關于植物的光合作用二第1頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五一.C3途徑糖和淀粉等碳水化合物是光合作用的產物，這在100多年前就知道了，但其中的反應步驟和中間產物用一般的化學方法是難以測定的。因為植物體內原本就有很多種含碳化合物，無法辨認哪些是光合作用當時制造的，哪些是原來就有的。況且光合中間產物量很少，轉化極快，難以捕捉。1946年，美國加州大學放射化學實驗室的卡爾文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了兩項新技術：(1)14C同位素標記與測定技術可排除原先存在于細胞里的物質干擾，凡被14C標記的物質都是處理后產生的(2)雙向紙層析技術能把光合產物分開

選用小球藻等單細胞的藻類作材料，藻類不僅在生化性質上與高等植物類似，且易于在均一條件下培養，還可在試驗所要求的時間內快速地殺死。第2頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五試驗分以下幾步進行：(1)飼喂14CO2與定時取樣

向正在進行光合作用的藻液中注入14CO2使藻類與14CO2接觸，每隔一定時間取樣，并立即殺死。

H14CO3-+H＋→14CO2+H2O圖用來研究光合藻類CO2固定儀器的圖解第3頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(2)濃縮樣品與層析

用甲醇將標記化合物提取出來，將樣品濃縮后點樣于層析紙上，進行雙向紙層析，使光合產物分開(3)鑒定分離物采用放射自顯影技術，鑒定被14CO2標記的產物并測定其相對數量。(4)設計循環圖

根據被14C標記的化合物出現時間的先后，推測生化過程。根據圖D所顯示的結果，即短時間內(5秒，最終到0.5秒鐘)14C標記物首先出現在3-磷酸甘油酸(PGA)上，說明PGA是光合作用的最初產物。用紙層析和放射自顯影技術追蹤被14CO2標記的產物第4頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五起先猜測CO2是與某一個2碳的片斷結合生成3碳的PGA，然而情況并非如此。當光下把CO2濃度突然降低，作為CO2受體的化合物會積累起來。這一化合物被發現是含有5個C的核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)，當它接受CO2后，分解為2個PGA分子。光合試驗中RuBP與PGA相互轉化經過10多年周密的研究，卡爾文等人終于探明了光合作用中從CO２到蔗糖的一系列反應步驟，推導出一個光合碳同化的循環途徑，這條途徑被稱為卡爾文循環或Calvin-Benson循環。由于這條途徑中CO2固定后形成的最初產物PGA為三碳化合物，所以也叫做C３途徑或C３光合碳還原循環，并把只具有C３途徑的植物稱為C３植物。此項研究的主持人卡爾文獲得了1961年諾貝爾化學獎。第5頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五光合碳還原循環參與反應的酶：(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-磷酸脫氫酶；(4)丙糖磷酸異構酶；(5)(8)醛縮酶；(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)；(7)(10)(12)轉酮酶；(9)景天庚酮糖1，7-二磷酸(酯)酶(SBPase)；(11)核酮糖-5-磷酸表異構酶；(13)核糖-5-磷酸異構酶；(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)代謝產物名：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.二羥丙酮磷酸；FBP.果糖-1，6-二磷酸；F6P.果糖-6-磷酸；E4P.赤蘚糖-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羥基乙醛第6頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(一)C３途徑的反應過程C３途徑是光合碳代謝中最基本的循環，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途徑。

1.過程

整個循環如圖所示，由RuBP開始至RuBP再生結束，共有14步反應，均在葉綠體的基質中進行。全過程分為羧化、還原、再生3個階段。一分子C02固定需要消耗2分子NADPH和3分子ATP第7頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五光合碳還原循環羧化還原再生第8頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五羧化階段指進入葉綠體的CO2與受體RuBP結合，并水解產生PGA的反應過程。以固定3分子CO2為例：

3RuBP+3CO2+3H2ORubisco6PGA+6H+

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)具有雙重功能，既能使RuBP與CO2起羧化反應，推動C3碳循環，又能使RuBP與O2起加氧反應而引起C2氧化循環即光呼吸。羧化階段分兩步進行，即羧化和水解：在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上發生羧化反應形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸，它是一種與酶結合不穩定的中間產物，被水解后產生2分子PGA。第9頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五的方法以區分二聚體的邊界。

Rubisco被認為普遍存在的蛋白質構成了葉綠體基質蛋白質的一半。Rubisco（L8S8）結構第10頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五Rubisco的結構與組裝在植物葉綠體中，Rubisco由8個大亞基（56000）和8個小亞基（14000）組成。在結構中四個可見圓形突出的每一個都包含一個大亞基和一個小亞基。小亞基以紅色，大亞基以藍色和綠色表示（L8S8）。5-二磷酸核酮糖羧化酶分子晶體點陣的排列晶體點陣：一種由晶體的原子、分子或離子在空間各點所作的幾何排列RUBISCO大亞基的三維結構其催化活性要依靠大、小亞基的共同存在才能實現。Rubisco約占葉綠體可溶性蛋白的50%，因此它也是自然界中最豐富的蛋白質。第11頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五Rubisco大亞基由葉綠體DNA編碼，并在葉綠體的核糖體上翻譯，而小亞基則由核DNA編碼，在細胞質核糖體上合成。Rubisco全酶由細胞質中合成的小亞基前體和葉綠體中合成的大亞基前體經修飾后組裝而成。植物Rubisco的合成、加工和組裝Rubisco包含16個蛋白亞基：8個小亞基（SSU）和8個大亞基（LSU）。SSU的基因rbcS存在于核中，而LSU的rbcL基因是由質編碼的。這個酶的合成量可能是地球上合成的蛋白質中最多的，需要兩個基因組的表達并需要三個亞細胞參與：細胞核，細胞溶質和葉綠體。第12頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五Rubisco有活化與鈍化兩種形態，鈍化型酶可被CO2和Mg2+激活，這種激活依賴于與酶活性中心有關的賴氨酸(Lys)的ε-NH2基反應。首先鈍化型酶的ε-NH2與CO2(起活化的CO2不是底物CO2)作用，形成氨基甲?；衔?E-NH·COO－)，它與Mg2+作用形成活化型的酶(E-NH·COO·Mg2+,也稱三元復合體ECM)，然后底物RuBP和CO2再依次結合到活化型酶上進行羧化反應：Rubisco只有先與CO2、Mg2+作用才能成為活化型的ECM，如果先與RuBP(或RuBP類似物)結合，就會成為非活化型的E-RuBP。活化反應可以被葉綠體基質中pH和Mg2+濃度增加的促進第13頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五Rubisco活化酶(activase)Rubisco活化酶(activase)：調節Rubisco活性的酶?；罨傅淖饔茫涸诎抵锈g化型Rubisco與RuBP結合形成E-RuBP后不能發生反應；在光下，活化酶由ATP活化，讓RuBP與Rubisco解離，使Rubisco發生氨甲酰化，然后與CO2和Mg2+結合形成ECM，促進RuBP的羧化。圖18Rubisco活化酶活化Rubisco的假說圖解第14頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五RuBP除了作為底物之外，可能也是一個重要的Rubisco活性的調節因子，它與未活化酶E的結合比活化的酶ECM的結合更加緊密，因而它能夠抑制Rubisco的氨基甲酰化作用，從而穩定Rubisco處于非活化狀態。Rubisco活化酶能促進RuBP從Rubisco的解離，加速Rubisco發生氨基甲酰化?；罨傅幕罨饔眯鐰TP提供能量。Rubisco活化酶活化Rubisco的假說純化型活化型第15頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(2)還原階段指利用同化力將3-磷酸甘油酸還原為甘油醛-3-磷酸的反應過程

6PGA+6ATP+6NADPH+6H+→→6GAP+6ADP+6NADP++6Pi有兩步反應：磷酸化和還原。磷酸化反應由3-磷酸甘油酸激酶催化：羧化反應產生的PGA是一種有機酸，要達到糖的能級，必須使用光反應中生成的同化力，ATP與NADPH能使PGA的羧基轉變成GAP的醛基。當CO2被還原為GAP時，光合作用的貯能過程便基本完成。第16頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(3)再生階段指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的過程5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+這里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反應。最后由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP，再形成RuBP。第17頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五C3途徑的總反應式3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP++3H+可見，每同化一個CO2需要消耗3個ATP和2個NADPH，還原3個CO2可輸出1個磷酸丙糖(GAP或DHAP)固定6個CO2可形成1個磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可運出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖或參與其它反應；形成的磷酸己糖則留在葉綠體中轉化成淀粉而被臨時貯藏。再第18頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五2.能量轉化效率

則C3途徑的能量轉化效率為1460/(32×9+220×6)=91%這是一個很高的值。然而在生理狀態下，各種化合物的活度低于1.0，與上述的標準狀態有差異，另外，要維持C3光合還原循環的正常運轉，其本身也要消耗能量，因而一般認為，C3途徑中能量的轉化效率在80%左右。光合產物中所貯存的化學能占消耗同化力中貯能的百分率。同化3個CO2形成1個磷酸丙糖為例，每同化一個CO2需要消耗3個ATP和2個NADPH。在標準狀態下每形成1molGAP貯能1460kJ，每水解1molATP放能32kJ，每氧化1molNADPH放能220kJ，第19頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(二)C3途徑的調節1.自(動)催化作用植物同化CO2速率，很大程度上決定于光合碳還原循環的運轉狀態，以及光合中間產物的數量。在C3途徑中存在一種自動調節RuBP濃度的機制，即在RuBP含量低時，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不輸出循環，而用于RuBP的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳還原循環到達“穩態”時，形成的磷酸丙糖再輸出。這種調節RuBP等光合中間產物含量，使同化CO2速率處于某一“穩態”的機制，就稱為C3途徑的自(動)催化作用。C3途徑的自(動)催化作用示意圖15個RuBP固定15個CO2，可再生18個RuBP，即產生3個額外RuBP(實線)，當到達“穩態”時產生5個TP(磷酸丙糖)輸出(虛線)第20頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五2.光調節作用

光除了通過光反應對CO2同化提供同化力外，還調節著光合酶的活性。C3循環中的Rubisco、PGAK、GAPDH、FBPase,SBPase,Ru5PK都是光調節酶(圖中打圈處)。光下酶活性提高，暗中活性降低或喪失。光對酶活性的調節大體可分為兩種情況：(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-磷酸脫氫酶(GAPDH)(6)果糖-1,6-二磷酸(酯)酶(FBPase)(9)景天庚酮糖1,7-二磷酸(酯)酶(SBPase)(14)核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)光調節酶通過改變微環境調節通過產生效應物調節第21頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(1)微環境調節光驅動的電子傳遞使H+向類囊體腔轉移，Mg2+則從類囊體腔轉移至基質，引起葉綠體基質的pH從7上升到8，Mg2+濃度增加。較高的pH與Mg2+濃度使Ｒubisco等光合酶活化。Mg2+濃度增加pH從7上升到8Mg2+第22頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(2)效應物調節通過Fd-Td(鐵氧還蛋白-硫氧還蛋白)系統調節FBPase、GAPDH、Ru5PK等酶中含有二硫鍵(－S－S－)，當被還原為2個巰基(－SH)時表現活性。光驅動的電子傳遞能使基質中Fd還原，進而使Td(硫氧還蛋白)還原，被還原的Td又使FBPase和Ru5PK等酶的相鄰半胱氨酸上的二硫鍵打開變成2個巰基，酶被活化。在暗中則相反，巰基氧化形成二硫鍵，酶失活。圖20Fd-Td系統活化酶的圖解第23頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五3.光合產物輸出速率的調節

根據質量作用定律，產物濃度的增加會減慢化學反應的速度。磷酸丙糖是能運出葉綠體的光合產物，而蔗糖是光合產物運出細胞的運輸形式。磷酸丙糖通過葉綠體膜上的Pi運轉器運出葉綠體，同時將細胞質中等量的Pi運入葉綠體。磷酸丙糖在細胞質中被用于合成蔗糖，同時釋放Pi。如果蔗糖的外運受阻，或利用減慢，則其合成速度降低，隨之Pi的釋放減少，而使磷酸丙糖外運受阻。這樣，磷酸丙糖在葉綠體中積累，從而影響C3光合碳還原環的正常運轉。另外，葉綠體的Pi濃度的降低也會抑制光合磷酸化，使ATP不能正常合成，這又會抑制Rubisco活化酶活性和需要利用ATP的反應。第24頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五二、光呼吸1920年瓦伯格在用小球藻做實驗時發現，O2對光合作用有抑制作用，這種現象被稱為瓦伯格效應(Warburgeffect)。這實際上是氧促進光呼吸的緣故。光呼吸：植物的綠色細胞在光照下有吸收氧氣,釋放CO2的反應。(一)光呼吸的發現第25頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五1955年德克爾(J.P.Decher)用紅外線CO2氣體分析儀測定煙草光合速率時，觀察到對正在進行光合作用的葉片突然停止光照，斷光后葉片有一個CO2快速釋放(猝發)過程。

CO2猝發(CO2outburst)現象實際上是光呼吸的“余輝”，即在光照下所形成的光呼吸底物尚未立即用完，在斷光后光呼吸底物的繼續氧化?，F在通常把1955年作為發現光呼吸的年代。1971年托爾伯特(Tolbert)闡明了光呼吸的代謝途徑。第26頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五

(二)光呼吸的生化途徑現在認為光呼吸的生化途徑是乙醇酸的代謝，主要證據：(1)14CO2能摻入到乙醇酸中去，光呼吸釋放的14CO2來自14C乙醇酸；(2)

18O2能摻入到乙醇酸以及甘氨酸與絲氨酸的羧基上；(3)增進光呼吸的因素，如高O２、高溫等也能刺激乙醇酸的合成與氧化。乙醇酸的生成反應是從Rubisco加氧催化的反應開始的：以上兩步反應在葉綠體中進行第27頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五

羧反應產生一個六碳的中間物，2-羧基，3-酮基-D-阿拉伯糖醇-1，5二磷酸。這個中間產物的水合作用分解為碳2和碳3兩個產物，一個是圖中最底部三碳化合物的3-磷酸甘油酸，一個是圖中最上部三碳化合物的帶負碳離子的3-磷酸甘油酸。負碳離子的質子化作用完成了催化羧化循環。氧分子和enediolate的反應產生5碳的過氧化氫物。水合/裂解/質子化作用系列與羧化系列產生源自圖中最下部三碳的3-磷酸甘油酸和源自圖中最上部2碳化合物2-磷酸乙醇酸相類似。Rubisco催化羧化氧化兩個反應類型RuBP羧化產生2分子C3光合作用第一個穩定的中間產物3-磷酸甘油酸。RuBP氧化產生1分子3-磷酸甘油酸和1分子2-磷酸乙醇酸。C2磷酸通過光呼吸循環轉變為3-磷酸甘油酸。所有的系列反應都是由RuBP結合到Rubisco活化位點開始，然后隨著質子的吸收和重新分布而形成2-羧基-3-酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸中間產物。第28頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五乙醇酸代謝要經過三種細胞器：葉綠體、過氧化體和線粒體。第29頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五光呼吸的主要反應：

C2氧化光合循環的進行涉及到三種共同互相作用的細胞器：葉綠體、線粒體和過氧化體。2分子的乙醇酸從葉綠體轉入過氧化體形成氨基乙酸，2分子氨基乙酸轉入線粒體后，轉變為絲氨酸，同時釋放CO2。絲氨酸運輸到過氧化體轉化為甘油酸。甘油酸進入葉綠體后，磷酸化作用形成3-磷酸甘油酸，進入卡爾文循環。線粒體釋放的無機態N（NH3H2O）被葉綠體利用與適量的2-酮戊二酸反應生成氨基酸。粗的紅色箭頭表示在谷氨酸合成酶的催化作用下谷氨酸鹽對氨的呼吸。此外過氧化體中O2吸收可以維持較短的成對的氧化反應的氧循環。碳、氮和氧的流向分別用黑色、紅色和藍色表示。第30頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五乙醇酸從葉綠體轉入過氧化體，由乙醇酸氧化酶催化氧化成乙醛酸，乙醛酸經轉氨作用轉變為甘氨酸，甘氨酸在進入線粒體后發生氧化脫羧和羥甲基轉移反應轉變為絲氨酸，絲氨酸再轉回過氧化體，并發生轉氨作用，轉變為羥基丙酮酸，后者還原為甘油酸，轉入葉綠體后，在甘油酸激酶催化下生成的3-磷酸甘油酸又進入C3途徑，整個過程構成一個循環。其中耗氧反應部位有兩處，一是葉綠體中的Rubisco加氧反應，二是過氧化體中的乙醇酸氧化反應。脫羧反應則在線粒體中進行，2個甘氨酸形成1個絲氨酸時脫下1分子CO2。圖光呼吸途徑及其在細胞內的定位

①Rubisco；②磷酸乙醇酸磷酸(酯)酶；③乙醇酸氧化酶；④谷氨酸-乙醛酸轉氨酶；⑤絲氨酸-乙醛酸氨基轉移酶；⑥甘氨酸脫羧酶⑦絲氨酸羥甲基轉移酶⑧羥基丙酮酸還原酶；⑨甘油酸激酶第31頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五從RuBP到PGA的整個反應總方程式為：

2RuBP+3O2+2ATP+H2O+2Fdred3PGA+CO2+2ADP+3Pi+2Fdox+3H+（37)

如果PGA進入C3途徑再形成RuBP則：

5PGA+8ATP+5NADPH+2H2O+2H+3RuBP+8ADP+7Pi+5NADP+(38)(38)式可由(34)與(35)式推出。

(37)式×5與(38)式×3合并：RuBP+15O2+11H2O+34ATP+15NADPH+10Fdred5CO2+34ADP+36Pi+15NADP++10Fdox+9H+

(39)

因為光呼吸底物乙醇酸和其氧化產物乙醛酸，以及后者經轉氨作用形成的甘氨酸皆為C2化合物，因此光呼吸途徑又稱為C2光呼吸碳氧化循環，簡稱C2循環。第32頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五光合作用和光呼吸都由Rubisco開始。光合作用的電子運輸提供ATP和NADPH；光呼吸消耗ATP和FdxRED。C3循環中的一種底物CO2是C2循環的產物；同樣地，C2循環的底物O2是C3光合作用的產物。光合作用和光呼吸的聯系第33頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五圖8.8葉片中碳的流向受兩個運動相反循環之間的平衡所制約，然而在光合電子傳遞產生足夠的底物的情況下，卡爾文循環可以獨立地進行，而C2光合碳氧化循環則需要卡爾文循環連續的進行以再生它的起始物質-核酮糖-1，5-二磷酸。第34頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五（三）光呼吸與“暗呼吸”的區別光呼吸需在光下進行，而一般的呼吸作用，光下與暗中都能進行，所以相對光呼吸而言，一般的呼吸作用被稱作“暗呼吸”。另外光呼吸速率也要比“暗呼吸”速率高3～5倍。第35頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(四)光呼吸的意義Rubisco既可催化羧化反應，又可以催化加氧反應，即CO2和O2競爭Rubisco同一個活性部位，并互為加氧與羧化反應的抑制劑。Rubisco是進行羧化還是加氧，取決于外界CO2濃度與O2濃度的比值。如在人為提供相同濃度CO2和O2的條件下，Rubisco的羧化活性是加氧活性的80倍。在25℃下，與空氣平衡的水溶液中CO2/O2的比值為0.0416，這時羧化作用與加氧作用的比值約為3∶1。從碳素角度看，光呼吸往往將光合作用固定的20%～40%的碳變為CO2放出(C3植物)；從能量角度看，每釋放1分子CO2需消耗6.8個ATP，3個NADPH和2個高能電子，顯然，光呼吸是一種浪費。在長期的進化歷程中光呼吸為什么未被消除掉?這可能與Rubisco的性質有關。Rubisco催化特性第36頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五光呼吸生理意義：1.回收碳素通過C2碳氧化環可回收乙醇酸中3/4的碳(2個乙醇酸轉化1個PGA，釋放1個CO2)。2.維持C3光合碳還原循環的運轉在葉片氣孔關閉或外界CO2濃度低時，光呼吸釋放的CO2能被C3途徑再利用，以維持光合碳還原循環的運轉。3.防止強光對光合機構的破壞作用

在強光下，光反應中形成的同化力會超過CO2同化的需要，從而使葉綠體中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同時由光激發的高能電子會傳遞給O2，形成的超氧陰離子自由基O-·2會對光合膜、光合器有傷害作用，而光呼吸卻可消耗同化力與高能電子，降低O-·2的形成，從而保護葉綠體，免除或減少強光對光合機構的破壞。第37頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五4.消除乙醇酸乙醇酸對細胞有毒害，光呼吸則能消除乙醇酸，使細胞免遭毒害。另外，光呼吸代謝中涉及多種氨基酸的轉變，這可能對綠色細胞的氮代謝有利。C3植物中有光呼吸缺陷的突變體在正?？諝庵惺遣荒艽婊畹?，只有在高CO2濃度下(抑制光呼吸)才能存活，這也說明在正?？諝庵泄夂粑且粋€必需的生理過程。第38頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五三、C4途徑(一)C4途徑的發現自20世紀50年代卡爾文等人闡明C3途徑以來，曾認為不管是藻類還是高等植物，其CO2固定與還原都是按C3途徑進行的。1954年，哈奇(M.D.Hatch)等人用甘蔗葉實驗，發現甘蔗葉片中有與C3途徑不同的光合最初產物，但未受到應有的重視。1965年，美國夏威夷甘蔗栽培研究所的科思謝克(H.P.Kortschak)等人報道，甘蔗葉中14C標記物首先出現于C4二羧酸，以后才出現在PGA和其他C3途徑中間產物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，這時才引起人們廣泛的注意。1966-1970年，澳大利亞的哈奇和斯萊克(C.R.Slack)重復上述實驗，進一步地追蹤14C去向，探明了14C固定產物的分配以及參與反應的各種酶類，于70年代初提出了C4-雙羧酸途徑，簡稱C4途徑，也稱C4光合碳同化循環，或叫Hatch-Slack途徑。至今已知道，被子植物中有20多個科約近2000種植物按C4途徑固定CO2，這些植物被稱為C4植物(C4plant)。第39頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五C4植物高梁甘蔗田

粟(millet)的穗形,“谷子”，去皮后稱“小米”莧菜玉米第40頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(二）C4植物葉片結構特點柵欄組織與海綿組織分化不明顯，葉片兩側顏色差異小。有兩類光合細胞：葉肉細胞和維管束鞘細胞(BSC)。C4植物維管束分布密集，間距小，每條維管束都被發育良好的大型BSC包圍，外面又密接1-2層葉肉細胞，這種呈同心圓排列的BSC與周圍的葉肉細胞層被稱為“花環”(Kranz,德語)結構，C4植物的BSC中含有大而多的葉綠體，線粒體和其它細胞器也較豐富。BSC與相鄰葉肉細胞間的壁較厚，壁中紋孔多，胞間連絲豐富。這些結構特點有利于MC與BSC間的物質交換，以及光合產物向維管束的就近轉運。兩類光合細胞中含有不同的酶類，葉肉細胞中含有PEPC以及與C4二羧酸生成有關的酶；而BSC中含有Rubisco等參與C3途徑的酶、乙醇酸氧化酶以及脫羧酶。在這兩類細胞中進行不同的生化反應。第41頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五C4植物玉米花環狀維管束細胞的解剖結構圖。

緊密的維管束鞘四周被大的維管束鞘細胞環繞包圍。在這類作物中大的葉綠體分布在維管束鞘細胞的外圍，維管束細胞被葉肉細胞包圍。第42頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五C4植物（高粱）葉肉細胞和管束鞘細胞葉綠體比較的電子顯微片

葉綠體的形態特征反映其自身的生化功能。維管束鞘細胞中葉綠體缺乏類囊體堆疊區，含有少量的PSⅡ。相比較而言，葉肉細胞中葉綠體含有所有的光合作用中光反應所需要的跨膜復合體并且存有微量或不含Rubisco。第43頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(三)C4途徑的反應過程C4途徑中的反應雖因植物種類不同而有差異，但基本上可分為羧化、還原或轉氨、脫羧和底物再生四個階段(圖22，C)。①羧化反應在葉肉細胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與HCO-3在PEPC催化下形成草酰乙酸(OAA)；②還原或轉氨作用

OAA被還原為蘋果酸(Mal)，或經轉氨作用形成天冬氨酸(Asp)；③脫羧反應

C4酸通過胞間連絲移動到BSC，在BSC中釋放CO2，CO2由C3途徑同化；④底物再生脫羧形成的C3酸從BSC運回葉肉細胞并再生出CO2受體PEP。圖22C4植物葉的結構以及C4植物光合碳代謝的基本反應()內為酶名；PEPC.PEP羧化酶;PPDK.丙酮酸磷酸二激酶第44頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五C4途徑概況再生羧化脫羧PEP第45頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五1.羧化階段

由PEPC催化葉肉細胞中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與HCO3-羧化，形成OAA。

空氣中的CO2進入葉肉細胞后先由碳酸酐酶(CA)轉化為HCO－3，HCO－3被PEP固定在OAA的C4羧基上

CO2+H2OCAHCO－3+H+PEPC是胞質酶，主要分布在葉肉細胞的細胞質中，分子量400000，由四個相同亞基組成。PEPC無加氧酶活性，因而羧化反應不被氧抑制。第46頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五PEPC的反應機理：(1)PEPC先與Mg2+結合；(2)再與底物PEP結合，形成一個三元復合物；(3)這個三元復合物與HCO－3作用產生羧基磷酸與PEPC·Mg2+和烯醇式丙酮酸復合物，前者釋放出CO2與Pi；(4)CO2與PEPC·Mg2+·烯醇作用產生OAA與PEPC·Mg2+，OAA為羧化反應的產物，PEPC·Mg2+則再次進行反應第47頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五2.還原或轉氨階段

OAA被還原成蘋果酸或經轉氨作用形成天冬氨酸。

(1)還原反應由NADP-蘋果酸脫氫酶催化，將OAA還原為Mal，該反應在葉肉細胞的葉綠體中進行：蘋果酸脫氫酶為光調節酶，可通過Fd-Td系統調節其活性。(2)轉氨作用由天冬氨酸轉氨酶催化，OAA接受谷氨酸的NH2基，形成天冬氨酸，該反應在細胞質中進行。第48頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五3.脫羧階段根據植物所形成的初期C4二羧酸的種類以及脫羧反應參與的酶類，可把C4途徑分為三種亞類型：①依賴NADP的蘋果酸酶的蘋果酸型(NADP-ME型)；②依賴NAD的蘋果酸酶的天冬氨酸型(NAD-ME型)；③具有PEP羧激酶的天冬氨酸型(PCK型)。葉綠體線粒體

細胞質

NADP-ME型初期產物為Mal，而NAD-ME型與PCK型初期產物為Asp。第49頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五這三種亞類型植物葉綠體的結構及其在BSC中的排列有所不同。就禾本科植物而言，NAD-ME型植物，葉綠體在BSC中向心排列，而NADP-ME與PCK型，葉綠體在BSC中離心排列；另外NADP-ME型BSC中葉綠體的基粒不發達，PSⅡ活性低。

第50頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(1)NADP-ME型在BSC的葉綠體內蘋果酸脫羧生成丙酮酸(Pyr)，反應由NADP蘋果酸酶催化。(2)NAD-ME型天冬氨酸經天冬氨酸轉氨酶作用下轉氨基形成OAA，再經NAD-蘋果酸脫氫酶作用下生成蘋果酸，然后在NAD-蘋果酸酶催化下脫羧生成丙酮酸并釋放CO2，這些過程都在BSC的線粒體中進行(3)PCK型天冬氨酸經天冬氨酸轉氨酶作用變成草酰乙酸，然后再在PEP羧激酶的催化下變為PEP并釋放CO2。生成的PEP可能直接進入葉肉細胞，也可能先轉變成丙酮酸，再形成丙氨酸進入葉肉細胞。上述三類反應脫羧釋放的CO2都進入BSC的葉綠體中，由C3途徑同化。C4二羧酸脫羧釋放CO2，使BSC內CO2濃度可比空氣中高出20倍左右，所以C4途徑中的脫羧起“CO2泵”作用。C4植物這種濃縮CO2的效應，能抑制光呼吸，使CO2同化速率提高。圖23C4途徑的三種類型及其代表植物名稱①PEPC；②丙酮酸磷酸二激酶；③NADP蘋果酸脫氫酶；④天冬氨酸氨基轉移酶；⑤丙氨酸氨基轉移酶；⑥NAD蘋果酸脫氫酶三種亞類型第51頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五14.42C4植物維管束鞘細胞的三種脫羧途徑簡圖。在這三種途徑中，只有NADP+-蘋果酸酶（A）途徑不包括線粒體反應，脫羧反應只發生在維管束鞘葉綠體中。NAD+-蘋果酸酶（B）和PEP羧化激酶型（C）C4光和作用包括線粒體NAD+-蘋果酸酶；在前一種形式中，脫羧過程被這種酶專門催化（見圖12.48）。在草酰乙酸還原生成蘋果酸過程中，NADH被NAD+-蘋果酸酶催化的產物與MDH的消耗達到動態平衡（B）。通過對照發現，PEP羧化激酶類型的植物（C）中產生的NADH被電子傳遞鏈氧化產生ATP。第52頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五4.底物再生階段

C4二羧酸脫羧后形成的Pyr運回葉肉細胞，由葉綠體中的丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)催化，重新形成CO2受體PEP。NAD-ME型和PCK型形成的丙氨酸在葉肉細胞中先轉為丙酮酸，然后再生成PEP。此步反應要消耗2個ATP(因AMP變成ADP再要消耗1個ATP)。PPDK在體內存在鈍化與活化兩種狀態，它易被光活化，光下該酶的活性比暗中高20倍。由于PEP底物再生要消耗2個ATP，這使得C4植物同化1個CO2需消耗5個ATP與2個NADPH。第53頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五

(四)C４途徑的意義在高溫、強光、干旱和低CO2條件下，C４植物顯示出高的光合效率。

C4植物具較高光合速率的因素有∶

C4植物的葉肉細胞中的PEPC對底物HCO－3的親和力極高，細胞中的HCO3－濃度一般不成為PEPC固定CO2的限制因素；C4植物由于有“CO2泵”濃縮CO2的機制，使得BSC中有高濃度的CO2，從而促進Rubisco的羧化反應，降低了光呼吸，且光呼吸釋放的CO2又易被再固定；高光強又可推動電子傳遞與光合磷酸化，產生更多的同化力，以滿足C4植物PCA循環對ATP的額外需求；鞘細胞中的光合產物可就近運入維管束，從而避免了光合產物累積對光合作用可能產生的抑制作用。但是C4植物同化CO2消耗的能量比C３植物多，也可以說這個“CO2泵”是要由ATP來開動的，故在光強及溫度較低的情況下，其光合效率還低于C３植物。可見C4途徑是植物光合碳同化對熱帶環境的一種適應方式。第54頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(五)C4途徑的調節NADP-蘋果酸脫氫酶的活性通過Fd-Td系統調節；PEPC和PPDK的活性通過酶蛋白的磷酸化-脫磷酸反應來調節。當PEPC上某一Ser被磷酸化時，PEPC就活化，對底物PEP的親和力就增加，脫磷酸時PEPC就鈍化。因而C4植物的PEPC光下活性高。1.酶活性的調節

(1)光調節

C4途徑中的PEPC、NADP-蘋果酸脫氫酶和丙酮酸磷酸二激酶(PPDK)都在光下活化，暗中鈍化。C4植物中PEP羧化酶的調節。光通過一種未知的機制激活調節激酶。反過來激酶磷酸化和激活PEP羧化酶。在黑暗中激酶較低的活性和水解作用使磷酸從PEP羧化酶中去除，降低酶的活性。第55頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五C4光合作用中活性酶磷酸烯醇式丙酮酸激酶（PPDK）的調節

磷酸烯醇式丙酮酸激酶活性可以被調節蛋白調節。黑暗中蛋白質促進PPDK的磷酸化，導致酶失活。在黑暗中缺少磷酸化作用磷酸供應體ADP濃度增加，光下PPDK發生去磷酸化，被活化。PPDK在被磷酸化時鈍化，不能催化由Pyr再生PEP的反應，而在脫磷酸時活化。第56頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(2)代謝物的調節PEPC與PPDK的活性還受代謝物的調節。通常是底物促進酶的活性，產物抑制酶的活性，如∶PEPC的活性被PEP以及產生PEP的底物G6P、F6P、FBP所激活，而被OAA、Mal、Asp等產物反饋抑制；

GG6PPEPOAAMalPPDK的活性在底物ATP、Pi和Pyr相對濃度高時提高，然而該酶不受底物PEP相對濃度所影響。

Pyr+ATP+PiPEP+AMP=PPiPEPCPPDK第57頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五2.光對酶量的調節

光提高光合酶活性的原因之一是光能促進光合酶的合成。前已提到Rubisco的合成受光控制，PEPC的合成也受光照誘導，如玉米、高粱黃化葉片經連續照光后，PEPC的活性提高，同時〔3H〕-亮氨酸摻入到酶蛋白的數量增加，應用蛋白合成抑制劑、放線菌素D和光合電子傳遞抑制劑DCMU所得資料表明，光引起PEPC活性的增高與光合電子傳遞無關(不被DCMU抑制)，而與酶蛋白的合成有關(被放線菌素D抑制)。光對NADP蘋果酸酶的形成也有類似影響。第58頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五3.代謝物運輸

C4途徑的生化反應涉及兩類光合細胞和多種細胞器，維持有關代謝物在細胞間、細胞器間快速運輸，保持鞘細胞中高的CO2濃度就顯得非常重要。在C4植物葉肉細胞的葉綠體被膜上有一些特別的運轉器，如帶有PEP載體的磷運轉器，它能保證丙酮酸、Pi與PEP、PGA與DHAP間的對等交換；專一性的OAA運轉器能使葉綠體內外的OAA與Mal快速交換，以維持C4代謝物運輸的需要。C4植物鞘細胞與相鄰葉肉細胞的壁較厚，且內含不透氣的脂層；壁中紋孔多，其中富含胞間連絲。由于共質體運輸阻力小，使得光合代謝物在葉肉細胞和維管束鞘細胞間的運輸速率增高。由于兩細胞間的壁不透氣，使得脫羧反應釋放的CO2不易擴散到鞘細胞外去。據測定，C4植物葉肉細胞-單鞘細胞間壁對光合代謝物的透性是C3植物的10倍，而CO2的擴散系數僅為C3光合細胞的1/100。第59頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(六)C3-C4中間植物隨著C3、C3植物分類工作的深入，20世紀70年代，人們發現某些植物的形態解剖結構和生理生化特性介于C3植物和C3植物之間，稱這類植物為C3-C4中間植物。至今在5個科的7個屬(禾本科的黍屬與Neurachne屬、粟米草科的粟米草屬、莧科的蓮子草屬、菊科的黃菊屬與Flaveria屬、十字花科的Moricandia屬和紫茉莉科的葉子花屬)中發現有這類中間植物的存在。第60頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五1.基本特征

C3-C4中間型植物是依據與光合作用有關的一些指標來確定的，這些指標包括葉子的解剖結構、CO2補償點、光呼吸速率以及光合作用關鍵酶的定位和活性等諸方面，其中最重要的是光呼吸或與其直接有關的CO2補償點。(1)解剖結構

C3-C4中間植物都有一個含葉綠體的BSC層，但其BSC的壁又不如C4植物厚，有些C3-C4中間植物，葉肉細胞又分化為柵欄組織與海綿組織，這與C3植物葉結構相似。(2)CO2補償點C3-C4中間植物最基本的生理特征是其CO2補償點顯著地高于C4植物，而低于C3植物。C3植物的CO2補償點在40μl·L－１以上，C4植物的在5μl·L－１左右，而C3-C4中間植物的CO2補償點則在5～40μl·L－１之間。第61頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(3)光呼吸C3-C4中間植物的光呼吸速率介于C3植物與C4植物之間。如黍屬中的C3-C4中間植物Panicummilioides和P.Schenckii，光呼吸速率為0.6～1.0mgCO2·dm－2·h－１，而作為對照的C3植物和C4植物分別為3.0～3.7mgCO2·dm－2·h－１和接近0。另外，C3-C4植物光合速率被21%氧的抑制率在10%～30%之間，這也比C3植物為低。(4)羧化酶的分布

在典型的C4植物中，PEPC與Rubisco是嚴格分隔的，前者在葉肉細胞，后者在BSC中，而在C3-C4植物中羧化酶分布有兩種情況：PEPC和Rubisco兩類光合細胞中均有分布PEPC只位于葉肉細胞，而Rubisco分布兩種細胞中第62頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(5)同化途徑C3-C4中間植物主要途徑仍是C3途徑，但它具有一個“有限的C4循環”起著有限的濃縮機理，所以其CO2補償點就明顯低于C3植物。有的C3-C4中間植物有“光呼吸CO2再循環”機理，它們的BSC中有大量線粒體，其中含有甘氨酸脫羧酶，可把光呼吸途徑中形成的乙醇酸大量地在BSC中分解，CO2被再固定，因而光呼吸低于C3植物。有限的C4循環光呼吸CO2再循環第63頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五2.C3-C4中間植物在進化上的地位

從進化觀點考慮C3-C4中間植物的地位時，必然想到有兩種可能：其一，C3-C4中間型是從C3植物演化到C4植物的過渡類型，如果是這樣，C3-C4中間植物應出現在C4種之先。其二，C3-C4中間種為C3和C4植物的雜交種，那么它們應出現在C4植物之后。多數人認可第一種觀點，其中一個理由是十字花科中有C3種與C3-C4種，但無C4種，這就是說，C3-C4種不可能是C3植物與C4植物的雜交種。但目前還不能闡明其具體的進化過程。第64頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五植物具有C4途徑必備的條件：(1)為了提高對CO2親和力，使CO2補償點降低，BSC內要有葉綠體，葉肉細胞中的PEPC活性要高；(2)為了實現C4途徑，葉肉細胞與BSC間的壁要加厚，這樣不但可使光合酶按區域分布，同時也可避開空氣中氧對光合作用的抑制。第65頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五四、景天科酸代謝途徑(一)CAM在植物界的分布與特征景天科等植物有一個很特殊的CO2同化方式：夜間固定CO2產生有機酸，白天有機酸脫羧釋放CO2，用于光合作用，這樣的與有機酸合成日變化有關的光合碳代謝途徑稱為CAM(

Crassulaceanacidmetabolism)途徑第66頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五CAM最早是在景天科植物中發現的，目前已知在近30個科，1萬多個種的植物中有CAM途徑，主要分布在景天科、仙人掌科、蘭科、鳳梨科、大戟科、番杏科、百合科、石蒜科等植物中。其中鳳梨科植物達1千種以上，蘭科植物達數千種，此外還有一些裸子植物和蕨類植物。CAM植物起源于熱帶，往往分布于干旱的環境中，多為肉質植物，具有大的薄壁細胞，內有葉綠體和液泡，然而肉質植物不一定都是CAM植物。常見的CAM植物有菠蘿、劍麻、蘭花、百合、仙人掌、蘆薈、瓦松等。第67頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五劍麻蘆薈落地生根龍舌蘭緋牡丹寶綠曇花第68頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五多肉質植物雞冠掌紅司錦晃星靜夜第69頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五CAM植物-瓦松屬瓦松屬1第70頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五(二)CAM代謝的反應過程典型CAM植物一天中的CO2固定速率，氣孔導度、蘋果酸和葡聚糖（如淀粉）含量變化以及代謝過程如圖24和圖25所示。圖24CAM植物氣孔導度、CO2固定、蘋果酸和葡聚糖含量的日變化階段Ⅰ.夜間CO2吸收旺盛期；

階段Ⅱ.日間開始CO2吸收期；階段Ⅲ.日間CO2交換停止期；階段Ⅳ.日間結束CO2吸收期第71頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五CO２固定晝夜可變化分為4個階段：

1.階段ⅠPEPC的羧化階段。夜間氣孔開啟，CO2被PEPC固定生成草酰乙酸，后者還原成蘋果酸貯存于液泡。此間CO2固定約占全天固定CO2的3/4左右，而白天貯存的葡聚糖在此期間用于形成PEP。2.階段Ⅱ

由PEPC羧化轉向Rubisco羧化的階段。白晝開始時氣孔導度與CO2吸收出現一個高峰，此期間C４途徑與C３途徑同時進行，蘋果酸積累中止。3.階段ⅢRubisco同化CO2階段。日間氣孔關閉，停止從外界吸收CO2，蘋果酸從液泡轉移至細胞質，氧化脫羧。脫羧釋放的CO2進入葉綠體被C３途徑同化。4.階段Ⅳ

由Rubisco羧化轉向由PEPC羧化的階段。蘋果酸脫羧降至最低點，氣孔開始張開，CO2吸收增加，且由C3途徑過渡至C4途徑，從而又重復下一個晝夜變化周期。

第72頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五圖8.12景天科酸代謝途徑（CAM）。光合反應吸收的CO2暫時的分離：夜間CO2的吸收和固定，白天內部釋放的CO2進行脫酸和再固定。第73頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五12.51景天酸科代謝途徑（CAM）是光合作用適應干旱環境的一種進化形式。CAM植物開放的氣孔使進入。PEP羧化酶（1）參與CO2形成四碳有機酸草酰乙酸，草酰乙酸可以被蘋果酸脫氫酶（2）還原成蘋果酸。夜間在液泡中。在光下CAM植物關閉氣孔以阻止水分流失。貯存的蘋果酸被NADP+-蘋果酸酶（3）脫羧，釋放CO2通過卡文循環轉變碳氫化合物。第74頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五圖25CAM植物夜晝代謝模式圖CAM途徑主要反應是兩類羧化反應。即在黑暗中進行PEPC的羧化反應和在光下進行Rubisco的羧化反應，與此相伴隨的是由PEP羧化生成草酰乙酸并進一步還原為蘋果酸的酸化作用和由蘋果酸釋放CO2的脫羧作用。①PEPC(PEP羧化酶)；②PCK(PEP羧化激酶)；③NADP-ME(NADP-蘋果酸脫氫酶)或NAD-ME；④PPDK(丙酮酸磷酸二激酶)

第75頁，共85頁，2022年，5月20日，3點50分，星期五上述這些階段的劃分不是截然分明的，而是逐漸地由一個階段過渡到下一個階段。CAM植物與C4植物固定與還原CO2的途徑基本相同，二者的差別在于：C4植物是在同一時間(白天)和不同的空間(葉肉細胞和維管束鞘細胞)完成CO2固定(C4途徑)和還原(C3途徑)兩個過程；而CAM植物則是在不同時間(黑夜和白天)和同一空間(葉肉細胞)完成上述兩個過程的。CAM植物由于白天氣孔關閉、蘋果酸脫羧、細胞間的CO2/O２比例高、以及CO２再固定率高，因而表觀光呼吸較低。第76