光合碳同化及其调节.ppt

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1、第二章第二章 光合作用光合作用碳同化及其调控碳同化及其调控Formation of assimilate powerin thylakoid membraneCarbonhydrate PCR活跃的化学能转化为稳定的化学能活跃的化学能转化为稳定的化学能一、一、C C3 3途径及调节途径及调节二、二、C C4 4途径及调节途径及调节三、三、CAMCAM途径及调节途径及调节一、一、C3途径途径C3途途径径(又又名名Calvin cycle,RPPP)是是指指光光合合作作用用中中CO2固固定定后后的的最最初初产产物物是是三三碳碳化化合合物物的的CO2同同化化途途径径，是是植植物物光光合合作作用用最最

2、基本和最普遍的途径基本和最普遍的途径。只具有只具有C3途径的植物称途径的植物称C3植物。植物。如水稻、棉花、菠菜、青菜如水稻、棉花、菠菜、青菜。部分 C3 植物图小麦小麦水水稻稻棉棉花花芜芜菁菁Calvin 及合作者当年使用的实验装置（引自Buchanan等2000）Calvin因阐明光合作用CO2同化全过程Calvin 循环，获1961年诺贝尔化学奖图1 C3途径（卡尔文循环）图（引自Buchanan等2000）1.羧化阶段羧化阶段(Carboxylation phase):Rubisco（ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)羧化反

3、应催化羧化反应催化。H2COP C=O HCOH HCOHH2COPRuBP+CO2RubiscoMg2+,H2O COOH HCOH +H2COP COOH HCOH H2COP2 3-PGAribulose-1,5-bisphosphate3-phosphoglycerate 2.还原阶段还原阶段(Reduction phase):这是利用这是利用“同化力同化力”把把3-PGA还原为还原为GAP（glyceraldehyde-3-phosphate)的过程。的过程。COOH HCOH H2COP COOP HCOH H2COP HCO HCOH H2COPPGA KinaseATP ADP

4、GAP dehydrogenaseNADPH NADP3-PGA1,3-PGAGAPPiH2COP C=O HOCH HCOHH2COP HCOHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPCOOH HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPNADP NADPH123453.RuBP 再生阶段（再生阶段（Regeneration phase）:H2COP C=O HOCH HCOHH2COP HCOHH2COH C=O HOCH HCOHH2COP HCOHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPCOOH

5、 HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPNADP NADPH123456PiH2COP C=O HOCH HCOHH2COP HCOH HCO HCOHH2COP HCOHH2COH C=O HOCH HCOHH2COP HCOHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=OHOCH HCOHH2COPCOOH HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPNADP NADPH123456Pi7H2COP C=O HOC

6、H HCOHH2COP HCOH HCO HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COPH2COH C=O HOCH HCOHH2COP HCOHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=OHOCH HCOHH2COPCOOH HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPNADP NADPH1234568Pi7H2COP C=O HOCH HCOHH2COP HCOH HCO HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2C

7、OP HCOHH2COPH2COH C=O HOCH HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=OHOCH HCOHH2COPCOOH HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPNADP NADPH12345689PiPi7H2COP C=O HOCH HCOHH2COP HCOH HCO HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COP HCO HCO

8、H HCOH HCOHH2COPH2COH C=O HOCH HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=OHOCH HCOHH2COPCOOH HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPNADP NADPH1234568910PiPi7H2COP C=O HOCH HCOHH2COP HCOH HCO HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COP H

9、CO HCOH HCOH HCOHH2COPH2COH C=O HOCH HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=OHOCH HCOHH2COPCOOH HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPNADP NADPH12345689121110PiPi7H2COP C=O HOCH HCOHH2COP HCOH HCO HCOHH2COP HCOH C

10、=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COP HCO HCOH HCOH HCOHH2COPH2COH C=O HOCH HCOHH2COP HCOH C=O HOCH HCOH HCOHH2COP HCOHH2COHH2COP C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=O HCOH HCOHH2COPH2COH C=OHOCH HCOHH2COPCOOH HCOHH2COPCOOP HCOHH2COPHCO HCOHH2COPH2COH C=OH2COPCO2ADP ATPATPADPNADP NADPH1234568912111310PiPi7C3途径的能耗途

11、径的能耗:1 CO2 3-PGA(2)3-PGA(2)3-PGA(2)1,3-PGA(2):3-PGA(2)1,3-PGA(2):ATP(2)ATP(2)1,3-PGA(2)3-GAP:1,3-PGA(2)3-GAP:NADPH2(2)(2)Ru5P RuBP:Ru5P RuBP:ATPATP结论结论:C3植物固定植物固定1分子分子CO2实际上消耗实际上消耗3分子分子ATP和和2分子分子NADPH2。（二）（二）C3途径的调节途径的调节1、铁氧还蛋白、铁氧还蛋白硫氧还蛋白系统的调节硫氧还蛋白系统的调节NADP-甘油醛甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶FBP酯酶酯酶SBP酯酶酯酶Ru5P激酶激酶以

12、及的以及的NADP-苹果酸脱氢酶（苹果酸脱氢酶（C4途径中）途径中）FTRTrxFdTrx fTrx m FBPase NADP-MDH图2 铁氧还蛋白硫氧还蛋白系统调节酶活性示意图 图3 FTR及硫氧还蛋白的不同类型（引自Buchanan等2000）2、Rubisco活性的调节活性的调节（1）Rubisco的结构的结构 全酶结构的多样性。全酶结构的多样性。型有型有L8S8构成，构成，主要存在能够进行光合作用的生主要存在能够进行光合作用的生物中，如高等植物、真核藻类、蓝藻、光能及化物中，如高等植物、真核藻类、蓝藻、光能及化能自养细菌等能自养细菌等。大亚基一级结构高度同源，小亚大亚基一级结构高度

13、同源，小亚基同源性低。基同源性低。型有型有L2n构成，构成，主要光能及化能合成细菌中。主要光能及化能合成细菌中。与与型同源性型同源性28%，但其活性位点高度保守但其活性位点高度保守。型呈型呈LX结构，结构，嗜热古菌中，与嗜热古菌中，与型和型和型同源型同源性性30-40%，羧化和加氧反应的基团全部保守。羧化和加氧反应的基团全部保守。型又称型又称Rubisco拟蛋白，拟蛋白，存在于非光合细菌及存在于非光合细菌及部分不依赖卡尔文循环的光合细菌和古菌中，与部分不依赖卡尔文循环的光合细菌和古菌中，与、型相比，型相比，缺失了很多保守序列。（见表缺失了很多保守序列。（见表1）。图图4 菠菜的菠菜的Rubis

14、co全酶及活性位点全酶及活性位点(引自引自Spreitzer等等2002)图图4A显示，菠菜的显示，菠菜的Rubisco全酶是由全酶是由8个大亚基（深兰个大亚基（深兰和浅兰）及和浅兰）及8个小亚基（红个小亚基（红和橙色）组成，黄色的相邻和橙色）组成，黄色的相邻的大亚基的活化位点的大亚基的活化位点LOOP6。图。图4B显示显示C-末端末端/桶状结构域，在桶状结构域，在折叠折叠（绿色）和（绿色）和 螺旋（红色）螺旋（红色）间的间的LOOP含有瞬时态同系含有瞬时态同系物羧基阿拉伯酮糖物羧基阿拉伯酮糖-1，5-二二磷酸（磷酸（CABP，黑色）。，黑色）。图图4C显示来自相邻的大亚基的显示来自相邻的大亚

15、基的C-末端残基（浅兰）与末端残基（浅兰）与另一个大亚基的另一个大亚基的N-末端残基（深兰）及末端残基（深兰）及CABP的互作。的互作。Mg2+用灰色球表示，红色代表氧原子。用灰色球表示，红色代表氧原子。（2）Rubisco活性的光调节活性的光调节A.Rubisco 活化态活化态EACO2+Mg2+EACO2Mg2+ECO2Mg2+（钝化态）（钝化态）（钝化态）（钝化态）（活化态）（活化态）在在pH8的条件下氨甲酰化的条件下氨甲酰化 -H+-H+,+CO2 +Mg2+Lys-NHE-Lys-NH3+E-Lys-NH2 E-Lys-NH-COO-E COO-+H+H+,-CO2 Mg2+Mg2+

16、ECMH2COP C=O HCOH HCOHH2COPRuBP+CO2RubiscoMg2+,H2O COOH HCOH +H2COP COOH HCOH H2COP2 3-PGAribulose-1,5-bisphosphate3-phosphoglycerateCO2连接到哪个连接到哪个C上上?B.Rubisco催化反应催化反应:羧化RuBP的烯醇化CH2O P+C=OHCOHCH2O PHCOHBOHC-CHO CHO PCH2O PHCOHOHC-CHO CHO PCH2O PHCOHSCO2SCOOMg2+OOAC-NLYS-EOCCHO CHO PCH2O PHCOHSCOOMg2

17、+OOAC-NLYS-OHHH-O-C=OCH2O PHCOHMg2+OOAC-NLYS-SCOO-C=CH2O PHOH+H-O-C=OCH2O PHCOHEE加氧RuBP的烯醇化R1C=OHCOHBOHCCHO R2OHCCHO R1O2C=OHOH-O-C=OR2R2R2O-O HO R1CCR2O-O-O-HO R1CCR2OO-O-HO-R1R2 在光下由于电子传递引起在光下由于电子传递引起PQ穿梭，穿梭，H+从间质转向类囊体腔，同时从间质转向类囊体腔，同时Mg2+、K+等离子作为等离子作为H+的反离子由类囊体腔向间的反离子由类囊体腔向间质转移。引起间质质转移。引起间质pH、Mg2+

18、离子浓度上离子浓度上升，达到反应所需的升，达到反应所需的pH8.0左右，及活化左右，及活化因子因子Mg2+浓度上升，使浓度上升，使Rubisco活化。在活化。在暗中类囊体腔内外的梯度消失，间质中暗中类囊体腔内外的梯度消失，间质中Mg2+浓度下降，使酶钝化。浓度下降，使酶钝化。（3）Rubisco活化酶（活化酶（RCA）对对Rubisco活性的调节活性的调节Rubisco在暗中和催化过程中的失活模式在暗中和催化过程中的失活模式cDNA Sequences of OsRCA I&OsRCA II 从从cDNA序列上看，序列上看，OsRCA II 比比OsRCAI 要长，要长，但是由于其提前出现但是

19、由于其提前出现GAG终止密码子，故其表达的蛋白反而要短些。终止密码子，故其表达的蛋白反而要短些。OsRCA II:OsRCA I:To et al.(1999).Planta 209(1):66-76 OsRCA I(大亚基，大亚基，45kDa)OsRCA II（小亚基，（小亚基，41kDa）3D View of OsRCA I and OsRCA IIFig 1 Three dominion of rice RCA By:3D-JIGSAW(version 2.0)Time of day(oclock,Beijing time)Diurnal changes of net photosynt

20、hetic rate(Pn),initial Rubisco activity(IRA)and Rubisco activase activity(RCA)of the rice flag leaf in two cultivars WT132WT:野生型中花111、2、3:反义rca转基因植株RCA反义转基因对光合作用的影响RCA对对Rubisco的调节作用的调节作用在ATP存在下，RCA能解除磷酸糖对光合碳同化限速酶Rubisco活力的抑制，即具有激活Rubisco的功能。图5 Rubisco活化酶活化Rubisco模型 （引自Portis，2003）此外，质量作用定律、叶绿体同化此外，质

21、量作用定律、叶绿体同化物的输出、体内无机磷浓度等调节着物的输出、体内无机磷浓度等调节着C3途径，这里不再论述。途径，这里不再论述。二、C4途径及调节(一)C4途径(C4二羧酸途径）甘蔗等固定CO2后的初产物是四碳二羧酸草酰乙酸（OAA），又名Hatch-Slack途径。具有C4固定CO2途径加C3途径的植物叫C4植物。7500种，占陆生植物的3%。大多为禾本科杂草,农作物中只有玉米、高粱、甘蔗、黍与粟等数种。C4植物高梁甘蔗 粟苋菜玉米图6 C4途径大致分为CO2固定，CO2转移和PEP再生三个阶段，根据脱羧过程催化的酶的不同可以分为NADP-苹果酸酶亚类（如玉米、高 粱、甘 蔗）、NAD-苹

22、果酸酶亚类（如马龄苋、黍等）和PEP羧激酶亚类（盖氏狼尾草、大黍等）。1 CO2 Fixation叶肉细胞。叶肉细胞。PEPCase(phosphoenolpyruvate carboxylase)催化PEP加HCO3-形成OAA(oxaloacetic acid)PEP OAA图图7 磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸羧羧化化酶酶（PEPC）利利用用底底物物PEP和和HCO3-形形成成草草酰酰乙乙酸酸（OAA）.首首先先，是是在在酶酶的的催催化化中中心心，PEP中中的的高高能能磷磷酸酸键键转转移移结结HCO3-形形成成磷磷脂脂酰酰碳碳酸酸；其其次次，丙丙酮酮酸酸变变构构磷磷脂脂酰酰碳碳酸酸释释

23、放放出出CO2，最终形成，最终形成OAA2.CO2 转移根据脱羧酶类不同，C4途径植物分为三种类型（）NADP-苹果酸酶类型:玉米、高粱、甘蔗属于这一类型。PEP：phosphoenolpyruvate;OAA:oxaloacetate;Mal:malate;Pyr:pyruvate;PPDK:phosphopyruvate dikinasePEPCO2HCO3-OAAOAAMalNADPH NADPPyrPyrPPDKMalNADPNADPHCO2RuBP3PGAC3途径途径ATP AMPATP 2ADP叶肉细胞维管束鞘细胞PiPEPC（）NAD-苹果酸酶类型:马龄苋、黍等属于这一类型。As

24、pPyrAspNADNADHCO2RuBP3PGAC3途径途径叶肉细胞维管束鞘细胞PEPCO2HCO3-OAAPyrPPDKATP AMPATP 2ADPPiPEPCOAAMalAla-KG GluGlu -KG（）PEP-羧激酶类型:盖氏狼尾草、大黍等属于这一类型。AspPEPAspCO2RuBP3PGAC3途径途径叶肉细胞维管束鞘细胞PEPCO2HCO3-OAAPyrPPDKATP AMPATP 2ADPPiPEPCOAAAla Pyr-KG GluGlu -KGATPADPPEPCase对对HCO3-的亲和力很强的亲和力很强,有把外有把外界低浓度界低浓度CO2浓缩到维管束鞘细胞中的作浓缩

25、到维管束鞘细胞中的作用用“CO2泵泵”。C3-Wheat has no chloroplasts in bundle sheath cellsC4-Maize has chloroplasts in bundle sheath cells维管束鞘细胞MCABMCBSBS图图8 C4植物高粱（植物高粱（A，引自，引自Buchanan等等2000）和苋菜）和苋菜（B，Hong等等2005）叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿）叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体结构体结构（Rubisco RCA均可定位在两种细胞中）均可定位在两种细胞中）图图9一一些些植植物物中中单单个个绿绿色色细细胞胞中中进进行行C3和和C4

26、途途径径的的（Taiz等等，2006），它它们们在在细细胞胞的的外外区区域域叶叶绿绿体体密密度度较较低低，接接近近维维管管束束区区域域叶叶绿绿体体密密度度大大，并并有有大大量量的的线线粒粒体体，内内外外区区域域的的胞胞质质存存在在扩扩散散障障碍碍。研研究究表表明明，细细胞胞外外区区域域发发生生C4途途径径，转转入入内内区区域脱羧并行使域脱羧并行使C3途径。途径。PEP 再生PEPPyrPPDKATP AMP+PPiATP 2ADPC4植物固定植物固定1分子分子CO2为磷酸丙糖为磷酸丙糖,实际消耗实际消耗5分子分子ATP。（二）（二）C4途径的调节途径的调节C4 光合途径在光下活化，暗中钝化，光

27、合途径在光下活化，暗中钝化，主要是主要是PEPC，NADP-苹果酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶和丙酮酸磷酸双激酶（丙酮酸磷酸双激酶（PPDK）在光下活化）在光下活化和暗中钝化的结果，三种酶调节的机制和暗中钝化的结果，三种酶调节的机制各不相同。各不相同。1、NADP-苹果酸脱氢酶调节Fd-Td系统调节、PPDK受磷酸化调节，其磷酸基团来自ADP（图10）。图10 PPDK在光下活化和暗中钝化示图（引自Buchanan等2000）2、PEPC活性调节图11 PEPCase 在光下活化和暗中钝化示图（引自Buchanan等2000）PEPC活性由磷酸化和脱磷酸化调节，该过程由PEPC激酶催化，当在光下ATP

28、合成增加时，PEPC在其激酶的催化下，丝氨酸残基上羟基被磷酸化，激活成高活性的酶。图图12 玉米玉米PEPC的三维的三维结构（结构（Izzui等，等，2004）分子量分子量95-110kDa，通过对，通过对E.coli和玉米的和玉米的PEPC结构，结合点突变分析对其催化机制和结构，结合点突变分析对其催化机制和变构有了充分的认识（变构有了充分的认识（Izzui等，等，2004）。）。4个个亚基两两结合，单体与单体的结合面是亚基两两结合，单体与单体的结合面是30002，二聚体间的结合面为，二聚体间的结合面为450 2（图（图12）。）。兰、紫、红、绿分别代表兰、紫、红、绿分别代表4个亚基，个亚基，

29、Z为为X-衍衍射扫描面，射扫描面，X为水平旋转为水平旋转90度，度，Y垂直旋转垂直旋转90度。度。种二级结构在玉米和种二级结构在玉米和E.coli完全必要，红色和蓝色是确认的相同完全必要，红色和蓝色是确认的相同氨基酸残基。高度保守的是氨基酸残基。高度保守的是C-末端的末端的折叠桶。从折叠桶。从E.coli PEPC分析，分析，Mn2+和和PEP同系物同系物DCDP（PEPC活性的强抑制剂）结合活性的强抑制剂）结合在绿色的在绿色的B区域，区域，Asp结合在红色的结合在红色的C区域；而硫酸盐结合在蓝区域；而硫酸盐结合在蓝色色D区域。区域。图图13 玉米玉米PEPC的单体的单体结构（结构（A）及）及

30、Mn2+和和DCDP结合部位（结合部位（B），），Asp结合部位（结合部位（C），硫），硫酸盐结合部位（酸盐结合部位（D）根据根据Z中红色亚基所中红色亚基所构成的单体结构，图构成的单体结构，图13A。有。有8个个折叠桶和折叠桶和42个个螺旋，多肽的螺旋，多肽的85%是是螺螺旋，旋，5%是是折叠，这折叠，这在在E.coli中，中，Asp结合在离酶催化位点结合在离酶催化位点20处。处。R647，K835，R894和和N968（括弧中为玉米序列）（括弧中为玉米序列）完全保守。残基完全保守。残基N968是深埋于分子内高度保守区是深埋于分子内高度保守区（966-970）的成员，是催化活性必需的。玉米中硫

31、）的成员，是催化活性必需的。玉米中硫酸盐结合在离活化位点酸盐结合在离活化位点15处，硫酸盐的周围有处，硫酸盐的周围有4个个带正电荷的氨基酸残基，带正电荷的氨基酸残基，R183，R184，R231和和R372（图（图13D）。这）。这4个氨基酸在所有个氨基酸在所有PEPC中都是中都是保守的，在植物中严格不变。硫酸盐附近有一个疏保守的，在植物中严格不变。硫酸盐附近有一个疏水袋，认为是活化因子水袋，认为是活化因子G6P结合处，此外在结合处，此外在301-443处也是处也是G6P活化所必需的。活化所必需的。图14 PEPC的催化和调节位点LOOP动态结构 A-玉米活化状态（蓝色）和E.coli的钝化状

32、态（黄白色）LOOP，B-LOOP可能结构。图15 PEPC的催化反应机制三、三、景天酸代谢景天酸代谢(CAM)途径及调节途径及调节具具有有CAM途途径径和和C3途途径径的的植植物物叫叫CAM植植物物。它它们们多多属属肉肉质质或或半半肉肉质质植植物物,如如景景天天、仙仙人人掌掌、菠菠萝萝、剑剑麻麻等等，有有20000-30000种，种，适应干热条件。适应干热条件。CAM植物图（由王忠教授提供）鸡冠掌红司锦晃星静夜（一）CAM 途径途径 图17 CAM植物CO2同化途径（引自Taiz等，2006）夜间夜间CAM植物气孔开放植物气孔开放,C4途径固定途径固定CO2，淀粉减少淀粉减少,苹果酸增加苹果酸增加,细胞液变酸。白天气细胞液变酸。白天气孔关闭孔关闭,利用光能，利用光能，C3途径同化途径同化CO2，苹果苹果酸减少酸减少,淀粉增加淀粉增加,细胞液细胞液pH上升上升(pH6.0左右)。（二）（二）CAM途径的调节途径的调节图图17 CAM植物植物PEPC基因表达和活化的调节基因表达和活化的调节（引自（引自Taiz等，等，2006，HOME:CHAPTER 8:Essay 8.1）谢谢