光合机理1.

二.光合作用机理原初反应在光合作用研究中的地位二.光合作用机理(一)原初反应(光能→电能)光合作用中将光能转换成化学能的起始过程，也是光反应的起始过程。它主要包括光能的吸收、激发能传递等光物理过程和原初光化学反应等。原初反应速度非常快，反应时间在飞秒（10-15S）到皮秒（10-12S）量级之间。反应是在类囊体膜上的集光色素蛋白复合体和光合作用反应中心进行。1.光能的吸收和传递--光物理过程1.1光合色素高等植物光合色素主要是叶绿素和类胡萝卜素。其中叶绿素是光合器官中最典型的色素,高等植物有chla和chlb,chlc和chld存在于某些原生生物中。活体内的叶绿素是呈聚集状态有序排列的，且均以叶绿素蛋白复合体的形式存在，在这里叶绿素是以专一的非共价方式与相关多肽结合，形成色素蛋白复合体。藻红素类胡萝卜素能和色素蛋白复合体或反应中心核心蛋白结合。类胡萝卜素是一种辅助色素，它也可以吸收光能向反应中心传递，但效率比叶绿素之间的传递效率低。类胡萝卜素所起的另一重要作用是光保护作用。胡萝卜素可以淬灭激发态的叶绿素，生成激发态的胡萝卜素—它不足以形成单线态氧，而是通过热耗散返回基态，以避免单线态氧对叶绿体的伤害。缺乏类胡萝卜素的植物突变体很难在光和氧气同时存在的条件下生存。1.2光能的吸收叶绿素和类胡萝卜素分子都有许多共轭双键，其π电子或未成键的电子比较活泼，容易受一定波长的光量子激发而跃迁到能级更高的轨道上去。1.3光能的传递叶绿素分子吸收光能后会向作用中心传递,传递机制为共振传递.叶绿素的传递效率是100%，类胡萝卜素的传递效率是50%。叶绿素b的最大吸收在650nm，叶绿素a的最大吸收在670nm，类胡萝卜素吸收的是蓝光能量传递是定向和高效的：类胡萝卜素→叶绿素b→叶绿素a2.原初光化学反应D.P.AD.P*.AD.P.+A-D+.P.A-hν高等植物PSⅡ的原初电子受体是去镁叶绿素（Pheo），原初电子供体假设为Yz，PSⅠ的原初电子受体是叶绿素，原初电子供体是PC。光合作用3.叶绿素a荧光光能光化学反应荧光热辐射叶绿素吸收的光能并不是全部用于光化学反应,还可以荧光或热辐射的方式消耗掉.辐射的荧光主要在685nm和740nm.有五个组分可以辐射荧光:PSII的LHCII在680nm,CP43在685nm,CP47在695nm,PSI的反应中心在720nm,LHCI在740nm处.PSI只在低温(77K)才明显辐射荧光,因此室温下活体内叶绿素a的荧光约90%是从PSⅡ发出的，PSI发出的荧光很弱，决定这一差别的机理至今仍不清楚。可能原因：①PSⅠ反应中心的结构比PSⅡ反应中心更能集中激发能用于原初光化学反应；②PSⅠ的P700相对更稳定,而PSⅡ的P680*会很快返回基态；③PSⅠ天线叶绿素a的理化性质决定了它以热辐射方式为主。离体叶绿素a溶液可将其吸收光能的30%用于辐射荧光,因此荧光较强，肉眼可见,呈暗红色;活体状态只有3%-0.6%的光能用于辐射荧光,因此荧光比离体细胞水平的低，需用仪器测定.3.1德国植物生理学家Kautsky于1931年发现叶绿素荧光动力学现象。上世纪80年代，Ögren（1985）和Schreiber（1986）相继创制出便携的调制式荧光仪，并实现了商品化。成为光合作用研究的新热点，极大地推动了光合过程中光能利用、逆境条件下光合作用的光抑制、光破坏及其防御机制的研究。叶绿素荧光动力学研究得到广泛应用的原因①叶绿素荧光动力学特性包含着光合作用过程的丰富信息●光能的吸收与转换●能量的传递与分配●反应中心的状态●过剩光能及其耗散●光合作用光抑制与光破坏……等等②可以对光合器官进行“无损伤探查”，获得“原位”的（insitu）信息。③近年来测定仪器的性能和自动化程度越来越高，操作步骤越也来越简便。由于以上原因叶绿素荧光动力学技术在：●光合作用生理生态●逆境生理等研究领域得到了较快的普及和广泛的应用3.2叶绿素a荧光动力学测定的基本原理①叶绿素的激发(excitation)与去激发(de-excitation)叶绿素荧光的产生②激发能的三种去向：●一部分转变通过电子传递、光化学反应形成化学能（EP）●一部分以荧光形式重新发射出来（EF）●一部分则转变成热能散失（ED）三者关系为：EP+EF+ED=1三者为互相竞争的关系叶绿素荧光：植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来P+D+F=1F=1-P-D光化学的和耗散性的荧光淬灭(F)(D)(P)荧光产量降低是荧光猝灭(Quench)的结果。所谓荧光猝灭，是指叶绿素吸收光量子后的部分激发能通过光化学途径或以热的方式散失，从而使荧光发射量减少的现象。光化学能量转换引起的荧光淬灭通常称为光化学淬灭（PhotochemicalQuenching）耗散性的荧光淬灭通常称为非光化学淬灭(Non-PhotochemicalQuenching)，也称非辐射能量耗散，也就是指热耗散③荧光动力学曲线—Kautsky曲线●经过暗适应后的叶片从黑暗中转入光下，叶片的荧光产量随时间而发生的动态变化，称为Kautsky效应，荧光的这种动态变化所描绘出的曲线即Kautsky曲线。完整的Kautsky曲线可分为两部分，从开始照光到荧光产量达到最大值时的荧光上升部分，所用时间很短，只需0.5-2.0s，称为快速荧光动力学曲线；此后，荧光产量降低，并逐渐达到一个稳恒值，时间大致需要8-10min，称为慢速荧光动力学曲线。叶绿素荧光诱导动力学曲线origininflection(intermediate)peakdippeakquasi-steadystateamaximumterminalsteadystate上升相：快速诱导下降相：淬灭分析上升相的上升速度与受体库大小相关，用于鉴别阳生和阴生植物;叶片正反面，也有所区别下降相，用于淬灭分析④调制式荧光仪测定原理MR-经调制的弱测量光，2mmolm-2s-1，l＝583nm(绿光)；频率600HzAR-光化光,白光,持续照射,；SR-饱和脉冲光,白光,8500mmolm-2s-1,照射0.5sFR-弱远红光，7-10mmolm-2s-1；l700nm；D-荧光检测器；A-信号放大器；SF-短波滤光片；LF-长波滤光片Atypicalmodulatedfluorescenceinductioncurve,showing:(i)modulatedlightonafterdarkness,(ii)apulseofsaturatinglightwhichinducesmaximalfluorescence,Fm;(iii)actiniclighton;(iv)fourpulsesofsaturatinglightat15sintervals,inducingmaximalfluorescenceinthelight(Fm')atsteady-statefluorescence(Fs);(v)actiniclightoffandfar-redlighton,givingF0';and(vi)allilluminationoff.饱和脉冲法光合电子传递的“Z图”饱和脉冲法短饱和脉冲光PSII反应中心被暂时完全关闭光化学淬灭全部被抑制剩余的荧光淬灭即为非光化学淬灭经验表明，只有PSII（不是PSI）的光化学与荧光发射呈竞争关系3.3重要的荧光参数①基础荧光参数Fo:初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下当PSII的所有反应中心处于完全开放状态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量.Fm:最大荧光，是在暗适应状态下当PSII的所有反应中心处于完全关闭状态(qP=0)并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量.Fv:暗适应状态下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo.Fm’:在光适应状态下当PSII的所有反应中心处于关闭态（qP=0）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN＞0）的荧光产量.Fo’:在光适应状态下当PSII的所有反应中心处于开放态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN＞0）的荧光产量。Fv’:任意光适应状态下的最大可变荧光，Fv’=Fm’-Fo’Fs:稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射光化光后达稳定值时的荧光产量（qP＞0，qN＞0）叶绿素荧光术语及生物学意义术语意义Fo初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下当PSII的所有反应中心处于完全开放状态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量Fm最大荧光，是在暗适应状态下当PSII的所有反应中心处于完全关闭状态(qP=0)并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量Fv暗适应状态下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光，Fv=Fm-FoFm’在光适应状态下当PSII的所有反应中心处于关闭态（qP=0）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN＞0）的荧光产量Fo’在光适应状态下当PSII的所有反应中心处于开放态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN＞0）的荧光产量。Fv’任意光适应状态下的最大可变荧光，Fv’=Fm’-Fo’Fs稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射光化光后达稳定值时的荧光产量（qP＞0，qN＞0）②荧光猝灭参数●qP=(Fm’-Fs)/(Fm’-Fo’)：光化学淬灭系数.即激发能被开放的反应中心捕获并转化为化学能而导致的荧光淬灭，反映了光适应状态下PSII进行光化学反应的能力.0≤qP＜1●qN=(Fm-Fm’)/(Fm-Fo’)：非光化学猝灭系数。反映PSII天线色素吸收的光能不用于光化学电子传递而以热的形式耗散掉的部分.③反映PSII光化学效率的荧光参数●Fv/Fm：是重要的荧光参数之一，名称很多，有：最大原初光化学产量；PSII最大潜在量子产量；开放的PSII反应中心量子效率等；我们习惯上称其为“PSII最大光化学效率”。其值恒小于1。Fv/Fm是暗适应下PSⅡ反应中心完全开放时的最大光化学效率。反映PSⅡ反应中心最大光能转换效率。在非胁迫条件下，Fv/Fm的值很稳定，根据对大量植物的测定，其平均值为0.8320.004，但在逆境条件下，Fv/Fm显著降低。正因为如此，所以Fv/Fm的降低常作为发生光抑制或PSII遭受其他伤害的指标。●Fv’/Fm’：光适应下PSⅡ最大光化学效率。它反映有热耗散存在时，开放的PSⅡ反应中心的光化学效率。由于在光适应状态下非光化学过程得到活化，因此Fv’/Fm’往往小于Fv/Fm●φPSⅡ(Yield)=(Fm’-Fs)/Fm’：PSⅡ实际光化学效率。它反映在照光下PSⅡ反应中心部分关闭的情况下的实际光化学效率。●ETR(或Prate)=φPSⅡ×PFDa×0.5：表观光合电子传递速率(PFDa为实际吸收的光量子，一般设定为入射PFD的0.84；0.5为假设光能在两个光系统中各分配50%)(二）叶绿体的电子传递1.两个光系统的发现红降现象:是指光合作用的作用光谱中，当波长在680nm以上时，虽还在叶绿素有效吸收范围内，但光合作用的量子效率却急剧下降。量子产额：每吸收一个光量子所放出氧分子数。双光增益效应：当发生红降现象时，如补充一个650nm短波光，光合作用的量子产额可以提高并超过两种波长的光单独照射的量子产额总和。基于红降现象和双光增益效应，人们提出：光合作用过程中存在着两个光化学反应，分别由两个不同的光系统完成。研究表明，光系统Ⅰ（PSⅠ）的作用中心色素分子最大吸收峰在700nm，称为P700，主要特征是NADP的还原；PSⅡ的作用中心色素分子最大吸收峰在680nm，因此称为P680,其主要特征是水的光解和放氧。光合电子传递由这两个光反应步骤串联进行，连接两个光反应之间的电子传递是由细胞色素复合体完成的。光合电子传递的顺序就是：2.PSII的运转PSⅡ是执行光诱导电荷分离及电子传递的基本单位，P680中心色素是chla的双分子体，