还原反应。天线色素分子将光能吸收和传递到反应中心后,使反应中心色素(P)激发而成 为激发态(P*),释放电子给原初电子受体(A),同时留下了“空穴”,成为陷井(trap) 反应中心色素被氧化而带正电荷(P+),原初电子受体被还原而带负电荷(A-)。这样,反 应中心发生了电荷分离。反应中心色素失去电子,便可从次级电子供体(D)那里夺取电子, 于是反应中心色素恢复原来状态(P),而次级电子供体却被氧化(D+)。这就发生了氧化 还原反应,完成了光能转变为电能的过程 D·P·A →D·P*·A →D·P+·A 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 这一氧化还原反应在光合作用中不断地反复进行,原初电子受体A一要将电子传给次级电 子受体,直到最终电子受体NADP+。同样,次级电子供体D+也要向它前面的电子供体夺 取电子,依次到最终电子供体水。 、电子传递与光合磷酸化 反应中心色素受光能激发而发生电荷分离,产生的高能电子经过一系列电子传递体的传递, 一方面引起水的裂解释放出O2和NADP+还原,另一方面建立跨类囊体膜的质子动力势, 通过光合磷酸化形成ATP,把电能转化为活跃的化学能。 (一)电子传递 1.光系统 (1)证明光系统存在的两种现象 20世纪40年代,当以绿藻和红藻为材料,研究不同光波的量子产额(每吸收一个光量子后 释放出的氧分子数),发现用波长大于685mm的远红光照射材料时,虽然光量子仍然被叶绿 体大量吸收,但量子产额急剧下降,这种现象被称为红降现象( red drop)。 1957年罗伯特·爱默生( R.Emerson)观察到,在远红光(波长大于685nm)条件下,如补 充红光(波长650mm)则量子产额大增,比这两种波长的光单独照射时的总和还要大。这样 两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱默生效应( Emerson effect)(图 3-7)。上述现象使人们设想,光合作用可能包括两个光化学反应接力进行。后来,进一步 的研究证实光合作用确实有两个光化学反应,分别由两个光系统完成。一个是吸收短波红光 (680nm)的光系统Ⅱ(PSⅢ),另一个是吸收长波红光(700nm)的光系统I(PSI)。这 两个光系统是以串联的方式协同作用的。 (2)光系统 目前已从叶绿体类囊体膜上分离出两个光系统,都是色素蛋白复合体。PSⅠ颗粒较小,直 径为llnm,在类囊体膜的外侧:PSⅡ颗粒较大,直径为175nm,位于类囊体膜的内侧 PSI蛋白复合体至少含12种不同的多肽,最大的是CP47和CP43,与叶绿体色素结合构成 PSI的捕光色素复合体( PSII light harvesting complex,LHCI),还有反应中心D1和D2两 条多肽,是PSⅡ复合体的基本组成部分,其上排列有P680、去镁叶绿素(pheo)和质体醌 ( plastoquinone)。PSI蛋白复合体也包含反应中心和捕光色素复合体( PSI light complex,LHCI。 敌草隆(DCMU,一种除草剂)能与DI蛋白结合,抑制PSI的光化学反应,却不抑制PSI 的光化学反应。此外,阿特拉津等除草剂抑制光合作用,杀死植物,是由于它们在DI蛋白 的QB位点结合,阻止了QB的电子向PQ传递。目前人们通过分子生物学的手段使D1上 易于与阿特拉津结合的位点发生个别氨基酸突变,失去其与阿特拉津的结合能力,但不影响 光合电子传递,从而获得抗阿特拉津的植物。 PSI的光化学反应是长光波反应,其主要特征是NADP+的还原。当PSI的反应中心色素分
还原反应。天线色素分子将光能吸收和传递到反应中心后，使反应中心色素（P）激发而成 为激发态（P*），释放电子给原初电子受体（A），同时留下了“空穴”，成为陷井（trap）。 反应中心色素被氧化而带正电荷（P+），原初电子受体被还原而带负电荷（A-）。这样，反 应中心发生了电荷分离。反应中心色素失去电子，便可从次级电子供体（D）那里夺取电子， 于是反应中心色素恢复原来状态（P），而次级电子供体却被氧化（D＋）。这就发生了氧化 还原反应，完成了光能转变为电能的过程。 hυ D·P·A ────→D·P*·A ─────→D· P+·A-──────→D+· P·A- 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 这一氧化还原反应在光合作用中不断地反复进行，原初电子受体 A－要将电子传给次级电 子受体，直到最终电子受体 NADP+。同样，次级电子供体 D+也要向它前面的电子供体夺 取电子，依次到最终电子供体水。 二、电子传递与光合磷酸化 反应中心色素受光能激发而发生电荷分离，产生的高能电子经过一系列电子传递体的传递， 一方面引起水的裂解释放出 O2 和 NADP+还原，另一方面建立跨类囊体膜的质子动力势， 通过光合磷酸化形成 ATP，把电能转化为活跃的化学能。 （一）电子传递 1．光系统 （1） 证明光系统存在的两种现象 20 世纪 40 年代，当以绿藻和红藻为材料，研究不同光波的量子产额（每吸收一个光量子后 释放出的氧分子数），发现用波长大于 685nm 的远红光照射材料时，虽然光量子仍然被叶绿 体大量吸收，但量子产额急剧下降，这种现象被称为红降现象（red drop）。 1957 年罗伯特·爱默生（R.Emerson）观察到，在远红光（波长大于 685nm）条件下，如补 充红光（波长 650nm）则量子产额大增，比这两种波长的光单独照射时的总和还要大。这样 两种波长的光促进光合效率的现象叫做双光增益效应或爱默生效应（Emerson effect）（图 3-7）。 上述现象使人们设想，光合作用可能包括两个光化学反应接力进行。后来，进一步 的研究证实光合作用确实有两个光化学反应，分别由两个光系统完成。一个是吸收短波红光 （680nm）的光系统Ⅱ（PSⅡ），另一个是吸收长波红光（700nm）的光系统Ⅰ（PSⅠ）。这 两个光系统是以串联的方式协同作用的。 （2） 光系统 目前已从叶绿体类囊体膜上分离出两个光系统，都是色素蛋白复合体。PSⅠ颗粒较小，直 径为 11nm，在类囊体膜的外侧；PSⅡ颗粒较大，直径为 17.5nm，位于类囊体膜的内侧。 PSII 蛋白复合体至少含 12 种不同的多肽，最大的是 CP47 和 CP43，与叶绿体色素结合构成 PSII 的捕光色素复合体（PSII light harvesting complex，LHCII），还有反应中心 D1 和 D2 两 条多肽，是 PSII 复合体的基本组成部分，其上排列有 P680、去镁叶绿素（pheo）和质体醌 （plastoquinone）。PSI 蛋白复合体也包含反应中心和捕光色素复合体（PSI light harvesting complex，LHCI）。 敌草隆（DCMU，一种除草剂）能与 D1 蛋白结合，抑制 PSII 的光化学反应，却不抑制 PSI 的光化学反应。此外，阿特拉津等除草剂抑制光合作用，杀死植物，是由于它们在 D1 蛋白 的 QB 位点结合，阻止了 QB 的电子向 PQ 传递。目前人们通过分子生物学的手段使 D1 上 易于与阿特拉津结合的位点发生个别氨基酸突变，失去其与阿特拉津的结合能力，但不影响 光合电子传递，从而获得抗阿特拉津的植物。 PSⅠ的光化学反应是长光波反应，其主要特征是 NADP+的还原。当 PSⅠ的反应中心色素分
子(P700吸收光能而被激发后,把电子传递给各种电子受体,经Fd(铁氧还蛋白),在 NADP还原酶(FNR)的参与下,把NADP+还原成 NADPH2反应中心色素P700中的P表 示色素,700是指色素的最大吸收波长。 PSⅡ的光化学反应是短光波反应,其主要特征是水的光解和放氧。PSⅡ的反应中心色素分 子(P680)吸收光能,把水分解,夺取水中的电子供给PSI。 光合链 光合链是指光合膜上的一系列互相衔接着的电子传递体组成的电子传递的总轨道 现在被广泛接受的光合电子传递途径是“Z”方案(“Z” scheme),即电子传递是由两个光 系统串联进行,其中的电子传递体按氧化还原电位高低排列,使电子传递链呈侧写的“Z 形(图3-8)。 Z”方案最早是由希尔(RHl)等在1960年提出的,经过不断修正与补充,日臻完善。 由氧化还原电位的高低可以看出,这一电子传递途径是不能自发进行的,有二处(P680→ P680*和P700→P700*)是逆电势梯度的“上坡”电子传递,需要聚光色素复合体吸收与传 递的光能来推动。光合链中的电子传递体是质体醌( plastoquinone,PQ),细胞色素 ( cytochrome,Cyt)b6/f复合体,铁氧还蛋白( ferredoxin,Fd)和质蓝素( plastocyanin,PC)。 其中PQ是双电子双H+传递体,它既可传递电子,也可传递质子,在传递电子的同时,把 H+从类囊体膜外的基质中带入膜内,在类囊体膜内外建立跨膜质子梯度以推动ATP的合 3.水的光解和放氧 水的光解( water photolysis)是希尔(1937)发现的。他将离体的叶绿体加到具有氢受体(A) 的水溶液中,照光后即发生水的分解而放出氧气。此反应称为希尔反应( Hill reaction)。 光 2H20+2A 2AH2+02 叶绿体 氢受体被称为希尔氧化剂,如2,6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP+、NAD+等。是希尔第 个用离体叶绿体做试验,把光合作用的研究深入到细胞器的水平 近年来,水光解反应机理的研究已有较大进展。已知放氧复合体( oxygen-evolving complex, OEC)由3条外周多肽组成,其中一条33kD的多肽为锰稳定蛋白( manganese stablizing protein,MsP),它们与Mn、Ca2+、Cl-一起参与氧的释放。 给已经暗适应的叶绿体极快的闪光处理,闪光后放氧量是不均等的,是以4为周期呈现振荡 第一次闪光后无O2产生,第二次闪光释放少量O2,第三次闪光放O2最多,第四次闪光放 O2次之,每隔四次闪光出现一次放氧高峰 已知每释放1个O2,需要氧化2分子水,并移去4个e-,同时形成4个H+,而闪光恰 巧以4为周期。Kok等(1970)据此提出了HO氧化机制的模型:放氧复合体(OEC)在 每次闪光后可以积累一个正电荷,直至积累4个正电荷,才一次用于2个H2O的氧化(图 3-9)。图3-9中不同状态的S代表了OEC中不同氧化状态的放氧复合体(含锰蛋白),含有 4个Mn,包括Mn2+、Mn3+和Mn4+。按照氧化程度从低到高的顺序,将不同状态的含锰 蛋白分别称为S0、S1、S2、S3和S4。即S0不带电荷,S1带1个正电荷,依次到S4带有 个正电荷。每一次闪光将S状态向前推进一步,直至S4。然后,S4从2个H2O中获取4 个e-,并回到S0。此模型称为水氧化钟( water oxidizing clock)或Kok钟( Kok clock)。 这个模型还认为,S0和S1是稳定状态,S2和S3可在暗中退回到S1,s4不稳定。这样叶 绿体在暗适应后,有3/4的含锰蛋白处于S1,14处于S0,因此最大放氧量出现在第三次闪 光后。 4.电子传递的类型
子（P700）吸收光能而被激发后，把电子传递给各种电子受体，经 Fd（铁氧还蛋白），在 NADP 还原酶（FNR）的参与下，把 NADP+还原成 NADPH。反应中心色素 P700 中的 P 表 示色素，700 是指色素的最大吸收波长。 PSⅡ的光化学反应是短光波反应，其主要特征是水的光解和放氧。PSⅡ的反应中心色素分 子（P680）吸收光能，把水分解，夺取水中的电子供给 PSⅠ。 2．光合链 光合链是指光合膜上的一系列互相衔接着的电子传递体组成的电子传递的总轨道。 现在被广泛接受的光合电子传递途径是“Z”方案（“Z” scheme），即电子传递是由两个光 系统串联进行，其中的电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写的“Z” 形（图 3-8）。 “Z”方案最早是由希尔（R.Hill）等在 1960 年提出的，经过不断修正与补充，日臻完善。 由氧化还原电位的高低可以看出，这一电子传递途径是不能自发进行的，有二处（P680→ P680*和 P700→P700*）是逆电势梯度的“上坡”电子传递，需要聚光色素复合体吸收与传 递的光能来推动。光合链中的电子传递体是质体醌（plastoquinone，PQ），细胞色素 （cytochrome，Cyt）b6/f 复合体，铁氧还蛋白（ferrdoxin，Fd）和质蓝素（plastocyanin，PC）。 其中 PQ 是双电子双 H＋传递体，它既可传递电子，也可传递质子，在传递电子的同时，把 H＋从类囊体膜外的基质中带入膜内，在类囊体膜内外建立跨膜质子梯度以推动 ATP 的合 成。 3．水的光解和放氧 水的光解（water photolysis）是希尔（1937）发现的。他将离体的叶绿体加到具有氢受体（A） 的水溶液中，照光后即发生水的分解而放出氧气。此反应称为希尔反应（Hill reaction）。 光 2H2O + 2A ───→ 2AH2 + O2 叶绿体 氢受体被称为希尔氧化剂，如 2，6-二氯酚靛酚、苯醌、NADP＋、NAD＋等。是希尔第一 个用离体叶绿体做试验，把光合作用的研究深入到细胞器的水平。 近年来，水光解反应机理的研究已有较大进展。已知放氧复合体（oxygen-evolving complex， OEC）由 3 条外周多肽组成，其中一条 33kD 的多肽为锰稳定蛋白（manganese stablizing protein，MSP），它们与 Mn、Ca2+、Cl－一起参与氧的释放。 给已经暗适应的叶绿体极快的闪光处理，闪光后放氧量是不均等的，是以 4 为周期呈现振荡。 第一次闪光后无 O2 产生，第二次闪光释放少量 O2，第三次闪光放 O2 最多，第四次闪光放 O2 次之，每隔四次闪光出现一次放氧高峰。 已知每释放 1 个 O2，需要氧化 2 分子水，并移去 4 个 e－，同时形成 4 个 H＋，而闪光恰 巧以 4 为周期。Kok 等（1970）据此提出了 H2O 氧化机制的模型：放氧复合体（OEC）在 每次闪光后可以积累一个正电荷，直至积累 4 个正电荷，才一次用于 2 个 H2O 的氧化（图 3-9）。图 3-9 中不同状态的 S 代表了 OEC 中不同氧化状态的放氧复合体（含锰蛋白），含有 4 个 Mn，包括 Mn2+、Mn3+和 Mn4+。按照氧化程度从低到高的顺序，将不同状态的含锰 蛋白分别称为 S0、S1、S2、S3 和 S4。即 S0 不带电荷，S1 带 1 个正电荷，依次到 S4 带有 4 个正电荷。每一次闪光将 S 状态向前推进一步，直至 S4。然后，S4 从 2 个 H2O 中获取 4 个 e－，并回到 S0。此模型称为水氧化钟（water oxidizing clock）或 Kok 钟（Kok clock）。 这个模型还认为，S0 和 S1 是稳定状态，S2 和 S3 可在暗中退回到 S1，S4 不稳定。这样叶 绿体在暗适应后，有 3/4 的含锰蛋白处于 S1，1/4 处于 S0，因此最大放氧量出现在第三次闪 光后。 4．电子传递的类型