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1、高级植物生理学,讲授内容：光合作用 呼吸作用,参考资料,植物生理学潘瑞炽等，2007，第五版Plant Physiology,Taiz&Zeiger,2009,4th edition植物生理学报中相关综述文章Annual Review of Plant Biology相关文章 网络相关文章,考试方式与成绩：1、4-15周上课；2、平时成绩占30%：包括17-18周进行的课堂讨论成绩，课堂互动成绩，课堂考勤几率等；3、期终考试成绩占70%:笔试，开卷，每道题可二选一。,光合作用（Photosynthesis),基本问题：何谓光合作用？光合作用的意义？,光合作用被诺贝尔奖基金委员会评价为“地球上最
2、重要的化学反应”，它也是地球上一切生命生存和发展的基础。到目前为止，共有8次诺贝尔奖的桂冠被从事光合作用研究的科学家所摘取。,光合作用研究具有重大的学术及应用价值,植物光能利用效率潜力分析,当今光合作用的研究热点与难点？,一、光合电子传递链与光合磷酸化,光合电子传递链（“Z 链”模式）,光反应中4大蛋白复合体 i.e.PSII复合体、细胞色素b/f复合体、PSI复合体和ATP酶复合体,定位于叶绿体类囊体膜上的电子传递体,4 大复合体在膜上的不均匀分布：PSII主要分布在基粒片层，PSI和ATP合酶复合体主要分布在间质片层，细色素b/f则均匀分布在整个类囊体膜上。,结构与功能的关系,1、光系统I
3、I的结构与功能,结构：(1)由围绕P680的CP43和CP47两个色素蛋白复合体组成的近侧天线，及主要由LHCII捕光复合体组成的远侧天线共同构成的捕光天线系统；(2)由两个32kD多肽组成的D1-D2蛋白，其中包括着原初供体 Z;中心色素P680;原初受体Pheo、QA、QB 和铁原子构成反应中心的电子传递链；(3)由33kD,23kD及17kD三种外周多肽以及与放氧有关的猛簇和氯、钙离子组成的水氧化放氧系统。,光系统II的水裂解放氧功能,*氧释放动力学：光合放氧的周期现象（闪光实验）,在黑暗中适应后的叶绿体经过第一、二次闪光处理，几乎无O2释放；闪到第三次，放O2最多；第四次次之，以后逐渐
4、下降并稳定在一个恒定值。,经暗适应后的叶绿体主要处于S1态。经三次闪光后转变为S4态，随后作为强氧化剂将水氧化形成氧气。若继续不断闪光下去，因为会出现“错漏”、“双激”和“弛豫”等原因，以致逐步趋于一个适中的稳定值。,Kok等（1970）提出5个S状态循环的放氧复合体（OEC）需要4个氧化当量（失去4个电子，积累4个正电荷才能把水分子氧化裂解并放氧。,放氧机理：氧化钟模型,2、细胞色素b/f复合体的结构与功能,结构：细胞色素b/f复合体是类囊体膜上可分离的一种多亚基膜蛋白。由7个多肽组成，即细胞色素f，细胞色素b6，Rieske铁硫蛋白，另有4个功能尚未知的多肽subunitIV,PetG,P
5、etL,PetM,一个Q循环的净反应结果：,PQH2+2PCox+2H+stroma PQ+2PCred+4H+lumen,细胞色素b/f复合体的质子泵功能,PQ接受来自PSII的电子，通过双还原结合了个膜外质子形成PQH2，PQH2将个电子中的第一个传给铁硫中心 R FeS，然后到Cytf再向PC传递（主路）。与此同时，PQH2又将第二个电子交给Cytb6的低电位型血红素(bl)同时释放个质子到类囊体腔内。bl通过细胞色素b6上的高电位型血红素bh，将电子转移到PQ。,Q循环（第一次）,经过次循环后，PQ二次被还原。双还原的PQ又从膜外结合个质子，并将其跨膜转移至类囊体腔内。,Q循环（第二次
6、）,H+,3.光系统I的结构与功能,PSI反应中心复合体由反应中心色素P700，电子受体和捕光天线三大部分组成。它们都结合在蛋白亚基上。,复合体由大亚基和许多小亚基组成：PSI-A和PSI-B两个大亚基，是由叶绿体基因编码的分子量分别为83kD和82kD的两个多肽。反应中心色素700，原初电子受体Ao,A1,Fx都存在在此大亚基之中；小亚基PSI-C也是由叶绿体基因编码的9kD的多肽，它也是铁硫中心FA和FB的所在部位；PSI的电子供体PC和电子受体Fd通过特殊蛋白的亚基的静电引力与PSI反应中心相连接；由核基因编码的PSI-F小亚基作为PC与PSI的连接物；由核基因编码的PSI-D和PSI-
7、E两个小亚基作为Fd与PSI的连接物；其他一些小亚基的功能尚不清楚捕光天线由不同的捕光色素蛋白复合体LHCI组成。,PSI生产还原力的功能形成还原型ferredoxin和NADPH,以用于光合碳循环和其它代谢反应所需（如硝酸还原，氨的同化等）。,Worlds smallest rotary motor,酶由两部分组成：跨膜区CFo和暴露在基质中的亲水区叫CF1。CFo负责把质子跨膜运至质酶的催化部位CF1，CF1则负责由ADP形成ATP;该酶的分子量为400kDa,含9个不同的亚基。,4、ATP合酶复合体的结构与功能,Lumen inside,Lumen outside,Peptide sub
8、units of the ATP synthase complex,Protein Gene Location MW Function of gene(kDa)CF1 subunit atpA C 55 catalytic subunit atpB C 54 catalytic subunit atpC N 36 proton gating subunit atpD N 20 binding of CF1 to CFo subunit atpE C 15 ATPase inhibitionCFo I atpF C 17 binding of CFo to CF1 II atpG N 16 bi
9、nding of CFo to CF1 III atpH C 8 proton translocation IV atpI C 27 binding of CFo to CF1,Evidences:The three catalytic subunits differ in their conformation and in nucleotide bound to them;The subunit is inserted like a shaft through the center of the catalytic complex(3+3);The interface between the
10、 subunit and the and subunits is highly hydrophobic.,酶的作用机理：构象（结合）变化模型（The binding-change model）,Three important components:(1)the major energy-requiring step is not the synthesis of ATP,but the release of ATP from the enzyme;(2)substrate is bound and products are released at three separate but inte
11、racting catalytic sites,corresponding to the three catalytic subunits(b subunits).Each catalytic site can exist in one of three conformations:tight,loose and open;(3)proton transport g rotation binding change,i.e.the binding change is driven by proton transport via the rotation.,Rotation of the g su
12、bunit and the ring of c subunitsin the FoF1 complex was directly observed by in vitro studies using fluorescence microscopy,In vivo,In vitro,ATP合酶产生ATP的功能及机理在质子梯度驱动下进行ATP合成（化学渗透学说),亦具有水解ATP的活性。pmf=0.059 pH+,非环式光合磷酸化同时产生形成ATP与还原型ferredoxin和NADPH,以用于光合碳循环和其它代谢反应。,环式光合磷酸化由PSI、Fdx-PQ氧化还原酶和Cytb6f共同参与完成，只
13、产生ATP，不形成NADPH，以此调节ATP/NADPH的比例。,Stroma,Thylakoid,光合碳循环（Calvin循环）,光合磷酸化（ATP&NADPH）,光合电子传递,光,驱动,驱动,驱动,Lollipop setup for elucidation of Calvin cycle,Dr.Melvin Calvin,诺贝尔奖获得者Dr.M.Calvin（1961.10）,The Calvin cycle,二、Rubisco的结构与功能,1.重要意义被认为是提高光合速率的一个重要突破口；也是生物界含量最为丰富的一种蛋白质。,核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶(Ribulose bisp
14、hosphate carboxylase oxygenase).,Photorespiration,Photosynthesis,类型I（L8S8）：由8个大亚基和8个小亚基组成，广泛存在于所有真核和大多数原核的光合有机体中。大亚基一般由475个氨基酸组成，其序列大部分由其核苷酸序列推测而来，同源性在80%以上。小亚基一般由123个氨基酸组成，其同源性在70%；类型II（L2）：仅有2个大亚基，是最简单的一种Rubisco，它存在于一种紫色非硫光合细菌-深红红硫菌中；比较类型I和类型II大亚基的氨基酸序列，它们仅有28%同源性。然而它们之间在活性部位的一些氨基酸是保守的。,2.亚基组成,2.立
15、体结构高等植物的Rubisco外型呈桶状圆柱体。它由四对交互结合的L2大亚基二聚体排成8聚体核（L8）。在大亚基8聚体的两端各有一小亚基四聚体；每个小亚基陷窝大亚基之间的裂隙中。,3、Rubisco 的双功能催化反应,4.酶活性的调控Rubisco是世界上最“懒”的酶低催化效率和高丰度 酶的氨甲酰化作用E(钝化）+ACO2 E ACO2(钝化)E ACO2+Mg2+E ACO2 Mg2+(活化)三元复合物的形成可以不要小亚基，但缺少小亚基时不利于三元复合物的形成。当三元复合物形成后，酶的构象发生很大变化。,RUBP,3-PGA,Rubisco 活化酶 如RuBP与首先酶的非氨基甲酰化状态紧密结
16、合，阻止了酶与活化剂CO2分子的结合，使酶不能活化。Rubisco 活化酶能在ATP存在下除去结合在非氨基甲酰化Rubisco上的RuBP，从而使Rubisco游离得以进一步被活化。,活化酶作用方式,三、光抑制、光氧化及其抗性机理,何为光抑制、光氧化？,当绿色植物的光合器官吸收了超过光合作用所能利用的能量而引起的过量激发,光合效率下降,即光抑制（可逆）；而长时间的光抑制则会引发光氧化的发生，导致光合器官受损，光合色素降解(漂白)，甚至造成植物死亡（不可逆）；特别是同时遭受其它逆境胁迫，如低温、高温、干旱等，由于这些因素加大了光能过剩的程度,妨碍了保护和修复系统的正常运转,更易遭受光氧化的伤害；
17、,O2 H2O2,活性氧积累,作物生长和产量,O2-,H2O2,O2还原1O2,华南地区水稻在自然条件下易发生光氧化伤害1.早稻苗期长期低温阴雨突然转晴2.早稻中后期长期阴雨天(龙舟雨)突然转晴3.晚稻后期冷空气南下(寒露风)+晴天,高光,天线色素调整,捕光复合体,光化学反应,氧化态分子生成,光合机构受攻击,光氧化损伤,热耗散,抗氧化系统,水-水循环,光呼吸,碳同化,环式电子流,光合机构修复和重新合成,叶绿体,叶角变化、蜡质层增厚、叶绿体运动调整,光抑制光氧化保护机制,即时响应保护机制,长效保护机制,据统计，这些品种累计推广面积3亿亩以上，增产小麦已超过150亿斤,“小偃系列”及其衍生品种分布
18、图,小偃54,实 例,小偃54具有很强的抗光氧化能力，其研究组揭示其抗光氧化的生化基础，但其抗光氧化分子基础亟待研究。,正常 强光 正常 强光,提高作物的抗光氧化性对农业生产具有普遍意义！,小 结,光合电子传递链中的四大复合体:PSII,Cytochrome b6f,PSI and ATP synthase;四大复合体的结构：？；复合体各自的功能：PSII与水裂解；细胞色素b6/f与质子泵；PSI与NADPH形成;ATP合酶与ATP形成；质子梯度形成机理与化学渗透学说(pmf=0.059 pH+);ATP synthase合成ATP的机理（The worlds smallest rotary
19、motor）Rubisco结构与功能:L8S8 and L2;双功能催化作用与世界上最丰富的N贮备。,呼吸作用,基本问题：1.呼吸作用的概念？2.主要功能？.,一、呼吸代谢的底物氧化,1底物氧化的多条路线糖酵解-三羧酸循环（EMP-TCAC）发酵（Fermentation）戊糖磷酸途径（PPP）,back,EMP-TCAC,TCAC,Fermentation,PPP,2.呼吸代谢与其它代谢的关系,The primary pathways of respiration provide metabolic intermediates that serve as substrates for the
20、 synthesis of:Amino acids and proteins Nucleic acids Fatty acids Secondary metabolites,go,PPP,二、呼吸电子传递与氧化磷酸化,1.植物线粒体电子传递链结构呼吸链的5大蛋白复合体（4+1）：植物线粒体的电子传递链由4个蛋白复合体组成（I-IV);ATP 合酶复合体(occasionally called V),go,go,Rotenone,Malonate,SHAM,Antimycin A,KCNCONaN3,Specific inhibitors for oxidative phosphorylatio
21、n,Complex I is a large multisubunit complex of 30-40 polypeptides.Depending on the species,the plant genome may encode as many as 9 components of complex I,which oxidizes NADH produced by the reactions of the TCA cycle and by the other NAD-linked enzymes in the matrix.,Complex II,the smallest of the
22、 four proteins of sizes 70,27,15 and 13.5 KDa.Unlike complex I,complex II does not translocate protons,so succinate oxidation is linked to the synthesis of less ATP than is NADH oxidation.,Complex III,also known as the cytochrome bc1 complex,inludes a 42-kDa cytochrome with 2 b-type hemes,a 31 kDa c
23、ytochrome c1,a 27-kDa Rieske-type Fe-S protein,and five or so additional polypeptides.,UQH2+2Cytcox+2H+matrix UQ+2Cytcred+4H+IMS,Complex IV,cytochrome c oxidase,accepts an electron from reduced cytochrome c on the cytosolic side of the inner membrane and eventually donates it to oxygen on the matrix
24、 side of the membrane.It contains 7-9 polypeptides with 2 a-type hemes and 2 copper-containing enters.Like complex I,cytochrome oxidase translocates protons across the inner membrane during e transfer,but the crystal structure has not yet revealed the proton pumping mechanism.,化学渗透学说：破译氧化磷酸化与光合磷酸化的机
25、理,由英国的米切尔(Peter Mitchell)1961年提出，理论要点：由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子具有选择性；具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内；膜上有偶联电子传递的质子转移系统；膜上有转移质子的ATP酶。,获1978年化学诺贝尔奖,Complex V:ATP synthase,亚基和三种F0亚基由线粒体基因编码，其它亚基由核基因编码。,在分子世界里，ATP合酶是一种很奇妙的酶。可以说它是一个离子泵、一种令人惊异的纳米级分子马达。它在细胞里扮演着一个不可或缺的角色。一般来说，机体所需的大多数ATP都是由ATP合酶产生的，其合成ATP的机理很奇特。,光 呼 吸（Phot
26、orespiration，简称PR),PR is a process which is associated with light-dependent oxygen uptake and CO2 evolution in green plants,What is PR?,光呼吸途径阐明历程：1920 Otto Warburg observed O2 inhibition on PS;1955 Decker discovered post-illumination CO2 burst;1955 Calvin et al.clarified C3 cycle with loose ends tha
27、t Glc,Gly,1972 Lorimer heavily argued with an event of long drive and office burst;1973 Lorimer proved C/O could not be uncoupled;1978 Gordan Conference on PS:a most heated debate ever seen between Tolberts and Zelitchs group1978 Two Somervilles arrived at Ogrens lab with 3 clear ideas(after Paris t
28、ime):(i)judge which side was most likely correct;(ii)make a right experimental design(mutant screening);(iii)risk and output and enjoyments.1978-1985 they had very successful output!1980s Lea,Miflin,and Keys et al.did in the same way on barley;,1.In terms of energy,PR is truly a wasteful process,by
29、which around 25%of the carbon fixed by photosynthesis is lost in C3 plants2.On the other hand,accumulating evidences show PR may play various functional roles,for instance:Protecting photosynthesis from photoinhibition under drought,high temperature and/or high light A number of PR genes,such as SGA
30、T,SHMT,HPR,GS2 are involved in biotic or abiotic stresses,光呼吸的功能?,小 结,线粒体电子传递链结构及其与光合电子传递链的比较,基本原理 底物与产物（投入与产出）能量传递方向 电子传递体的定位 质子泵及其机理 ATP 合酶结构及其合成机理 复合体数目与性质；Cytochrome b6/f vs.Complex III(Cytochrome bc1)；Plastoquinoes(PQ)vs.Ubiquinones(UQ)；Plastocyanins(PC)vs.Cytochromes(Cyt),小 结,暗呼吸与光呼吸的比较,二者投入产出
31、物质相同，因此都叫呼吸；暗呼吸能把碳水化合物中的35%能量转换成能量通货ATP,而光呼吸还要额外消耗 ATP暗呼吸不需要光并受光抑制，而光呼吸依赖于光暗下无光呼吸暗呼吸在细胞质和线粒体中进行，而光呼吸在叶绿体、过氧化物体、线粒体中进行 暗呼吸速率一般远小于光呼吸速率（一般是光呼吸的1/5）暗呼吸的功能是能量转换和提供生物合成的碳骨架；光呼吸主要功能是缓解光抑制和光氧化 暗呼吸存在于所有生物中；光呼吸只存在于具有光合作用的生物中,Chloroplasts,Peroxisomes,Mitochondria,C3 cycle,Glc,Glx,Gly,Gly,Ser,HO-P,GLA,CO2,NH3,
32、NADH,SGATGGAT,HPR,GDC/SHMT,Tolerance to drought,high temperature,strong light,GS2/GOGAT,Glu,Oxalate,GLO,Detoxify Al,Cu and Pb,etc.Anti-insectsAnti-pathogens.,Glc,The overall work-frame on PR in our lab,CO2,?,CO2,CO2+H2O2,OxO,Engineering PR through 3 ways:Bypassing PR glyoxylate into oxalateConstructing a chloroplastic PR shortcutMolecular regulation of some key PR genes,
