第九讲光合作用的原初反应

第九讲光合作用的原初反应 第九讲:光合作用的原初反应 1.光能的吸收、传递和转换成电能，主要由原初反应完成; ?2.电能转变为活跃化学能，由电子传递和光合磷酸化完成; ?3.活跃的化学能转变为稳定的化学能，由碳同化完成。 ?光合作用的实质是将光能转变成化学能。根据能量转变的性质， 将光合作用分为三个阶段(表1): 表1 光合作用中各种能量转变情况 能量转变 光能 电能 活跃的化学能 稳定的化学能 贮能物质 量子 电子 ATP、NADPH2 碳水化合物等 转变过程 原初反应 电子传递 光合磷酸化 碳同化 时间跨度(秒)10-15,10-9 10-10,10-4 100,101 101,102 反应部位 PS?、PS?颗粒 类囊体膜 类囊体 叶绿体间质 是否需光 需光 不一定，但受光促进 不一定，但受光促进 不同层次和时间上的光合作用 原初反应 是指从光合色素分子被光激发，到 引起第一个光化学反应为止的过程。它包括: 光物理,光能的吸收、传递 光化学,有电子得失 原初反应特点 1) 速度非常快，可在皮秒(ps，10 , 12s)与纳秒 (ns，10,9s)内完成; 2) 与温度无关，可在,196?(77K，液氮温度)或 ,271?(2K，液氦温度)下进行; 3) 量子效率接近1 由于速度快，散失的能量少， 所以其量子效率接近1 。 概念 反应中心色素:少数特殊状态的chl a 分子，它具有光化学活性，是光能的 “捕捉器”、“转换器”。 聚光色素(天线色素):没有光化学 活性，只有收集光能的作用，包括大部 分chla 和全部chlb、胡萝卜素、叶黄素。 一、光能的吸收与传递 (一) 激发态的形成 通常色素分子是处于能量的最低状态?基态。 ?色素分子吸收了一个光子后，会引起原子结构内 电子的重新排列。 ?其中一个低能的电子获得能量后就可克服原子核 正电荷对其的吸引力而被推进到高能的激发态。 ?下式表示叶绿素吸收光子转变成了激发态。激发 态具有比基态高的能级，能级的升高来自被吸收的 光能。 ? Chl(基态)+hυ 10,15s Chl*(激发态) 图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图 各能态之间因分子内振动和转动还表现出若干能级 。 叶绿素分子受光激发后的能级变化 叶绿素在可见光部分有二个吸收区:红光区与蓝光区。 如果叶绿素分子被蓝光激发，电子就跃迁到能量较高的第 二单线态;如果被红光激发，电子则跃迁到能量较低的第 一单线态。 ?处于单线态的电子，其自旋方向保持原有状态，即配对 电子的自旋方向相反。如果电子在激发或退激过程中，其 自旋方向发生了变化，使原配对的电子自旋方向相同，那 么该电子就进入了能级较单线态低的三线态。 ? ? ? 图8 叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图 虚线表示吸收光子后所产生的电子跃迁或发光， 实线表示能量的释放， 半箭头表示电子自旋方向 (二)激发态的命运 激发态是不稳定的状态，经过一定时间后，就会 发生能量的转变，转变的方式有以下几种: 1.放热 激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量， 此过程又称内转换或无辐射退激。 2.发射荧光与磷光 激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能量。 3.色素分子间的能量传递 激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种 分子而返回基态的过程称为色素分子间能量的传递。 4.光化学反应 激发态的色素分子把激发的电子传递给受体分子。 1.放热 激发态的叶绿素分子在能级降低时以热的形式释放能量，此 过程又称内转换或无辐射退激。如叶绿素分子从第一单线态降 至基态或三线态，以及从三线态回至基态时的放热: Chl* ? Chl+热 Chl* ? ChlT +热 ChlT ? Chl+热 这些都是无辐射退激。 ? 另外吸收蓝光处于第二单线态的叶绿素分子，其具有的能量虽 远大于第一单线态的叶绿素分子。但超过部分对光合作用是无用的， 在极短的时间内叶绿素分子要从第二单线态降至第一单线态，多余 的能量在降级过程中也是以热能释放。 ? 由于叶绿素是以第一单线态参加光合作用的。所以一个蓝光光 子所引起的光合作用与一个红光光子所引起的光合作用是相同的， 在能量利用上蓝光没有红光高。 2. 发射荧光与磷光 激发态的叶绿素分子回至基态时，可以光子形式释放能 量。 ? 处在第一单线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称 为荧光。 ? 而处在三线态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为 磷光。 ? Chl* Chl ， hν 荧光发射 (12) ? ChlT Chl ， hν 磷光发射 (13) ? 磷光波长比荧光波长长，转换的时间也较长，而强度只有荧 光的1%，故需用仪器才能测量到。 10-9s 10-2s 由于叶绿素分子吸收的 光能有一部分消耗在分子 内部的振动上，且荧光又 总是从第一单线态的最低 振动能级辐射的，辐射出 的光能必定低于吸收的光 能，因此叶绿素的荧光的 波长总要比被吸收的波长 长些。 对提取的叶绿体色素浓 溶液照光，在与入射光垂 直的方向上可观察到呈暗 红色的荧光。 离体色素溶液为什么易发荧光，这是因 为溶液中缺少能量受体或电子受体的缘 故。 ? 在色素溶液中，如加入某种受体分子， 能使荧光消失，这种受体分子就称为荧 光猝灭剂，常用Q表示，在光合作用的 光反应中，Q即为电子受体。 ? 色素发射荧光的能量与用于光合作用的 能量是相互竞争的，这就是叶绿素荧光 常常被认作光合作用无效指标的依据。 3.色素分子间的能量传递 激发态的色素分子把激发能传递给处于基态的同种或异种 分子而返回基态的过程称为色素分子间能量的传递。 Chl*1， Chl2 供体分子 受体分子 Chl1，Chl*2 色素分子吸收的光能，若通过发热、发荧光与磷光等方式 退激，能量就被浪费了。 ?在光合器里，聚光叶绿素分子在第一单线态的能量水平上， 通过分子间的能量传递，把捕获的光能传到反应中心色素分 子，以推动光化学反应的进行。 ?一般认为，色素分子间激发能不是靠分子间的碰撞传递的， 也不是靠分子间电荷转移传递的，可能是通过“激子传递” 或“共振传递”方式传递的。 激子传递 激子通常是指非金属晶体中 由电子激发的量子，它能转 移能量但不能转移电荷。 ? 在由相同分子组成的聚光色 素系统中，其中一个色素分 子受光激发后，高能电子在 返回原来轨道时也会发出激 子，此激子能使相邻色素分 子激发，即把激发能传递给 了相邻色素分子，激发的电 子可以相同的方式再发出激 子，并被另一色素分子吸收， ? 这种在相同分子内依靠激子 传递来转移能量的方式称为 激子传递。 共振传递 在色素系统中，一个色素分子吸 收光能被激发后，其中高能电子 的振动会引起附近另一个分子中 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，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”。 共振传递示意图 在共振传递过程中，供体 和受体分子可以是同种，也 可以是异种分子。分子既无 光的发射也无光的吸收，也 无分子间的电子传递 。 通过上述色素分子间的能量传递，聚光色素吸收的光能 会很快到达并激发反应中心色素分子，启动光化学反应。 图 光合作用过程中能量运转的基本概念 许多色素集中在一起作为天线色素，收集光能转运到反应中心。在反应中 心化学反应通过从叶绿素色素到电子受体分子的电子转运过程存储一些能 量， 电子供体再次还原叶绿素能量。 在集光色素中的传递是单纯的物理现象不涉及参与任何化学变化。 图 聚光系统到反应中心能量激发呈漏斗状 (A)光合色素距离反应中心越远，其激发态能就越高，这样就保证 了能量向反应中心的传递。 (B)尽管在这个过程中一部分能量以热的形式向环境中耗损散，但 是在适当的条件下聚光色素复合体吸收的激发态能量都可以传送到反应中 心。星号表示激态。 二、光化学反应 去镁叶绿素 去镁叶绿素 (一)反应中心与光化学反应 1.反应中心 原初反应的光化学反应是在 光系统的反应中心进行的。 副叶绿素 副叶绿素 胡萝卜素 配对叶绿素 光系统‖的反应中心 ?反应中心是发生原初反应的最小单位，它是由反应中心色素 分子、原初电子受体、次级电子受体与供体等电子传递体，以 及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质等成分组成的。 ?反应中心中的原初电子受体是指直接接收反应中心色素分子 传来电子的电子传递体 反应中心色素分子是光化学反应中最先向原初电子受体供给 电子的，因此反应中心色素分子又称原初电子供体。 去镁叶绿素 副叶绿素 去镁叶绿素 副叶绿素 胡萝卜素 配对叶绿素 光系统‖的反应中心 2.光化学反应 原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中 心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应，可 用下式表示光化学反应过程: P?A hυ P*?A P+?A, 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的 反应中心 ?原初电子供体，即反应中心色素(P)吸收光能后成 为激发态(P*)，其中被激发的电子移交给原初电子 受体(A)，使其被还原带负电荷(A-)，而原初电子供 体则被氧化带正电荷(P+)。这样，反应中心出现了 电荷分离，到这里原初反应也就完成了。 原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷 阱” ，便可从次级电子供体那里争夺电子;而原初电 子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强， 可将电子传给次级电子受体。供电子给P+ 的还原剂叫 做次级电子供体(D)，从A , 接收电子的氧化剂叫做次 级电子受体(A1)，那么电荷分离后反应中心的更新反 应式可写为: ? D?〔P+?A,〕?A1 D+?〔P?A〕?A1, ? 这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电 子在电子传递体中传递。 (二)PS?和PS?的光化学反应 高等植物的两个光系统有各自的反应中 心。 ?PS?和PS?反应中心中的原初电子供体 很相似，都是由两个叶绿素a分子组成的 二聚体，分别用P700、P680来表示。 ?这里P代表色素，700、680则代表P氧化 时其吸收光谱中变化最大的波长位置是近 700nm或680nm处(图9)，也即用氧化态吸 收光谱与还原态吸收光谱间的差值最大处 的波长来作为反应中心色素的标志。 图9 菠菜反应中心色素吸收光谱的变化 照光下PS?(A)、PS?(B)反应中心色素氧化，其氧化态，与还原态的吸收光 谱差值最大变化的波长所在位置分别是700nm(A)和682nm(B)。 光合作用的两个光系统和电子传递 吸收红光的光系统?(PS?)产生强氧化剂和弱还原剂。吸收远红光的光 系统Ι(PSΙ)产生弱氧化剂和强还原剂。PS?产生的强氧化剂氧化水，同 时，PSΙ产生的强还原剂还原NADP+。 PS?和PS?的光化学反应 PS?的原初电子受体是叶绿素分子(A0)， PS?的原初电子受体是去镁叶绿素分子 (Pheo)，它们的次级电子受体分别是铁硫中 心和醌分子(表4-2)。 ?PS?的原初反应: ?P700?A0 hυ P700*?,0 P700，?A0, (17) ?PS?的原初反应: hυ ?P680?Pheo P680*?Pheo P680+?Pheo- (18) 在原初反应中，受 光激发的反应中心 色素分子发射出高 能电子，完成了光 ?电转变，随后高 能电子将沿着光合 电子传递链进一步 传递。 PS?和PS?的电子供体和受体组成 功能与特点 电子 次级 反应中心 最终 电子 色素分子 (吸收光能 供体 供体 原初电子 光化学反应) 供体 PS? 还原NADP+ ， 实现PC到 NADP+的电 子传递 PC P700 原初 电子 受体 次级 电子 受体 末端 电子 受体 NADP+ (电子最 叶绿素 铁硫 分子 中心 (A0) 终受体) PS? 使水裂解释 水 放氧气，并 把水中的电 子传至质体 醌。 YZ P680 去镁叶 醌分 绿素分 子 子 (Pheo) (QA) 质体 醌 PQ