第九章 光合作用：光反应
地球上的生命最终依赖于来自太阳的能量。光合作用是唯一能够收集这种能量的具有生物重要性的过程。
地球上的大部分能源资源来自近代或古代的光合作用（化石燃料）。本章介绍了光合作用能量储存的基本物理原理以及目前对光合器官结构和功能的理解。
光合作用一词的字面意思是“利用光进行合成”。正如我们将在本章中看到的，产氧光合生物（与植物一样，产生 O2 作为副产品）利用太阳能合成复杂的碳化合物。更具体地说，光能驱动碳水化合物的合成以及从二氧化碳和水中产生氧气。储存在这些碳水化合物分子中的能量以后可用于为植物中的细胞过程提供动力，并可作为所有生命形式的能量来源。本章讨论了光在光合作用中的作用、光合器官的结构以及从光激发叶绿素到合成 ATP 和 NADPH 的整个过程。
9.1 绿色植物的光合作用
维管植物中最活跃的光合组织是叶子的叶肉。叶肉细胞有许多叶绿体，叶绿体中含有专门吸收光的绿色色素，即叶绿素。在光合作用中，植物利用太阳能氧化水，从而释放氧气，并还原二氧化碳，从而形成大的碳化合物，主要是糖。最终导致 CO2 还原的一系列复杂反应包括类囊体反应和碳固定反应。
光合作用的类囊体反应发生在叶绿体中一种特殊的内膜，称为类囊体（见第 1 章）。这些类囊体反应的最终产物是高能化合物 ATP 和 NADPH，它们用于碳固定反应中糖的合成。这些合成过程发生在叶绿体的基质中，即围绕类囊体的水性区域。类囊体反应，也称为光反应，是本章的主题；碳固定反应将在第 10 章中讨论。
在叶绿体中，光能由两个称为光系统的不同功能单元转化为化学能。吸收的光能用于驱动电子通过一系列充当电子供体和电子受体的化合物进行的转移。大多数电子从 H2O 中提取，H2O 被氧化为 O2，最终将 NADP+ 还原为 NADPH。光能还用于在类囊体膜上产生质子动力（见第 8 章）；该质子动力用于合成 ATP。
9.2 一般概念
在本节中，我们将探讨为理解光合作用奠定基础的基本概念。这些概念包括光的性质、色素的性质以及色素的各种作用。
光由具有特征能量的光子组成
光具有粒子和波的属性。波（图 9.1）的特征是波长，用lambda (λ) 表示，它是连续两个波峰之间的距离。频率用 nu (ν) 表示，是在给定时间内经过观察者的波峰数量。一个简单的方程式将任何波的波长、频率和速度联系起来：
c=λ×ν
其中 c 是波的速度 — 在本例中是光速（3.0 × 10^8 ms^-1）。光波是一种横向（左右）电磁波，其中电场和磁场都垂直于波的传播方向振荡，并且彼此成 90° 角。
光也可以被视为粒子，称为光子。每个光子都包含一定量的能量，这些能量不是连续的，而是以离散的水平传递的，称为量子。根据普朗克定律，光子的能量 (E) 取决于光的频率：
E= hν
其中 h 是普朗克常数（6.626 × 10^–34 J s）。光子如何与物质相互作用在很大程度上取决于它们的频率或能量，并且只有可见光谱中很窄的频率范围可用于光合作用（图 9.2）。能量低于红光的低频光子和能量高于紫光的高频光子不能驱动光合作用。
光合活性光的吸收会改变叶绿素的电子态
为了使光能为光合作用提供动力，必须捕获光能并将其转化为电或化学形式。该过程的第一步是与光合作用器官相关的色素吸收光。不同能量（或频率）的光以不同的方式与分子相互作用，从而诱导不同类型的转变。为了吸收光，吸收色素必须具有与光子能量相匹配的能量跃迁（光可激发的过程）。如果光子的能量与这种跃迁不完全匹配（即太低或太高），光就不会被吸收。因此，尽管照射到地球表面的阳光包含具有各种不同能量的光子，如图 9.3 所示，但只有一小部分光可用于光合作用。植物光合作用可以利用波长约为 400 至 700 nm 的光能（范围从紫色到红色和远红色波长，几乎与可见光谱相匹配；见图 9.2）。
这种光子能量范围可以激发植物色素（主要是叶绿素）中的电子，从低能分子轨道到高能“激发态”（图 9.4）。叶绿素分子中的这种激发态是光反应的基本起点。相比之下，能量较低的红外辐射往往会激发化学键的振动或旋转，其能量会迅速以热量的形式消散，因此无法用于驱动光合作用。能量较高的光子（包括更深的紫外线）往往会直接电离分子，从本质上将电子从分子中击落，从而产生可能损害生物体的自由基化学材料。
图 9.3 中的蓝色曲线显示了叶绿体中典型叶绿素的吸收光谱。吸收光谱提供了分子或物质吸收的光能量与光波长的关系的量度。可以使用分光光度计确定特定物质的吸收光谱，如图 9.5 所示。分光光度法是用于测量样品对光的吸收的技术，在 WEB TOPIC 9.1 中有更详细的讨论。在许多情况下，吸收光谱被绘制为光的吸收率（在 y 轴上）与光的波长（在 x 轴上）的函数。但是，将吸收率绘制为频率的函数也是有益的，因为根据公式 9.2 所描述的关系，我们可以得到吸收率与光子能量的依赖关系。
叶绿素在我们眼中呈现绿色，因为它主要吸收光谱中红色和蓝色部分的光，因此未被吸收的光富含绿色波长（约 550 nm）（见图 9.3 和 9.4）。光的吸收可以用公式 9.3 表示，其中，叶绿素 (Chl) 在其最低能量或基态下吸收光子（表示为 hν）并转变为更高能量或激发态 (Chl*)：
Chl + hν → Chl*
激发态分子中的电子分布与基态分子中的分布不同。红光的吸收通过将电子从低能轨道提升到高能轨道，将叶绿素激发到能量更高的“激发态”（图 9.4 中的“最低激发态”）。蓝光也可以被叶绿素吸收，最初产生的能量甚至比红光产生的更高（图 9.4 中的“更高激发态”）。
然而，这种高能激发态极不稳定，会迅速衰减到最低激发态，而最低激发态是驱动光合作用的反应的起点。初始光合作用反应必须非常迅速，才能战胜最低激发态的衰减；如果这些反应不使用激发态的能量，它最多只能持续几纳秒（1 纳秒 = 10^-9 秒）。
叶绿素的最低激发态可以通过几种替代途径衰减：
1. 激发叶绿素可以重新发射光子，从而返回到基态——这一过程称为荧光fluorescence。当它这样做时，荧光的波长比吸收波长略长（能量较低），因为在发射荧光光子之前，一部分激发能量被转化为热量。叶绿素在光谱的红色区域发出荧光（见图 9.4）。
2. 激发叶绿素可以直接将其激发能转化为热量，而不发射光子，从而返回基态。
3. 激发叶绿素可以参与能量转移，在此过程中，叶绿素将其能量转移给另一个分子，包括其他叶绿素。这样，数百个叶绿素分子可以在 50 到 100 纳米的长距离上转移能量。
4. 激发叶绿素可以形成一种高度活跃的状态，称为第一三线态叶绿素（ triplet chlorophyll），它可以与氧气反应生成有毒副产物。
5. 激发态叶绿素可以引发光化学（photochemistry），其中激发态的能量引起化学反应，最终将能量储存在光合产物中。光合作用的光化学反应是已知最快的化学反应之一。这种速度是光化学胜过非储能衰减途径的必要条件。
光合色素吸收为光合作用提供能量的光
阳光的能量首先被植物的色素吸收。所有参与光合作用的色素都存在于叶绿体中。图 9.6 和 9.7 分别显示了几种光合色素的结构和吸收光谱。叶绿素和菌绿素（ chlorophylls and bacteriochlorophylls ）（某些细菌中发现的色素）是光合生物的典型色素。
叶绿素a 和 b 在绿色植物中含量丰富，而叶绿素 c、d 和 f 则存在于一些原生生物和蓝藻中。已发现几种不同类型的细菌叶绿素；a 型分布最广。WEB 主题 9.2 显示了不同类型光合生物中色素的分布。
所有叶绿素都具有复杂的环状结构，该结构在化学上与血红蛋白和细胞色素中的血红素基团相关（见图 9.6A）。长烃尾几乎总是附着在环状结构上。尾部将叶绿素锚定在其环境的疏水部分。环状结构包含一些松散结合的电子，是分子中参与电子跃迁和氧化还原（还原-氧化）反应的部分。
光合生物中发现的不同类型的类胡萝卜素是具有多个共轭双键的分子（见图 9.6B）。400 至 500 nm 区域的吸收带使类胡萝卜素呈现出其特有的橙色。例如，胡萝卜的颜色是由类胡萝卜素 β-胡萝卜素引起的，其结构和吸收光谱分别如图 9.6 和 9.7 所示。
类胡萝卜素存在于所有已知的天然光合生物中。类胡萝卜素是类囊体膜的组成成分，通常与构成光合器官的许多蛋白质密切相关。类胡萝卜素吸收的光能可以转移到叶绿素中进行光合作用；由于这种作用，它们被称为辅助色素。类胡萝卜素还有助于保护生物体免受光损伤，因为它可以“猝灭”三重态叶绿素等反应性中间体（见第 9.8 节和第 11 章）。
9.3 了解光合作用的关键实验
建立光合作用的整体化学方程式需要几百年的时间，需要许多科学家的贡献（历史发展的文献参考可以在本书的网站上找到）。1771 年，约瑟夫·普里斯特利 (Joseph Priestley) 观察到，一根蜡烛烧完后，在空气中生长的薄荷枝会再生空气中的某种物质，这样另一根蜡烛就可以燃烧。他发现了植物释放氧气的过程。 1779 年，荷兰生物学家 Jan Ingenhousz 记录了光在光合作用中的重要作用。
其他科学家确定了 CO2 和 H2O 的作用，并表明有机物（特别是碳水化合物）是光合作用和氧气的产物。到十九世纪末，光合作用的平衡总体化学反应可以写成如下形式：
6 CO2 + 6 H2→C6H12O6+6O2
其中 C6H12O6 代表单糖，例如葡萄糖。正如我们将在第 10 章中讨论的那样，葡萄糖不是碳的实际产物固定反应，因此不应从字面上理解方程的这一部分。然而，实际反应的energetics与这里表示的大致相同。
光合作用的化学反应很复杂。目前至少已确定了 50 个中间反应步骤，并且毫无疑问还会发现更多步骤。20 世纪 20 年代，对不产生氧气作为最终产物的光合细菌的研究为光合作用的基本化学过程的化学性质提供了早期线索。从对这些细菌的研究中，C. B. van Niel 得出结论，光合作用是一个氧化还原过程。这一结论已成为所有后续光合作用研究的基础概念。
现在我们来讨论光合作用活性与吸收光光谱之间的关系。我们讨论了一些有助于我们目前对光合作用的理解的关键实验，并考虑了光合作用的基本化学反应方程式。
作用光谱将光吸收与光合作用活动联系起来
作用光谱的使用对于我们目前对光合作用的理解的发展至关重要。作用光谱action spectrum描述了不同波长的光在促进生物反应方面的有效性。例如，可以通过测量不同波长下光强度（每秒每单位面积的光子数）增加时氧气释放速率来构建光合作用的作用光谱（图 9.8）。 （因为光合作用在强光下达到饱和，所以应在极低光照下测量氧气释放率，或通过半饱和点估计。）当特定波长强度的光被光合色素更有效地吸收时，其诱导光合作用的效率会更高。因此，作用光谱可以识别负责特定光诱导现象的发色团（色素）。
一些最早的作用光谱是由 T. W. Engelmann 在 19 世纪后期测量的（图 9.9）。Engelmann 使用棱镜将阳光散射成彩虹，然后落在水生藻类细丝上。将一群寻找氧气的细菌引入系统。细菌聚集在细丝中释放出最多氧气的区域。那是被蓝光和红光照亮的区域，这两种光被叶绿素强烈吸收。如今，作用光谱可以在房间大小的光谱仪中测量，其中一个巨大的单色仪将实验样品沐浴在单色光中。该技术更加复杂，但原理与恩格尔曼的实验相同。
作用光谱的一个特殊版本测量的是植物实际吸收的光的有效性，而不是总入射光。在这种情况下，光合作用的量子产率quantum yield——吸收光的分数可以计算出实际用于驱动高效光合作用的能量。正如我们在本节后面讨论的那样，低光照下光合作用的量子产率可以接近 1.0，这意味着几乎每个被吸收的光子都用于驱动光合作用。作用光谱对于发现在 O2 释放的光合生物中运行的两个不同光系统非常重要。然而，在介绍这两个光系统之前，我们需要描述光收集天线和光合作用的能量需求。
光合作用发生在包含光收集天线和光化学反应中心的复合体中
叶绿素和类胡萝卜素吸收的一部分光能最终通过形成化学键以化学能的形式储存起来。这种能量从一种形式到另一种形式的转化是一个复杂的过程，依赖于许多色素分子和一组电子转移蛋白之间的合作。
大多数色素充当天线复合物，收集光并将能量传输到反应中心复合物，在那里发生化学氧化和还原反应，从而实现长期能量储存（图 9.10）。本章后面将讨论一些天线和反应中心复合物的分子结构。
植物如何从天线和反应中心色素之间的这种分工中受益？即使在明亮的阳光下，单个叶绿素分子每秒也只能吸收几个光子。如果每个叶绿素分子都有一个反应中心，那么反应中心酶大部分时间都会处于闲置状态，只是偶尔被光子吸收激活。但是，如果反应中心同时从许多色素接受能量，系统在很大一部分时间内保持活跃。
1932 年，罗伯特·埃默森和威廉·阿诺德进行了一项关键实验，为光合作用过程中许多叶绿素分子在能量转换中的合作提供了第一个证据。他们将非常短暂（10^-5 秒）的闪光照射到绿藻Chlorella pyrenoidosa悬浮液中，并测量了产生的氧气量。闪光间隔约 0.1 秒，Emerson 和 Arnold 在早期研究中确定的这个时间足够长，可以在下一次闪光到来之前完成该过程的酶促步骤。研究人员改变了闪光的能量，发现在高能量下，当提供更强烈的闪光时，氧气产量不会增加：光合作用系统被光饱和（图 9.11）。
在测量氧气产生与闪光能量的关系时，Emerson 和 Arnold 惊讶地发现，在饱和条件下，样品中每 2500 个叶绿素分子仅产生 1 个氧气分子。我们现在知道，每个反应中心都与数百个色素分子有关，每个反应中心必须运行四次才能产生 1 个氧分子，因此每 O2 需要 2500 个叶绿素。
反应中心和大多数天线复合体是类囊体膜的组成部分。在真核光合生物中，这些膜位于叶绿体中；在光合原核生物中，光合作用的场所是质膜或由其衍生的膜。
光合作用的化学反应由光驱动
重要的是要认识到，公式 9.4 中所示的化学反应在能量上是上坡的，这意味着它不能在没有大量能量输入的情况下进行。公式 9.4 的平衡常数是根据所涉及每种化合物的生成自由能表计算得出的，约为 10^-500。这个数字非常接近于零，因此我们可以确信，在整个宇宙历史中，没有一个葡萄糖分子是在没有外部能量的情况下由 H2O 和 CO2 自发形成的。驱动光合作用所需的能量来自光。以下是公式 9.4 的更简单形式：
CO2 + H2O → CH2O + O2
其中 (CH2O) 是葡萄糖分子的六分之一。大约需要十个光子来驱动公式 9.5 的反应。
光驱动 NADP+ 的还原和 ATP 的形成
光合作用的整个过程是重做化学反应，其中电子从一种化学物质中移除，从而将其氧化，并添加到另一种化学物质中，从而将其还原。1937 年，罗伯特·希尔发现，在光照下，分离的叶绿体类囊体会还原多种化合物，例如铁盐。这些化合物代替 CO2 充当氧化剂，如以下方程所示：
4 Fe3+ + 2 H2O → 4 Fe2+ + O2 + 4 H+
此后，许多化合物已被证明可充当人工电子受体，即后来的希尔反应。人工电子受体的使用对于阐明碳还原之前的反应具有不可估量的价值。氧气释放与人工电子受体还原相关的证明首次证明了氧气释放可以在没有二氧化碳的情况下发生，并导致了现在被接受和证实的观点，即光合作用中的氧气来自水，而不是二氧化碳。
我们现在知道，在光合作用系统正常运作期间，光会还原 NADP+，而 NADP+ 又充当卡尔文-本森循环中碳固定的还原剂（见第 10 章）。ATP 也是在电子从水流向 NADP+ 的过程中形成的，它也用于碳还原。
水被氧化为氧气、NADP+ 被还原为 NADPH 并形成 ATP 的化学反应被称为类囊体反应(thylakoid reactions)，因为几乎所有的反应直到 NADP+ 还原都发生在类囊体中。碳固定和还原反应被称为基质反应，因为碳还原反应发生在叶绿体的水性区域，即基质中。虽然这种划分有些武断，但在概念上很有用。
放氧生物有两个串联运作的光系统
光合作用的光反应涉及两种光化学反应中心，包含在光系统 I 和 II（PSI 和 PSII）内，它们串联运作以进行光合作用的早期能量储存反应。PSI 优先吸收波长大于 680 nm 的远红光；PSII 优先吸收 680 nm 的红光，远红光驱动力很弱。光系统之间的另一个区别是：
● PSI 产生一种强还原剂，能够还原 NADP+，以及一种弱氧化剂。
● PSII 产生一种非常强的氧化剂，能够氧化水，以及一种比 PSI 产生的还原剂更弱的还原剂。
PSII 产生的还原剂重新还原 PSI 产生的氧化剂。图 9.12 以示意图的形式显示了这两个光系统的这些特性（参见 WEB主题 9.4）。
图 9.12 中描绘的光合作用方案称为 Z 方案（Z scheme ,因为它看起来像字母 Z），已成为理解释放 O2 的（产氧）光合生物的基础。它解释了两个物理和化学上不同的光系统（I 和 II）的运作，每个系统都有自己的天线色素池和光化学反应中心。这两个光系统通过电子传输链连接。
地球上生命所需的几乎所有能量都来自光合作用，因此其效率控制着我们生态系统的最大总生产力。两个不同的参数决定了光合作用的效率：量子产率quantum yield和能量转换效率energy conversion efficiency。
图 9.11 所示的图表使我们能够计算光化学量子产率 ( quantum yield of photochemistry，Φ)，其定义如下：
Φ = 光化学产物数量/吸收光量子总数
在低光强度下，随着光强度的增加，曲线显示出最高的、几乎线性的氧气释放量增加。在此范围内，光化学量子产率可高达 0.95，这意味着叶绿素吸收的 95% 的光子用于光化学。由于稳定的光合成产物 O2 和固定 CO2（糖）的形成需要多个光化学事件，因此其形成的量子产率低于光化学量子产率。大约需要十个光子来产生一个 O2 分子，因此 O2 产生的量子产率约为 0.1，即使该过程中每个光化学步骤的量子产率接近 1.0。有关量子产率的更详细讨论，请参见 WEB TOPIC 9.3。
虽然最佳条件下的光化学量子产率接近 1.0，但光合作用储存的能量部分（即能量转换效率energy conversion efficiency）要少得多。造成这种能量损失的一个主要原因是光子的能量被吸收，并在光反应中生成一系列中间体，最终形成 O2、NADPH 和 ATP。 The equilibrium constant for each step in this process has a large drop in free energy，这确保了正向反应比逆向反应快得多。这样，光子的能量就被“捕获”，防止其因逆反应而损失，从而增加了光捕获的量子产率，但代价是总能量存储的损失。
当 680 nm 红光被吸收时，每形成 1 摩尔氧气，总能量输入（见公式 9.2）为 1760 kJ。这个能量足以驱动公式 9.5 中的反应，该反应的标准态自由能变化为 +467 kJ mol^–1。因此，680 nm 红光子（最佳波长）的光能转化为化学能的最大效率约为 27%。蓝光也被光系统强烈吸收，量子效率相似。蓝色光子的能量含量比红色光子高出约 50%，但一旦被吸收，这些额外的能量就会迅速损失，导致形成稳定产品的能量转换效率降低。来自太阳的白光由光合有效辐射范围的光子组成，范围从约 400 到 700 nm，平均能量转换效率介于红色和蓝色光子之间。
在较高的光强度下，光合作用受到下游过程（例如 CO2 的固定）的限制，从而导致量子效率quantum efficiencies降低。图 9.11 显示，光合作用对光的响应在较高的光照下饱和。请注意，图 9.11 显示了短暂闪光的光饱和曲线，但在恒定光照下的曲线的总体形状是相似的。光强度越高，光合作用对进一步增加光强度的响应斜率越小。曲线的平坦化意味着光反应的量子效率在高光强度下会降低 - 也就是说，光子能量中的大部分会以热量的形式损失。当光子的到达速度慢于系统可以使用它们的最大速率时，系统就会“受光限制”。但是当光强度增加时，光子到达的速度会比可以使用的速度更快。正如我们在第 9.8 节中讨论的那样，光照过多会导致反应中间体的积累，从而导致光损伤。为了防止这些情况，植物会下调对光的捕获，从而将更多的能量以热量的形式耗散。
光反应产生的大部分能量都以固定碳的形式储存起来。这些固定碳中的大部分随后用于细胞维持过程，一小部分用于产生新的生物质（见第 11 章）。因此，制造新植物物质的总体能量转换效率只有百分之几，远低于理论最大值，限制了我们环境中可用的能量（以及二氧化碳的吸收率）。减少这些大量的能量损失是提高作物生产力的目标，尽管目前尚不清楚在多大程度上可以实现这一目标，同时仍能保持植物在其环境中的稳健性。
9.4 光合器官的组织
上一节解释了光合作用的一些物理原理、各种色素的功能作用的某些方面以及光合生物进行的一些化学反应。现在我们来讨论光合作用器官的结构及其组成部分的结构，并了解系统的分子结构如何导致其功能特征。
叶绿体是光合作用的场所
在具有光合作用的真核生物中，光合作用发生在称为叶绿体的亚细胞器中（见第 1 章）。图 9.13 显示了豌豆叶绿体的薄切片的透射电子显微照片。叶绿体结构最引人注目的方面是被称为类囊体的广泛内部膜系统。所有叶绿素包含在该膜系统内，这是光合作用的光反应的位点。
由水溶性酶催化的碳还原反应发生在基质stroma中，即类囊体外部的叶绿体区域。大多数类囊体似乎彼此非常紧密地联系在一起。这些堆叠的膜称为grana lamellae(每一堆称为一个granum)，而没有堆叠的暴露膜称为stroma lamellae。
两个独立的膜，每个膜由脂质双层组成，合称为被膜envelope，包围大多数类型的叶绿体（图 9.14）。这种双膜系统包含各种代谢物运输系统。叶绿体还包含自己的 DNA、RNA 和核糖体。一些叶绿体蛋白质是叶绿体自身转录和翻译的产物，而其他大多数蛋白质由核 DNA 编码，在细胞质核糖体上合成，然后导入叶绿体。这种显著的分工在许多情况下延伸到同一酶复合物的不同亚基，本章后面将对此进行更详细的讨论。有关叶绿体的一些动态结构，请参阅 WEB ESSAY 9.1。
类囊体含有完整的膜蛋白
光合作用所必需的多种蛋白质都嵌入在类囊体膜中。在许多情况下，这些蛋白质的部分延伸到类囊体两侧的水性区域。这些完整的膜蛋白含有大量疏水性氨基酸，因此在非水性介质（如膜的碳氢化合物部分）中更稳定（见图 1.13）。
反应中心、天线色素-蛋白质复合物和大多数电子载体蛋白质都是整合膜蛋白。在所有已知情况下，叶绿体的整合膜蛋白在膜内具有独特的方向。类囊体膜蛋白有一个区域指向膜的基质侧，另一个区域指向类囊体的内部空间，称为lumen（见图 9.14）。
类囊体膜中的叶绿素和类胡萝卜素以非共价但高度特异性的方式与蛋白质结合，从而形成色素蛋白复合物，其结构组织可优化能量向反应中心的传递和随后的电子传递。
光系统 I 和 II 在类囊体膜中空间分离
PSII 反应中心及其天线叶绿素和相关电子传递蛋白主要位于基粒片层中（图 9.15A）。PSI 反应中心及其相关天线色素和电子传递蛋白以及催化 ATP 形成的 ATP 合酶几乎全部位于基质片层和基粒片层边缘。连接两个光系统的电子传递链的细胞色素b6f 复合物分布在基质和基粒片层之间。所有这些复合物的结构如图 9.15B 所示。
发生在O2 释放光合作用中的两个光化学事件在空间上是分开的。这种分离要求移动载体在两个光系统之间移动电子，从基粒区域到类囊体的基质区域。这些可扩散的载体是氧化还原辅因子质体醌 (PQ) 和蓝色的铜蛋白质体蓝素 (PC)，它们分别将电子从 PSII 传送到细胞色素 b6f 复合物，和从细胞色素 b6f 复合物传送到 PSI，我们将在后面的第 9.6 节中详细讨论。此外，PSII 对水的氧化作用会将质子释放到基粒腔内（见第 9.6 节），这些质子必须扩散到基质层才能到达 ATP 合酶，然后用来驱动 ATP 的合成。PSI 和 PSII 之间这种巨大距离（几十纳米）的功能意义尚不完全清楚，但据认为，它允许两个光系统自我组织，从而提高两个光系统之间的能量分配效率。
类囊体中的 PQ 和 PC 分子比光中心多，这些电子载体“池”可以与多个 PSI 或 PSII 复合物相互作用。这使得光系统可以协同作用，而无需两个光系统之间严格的一对一化学计量或它们被光激发。相反，PSII 反应中心将还原当量送入脂溶性电子载体（质体醌）的公共中间池。PSI 反应中心从公共池中移除还原当量，而不是从任何特定的 PSII 反应中心复合体中移除。在某些物种中，包括许多维管植物，类囊体中的 PSII 相对多于 PSI，但在蓝藻中，PSI 的比例通常更高。这些不同化学计量的原因尚不完全清楚，但据认为它们有助于防止反应中间体的积累，并通过控制线性和循环电子流的相对速率来平衡 ATP 和 NADPH 的相对需求（参见第 9.7 节）。
不产氧光合细菌具有单个反应中心
不释放氧气（不产氧）生物仅包含单个光系统，类似于光系统 I 或II。这些较简单的生物对于详细的结构和功能研究非常有用，有助于更好地理解有氧光合作用。在大多数情况下，这些不产氧光系统进行循环电子转移，没有净还原或氧化。光子的部分能量被保存为质子动力（参见第 9.7 节），并用于制造 ATP。
紫色光合细菌的反应中心是第一个具有高分辨率结构的完整膜蛋白（参见 WEB 主题9.5）。对这些结构的详细分析以及对大量突变体的表征揭示了所有反应中心进行的能量存储过程中涉及的许多原理。
紫色细菌反应中心的结构在很多方面与产氧生物的 PSII 相似，尤其是在链的电子受体部分。构成细菌反应中心核心的蛋白质在序列上与 PSII 对应物相对相似，暗示了进化的相关性。与 PSI 相比，厌氧绿色硫细菌和日光菌的反应中心也发现了类似的情况。第 9.9 节讨论了这种模式的进化意义。
9.5 光吸收天线系统的组织
不同类别的光合生物的天线系统差异很大，而反应中心似乎也相似，即使在远亲生物中也是如此。天线复合体的多样性反映了不同生物对不同环境的进化适应，以及某些生物需要平衡两个光系统的能量输入。在本节中，我们将了解能量传递过程如何吸收光并将能量传递到反应中心。
天线系统含有叶绿素，与膜相关
天线系统的功能是将能量有效地传递到与其相关的反应中心。天线系统的大小在不同生物体中差异很大，从某些光合细菌中每个反应中心 20 到 30 个细菌叶绿素到维管植物中每个反应中心通常 200 到 300 个叶绿素，再到某些类型的藻类和细菌中每个反应中心几千个色素。天线色素的分子结构也相当多样，尽管它们都以某种方式与光合膜相关。在几乎所有情况下，天线色素都与蛋白质相关，形成色素-蛋白质复合物。
激发能量从吸收光的叶绿素传递到反应中心的物理机制主要通过荧光共振能量转移（通常缩写为 FRET）发生。通过这种机制，激发能量通过非辐射过程从一个分子转移到另一个分子。
共振转移的一个有用类比是两个音叉之间的能量转移。如果一个音叉被敲击并正确放置在另一个音叉附近，第二个音叉会从第一个音叉接收一些能量并开始振动。两个音叉之间的能量传递效率取决于它们之间的距离和相对方向，以及它们的振动频率或音高。类似的参数影响天线复合体中能量传递的效率，其中能量代替音高。
天线复合物中的能量传递通常非常有效：天线色素吸收的光子中约有 95% 到 99% 的能量被传递到反应中心，在那里可用于光化学。天线中色素之间的能量传递与反应中心发生的电子传递之间存在重要区别：能量传递是纯物理现象，而电子传递涉及化学（氧化还原）反应。
天线将能量集中到反应中心
天线内将吸收的能量集中到反应中心的色素序列具有吸收最大值，并逐渐向较长的红色波长移动（图 9.16）。吸收最大值的红移意味着激发态的能量在靠近反应中心时比在天线系统的外围部分略低。这种能量损失有助于推动剩余能量流向反应中心，在那里它可以启动光化学光反应。
由于这种安排，当激发从在 650 nm 处最大吸收的叶绿素 b 分子转移到在 670 nm 处最大吸收的叶绿素 a 分子时，这两个激发叶绿素之间的能量差异会以热量的形式损失到环境中。
为了将激发转移回叶绿素 b，必须重新补充以热量形式损失的能量。因此，反向转移的概率较小，因为热能不足以弥补低能量色素和高能量色素之间的差距。这种效应使能量捕获过程具有一定程度的方向性或不可逆性，使激发能更有效地传递到反应中心。本质上，系统牺牲了每个量子的一些能量，因此几乎所有的量子都可以被反应中心捕获。
许多天线色素-蛋白质复合物具有共同的结构基序
在所有含有叶绿素a和叶绿素b的真核光合生物中，最丰富的天线蛋白是结构相关蛋白质大家族的成员。其中一些蛋白质主要与PSII相关，被称为光收集复合物II（LHCII）蛋白。其他的与 PSI 相关，被称为光捕获复合物 I (LHCI) 蛋白。这些天线复合物也称为叶绿素 a/b 天线蛋白。
其中一种 LHCII 蛋白的结构已被确定（图 9.17）。该蛋白含有三个 α 螺旋区域，可结合 14 个叶绿素 a 和 b 分子以及4个类胡萝卜素分子。LHCI 蛋白的结构通常与 LHCII 蛋白的结构相似。所有这些蛋白都具有显著的序列相似性，几乎肯定是共同祖先蛋白的后代。
类胡萝卜素或叶绿素 b 在 LHC 蛋白质中吸收的光被迅速转移到叶绿素 a，然后转移到其他含叶绿素的天线色素
与反应中心密切相关。LHCII 复合物还参与调节过程，我们将在第 9.8 节中讨论。
9.6 电子传输机制
本章前面讨论了导致两个光化学反应串联运行的想法的一些证据。在本节中，我们将更详细地考虑光合作用过程中电子转移所涉及的化学反应。我们讨论了光对叶绿素的激发和第一个电子受体的还原、电子通过光系统 II 和 I 的流动、作为电子主要来源的水的氧化以及最终电子受体 (NADP+) 的还原。介导 ATP 合成的化学渗透机制将在第 9.7 节中详细讨论。
图 9.18 显示了 Z 方案的简化版本，其中已知在从 H2O 到 NADP+ 的电子流中起作用的所有电子载体都以它们的中点氧化还原电位垂直排列，这可用于估计与未激发（或基态）相比在这些状态下存储的能量（有关更多详细信息，请参阅 WEB 主题 9.6）。已知相互反应的成分通过箭头连接，因此 Z 方案实际上是动力学和热力学信息的综合。大垂直箭头表示光能输入到系统中。请注意，Z 方案的这种“能量图”视图并不表示各种状态的位置变化，也不暗示它们在这些方向上物理移动。这些反应的空间表示如图 9.19 所示，以及如图 9.15 所示的更详细的分子视图。光子激发反应中心的特化叶绿素（PSII 为 P680；PSI 为 P700），并释放出一个电子。然后，电子穿过一系列电子载体，最终还原 P700（PSII 中的电子）或 NADP+（PSI 中的电子）。以下大部分讨论都描述了这些电子的运动，以及这些运动如何导致最终产品中的能量储存。构成光合作用光反应的几乎所有化学过程都是由四种主要蛋白质复合物进行的：PSII、细胞色素 b6f 复合物、PSI 和 ATP 合酶。这些四个完整的膜复合物在类囊体膜中以矢量方式定向，以发挥以下功能（见图 9.15 和 9.19）：
● PSII 将类囊体腔内的水氧化为 O2，并在此过程中将质子释放到腔内。
光系统 II 的还原产物是质体氢醌 (PQH2)。总反应导致电子从腔转移到类囊体膜的基质侧，以及质子释放到基质中（来自水氧化）和质子从基质中吸收（通过 PQ 还原为 PQH2）。
● 细胞色素 b6f 氧化被 PSII 还原的 PQH2 分子，并通过可溶性铜蛋白质体蓝素将电子传递给 PSI。氧化是一个复杂的过程，称为 Q 循环，涉及一系列电子和质子转移反应，这些反应不仅为 PSI 提供电子，还为类囊体质子动力做出贡献（见图 9.25）。氧化涉及从 PQH2 中去除两个质子和两个电子，形成 PQ。它发生在 PQH2 氧化位点 Qo，该位点面向类囊体腔，因此两个质子被释放到腔中。PQH2 中的一个电子是 09_Taiz7e-Ch09.indd 261 4/29/22 10:04 AM 262 第 9 章 – 1.5 – 1.0 – 0.5 Em（伏特） 图 9.18 O2 释放光合生物的详细 Z 方案。氧化还原载体被放置在其中点氧化还原电位（pH 为 7）处。➀ 垂直箭头表示反应中心叶绿素的光子吸收：光系统 II (PSII) 的 P680 和光系统 I (PSI) 的 P700。激发的 PSII 反应中心叶绿素 P680* 将电子转移给脱镁叶绿素 (Pheo)。➁ 在 PSII 的氧化侧（连接 P680 和 P680* 的箭头左侧），被光氧化的 P680 被 Yz（未显示）重新还原，Yz 已从水的氧化中获得电子。 ➂ 在 PSII 的还原侧（在连接 P680 和 P680* 的箭头右侧），脱镁叶绿素将电子转移给受体 STROMA（低 H+ 浓度）
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细胞色素 b6f 复合物
光系统 II
光系统 I
PQA 和 PQB，它们是质体醌。➃ 细胞色素 b6f 复合物将电子转移给质体蓝素 (PC)，一种可溶性蛋白质，进而还原 P700+（氧化 P700）。
➄ 来自 P700* (A0) 的电子受体被认为是叶绿素，下一个受体 (A1) 是醌。一系列膜结合铁硫蛋白 (FeSX、FeSA 和 FeSB) 将电子转移至可溶性铁氧还蛋白 (Fd)。➅ 可溶性黄素蛋白铁氧还蛋白-NADP+ 还原酶 (FNR) 将 NADP+ 还原为 NADPH，后者在卡尔文-本森循环中用于减少 CO2（见第 10 章）。虚线表示 PSI 周围的循环电子流。 （R. E. Blankenship 和 R. C.
Prince 著。1985 年。Trends Biochem. Sci. 10: 382–383。）
质体醌
细胞色素
水的氧化
腔（高 H+ 浓度）
质体蓝素
图 9.19 类囊体膜中的电子和质子的转移由四种蛋白质复合物以矢量方式进行（结构见图 9.15B）。水被 PSII 氧化，质子在腔中释放。PSI 通过铁氧还蛋白 (Fd) 和黄素蛋白铁氧还蛋白-NADP+ 还原酶 (FNR) 的作用，将基质中的 NADP+ 还原为
NADPH。质子也是
电化学
复合物，并有助于电化学质子梯度。
然后，这些质子必须扩散到 ATP 合酶中，它们沿着电化学电位梯度扩散，用于在基质中合成 ATP。在细胞色素 b6f
none (PQH2) 和蓝质素的作用下运输到管腔中的还原质体分别将电子转移给细胞色素
b6f 和 PSI。虚线表示电子转移；实心蓝线表示质子运动。
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光合作用：光反应 263
转移到细胞色素 f，然后转移到蓝质素，
最后转移到 PSI。来自 PQH2 的另一个电子通过血红素链，穿过类囊体膜从管腔转移到类囊体膜的基质侧。这种电子转移导致 PQ 的另一个分子从基质中吸收质子并被还原，同时在类囊体膜上产生电场（腔侧正电场）。
● PSI 通过铁氧还蛋白 (Fd) 和黄素蛋白铁氧还蛋白 - NADP+ 还原酶 (FNR) 的作用将基质中的 NADP+ 还原为 NADPH。总的反应导致电子从腔转移到类囊体膜的基质侧。
● 当质子从腔中扩散回基质时，ATP 合酶从 ADP 和无机磷酸盐 (Pi) 合成 ATP。总的反应导致质子从腔转移到类囊体膜的基质侧叶绿素膜。
当激发态叶绿素还原电子受体分子时，能量被捕获。
如第 9.5 节所述，光的作用是激发反应中心的特殊叶绿素，要么通过直接吸收，要么更常见的是通过天线色素的能量转移。这种激发过程可以设想为电子从叶绿素能量最高的填充轨道移动到能量最低的未填充轨道（图 9.20）。较高的轨道具有较高的自由能，电子与叶绿素的结合较松散，如果附近有可以接受电子的分子，电子很容易丢失。
这个过程之所以发生，是因为激发态叶绿素的一个关键特性，它使它能够充当强电子供体（还原剂）和强电子受体（氧化剂）。如图 9.20 所示，基态叶绿素在其一个轨道上有一对电子（用上下箭头表示）。该轨道被两个不同自旋的电子占据，这一事实使该状态非常稳定，因此不容易丢失或获得电子。激发该叶绿素会将两个电子中的一个提升到更高的轨道；在这种状态下，两个轨道仅部分填充，因此不稳定。如果这种激发的叶绿素不能与其他分子反应，它将重新形成基态并以荧光（光）或热量的形式损失多余的能量。但是，如果激发的叶绿素可以与附近的分子相互作用，它可以进行二次光化学反应，因为两个部分填充的轨道是反应性的。其中一个轨道可以很容易地放弃电子，使其成为强还原剂，而另一个轨道可以很容易地
反应中心叶绿素基态和激发态的氧化还原性质
基态
叶绿素
激发态
叶绿素
图 9.20 反应中心叶绿素基态和激发态的轨道占据图。在基态下，分子是弱还原剂（从低能轨道丢失电子）和弱氧化剂（仅接受电子进入高能轨道）。在激发态，情况明显不同，高能轨道上可能会丢失一个电子，使分子成为极强的还原剂。这就是图 9.18 中 P680* 和 P700* 所示的极负激发态氧化还原电位的原因。激发态还可以通过将电子接受到低能轨道而充当强氧化剂，尽管这种途径在反应中心并不重要。（根据 R. E. Blankenship 和 R. C. Prince。1985 年。Trends Biochem. Sci. 10：382–383。）
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接受电子，使其成为强氧化剂，如图 9.20 所示。
在反应中心，第一个光化学反应涉及叶绿素上的激发电子转移到受体分子，形成电荷分离状态，其中还原电子受体带负电荷，叶绿素带正电荷。 （请注意，反应中心的总电荷保持不变；也就是说，电子不是由光“产生”的，而是被重新排列或从一个状态或分子移动到其他状态或分子。）PSI 和 PSII 反应中心具有不同的具体反应，正如我们在本节后面讨论的那样，但它们都涉及一系列类似的电子转移过程。正如我们在第 9.2 节中提到的那样，叶绿素的激发态在几纳秒内衰减，以热量或荧光的形式损失其能量。为了与这种非生产性衰减相抗衡，光合作用的初始步骤必须非常快。换句话说，导致光合作用产物的“正向”速率必须比非生产性衰减快得多。事实上，PSI 和 PSII 中初始电荷分离态的形成速度比激发态的衰减速度快 1000 倍左右，仅需几皮秒（1 皮秒 = 10-12 秒）。如此快速的电子转移反应要求供体和受体分子紧密堆积在一起，并具有优化的能级以实现快速电子转移。这些要求由反应中心的特定结构满足，稍后将进行讨论。从激发叶绿素到电荷分离态会导致一些能量损失，但第一个电荷分离态仍然非常不稳定。电子可以返回反应中心叶绿素并重新形成基态，同时损失所有储存的能量。然而，这种浪费的重组过程似乎并没有在功能性反应中发生任何实质性的程度中心。相反，受体将其多余的电子转移给次级受体，依此类推，沿着电子载体链向下移动。我们将此链称为受体侧电子载体，因为它们从激发的反应中心叶绿素接受电子。同时，氧化的叶绿素可以从附近的电子供体中提取电子，我们将其称为供体侧载体，因为它们最终将电子捐赠给反应中心叶绿素阳离子。供体侧反应产生完全还原的叶绿素，从而阻止电子从受体侧载体返回。每个电子转移步骤（在受体侧和供体侧）都会逐渐稳定反应中心的电荷分离状态，从而防止重组。但是，由于能量守恒，这种稳定会导致能量损失，因此状态越稳定，其包含的能量就越少。
这种权衡部分解释了第 9.3 节中讨论的量子产率和能量转换效率的差异。由于后续的电荷分离状态逐渐变得更加稳定，因此后续的正向反应也可能更慢。这很重要，因为最终由光反应驱动的生化反应比初始光化学反应慢得多，时间范围从毫秒到秒。
两个光系统的反应中心叶绿素吸收不同的波长
正如本章前面所讨论的，PSI 和 PSII 具有不同的吸收特性。例如，反应中心叶绿素的还原态和氧化态具有不同的吸收光谱，可以使用分光光度计测量样品吸收的不同波长的光量（见图 9.5）。在氧化状态下，叶绿素在光谱的红色区域失去其特征性的强光吸收；它们被漂白。因此，可以通过时间分辨光学吸光度测量来监测这些叶绿素的氧化还原状态，其中直接监测这种漂白（参见 WEB 主题 9.1）。使用此类技术，发现 PSI 的反应中心叶绿素在其还原（基态）状态下在 700 nm 处吸收最大。因此，这种叶绿素被命名为 P700（P 代表色素）。PSII 的类似光学瞬变在 680 nm，因此其反应中心叶绿素被称为 P680。紫色光合细菌的反应中心细菌叶绿素也被类似地鉴定为 P870。细菌反应中心的 X 射线结构
（参见 WEB 主题 9.5）清楚地表明 P870 是紧密耦合的细菌叶绿素对或二聚体
而不是单个分子。PSI
（P700）和 PSII
（P680）的主要供体也由叶绿素
a 分子组成，尽管它们可能不充当功能性二聚体。在氧化状态下，反应中心叶绿素
含有一个未配对电子。
PSII 反应中心是多亚基色素-蛋白质复合物
PSII 包含在多亚基蛋白质超复合物中（图 9.21）。在维管植物中，多亚基蛋白质超复合物具有两个完整的反应中心
和一些天线复合物。反应中心的核心由两种膜蛋白（称为 D1 和 D2）以及其他蛋白质组成，如图 9.22 和 WEB TOPIC 9.8 所示。
主要供体叶绿素、其他叶绿素、类胡萝卜素、脱镁叶绿素和质体醌（本节后面描述的两种电子受体）与膜蛋白 D1 和 D2 结合。这些蛋白质与紫色细菌的 L 和 M 肽具有一些序列相似性。其他蛋白质充当天线复合物或参与氧气释放。
有些蛋白质，如细胞色素 b559，没有已知功能，但可能参与 PSII 周围的保护循环。
水被 PSII 氧化为氧气
水的氧化过程遵循以下化学反应：
2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e–
该方程式表明，两个水分子中失去了四个电子，生成一个氧分子和四个氢离子（质子）。（有关氧化还原反应的更多信息，请参阅 WEB 附录 1 和 WEB 主题 9.6。）
水是一种非常稳定的分子。水氧化形成分子氧需要形成一种极强的氧化剂。光合氧气释放复合体 (OEC) 是唯一已知的进行此反应的生化系统，它是地球大气中几乎所有氧气的来源。
许多研究提供了大量有关氧气释放的信息（请参阅 WEB 主题 9.7）。高分辨率晶体结构和广泛的生物物理测量表明，OEC
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光合作用：光反应 265
CP43, CP47
图 9.21 结构电子显微镜测定的维管植物 PSII 的二聚多亚基蛋白超复合物。图中显示两个完整的反应中心，每个中心都是二聚复合物。圆柱体代表蛋白质的螺旋部分。（A）D1 和 D2（红色）以及 CP43 和 CP47（绿色）核心亚基的排列。其他螺旋以白色显示。（B）从超复合物的腔侧看，包括额外的天线复合物、LHCII、CP26 和 CP29，以及外在氧气释放复合物，显示为带有实线和虚线的橙色和黄色椭圆形。（C）复合物的侧视图，说明氧气释放复合物的外在蛋白质的排列。 （根据
J. Barber 等人 1999 年发表的《生物化学趋势》24：43–45。）
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含有一个催化簇，该簇具有四个锰 (Mn) 离子以及 Cl– 和 Ca2+ 离子（参见 WEB 主题 9.7）。
PSII 的 D1 蛋白含有一种特殊的酪氨酸残基，称为 Yz，它充当激发叶绿素 P680 的主要电子供体（见图 9.18），形成自由基氧化酪氨酸残基，进而从 OEC 中提取电子。 PSII 的每次连续激发都会导致 OEC 发生额外的氧化，从而产生一系列渐进的氧化状态 - 称为 S 状态，标记为 S0、S1、S2、S3 和 S4（参见 WEB 主题 9.7）。当 OEC 中积累了四个氧化当量时，它会从两个 H2O 分子中提取四个电子以生成 O2。水的氧化还会将四个质子释放到类囊体腔中（参见图 9.19），这些质子最终通过 ATP 合酶的易位从腔转移到基质（参见第 9.7 节）。 09_Taiz7e-Ch09.indd 265
脱镁叶绿素和两个醌从 PSII 接受电子
脱镁叶绿素是一种叶绿素，其中心镁离子已被两个氢离子取代，在 PSII 中充当早期受体。结构变化使脱镁叶绿素的化学和光谱特性与含镁叶绿素略有不同。脱镁叶绿素将电子传递给靠近铁离子的两个质体醌复合物。这些过程与紫色细菌反应中心的过程非常相似（有关详细信息，请参见图 9.5.B 中关于键的注释令人困惑。我们应该将其他数字添加到深绿色圆柱体吗？
WEB 主题 9.5）。
两种质体醌 PQA 和 PQB 与反应中心结合，并按顺序从脱镁叶绿素接收电子。PQA 每次只能接受一个电子，因此它充当中继器，将电子从脱镁叶绿素传输到 PQB。PQB 的功能更为复杂。在一次 PSII 激发后，PQB
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266 第 9 章
非血红素 Fe
对称轴
A 和 B 源自 K. N. Ferreira 等人。2004 年。科学 303：1831-1838
非血红素 Fe
C 基于 Y. Umena 等人的数据。 2011. Nature 473: 55–60
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图 9.22 蓝藻 Thermosyn
echococcus elongatus 的 PSII 反应中心结构，分辨率为 3.5 Å (0.35
nm)。该结构包括 D1 (黄色) 和 D2
(橙色) 核心反应中心蛋白、CP43
(绿色) 和 CP47 (红色) 天线蛋白、细胞色素 b559 和 c550、外在 33 kDa 氧气释放蛋白 PsbO (深蓝色) 以及色素和其他辅因子。 (A) 平行于膜平面的侧视图。 (B) 从腔面观察，垂直于膜平面。CP43、CP47 和 D1/D2 分别被圈出。(C) 含 Mn 水分解复合物的细节。W1 至 W4 表示结合水分子的位置。O1 至 O5 表示 Mn 簇中的桥接氧原子。Ca 表示结合 Ca2+ 的位置。可以接受一个电子，形成稳定、紧密结合的自由基中间体（质体半醌）（图 9.23）。第二次 PSII 激发导致从类囊体基质侧吸收两个质子，并形成完全还原的质子化质体氢醌 (PQH2)。然后，PQH2 从反应中心复合物中分离出来，进入膜的疏水部分，在那里将电子转移到细胞色素 b6f 复合物。PSII 上的空 QB 位点可以用氧化的 PQ 重新填充，从而重新形成 PQB。与类囊体膜的大型蛋白质复合物不同，PQH2 是一种小的非极性分子，无论是完全氧化 (PQ) 还是完全还原 (PQH2) 形式，它都很容易扩散到膜双层的非极性核心中。这使得 PQ/PQH2 系统可以充当电子和质子的跨膜穿梭机。通过细胞色素 b6f 复合物的电子流也会传输质子细胞色素 b6f 复合物是一种大型多亚基蛋白，具有多个辅基（图 9.24）。该复合物是一种功能性二聚体，含有两个 b 型血红素和一个 c 型血红素（细胞色素 f）。在 c 型细胞色素中，血红素与蛋白质共价连接；在 b 型细胞色素中，化学性质相似的原血红素基团不是共价连接的（参见 WEB 主题 9.8）。此外，该复合物还含有 Rieske 铁硫蛋白（以发现它的科学家命名），其中两个铁离子由两个硫离子桥接。这些辅因子中的大多数的功能作用类似于线粒体细胞色素 bc1 复合物的功能作用，后者在氧化磷酸化中起作用（如第 13 章所述）。然而，细胞色素 b6f 复合物也
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光合作用：光反应 267
质体醌
质体醌
质体半醌
图 9.23 在 PSII 中起作用的质体醌的结构和反应。(A) 质体醌由一个醌类头部和一个将其固定在膜上的长非极性尾巴组成。 (B) 质体醌的氧化还原反应。 图中显示了完全氧化的质体醌 (PQ)、阴离子质体半醌 (PQ•–) 和还原的质体氢醌 (PQH2) 形式；R 代表侧链。
含有额外的辅因子，包括额外的血红素基团（称为血红素cn）、叶绿素和类胡萝卜素，其功能尚未完全解决。
线粒体电子传递链中的细胞色素b6f复合物和相关的细胞色素bc1复合物通过称为Q循环的机制运作，该机制由Peter Mitchell于1975年首次提出，后来由许多其他研究人员修改（图9.25）。在这种机制中，由PSII的光激发（参见上一小节）或其他过程（参见下一段）形成的PQH2与面向类囊体腔侧的称为Qo的位点结合。较小的亚基
细胞色素 b6 蛋白
PQH2 上的一个电子被转移到
Rieske 铁硫中心，然后转移到细胞色素 f、PC，
最后转移到 PSI 的 P700。从 Qo 处结合的 PQH2 中提取一个电子
导致形成
塑性半醌，它具有高反应性并将一个电子传递给附近的 b 型血红素。然后，该电子
通过 b 和
cn 血红素穿过类囊体，转移到第二个结合位点 Qi。请注意，
b 型血红素的还原在图
9.25 中看起来在自由能方面是上坡的，但由后续反应推动。总反应
具有负自由能。
TZ7E 09.23
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Rieske 铁硫蛋白
细胞色素 f 蛋白
图 9.24 蓝藻细胞色素 b6f 复合物的结构。(A) 复合物中蛋白质和辅因子的排列。细胞色素 b6 蛋白显示为蓝色，细胞色素 f 蛋白显示为红色，Rieske 铁硫蛋白显示为黄色，其他较小的亚基显示为绿色和紫色。 (B) 这里省略了蛋白质以更清楚地显示辅因子的位置。与 Q 循环第一部分相关的电子和质子的运动显示在左侧。[2 Fe-2S] 簇，Rieske 铁硫蛋白的一部分； PC，质体蓝素；PQ，质体醌；PQH2，
质体氢醌。（G. Kurisu 等人，2003 年。Science
302：1009–1014 后。）
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4/29/22 10:04 AM
268 第 9 章
(A) 第一个 QH2 氧化
类囊体膜
细胞色素 b6f 复合物
(B) 第二个 QH2 氧化
细胞色素 b6f 复合物
质体蓝素
质体蓝素
图 9.25 细胞色素 b6f 复合物中电子和质子转移的机制。该复合物含有两个 b 型细胞色素 (Cyt b)、一个 c 型细胞色素 (Cyt c，历史上称为细胞色素 f)、一个 Rieske Fe-S 蛋白 (FeSR) 和两个醌氧化还原位点。 (A) 第一个 PQH2 的氧化：由 PSII 作用产生的质体氢醌 (PQH2) 分子（见图 9.23）与复合物腔侧附近的 Qo 位点结合，并在特殊过程中被氧化，其中两个电子中的一个转移到 FeSR，另一个转移到血红素 bL（低电位或强还原性 b 血红素）。在此过程中，PQH2 中的两个质子被释放到腔内。转移到 FeSR 的电子被传递给细胞色素 f (Cyt f)，然后传递给蓝质体素 (PC)，从而还原 PSI 的氧化 P700。还原的 bL 血红素将电子传递给电位更高的 bH 血红素。氧化的 PQH2 称为质体醌 (PQ)，从 Qo 位点释放到类囊体膜中。 (B) 第二个 PQH2 的氧化导致循环过程：第二个 PQH2 在 Qo 位点被氧化，一个电子从 FeSR 传递到 PC，最后传递到 P700。第二个电子经过两个 b 型血红素和细胞色素 ci 血红素。这两个血红素上积累的电子协同作用，在位于膜基质侧附近的 Qi 位点将 PQ 还原为 PQH2，从基质中吸收两个质子。从 Qi 释放到类囊体膜的 PQH2 可以在 Qo 位点被氧化。总体而言，对于从 Qo 位点的 PQH2 传递到 PC 的每个电子，都会有两个质子释放到管腔中。
TZ7E 09.25
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该过程导致一个电子穿过类囊体膜，并释放两个质子到管腔中。 Qo 位点的第二次转换将第二个电子引入细胞色素 b 链，使与 Qi 位点结合的 PQ 还原为 PQH2，并从类囊体膜的基质侧吸收质子。 产生的 PQH2 随后可以扩散到 Qo，在那里被氧化，将质子输送到管腔。 总体而言，Q 循环导致每个从 PQH2 转移到 P700 的电子都有两个质子沉积到管腔中，从而增加了可用于 ATP 合成的质子数量。质体蓝蛋白在细胞色素 b6f 复合物和光系统 I 之间携带电子。 两个光系统位于类囊体膜上的不同位置（见图 9.15），这要求至少一个成分能够沿着膜或在膜内移动，以便将 PSII 产生的电子传递给 PSI。 细胞色素 b6f 复合物均匀分布在膜的基粒和基质区域之间，但其体积较大，不太可能成为光系统之间的电子移动载体。 如前所述，质体醌充当从 PSII 到细胞色素 b6f 复合物的电子移动载体。 然后，电子通过质体蓝蛋白 (PC) 在细胞色素 b6f 复合物和 P700 之间转移，质体蓝蛋白是一种小的（10.5 kDa）、水溶性的含铜蛋白质。这种蛋白质位于腔内（见图 9.25）。在某些绿藻和蓝藻中，有时会发现 c 型细胞色素代替质体蓝蛋白；这两种蛋白质中的哪一种在这些生物体中合成取决于生物体可用的铜量。PSI 反应中心氧化 PC 并还原铁氧还蛋白，后者将电子转移到 NADP+ PSI 反应中心复合物是一个大的多亚基复合物（图 9.26）。与 PSII 不同，PSII 中的天线叶绿素与反应中心相关但存在于单独的色素蛋白上，由大约 100 个叶绿素组成的核心天线是 PSI 反应中心的组成部分。核心天线和 P700 与两种蛋白质 PsaA 和 PsaB 结合，分子量在 66 至 70 kDa 范围内（参见 WEB 主题 9.8）。豌豆中的 PSI 反应中心复合物除了核心结构类似于蓝藻中发现的核心结构外，还包含四个 LHCI 复合物（见图 9.26）。
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光合作用：光反应 269
N. Nelson 和 A. Ben-Shem 之后。2004 年。
Nat. Rev. Mol. Ce l Biol. 5: 971–982
STROMA 铁氧还蛋白
叶绿醌
叶绿素
叶绿素
图 9.26 PSI 的结构。 (A) 维管植物 PSI 反应中心的结构模型。PSI 反应中心的组成部分围绕两个主要核心蛋白质 PsaA 和 PsaB 组织。次要蛋白质 PsaC 至 PsaN 标记为 C 至 N。电子从质体蓝素 (PC) 转移到 P700（见图 9.18 和 9.19），然后转移到叶绿素分子 (A0)、叶绿醌 (A1)、Fe-S 中心 FeSX、FeSA 和 FeSB，最后转移到可溶性铁硫蛋白铁氧还蛋白 (Fd)。(B) 豌豆 PSI 反应中心复合物的结构，分辨率为 4.4 Å (0.44 nm)，包括 LHCI 天线复合物。这是从膜的基质侧观察到的。与不同亚基蛋白相关的叶绿素分子以不同的颜色表示。
仅显示部分蛋白质（主要是螺旋）。
（A 源自 R. Malkin 和 K. Niyogi。2000 年。B. B. Buchanan 等人 [eds.]。2000 年。植物生物化学和分子生物学。
美国植物生理学家协会，马里兰州罗克维尔。）
FeS 簇
叶绿素
TZ7E 09.26
该复合物中的叶绿素分子总数接近 200 个。这些叶绿素中的绝大多数充当天线的一部分，将光能汇聚到反应中心的核心，在那里发生光化学反应。
核心天线色素形成一个碗状结构，围绕着位于复合物中心的电子转移辅因子。在还原形式下，在 PSI 受体区域起作用的电子载体都是非常强的还原剂。这些还原物种
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是非常不稳定，因此很难识别。这些早期受体之一是叶绿素分子，另一种是醌类物质，叶绿醌，也称为维生素 K1。其他电子受体包括一系列三种膜相关铁硫蛋白，也称为 Fe-S 中心：FeSX、FeSA 和 FeSB（见图 9.26）。FeSX 是 P700 结合蛋白的一部分；FeSA 和 FeSB 位于 8 kDa 蛋白质上，该蛋白质是 PSI 反应中心复合物的一部分。电子通过 FeSA 和 FeSB 转移到铁氧还蛋白 (Fd)，这是一种小的、水溶性的铁硫蛋白（见图 9.18 和 9.26）。膜相关黄素蛋白铁氧还蛋白-NADP+还原酶（FNR）氧化还原铁氧还蛋白并将NADP+还原为NADPH，从而完成从水氧化开始的电子流序列。
除了还原NADP+之外，PSI产生的还原铁氧还蛋白在叶绿体中还有其他几种功能，例如提供还原剂以减少亚硝酸盐（见第14章）和调节某些碳固定酶（见第10章）。
一些除草剂阻断光合电子流
在现代农业中，使用除草剂杀死不想要的植物非常普遍。已经开发出许多不同类型的除草剂。一些通过阻断氨基酸、类胡萝卜素或脂质的生物合成或通过破坏细胞分裂起作用。其他除草剂，如二氯苯基二甲基脲 (DCMU，也称为敌草隆) 和百草枯，会阻断光合电子流 (图 9.27)。DCMU 通过竞争通常由 PQB 占据的质体醌结合位点，阻断 PSII 醌受体处的电子流。百草枯从 PSI 的早期受体接受电子，然后与氧气反应形成超氧化物 O2 ·–，这种物质对叶绿体成分非常有害。4/29/22 10:04 AM
270 第 9 章
DCMU (敌草隆)
(3,4-二氯苯基二甲基脲)
(甲基紫精)
图 9.27 两种重要除草剂的化学结构和作用机理。 (A) 3,4-二氯苯基二甲基脲 (DCMU，也称为敌草隆) 和甲基紫精 (百草枯) 的化学结构，这两种除草剂可阻止光合电子流。 (B) 这两种除草剂的作用位点。 DCMU 通过竞争质体醌的结合位点来阻断 PSII 质体醌受体处的电子流。 百草枯通过接受来自 PSI 早期受体的电子起作用。
9.7 叶绿体中的质子运输和 ATP 合成
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在上一节中，我们了解了如何利用捕获的光能将 NADP+ 还原为 NADPH。该电子转移反应序列中的几个步骤还以质子的电化学梯度形式储存能量，进而驱动光合磷酸化，即光依赖性 ATP 合成。这个过程是由 Daniel Arnon 及其同事在 20 世纪 50 年代发现的。在正常细胞条件下，光合磷酸化需要电子流，尽管在某些情况下，电子流和光合磷酸化可以彼此独立发生。没有伴随磷酸化的电子流被称为不耦合的。人们普遍认为，光合磷酸化是通过化学渗透机制起作用的。这种机制最早由 Peter Mitchell 在 20 世纪 60 年代提出。相同的一般机制驱动细菌和线粒体有氧呼吸过程中的磷酸化（见第 13 章），以及许多离子和代谢物跨膜转移（见第 8 章）。化学渗透似乎是所有生命形式中膜过程的统一方面。
在第 8 章中，我们讨论了 ATPases 在细胞质膜化学渗透和离子运输中的作用。质膜 ATPase 使用的 ATP 是通过叶绿体中的光合磷酸化和线粒体中的氧化磷酸化合成的。这里我们关注的是叶绿体中用于制造 ATP 的化学渗透和跨膜质子浓度差异。化学渗透的基本原理是，跨膜离子浓度差异和电势差异是细胞可以利用的自由能来源。根据热力学第二定律（有关详细讨论，请参阅网络附录 1），任何物质或能量的不均匀分布都代表着能量来源。任何分子物种的化学势差异（其浓度在膜的两侧不相同）都提供了这样的能量来源（请参阅第 8 章）。
光合膜和电子传递系统的不对称性质导致能量以两种形式储存。首先，电子通过光系统穿过类囊体膜从腔（水被分裂的地方）流到基质（NADPH 产生的地方）。其次，如前所述，在电子流动过程中，质子从膜的一侧流向另一侧。质子易位的方向使得基质变得更碱性（H+ 离子更少），而腔变得更酸性（H+ 离子更多），这是电子传输的结果（见图 9.19 和 9.25）。André Jagendorf 及其同事进行的一项精妙的实验提供了一些支持光合 ATP 形成化学渗透机制的早期证据（图 9.28）。他们将叶绿体类囊体悬浮在 pH 4 缓冲液中，缓冲液扩散穿过膜，导致类囊体的内部和外部在此酸性 pH 下达到平衡。然后，他们迅速将类囊体转移到 pH 值为 8 的缓冲液中，从而在类囊体膜上产生四个单位的 pH 差，内部相对于外部呈酸性。他们发现，通过这一过程，ADP 和 Pi 形成了大量 ATP，没有光输入或电子传输。这一结果支持了以下段落中描述的化学渗透机制的预测。Mitchell 提出，ATP 合成可用的总能量，他称之为质子动力 (Δp)，是质子化学势和跨膜电势的总和。质子动力从膜外到膜内的这两个分量由以下公式给出：
Δp = ΔE – 59 mV × (pHi – pHo)
其中 ΔE 是跨膜电位，
pHi – pHo (或 ΔpH) 是跨膜的 pH 差。比例常数 (25°C 时) 为
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光合作用：光反应 271
在黑暗中
叶绿体
类囊体
平衡
类囊体
转移
图 9.28 Jagendorf 及其同事进行的实验摘要。将先前保存在 pH 8 下的分离叶绿体类囊体在 pH 4 的酸性介质中平衡。然后将类囊体转移到含有 ADP 和 Pi 的 pH 8 缓冲液中。这种操作产生的质子梯度在没有光的情况下为 ATP 合成提供了驱动力。该实验验证了化学渗透模型的预测，该模型指出跨膜的化学势可以为 ATP 合成提供能量。 （A. T. Jagendorf 著，1967 年，联邦议院，联邦美国实验生物学会，26：1361–1369。）
TZ7E 09.28
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由 W. Frasch 提供
类囊体腔
图 9.29 叶绿体 F0F1-ATP 合酶的结构。
该酶由一个大的多亚基复合物 CF1 组成，
该复合物附着在膜的基质侧上，与称为 CF0 的完整膜部分相连。CF1 由五种不同的多肽组成，化学计量为 α3 β3 γ δ ε。 CF0
可能含有四种不同的多肽，其化学计量为 a b b′ c14。来自腔内的质子由旋转的 c 多肽运输，并在基质侧排出。该结构与线粒体 F0F1-ATP 合酶（见第 8 章和第 13 章）和液泡 V 型 ATP 酶（见第 6 章）的结构非常相似。
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每 pH 单位 59 mV，因此一个 pH 单位的跨膜 pH 差异相当于 59 mV 的膜电位。虽然人们认为线粒体几乎完全以电势的形式储存 Δp，但叶绿体也将部分能量储存为 pH 梯度，这导致类囊体腔相对于基质变得更酸，而基质反过来又在调节光捕获和电子转移方面发挥关键作用，正如我们在第 9.8 节中讨论的那样。ATP 由酶复合物（质量 ~400 kDa）合成，该复合物有多个名称：ATP 合酶、ATP 酶（ATP 水解的逆反应后）和 CF0-CF1。这种酶由两部分组成：一个疏水的膜结合部分称为 CF0，另一个伸出基质的部分称为 CF1（图 9.29）。CF0 似乎形成了一个跨膜通道，质子可以通过该通道。 CF1 由几种肽组成，包括三种 α 和 β 肽，它们交替排列，就像橙子的各个部分一样。虽然催化位点主要位于 β 多肽上，但许多其他肽被认为主要具有调节功能。CF1 是合成 ATP 的复合物的一部分。线粒体 ATP 合酶的分子结构已通过 X 射线晶体学和低温电子显微镜方法确定。尽管叶绿体和线粒体酶之间存在显着差异，但它们具有相同的整体结构和可能几乎相同的催化位点。事实上，电子流与蛋白质耦合的方式有显著的相似性关于叶绿体、线粒体和紫色细菌中的易位（图 9.30）。ATP 合酶机制的另一个值得注意的方面是
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272 第 9 章
(A) 紫色细菌
(B) 叶绿体
(C) 线粒体
脱氢酶
细胞色素
膜间
酶的内部柄和可能大部分 CF0 部分在催化过程中旋转。该酶实际上是一种微小的分子马达（参见 WEB 主题 9.9 和
13.4）。每次酶旋转都会合成三个 ATP 分子。
图 9.30 紫色细菌、叶绿体和线粒体中光合作用和呼吸电子流的相似性。在这三种情况下，电子流与质子易位耦合，产生跨膜质子动力（Δp）。质子动力中的能量随后用于 ATP 合酶合成 ATP。
（A）紫色光合细菌中的反应中心进行循环电子流，在细胞色素 bc1 复合物的作用下产生质子电位。
（B）叶绿体进行非循环电子流，氧化水并还原 NADP+。质子由水的氧化和细胞色素 b6f 复合物对 PQH2 的氧化产生。
（C）线粒体将 NADH 氧化为 NAD+，并将氧气还原为水。质子由 NADH 脱氢酶、细胞色素 bc1 复合物和细胞色素氧化酶泵送。这三个系统中的 ATP 合酶在结构上非常相似。UQH2，泛醇转移到形成的 ATP 的质子的化学计量为 14/3 或 4.69。此参数的测量值通常略低于此值，并且这种差异的原因尚不清楚。
TZ7E 09.30
叶绿体 ATP 合酶 CF0 部分的直接显微镜成像表明，它包含 14 个（或在某些蓝藻中为 15 个）完整膜亚基 c 的拷贝（见图 9.29）。每次复合物旋转时，每个亚基都可以跨膜转移一个质子。这表明
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循环电子流增强了
ATP 的输出以平衡
叶绿体能量预算
第 9.6 节中描述的线性电子流途径产生 ATP 和 NADPH，但固定比率太低，无法支持 CO2 固定和其他需要 ATP 的过程
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光合作用：光反应 273
。因此，在某些条件下，
光反应提供了额外的 ATP 来源。一个
主要来源是称为循环电子流的过程，其中电子从 PSI 的还原侧通过质体氢醌和细胞色素 b6f 复合物流回 P700。这种循环电子流与质子从基质泵送到管腔相耦合，可用于 ATP 合成，无需水氧化或 NADP+ 还原（见图 9.15B）。循环电子流作为某些进行 C4 碳固定的植物束鞘叶绿体中的 ATP 源尤其重要（见第 10 章）。
9.8 光合机制的修复和调节
光合系统面临着特殊的挑战。为了在弱光下正常运作，它们的天线复合物必须足够大，以吸收足够量的光能并将其转化为化学能。然而，在分子水平上，光子中的能量可能是有害的，特别是在不利条件下。过量的光能会导致产生有毒化学物质，如超氧化物、单线态氧和过氧化氢，如果光能不能安全消散，就会造成损害。因此，光合生物含有复杂的调节和修复机制来保护其光合器官。其中一些机制调节天线系统中的能量流动，以避免反应中心过度激发，并确保两个光系统受到同等驱动。虽然这些过程非常有效，但它们并非完全万无一失，有时反应中间体会积聚，导致产生有毒的活性氧。图 9.31 概述了应对这些问题的几个级别的调节和修复系统。第一道防线是通过将过量的激发能淬灭为热量来抑制损伤。第二道防线包括生化系统，它可以清除或解毒已形成的活性氧物质并修复损伤。超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶消耗超氧化物和过氧化氢，而类胡萝卜素和生育酚（维生素 E）可抑制 1O2。
类胡萝卜素可作为光保护剂
除了作为辅助色素的作用外，类胡萝卜素在光保护中也起着至关重要的作用。光合膜很容易被大量能量损坏如果这种能量不能通过光化学储存，色素就会吸收这种能量；这就是为什么需要保护机制。光保护机制可以被认为是一个安全阀，在过剩能量损害生物体之前将其排出。当叶绿素在激发态储存的能量为
过量光子
第一道防线
：
光产物
用于光合作用的光子
Chl 的三重态 (3Chl*)
超氧化物 (O2•_)
单线态氧 (1O2*)
过氧化氢 (H2O2)
羟基自由基 (HO•)
第二道防线
：
清除系统 (例如，
胡萝卜素、
超氧化物歧化酶、
过氧化物酶)
D1 损伤
氧化 D1
修复、从头合成
光抑制
图 9.31 光子捕获调节和光损伤保护与修复的总体情况。
防止光损伤是一个多层次的过程。
第一道防线是通过将过量激发猝灭为热量来抑制损伤。如果这种防御措施不够充分，并且形成了有毒的光产物，则各种清除系统会消除反应性光产物。如果第二道防线也失效，光产物会损害 PSII 的 D1 蛋白。这种损害会导致光抑制。然后，D1 蛋白从 PSII 反应中心切除并降解。新合成的 D1 重新插入 PSII 反应中心以形成功能单元。（根据 K. Asada。1999 年。植物生理学。植物分子生物学 50：601-639。）
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通过激发转移或光化学迅速消散，激发态被称为猝灭。
如果叶绿素的激发态没有通过激发转移或光化学迅速猝灭，它就会与分子氧发生反应，形成一种称为单线态氧 (1O2) 的激发态氧。当光系统内的重组反应产生叶绿素的激发态时，1O2* 的产量甚至更高。这意味着光反应的逆转（激发叶绿素返回其基态）不仅会耗散能量，还会产生有害的副产物。因此，虽然重组只发生在一小部分激发反应中心，但它非常重要，因为它产生的单线态氧会与许多细胞成分发生反应并造成损害，尤其是脂质。另一种活性氧形式是超氧化物 (O2)，当电子在 PSI
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274 第 9 章
反应中心上积累时，可以形成超氧化物。超氧化物可以与其他氧化还原成分相互作用，产生过氧化氢 (H2O2) 和高活性羟基自由基 (HO·)，后者与单线态氧一样，可以损害细胞成分。类胡萝卜素通过快速猝灭叶绿素的激发态发挥其光保护作用。类胡萝卜素的激发态没有足够的能量来形成单线态氧，因此它会衰变回基态，同时以热量的形式损失能量。缺乏类胡萝卜素的突变生物不能在光和分子氧的存在下生存——对于 O2 释放的生物来说，这是一个相当困难的情况光合生物。如果生长培养基中没有氧气，那么在实验室条件下，可以维持缺乏类胡萝卜素的非 O2 释放光合细菌的突变体。
一些叶黄素也参与能量耗散
非光化学猝灭是调节激发能量向反应中心输送的主要过程，可以被认为是一个“音量旋钮”，它根据光强度和其他条件，将流向 PSII 反应中心的激发流调整到可控水平。该过程似乎是大多数藻类和植物中天线系统调节的重要组成部分。
非光化学猝灭是通过不产生稳定光化学产物的过程猝灭叶绿素和其他天线色素的激发态（见图 9.4）。非光化学猝灭的结果是，天线系统中由强光引起的大部分激发都以热量的形式无害地消散，从而防止了可能导致光损伤的反应性中间体的积聚。
有几种不同的非光化学猝灭过程，其潜在机制也不同。
其中反应最快的是由类囊体腔的酸化引发的，酸化激活了称为叶黄素的特殊类胡萝卜素的相互转化，并直接调节天线复合物以形成非光化学猝灭状态（图 9.32）。在强光下，紫黄素脱环氧酶将紫黄素薄层通过中间体花药黄素转化为玉米黄素。
（低程度的非光化学猝灭）
高光
（高程度的非光化学猝灭ing)
这种酶位于管腔中，在低 pH 值下被激活。高浓度的质子还直接调节与 PSII 天线相关的蛋白质的性质，在维管植物中称为 PsbS 蛋白。
当光驱动的质子流入量大于它们通过 ATP 合酶的流出量时，管腔可能会在高光照下发生酸化。当下游代谢反应受到抑制时也会发生这种情况，例如在干旱（缺水胁迫）、高温或寒冷胁迫下。这些条件会减慢 ATP 的使用，消耗叶绿体中的 ADP 或无机磷酸盐 (Pi)，即 ATP 合酶的底物，从而减慢质子通过 ATP 合酶从管腔中释放的速度。这样，管腔酸化可以充当中央调节“信号”，以响应光的能量输入和新陈代谢对光能的利用来控制光合作用。 PSII 反应中心很容易受损，并能迅速修复。 另一个似乎是光合作用装置稳定性的主要因素是光抑制，当过量的激发到达 PSII 反应中心导致其失活时就会发生这种情况。 紫黄质 NADP+ + H2O NADPH + H+ + O2 抗坏血酸 + H+ 花药黄质 NADP+ + H2O NADPH + H+ + O2 抗坏血酸 + H+ 玉米黄质 图 9.32 紫黄质、花药黄质和玉米黄质的化学结构。 PSII 的高度猝灭状态与玉米黄质有关，未猝灭状态与紫黄质有关。酶以花药黄质为中间体，将这两种类胡萝卜素相互转化，以响应不断变化的条件，尤其是光强度的变化。玉米黄质的形成使用抗坏血酸作为辅因子，而紫黄质的形成需要 NADPH。DHA，脱氢抗坏血酸。
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光合作用：光反应 275
损伤。光抑制是一组复杂的分子过程，定义为过量光照对光合作用的抑制。正如我们将在第 11 章中详细讨论的那样，光抑制在早期阶段是可逆的。然而，长时间的抑制会导致系统损坏，以至于必须拆卸和修复 PSII 反应中心。这种损伤的主要目标是构成 PSII 反应中心复合物一部分的 D1 蛋白（见图 9.21）。当 D1 因过量光照而受损时，必须将其从膜上移除并用新合成的分子替换。PSII 反应中心的其他成分不会因过度激发而受损，被认为是可回收的，因此 D1 蛋白是唯一需要合成的成分（见图 9.31）。PSI 在某些条件下也容易受到活性氧物质的损伤，例如当植物在低温下暴露于强光时。PSI 的铁氧还蛋白受体是一种非常强的还原剂，可以很容易地还原分子氧形成超氧化剂。这种还原作用与正常的电子传导竞争，导致 NADP+ 的还原和其它过程。超氧化物是一系列活性氧物质之一，对生物膜有极大的破坏性，但当以这种方式形成时，它可以通过一系列酶的作用消除，包括超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶。
类囊体堆积允许光系统之间的能量分配
维管植物的光合作用由两个具有不同光吸收特性的光系统驱动，这一事实带来了一个特殊的问题。如果向 PSI 和 PSII 输送能量的速率不精确匹配，并且光合作用速率受到可用光（低光强度）的限制，则电子流的速率将受到接收较少能量的光系统的限制。在最有效的情况下，两个光系统的能量输入是相同的。然而，没有任何一种色素排列能够满足这一要求，因为在一天中的不同时间，光强度和光谱分布往往有利于一个光系统或另一个光系统。这个问题可以通过一种机制来解决，该机制根据不同的条件将能量从一个光系统转移到另一个光系统。类囊体膜含有一种蛋白激酶，它可以磷酸化 LHCII 表面上的特定苏氨酸残基，LHCII 是本章前面描述的膜结合天线色素蛋白之一（见图 9.17）。当 PSI 和 PSII 之间的电子载体之一质体醌在还原状态下积累时，激酶被激活。当 PSII 被激活的频率高于 PSI 时，还原质体醌就会积累。然后，磷酸化的 LHCII 从膜的堆叠区域迁移到非堆叠区域（见图 9.15），这可能是由于与相邻膜上的负电荷发生排斥相互作用。最终结果是en LHCII 未被磷酸化，它向 PSII 传递更多能量，而当它被磷酸化时，它向 PSI 传递更多能量。
9.9 光合系统的遗传学、组装和进化
叶绿体有自己的 DNA、mRNA 和蛋白质合成机制，但大多数叶绿体蛋白质由核基因编码并导入叶绿体（见第 1 章）。在本节中，我们将考虑主要叶绿体成分的遗传学、组装和进化。
叶绿体基因表现出非孟德尔遗传模式
叶绿体和线粒体通过分裂而不是从头合成繁殖。这种繁殖方式并不奇怪，因为这些细胞器含有细胞核中不存在的遗传信息。
在细胞分裂过程中，叶绿体在两个子细胞之间分裂。然而，在大多数有性植物中，只有母本植物为受精卵提供叶绿体。在这些植物中，正常的孟德尔遗传模式不适用于叶绿体编码基因，因为后代只从一个亲本获得叶绿体。结果是非孟德尔遗传，即母系遗传。许多性状以这种方式遗传；一个例子是 WEB 主题 9.10 中讨论的除草剂抗性性状。
大多数叶绿体蛋白质是从细胞质中输入的
叶绿体蛋白质可以由叶绿体或核 DNA 编码。叶绿体编码蛋白质在叶绿体核糖体上合成；核编码蛋白质在细胞质核糖体上合成，然后转运到叶绿体中。
叶绿体功能所需的基因在核基因组和质体基因组之间分布，没有明显的模式，但这两组基因对于叶绿体的生存都是必不可少的。例如，在碳固定中起作用的 Rubisco 酶（见第 10 章）有两种类型的亚基，一种是叶绿体编码的大亚基，另一种是核编码的小亚基，两者都是活性所必需的。Rubisco 的小亚基在细胞质中合成并运输到叶绿体中，酶在那里组装。一些叶绿体基因对于其他叶绿体功能是必需的，例如血红素和脂质合成。编码叶绿体蛋白质的核基因表达的控制是复杂而动态的，涉及由光敏色素和蓝光（见第 16 章）以及其他因素介导的光依赖性调节。
在细胞质中合成的叶绿体蛋白质的运输是一个受到严格调控的过程。
核编码的叶绿体蛋白质（例如 Rubisco 的小亚基）被合成为前体蛋白质，其中包含称为转运肽的 N 端氨基酸序列。该末端序列将前体蛋白质引导至叶绿体，促进其通过外壳和内膜，然后被剪掉。电子载体蓝蛋白是一种水溶性蛋白质，它在细胞核中编码，但它在叶绿体的腔内发挥作用。因此，它必须穿过三个膜才能到达管腔中的目的地。蓝质体的转运肽非常大，在引导蛋白质通过两个连续的易位穿过内膜和类囊体膜时，需要经过不止一个步骤的处理。
叶绿素的生物合成和分解是复杂的途径
叶绿素是复杂的分子，非常适合光吸收、能量转移和电子转移功能，它们在光合作用中发挥这些功能（见图 9.6）。与所有其他生物分子一样，叶绿素是通过生物合成途径制成的，其中简单分子被用作构建块来组装更复杂的分子。生物合成途径中的每个步骤都是酶催化的。
叶绿素生物合成途径由十几个步骤组成（参见 WEB 主题 9.11）。该过程可分为几个阶段（图 9.33），每个阶段都可以单独考虑，但在细胞中，它们高度协调和调节。这种调节是必不可少的，因为游离叶绿素和许多生物合成中间体对细胞成分有害。造成损害的主要原因是叶绿素吸收光能很有效，但在没有伴随蛋白质的情况下，它们缺乏处理能量的途径，结果形成了有毒的单线态氧。衰老叶片中叶绿素的分解途径与生物合成途径完全不同。第一步是通过一种称为叶绿素酶的酶去除叶绿醇尾部，然后通过镁脱螯合酶去除镁离子。接下来，卟啉结构被氧依赖性加氧酶打开，形成开链四吡咯。
四吡咯进一步改性，形成水溶性无色产物。这些无色代谢物随后从衰老的叶绿体中输出并运输到液泡中，在那里储存。叶绿素结合蛋白随后被回收成新的蛋白质，这对植物的氮经济性很重要。
复杂的光合生物是从简单的形式进化而来的
植物和藻类中发现的复杂光合装置是长期进化序列的最终产物。通过分析更简单的原核光合生物，包括不产氧光合细菌和蓝藻，可以了解到很多关于这一进化过程的信息。
叶绿体是一种半自主细胞器，有自己的 DNA 和完整的蛋白质合成装置。构成光合器官的许多蛋白质以及所有叶绿素和脂质都是在叶绿体中合成的。其他蛋白质从细胞质中输入，并由核基因编码。这种奇怪的分工是如何产生的？大多数专家现在都同意，叶绿体是蓝藻和简单的非光合真核细胞之间共生关系的后代。这种关系称为内共生。最初，蓝藻能够独立生存，但随着时间的推移，其正常细胞功能所需的大部分遗传信息丢失了，而合成光合器官所需的大量信息被转移到细胞核中。因此，蓝藻不再能够在宿主之外生存，最终成为细胞不可分割的一部分，称为叶绿体。
在某些类型的藻类中，叶绿体是由真核光合生物的内共生产生的。
在这些生物中，叶绿体被三层（在某些情况下是四层）膜包围，这些膜被认为是早期生物质膜的残余。线粒体也被认为是在叶绿体形成之前更早的单独事件中由内共生起源的。
与光合作用进化有关的其他问题的答案尚不清楚。其中包括最早的光合作用系统的性质、两个光系统如何联系在一起以及氧气释放复合体的进化起源。
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光合作用：光反应 277
谷氨酸
5-氨基乙酰丙酸 (ALA)
叶绿素 a
卟啉原 (PBG)
原卟啉 IX
NADPH，光
原叶绿素
氧化还原酶
还原位点
单乙烯基原叶绿素 a
植醇尾
植醇尾
叶绿素 a
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图 9.33 叶绿素的生物合成途径。该途径始于谷氨酸，谷氨酸转化为 5-氨基乙酰丙酸 (ALA)。两个 ALA 分子缩合形成卟啉原 (PBG)。四个 PBG 分子连接形成原卟啉 IX。然后插入镁离子，然后光依赖性环 E 环的环化、环 D 的还原和叶绿醇尾部的附着完成该过程。该图中省略了过程中的许多步骤。
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278 第 9 章
植物的光合作用捕获光能，用于合成碳水化合物并从二氧化碳和水中产生氧气。储存在碳水化合物中的能量用于为植物的细胞过程提供动力，并可作为所有生命形式的能量资源。 9.1 绿色植物的光合作用
■ 在叶绿体中，叶绿素吸收光能，氧化水，释放氧气，产生 NADPH 和 ATP（类囊体反应）。
■ NADPH 和 ATP 用于还原二氧化碳，形成糖（碳固定反应，第 10 章讨论）。
9.2 一般概念
■ 光既是粒子又是波，以光子的形式传递能量，其中一些被植物吸收和利用（图 9.1-9.3）。
■ 光能叶绿素可能发出荧光或将能量转移到另一个分子以驱动化学反应（图 9.4、9.10）。
■ 所有光合生物都含有具有不同结构和吸光特性的色素混合物（图 9.6、9.7）。
9.3 理解光合作用的关键实验
■ 光合作用的作用光谱显示藻类在某些波长下释放氧气（图 9.8、9.9）。
■ 天线色素-蛋白质复合物收集光能并将其转移到反应中心复合物（图 9.10、9.16）。
■ 光驱动 NADP+ 的还原和 ATP 的形成。释放氧气的生物有两个串联运行的光系统（PSI 和 PSII）（图 9.12)。
9.4 光合系统的组织
■ 在叶绿体中，类囊体膜包含反应中心、光捕获天线复合体和大多数电子载体蛋白。PSI 和 PSII 在类囊体中空间分离（图 9.15）。
9.5 光吸收天线系统的组织
■ 天线系统将能量集中到反应中心（图 9.16）。
■ 两个光系统的光捕获蛋白结构相似（图 9.17）。
9.6 电子传输机制
■ Z 方案说明了电子从 H2O 通过 PSII 和 PSI 中的载体流向 NADP+（图 9.12、9.18）。
■ 三种大型蛋白质复合物传递电子：PSII、细胞色素 b6f 复合物和 PSI（图 9.15、9.19）。
■ PSI 反应中心叶绿素在 700 nm 处最大吸收；PSII 反应中心叶绿素在 680 nm 处最大吸收。
■ PSII 反应中心是多亚基蛋白质色素复合物（图 9.21、9.22）。
■ 氧化水需要锰离子。
■ 两种疏水性质体醌从 PSII 接受电子（图 9.19、9.23）。
■ 当电子穿过细胞色素 b6f 复合物时，质子被运送到类囊体腔中（图 9.19、9.25）。
■ 质体醌和质体蓝素在 PSII 和 PSI 之间携带电子（图 9.25）。
■ NADP+ 被 PSI 反应中心还原，使用 Fe-S 中心和铁氧还蛋白作为电子载体（图 9.26）。
■ 除草剂可能会阻碍光合电子流（图 9.27）。
9.7 叶绿体中的质子运输和 ATP 合成
■ 在体外将 pH 4 平衡的叶绿体类囊体转移到 pH 8 缓冲液中，导致 ADP 和 Pi 形成 ATP，支持化学渗透机制（图 9.28）。
■ 质子沿电化学梯度（质子动力）向下移动，穿过 ATP 合酶并形成 ATP（图 9.29）。
■ 在催化过程中，ATP 合酶的 CF0 部分像微型马达一样旋转。
■ 叶绿体、线粒体和紫色细菌中的质子转运显示出明显的相似性（图 9.30）。
■ 循环电子流通过质子泵送产生 ATP，但不产生 NADPH（图 9.15）。
9.8 光合机制的修复和调节
■ 光损伤的保护和修复包括淬灭和散热、中和有毒光产物和 PSII 的合成修复（图 9.31）。
■ 叶黄素（一类胡萝卜素）参与非光化学淬灭（图 9.32）。
■ 激酶介导的 LHCII 磷酸化导致其迁移到堆叠的类囊体并向 PSI 传递能量。去磷酸化后，LHCII 迁移到未堆叠的类囊体并向 PSII 传递更多能量。
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光合作用：光反应 279
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9.9 遗传学、组装ly，以及光合系统的进化
■ 叶绿体有自己的 DNA、mRNA 和蛋白质合成系统。它们将大多数蛋白质输入叶绿体。这些蛋白质由核基因编码并在叶绿体中合成。
■ 叶绿体表现出非孟德尔或母系遗传模式。
■ 叶绿素生物合成可分为四个阶段（图 9.33）。
■ 叶绿体源自蓝藻和简单的非光合真核细胞之间的共生关系。
网络材料
■网络主题 9.1 分光光度法原理
分光光度法是研究光反应的关键技术。
■WEB 主题 9.2 叶绿素和其他光合色素的分布 叶绿素和其他光合色素的含量在植物界中各不相同。
■WEB 主题 9.3 量子产率 量子产率衡量光如何有效地驱动光生物过程。
■WEB 主题 9.4 光对细胞色素氧化的拮抗作用 在一些巧妙的实验中发现了光系统 I 和 II。
■WEB 主题 9.5 两种细菌反应中心的结构 X 射线衍射研究解析了 PSII 反应中心的原子结构。
■WEB 主题 9.6 中点电位和氧化还原反应 中点电位的测量对于分析通过 PSII 的电子流很有用。
■WEB 主题 9.7 氧气释放 S 状态机制是 PSII 中水分解的模型。
■WEB 主题 9.8 光系统 I PSI 是一种多亚基色素蛋白超复合物。
■WEB 主题 9.9 ATP 合酶 ATP 合酶起分子马达的作用。
■WEB 主题 9.10 某些除草剂的作用方式 某些除草剂通过阻断光合电子流杀死植物。
■WEB 主题 9.11 叶绿素生物合成 叶绿素和血红素在其生物合成途径的早期步骤中是相同的。
■WEB 论文 9.1 叶绿体结构的新观点 基质层扩展了叶绿体的范围。