光合作用基础知识讲座系列四：电子传递和光合磷酸化

原初反应使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递。电子传递的结果，一方面引起水的裂解放氧以及NADP+的还原；另一方面建立了跨膜的质子动力势，启动了光合磷酸化，形成ATP。这样就把电能转化为活跃的化学能。

一、电子和质子的传递

（一）光合链(photosynthetic chain)

所谓光合链是指定位在光合膜上的，由多个电子传递体组成的电子传递的总轨道。现在较为公认的是由希尔(1960)等人提出并经后人修正与补充的“Z”方案(“Z” scheme)，即电子传递是在两个光系统串联配合下完成的，电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈侧写的“Z”形。

叶绿体中的电子传递模式可以看出：(1)电子传递链主要由光合膜上的PSⅡ、Cyt b6/f、PSⅠ三个复合体串联组成。(2)电子传递有二处是逆电势梯度，即P680至P68undefined，P700至P70undefined，这种逆电势梯度的“上坡”电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动，而其余电子传递都是顺电势梯度进行的。(3)水的氧化与PSⅡ电子传递有关，NADP+的还原与PSⅠ电子传递有关。电子最终供体为水，水氧化时，向PSⅡ传交4个电子，使2H2O产生1个O2和4个H+。电子的最终受体为NADP+。(4)PQ是双电子双H+传递体，它伴随电子传递，把H+从类囊体膜外带至膜内，连同水分解产生的H+一起建立类囊体内外的H+电化学势差，并以此而推动ATP生成。

(二)光合电子传递体的组成与功能

以下按“Z”图式中电子传递的顺序介绍几种电子传递体的性质与功能。

1.PSⅡ复合体 PSⅡ的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中的电子传至质体醌。

(1)PSⅡ复合体的组成与反应中心中的电子传递 PSⅡ是含有多亚基的蛋白复合体。它由聚光色素复合体Ⅱ、中心天线、反应中心、放氧复合体、细胞色素和多种辅助因子组成。PSⅡ的聚光色素复合体(PSⅡ light harvesting pigment complex，LHCⅡ)，因离反应中心远而称“远侧天线”。LHCⅡ除具有吸收、传递光能的作用外，还具有耗散过多激发能，保护光合器免受强光破坏的作用。另外，LHCⅡ磷酸化后，可在类囊体膜上移动，从堆叠的基粒(富含PSⅡ)区域横向移动至非堆叠的基质(富含PSⅠ)区域，并成为PSⅠ的聚光色素系统，扩大了PSⅠ的捕光面积，协调两个光系统之间的能量分配。这就是所谓的“天线移动”。

组成中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47 000、43 000并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比LHCⅡ更快地把吸收的光能传至PSⅡ反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线”。

PSⅡ反应中心的核心部分是分子量分别为32 000和34 000的D1和D2两条多肽。反应中心的次级电子供体YZ、中心色素P680、原初电子受体Pheo、次级电子受体QA、QB等都结合在D1和D2上。 其中与D1结合的质体醌定名为QB，与D2结合的质体醌定名为QA。这里的Q有双重涵义，既是醌(quinone)的字首，又是荧光猝灭剂(quencher)的字首。QA是单电子体传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌(semiquinone)，它的电子再传递至QB，QB是双电子传递体，QB可两次从QA接受电子以及从周围介质中接受2个H+而还原成氢醌(hydroquinone)QH2。这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换，生成PQH2。

放氧复合体(oxygen-evolving complex，OEC)又称M，在PSⅡ靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。

(2)水的氧化与放氧 水的氧化反应是生物界中植物光合作用特有的反应，也是光合作用中最重要的反应之一。前已提到每释放1个O2需要从2个H2O中移去 4 个 e-，同时形成 4 个 H+。

20世纪60年代，法国的乔利尔特(P. Joliot)发明了能灵敏测定微量氧变化的极谱电极，用它测定小球藻的光合放氧反应。他们将小球藻预先保持在暗中，然后给以一系列的瞬间闪光照射(如每次闪光5～10μs，间隔300ms)。发现闪光后氧的产量是不均量的，是以4为周期呈现振荡，即第一次闪光后没有O2的释放，第二次释放少量O2，第三次O2的释放达到高峰，每4次闪光出现1次放氧峰。用高等植物叶绿体实验得到同样的结果。

科克(B.Kok，1970)等人根据这一事实提出了关于H2O裂解放氧的“四量子机理假说”：①PSⅡ的反应中心与H2O之间存在一个正电荷的贮存处(S) ②每次闪光，S交给PSⅡ反应中心1个e-；③当S失去4e-带有4个正电荷时能裂解2个H2O释放1个O2，图中S即为M，按照氧化程度(即带正电荷的多少)从低到高的顺序，将不同状态的M分别称为S0、S1、S2、S3和S4。即S0不带电荷，S1带 1 个正电荷，……S4带 4 个正电荷。每一次闪光将状态 S 向前推进一步，直至S4。然后S4从 2 个H2O中获取 4 个e-，并回到S0。此模型被称为水氧化钟(water oxidizing clock)或Kok钟(Kok clock)。这个模型还认为，S0和S1是稳定状态，S2和S3在暗中退回到S1，S4不稳定。这样在叶绿体暗适应过程后，有3/4的M处于S1，1/4处于S0。因此最大的放O2量在第三次闪光时出现。

S的各种状态很可能代表了含锰蛋白的不同氧化态。每个M含有4个Mn，Mn可以有M2+、Mn3+和Mn4+的各种不同氧化态。而所有4个Mn对O2的释放都是必需的。

原Kok钟模型没有指出 H+的释放部位与机理。后人的闪光实验表明，当S变化时，H+ 的释放数是1、0、1、2，即2个H2O中的4H+分别在S0→S1，S2→S3，S3→S4转变时释放。水中的O2被释放，而H+进入类囊体腔中，提高了类囊体腔中的H+浓度。

2.质醌

质醌也叫质体醌，是PSⅡ反应中心的末端电子受体，也是介于PSⅡ复合体与Cyt b6/f复合体间的电子传递体。质体醌为脂溶性分子，能在类囊体膜中自由移动，转运电子与质子。质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数的5%～10%，故有“PQ库”之称。

PQ库作为电子、质子的缓冲库，能均衡两个光系统间的电子传递(如当一个光系统受损时，使另一光系统的电子传递仍能进行)，可使多个PSⅡ复合体与多个Cyt b6/f 复合体发生联系，使得类囊体膜上的电子传递成网络式地进行。另一方面，质体醌是双电子、双质子传递体，氧化态的质体醌可在膜的外侧接收由PSⅡ(也可是PSⅠ)传来的电子，同时与H+结合；还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给Cyt b6/f ，氧化时把H+释放至膜腔。这对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。

3.Cyt b6/f 复合体 Cyt b6/f 复合体作为连接PSⅡ与PSⅠ两个光系统的中间电子载体系统，含有Cyt f、Cyt b6(2个，为电子传递循环剂)和Rieske铁-硫蛋白(又称〔Fe-S〕R，是由Rieske发现的非血红素的Fe蛋白质)，主要催化PQH2的氧化和PC的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此Cyt b6/f 复合体又称PQH2·PC氧还酶。

PQH2+2PC(Cu2+) PQ + 2PC(Cu+) + 2H+ (4-20)

4.质蓝素 质蓝素(plastocyanin，PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cyt b6/f复合体与PSⅠ之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。

高等植物PSⅠ复合体存在类囊体非堆叠的部分，PSⅡ复合体存在堆叠部分，而Cyt b6/f 比较均匀地分布在膜中，因而推测PC通过在类囊体腔内扩散移动来传递电子。

5.PSⅠ复合体 PSⅠ的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的还原剂，用于还原NADP+，实现PC到NADP+的电子传递。

高等植物的PSⅠ由反应中心和LHCⅠ等组成。反应中心内含有11～12个多肽，其中在1a和1b两个多肽上结合着P700及A0、A1、FX、FA、FB等电子传递体。FX、FA、FB是PSⅠ中3个铁硫蛋白，都具有4铁-4硫中心结构，其中4个硫与蛋白质的4个半胱氨酸残基连接，它们主要依4铁-4硫中心中的铁离子的氧化还原来传递电子。高等植物每一个PSⅠ复合体中含有两个LHCⅠ(light harvesting pigment complex Ⅰ)，LHCⅠ吸收的光能能传给PSⅠ的反应中心。