光合作用基础知识讲座系列五：碳同化

植物利用光反应中形成的NADPH和ATP将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程，称为CO2同化(CO2 assimilation)或碳同化。根据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类：C3途径(C3 pathway)、C4途径(C4 pathway)和CAM(景天科酸代谢，Crassulacean acid metabolism)途径。

一、C3途径

糖和淀粉等碳水化合物是光合作用的产物，这在100多年前就知道了，但其中的反应步骤和中间产物用一般的化学方法是难以测定的。因为植物体内原本就有很多种含碳化合物，无法辨认哪些是光合作用当时制造的，哪些是原来就有的。况且光合中间产物量很少，转化极快，难以捕捉。1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术：(1)14C同位素标记与测定技术(可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的)；(2)双向纸层析技术(能把光合产物分开)。选用小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。

经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从CO2到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环或卡尔文本森循环。由于这条途径中CO2固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也叫做C3途径或C3光合碳还原循环(C3 photosynthetic carbon reduction cycle, C3PCR循环)，并把只具有C3途径的植物称为C3植物(C3 plant)。此项研究的主持人卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。

（一）C3途径的反应过程

C3途径是光合碳代谢中最基本的循环，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途径。

1.过程 由RuBP开始至RuBP再生结束，共有14步反应，均在叶绿体的基质中进行。全过程分为羧化、还原、再生3个阶段。

(1)羧化阶段(carboxylation phase) 指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应过程。以固定3分子CO2为例：

3RuBP+3CO2+3H2O PGA + 6H+

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)具有双重功能，既能使RuBP与CO2起羧化反应，推动C3碳循环，又能使RuBP与O2起加氧反应而引起C2氧化循环即光呼吸(见本节二。光呼吸)。羧化阶段分两步进行，即羧化和水解：

在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上发生羧化反应形成2-羧基-3酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸(2-carboxy-3-ketoarabinitol-1,5-bisphosphate, 3-keto-2CABP)，它是一种与酶结合不稳定的中间产物，被水解后产生2分子PGA。

Rubisco有活化与钝化两种形态，钝化型酶可被CO2和Mg2+ 激活，这种激活依赖于与酶活性中心有关的赖氨酸(Lys)的ε-NH2基反应。首先钝化型酶的ε-NH2与CO2(起活化的CO22不是底物CO2)作用，形成氨基甲酰化合物(E-NH·COO-)，它与Mg2+ 作用形成活化型的酶(E-NH·COO·Mg2+ ,也称三元复合体ECM)，然后底物RuBP和CO2再依次结合到活化型酶上进行羧化反应：

Rubisco只有先与CO2、Mg2+作用才能成为活化型的ECM，如果先与RuBP(或RuBP类似物)结合，就会成为非活化型的E-RuBP。Rubisco活性还被叫做Rubisco活化酶(activase)的酶调节。关于此活化酶的作用：在暗中钝化型Rubisco与RuBP结合形成E-RuBP后不能发生反应；在光下，活化酶由ATP活化，让RuBP与Rubisco解离，使Rubisco发生氨甲酰化，然后与CO2和、Mg2+结合形成ECM，促进RuBP的羧化。

(2)还原阶段(reduction phase) 指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过程：

6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H+→→6GAP+6ADP+6NADP+ + 6Pi (4-34)

羧化反应产生的PGA是一种有机酸，要达到糖的能级，必须使用光反应中生成的同化力，ATP与NADPH能使PGA的羧基转变成GAP的醛基。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。

(3)再生阶段(regeneration phase) 指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程。

5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+

这里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反应。最后由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP，再形成RuBP。

C3途径的总反应式可写成：

3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP+ +3H+ (4-36)

可见，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH，还原3个CO2可输出1个磷酸丙糖(GAP或DHAP)，固定6个CO2可形成1个磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应；形成的磷酸己糖则留在叶绿体中转化成淀粉而被临时贮藏。

2．能量转化效率 以同化3个CO2形成1个磷酸丙糖为例。在标准状态下每形成1mol GAP贮能1460 kJ，每水解1mol ATP放能32 kJ，每氧化1mol NADPH放能220 kJ，则C3途径的能量转化效率为91% 〔1460/(32×9+220×6)〕，这是一个很高的值。然而在生理状态下 ，各种化合物的活度低于1.0，与上述的标准状态有差异，另外，要维持C3光合还原循环的正常运转，其本身也要消耗能量，因而一般认为，C3途径中能量的转化效率在80%左右。

（二）C3途径的调节

1.自(动)催化作用(autocatalysis) 植物同化CO2速率，很大程度上决定于光合碳还原循环的运转状态，以及光合中间产物的数量。暗中的叶片移至光下，最初固定CO2速率很低，需经过一个“滞后期”后才能达到光合速率的“稳态”阶段。其原因之一，是暗中叶绿体基质中的光合中间产物，尤其是RuBP的含量低。在C3途径中存在一种自动调节RuBP浓度的机制，即在RuBP含量低时，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不输出循环，而用于RuBP的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳还原循环到达“稳态”时，形成的磷酸丙糖再输出。这种调节RuBP等光合中间产物含量，使同化CO2速率处于某一“稳态”的机制，就称为C3途径的自(动)催化作用。

2.光调节作用 光除了通过光反应对CO2同化提供同化力外，还调节着光合酶的活性。C3循环中的Rubisco、PGAK、GAPDH、FBPase,SBPase,Ru5PK都是光调节酶。光下这些酶活性提高，暗中活性降低或丧失。光对酶活性的调节大体可分为两种情况，一种是通过改变微环境调节，另一种是通过产生效应物调节。

(1)微环境调节 光驱动的电子传递使H+向类囊体腔转移，Mg2+ 则从类囊体腔转移至基质，引起叶绿体基质的pH从7上升到8，Mg2+浓度增加。较高的pH与Mg2+浓度使Ｒubisco光合酶活化。

(2)效应物调节 一种假说是光调节酶可通过Fd-Td(铁氧还蛋白硫氧还蛋白)系统调节。FBPase、GAPDH、Ru5PK等酶中含有二硫键(－S－S－)，当被还原为2个巯基(－SH)时表现活性。光驱动的电子传递能使基质中Fd还原，进而使Td(硫氧还蛋白，thioredoxin)还原，被还原的Td又使FBPase和Ru5PK等酶的相邻半胱氨酸上的二硫键打开变成2个巯基，酶被活化。在暗中则相反，巯基氧化形成二硫键，酶失活。

3.光合产物输出速率的调节 根据质量作用定律，产物浓度的增加会减慢化学反应的速度。磷酸丙糖是能运出叶绿体的光合产物，而蔗糖是光合产物运出细胞的运输形式。磷酸丙糖通过叶绿体膜上的Pi运转器运出叶绿体，同时将细胞质中等量的Pi运入叶绿体。磷酸丙糖在细胞质中被用于合成蔗糖，同时释放Pi。如果蔗糖的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，随之Pi的释放减少，而使磷酸丙糖外运受阻。这样，磷酸丙糖在叶绿体中积累，从而影响C3光合碳还原环的正常运转。另外，叶绿体的Pi浓度的降低也会抑制光合磷酸化，使ATP不能正常合成，这又会抑制Rubisco活化酶活性和需要利用ATP的反应。