光合碳同化水的光解水的光解：H2O 2H+1/2 O2 光解CO2的固定的固定: CO2+C5 2C3酶
2、还还 原原酶酶固固 定定供能供能（CH2O）酶酶C3化合物还原化合物还原：2C3（CH2O）6ATP酶H,ADP+Pi光合磷酸化光合磷酸化：ADP+Pi能量ATP酶光合作用的过程和能量转变 1.1.原初反应原初反应: :光能的吸收、传递和转换成电能；光能的吸收、传递和转换成电能； 2.2.电子传递电子传递和和光合磷酸化光合磷酸化: :电能转变为活跃化学能电能转变为活跃化学能; ;3.3.碳同化碳同化: :活跃的化学能转变为稳定的化学能。活跃的化学能转变为稳定的化学能。光合作用中各种能量转变情况光合作用中各种能量转变情况 能量转变能量转变 光能光能 电能电能 活跃的化学能活跃的化学能 稳定的化学
3、能稳定的化学能 贮能物质贮能物质 量子量子 电子电子 ATPATP、NADPHNADPH2 2 碳水化合物等碳水化合物等 转变过程转变过程 原初反应原初反应 电子传递电子传递 光合磷酸化光合磷酸化 碳同化碳同化 时间跨度时间跨度( (秒秒) )1010-15-151010-9 -9 1010-10-101010- -4 4 10 100 010101 1 10 101 110102 2 反应部位反应部位 PSPS、PSPS颗粒颗粒 类囊体膜类囊体膜 类囊体类囊体 叶绿体间质叶绿体间质 是否需光是否需光 需光需光 不一定，但受光促进不一定，但受光促进 不一定，但受光促进不一定，但受光促进不同层次
4、和时间上的光合作用不同层次和时间上的光合作用不同层次和时间上的光合作用不同层次和时间上的光合作用光合作用过程（1）原初反应将光能转换为化学能的起始过程反应时间：飞秒（10-15）皮秒（10-12）反应场所：类囊体膜及其他光合膜上的捕光色素蛋白复合体，光合作用反应中心。步骤：光能的吸收，激发能传递等光物理化学过程。特点：反应迅速、与温度无关、量子效率接近1。（2）电子传递和氧的释放继原初反应之后的光化学反应过程反应时间：皮秒（10-12）毫秒（10-3）反应场所：类囊体膜及其他光合膜，光合作用反应中心。步骤：电子传递光化学反应。（3）光合磷酸化利用光合电子传递形成的质子势推动将腺二磷（ADP)和
5、无机磷酸（Pi)合成腺三磷（ATP)。（4）二氧化碳同化利用光反应形成的同化力ATP和NADPH，还原二氧化碳，经进一步转化将化学能储存于多聚糖分子中。反应中心色素反应中心色素：少数特殊状少数特殊状少数特殊状少数特殊状态的叶绿素态的叶绿素态的叶绿素态的叶绿素a a分子，它具有光化学分子，它具有光化学分子，它具有光化学分子，它具有光化学活性，是光能的活性，是光能的活性，是光能的活性，是光能的“ “捕捉器捕捉器捕捉器捕捉器” ”、“ “转转转转换器换器换器换器” ”。捕光色素（天线色素）捕光色素（天线色素）：没有光化学活性，只有收集光能的没有光化学活性，只有收集光能的没有光化学活性，只有收集光能的
6、没有光化学活性，只有收集光能的作用，包括大部分叶绿素作用，包括大部分叶绿素作用，包括大部分叶绿素作用，包括大部分叶绿素a a和全部和全部和全部和全部叶绿素叶绿素叶绿素叶绿素b b、胡萝卜素、叶黄素。、胡萝卜素、叶黄素。、胡萝卜素、叶黄素。、胡萝卜素、叶黄素。高等植物捕光系统到反应中心能量激发高等植物捕光系统到反应中心能量激发光合色素叶绿素藻胆体的结构藻胆素的构造藻蓝素藻红素光能的吸收与传递光能的吸收与传递( (一一) ) 激激发态的形成的形成能量的最低状态能量的最低状态基态基态。色素分子吸收了一个光子色素分子吸收了一个光子后后-高能的高能的激发态激发态。 Chl Chl（基态基态）+h 10+
7、h 10- -1515s s Chl Chl* *（激发态激发态）叶绿素：叶绿素：红光区红光区: :被红光激被红光激发，电子跃迁到发，电子跃迁到能量较低的第一能量较低的第一单线态单线态蓝光区蓝光区: :被蓝光激被蓝光激发，电子跃迁到发，电子跃迁到第二单线态。第二单线态。 配对电子的自旋配对电子的自旋方向：方向：单线态；单线态；三线态；三线态；第一单第一单线态；第二单线线态；第二单线态态激发态的叶绿素分子激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光回至基态时，可以光子形式释放能量。子形式释放能量。 荧光荧光磷光磷光叶绿素荧光成像叶绿素荧光成像筛选光合作用突变筛选光合作用突变体的有效手段体的有效手段激发态
8、的色素分子把激发能传递给处于基态的同种激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种分子而返回基态的过程。或异种分子而返回基态的过程。 ChlChl* *1 1 ChlChl2 2 ChlChl1 1ChlChl* *2 2 供体分子供体分子 受体分子受体分子色素之间的能量传递理论色素之间的能量传递理论激子传递激子传递激子通常是指非金属晶体中由电子激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子，它能转移能量但不能激发的量子，它能转移能量但不能转移电荷。转移电荷。 这种在相同分子内依靠激子传递来这种在相同分子内依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。转移能量的方式称为激子传递。在色素系统中，一个
9、色素分子吸在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中收光能被激发后，其中高能电子高能电子的振动会引起附近另一个分子中的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动某个电子的振动( (共振共振) )，当第二，当第二个分子电子振动被诱导起来，就个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递。这发生了电子激发能量的传递。这种种依靠电子振动在分子间传递能依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为量的方式就称为“共振传递共振传递”。共振传递示意图 在共振传递过程中，在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种供体和受体分子可以是同种，也可以是异种分子分子。分子既无光的发射也无光的吸收，
10、也无分子间的电子传递。分子既无光的发射也无光的吸收，也无分子间的电子传递 。色素之间的能量传递理论色素之间的能量传递理论共振传递共振传递高等植物LCHII的三维结构光系统I和II的叶绿素组成光化学反光化学反应原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中心原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应 P680Pheo hh P680* *Pheo P680+Pheo 基态反应中心基态反应中心 激发态反应中心激发态反应中心 电荷分离的反应中心电荷分离的反应中心 反应中心出现了电荷分离反应中心出现了电荷分离( (P680+
11、)(Pheo ) )原初电子供体原初电子供体P680P680+ +失去电子，有了失去电子，有了“空穴空穴”，成为，成为“陷阱陷阱”，便可从次级电子供体，便可从次级电子供体(D)(D)那里争夺电子；而原初那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体可将电子传给次级电子受体( (QA A) ) 。DP680+PheoQAD+P680PheoQA 这一过程不断反复地进行，从而推动电子在电子传递这一过程不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。体中传递。光光合合作作用用原原初初反反应应引引起起电电
12、荷荷分分离离，产产生生高高能能电电子子，驱驱动动电电子子从从比比较较正正的的电电势势向向比比较较负负的的电电势势进进行行传传递递。电电子子传传递递的的结结果果产产生生还还原原力力NADPHNADPH和和ATPATP，绿绿色色植植物物光光合合作作用用中中还还放放出出氧氧气气。光光合合电电子子传传递递途途径径主主要要有有非非循循环环和和循循环环两两种种形形式式，正正常常生生理理条条件件下下，以以非非循循环环途途径径为为主主，循循环环电电子子传传递递往往往往成成为为光光合合作作用用效效率率的的限限制制因因子子，在在特特殊殊生生育育期期如如稻稻麦麦灌灌浆浆期期及及胁胁迫迫条条件件下下，循循环环电电子子
13、传传递递被被促促进，对光合机构的运转进行调控。进，对光合机构的运转进行调控。二十世纪四十年代到六十年代初期的光合作用研究领域的三大发现:一、EmersonEmerson的的“红降红降”现象现象 即波长大于680nm时，即使叶绿素仍然吸收光，藻类和高等植物的光合效率却急剧下降。二、EmersonEmerson的的“双光增益效应双光增益效应” 同时使用红光和远红光激发时，小球藻的光合作用效率大于单独使用红光和远红光的光合效率的总和。三、 Hill and BendallHill and Bendall提出的提出的“Z-Z-方案方案” 揭示红光和远红光对电子传递链中的细胞色素具有相反的作用：即红光使
14、细胞色素还原，而远红光使之氧化。PSPS和和PSPS的光化学反的光化学反应高等植物的高等植物的两个光系统两个光系统有有各自的反应中心。各自的反应中心。 PSPS和和PSPSP700P700、P680P680红降现象和双光增益效应红降现象和双光增益效应红降现象和双光增益效应红降现象和双光增益效应Two pigment complexesof spinach chloroplastsTwo pigment complexesof Anabaena variabilis 光合作用的两个光系统和电子传递光合作用的两个光系统和电子传递Z方案方案吸收红光的吸收红光的PS产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远红光的
15、产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远红光的PS产生产生弱氧化剂和强还原剂。弱氧化剂和强还原剂。PS产生的强氧化剂氧化水，同时，产生的强氧化剂氧化水，同时，PS产产生的强还原剂还原生的强还原剂还原NADP+。QB光系统II光系统IH+(自类囊体膜外取得)氧化还原势 （ V)H2OP680P680*P700*O2+H+H+（向类囊体膜腔释放）hvhvAoFe-SNADP+P700QAMncenterPhPQCytb6fcomplexFdA1PC-1.4-0.8-0.60.40.6-0.200.2-0.40.60.8-1.6-0.200.2-1.0-1.2-1.8叶绿体非循环光合电子传递链叶绿体非循环光合
16、电子传递链Z-Z-方案方案由水到NADP+的电子传递Z模型特点：1、光能被利用于驱动电子从比较正的电势（H2O；Eo=0.8V）向比较负的电势（NADP+；Eo=-0.32V）进行传递。2、电子传递的多步骤反应引起的能量损失，使得反应不可逆。 3、在使用高氧化还原电势的水(Eo=0.8V)作为电子源的情况下，需要吸收两个光子的两个光系统串联起来。而使用低氧化还原电势的硫化氢（Eo=-0.28V）作为电子源的光合细菌,仅需要一个光系统和一个光子的能量来还原NADP+。PS-2嗜热蓝藻嗜热蓝藻PSII双体双体(a)Viewontothemembraneplane.(b)SideviewofPSII
17、lookingalongthemembraneplane.光系统II反应中心的结构模型光系统II参与依赖光的由水到质醌的氧化还原反应光系统II电子载体及其电子传递PSPS的原初反应：的原初反应： P680P680Pheo Pheo hh P680 P680* *Pheo P680Pheo P680+ +PheoPheo- -在原初反应中，受光在原初反应中，受光激发的反应中心色素分激发的反应中心色素分子发射出子发射出高能电子高能电子，完，完成了光成了光电转变，随后电转变，随后高能电子将沿着光合电高能电子将沿着光合电子传递链进一步传递。子传递链进一步传递。系统系统IIII核心复合体的蛋白亚基核心复
18、合体的蛋白亚基蛋白基因基因定位分子量(kDa)功能疏水蛋白亚基D1psbA叶绿体32反应中心蛋白D2psbD叶绿体34反应中心蛋白CP47psbB叶绿体47能量传递CP43psbC叶绿体43能量传递Cyt b559亚基psbE叶绿体9光保护、PSII-循环电子传递亚基psbF叶绿体4光保护、PSII-循环电子传递PsbH-psbNpsbH- psbN叶绿体3.8-10未知22 kDapsbS细胞核22光保护亲水蛋白亚基33 kDapsbO细胞核33放氧23 kDapsbP细胞核23放氧17 kDapsbQ细胞核17放氧10 kDapsbR细胞核10未知系统系统IIII核心复合体的蛋白亚基核心复
19、合体的蛋白亚基细胞色素b6f 复合体的蛋白亚基组成细胞色素b6f 复合体（双体）的三维结构细胞色素细胞色素b6f复合体的蛋白亚基复合体的蛋白亚基蛋白基因基 因 定位分子量（kDa）功能细胞色素fpetA叶绿体32质蓝素的电子供体细胞色素b6PetB叶绿体24Q-循环中质醌的氧化还原Rieske 铁硫蛋白PetC细胞核19质醌库的电子受体,细胞色素f的电子供体亚基IVPetD叶绿体17Qo位点的醌结合部位PetG，PetMPetG， PetM细胞核4未知PetLPetL叶绿体3.4未知24细胞色素细胞色素b6f复合体介导的质子运转的机理复合体介导的质子运转的机理Q-循环循环细胞色素b6f复合体介
20、导的电子传递和质子运转的示意图类囊体膜腔间质PS1光系统I反应中心的结构45质蓝素介导由细胞色素质蓝素介导由细胞色素b6f复合体到光系统复合体到光系统I的电子传递的电子传递光系统I反应中心的三维结构图光系统I反应中心的电子载体组成光系统I（PSI）反应中心的结构模型图光系统I反应中心P700的氧化还原蛋白亚基基因基因定位分子量(kDa)功能疏水亚基PsaA (PSI-A)psaA叶绿体83反应中心蛋白PsaB (PSI-B)psaB叶绿体82反应中心蛋白PsaG (PSI-B)psaG细胞核11连接LHC-I, 稳定PSI复合体的结构PsaIpsaI叶绿体4PsaL的正常组织PsaJpsaJ叶
21、绿体5PsaF的正常组织PsaMpsaM叶绿体3.5循环电子传递PsaKpsaK细胞核8.4未知PsaLpsaL细胞核18光系统I的三体化亲水亚基朝向膜外PsaCpsaC叶绿体9末端电子受体，向Fd提供电子PsaDpsaD细胞核18铁氧还蛋白的锚定，PsaC的组装PsaEpsaE细胞核8与铁氧还蛋白相互作用，循环电子传递PsaHpsaH细胞核10连接LHC-I 朝向囊腔侧 PsaFpsaF细胞核17质蓝素的锚定 PsaNpsaN细胞核10未知光系统I核心复合体的蛋白亚基光系统I电子载体及其动力学PSPS的原初反应：的原初反应： P700P700A A0 0 hh P700 P700* *0 0
22、 P700 P700A A0 02Fdred + NADP+ + H+ 2Fdox + NADPH FNRNitritereductaseSulfitereductaseGlutamatesynthaseOtherFd-dependentenzymes依赖铁氧还蛋白（ferredox)的电子传递体系3、围绕光系统I的循环电子传递FdPGR5O2CytcOxidasePSIIPQPSIFNRNDHFQR叶绿体呼吸途径循环电子传递途径围围绕绕光光系系统统I I的的循循环环电电子子传传递递和和叶叶绿绿体体呼呼吸吸途途径径。 PS PS II: II: 光光系系统统II; II; PS PS I: I
23、: 光光系系统统I; I; PQ: PQ: 质质醌醌；NDH: NDH: NAD(P)H-NAD(P)H-质质醌醌还还原原酶酶； Fd: Fd: 铁铁氧氧还还蛋蛋白白；FQR: FQR: 铁铁氧氧还还蛋蛋白白- -质质醌醌还还原原酶酶；FNR:FNR:铁铁氧氧还还蛋蛋白白- -NADPNADP+ +氧化还原酶；氧化还原酶；Cyt c OxidaseCyt c Oxidase： 细胞色素细胞色素c c氧化酶；氧化酶；PGR5: PGR5: 质子梯度调节蛋白质子梯度调节蛋白(26)(26)。围绕光系统I的循环电子传递途径米华玲（2003）光合作用原初光能转化过程的原理与调控,匡廷云主编P371-3
24、92类囊体膜NAD(P)H脱氢酶复合体(NDH)的功能NDH介导的蓝藻呼吸电子传递水水-水循环途径水循环途径NDHPQCytb6fNAD(P)HNAD(P)+O2H2O2H+H+PCPTOXPSIIPSILumenStroma叶绿体呼吸途径利用集胞蓝藻ndhB缺失突变株证明依赖NDH的循环电子传递的存在(Mietal.1992,1994,1995)Herranenet al(2004)PlantPhysiol134:470-481NDH-1L:A(379),B(515),C(132),D1(514),E(101),F1(656),G(200),(490kDa)H(394),I(196),J(1
25、68),K(237),L(76),M(111),N(150),O(72)NDH-1M:A(379),B(515),C(132),E(101),G(200),H(394),I(196),(350kDa)J(168),K(237),L(76),M(111),N(150),O(72)NDH-1S1:CupA(437),D3(501),F3(611),Sll1735(149)(200kDa)NDH-1S2:D3(501),F3(611)(140kDa)Herranenet al(2004)PlantPhysiol134:470-481Battchikovaet al(2005)JBiolChem80:
26、2587-2595Prommeenateet al(2004)JBiolChem279:28165-18173NDH-1L(Arteni et al., 2006 )BandI240kDaBandII200kDaBandIII100kDaDengetal(2003)ActaBiochimicaetBiophysicaSinica35(8):723-727Thylakoidmembrane*NDH-1A460kDa*NDH-1B330kDa*NDH-1C150kDa*NDH-1D100kDaHis-taggedNdhJPrommeenateet al(2004)JBiolChem279:2816
27、5-18173ThespecialNADPHoxidationactivitywasnotdetectedbythepreviousexperiments.NDH的表达及其活性受光诱导Mietal.2001,Photosynth Res70:167-173首次在集胞蓝藻PCC6803中鉴定并研究一个分子量大约1000kDa的NADPH脱氢酶超分子活性复合体Maetal(2006)Plant Cell Physiol.47:1432-1436ArnonArnon等等等等19541954年，发现离体叶绿体可在光下使年，发现离体叶绿体可在光下使年，发现离体叶绿体可在光下使年，发现离体叶绿体可在光下使
28、ADPADP、P Pi i合成合成合成合成ATPATP。ADP+PADP+Pi iATP(ATP(式式式式I) I)19571957年，又发现在光下进行年，又发现在光下进行年，又发现在光下进行年，又发现在光下进行HillHill反应的同时，也能合成反应的同时，也能合成反应的同时，也能合成反应的同时，也能合成ATPATP。2NADP2NADP+2H+2H2 2O+2ADP+2PO+2ADP+2Pi i2NADPH+2ATP+2H2NADPH+2ATP+2H+O+O2 2 并称式并称式并称式并称式I I I I为为为为循环光合磷酸化循环光合磷酸化循环光合磷酸化循环光合磷酸化，式，式，式，式II I
29、I II II为为为为非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化。(式式式式II)II)光光光光叶绿体叶绿体叶绿体叶绿体光光光光叶绿体叶绿体叶绿体叶绿体光合电子传递偶联的磷酸化光合电子传递偶联的磷酸化化学渗透假说（chemiosmoticcouplinghypothesis）电子传递过程会改变膜内外电位，使得膜外电位变负、膜内电位变正，从而形成膜内外电位差，使得类囊体膜处于高的能化状态，释放自由能，推动ATP合酶利用ADP和无机磷（Pi）合成ATP。电子传递偶联产生的质子在类囊体腔内积累的区域(1)水裂解时，向类囊体内腔释放出H+；(2)质醌被细胞色素b6f复合体氧化时，
30、基质的H+被泵入类囊体腔内。产生质子动力势，驱动ATP合酶合成ATPATP合酶复合体模型ATP合合酶酶由由嵌嵌于于膜膜内内的的CFo和和伸伸出出膜膜外外的的CF1两两部部分分组组成成，CFo起起质质子子通通道道的的作作用用，由由4种种亚亚基基I, II, III，IV组组成成，CF1包包含含催催化化部部位位，由由、和和 5种亚基组成。种亚基组成。CFo-CF1复合体的ATP合成结合变构机制（binding-changemechanism）当质子顺质子电化学梯度流过当质子顺质子电化学梯度流过Fo，使，使亚基转动，引起亚基转动，引起亚基的构象依紧亚基的构象依紧绷绷(T)、松驰、松驰(L)和开放和开
31、放(O)的顺序变化，完成的顺序变化，完成ADP和和Pi的结合、的结合、ATP的形成的形成以及以及ATP的释放三个过程。的释放三个过程。光合电子传递的生理意义光合电子传递的生理意义1、非循环电子传递为光合碳同化提供同化力ATP和NADPH2、交替电子传递途径如循环电子传递途径等调控光合碳同化为特殊的发育阶段、胁迫条件调整ATP和NADPH的比例，补充能量。清除活性氧分子。WT_25 ndhCJK_25WT_42 ndhCJK_42WT_4 ndhCJK_4WT_heat WT_heat ndhCJK_heatndhCJK_heatWangetal(2006) Plant Physiol,Vol.
32、141:465-4741 1、光破坏的修复作用、光破坏的修复作用（Endo et al.,1999)减轻强光引起的光抑制减轻强光引起的光抑制PGR5PGR5缺失突变体对强光更加敏感缺失突变体对强光更加敏感NDH-NDH-FQR-FQR-(Munekage et al., 2004)NDHNDH途径与途径与PGR5PGR5途径不能同时缺失途径不能同时缺失2、补充、补充ATP参与参与CO2同化调控同化调控Dengetal.(2003)PlantCellPhysiol44:534-540Fig.1Westernanalysis(A)oftheamountofNDHsubunitsinSynechoc
33、ystisPCC6803cellsculturedinair(lowCO2)and2%CO2(highCO2).低低COCO2 2下下NDHNDH亚基表达量增加亚基表达量增加适应Dengetal.(2003)PlantCellPhysiol44:534-540Hypothesis for the function of NDH-1 in State TransitionNDH-1PBSPSIPSIIState2PBSPSIPSIIState1Locked in State 1H+在光下，经由NDH通过产生跨膜质子梯度可以改变类囊体膜腔内外的pH来调节NDH的构像，从而驱动藻胆体在两个光系统之间
34、的运动，控状态转换的发生。3、参与激发能在两个光系统之间的再分配利用叶绿素调制荧光仪（利用叶绿素调制荧光仪（PAM)PAM)测定蓝藻细胞的状测定蓝藻细胞的状态转化态转化Plant Cell Physiol.Plant Cell Physiol. 7070：167-172,167-172,19951995InvolvementofthechangesinexpressionandactivityofAct-NDH-1SupinaredoxcontrolmechanismMaetal.2008CurrentMicrobiology*RedoxFRAP:FRAP:荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复技术ND
35、HPBS时间时间荧荧光光强强度度 运动时间的一致性？运动时间的一致性？NDH NDH (GFP-400nm)(GFP-400nm)PBS PBS (635nm)(635nm)扩散速率测量扩散速率测量（有活性和失活）（有活性和失活）0s15s30s45s60s野生型野生型NDH NDH 失活突变体失活突变体0s30s60s5min15minNDHmotor?FRAP初步结果初步结果（Maetal）：）：FRAP-FRAP-荧光漂白荧光漂白- -恢恢复技术复技术Red:fromPBS运动特性运动特性 将二种不同的荧光蛋白的基因融合表将二种不同的荧光蛋白的基因融合表达到酶的达到酶的NdhD4 Ndh
36、D4 和和CupBCupB的的亚基上，可以用单分子的方法亚基上，可以用单分子的方法研究酶的构象的变化。研究酶的构象的变化。Single-pairFRETfluorescentproteinsCFP(D)-YFP(A)1m1m单细胞水平上的单细胞水平上的NDHNDH的荧光强度成像及其荧光寿命成像的荧光强度成像及其荧光寿命成像1m四个不同位置的四个不同位置的CFP与与YFP在在NDH中的能量转移成像中的能量转移成像Areaa11(ns)a22(ns)A0.7780.280.2221.03B0.36C0.7710.240.2290.87D0.39Xia et al (2007) Xia et al
37、(2007) J. Lumi.J. Lumi.初步结论：初步结论：（1)1)荧光蛋白在荧光蛋白在NDHNDH中的表达中的表达是非均匀表达分布的。是非均匀表达分布的。（2)2)每个细胞中的能量转移效率每个细胞中的能量转移效率也是非均匀分布的。也是非均匀分布的。 荧光蛋白融合表达在荧光蛋白融合表达在NDH-1NDH-1中的各个亚基用于单细胞的荧光成中的各个亚基用于单细胞的荧光成像、功能过程中的像、功能过程中的NDHNDH各个亚基之间的距离和位置的变化。各个亚基之间的距离和位置的变化。提出的光状态提出的光状态1和光状态和光状态2下藻胆体动态调控模型。下藻胆体动态调控模型。藻胆体运动范围以两个相邻光系
38、统藻胆体运动范围以两个相邻光系统1为边界。为边界。 State1State2State2OR(Carol and Kuntz, 2001)(Wu et al., 1999)(Carol et al., 1999)PTOXPTOX与叶绿体呼吸与叶绿体呼吸(Gura et al., 2000)(Zapata et al., 2005)参与叶绿体发育和衰老参与叶绿体发育和衰老NATURE,VOL429,579-581,20044、围绕系统I的循环电子传递为高效率光合作用所必需WT ndhCKJ WT ndhCKJDark LightStromaThylakoid(a)(b)依赖NDH的循环光合磷酸化
39、参与光-暗转换中CO2同化的光活化的调控光合电子传递的交替途径光合电子传递的交替途径IMRubisco /activase NDHPBSCupB / CupA高亲和性的无机碳运输参与激发能的再分配提供ATP清除活性氧光合作用机理研究的重要性自从十九世纪提出光合作用的总过程以来，随着物理学，化学等学科的进步以及与生物学学科相互渗透和交叉，科学家们为揭开这个地球上最重要的化学反应的奥秘不断地作了出艰苦的努力，获得了一系列重要的进展。光合作用与诺贝尔奖1915年德国科学家R.M.Willsttter因叶绿素的研究获得诺贝尔化学奖。1930年德国科学家H.Fischer因叶绿素的分子结构的阐明获诺贝尔
40、化学奖。1961年美国科学家M.Calvin因二氧化碳同化途径的研究而获诺贝尔化学奖。1965年美国科学家R.B.Woodward成功地合成叶绿素全分子而获诺贝尔化学奖。1978年英国科学家P.Mitchell因提出的化学渗透学说推动了氧化磷酸化和光合磷酸化作用的生物能量转化研究和发展诺贝尔生理奖和医学奖。1988年德国科学家J.Deisenhofer,R.Huber和H.Michel在研究光合反应中心的三维空间结构研究的成就分享诺贝尔化学奖。1992年美国科学家A.R.Marcus因Marcus理论中预言的速度常数与反应自由能的逆反应效应在紫细菌反应中心中得到证明而获诺贝尔化学奖。1997年美国科学家P.Boyer和英国科学家J.Walker因ATP酶催化机理和结构的研究获得诺贝尔化学奖。思考题思考题1、用什么实验证明光合电子传递由两个光系统参与？2、光合电子传递有哪些类型？比较它们的异同点和功能。
