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1、第十讲光合磷酸化第一页，本课件共有45页一、电子和质子的传递（一）光合链（一）光合链 o所所谓谓光光合合链链是是指指定定位位在在光光合合膜膜上上的的，由由多多个个电电子子传传递递体组成的电子传递的总轨道。体组成的电子传递的总轨道。o现现在在较较为为公公认认的的是是由由希希尔尔(1960)(1960)等等人人提提出出并并经经后后人人修修正正与与补补充充的的“Z Z”方方案案，即即电电子子传传递递是是在在两两个个光光系系统统串串联联配配合合下下完完成成的的，电电子子传传递递体体按按氧氧化化还还原原电电位位高高低低排排列列，使使电电子子传传递递链链呈呈侧写的侧写的“Z Z”形。形。PSIIPSII和
2、和和和PSIPSI共同参与从水到共同参与从水到共同参与从水到共同参与从水到NADPNADP+电子传电子传电子传电子传递的递的递的递的Z-Z-方案模式图方案模式图方案模式图方案模式图 光下光下PSII产生氧化水的强氧化剂和还原剂。与此产生氧化水的强氧化剂和还原剂。与此相反，光照下相反，光照下PSI产生还原产生还原NADP+的强还原剂和的强还原剂和弱氧化剂。两个光系统通过电子传递链连接，弱氧化剂。两个光系统通过电子传递链连接，使得使得PSI氧化剂接受氧化剂接受PSII还原剂提供传递的电还原剂提供传递的电子。子。第二页，本课件共有45页第三页，本课件共有45页o(1)(1)电子传递链主要由光合膜上的
3、电子传递链主要由光合膜上的PSPS、Cyt bCyt b/f/f、PSPS三个复三个复合体串联组成。合体串联组成。o(2)(2)电电子子传传递递有有二二处处逆逆电电势势梯梯度度，即即P680P680至至P680P680*，P700P700至至P700P700*，逆逆电电势势梯梯度度的的电电子子传传递递均均由由聚聚光光色色素素复复合合体体吸吸收收光光能能后后推推动动，而而其其余电子传递都是顺电势梯度的。余电子传递都是顺电势梯度的。o(3)(3)水水的的氧氧化化与与PSPS电电子子传传递递有有关关，NADPNADP+的的还还原原与与PSPS电电子子传传递递有有关关。电电子子最最终终供供体体为为水水
4、，水水氧氧化化时时，向向PSPS传传交交4 4个个电子，使电子，使2H2H2 2O O产生产生1 1个个O O2 2和和4 4个个H H+。电子的最终受体为。电子的最终受体为NADPNADP+。o(4)PQ(4)PQ是是双双电电子子双双H H+传传递递体体，它它伴伴随随电电子子传传递递，把把H H+从从类类囊囊体体膜膜外外带带至至膜膜内内，连连同同水水分分解解产产生生的的H H+一一起起建建立立类类囊囊体体内内外外的的H H+电化学势差电化学势差。参考参考“Z Z Z Z”方案特点：方案特点：第四页，本课件共有45页图图10 10 叶绿体中的电子传递模式叶绿体中的电子传递模式 方框代表了蛋白复
5、合物。方框代表了蛋白复合物。LHCLHC和和LHCLHC分别是分别是PSPS和和PSPS各自的聚光色素复合体，各自的聚光色素复合体，M M为含为含MnMn的放氧复合体，实线箭头表示非环式电子传递方向；虚线箭头表示环式或的放氧复合体，实线箭头表示非环式电子传递方向；虚线箭头表示环式或假环式电子传递分叉处。假环式电子传递分叉处。第五页，本课件共有45页(二二)光合光合电子子传递体的体的组成与功能成与功能1.PS1.PS复合体复合体 oPSPS的的生生理理功功能能是是吸吸收收光光能能，进进行行光光化化学学反反应应，产产生生强强的的氧氧化化剂剂，使使水水裂裂解解释释放放氧氧气气，并并把把水水中中的电子
6、传至质体醌。的电子传至质体醌。(1)PS(1)PS复复合合体体的的组成成与与反反应中中心心中中的的电子子传递 oPSPS是是含含有有多多亚亚基基的的蛋蛋白白复复合合体体。它它由由聚聚光光色色素素复复合合体体、中中心心天天线线、反反应应中中心心、放放氧氧复复合合体体、细胞色素和多种辅助因子组成。细胞色素和多种辅助因子组成。第六页，本课件共有45页PSIIPSII反应中心结构模式图反应中心结构模式图反应中心结构模式图反应中心结构模式图 示意示意PSII反应中心反应中心D1蛋白和蛋白和D2蛋白的结构。蛋白的结构。D1很容易受到光很容易受到光化学破坏，会发生活性逆转。化学破坏，会发生活性逆转。电子从电
7、子从P680传递到去镁叶绿素传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体）继而传递到两个质体醌醌QA和和QB。P680+在在“Z”传递传递链中被链中被D1亚基中酪氨酸残基还亚基中酪氨酸残基还原。原。图中还表明了图中还表明了Mn聚集体聚集体(MSP)对水的氧化。对水的氧化。CP43和和CP47是叶绿素结合蛋白。是叶绿素结合蛋白。第七页，本课件共有45页PSPS反反应应中中心心的的核核心心部部分分是是分分子子量量分分别别为为32 32 000000和和34 34 000000的的D D1 1和和D D2 2两条多肽。两条多肽。反反应应中中心心的的次次级级电电子子供供体体Z Z、中中心心色色素素P
8、680P680、原原初初电电子子受受体体PheoPheo、次次级级电电子子受受体体Q QA A、Q QB B等等都都结结合合在在D D1 1和和D D2 2上上。其其中中与与D D1 1结结合合的的质质体体醌醌定定名名为为Q QB B，与与D D2 2结结合合的的质质体体醌醌定定名名为为Q QA A。这这 里里 的的 Q Q有有 双双 重重 涵涵 义义，既既 是是 醌醌(quinone)(quinone)的的字字首首，又又是是荧荧光光猝猝灭灭剂剂(quencher)(quencher)的字首。的字首。第八页，本课件共有45页 组成中心天线的组成中心天线的CP47和和CP43是指分子量是指分子量
9、分别为分别为47 000、43 000并与叶绿素结合并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕的聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比比LHC更快地把吸收的光能传至更快地把吸收的光能传至PS反反应中心，所以被称为中心天线或应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线近侧天线”。第九页，本课件共有45页oQ QA A是是单单电电子子体体传传递递体体，每每次次反反应应只只接接受受一一个个电电子子生生成成半半醌醌 (图图11)11)，它它的的电电子子再再传传递递至至Q QB B，Q QB B是是双双电电子子传传递递体体，Q QB B可可两两次次从从Q QA A接接受受电电子子以以及及从从周周围围介介质
10、质中中接接受受2 2个个H H+而而还还原原成成氢氢醌醌(QH(QH2 2)。这这样样生生成成的的氢氢醌醌可可以与醌库的以与醌库的PQPQ交换，生成交换，生成PQHPQH2 2。第十页，本课件共有45页质体醌的结构和电子传递oA.A.质体体醌有一个有一个醌的的头和一个和一个长的非极性的尾，尾部使的非极性的尾，尾部使质体体醌定位于定位于膜中膜中 oB.(B.(质)醌的氧化的氧化还原反原反应；第十一页，本课件共有45页(2)(2)水的氧化与放氧水的氧化与放氧COCO+2H+2HO O*光光 叶绿体叶绿体(CH(CHO)+OO)+O2 2*+H+HO O放氧复合体放氧复合体(OEC)(OEC)又称锰
11、聚又称锰聚合体合体(M,MSP)(M,MSP)，在，在PSPS靠近靠近类囊体腔的一侧，参与水的类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。裂解和氧的释放。水的氧化反应是生物界中植物水的氧化反应是生物界中植物光合作用特有的反应，也是光光合作用特有的反应，也是光合作用中最重要的反应之一。合作用中最重要的反应之一。每释放每释放1 1个个O O需要从需要从2 2个个H H2 2O O中移去中移去 4 4 个个 e e-，同时形成，同时形成 4 4 个个 H H。第十二页，本课件共有45页2.2.质醌 o质醌质醌(PQ)(PQ)也叫质体醌，是也叫质体醌，是PSPS反应中心的末端电子受体，也是介于反应中心的末
12、端电子受体，也是介于PSPS复复合体与合体与Cyt bCyt b/f/f复合体间的电子传递体。复合体间的电子传递体。o质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数的质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数的5%5%10%10%，故有，故有“PQPQ库库”之称。之称。o质质体体醌醌是是双双电电子子、双双质质子子传传递递体体，氧氧化化态态的的质质体体醌醌可可在在膜膜的的外外侧侧接接收收由由PS(PS(也也可可是是PS)PS)传传来来的的电电子子，同同时时与与H H结结合合；还还原原态态的的质质体体醌醌在在膜膜的的内内侧侧把把电电子子传传给给Cyt Cyt b b/f/f，氧氧化化时时把把H H释释放放至至
13、膜膜腔腔。这这对对类类囊囊体体膜膜内外建立质子梯度起着重要的作用。内外建立质子梯度起着重要的作用。第十三页，本课件共有45页3.Cytb3.Cytb/f/f复合体复合体oCytbCytb/f/f 复复合合体体作作为为连连接接PSPS与与PSPS两两个个光光系系统统的的中中间间电电子子载载体体系系统统，是是一一种种多多亚亚基基膜膜蛋蛋白白，由由4 4个个多多肽肽组组成成，即即CytfCytf、Cytb Cytb、Rieske Rieske 铁铁-硫硫蛋蛋白白、17kD17kD的多肽的多肽等。等。PQHPQH+2PC(Cu+2PC(Cu)Cyt bCyt b/f/f PQ+2PC(Cu PQ+2P
14、C(Cu)+2H)+2HCyt bCyt b/f/f 复合体主要催化复合体主要催化PQHPQH的氧化和的氧化和PCPC的还原，并把质子从的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此Cyt bCyt b/f/f 复合体又复合体又称称PQHPQHPCPC氧还酶。氧还酶。第十四页，本课件共有45页4.4.质蓝素素o质蓝素质蓝素(PC)(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于它是介于Cyt bCyt b/f/f复合体与复合体与PSPS之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜之
15、间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。离子的氧化还原变化来传递电子。第十五页，本课件共有45页5.PS5.PS复合体复合体PSPS的的生生理理功功能能是是吸吸收收光光能能，进进行行光光化化学学反反应应，产产生生强强的的还原剂，用于还原还原剂，用于还原NADPNADP+，实现，实现PCPC到到NADPNADP+的电子传递。的电子传递。第十六页，本课件共有45页高等植物的高等植物的PSPS由反应中心和由反应中心和LHCLHC等组成。反应中心内含有等组成。反应中心内含有11111212个多肽，其中在个多肽，其中在A A和和B B两个多肽上结合着两个多肽上结合着P700P700
16、及及A A0 0、A A1 1、F FX X、F FA A、F FB B等等电子传递体。每一个电子传递体。每一个PSPS复合体中含有两个复合体中含有两个LHCLHC，LHCLHC吸收的光能能吸收的光能能传给传给PSPS的反应中心。的反应中心。第十七页，本课件共有45页模式图中显示了复合体中以模式图中显示了复合体中以A和和B命名的两个主要的蛋白质亚命名的两个主要的蛋白质亚基基psaA和和psaB的分布状况。的分布状况。电子从电子从P700传递到叶绿素分传递到叶绿素分子子A0，然后到电子受体，然后到电子受体A1。电子传递穿过一系列的被命电子传递穿过一系列的被命名为名为FX，FA，FB的的Fe-S中
17、心，中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（最后到达可溶性铁硫蛋白（Fdx）。）。P700+从还原态的质蓝从还原态的质蓝素（素（PC）中接受电子。）中接受电子。psaF，psaD和和psaE 几个几个PSI亚基参与可溶性电子传递底亚基参与可溶性电子传递底物与物与PSI复合体的结合。复合体的结合。参考参考PSI反应中心结构模式反应中心结构模式第十八页，本课件共有45页6.6.铁氧氧还蛋白和蛋白和铁氧氧还蛋白蛋白-NADP-NADP还原酶还原酶o铁氧还蛋白铁氧还蛋白(Fd)(Fd)和铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP-NADP还原酶还原酶(FNR)(FNR)都是存在都是存在类囊体膜表面的蛋白质。类囊体膜表面的
18、蛋白质。oFNRFNR中含中含1 1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)(FAD)，依靠核黄素的氧，依靠核黄素的氧化还原来传递化还原来传递H H+。因其与。因其与FdFd结合在一起，所以称结合在一起，所以称Fd-NADPFd-NADP还还原酶。原酶。FNRFNR是光合电子传递链的末端氧化酶，接收是光合电子传递链的末端氧化酶，接收FdFd传来的传来的电子和基质中的电子和基质中的H H，还原，还原NADPNADP为为NADPHNADPH，反应式可用下，反应式可用下式表示：式表示：o 2Fd 2Fd还原还原+NADP+NADP+H+H FNR FNR 2Fd 2Fd氧化氧化+N
19、ADPH+NADPH第十九页，本课件共有45页7.7.光合膜上的光合膜上的电子与子与H H+的传递的传递图图15 15 光合膜上的电子与质子传递光合膜上的电子与质子传递 图中经非环式电子传递途径传递图中经非环式电子传递途径传递4 4个个e e-产生产生2 2个个NADPHNADPH和和3 3个个ATPATP是根据光合作用总方程式推算出是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收的。在光反应中吸收8 8个光量子个光量子(PS(PS与与PSPS各吸收各吸收4 4个个)，传递，传递4 4个个e e能分解能分解2 2个个H H2 2O O，释放放1 1 个个O O2 2，同时使类囊体膜腔增加，同时使
20、类囊体膜腔增加8 8个个H H，又因为吸收，又因为吸收8 8个光量子能同化个光量子能同化1 1个个COCO2 2，而在暗反应中同化，而在暗反应中同化1 1个个COCO2 2需消耗需消耗3 3个个ATPATP和和2 2个个NADPHNADPH，也即，也即传递4 4个个e e-，可还原可还原2 2个个NADPHNADPH，经，经ATPATP酶流出酶流出8 8个个H H+要合成要合成3 3个个ATPATP。第二十页，本课件共有45页光合膜上的电子与质子传递概况光合膜上的电子与质子传递概况红线表示电子传递，黑线表示质子传递，蓝线质子越膜运输红线表示电子传递，黑线表示质子传递，蓝线质子越膜运输第二十一页
21、，本课件共有45页(三三)光合光合电子子传递的的类型型o根据电子传递到根据电子传递到FdFd后去向，将光合电子传递分为三种类型。后去向，将光合电子传递分为三种类型。oo1.1.1.1.非非非非环环式式式式电电子子子子传递传递 o指水中的电子经指水中的电子经PSPS与与PSPS一直传到一直传到NADPNADP的电子传递途径的电子传递途径 oH HO PSPQCyt bO PSPQCyt b/fPCPSFdFNR NADP/fPCPSFdFNR NADP o按按非非环环式式电电子子传传递递，每每传传递递4 4个个e e-，分分解解2 2个个H H2 2O O，释释放放1 1个个O O2 2，还还原
22、原2 2个个NADPNADP+，需吸收需吸收8 8个光量子，量子产额为个光量子，量子产额为1/81/8，同时转运，同时转运8 8个个H H+进类囊体腔。进类囊体腔。第二十二页，本课件共有45页2.2.环式式电子子传递oo(1)PS(1)PS(1)PS(1)PS中中中中环环式式式式电电子子子子传递传递：由由经经FdFd经经PQPQ，Cyt Cyt b b6 6/f/f PCPC等等传传递递体体返返回回到到PSPS而构成的循环电子传递途径。即：而构成的循环电子传递途径。即：PSFdPQCytbPSFdPQCytb/fPCPS/fPCPS 环环式式电电子子传传递递不不发发生生H H2 2O O的的氧
23、氧化化，也也不不形形成成NADPHNADPH，但但有有H H+的的跨跨膜膜运运输输，可可产产生生ATPATP，每传递一个电子需要吸收一个光量子。每传递一个电子需要吸收一个光量子。oo(2)PS(2)PS(2)PS(2)PS中中中中环环式式式式电电子子子子传递传递：电电子子是是从从Q QB B经经CytbCytb559559，然然后后再再回回到到P680P680。即：。即：P680PheoQP680PheoQA AQQB BCytbCytb559559P680P680 也有实验指出也有实验指出PSPS中环式电子传递为：中环式电子传递为：P680 CytbP680 Cytb559559 Pheo
24、P680 Pheo P680Cytb559第二十三页，本课件共有45页3.3.假假环式式电子子传递o指水中的电子经指水中的电子经PSPS与与PSPS传给传给FdFd后再传给后再传给O O的电子传递途径，这也叫做梅勒的电子传递途径，这也叫做梅勒反应反应(Mehlers reaction)(Mehlers reaction)。oH HOPSPQCytbOPSPQCytb/fPC PSFd O/fPC PSFd O oFdFd还原还原+O+O2 2 FdFd氧化氧化+O+O2 2 o叶绿体中有超氧化物歧化酶叶绿体中有超氧化物歧化酶(SOD)(SOD)，能消除，能消除O O2 2-。o O O2 2-
25、+O+O2 2-+2H+2H2 2 SOD SOD 2H 2H2 2O O2 2+O+O2 2o假假环环式式电电子子传传递递实实际际上上也也是是非非环环式式电电子子传传递递，也也有有H H+的的跨跨膜膜运运输输，只只是是电电子的最终受体不是子的最终受体不是NADPNADP而是而是O O。第二十四页，本课件共有45页二、光合磷酸化二、光合磷酸化o19541954年阿农等人用菠菜叶年阿农等人用菠菜叶绿体，弗伦克尔绿体，弗伦克尔(A.M.Frenkel)(A.M.Frenkel)用紫色细菌用紫色细菌的载色体相继观察到，光的载色体相继观察到，光下向叶绿体或载色体体系下向叶绿体或载色体体系中加入中加入A
26、DPADP与与PiPi则有则有ATPATP产产生。生。o从从此此，人人们们把把光光下下在在叶叶绿绿体体(或或载载色色体体)中中发发生生的的由由ADPADP与与PiPi合合成成ATPATP的的反反应应称称为为光光合合磷磷酸化。酸化。第二十五页，本课件共有45页(一一)光合磷酸化的光合磷酸化的类型型.非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化 o与非环式电子传递偶联产生与非环式电子传递偶联产生ATPATP的反应的反应。o非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示。非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示。o2NADP2NADP+3ADP3ADP3Pi 3Pi 8h8h叶绿体叶绿体 2NADPH 2
27、NADPH3ATP3ATPO O2 2+2H+2H+H HO Oo在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成在进行非环式光合磷酸化的反应中，体系除生成ATPATP外，同时还有外，同时还有NADPHNADPH的产生和氧的释放。非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放的产生和氧的释放。非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有，它在光合磷酸化中占主要地位。氧生物所特有，它在光合磷酸化中占主要地位。.环式光合磷酸化环式光合磷酸化 o与环式电子传递偶联产生与环式电子传递偶联产生ATPATP的反应的反应。oADP ADP Pi Pi 光光 叶绿体叶绿体 ATP ATP H HO Oo环环式式光光合合磷
28、磷酸酸化化是是非非光光合合放放氧氧生生物物光光能能转转换换的的唯唯一一形形式式，主主要要在在基基质质片片层层内内进进行行。它它在在光光合合演演化化上上较较为为原原始始，在在高高等等植植物物中中可可能能起起着着补补充充ATPATP不足的作用。不足的作用。第二十六页，本课件共有45页.假环式光合磷酸化假环式光合磷酸化 o与假环式电子传递偶联产生与假环式电子传递偶联产生ATPATP的反应的反应。此种光合磷酸化。此种光合磷酸化既放氧又吸氧，还原的电子受体最后又被氧所氧化。既放氧又吸氧，还原的电子受体最后又被氧所氧化。o H HO+ADP O+ADP Pi Pi 光光 叶绿体叶绿体 ATP+O ATP+
29、O2 2-4H4H+第二十七页，本课件共有45页(二二)光合磷酸化的机理光合磷酸化的机理.光合磷酸化与电子传递的关系光合磷酸化与电子传递的关系-偶联偶联 三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联：三种光合磷酸化作用都与电子传递相偶联：o如在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂如在叶绿体体系中加入电子传递抑制剂,光合磷酸化就会停止；光合磷酸化就会停止；o在偶联磷酸化时，电子传递则会加快，所以在体系中加入磷酸化底物会促进电子在偶联磷酸化时，电子传递则会加快，所以在体系中加入磷酸化底物会促进电子的传递和氧的释放。的传递和氧的释放。o(发生电子传递而不伴随磷酸化作用称发生电子传递而不伴随磷酸化作用称解偶联解偶联
30、)磷酸化和电子传递的关系偶联可用磷酸化和电子传递的关系偶联可用ATP/eATP/e或或P/OP/O来表示。来表示。oATP/eATP/e:表示每对电子通过光合电子传递链而形成的表示每对电子通过光合电子传递链而形成的ATPATP分子数；分子数；oP/OP/O：表示光反应中每释放表示光反应中每释放1 1个氧原子所能形成的个氧原子所能形成的ATPATP分子数。比值越大，表示磷分子数。比值越大，表示磷酸化与电子传递偶联越紧密。酸化与电子传递偶联越紧密。o如如按按8 8个个H H+形形成成3 3个个ATPATP算算，即即传传递递2 2对对电电子子放放1 1个个O O2 2，能能形形成成3 3个个ATPA
31、TP，即即ATP/eATP/e或或P/OP/O理论值为理论值为1.51.5，而实测值在，而实测值在0.90.91.31.3之间。之间。第二十八页，本课件共有45页2.2.化学渗透学化学渗透学说 o关关于于光光合合磷磷酸酸化化的的机机理理有有多多种种学学说说，如如中中间间产产物物学学说说、变变构构学学说说、化学渗透学说等，其中被广泛接受的是化学渗透学说。化学渗透学说等，其中被广泛接受的是化学渗透学说。o化化学学渗渗透透学学说说(chemiosmotic(chemiosmotic theory)theory)由由英英国国的的米米切切尔尔(Mitchell(Mitchell1961)1961)提出，
32、该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：提出，该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：n由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子的透过具有选择性由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子的透过具有选择性 n具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜 n膜上有偶联电子传递的质子转移系统膜上有偶联电子传递的质子转移系统 n膜上有转移质子的膜上有转移质子的ATPATP酶酶 o在在解解释释光光合合磷磷酸酸化化机机理理时时，该该学学说说强强调调：光光合合电电子子传传递递链链的的电电子子传传递递会会伴伴随随膜膜内内外外两两侧侧产产生生质质子子动动力力(proton(
33、proton motive motive force,pmf)force,pmf)，并并由由质子动力推动的合成。质子动力推动的合成。许多实验都证实了这一学说的正确性。许多实验都证实了这一学说的正确性。第二十九页，本课件共有45页第三十页，本课件共有45页第三十一页，本课件共有45页参考参考（1)化学渗透学说的实验证据化学渗透学说的实验证据两阶段光合磷酸化实验两阶段光合磷酸化实验 o指光合磷酸化可以相对分成照光阶段和暗阶段来进行，照光指光合磷酸化可以相对分成照光阶段和暗阶段来进行，照光不向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物，而断光时再加入底物能不向叶绿体悬浮液中加磷酸化底物，而断光时再加入底物能形成形成
34、ATPATP的实验。的实验。o19621962年，中国的沈允钢等人，用此实验探测到光合磷酸化高年，中国的沈允钢等人，用此实验探测到光合磷酸化高能态能态(Z(Z*)的存在。的存在。o19631963年年贾贾格格道道夫夫(Jagendorf)(Jagendorf)等等也也观观察察到到了了光光合合磷磷酸酸化化高高能能态态的的存存在在。起起初初认认为为Z Z*是是一一种种化化学学物物质质，以以此此提提出出了了光光合合磷磷酸酸化化中中间间物物学学说说。现现在在知知道道高高能能态态即即为为膜膜内内外外的的H H+电电化化学学势势。所所谓谓两两阶阶段段光光合合磷磷酸酸化化，其其实实质质是是光光下下类类囊囊体
35、体膜膜上上进进行行电电子子传传递递产产生生了了跨跨膜膜的的H H+电电化化学学势势，暗暗中中利利用用H H+电电化化学学势势将加入的将加入的ADPADP与与PiPi合成合成ATPATP。第三十二页，本课件共有45页 酸酸-碱磷酸化实验碱磷酸化实验o贾格道夫等(1963)在暗中把叶绿体的类囊体放在p4的弱酸性溶液中平衡，让类囊体膜腔的下降至4，然后加进pH8和含有ADP和Pi的缓冲溶液，这样瞬间的pH变化使得类囊体膜内外之间产生一个H+梯度。这个H梯度能使ADP与Pi生成ATP，而这时并不照光，也没有电子传递。这种驱动ATP合成的类囊体内外的pH差在活体中正是由光合电子传递和H+转运所形成的。这
36、一酸-碱磷酸化实验给化学渗透假说以最重要的支持证据。第三十三页，本课件共有45页光下类囊体吸收质子的实验光下类囊体吸收质子的实验o对无对无pHpH缓冲液的叶绿体悬浮液照光，缓冲液的叶绿体悬浮液照光，用用pHpH计可测到悬浮液的计可测到悬浮液的pHpH升高。这升高。这是由于光合电子传递引起了悬浮液是由于光合电子传递引起了悬浮液中质子向类囊体膜腔运输，使得膜中质子向类囊体膜腔运输，使得膜内内H H+浓度高而膜外较低的缘故。浓度高而膜外较低的缘故。o电子传递产生了质子梯度后，质子电子传递产生了质子梯度后，质子就有反向跨膜转移的趋向，质子反就有反向跨膜转移的趋向，质子反向转移时，质子梯度所贮藏的能量向
37、转移时，质子梯度所贮藏的能量就被用去合成就被用去合成ATPATP。o以以上上实实验验都都证证实实了了米米切切尔尔的的化化学学渗渗透透学学说说的的正正确确性性，因因而而米米切切尔尔获获得得了了19781978年度的诺贝尔化学奖。年度的诺贝尔化学奖。第三十四页，本课件共有45页(2)H(2)H+电化学势与质子动力了解电化学势与质子动力了解oe e传递与传递与H H+向膜内的运转向膜内的运转,还会引起类囊体膜的电势变化，从而产生还会引起类囊体膜的电势变化，从而产生H H+电化电化学势差学势差(H(H+)：oHH+=H=H+内内-H-H+外外 =RT(ln H =RT(ln H+内内-ln H-ln
38、H+外外)+F(E)+F(E内内-E-E外外)=RTln(H =RTln(H+内内/H/H+外外)+FE)+FE =2.3RTpH+FE =2.3RTpH+FE o式中式中R R气体常数，气体常数，T T绝对温度绝对温度(K)(K)，F F法拉第常数，法拉第常数，EE膜电势膜电势(V)(V)o2525时，时，HH+=5.7pH(kJ=5.7pH(kJmolmol-1-1)+96.5E(kJ)+96.5E(kJmolmol-1-1)o将式将式4-314-31两边用两边用F F(96.5kJ(96.5kJmolmol1 1V V1 1)除，规定除，规定HH+/F/F为质子动力，为质子动力，其单位为
39、电势其单位为电势(V)(V)。在。在2525时：时：pmf=0.059pH+Epmf=0.059pH+E o叶叶绿绿体体类类囊囊体体膜膜的的质质子子动动力力大大部部分分是是来来自自pHpH部部分分，电电荷荷分分布布所所产产生生的的E E的的贡贡献献很很小小，原原因因是是其其它它离离子子，如如ClCl、K K+或或MgMg2+2+也也能能穿穿透透类类囊囊体体膜膜，当当H H+穿穿透透类类囊囊体体膜膜时时，ClCl可可以以与与H H+同同向向穿穿透透，或或MgMg2+2+与与H H+(1Mg(1Mg2+2+/2H/2H+)反反向向穿穿透，这样就保持了电中性，结果不产生电势差。透，这样就保持了电中性
40、，结果不产生电势差。第三十五页，本课件共有45页3.ATP3.ATP合合成成的的部部位位ATPATP酶了解了解 o质子反向转移和合成质子反向转移和合成ATPATP是在是在ATPATP酶酶(ATPase)(ATPase)上进行的。上进行的。ATPATP酶又叫酶又叫ATPATP合合成酶，也称成酶，也称偶联因子偶联因子或或CFCF1 1-CF-CFo o复合体复合体。o叶绿体的叶绿体的ATPATP酶由两个蛋白复合体组成：酶由两个蛋白复合体组成：一个是突出于膜表面的亲水性的一个是突出于膜表面的亲水性的“CFCF1 1”；另一个是埋置于膜中的疏水；另一个是埋置于膜中的疏水性的性的“CFoCFo”。oAT
41、PATP酶酶由由九九种种亚亚基基组组成成，分分子子量量为为550 550 000000左左右右，催催化化的的反反应应为为磷磷酸酸酐酐键键的的形形成成，即即把把ADPADP和和PiPi合合成成ATPATP。另另外外ATPATP酶酶还还可可以以催催化化逆逆反反应应，即即水水解解ATPATP，并并偶偶联联H H+向类囊体膜内运输。向类囊体膜内运输。第三十六页，本课件共有45页 亚基和亚基和亚基交替排列组成亚基交替排列组成“六六角形角形”的的“头部头部”，亚基位于亚基位于“六角形六角形”的中央空隙，的中央空隙，亚基位于亚基位于“柄部柄部”，亚基与亚基与亚基与亚基与CFCF0 0结结合。合。oo亚基亚基
42、亚基亚基有结合核苷酸的部位，在进行有结合核苷酸的部位，在进行催化时可能发生构象变化；催化时可能发生构象变化；oo亚亚亚亚基基基基是是合合成成和和水水解解ATPATP分分子子的的催催化化位置；位置；oo亚基亚基亚基亚基控制控制CFCF1 1转动和质子流；转动和质子流；oo亚基亚基亚基亚基也许与也许与CFCF0 0的结合有关；的结合有关；oo亚亚亚亚基基基基似似乎乎能能抑抑制制CFCF1 1-CF-CFo o复复合合体体在在暗中的活性，防止暗中的活性，防止ATPATP的水解。的水解。o和和亚亚基基还还有有阻阻塞塞经经CFCFo o的的质质子子泄泄漏的作用。漏的作用。CF1CFCF1 1的分子量约的
43、分子量约400000400000，它含，它含有有,和和55种亚基。种亚基。:3:3:1:1:13:3:1:1:1第三十七页，本课件共有45页CFo o含有四个亚基：含有四个亚基：、和和。是多聚体，可能含有是多聚体，可能含有1515个多肽。个多肽。o:1:1:12:1 1:1:12:1 o和和组成柄，组成柄，形成质子通道，形成质子通道，亚基的功能可能与建立质子转移通道亚基的功能可能与建立质子转移通道或与结合或与结合CFCF1 1有关。有关。o当当类类囊囊体体膜膜失失去去CFCF1 1后后，就就失失去去磷磷酸酸化化功功能能，如如果果重重新新加加进进CFCF1 1即即可可恢恢复复磷磷酸酸化化功功能能
44、。失失去去了了CFCF1 1的的类类囊囊体体膜膜会会泄泄漏漏质质子子。但但是是一一旦旦将将CFCF1 1加加回回到到膜膜上上或或是是加加进进CFCFo o的的抑抑制制剂剂后后，质质子子泄泄漏漏就就停停止止了了。这这表表明明CFCFo o是是质质子子的的“通通道道”，供应质子给，供应质子给CFCF1 1去合成去合成ATPATP。至于至于CFCF1 1如何利用如何利用H H越膜越膜所释放的能量来合成所释放的能量来合成ATPATP，虽，虽有很多假说，但都需进一步验有很多假说，但都需进一步验证。当前起主导的假说为证。当前起主导的假说为结合结合转化机制的变构学说转化机制的变构学说第三十八页，本课件共有4
45、5页结合转化机制的变构学说参考结合转化机制的变构学说参考结合转化机制的变构学说参考结合转化机制的变构学说参考 该该学说由学说由Paul BoyerPaul Boyer提出，他认为，在提出，他认为，在ATPATP形成过程中，与形成过程中，与ATPATP合成酶合成酶的的3 3个个亚基各具一定的构象，分别称为紧绷亚基各具一定的构象，分别称为紧绷(tight)(tight)、松驰、松驰(loose)(loose)和开和开放放(open)(open)，各自对应于底物结合、产物形成和产物释放的三个过程，各自对应于底物结合、产物形成和产物释放的三个过程(见图见图)。ATP合成的结合转化机制合成的结合转化机制
46、-亚基的转动引起亚基的转动引起亚基的构象依紧绷亚基的构象依紧绷(T)(T)、松驰、松驰(L)(L)和开放和开放(O)(O)的顺序变化的顺序变化，完成，完成ADPADP和和PiPi的结合、的结合、ATP ATP的形成以及的形成以及ATPATP的的释放三个过程释放三个过程。第三十九页，本课件共有45页构象的相互依次转化是和质子的通过引起构象的相互依次转化是和质子的通过引起亚基的旋转相偶联的。当质亚基的旋转相偶联的。当质子顺质子电化学梯度流过子顺质子电化学梯度流过FoFo，使，使亚基转动，亚基转动，亚基的转动引起亚基的转动引起亚基的构亚基的构象依紧绷象依紧绷(T)(T)、松驰、松驰(L)(L)和开放
47、和开放(O)(O)的顺序改变，使的顺序改变，使ATPATP得以合成并从复合体上得以合成并从复合体上释放。释放。具体说，具体说，ADPADP和和PiPi与的与的开放状态的开放状态的亚基结合；在质子流的推亚基结合；在质子流的推动下动下亚基的转动使亚基的转动使亚基转变为松驰状态并在较少能量变化亚基转变为松驰状态并在较少能量变化情况下，情况下，ADPADP和和PiPi自发地形成自发地形成ATPATP，再进一步转变为，再进一步转变为紧绷状态；紧绷状态；亚基继续变构成松驰状态，使亚基继续变构成松驰状态，使ATPATP的的释放释放，并可以再次结合，并可以再次结合ADPADP和和PiPi进行下一轮的进行下一轮
48、的ATPATP合成。在合成。在ATPATP合成的整个过程中，能量消耗合成的整个过程中，能量消耗的步骤主要在的步骤主要在ATPATP的的释放，释放，而不是而不是ATPATP的合成。的合成。第四十页，本课件共有45页按照按照BoyerBoyer的结合改变机理或旋转理论，的结合改变机理或旋转理论，CF1CF1的的3 3个亚基应是均等地参与催化个亚基应是均等地参与催化反应。但有人对此持有不同看法，并已发现了一些反应。但有人对此持有不同看法，并已发现了一些CF1CF1的的3 3个亚基不是均等地参与个亚基不是均等地参与催化反应的证据，于是提出了非旋转的催化反应的证据，于是提出了非旋转的2 2点催化机理与之
49、抗争。深信这些争论将会点催化机理与之抗争。深信这些争论将会进一步促进进一步促进ATPATP合酶结构功能研究的深入和发展。合酶结构功能研究的深入和发展。第四十一页，本课件共有45页4.4.光合磷酸化的抑制光合磷酸化的抑制剂叶叶绿绿体体进进行行光光合合磷磷酸酸化化，必必须须：(1)(1)类类囊囊体体膜膜上上进进行行电电子子传传递递；（2)2)类类囊囊体体膜膜内内外外有有质质子子梯梯度度；(3)(3)有有活活性性的的ATPATP酶酶。破破坏坏这这三三个个条条件件之之一一的的试试剂剂都都能能使使光光合合磷磷酸酸化化中中止止，这这些试剂也就成了光合磷酸化的抑制剂。些试剂也就成了光合磷酸化的抑制剂。o(1
50、)(1)电子子传递抑抑制制剂 指指抑抑制制光光合合电电子子传传递递的的试试剂剂，如如羟羟胺胺(NH(NH2 2OH)OH)切切断断水水到到PSPS的的电电子子流流，DCMUDCMU抑抑制制从从PSPS上上的的Q Q到到PQPQ的的电电子子传传递递；KCNKCN和和HgHg等等则则抑抑制制PCPC的的氧氧化化。一一些些除除草草剂剂如如西西玛玛津津(simazine)(simazine)、阿阿特特拉拉津津(atrazine)(atrazine)、除除草草定定(bromacil)(bromacil)、异异草草定定(isocil)(isocil)等等也也是是电子传递抑制剂，它们通过阻断电子传递抑制光合