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光合作用

第4章光合作用

4.1引言

光合作用（photosynthesis）是绿色植物和藻类利用光能把CO2和水合成为还原态碳水化合物的过程，也是太阳光能转化为化学能的重要过程。

在陆地和海洋生态系统中，光合作用极为重要，因为几乎所有进入生物圈的能量都来源于光合作用。

首先，光合作用将无机物变为有机物，据统计地球上一年通过光合作用同化的碳素约为2×1011t，其中约60%来自于陆生植物（约1.25×1011t），余下的由水生植物提供；二是将太阳光能转化为可利用的化学能，人类所利用的能源，包括煤炭、石油、天然气等化石能源，都是通过光合作用由太阳光能转化而来的；三是植物通过光合作用维持大气中O2和CO2的相对平衡，植物光合作用过程中吸收CO2释放O2，起到“空气净化器”的作用，并提供生物尤其是动物和人类呼吸作用所必须的O2。

由此可见，对于生物界的几乎所有生物来说，光合作用是它们赖以生存的关键。

探究光合作用的规律和机理，具有十分重要的理论和现实意义。

4.1.1光合作用的发现及其早期研究中的重要实验

光合作用的反应过程十分复杂，其发现历经几百年，众多科学家为此付出了大量心血。

17世纪以前，人们一直以为植物生长发育所需的全部元素均来自于土壤，植物是从土中‘长’出来的。

直到17世纪中叶，集化学家、生物学家和医师等多种角色于一身的比利时科学家海尔蒙特（JBvanHelmont）以柳枝为实验材料，考察了生长在已知重量土壤中的柳树的质量增加量与土壤质量的变化之间的关系，发现柳树的质量增加了76.7kg，但土壤的重量几乎未发生改变，证明植物生长所需物质并非主要来自于土壤。

1771年，英国牧师兼化学家普利斯特里（JosephPriestley）发现，将生长健壮的薄荷和点燃的蜡烛放在一个密闭钟罩内，蜡烛不易熄灭；若将小鼠与绿色植物同放在钟罩内，小鼠也不易窒息死亡。

这表明植物具有“净化”空气的作用。

1779年，荷兰医师和植物生理学家英根霍斯（JIngenhousz）证实，植物只有处于光照的条件下才具有‘净化’空气的功能。

随后科学家们又陆续通过化学分析和定量测定的方法证实，CO2是光合作用所必需的，水参与了光合作用，而O2是光合作用的产物。

1864年萨彻斯（JVSachs）从照光后的叶片中观测到了淀粉粒，为光合作用可合成有机物提供了直接证据。

到了19世纪末，光合作用的化学方程式被最终归纳为下式所示：

6CO2+6H2O光／植物C6H12O6+6O2-----------4-1

可见，光合作用就是绿色植物利用光能将空气中的CO2还原为碳水化合物并偶联水的光解放氧过程。

这一极为复杂的过程牵涉到多达几十步的生物化学反应。

以下简要介绍几个阐明叶片光合活性（photosyntheticactivity）与其吸收光谱（absorptionspectrum）之间关系的经典实验。

19世纪后期，恩格尔曼（TWEngelmann）开展了吸收光谱测定实验。

用棱镜将白光分解成七色光，以七色光照射水生线藻（即绿藻门接合藻纲的水绵藻属（Spirogyra）的水绵藻）培养液中的需氧型细菌（即好氧细菌）。

结果发现，需氧型细菌都聚集生长于红光和蓝光照射着的水绵藻部位。

这表明叶绿素对这两种光具有较强的吸收，并由此满足了需氧型细菌生长对O2的需求。

该吸收光谱实验对于发现藻类及高等植物的光合作用中存在两个光系统这一客观事实亦具有十分重要的意义。

1932年爱默生（REmerson）和阿诺德（WArnold）的“绿藻闪光产氧量”实验，探索了光合作用中叶绿素分子的能量转化机制。

他们对蛋白核小球藻（Chlorellapyrenoidosa）悬浮液实施闪光（10-5s/次）照射，两次闪光间的间隔时间为0.1s。

通过不断提高闪光的能量，发现当闪光超过一定强度后，再增加闪光强度，O2产量也不再升高（即在此光强下光系统达到饱和状态）。

在此光系统饱和之状态下，他们考察了蛋白小球藻产氧量与闪光能量之间的关系，惊奇地发现每生成1分子O2需约2500个叶绿素分子协同作用。

该研究成果为进一步揭示作用中心色素分子与天线色素分子的相互关系提供了重要依据。

光合过程本身是一个氧化还原反应，在反应中电子通过氧化加合从一种物质传递到另一种物质上。

1937年希尔（RHill）发现，将离体叶绿体放在具有氢受体即氧化剂（如Fe3+）的水溶液中，照光后即发生水的分解和O2的放出。

由此说明光合作用中产生的O2来自于水而非CO2。

这个过程可用下式表示：

4Fe3++2H2O叶绿体／光4Fe2++O2+4H+--------4-2

此反应被称为希尔反应（Hillreaction）。

氢受体被称为希尔氧化剂（Hilloxidant），苯醌、NADP+、NAD+等都可作为希尔氧化剂。

阐明光系统的过程中，最令人瞩目的发现当属爱默生（REmerson）的红降（reddrop）现象与双光增益效应（enhancementeffect），后者也称爱默生效应（Emersoneffect）。

20世纪40年代，当以绿藻（小球藻，Chlorella）为材料研究不同波长光子的量子产额（quantumyield），即吸收一个光量子所固定的CO2分子数或放出的氧分子数时，爱默生发现用波长大于685nm的远红光（far-redlight）照射材料时，量子产额急剧下降，此即所谓的红降现象（图4-1）。

图4-1红降现象。

产氧量子产额在波长大于680nm的远红光区域显著下降，表明远红光独自不足以有效地驱动光合作用；而产氧量子产额在波长500nm左右的轻微下降则反映出天线色素——类胡萝卜素吸收的光能光合效率较低。

（注：

本章图4-1至4-19中除图4-16外，均编译自Taiz和Zeiger编PlantPhysiology第二至五版）

1957年，爱默生又发现，当用红光（波长650nm）和远红光（波长大于685nm）同时照射植物材料时其量子产额比用这两种波长的光单独照射时的和要大。

这种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（图4-2）。

该发现促使科学家们提出了一个大胆的假设，即光合作用可能是由两个光化学反应，也就是现在我们知道的两个光系统（photosystem）联合完成的：

一个是吸收红光（680nm）的光系统II（photosystemII,PSII），另一个是吸收远红光（700nm）的光系统I（photosystemI,PSI），这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。

上述研究表明，植物的光合系统由两个作用中心组成，这两个作用中心协同完成光合作用，而每个作用中心又对应着大量的天线色素分子，为作用中心的高速运转提供足够的光能，以确保光合作用运转的高效性。

图4.2双光增益效应。

红光远红光一起照射时的光合速率大于这两种光单独照射时的之和。

双光增益效应（1950s）为发现光合作用中存在着两个光化学系统提供了关键性证据，并表明这两个具有不同的最适吸收波长的光系统串联协同工作。

4.1.2光合器和光合色素

叶绿体为高度特化了的光合器（photosyntheticapparatus），是植物进行光合作用的场所，由双层膜构成。

叶绿体膜以内的物质称为基质（stroma），主要由可溶性蛋白（酶）和其它活跃的代谢物质组成，在基质中存在着基粒类囊体（granathylakoid）和基质类囊体（stromalamella），光合色素就分布在类囊体膜上。

蓝藻及光合细菌等原核光合生物的光合器较为简单，但也含有多种光合色素（表1）。

表1：

各类光合生物体内光合色素种类对比

光合生物

叶绿素（a-d）或

细菌叶绿素（a-e,g）

类胡萝卜素

藻胆蛋白

真核生物

种子植物

蕨类、苔藓、绿藻

a和b

+

-

硅藻、甲藻、褐藻

a和c

红藻

a和d

+

+

原核生物

蓝藻

a和d

+

+

原绿藻

a和b

+

-

硫紫色细菌

a或b

+

-

非硫紫色细菌

绿细菌

a和c（或d或e）

日光杆菌

g

就丰富程度和功能上的重要性而论，叶绿素（chlorophyll）是叶绿体（chloroplast）中最为重要的色素（见表1）。

高等植物中存在两种叶绿素——叶绿素a（chlorophylla）与叶绿素b（chlorophyllb）。

此外，高等植物叶绿体中还含有类胡萝卜素（carotenoid），包括胡萝卜素（carotene）和叶黄素（xanthophyll）两类。

高等植物的上述叶绿素和类胡萝卜素统称为叶绿体色素或光合色素。

所有叶绿体色素中，只有少数特殊的叶绿素a参与能量转换，这些特殊叶绿素a分子即光合作用中心色素分子（reactioncentrepigment,P）。

其他色素分子，包括大部分叶绿素a、全部叶绿素b和所有胡萝卜素和叶黄素，都扮演辅助色素（accessorypigment）或天线色素（antennapigment）的角色，即参与吸收和传递光量子给作用中心色素分子。

类胡萝卜素除了作为辅助色素发挥功能外，更为重要的可能是在保护和调节叶绿体正常发挥功能方面起作用（详见“4.2.4.3”部分）。

4.2光反应

4.2.1光具波粒二相性

低能

现代物理学认为光具有‘波粒二相性’，即光既具有波长和频率，也具有粒子特性。

光粒子又称光子（photon），每一光子具有特定的能量，称为光量子（quantum）。

光的这种特性决定了其能量传递方式是量子化的，具不连续性。

太阳光中包含了许许多多不同波长的光子，到达地球的光波长为300nm的紫外光至2600nm的红外光，而光合作用的有效吸收光谱仅为其中的可见光（visiblelight;400～700nm）部分（图4-3）。

4.2.2光合色素的吸收光谱

图4-4几种光合色素的吸收光谱。

曲线1为细菌叶绿素a；曲线2为叶绿素a；曲线3为叶绿素b；曲线4为藻红素；曲线5为β-胡萝卜素。

除曲线4外，所有的吸收色谱均在纯色素溶解于非极性溶剂条件下测定，而曲线4则为藻红蛋白之水缓冲液的吸收光谱。

藻红蛋白是从蓝藻中分离得到的一种含藻红素蛋白，其中藻红素以共价健方式结合到多肽链上。

光合色素在植物体内的吸收光谱经常受到光合膜色素环境的影响。

叶绿素的吸收光谱在可见光区域有两个吸收高峰，一个在蓝光波长区域，一个在红光波长区域，其最大吸收波长随叶绿素分子环境的不同而有所改变。

叶绿素a溶于有机溶剂，最大吸收波长为450nm和660nm，而叶绿素b的两个吸收峰较叶绿素a微微向中间偏移20nm左右。

不同生物中各种光合色素的吸收光谱见图4-4。

叶绿素由一个含金属镁离子的卟啉环（porphyrinring）‘头部’连接一个植醇（phytol）‘尾部’而成（图4-5）。

叶绿素分子正是通过这个植醇尾部与膜的疏水部分相结合从而固定在膜上。

卟啉环结构中含有一些自由电子，它们在叶绿素分子参与的电子传递和氧化还原反应中发挥作用，同时也可能是与叶绿体蛋白部分结合的位点。

光合色素根据功能可分为两种类型：

一类是作用中心色素，少数特殊状态的叶绿素a分子属于此类。

作用中心色素分子具有光化学活性，既能捕获光能，又能够将光能转换为电能；另一类是辅助色素或天线色素，又称聚光色素（lightharvestingpigment），没有光化学活性，只起收集并传递光能给作用中心色素分子的作用。

光合有机体的类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素，它们是富含双键的线性分子（图4-5），吸收光谱在400-500nm之间，均呈橙色。

类胡萝卜素广泛存在于所有的光合有机体中，是构成类囊体膜的必要组成成分，并与构成光合器官的许多蛋白质密切相关。

类胡萝卜素的功能详见“4.2.4.3”部分。

叶绿素对于绿光波段（约550nm）的吸收较少（因反射光主要是绿色光，所以我们看到的植物呈现出绿色），其吸收光谱主要集中于红光和蓝光波段（如图4-6）。

波长（λ）

叶绿素的光吸收可用下式表示：

Chl+hvChl*------------4-3

处于基态的叶绿素分子（Chl）吸收光子（hv）后即发生跃迁，激发到高能状态即激发态（Chl*）。

叶绿素分子激发态（excitedstate）和基态（groundstate）的电子分布不同。

叶绿素分子的激发态极不稳定，保持的时间仅为数纳秒（ns;1ns=10-9s）。

叶绿素分子所吸收的光量子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，这个过程称作激发态衰变（decay）。

叶绿素对光的吸收存在两个最强吸收峰，即蓝光区和红光区。

当叶绿素吸收蓝光后电子将跃迁至高能激发态（highestexcitedstate）又称为第二单线激发态或第二单线态；若叶绿素受到红光激发电子则跃迁至低能激发态（lowestexcitedstate）又称为第一单线激发态或第一单线态。

激发态叶绿素分子的衰变主要分为如下四种情况（图4-7）：

（1）热耗散：

即处于高能激发态的叶绿素分子通过热耗散的方式由第二单线态衰变至第一单线态。

波长

λ

图4-7叶绿素的光吸收和光发散。

（A）能量水平图。

光吸收和光发散用能量基态和激发电子态间的垂线表示。

蓝光和红光的叶绿素吸收带（分别吸收蓝光和红光）对应于各自的上垂线，表明叶绿素分子吸收光能后从基态向激发态的转变。

下箭头则代表叶绿素荧光，即叶绿素分子在从低激发态回到基态的过程中以光子的形式释放出能量。

（B）吸收光谱和荧光光谱。

叶绿素的长波长（红光）吸收谱带表示了叶绿素从基态向第一激发态跃迁所需要的光能。

短波长（蓝光）吸收带则表示叶绿素分子从基态跃迁至高能态所需的光能。

（2）荧光：

第一单线态叶绿素分子将吸收的能量以长波长荧光的形式释放出来，其寿命约为10-9秒。

荧光波长长于吸收光波长是因为在荧光发生之前，有部分能量已经以热能的形式耗散掉。

（3）叶绿素参与能量传递，即作为天线色素发挥作用，将能量传递给下一个色素分子使之由基态变为激发态，以此类推，实现能量的共振传递（resonancetransfer），直至作用中心的特殊叶绿素a分子。

色素分子系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中的高能电子的振动会引起临近另一个分子中某个电子的振动（共振）。

当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递，能量由第一个分子传递给了第二个分子。

第一个分子中原来被激发的电子便停止振动，而第二个分子中被诱导的电子则变为激发态。

第二个分子又能以同样的方式激发第三个、第四个分子。

这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。

共振传递仅适用于分子间距离大于2nm的色素分子间的光能传递，传递速率与分子距离的6次方成反比。

（4）光能向化学能的转化，这个过程只可能由光合作用中心色素分子（即特殊叶绿素a分子）完成。

以上四种过程是同时发生和相互竞争的。

处于激发态的叶绿素分子，其能量在适当的条件下可用于光化学反应,若不能用于光化学反应，则以波长较长，能量较小的荧光发射出去。

因此,在稳定的光照条件下，光合强度较大，激发能多用于光合作用，荧光减弱。

反之，当光合强度下降时,则荧光的发射就增强。

因此荧光产额变化的测定可成为了解光合作用机制，尤其是原初反应中色素间能量传递机理的一种有效手段。

其中光能向化学能的转化即所谓光合作用的原初反应（primaryreaction），在光合作用中心进行，包括作用中心色素分子、原初电子受体（primaryelectronacceptor）和原初电子供体（primaryelectrondonor），它们完成电荷分离将光能转化为电能。

即天线色素将光能传递到作用中心后，使作用中心色素分子激发，放出电子给原初电子受体，随后作用中心色素分子从原初电子供体夺取电子，重新恢复原来基态的状态。

这样不断的氧化还原，就源源不断地把电子从原初电子供体输送给原初电子受体，完成光能向化学能的转换。

4.2.3光系统

光系统（photosystem）是光合生物中能够吸收光能，并将其转变为化学能的多蛋白质复合体，分为光系统Ⅰ（PSI）和光系统Ⅱ（PSII）。

每一光系统均由含叶绿素的捕光复合体和含特殊叶绿素a的作用中心所组成。

类囊体膜是光系统的结构基础，参与光合电子传递的蛋白复合体：

捕光色素蛋白复合体、PSI、PSII、细胞色素b6/f复合体、ATP合酶都按照一定的方式有序排布在类囊体膜上。

尤其是在基粒类囊体的垛叠区域和基质类囊体上，上述几种蛋白复合体的分布存在很大差异，主要反映在PSII、PSI和ATP合酶在基粒类囊体和基质类囊体膜上呈现不均等分布的特性。

PSII主要集中在基粒类囊体的垛叠区域，而PSI和ATP合酶则广泛分布于基质类囊体和基粒类囊体垛叠区的边缘。

正是这些蛋白复合体空间分布上的不均等特性，决定了电子传递链在PSI和PSII之间起连接作用的细胞色素b6/f蛋白复合体必须均等地分布于基粒类囊体和基质类囊体上。

光系统空间分布的这一分离特性决定了PSI和PSII之间的电子传递和光化学反应过程在空间上也是彼此分离的。

这种分离特性表明两个光系统并不存在严格的一一对应关系，而是通过质体醌（PQ）和质体蓝素（PC）在系统之间的移动使二者联系起来。

有证据表明，光系统的这一特性有助于提高光合作用效率，并为光保护机制奠定了基础。

两个光系统的另一个不同之处在于PSI的作用中心色素分子（P700）主要吸收长波长光进行光化学反应，还原NADP+；而PSII的作用中心色素分子（P680）主要吸收短波长光进行光化学反应，并伴随有水的光解和放氧。

非放氧光合细菌只存在单一的一种光系统，在结构上与PSI或PSII十分相似。

因此研究这些非放氧光合细菌有助于在结构和功能上更进一步理解光合放氧过程。

例如，1989年德森霍费尔（JDeisenhofor）和米切尔（HMichel）首次证明，紫色光合细菌（purplephotosyntheticbacteria）的作用中心是一种跨膜蛋白。

现在人们普遍认为紫色光合细菌作用中心的结构在许多方面都与放氧有机体的PSII相似，尤其是在传递链的电子受体部分。

这种细菌作用中心蛋白复合体与PSII作用中心蛋白复合体的相似性暗示细菌和高等植物在进化上存在相关性。

上述这些相似之处同样存在于厌氧绿色硫化细菌（greensulfurbacteria）、日光杆菌（heliobacteria）与PSＩ之间。

4.2.4光合电子传递链

光合电子传递链定位于类囊体膜上，由一系列氧化还原反应组分构成，PSＩ和PSII的光化学反应通过光合电子传递链（又称“Z”字链）串联在一起运转。

4.2.4.1“Z”字链

光合作用光反应中的电子沿按照氧化还原电位排列成‘Z’字形的电子传递体进行传递。

图4-8为‘Z’字链模式图，其中的电子传递体按照氧化还原电位高低排列。

电子传递链的电子传递过程始于光子激发PSII作用中心的特殊叶绿素a分子并使其发生电荷分离，失去电子的PSII作用中心色素分子从放氧复合体（oxygen-evolvingcomplex,OEC）中夺取电子并推动水光解放氧。

然后电子通过一系列的电子传递体进行传递，经脂溶性的PQ传递到细胞色素b6/f复合体。

同时伴有H+跨类囊体膜在类囊体腔中积累，后由水溶性的PC传递用以还原PSI作用中心色素分子。

PSI作用中心色素分子再吸收光子进行光化学反应，补充能量传递电子，并最终将NADP+还原为NADPH。

图4-8放氧光合生物的‘Z’方案。

（1）垂直箭头代表作用中心叶绿素P680（PSII）和P700（PSI）吸收光子。

激发态PSII作用中心叶绿素P680*将电子转移给去镁叶绿素Pheo。

（2）在PSII氧化态侧（连接P680与P680*箭头左侧），Yz进行水解放氧，同时利用产生的电子将氧化态P680重新还原。

（3）在PSII的还原态侧（连接P680与P680*箭头右侧），去镁叶绿素将电子传递给受体QA和QB，它们是质体醌的两种形态。

（4）细胞色素b6f复合体将电子传递给可溶性蛋白质体蓝素（PC），PC随后还原P700*（氧化态P700）。

（5）P700*的第一个电子受体为A0（被认为也是一叶绿素分子），第二个受体为醌。

一系列结合于膜上的铁硫蛋白（FeSX，FeSA，和FeSB）将电子转移至可溶性铁氧还蛋白（Fd）。

（6）可溶性黄素蛋白-铁氧还蛋白-NADP还原酶（FNR）将NADP+还原为NADPH。

虚线表示PSI的环式电子流动。

光合电子传递链由四个蛋白复合体组成（按电子传递顺序排列）：

PSII、细胞色素b6/f复合体、PSI和ATP合酶。

这四个跨膜蛋白复合体有序排列在类囊体膜上（图4-9），作用如下：

（1）PSII在类囊体腔内进行水光解放氧，并在类囊体腔中释放质子，同时还原质体醌PQ为PQH2。

（2）细胞色素b6/f复合体氧化夺取PQH2的电子，通过质体蓝素PC将电子传递给PSI。

PQ的每次氧化过程伴随有一个质子从基质跨膜转运到类囊体腔中，从而产生并累积跨膜质子动力势。

（3）PSI在基质侧通过Fd和FNR将NADP+还原为NADPH。

（4）ATP合酶利用质子从类囊体腔返回基质过程中所释放出的质子动力势驱动ATP的合成。

图4.9电子和质子在类囊体膜中的转移是通过四个复合体以矢量的方式完成的。

PSII促使水氧化并使质子在类囊体腔中释放。

PSI通过Fd和FNR的作用将NADP+还原为NADPH。

质子通过细胞色素b6f复合体转运进入类囊体腔，进一步增大了电化学势梯度。

类囊体腔内积累的质子扩散到ATP合酶处，顺电化学势梯度方向通过ATP合酶返回叶绿体基质，ATP合酶利用过程中释放的能量合成ATP。

质体蓝素和还原态质体醌分别将电子转移给PSI和细胞色素b6f复合体。

虚线代表电子转移；实线代表质子运动。

图4.10除草剂敌草隆和百草枯的化学结构与作用机理。

（A）敌草隆和百草枯的化学结构；（B）敌草隆与百草枯在光合电子传递链中的作用位点。

敌草隆通过与质体醌竞争结合位点在PSII的受体处阻断电子流，百草枯则通过在PSI的早期电子供体处接受电子导致电子传递中断。

图4.10除草剂敌草隆和百草枯的化学结构与作用机理。

（A）敌草隆和百草枯的化学结构；（B）敌草隆与百草枯在光合电子传递链中的作用位点。

敌草隆通过与质体醌竞争结合位点在光系统II的受体处阻断电子流，百草枯则通过在光系统I的早期电子供体处接受电子导致电子传递中断。

农业上经常使用的除草剂如二氯苯基二甲基脲（DCMU，也叫敌草隆）和百草枯（methylviologen）就是通过阻断光合电子链而发挥作用的（图4-10）。

DCMU在PSII的PQ受体处通过与PQ发生竞争性结合阻断光合电子流，而百草枯则从PSI的电子受体处夺取电子，与O2反应形成超氧化物（O2-），对叶绿体的组分尤其是膜脂产生危害。

4.2.4.2光合磷酸化

前面我们介绍了捕获的光能如何通过电子传递将NADP+还原为NADPH。

在电子传递过程中还有一部分能量用以建立跨类囊体膜的质子浓度梯度，这部分以质子浓度梯度形式保存起来的能量可以在ATP合酶的作用下用以将无机磷酸（Pi）与ADP结合形成ATP，称之为光合磷酸化（photophosphorylation）。

一般情况下光合磷酸化过程都与电子传递相伴发生，然而有时也会出现电子传递与光合磷酸化彼此独立的现象。

这种不伴有光合磷酸化作用的电子传递称为解偶联反应（uncoupledreaction）。

光合磷酸化的作用机制可由米切尔（PMitchel）的化学渗透学说来解释，这一学说是米切尔于20世纪60年代提出的。

该学说认为在电子