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1、第二節(jié) 二氧化碳固定 1945年美國的 Calvin M等人利用單細(xì)胞小球藻作 為實驗材料，應(yīng)用 14C示蹤技術(shù)和雙向紙層析法，經(jīng) 過十年的研究揭示了光合作用暗反應(yīng)階段碳素同化及 受體再生的循環(huán)途徑，因此稱為卡爾文循環(huán)（ Calvin Benson cycle）。 由于途徑中的最初產(chǎn)物是三碳化合物（ 3-磷酸甘 油酸），故也稱作 C3途徑。 10.1.3 卡爾文循環(huán)（ C3途徑） 10.1.3.1 CO2的固定 整個循環(huán)可分為三個階段： (1) CO2固定
2、 CO2的固定 （ CO2 fixation） ， 即游離的 CO2經(jīng) 酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物分子中的羧基 ,也稱作 CO2的 羧化 （ carboxylation） 。 CO2的受體是核酮糖 -1,5-二磷酸 （ ribulose-1,5- bisphosphate， RuBP） ， 催化此反應(yīng)的酶是核酮糖 - 1 , 5 - 二 磷 酸 羧 化 酶 / 加 氧 酶 （ ribulose-1, 5- bisphosphate carboxylase / oxygenase， Rubisco） 。 10.1.3.1 CO2的固定
3、 整個循環(huán)可分為三個階段： (1) CO2固定 上述反應(yīng)在夜間或黑暗條件下受阻 CO2的固定反應(yīng)是卡爾 文循環(huán)的限速步驟 。 其關(guān)鍵 酶 Rubisco是個雙功能的 酶 。 它的活性中心有兩種功 能：既可以催化上述羧化反 應(yīng) ， 又可以催化加氧反應(yīng) （ 在光呼吸中 ） 。 該酶位于葉 綠體基質(zhì)中 ， 約占葉子可溶 性蛋白的 50%， 是植物中含 量最豐富的酶 。 10.1.3.1 CO2的固定
4、 Rubisco活性中心受 CO2和 Mg2+以及 ATP的活化 。 酶的最適 pH8。 已知底物 RuBP與 Rubisco結(jié)合較 牢 ， 反而降低了羧化反應(yīng)的速度 ， 在 Rubisco激活酶 （ Rubisco activase） 的調(diào)節(jié)下 ， 可以促進(jìn) RuBP的 釋放 ， 活化了 Rubisco。 活化過程 中 Rubisco激活酶 需要 ATP， 因 ATP來自于光反應(yīng) ， 所以光是 Rubisco 的間接激活劑 。 這一階段包括兩步反應(yīng)： （ 1） 在磷酸甘油酸激酶 催化下 ， 發(fā)生高能鍵的轉(zhuǎn)移 ， 產(chǎn)生 1， 3-二
5、磷酸甘油酸 （ BPG） ； （ 2） 在磷酸甘油醛脫氫酶的催化下 ， 還原 產(chǎn)生 3-磷酸甘油醛 （ G3P） 。 第二步酶是光調(diào)節(jié)酶 。 反應(yīng)中消耗的 ATP和 NADPH來自于前面介紹的光合作 用光反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)能和還原力 。 10.1.3.2 羧化產(chǎn)物的還原 在磷酸丙糖異構(gòu)酶的催化下 ， 3-磷酸甘油醛 （ G3P ） 異構(gòu)為磷酸二羥丙酮 （ DHAP） ； 接著在醛縮酶的催 化下 ， 縮合成果糖 -1, 6-二磷酸 （ FBP） ； 然后在光調(diào) 節(jié)酶：果糖 - 1 , 6 - 二磷酸酶 （ fructose -1,6- bisphosphatase, FBPase）
6、的催化下 ， 水解去掉一個磷 酸基團(tuán) ， 變?yōu)楣?-6-磷酸 （ F6P） ； 再經(jīng)磷酸葡萄糖異 構(gòu)酶催化 ， 就變?yōu)槠咸?-6-磷酸 （ G6P） 10.1.3.3 受體的再生 10.1.3.3 受體的再生 磷酸丙糖是代謝中的一個轉(zhuǎn)折點 ， 除了參與卡爾 文循環(huán)中的反應(yīng)外 ， 還有其它去路： 轉(zhuǎn)化為淀粉 ， 作為植物貯存形式備用； 外運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中先形成蔗 糖 ， 再轉(zhuǎn)移到植物生長的區(qū)域； 在發(fā)育的葉片中 ， 相當(dāng)一部分磷酸丙糖轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì) ， 進(jìn)入糖酵解 、 TCA 循環(huán)等途徑為生物供能 。 10.1.3.3 受體的再生 10.1.3.3 受體的再生
7、 醛縮酶還可將上述反應(yīng)產(chǎn)生的 4-磷酸赤蘚糖與磷酸 二羥丙酮縮合 ， 形成七碳糖：景天庚酮糖 -1, 7-二磷酸 （ SBP） 。 在景天庚酮糖二磷酸酶 （ sedoheptulose bisphosphatase， SBPase） 的作用下 ， SBP被水解 ， 去 除一個磷?；?， 成為景天庚酮糖 -7-磷酸 （ S7P） 。 此水 解酶是光調(diào)節(jié)酶 ， 也是植物中特有的酶 10.1.3.3 受體的再生 10.1.3.3 受體的再生 10.1.3.3 受體的再生 轉(zhuǎn)羥乙醛酶還可以催化酮糖供體 “ 景天庚酮糖 -7- 磷酸 ” 將羥乙醛基轉(zhuǎn)移給醛糖受體 “ 3-磷酸甘
8、油醛 ” ， 產(chǎn)生 5-磷酸核糖 （ R5P） 和 5-磷酸木酮糖 （ Xu5P） 。 10.1.3.3 受體的再生 再經(jīng)兩種異構(gòu)酶催化 ， 可發(fā)生五碳糖的轉(zhuǎn)變 ， 其 共同的目標(biāo)是形成 5-磷酸核酮糖 （ Ru5P） 。 Xu5P經(jīng) 磷酸核酮糖差向異構(gòu)酶催化 ， C3上羥基位置的改變 ， 就可以變成 Ru5P 。 10.1.3.3 受體的再生 R5P經(jīng)磷酸核糖異構(gòu)酶催化 ， 醛糖就可以變成酮 糖 Ru5P 10.1.3.3 受體的再生 最后在磷酸核酮糖激酶 （ phosphoribulose kinase） 催化下 , 消耗 1ATP, 產(chǎn)生 1, 5-二
9、磷酸核酮糖 （ RuBP） ， 完成了受體的再生 。 Rubisco*； 磷酸甘油酸激酶； 磷酸甘油醛脫氫酶 *； 磷酸丙糖異構(gòu)酶； 醛縮酶； FBPase*； 磷酸葡糖異構(gòu)酶； 磷酸葡糖酶； 轉(zhuǎn)羥乙醛酶； 醛縮酶； SBPase*； 轉(zhuǎn)羥乙醛酶； 磷酸核酮糖差向異構(gòu) 酶； 磷酸核糖異構(gòu)酶； 磷酸核酮糖激酶 * 10.1.3.3 受體的再生 總反應(yīng)式 6CO 2+ 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12HO2 CHO6126 +
10、 18ADP +18Pi + 12NADP+ 光合作用的卡爾文循環(huán)中，每同化一分子 CO2， 需要消耗三分子 ATP和二分子的 NADPH。 CO 2+ 3ATP + 2NADPH + 2H+ + 2HO2（） CHO+ 23ADP +3Pi + 2NADP+ 或 在這樣的弱堿性條件下， Rubisco， 磷酸甘油醛 脫氫酶， FBPase， SBPase， 磷酸核酮糖激酶這些卡 爾文循環(huán)關(guān)鍵酶均有激活作用 10.1.3.4 卡爾文循環(huán)調(diào)節(jié) （ C3途徑） C4途徑 是一種在光合作用中與卡爾文循環(huán)有一 定聯(lián)系的輔助途徑。該途徑的作用是固定、濃縮和轉(zhuǎn)
11、運(yùn) CO2到 C3途徑所在的維管束鞘細(xì)胞中，使其中的 CO2濃度升高，提高其光合作用速率。因 CO2固定最 初產(chǎn)物是四碳二羧酸，固稱為 C4途徑。通過 C4途徑 固定、同化 CO2的植物，簡稱為 C4植物，如玉米、甘 蔗、高粱、莧菜、狼尾草、黍等。 10.1.4 C4 途徑 C3植物與 C4植物光合作用的差異在于暗反應(yīng)階 段： C3植物的 CO2固定及碳素同化途徑均在葉肉細(xì)胞 的葉綠體中進(jìn)行 。 C4植物的 CO2固定先在靠近葉表面 的葉肉細(xì)胞中進(jìn)行 ， 然后經(jīng) C4途徑的四碳二羧酸的 轉(zhuǎn)移 ， 把 CO2運(yùn)輸?shù)饺~片內(nèi)部維管束鞘細(xì)胞的葉綠體 中 ， 再進(jìn)行卡爾文循環(huán) 。 可見 C4
12、植物碳同化過程應(yīng) 包括 C4途徑和 C3途徑 。 10.1.4.1 C4途徑與 C3途徑的關(guān)系 10.1.4.1 C4途徑與 C3途徑的關(guān)系 C4途徑將 CO2和 Rubisco 從氧含量較高的葉片表 面轉(zhuǎn)移到氧濃度較低的內(nèi)部維管束鞘細(xì)胞之中 ， 再進(jìn) 行 CO2的固定反應(yīng) 。 其轉(zhuǎn)移的目的是避免 Rubisco 發(fā) 生另一種浪費(fèi)資源的加氧反應(yīng) 。 熱帶禾本科植物采用 C4 途徑的原因之一是克服了高溫條件下 CO2 和 Rubisco的親和力的下降 。 10.1.4.1 C4途徑與 C3途徑的關(guān)系 C4途徑 CO2的最初受體是一種三碳化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 （
13、PEP） ， 在 PEP羧化酶催化下 ， 固定 CO2， 生成草酰乙酸 （ OAA） 10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應(yīng) CH 2 || CO P | CO O H PE P + +H O 2 CO 2 PE P羧化酶 CO O H | CH 2 | C=O + H P O 34 | CO O H OAA 這個反應(yīng)在葉肉細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。 PEP羧化酶對 CO2的親和力很強(qiáng)，其 Km7 mol/L， 而此時的 Rubisco的 Km450 mol/L。 PEP羧化酶從高 O2低 CO2的葉肉中固定 CO2， 為 CO2的轉(zhuǎn)移、同化奠定了基礎(chǔ)。 PEP羧化酶是
14、一種調(diào) 節(jié)酶，被 CO2固定的反應(yīng)產(chǎn)物 OAA所抑制，受 EMP途 徑中的葡萄糖 -6-磷酸（ G6P） 的活化。該酶遇到光也 活化，視作光合作用的酶。 10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應(yīng) 在葉肉細(xì)胞的葉綠體中，經(jīng) NADP-蘋果酸脫氫 酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果酸。 10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應(yīng) CO O H | C = O | CH | CO O H 2 草酰乙酸 NADP 蘋果酸脫氫酶 CO O H | HHCO | C H2 | CO O H 蘋果酸 N A D P + N A D P + HH + 在葉肉細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，由谷草轉(zhuǎn)
15、氨酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)樘?冬氨酸 10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應(yīng) 上述蘋果酸或天冬氨酸均能夠從葉肉細(xì)胞轉(zhuǎn)移到 維管束鞘細(xì)胞中。這些四碳二羧酸起著 CO2攜帶體的 作用。 在維管束鞘細(xì)胞中 ， 它們發(fā)生脫羧反應(yīng) ， 放出 CO2， 以利于 CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán) ， 再參與糖的合成 。 脫羧反應(yīng)因植物不同；也相應(yīng)有差異 ， 主要有三種 形式： 10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應(yīng) 在維管束鞘細(xì)胞的葉綠體中 ， 經(jīng) NADP-蘋果酸 酶催化 ， 氧化脫羧變?yōu)楸?。 屬于這類的植物是玉 米 、 甘蔗 、 高粱等 。 10.1.4.2 C4途徑中
16、主要的酶促反應(yīng) C O O H | CO | C H | H 2 HH C O O NADP -蘋果酸酶 N A D P N A D P + + HH + C O O H | C = O + | CH 3 CO 2 蘋果酸 丙酮酸 在維管束鞘線粒體中 ， 經(jīng) NAD-蘋果酸酶作用 ， 氧化脫羧 ， 形成丙酮酸 。 10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應(yīng) CO O H | C= O + | CH 3 CO 2 CO O H | CO | CH | H 2 HH CO O 蘋果酸 丙酮酸 NAD- 蘋果酸酶 N A D N A D +
17、 + HH + 脫羧后 ， 形成的丙酮酸先經(jīng)轉(zhuǎn)氨酶作用變?yōu)?丙氨 酸 ， 從維管束鞘細(xì)胞轉(zhuǎn)移到葉肉細(xì)胞的葉綠體中 ， 再 經(jīng)轉(zhuǎn)氨酶作用又轉(zhuǎn)變回 丙酮酸 ， 然后通過 丙酮酸磷酸 雙激酶 （ pyruvate phosphate dikinase） 的催化才轉(zhuǎn) 變成 PEP， 完成 C4途徑受體的再生 。 10.1.4.2 C4途徑中主要的酶促反應(yīng) CO OH | CO P + + AMP PPi || CH 2 丙酮酸磷酸雙激酶 CO OH | C=O + + | CH 3 ATP Pi 丙酮酸 PE P 葡萄糖異生作用 （ gluconeogenesis） 是指以非糖 有機(jī)
18、物作為前體合成為葡萄糖的過程 。 這是植物 、 動 物體內(nèi)一種重要的單糖合成途徑 。 非糖物質(zhì)包括乳酸 、 丙酮酸 、 甘油 、 草酰乙酸 、 乙酰 CoA以及生糖氨基 酸 （ 如丙氨酸 ） 等 。 植物果實成熟期間 ， 有機(jī)酸含量下降 ， 糖份含量 增加 ， 就是葡糖異生作用的結(jié)果 。 動物機(jī)體內(nèi)葡萄糖 異生作用是必不可少的 。 它對維持血糖濃度的恒定 ， 為大腦 、 肌肉 、 眼晶狀體 、 中樞神經(jīng)系統(tǒng)等組織利用 葡糖分解供能提供了保障 。 10. 2 糖異生作用 葡萄糖異生途徑幾乎是 EMP途徑的逆轉(zhuǎn) ， 但要 繞過 EMP途徑三處不可逆反應(yīng) ， 采用葡萄糖異生作 用特有的
19、酶催化 、 轉(zhuǎn)移 ， 才能完成非糖有機(jī)物合成為 葡萄糖的過程 。 葡萄糖異生途徑三處迂回路徑是 : 10.2.1 葡萄糖異生途徑 (1) 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸 10.2.1 葡萄糖異生途徑 (2) 果糖 1, 6 -二磷酸 果糖 - 6-磷酸 10.2.1 葡萄糖異生途徑 O H OPOH C2 3 2 HO HO OH CH O2 H O H OPOH C2 3 2 HO HO OH CH O2 POH 32 FBPas e HO2 Pi FBP F6 P H H H H H H (3) 葡萄糖 -6-磷酸 葡萄糖 10.2.1 葡萄糖異生途徑 O OH
20、 OH HO OH HOC H 2 O OH OH HO OH HOP 23 OC H 2 HO 2 Pi G6Pase G6P G H H H HH H H H H H 10.3.1 糖核苷酸的作用 10. 3 蔗糖和多糖的生物合成 在高等植物 、 動物體內(nèi) ， 游離的單糖不能參與雙 糖和多糖的合成反應(yīng) ， 延長反應(yīng)中提供的單糖基必須 是活化的糖供體 ， 這種活化的糖是一類糖核苷酸 ， 即 糖與核苷酸結(jié)合的化合物 。 糖核苷酸的作用是作為雙 糖或多糖 ， 甚至是糖蛋白等復(fù)合糖合成過程中參與延 長單糖基的活化形式或供體 。 最早發(fā)現(xiàn)的糖核苷酸是 尿苷二磷酸葡萄糖 （ uridine
21、 diphosphate glucose, UDPG） 10. 3 蔗糖和多糖的生物合成 O OH OH HO HOC H 2 H O O || || O P O P O C H 2 | | O - O - O HN N O O OHOH H H H H H HH UDPG結(jié)構(gòu)式 10. 3 蔗糖和多糖的生物合成 UDPG 合成 反應(yīng) 10. 3.2 蔗糖的生物合成 該途徑存在于光合組織的細(xì)胞質(zhì)中 。 被認(rèn)為是植 物合成蔗糖的主要途徑 。 磷酸蔗糖合酶 （ sucrose phosphate synthase） 屬于轉(zhuǎn)移酶類 。 它利用 UDPG 作為葡萄糖的供
22、體 ， 以 F6P為葡萄糖的受體 ， 反應(yīng)產(chǎn) 物是蔗糖 -6-磷酸；再通過磷酸蔗糖酶水解 ， 脫去磷 酸基團(tuán)而生成蔗糖 。 (1) 磷酸蔗糖合酶途徑 (1) 磷酸蔗糖合酶途徑 10. 3.2 蔗糖的生物合成 在非光合組織中蔗糖合酶 （ sucrose synthase） 活性 較高 。 蔗糖合酶也屬于轉(zhuǎn)移酶類 ， 可催化糖基轉(zhuǎn)移 。 (2) 蔗糖合酶途徑 ADP UDP +果糖 蔗糖合酶 蔗糖 + ADPG UDPG （葡糖供體） （葡糖受體） 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 淀粉合酶 （ starch synthase） 10.3.3.1 直鏈淀粉的生物合成 A
23、DPG + Gn（引物） 淀粉合酶 Gn+1（直鏈淀粉） + ADP 式中； 引物的 n3； 活化的葡糖基從引物的非還 原端延長； 淀粉合酶催化連接的鍵是 -1， 4糖苷鍵 。 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 D酶 10.3.3.1 直鏈淀粉的生物合成 麥芽五糖 （給體） 葡萄糖 （受體） 麥芽三糖 （給體） 麥芽三糖 （受體） ++ D酶 D酶是一種糖苷基轉(zhuǎn)移酶 ， 作用的鍵是 -1， 4糖苷鍵；轉(zhuǎn) 移的基團(tuán)主要是麥芽糖殘基；催化的底物可以是葡萄糖 、 麥 芽多糖；起著加成反應(yīng)作用 。 故有人稱之為加成酶 。 D酶的存 在 ， 有利于葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)辂溠慷嗵?
24、， 為直鏈淀粉延長反應(yīng)提 供了必要的引物 。 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 蔗糖轉(zhuǎn)化為淀粉 10.3.3.1 直鏈淀粉的生物合成 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 蔗糖轉(zhuǎn)化為淀粉 10.3.3.1 直鏈淀粉的生物合成 10. 3.3 淀粉和糖原 的生物合成 支鏈淀粉分支點 -1, 6糖苷鍵的形成需要淀粉分支酶又稱 Q酶 （ Q enzyme） 作用 ， 將直鏈淀粉的一部分拆下來 ， 裝配 成側(cè)鏈 。 Q酶具有雙重功能：既能催化直鏈淀粉的 -1, 4糖苷 鍵的斷裂 ， 又能催化 -1, 6糖苷鍵的連接 ， 形成支鏈淀粉 。 10.3.3.2 支鏈淀粉的生物合成 支鏈淀粉的生物合成
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