第三章植物的光合作用(3)讲解学习.ppt

第五节第五节 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 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（卡尔文循环）基本途径，所有植物必经之路C4途径（四碳二羧酸途径）CO2固定的分支，C4植物特有CAM途径（景天科酸代谢途径）CO2固定的分支，CAM植物特有 C3途径C4途径CAM途径固定CO2CO2CO2糖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)双向纸层析技术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 1.C3途径的发现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与定时取与定时取样样 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。

(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 图 用来研究光合藻类CO2固定仪器的图解 (3)(3)鉴定分离物鉴定分离物 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分子 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，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1，7-二磷酸(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) 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(一) C途径的反应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。

羧化、还原、再生羧化、还原、再生一分子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 3RuBP+3CO2+3H2O Rubisco 6PGA + 6H+ Rubisco具有双重功能在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（CABP），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PGA2)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 磷酸化和还原当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+ 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2000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C4植物维管束被发育良好的大型维管束鞘细胞（BSC）包围，外面又密接1-2层叶肉细胞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栅栏组织与海绵组织分化不明显，叶片两侧颜色差异小两类光合细胞中含有不同的酶类叶肉细胞PEPC等； BSC-Rubisco等参与C3途径的酶、乙醇酸氧化酶以及脱羧酶有两类光合细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞(BSC)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： 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)； 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。

C4植物叶的结构以及 C4 植物光合碳代谢的基本反应 PEPC.PEP羧羧化酶; PPDK.丙酮酸磷酸二激酶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 碳酸酐酶 (CA) CO2 +H2O CA HCO3- + H+ PEPC是胞质酶，主要分布在叶肉细胞的细胞质中，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，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)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 PPDK (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 C4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)鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用 3)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； 4)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的额外需求但是C4植物同化CO2消耗的能量比C3植物多，也可以说这个“CO2泵”是要由ATP来开动的，故在光强及温度较低的情况下，其光合效率还低于C3植物。

可见C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式 三、景天科酸代谢途径(一)CAM在植物界的分布与特征 景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAMCAM ( Crassulacean acid metabolism)途径景天科酸代谢植物（景天科、仙人掌和菠萝等），通过白天减少有机酸，晚上增加有机酸，而固定CO2的光合途径 CAM最早是在景天科植物中发现的，目前已知在近30个科，1万多个种的植物中有CAM途径，主要分布在景天科、仙人掌科、兰科、凤梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中其中凤梨科植物达1千种以上，兰科植物达数千种，此外还有一些裸子植物和蕨类植物 CAM植物起源于热带，往往分布于干旱的环境中，多为肉质植物，具有大的薄壁细胞，内有叶绿体和液泡 常见的CAM植物有菠萝、剑麻、兰花、百合、仙人掌、芦荟、瓦松等剑麻落地生根龙舌兰瓦松芦荟COCO固定昼夜变化分为固定昼夜变化分为4 4个阶段：个阶段： 1.阶阶段 PEPC的羧化阶段夜间气孔开启，CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者还原成苹果酸贮存于液泡。

此间CO2固定约占全天固定CO2的3/4左右，而白天贮存的葡聚糖在此期间用于形成PEP 2.阶阶段 由PEPC羧化转。