光合作用的化学原理

光合作用的化学原理 关键词 : 物质与能量变化, 化学反应, 循环, 应用摘要 : 正如我们所了解的, 光合作用是光能自养生物利用光能将无机物合成有机物的过程, 它为几乎所有生物提供食物 因此, 光合作用可称为是地球上最重要的化学过程 ( 引自沈允钢 地球上最重要的化学反应 光合作用 ) 能进行光合作用的生物主要包括高等绿色植物和光能自养细菌, 其中涉及大量化学反应和复杂的生物学变化, 有一些至今尚不为人们所认识 本文仅就绿色植物光合作用的化学原理进行讨论 一 反应机理 : 绿色植物的光合作用可以用下面这个简单的反应式来表示 : 叶绿素 CO 2 +2H 2 O 光 (CH 2 O)+H 2 O+O 2 ; ΔG=+4.8*10 2 KJ/MOL 就目前的了解, 我们一般将绿色植物的光合作用划分为三个相对独立的过程 : (1) 原初光化学反应吸收与传递光能, 并在 反应中心 通过电荷分离的方式将光能转化为电子势能, 产生强氧化剂和强还原剂 其中强氧化剂将 H 2 O 氧化放出 O 2, 强还原剂参与到后面电子传递的氧化还原反应 (2) 电子传递及偶联的磷酸化作用将电子势能转换为活泼的化学能, 储存于高能中间产物 NADPH( 还原型辅酶 II, 即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 ) 和 ATP ( 三磷酸腺苷 ) 中 (3) 碳素同化作用利用 NADPH 和 ATP 将 CO 2 还原成糖类, 同时将活泼的化学能转换为稳定的化学能, 储存在光合产物中 前两个过程属于光合作用的光反应阶段, 发生在叶绿体基粒的类囊体膜上 ; 后一个过程为暗反应, 发生在叶绿体基质中, 且需要大量的酶催化反应的进行 下面就来具体讨论这些过程中涉及的化学变化 1 原初光化学反应: 反应中心 : 1943 年,Emerson 和 Louis 发现只用波长超过 690nm 的红光照射植株时, 光合效率显著下降, 就是所谓的 红降 现象 1957 年以后, 他们更是发现了 双光增益效应 : 两种波长的光一同照射时, 比它们单独照射时作用之和要有效得多 因此, 叶绿体应该含有两套相对独立的光系统 1964 年,Boardman 和 Anderson 对类囊体膜进行分离, 获得了只含 PSI( 光系统 I) 和 PSII( 光系统 II) 的碎片 光系统中只有少量的叶绿体 a 具有将光能转化为化学能的能力, 其余色素分子仅起捕获光能, 并将光能迅速传至 反应中心 的作用, 故称为 天线分子 第 1 页, 共 11 页

那么, 反应中心 的确切含义是什么呢? 在每一个光系统中有几百个可吸收光的叶绿素分子, 它们将激发能传递到发生光化学反应的部位, 这个部位就是反应中心 反应中心实质上是一个蛋白质复合体, 近来对光系统的提纯表明 : 一个高度纯化的反应中心, 其色素分子仅包括 4~6 个 Chl a( 叶绿素 a) 分子 2 个 Pheo( 脱镁叶绿素 ) 分子和 2 个 β-c ar(β- 胡萝卜素 ) 分子, 且只有两个 Chl a 分子 ( 结合成为特殊的二聚体 ) 具有光敏化的性质 2 个 Pheo 为最初的电子受体,2 个 β-car 的作用则是在强光下猝灭能量过高的 Chl a, 从而对 Chl a 起保护作用 位于反应中心的叶绿素分子化学性质完全相同, 但是他们与蛋白质分子结合位点的不同导致其物理状态也有微小的差异 其中最重要的一个差别就是反应中心的叶绿素分子激发态能级较其它叶绿素分子为低, 形成了一个 能量阱, 使其电子更易被激发 PSI 的中心色素是 P700, 而 PSII 的中心色素为 P680 ( 分别表示它们在光波长为 700nm 和 680nm 时有最大吸收峰 ) 第 2 页, 共 11 页

原初光化学反应的大致步骤 : 当 P680( 反应中心色素分子 ) 接受光能之后, 首先变成激发态 处于激发态的分子具有很高的能量, 极不稳定, 迅速向周围射出一个高能电子 该高能电子被原初电子受体接受, 而 P680 因射出电子而造成电子亏缺, 由次级电子供体的电子加以补充 这个过程可用如下的反应通式表示 : 光 D P A D P * A D P + A- D + P A- (D P A 分别为次级电子供体 反应中心的叶绿素分子 原初电子受体 ;* 表示分子处于激发态 ) 一般情况下, 一个反应中心含有一系列电子受体 (A i ), 电子从前一个电子受体传递到后一个电子受体, 最后传递到一个可扩散电子受体 (A n ) 离开反应中心 而在 P680 上产生的正电荷由一系列电子供体 (D i ) 的电子填充 : D n D 2 D 1 P680 A 1 A 2 A n 终极电子供体是 H 2 O, 它最后在放氧复合体中被氧化为 O 2 : 2H 2 O 4H + +4e - +O 2 生成一分子氧, P680 需要吸收 4 个光子的能量 第 3 页, 共 11 页

第 4 页, 共 11 页 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADPH) 2 电子传递及偶联的磷酸化作用 : 电子传递链 ( 光合链 ): 1960 年英国学者 Hill 和 Bendall 根据各电子递体的氧化还原中点电位和它们彼此被光系统催化的氧化还原性质, 提出了包括 PSI 和 PSII 以串联方式协同作用的电子传递链 该光合链经后人不断修正, 现已知有 Q A Q B ( 位于反应中心蛋白不同位点的两个质体醌分子 ) PQ( 质体醌 A 和 C 的混合物 ) Cytb 6 /f ( 细胞色素 b 6 /f) PC( 质体蓝素 ) 等电子递体参与 由于整条链呈 Z 形, 故又称 Z 链 NADPH 的形成与跨膜质子梯度的建立 :

由反应中心的 P680 射出的电子被 Pheo 接受后又传递给反应中心蛋白 Q A 位点上的质体醌 Q A 是单电子体传递体, 每次反应只接受一个电子生成半醌 ; 它的电子再传递至 Q B,Q B 是双电子传递体,Q B 可两次从 Q A 接受电子以及从周围介质中接受 2 个 H + 而还原成 QH 2 ( 氢醌 ) 当 Q B 接受一个电子后仍留在蛋白上, 但接受第二个电子生成 QH 2 后, 就会自动转移到基质中 这样生成的 QH 2 可以与醌库的 PQ 交换, 生成 PQH 2 ( 质体醌醇 ) 此时,PQH 2 既是电子载体, 同时也是质子载体 在接下来的反应中,PQH 2 将从 PSII 反应中心得到的两个高能电子传给 Cytb 6 /f 复合体, 两个质子则被释放到类囊体腔中 随后, 两个高能电子经过 Cytb 6 /f 复合体中的铁硫中心 (2Fe-2S) 和细胞色素 f, 传给光合链中另一个扩散的电子载体 PC: PQH 2 +2PC(Cu 2+ ) PQ+2PC(Cu + )+2H + 在电子传递过程中, 电子的能量和还原势是递降的, 到了 PSI 的 P700 已不足以将 NADP + 还原为 NADPH(NADP + /NADPH 的电极电势约为 -0.34V, 而 P700 + /P700 的电极电势约为 +0.38V) 这时 PSI 中被光激发的 P700 又产生了另一个高能电子 ( 其能量比 P680 产生的更高, 过程中也需要吸收 4 个光子的能量 ), 于是电子传递得以继续进行 同 PSII 一样,PSI 中也在光照下发生电荷分离的过程 从 PSI 反应中心叶绿素 P700 来的高能电子经过一系列电子受体, 最终传给 Fd( 铁氧还蛋白 ) PSI 催化反应的总结果是 : PC(Cu + )+Fd( 氧化型 ) PC(Cu 2+ )+Fd( 还原型 ) 还原型的 Fd 有很高的还原势 在接下来的反应中,NADP + 从还原型的 Fd 中接受两个电子, 并从基质中获得一个质子, 生成 NADPH: NADP + +H + +2e - NADPH 在整个电子传递过程中, 发生的总反应为 : 2H 2 O+2NADP + O 2 +2NADPH+2H + 光 第 5 页, 共 11 页

光合磷酸化 : 第 6 页, 共 11 页

关于电子传递是如何偶联 ATP 合成的, 还尚无定论 目前广为接受的有化学渗透学说 (1961 年由 P Mitchell 提出 ) 和构型转化学说 (1982 年由 Paul Boyer 提出 ) 这里仅介绍原理比较简单的化学渗透学说 在光合链中, 有三个地方与跨膜质子梯度的建立有关 : 1PQ 还原时从基质中吸收两个 H +, 当它被重新氧化时, 质子被释放到类囊体腔中 ; 2NADP + 还原成 NADPH 时从基质中吸收了一个 H +, 降低了基质的质子浓度 ; 3 总反应式中的 H + 留在类囊体腔中 这些都使得类囊体腔的质子浓度远多于基质 类囊体膜两侧的质子浓度一般相差几千倍 : 基质的 ph 约是 7.5, 而类囊体腔 ph 可达到 4 质子梯度形成了电势差, 实质上是储存了电势能 当质子通过 ATPase(ATP 合酶 ) 的质子通道, 就向反应中输入了自由能, 从而使 A D P( 二磷酸腺苷 ) 与 P i( 磷酸基团 ) 在 ATPase 上合成 ATP, 并最终从 ATPase 上脱离, 进入叶绿体基质中 每合成一个 ATP, 约有三个质子流过 ATPase, 向每摩尔 ATP 中输入 60KJ 的自由能 ATPase ADP+Pi ATP 以上过程伴随着 NADPH 的形成和 O 2 的释放, 这种由 PSII 的电子经 Cytb 6 /f 传至 PSI 过程偶联形成 ATP 的反应称 非环式光合磷酸化 Fd 得到的高能电子也可以传给 Cytb 6 /f 复合体, 然后再经 PC 重新传给 PSI 的中心分子 P700, 不伴随 NADPH 的形成和 O 2 的释放 ( 只产生跨膜的电子梯度 ), 称为 环式光合磷酸化 这种情况一般只在 NADPH/NADP + 比值高时才会出现 3 碳素同化作用: Calvin 循环 : 在电子传递及偶联的磷酸化作用后, 产生了高能化合物 ATP 和 NADPH, 但还必须经过暗反应阶段才能将活跃的化学能转换为稳定的化学能, 储存在有机物中 而碳素同化的最终目的, 就是将大气中的 CO 2 还原为碳水化合物 1946~1953 年,Calvin 和 Benson 以小球藻为原料, 利用 14 C 标记物系统地阐明了光合作用碳同化的途径 整个 CO 2 同化过程可划分为 3 个阶段 : 羧化 还 第 7 页, 共 11 页

原和再生 由于该反应是循环往复的, 所以被称为 Calvin 循环 1 羧化阶段 : 固定 CO 2 的是五碳化合物 RuBP(1,5- 二磷酸核酮糖 ) RuBP 先是形成一种烯二醇中间产物, 后与 CO 2 反应生成一不稳定的六碳化合物 (2 - 羧基 -3- 酮基 -D- 阿拉伯醇 -1,5- 二磷酸 ) C-C 键断裂, 产生一分子 PGA(3- 磷酸甘油酸 ) 和一个 PGA 碳负离子, 再经质子化可得两分子 PGA 这个反应是由 R ubisco(1,5- 二磷酸核酮糖羧化酶 ) 催化的 C5+CO 2 C6+H 2 O Rubisco C6 2C3(PGA) 2 还原阶段 : 羧化阶段所产生的只是有机酸, 其能量还没有达到糖的级别, 因此必须借助储存于 ATP 和 NADPH 的能量 在 3- 磷酸甘油酸激酶和 3- 磷酸甘油醛脱氢酶的作用下,PGA 发生如下反应 : ATP NADPH 3- 磷酸甘油酸 1,3- 二磷酸甘油酸甘油醛 -3- 磷酸部分 3- 磷酸甘油醛还需转化为 6- 磷酸果糖 3 再生阶段 : 还原阶段已完成了能量储存, 这个阶段是在转酮醇酶和醛缩酶等的作用下完成 RuBP 的再生 具体反应如下 : 第 8 页, 共 11 页

转酮醇酶 6- 磷酸果糖 +3- 磷酸甘油醛 5- 磷酸木酮糖 +4- 磷酸赤藓糖 (C6+C3 C5+C4) 醛缩酶 4- 磷酸赤藓糖 + 磷酸二羟丙酮 1,7- 二磷酸景天庚酮糖 (C4+C3 C7) 磷酸酯酶 1,7- 二磷酸景天庚酮糖 7- 二磷酸景天庚酮糖 +Pi 转酮醇酶 7- 二磷酸景天庚酮糖 +3- 磷酸甘油醛 5- 磷酸木酮糖 +5- 磷酸核酮糖 (C7+C3 C5+C5) 磷酸戊糖差 5- 磷酸木酮糖 向异构酶 5- 磷酸核酮糖 以上酶促反应的总和是 : 6- 磷酸果糖 +2 个 3- 磷酸甘油醛 + 磷酸二羟丙酮 3 个 5- 磷酸核酮糖 最后经磷酸核酮糖激酶催化 : 5- 磷酸核酮糖 +ATP RuBP+ADP+Pi 这样,Calvin 循环总反应式可表示为 : 6CO 2 +18ATP+12NADPH+12H 2 O C 6 H 12 O 6 +18ADP+18Pi+12NADP + +6H + C4 植物和 CAM 植物 : 1965 年,Kortschak 等人发现, 在甘蔗等热带植物中, 14 C 并不首先出现在 PGA 中, 而是一种四碳化合物 后经证实, 景天科植物也具有类似的固定 CO 2 的途径 (CAM), 这种途径即使在叶片气孔关闭 ( 缺水 ) CO 2 浓度很低时仍能高效利用 CO 2 其原因就在于固定 CO 2 的不是 RuBP, 而是 PEP( 磷酸烯醇式丙酮酸 ), 与 CO 2 结合而生成 OAA( 草酰乙酸 ) C4 与 CAM 途径光反应阶段与 C3 植物的光反应基本相同, 只是暗反应中羧化的方式有较大的区别 : 第 9 页, 共 11 页

生成的草酰乙酸很快转化成苹果酸或天门冬氨酸 : 苹果酸或天门冬氨酸由叶肉细胞进入维管束鞘细胞, 将 CO 2 释放到其叶绿体基质内, 进行 Calvin 循环 二 应用 : 1 新型太阳能电池的研究 : 传统意义上的太阳能电池是半导体光电池, 利用 P-N 结俘获光电子并在电场作用下发生电荷分离, 形成光电流 但其造价极为昂贵 新型太阳能电池的概念于 20 世纪 90 年代被提出, 其技术主要运用了经有机配合物敏化的纳米 TiO 2 第 10 页, 共 11 页

薄膜制成光电极 这类电池将光俘获和电荷输运两个功能分开进行 光俘获过程是由与光系统中 Chl a 作用相类似的有机配合物联吡啶钌及其衍生物实现的 它能 模拟 光系统引发原初光化学反应, 并最终导致电荷分离, 将太阳能转化为势能储存起来 新型太阳能电池的造价只有半导体光电池的 1/5 2 光合作用同时制取氢气和氧气的构想 : 由 Emerson 等人的实验可以看出 :PSII 完成光解放氧的过程, 而 PSI 则合成具有高还原势的 NADPH( 即相当于 H 2 ) 两者是相对独立的过程 故利用光合作用的原理同时制取氢气和氧气在理论上是可行的 但生成的 [H]( 还原型的氢 ) 不稳定, 很快因还原 C3 而被消耗 且高能电子从产生到利用是在 10-15~10-12 秒内完成的, 这样的反应难以控制 但是除草剂的原理给我们带来了启示 : 除草剂的工作原理是能够与电子传递链中某些物质相结合, 从而阻断电子传递, 阻断了光合作用, 导致植物死亡 我们可以设想, 同样可以利用某种物质 ( 可能具有除草剂类似的结构 ) 同电子传递链上的某种物质结合以阻止其电子传递, 同时用其他电子受体代替这种物质导出电子并传递给活泼氢 理想的电子受体是既能够吸附活泼氢又能传递电子, 从而使活泼氢在它表面接受电子还原成氢气 具有这样性质的材料可能是含有某种吸氢金属 ( 如 Ti Fe Pt 等 ) 和非金属 ( 如 P) 的合金 美国田纳西大学环境生物技术研究中心和橡树岭国家实验所的研究人员已成功将光合系统 I 与光合系统 II 分离开来, 并在光合系统 Ⅰ 的一侧涂上一层铂原子, 在加入电子受体后成功地制造出氢气 但成本高昂 产率较低, 不能满足工业生产的需要 参考文献 : [1] D.O.Hall, K.K.Rao Photosynthesis(Third Edition) Edward Arnold, London, 1981 [2] 李雄彪, 张金忠 简明植物生物化学 南开大学出版社,1992 [3] 黄厚哲 生物学概论 高等教育出版社,1984 [4] 南开大学 武汉大学 复旦大学 四川大学编著 普通生物学 高 等教育出版社,1983 [5] J.Bonner,J.E.Varner Plant Biochemistry(Third Edition) Academic Press,1976 [6] 吴相钰 陈阅增普通生物学 ( 第 2 版 ) 高等教育出版社,2005 [7] 匡廷云 光合作用原初光能转化过程的原理与调控 江苏科学技术 出版社,2004 [8] 曾广文, 蒋德安 植物生理学 中国农业科技出版社,2000 [9] 武维华 植物生理学 科学出版社,2003 [10] 中国科学院植物生理研究所 光合作用研究进展( 第二集 ) 科学 出版社,1980 第 11 页, 共 11 页