第四章 光合作用
4.1 复习笔记
一、引论
1．光合作用定义及重要性
（1）定义
光合作用是光合生物利用光能同化CO2和H2O合成有机物，并释放O2的过程。
（2）重要性
①通过光合作用，植物将无机物变为有机物。
②光合作用将太阳光能转化为可利用的化学能。
③光合作用维持大气中O2和CO2的相对平衡。
2．光合作用的发现过程
（1）17世纪以前
认为植物生长发育所需的全部元素均来自土壤。
（2）17世纪中叶～19世纪
证实CO2是光合作用所必需的，H2O参与了光合作用，而O2是光合作用的产物。
（3）19世纪末
归纳出光合作用的化学方程式如下
二、叶绿体和光合色素
1．叶绿体
叶绿体是植物进行光合作用的细胞器。
2．光合色素
（1）光合色素的种类
①光合色素的定义
在光合作用过程中吸收光能的色素统称为光合色素，主要有叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素3大类。
②高等植物的叶绿体中存在的光合色素
a．叶绿素类：叶绿素a和叶绿素b。
b．类胡萝卜素：胡萝卜素和叶黄素。
③光合色素从功能上分类
a．反应中心色素
反应中心色素分子具有光化学活性，能捕获光能，并直接参与能量转换。少数特殊状态的叶绿素a属于此类。
b．天线色素
天线色素又称聚光色素，起收集并传递光能给反应中心色素分子的作用。包括大部分叶绿素a、全部叶绿色b和所有类胡萝卜素。
（2）光合色素的基本结构
①叶绿素
叶绿素是叶绿酸的酯，叶绿酸为双羧酸，其中的2个羧基分别与甲醇和叶绿醇发生酯化反应，形成叶绿素。
a．分子式
叶绿素a：C55H72O5N4Mg。
叶绿素b：C55H70O6N4Mg。
b．特点
叶绿素不溶于水，溶于甲醇、乙醇、丙酮等有机溶剂。
②类胡萝卜素
类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素。
a．结构
第一，类胡萝卜素是富含共轭双键的线性分子。胡萝卜素是由8个异戊二烯衍生的四萜分子，含有一系列共轭双键。
第二，叶黄素是胡萝卜素衍生的醇，是胡萝卜素的2个末端环上各有1个氢被羟基取代的产物。
b．分子式
β-胡萝卜素：C40H56。
叶黄素：C40H56O2。
③藻胆素
a．藻胆素是藻红素、藻蓝素和别藻蓝素的总称。
b．藻胆素的结构类似于叶绿素，是由直线排列的4个吡咯环构成的化合物，但没有叶绿醇长链和镁离子。
（3）光合色素的光化学特性
①吸收光谱
a．叶绿素有两个吸收高峰，分别为红光和蓝紫光，而对绿光的吸收较少。
b．类胡萝卜素的最大吸收带为蓝紫光部分。
②激发态色素
叶绿素的光吸收可用下式表示为
式中，处于基态的叶绿素分子（Chl）吸收光子（hν）后即发生跃迁，到高能状态即激发态（Chl*）。
a．激发态衰变
激发态衰变是指叶绿素分子所吸收的激发能量会迅速向邻近的分子传递或转变为其他形式的能量，从而又由激发态返回基态的过程。
b．激发态色素衰变的4种情况
第一，热耗散
激发态的叶绿素分子通过热耗散的方式由第2单线态直接衰变至第1单线态。
第二，荧光
第1单线态的叶绿素分子将吸收的能量以长波长荧光的形式释放出来。当色素分子从能量更低的三线态回到基态，辐射出的微弱红光称为磷光。
第三，参与能量传递
激发态色素作为天线色素发挥作用。
第四，从第1单线态发生光能向化学能的转化
该过程只可能由反应中心色素分子完成。
三、光合作用过程（Ⅰ）：光反应
1．光能的吸收和传递
（1）光合作用过程分为两个阶段
①光驱动的反应，称为光反应。
②碳还原的反应，又称碳反应。
图4-1 维管植物叶绿体光合作用的光反应和碳反应
（2）光能的吸收
光合作用的有效吸收光谱仅为太阳光中的可见光（400～700nm）部分。
（3）光能的传递
光能在色素分子间发生共振传递，总体上是沿着能量水平降低的方向传递，即类胡萝卜素→叶绿素b→叶绿素a→反应中心色素。
2．光合电子传递体
（1）两个光系统及其功能
①类囊体膜的基本结构
类囊体膜是光系统的结构基础，其上镶嵌着多种参与光合电子传递的蛋白质复合体。
②两个光系统的发现
a．红降现象
爱默生在以绿藻为材料研究不同波长光子的量子产额时，用波长大于685nm的远红光照射，量子产额剧烈下降的现象，称为红降现象。
b．双光增益效应
红光和远红光一并照射促进光合效率的现象称为双光增益效应，又称爱默生效应。
c．两个光系统
第一，两个光化学反应
光合作用是由两个光化学反应联合完成的：一个是吸收红光的光系统Ⅱ（PSⅡ），另一个是吸收远红光的光系统Ⅰ（PSⅠ）。
第二，两个光系统的关系
两个光系统以串联的方式协同作用完成光合作用的光反应过程。每个光系统都是复杂的蛋白质复合体，包括各自的反应中心及其捕光色素系统，组成光合单位，确保光合作用高效运转。
③PSⅡ复合体
a．PSⅡ复合体的结构
PSⅡ复合体由结合在两条多肽（D1和D2）上的反应中心色素P680、捕光色素蛋白质复合体Ⅱ（LHCⅡ）和放氧复合体（OEC）等组成（图4-2）。
图4-2 光系统Ⅱ（PSⅡ）复合体结构示意图
b．PSⅡ复合体的功能
利用光能氧化水，释放氧气，提供电子，还原质体醌，同时将质子释放于类囊体腔内。
c．水的光解
在光合作用中传递的电子来源于OEC催化的水的裂解。
第一，希尔反应
水被光裂解的反应是希尔发现的，称为希尔反应。该反应是离体叶绿体利用氧化剂（如Fe3＋）在光照下将水氧化。
这个过程可用下式表示
第二，光的水解
在植物体内，希尔反应的实质是与PSⅡ相联系的放氧复合体在光照下从水中夺取电子，将水氧化分解放出氧气，该反应又称水的光解。其反应式表示为：
④PSⅠ复合体
a．PSⅠ复合体的结构
PSⅠ的作用中心色素分子是最大吸收值在700nm的叶绿素a，称为P700，周围有其捕光色素蛋白质复合体LHCⅠ。
b．PSⅠ的电子传递
P700激发态的电子原初受体是叶绿素a分子A0，次级受体为A1，再将电子传递给铁硫蛋白（FeSx），最后电子供给铁氧还蛋白（Fd），最后在Fd NADP还原酶（FNR）的催化下，将NADP＋还原为NADPH。
（2）细胞色素b6f复合体
①主要亚基
细胞色素b6f复合体包括4个主要亚基：细胞色素f、细胞色素b6、Rieske蛋白（含2Fe-2S中心的铁氧还蛋白）和亚基Ⅳ（可能是质体醌的结合蛋白质）。
②作用方式
细胞色素b6f复合体通过Fe的氧化还原，在PSⅡ和PSⅠ光反应复合体间进行电子的传递。
③主要功能
a．细胞色素b6f复合体可以催化PQH2的氧化以及质体蓝素的还原。
b．细胞色素b6f复合体把质子从叶绿体基质中转移到类囊体腔内，建立起跨膜的pH梯度。
c．细胞色素b6f复合体还有调节PSⅡ和PSⅠ间能量分配以及NADPH和ATP比例的功能。
3．光合电子传递
根据电子传递的顺序及其氧化还原电位作图，形成光合作用中的光合电子传递链，又称Z链（图4-3）。
图4-3 放氧光合生物的“Z”方案
（1）光合电子传递的过程
光合电子传递的过程可归纳如下：
①PSⅡ反应中心色素P680的电子被光激发，在类囊体腔内侧的OEC进行水光解放氧反应，释放质子于类囊体腔中；激发态电子经脱镁叶绿素和次级电子受体传递，还原质体醌PQ为PQH2。
②细胞色素b6f复合体氧化夺取PQH2的电子，经细胞色素、铁硫蛋白传递给质体蓝素PC，传递给PSⅠ。
③PSⅠ反应中心色素P700的电子被叶绿素a和叶醌接受，传递到铁氧还蛋白Fd，还原NADP＋为NADPH。
④ATP合酶利用质子动力势驱动ATP的合成。
（2）光合电子传递的方式
①非环式电子传递
非环式电子传递是指由PSⅡ的OEC氧化水产生的电子，经细胞色素b6f复合体至PSⅠ，最后经Fd还原NADP＋，是最主要的电子传递途径。
②假环式电子传递
假环式电子传递是指在非环式电子传递途径中，电子经Fd交给O2，形成H2O2，而不是还原NADP＋。
③循环式电子传递
循环式电子传递是指通过细胞色素b环绕PSⅠ的电子循环。
4．光合磷酸化
（1）光合磷酸化定义
a．在光合电子传递过程中，以质子浓度梯度形式保存起来的能量在ATP合酶的催化下将无机磷酸（Pi）与ADP结合形成ATP，这种与光合作用电子传递偶联合成ATP的反应，称为光合磷酸化。
b．只发生电子传递而不伴随磷酸化称为去偶联。
（2）ATP合酶
ATP合酶由跨膜的CF0单位和位于基质一侧起催化作用的CF1单位组成。
（3）ATP合成机制
①化学渗透机制
在电子传递过程中，PQ将电子从PSⅠ传递给细胞色素b6f的同时，会把基质中的质子转运至类囊体腔内，质子不能自由返回基质。PSⅡ的水光解放氧过程也在类囊体腔中积累质子，而在基质一侧NADP＋的还原消耗质子，因此类囊体膜内、外产生了pH差异（ΔpH），在膜内、外产生很大的电势差（ΔE），ΔpH与ΔE合称质子驱动力（pmf），即光合磷酸化的动力。
②结合转化机制
ATP合酶F0的3个β亚基各具一定的构象，分别称为紧张、松弛和开放状态，各自对应于底物的结合、产物的形成和释放3个过程。构象的相互依次转化是与质子通过引起γ亚基的旋转相偶联的。当质子顺质子动力势流过F0，使γ亚基转动，γ亚基的转动引起β亚基的构象依紧张-松弛-开放的顺序发生改变，使ATP得以合成并从催化复合体上释放。
（4）光合磷酸化的分类
对应于光合作用电子传递的3种方式，光合磷酸化分为非环式光合磷酸化、假环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化3种类型。
四、光合作用过程（Ⅱ）：碳反应
1.C3途径——卡尔文循环
植物固定CO2的基本途径是C3途径，又称光合碳还原循环、卡尔文循环，在这个还原CO2的循环中，所形成的第1个稳定产物是三碳化合物3-磷酸甘油酸。
卡尔文循环分为3个阶段：羧化、还原和再生（图4-4）。
图4-4 卡尔文循环的3个阶段：羧化、还原、再生
（1）羧化反应
①意义
CO2必须羧化固定成羧酸才能被还原，羧化阶段完成了从无机物向有机物的转化。
②过程
在酶催化下，5C的核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）结合羧化1个分子CO2，生成不稳定的中间产物快速水解成2个分子3C的3-磷酸甘油酸（3-PGA）。
③产物
卡尔文循环中第1个稳定的中间产物是3-PGA。
（2）还原反应
①过程
3-PGA在酶的催化下消耗1个分子ATP，变为1,3-二磷酸甘油酸（DPGA），随后又被NADPH还原为甘油醛-3-磷酸（GAP），即CO2的还原阶段。
GAP可异构为磷酸二羟丙酮（DHAP），二者统称为磷酸丙糖。磷酸丙糖是叶绿体中光合碳同化的重要产物。
②意义
光合作用光反应中形成的ATP和NADPH携带的能量经过羧化反应和还原反应转储于糖类中，即完成了光合作用的储能过程。
（3）RuBP再生
从GAP经历3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反应再生成RuBP的过程，称为RuBP的再生阶段。
（4）卡尔文循环的能量利用效率
①C3途径的总反应式
②卡尔文循环的能量转化效率
反应式中卡尔文循环的能量转化效率接近90％，实际上光合作用的总体光能转化效率仅为33％，表明光合作用中吸收的很大一部分光能在光反应阶段以各种方式损失掉了。
（5）卡尔文循环的调控
①循环自催化作用
碳同化的速率在很大程度上决定于接受CO2的RuBP的含量，当其含量低时，形成的磷酸丙糖被用于RuBP的再生，以加快固定CO2的速率。当循环达到稳定状态后，就会有磷酸丙糖输出。
②光的调节
在卡尔文循环中，光照可以调节靶酶的活性。光、暗调控机制控制着卡尔文循环中5个关键酶的活性。
a．光对Rubisco活性的调节
第一，光影响Rubisco大、小亚基的基因转录。
第二，光通过调节叶绿体基质中的pH和Mg2＋浓度调节Rubisco活性。
b．光调节其他酶的机制
光通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统的氧化还原来控制酶的活性。
③光合产物输出速率的调节
叶绿体被膜上的磷酸转运器通过将光合产物（磷酸丙糖）自叶绿体基质运出和向叶绿体基质提供无机磷酸，保障光合作用的进行。
2.C4途径
C4途径中CO2固定的最初产物是4C二羧酸（苹果酸等），又称Hatch-Slack途径。
（1）C4植物
①C4植物的叶片解剖结构
C4植物的维管组织周围有发达的维管束鞘细胞，形成花环结构。在维管束鞘细胞与叶肉细胞间存在着大量的胞间连丝，以维系这两种细胞之间的物质交换。
②两类光合细胞的特点
两类光合细胞中含有不同的酶类，分别催化C4途径的不同步骤，共同完成CO2的固定还原。C4植物中CO2的同化是在叶肉细胞与维管束鞘细胞的协同作用下完成的。
（2）C4光合碳代谢过程
①叶肉细胞中的羧化与还原反应
a．羧化反应
CO2在碳酸酐酶的作用下形成HCO3－，随后与PEP结合形成草酰乙酸（OAA）。
b．还原反应
OAA在叶绿体中被还原为苹果酸，或在细胞质中转化为天冬氨酸，实现CO2的初固定。
②维管束鞘细胞中的再固定
在叶肉细胞中形成的4C酸通过胞间连丝转运进入维管束鞘细胞，在维管束鞘细胞中脱羧形成丙酮酸，所释放出的CO2进入叶绿体中，经过卡尔文循环的再固定，形成磷酸丙糖，完成光合碳同化。
③底物PEP的再生
脱羧形成的丙酮酸被转运至叶肉细胞，由丙酮酸磷酸双激酶催化．再生PEP，维持C4途径的继续运行。
图4-5 光合C4循环涉及叶片外部区域和维管区域的两类细胞
④C4的代谢类型
根据运入维管束鞘的4C羧酸的种类及其脱羧酶的不同，可将C4途径分为3种类型（表4-1）。
表4-1 C4途径的3种类型
（3）C4途径的调节
①光的调节
在C4途径的反应中，PEPC、NADP-苹果酸脱氢酶、PPDK都是光活化酶。
②代谢产物的调节
C4途径中的代谢物苹果酸和天冬氨酸抑制PEPC的活性，而G-6-P和PEP则增加其活性。
③离子的调节
Mn2＋和Mg2＋是NADP-苹果酸酶、NAD-苹果酸酶及PEP羧激酶的活化剂。
（4）C4途径的生理特点
①PEP羧化酶对CO2的高亲和性使植物在低CO2条件下也能进行有效的吸收，并且能够提高维管束鞘细胞内的CO2浓度，避免光呼吸。
②PEP羧化酶的高亲和性，使C4植物可以在高温下进行正常光合作用的同时减少气孔开放，避免水分散失。
③C4光合碳代谢途径的高能需求，使C4植物比C3植物有更高的高光照的耐受能力。
3．景天酸代谢（CAM）途径
①景天酸代谢途径的定义
景天酸代谢途径是指有机酸合成昼夜变化的光合碳代谢类型。
②景天科植物的特点
a．叶片通常肉质化，表皮厚，面积/体积的值低，液泡大，气孔开放孔径小，频率低。
b．叶片气孔夜开昼合，叶肉细胞的液泡在夜间大量积累苹果酸，酸度升高；而白天苹果酸含量减少，酸度下降，淀粉和糖的含量增加。
③CAM途径
CAM途径中4C酸的生成同时具有时间和空间上双重分离的特点。
a．夜间，气孔开放，并以苹果酸的形式储存在液泡中，相当于“CO2库”。
b．白天，气孔关闭，液泡中的苹果酸转运进入细胞质，进行脱羧作用，释放的CO2在叶绿体中进入卡尔文循环，完成碳同化。
4．光合作用的产物
光合作用的主要产物是蔗糖和淀粉，由磷酸丙糖转化合成。
（1）磷酸丙糖转化为蔗糖
磷酸丙糖→果糖-1,6-二磷酸（F-1,6-P）→果糖-6-磷酸（F-6-P）→葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）和葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）→UDPG和焦磷酸→蔗糖。
（2）磷酸丙糖转化为淀粉
磷酸丙糖→F-1,6-P→F-6-P→G-6-P和G-1-P→ADPG。
再由淀粉合酶催化ADPG分子中的葡萄糖转移到葡聚糖引物的非还原末端。如此不断延长，而形成长链的直链淀粉，暂时储存在叶绿体中。
（3）光合作用的全过程（表4-2）。
表4-2 光合作用的全过程
五、光呼吸
1．光呼吸的定义
光呼吸是指绿色细胞依赖光照吸收O2和释放CO2的过程。光呼吸由叶绿体、过氧化物体和线粒体3种细胞器协同完成整个过程，因为产生多种2C的中间产物，又称C2光呼吸碳氧化循环，常简称为C2循环。
2．光呼吸代谢
（1）光呼吸代谢的过程
C2循环始于Rubisco催化RuBP的加氧反应，产生1分子磷酸乙醇酸和1分子3-PGA。前者水解为乙醇酸，乙醇酸积累对细胞有毒害作用，需要及时氧化分解。
（2）乙醇酸的分解
乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→丝氨酸→羟基丙酮酸→甘油酸。
甘油酸返回叶绿体中，在甘油酸激酶的作用下生成3-PGA，可进入卡尔文循环再生RuBP完成循环。
3．光呼吸的生物学功能
（1）减少C浪费
植物适应低CO2含量和高O2含量的空气现状，减少因Rubisco加氧反应所造成的C浪费。
（2）降低活性氧伤害
光呼吸是叶绿体中的一种保护机制，用以降低高光照和细胞间隙中低CO2浓度条件下（如由于缺水气孔关闭）产生的活性氧伤害。
4.C3、C4与CAM植物的光合特性比较
（1）三类植物的光合特性
①不同植物的光合碳代谢途径是对特定生态环境的适应和进化的结果。详细比较见表4-3。
②不同的碳代谢途径也不是截然分开的，植物在环境条件发生变化或在发育的不同阶段，也会在C3与C4的途径间转换。
表4-3 C3植物、C4植物、CAM植物的光合特性及生理、生态特征的比较
（2）植物富集CO2的机制
①质膜CO2泵和HCO3－泵
a．某些藻类的细胞质膜上的CO2和HCO3－泵在细胞质中积累HCO3－，通过碳酸酐酶的作用加速H2CO3↔CO2＋H2O的转换反应，提高了Rubisco特殊微环境的CO2浓度。
b．原核生物蓝细菌中，细胞质中的HCO3－被转移到Rubisco微隔室——羧酶体中，进行卡尔文循环的固碳反应，降低了光呼吸。
②C4途径
a．C4植物的叶肉细胞中，固定碳的底物为HCO3－，与PEPC的亲和力极高，而且不存在与O2的竞争反应，有很高的固定CO2效率。
b．维管束鞘细胞中苹果酸的脱羧反应浓缩CO2。
③CAM途径
CAM植物利用细胞质和叶绿体的分隔以及昼夜代谢的变化实现CO2的浓缩。
六、环境因素对光合作用的影响
1．光合速率
（1）光合速率的定义
光合速率是指单位时间、单位叶面积吸收CO2或释放O2的量，一般以CO2吸收量或O2释放量[μmol/(m2·s)]为具体指标，也可用单位叶面积、单位时间积累的干物质量[mg/(dm2·h)]表示。
（2）表观光合速率
一般测定光合速率时，得到的结果实际是光合速率与呼吸速率之差，称为表观光合速率，又称净光合速率。
（3）总光合速率
在测定光合CO2吸收量的同时，应测定呼吸释放CO2的量并加以校正，即可得到实际的总光合速率（真正的光合速率）。
（4）影响光合作用的因素
①植物本身的遗传特性；
②植株的发育阶段、叶龄；
③同化器官与消耗和贮藏器官之间协调关系；
④各种环境因子。
2．影响光合速率的环境因素
（1）光照
光是光合作用的决定因素。
①光补偿点
a．定义
当达到某一光照度时，叶片的光合速率与呼吸速率达到动态平衡，即吸收的CO2与释放的CO2相等，此时测定表观光合速率为零，这时的光照度称为光补偿点。
b．特点
生长在不同环境中的植物其光补偿点不同，一般而言，阳生植物光补偿点较高，阴生植物因呼吸速率较低，其光补偿点也低。
②光饱和点
达到某一光照度时，光合速率不再增加，这一光照度称为光饱和点。
③光补偿点和光饱和点的实际应用
a．当CO2浓度升高时，光补偿点降低而光饱和点升高；温度升高时，光补偿点升高。
b．植物的光补偿点和光饱和点反映了植物叶片对光的利用能力，在选用某地区栽培作物品种及正确选择间种、套作的作物和林带树种搭配方面，以及在决定作物的密植程度等方面有重要的参考价值。
c．生产中可考虑降低作物的光补偿点而提高作物的光饱和点，以最大限度地利用日光能。
④光抑制现象
当光能超过植物光合系统的利用能力时，光合速率反而下降，出现光合作用的光抑制现象。
（2）CO2
CO2是光合作用的反应底物，其浓度直接影响光合速率。
①CO2补偿点
当植物光合作用吸收的CO2量与呼吸作用和光呼吸释放的CO2量达到动态平衡时，环境中的CO2浓度称为CO2补偿点。
②CO2饱和点
达到一定CO2浓度时，光合速率不再增加，这时环境中的CO2浓度称为该植物的CO2饱和点。
（3）温度
温度影响光合作用中参与生化反应的酶的活性，也影响叶绿体结构、气孔状况和呼吸作用等。
（4）水分和矿质元素
①水分对光合作用的影响
水对光合作用的影响是间接的。
a．缺水时，主要导致气孔关闭而影响CO2进入，而使光合速率下降。
b．水分亏缺时，一些水解酶活性提高，不利于糖的合成。
c．缺水影响细胞伸长生长并抑制蛋白质合成，使叶片光合面积减小，植物的总光合作用降低。
②矿质元素对光合作用的影响
矿质元素直接或间接影响光合作用。
a．N、P、S、Mg等元素是叶绿素及叶绿体的组分；
b．Fe、Mn、Cu、Zn等是相关酶的辅基或活化剂；
c．Cu、Fe参与光合电子传递；
d．Mn、Cl作为放氧复合体的成分参与H2O的光解；
e．缺P影响光合同化力及许多中间磷酸化合物的形成；
f．K、Ca影响气孔开闭而影响CO2的出入；
g．磷酸和B促进光合产物的运输。
3．植物的光能利用率
（1）定义
作物生育期内，通过光合作用储存的化学能占投射到这一面积上的日光能的百分比，称为光能利用率。
（2）农业上提高光能利用率的方法
延长光合时间、增加光合面积和提高光合效率等途径。