[植物生理学]光合作用笔记
光合作用 ——yyky
零、引言
光合作用本质上是一种碳素同化作用，既生产者们从环境获取能量，以维持自身的存活的生理过程。也就是生命的发电机。除光合作用外，其还包括了细菌的光合作用（利用硫），以及硝化细菌的化能合成（利用氮）。
光合作用总消耗6分子水，6分子二氧化碳，在光照条件下产生葡萄糖（也可以是其他的有机产物）以及6分子氧气。此过程吸收686千卡能量。
光合作用对于生命而言至关重要，体现在：
1，光合作用是自然界最大规模的物质和能量转变过程。
2，光合作用利于环境的维持与保护。
3，光合作用能带动自然界其他物质的循环。
4，光合作用具有进一步的理论与实践意义（对于人类研究人造生命或者节能减排有帮助）
一、结构基础
1，细胞器基础——叶绿体
结构：
叶绿体主要可以分为内外两部分结构
外层为细胞器膜结构，外膜的透性较大，而内膜具有选择透过性。
内层分为液态基质部分以及绿色层膜结构。液态基质中含有可溶蛋白质、叶绿体的DNA与RNA、核糖体，糖以及脂质，是暗反应的主要发生区域；绿色层膜结构，也就是类囊体，有两种：一种是基质类囊体、一种是基粒类囊体——由10~100个基粒像千层饼一样堆起来，是光反应的主要发生区域。
类囊体密集排列，形成垛叠结构。它们之间或者相通，或者距离很近。这为光合作用各个反应之间的物质交换提供了便捷。密集的排列也使得叶绿体对光能的利用率更强，严丝合缝的堵住了所有阳光的通路。这种结构是高等植物特有的。
构成：
在叶绿体中，水占据其75%~78%，余下按照以下比例分配：
蛋白质30%~50%
脂质20%~30%，其中有8%（除水外占比）左右是色素
无机盐10%
糖类10%~20%
我们可以注意到，相比于整个生物体，叶绿体中水分的波动更小。这侧面反映了叶绿体中的环境是经过了严格且精密的调控的。
类囊体在叶绿体中、叶绿体在细胞中都不是静止的。它们可以随着环境改变自己的状态。当光照强烈的时候，类囊体会使宽面与光线平行，以减少收到的照射从而减少受到的伤害。当光照没有那么强的时候，类囊体也可以调整到与光线垂直，以充分利用阳光。
在实际情况下，叶绿体都很容易被液泡挤到细胞壁附近一圈。事实上这样的结构也是有利于叶绿体吸收更多的光能的。
植物细胞中绿色的来源便是叶绿体，确切地说，是叶绿体类囊体膜上的色素。
2，分子基础——色素
叶绿体色素
叶绿体色素主要有两种，叶绿素（包括Chla和Chlb）以及类胡萝卜素（叶黄素和胡萝卜素）。在低等植物中还会存在藻胆素负责光合作用。
叶绿素由亲水的卟啉头部和疏水的叶绿醇尾部构成，中间由两个脂键相连，形成类似钥匙的结构，其本质是一种二羧脂。在类囊体中，叶绿素就是将钥匙插进类囊体膜上来工作的。卟啉的头部是四个吡咯环通过甲烯基链接而成，是叶绿素的生色团。卟啉中心存在一个镁离子，周围有四个氮原子。Chla与Chlb的差别在于：Chla中卟啉环上的一个甲基替换为醛基，就是Chlb了。
叶绿素吸收的光集中在红光和蓝紫光，波长在约430~450nm以及约640~660nm间。因存在脂键，所以叶绿素是可以参与皂化反应的。叶绿素卟啉环中的镁离子并不稳定，可以被氢离子取代（去镁叶绿素），进而形成铜代叶绿素。
类胡萝卜素具有哑铃般的结构，两个碳环间由碳链相连，可见类胡萝卜素是脂溶性的。对比与β胡萝卜素，叶黄素两端的碳环上各有一个H被醇羟基取代。
类胡萝卜素吸收的光为蓝紫光，范围较叶绿素而言更宽，在约400~500nm区间内
除此之外，植物细胞的液泡中还存在着色素，例如花青素（包括矢车菊素，天竺葵素，飞燕草素，芍药素，牵牛素和锦葵素）。
花青素一般是偏红色的，具有水溶性（废话，不然也不会待在液泡里面），具有抗氧化性。其特点为，在碱性环境下颜色会变蓝。
在大部分的成熟植物绿色细胞中，Chla、Chlb、叶黄素、胡萝卜素的比例约为12:4:2:1，因此才会显现出我们看到的浓绿色。
叶绿素还具有荧光和磷光的性质。
荧光是指：在用光照射叶绿素溶液时，透射光显绿色，反射光却显红色。
磷光是指：极暗的环境下，叶绿素可以发出微弱的红光。
要解释这个现象，我们需要分析叶绿素分子的能量。
叶绿素分子具有四种能级，能量从低到高分别为：基态，三线态，第一单线，第二单线。我们权且将其命名为ABCD。
A吸收蓝紫光后可以变为D、吸收红光可变为C。D放出热量也变为C。C可以变回A并且发出荧光，也可以自发的转变为B。B可以发出磷光或者热量变回A。
荧光和磷光对于叶绿体具有很大的意义，他们可以将多余的能量释放出去，进而保护叶绿素不容易被破坏。
叶绿素在细胞中的祖宗是α-酮戊二酸（我们在细胞呼吸里面见到过这个老熟人，是三羧酸循环的一部分）。但叶绿素最重要的老祖宗是ALA（δ-氨基-γ-酮戊酸）。
具体的谱系是这样的
α-酮戊二酸 → 谷氨酸 → ALA → 胆色素原 → 原卟啉IX → Mg-原卟啉 → 原脱脂基叶绿素 → 叶绿素酸酯 → Chla
值得注意的是，原卟啉向Mg-原卟啉转变的过程中不仅需要Mg，同时也需要Fe的参与。因为实际上卟啉中四个N的中心是先由Fe离子占据，后传位给了Mg离子。在原脱脂基叶绿素向叶绿素酸酯的转变过程中，需要光的参与。这表明，Fe和光照都是影响叶绿素合成的关键因素。同时，因为这些反应都属于酶促反应，所以同样会受到酶活性的影响。
具体而言，会影响叶绿体合成的因素主要有一下几点：
1、光照：
光照过弱会影响叶绿素酸酯的合成；但光照过强会产生很多氧自由基，出现光氧化现象破坏细胞。
缺乏光照会出现植株黄化（黄韭菜）
2、温度：
主要通过影响酶的活性来影响反应速率，温度过高会导致蛋白质变性分解。
温度过低时会产生白秧（倒春寒时常出现）
3、无机盐（金属矿质）：
Fe、Mn、Cu、Zn作为催化剂存在。Mg、K与基粒形成类囊体和类囊体形成堆垛结构有关。Mg、N作为叶绿素的核心成分存在。N作为蛋白质的材料影响过程。
4、氧气
这一系列酶促反应都是耗能的，自然而然需要氧气供给线粒体提供能量。
5、病毒和遗传
个别叶片白化很有可能与病毒有关。一些特殊品种的花纹受遗传信息影响。
在细胞中，色素们迭代的速度是很快的，如果不及时生产下一批供应，很快会出现问题。一般而言，对于代谢速度来说，Chla＞Chlb＞类胡萝卜素
二、反应机理
光合作用主要可以分为三个大过程：原初反应、电子传递与光合磷酸化、碳同化。
原初反应过程极快，在纳秒量级。相比而言，第二步，第三步的过程时长逐步增加。
原初反应和电子传递与光合磷酸化都发生在类囊体膜上，因此我们合称其为光反应。碳同化过程相对而言没有对光的直接依赖，因此可以称其为暗反应。
1，原初反应
原初反应究其本质是一种光化学反应，包括了光的吸收、转化与传递，本质上是光能转化为电能的过程。反应发生时长一般在在10^-15s和10^-9s之间，也因此我们对此过程知之甚少。原初反应是以光合单位为基础发生的，顾名思义，一个光合单位就是发生光合作用的一个单位（讲马话），不用说，它是在类囊体膜上的一个结构。因此我们先介绍光合单位。
每个光合单位有且仅有一个中心色素（一定由Chla担任）。这个中心色素具有光化学活性，直接参与原初反应：将水分解为氧气，氢离子和电子，并且将电子传递给电子受体。
中心色素周围是聚光色素（因为像天线一样起到汇聚能量的作用，也称天线色素）。聚光色素数量较多，四种色素都可以担任。收到光照时，聚光色素可以通过共振转移（一个分子的电子做高能量振动，促使邻近分子中的电子一起产生振动，进而传递能量。也称诱导共振）的方式将能量传递给中心色素。这个传递的效率非常高，类胡萝卜素→Chla90%；Chlb→Chla 100%
中心色素结合所谓的“作用中心”工作。相比于中心色素，作用中心范围更大是一个色素蛋白结构的整体。包括了以下组成：原初电子供体（D），原初电子受体（A），作用中心色素（P）。承担电荷分离以及能量转换的任务。
作用中心的工作过程为D·P·A →(hν)→ D·P*·A →D·P+·A- → D+·P·A-
对于整个原初反应而言，水分子提供电子给D，P接受光照，电子在DPA间传递，最后由A交给NADP+
当受单色光照时，统计产出的氧气数量。实验发现，当波长大于680nm时，产出氧气效率大幅下降，称为红降现象。但是当两束红光一同照射时，其效率比两束光分别照射的效率之和更高，称为爱默生效应。这预示着什么呢？
2，光合电子传递与光合磷酸化
电子传递过程中能通过光合磷酸化间接生产ATP，传递的终点可以生产NADPH。其本质是电能转化为活跃的化学能的过程。
光合电子传递主要为非环式光和电子传递，还有两个变种：环式光合电子传递和假环式光合电子传递。非环式光合电子传递是基础，我们会在后面叙述他们的差别
在电子传递过程中，最重要的是两个作用中心（一系列蛋白质和色素构成）：光系统1（PSI），光系统2（PSII）
他们的中心色素分别为P700和P680（P700和PSI都可以作为你对这玩意的称呼，看你强调的是色素还是复合体了）。正如其名，他们吸收的光波长在700nm和680nm。
在电子传递过程中，还有一个很重要的中转站——细胞色素复合体（Cyt
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）
其中作为传递载体的物质有三种，PQ、PC和Fdx（不是微分，手动狗头）。他们有像渡轮一样的功能。我们先行介绍。
PQ是质体醌，是苯的衍生物。在叶绿体中含量非常多。有三种类型：氧化型（PQ）、还原型（PQH2）、半醌（PQ。-）。负责PSII到Cyt
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的电子运输
PC是质体蓝素，是一种10.5kDa的含铜蛋白质。因其氧化为蓝色而得名。负责Cyt
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到PSI的电子运输。
Fdx（不是微分！）是铁氧还蛋白，易于发生氧化还原反应，含二价铁的蛋白质。负责PSI到NADPH的电子运输，也写作Fd。
作为起点，对于光系统2：P=P680，A=PSI
一切的一切开始于PSII。一个水分子经过含4Mn的蛋白质，将电子留了下来，氢和氧各奔东西。这个电子转移至P680，静待时机。当接收了足够多的能量后，电子被激发，被原初电子受体接纳最后转移至与QA，在Fe2+的作用下转化成QB，最后以PQH2的形式离开PSII。在这个过程中，PSII会在类囊体膜外抽取两位幸运H+，让他们加入循环，其意义请见下文。
Cyt
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中重要的亚基有三个：FeS、Cyt
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和Cyt
f
。FeS接收PSII传过来的PQH2，将其中的PQ、H+和电子拆开。H+就排进类囊体膜内；PQ传递给了Cyt
b6
；电子就传给Cyt
f
并且由其进一步传给膜内的PC。PC离开Cyt
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前往PSI。对于Cyt
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中的PQ，他可以继续和膜外的H+结合，回到FeS，向膜内输送H+，这就是PQ运转的另一大作用，泵送H+，为ATP的合成提供能量。总而言之，电子经过Cyt
b6f
由PQ转乘PC。
对于光系统一：D=PSII，P=P700，A=NADPH+ H+
PC来到PSI后，将电子传递给P700，自己返回膜内。P700接收光能之后，将电子层层传递给Fdx形成Fdx-，Fdx-在FNR（一种酶，专门催化Fdx-和NADP+的反应）的作用下，将NADP+转化为NADPH+H+。
相比于光和电子传递的一系列串联系统，光合磷酸化相对而言更独立一些。与氧化磷酸化类似，光合磷酸化是通过H+顺浓度梯度扩散，带动ATP合酶的亚基在OLT三种形态不断切换合成ATP，进而将渗透能转变为化学能。
但是光合磷酸化并不是完全独立的，它通过H+的转化与光合电子传递偶联。转化关系大致为3H+→1ATP。
（图1）
这一串的电子传递，是由一系列的氧化还原反应实现的。在此过程中，氧化还原反应的电位在PSII和PSI中因为接受能量而升高， 其余地方下降。画在图上就形成了“Z”字型的图样。（虽然我觉得更像N，但是书上说是Z）
（图2）
现在我们可以很轻松的理解上文所说的爱默生效应的启示了。如果我们把光系统比做开关，只有接收到了对应的光照，才能导通。爱默生效应说明了，一般的光合作用中，含有两个这样的开关，并且他们是串联的。这样只有两个开关都打开了，才能形成通路。换句话说，只有两个光系统都能被激发，才能最高效率的进行光合作用。
接下来我们讲讲光合作用的变种。
三种光合电子传递在同一个细胞中很可能是同时存在的，毕竟叶绿体不同部位的环境有一定的差异。一般而言，所有光系统中：非环式电子传递占比70%左右；环式光合电子传递占比30%左右；假环式光合电子传递对细胞有害，应尽量避免。
当某些光系统周围缺乏NADP+时，会有越来越多的Fdx-聚集在周围。这既干扰了其他的反应进行，也使得Fdx无法再生。于是这些多余的Fdx-便会将电子传递回PQ，再从半路继续光合电子传递，继续循环。虽然这个过程无法产出NADPH，但是至少在PQ的帮助下，依旧可以运输H+，生产ATP，能量多少能够得到利用。
（图3）
当环境中氧气浓度过高时，Fdx-上携带的电子就会倾向于和氧气结合，形成超氧分子。这种分子的氧化性极强，对细胞有不小损伤。同时这个过程是消耗能量的，因此对于细胞来说是赔了夫人又折兵，完全值不抵价，是需要避免的坏反应。
（图4）
这里我们可以引入一个同化力的概念。同化力指的是碳同化（也就是接下来的过程）的能量来源，具体而言，指的就是NADPH和H+。这个概念可以给我们提供从另一个角度理解光合作用的思路。（但其实也就是一个名字）
3，碳同化
碳同化过程全程在叶绿体基质中发生，利用前面生产的ATP和NADPH来同化CO2，使其变为碳水化合物。其本质是活跃的化学能转变为稳定的化学能的过程。
碳同化的基础是卡尔文循环（或者说，C3途径）。再此基础上能衍生出C4-二羧酸途径（C4途径）和景天酸代谢循环（CAM）。C4途径可分为叶绿体脱羧、线粒体脱羧以及细胞质脱羧。它们会发生在不同的植物中。
卡尔文循环是所有衍生的根本，是卡尔文通过同位素示踪和纸层析法确定的。包括三步：羧化、还原、再生。
羧化
受害者：6 × CO2
原料：6 × RuBP（1,5-核酮糖二磷酸，C5）
主要酶：rubisco（RuBP羧化酶，即RuBP Case）
产物：12 × 3-PGA（三磷酸甘油酸，C3）
RuBP Case是一种很重要的酶，所以有独一份的名字：rubisco，我们在后面还会见到他。这个反应在碳同化中非常重要，是限速反应。在羧化过程中，1分子二氧化碳与1分子五碳糖结合形成2分子三碳糖。但是这个三碳糖能量实在是不太高，还原性也不强。起不到什么储存的作用（毕竟是醇醛酸的最底层）。况且我们的ATP和NADPH还没用呢，这样的话光反应就没有原料了。
还原
受害者：12 × ATP，12 × NADPH，12 × H+
原料：12 × 3-PGA
主要酶：3-PGA激酶，3-PGA脱氢酶
产物：12 × G3P（3-磷酸甘油醛）
这个过程其实应该细分成两步。1：3-PGA在激酶的作用下变为1,3-diPGA。从常识来看也知道，激酶发挥作用肯定是会消耗ATP的，12个ATP全部都用在了这里。2：1,3-diPGA在脱氢酶的作用下变为G3P。这个过程中，NADPH与H+脱氢，1,3-diPGA脱去Pi。在这个过程中，我们消耗了光反应中产生的同化力，此时碳同化实际上已经完成，G3P可以转化为细胞需要的有机物了。但是在这个过程中RuBP无法补充，所以还需要下一个步骤
再生
受害者：6 × ATP
原料：10 × G3P
主要酶：很多
产物：6 × RuBP
RuBP的再生其实是碳同化中最复杂的过程，涉及了C4、C6、C7、C10等一系列物质，并且会消耗6ATP的能量。最终RuBP数量恢复原样。这个过程中看到到了很多与呼吸作用相关的有机物的身影，充分体现了细胞代谢网络的复杂。
总反应式可以写为：
6CO2+11H2O+18ATP+12NADPH+12H+ →18ADP+17Pi+12NADP++磷酸己糖
磷酸己糖可以很方便的变成各种化合物，如葡萄糖、果糖、淀粉等等。别忘了这个过程中少不了酶的参与。
在碳同化的过程中，有很多光调节酶的参与。这表明在光线较暗的时候，卡尔文循环会自动钝化。从某种意义上来说这算是配合光反应的自我调整。同时rubisco的活性会受到pH和Mg离子的影响，因此这也是影响碳同化速率的因素。
C4-二羧酸途径
其包括四个步骤：CO2的固定、C4-二羧酸的转化转移、卡尔文循环、PEP的再生。C4-二羧酸途径可以细分为叶绿体脱羧、线粒体脱羧和细胞质脱羧。
CO2的固定这一步对于所有C4-二羧酸途径都是一样的，均发生在叶肉细胞中，目的都是生成OAA作为下一步的原料。接下来才是重头戏。
受体：PEP（磷酸烯醇式丙酮酸，没错就是糖酵解中，转化成丙酮酸的那个）
酶：PEP Case
产物：OAA（草酰乙酸，没错就是三羧酸循环中，一开始与丙酮酸结合的那个）
（1）叶绿体脱羧（NADP-苹果酸型）
OAA在叶肉细胞中，消耗NADPH的能量转变为苹果酸。运输至维管束鞘细胞叶绿体后，再次消耗NADPH，分解为CO2和丙酮酸。随后CO2参与卡尔文循环，丙酮酸运回叶肉细胞后再生为PEP。
高粱和甘蔗会采用这种方式运输CO2。
（图5）
（2）线粒体脱羧（NAD-苹果酸激酶型）
OAA在叶肉细胞中和谷氨酸一同变为天冬氨酸和α-酮戊二酸。随后天冬氨酸运输进入维管束鞘细胞，在线粒体中和α-酮戊二酸转变为谷氨酸和OAA。随后OAA转变为苹果酸，之后同上。
谷子和苋会采用这种方式运输CO2。
（图6）
（3）细胞质脱羧（PEP羧激酶型）
OAA和（2）一样，转变为天冬氨酸并运输，但是在细胞质中就消耗ATP直接转变为PEP和CO2参与卡尔文循环。谷氨酸与α-酮戊二酸转化时，可以将丙酮酸转化为丙氨酸。丙氨酸从维管束鞘细胞运输到叶肉细胞，通过相反的过程变回丙酮酸，进而可补充PEP。
大黍，虎尾草会采用这种方式运输CO2。
（图7）
总体而言，不论是通过苹果酸抑或天冬氨酸，C4-二羧酸途径都像一个泵一样，将二氧化碳运输给维管束鞘细胞，帮助其拥有充分的材料进行光合作用。也正因此，所有的C4植物中，叶肉细胞的分布也更靠近鞘细胞。
CAM途径
因为这种途径最早在景天科植物中被发现，因此也称景天酸代谢途径。不同于上，CAM只涉及一个细胞。
夜晚时：CO2和PEP生成OAA（同上），OAA被还原为苹果酸并且储存在液泡中。
白天时：苹果酸分解出CO2参与卡尔文循环。
仙人掌等植物多采用CAM途径——晚上打开气孔补充CO2，白天关闭气孔利用储存的CO2。
经过学习我们不难看出，无论是C4-二羧酸途径还是CAM途径，他们最终都还是要回归卡尔文循环。所以他们实质上只起到一个消耗能量运送CO2的作用。唯一的区别在于C4-二羧酸途径是跨空间运输，CAM途径是跨时间运输。他们的目的只有一个：解决植物身上H2O和CO2的矛盾——气孔开，可以增加CO2，但是H2O会散失；反之亦然。为此甚至不惜消耗能量。
三，光呼吸
除了上述标准的光合作用过程，还有一个过程需要注意，就是光呼吸。
光呼吸的发生条件是光照，场所是绿色植物细胞，这个过程吸收氧气放出二氧化碳。这几个要素，但凡少一个，都不是光呼吸。
因光呼吸的底物是乙醇酸，是一种二碳化合物，因此光呼吸也称C2循环。
光呼吸的过程有叶绿体，过氧化物酶体和线粒体的参与，声势浩大。
除了吸入氧气，放出二氧化碳和呼吸作用是一样的之外，二者完全没有关联，千万别串了。
首先我们需要给rubisco进行一个迟来的完整介绍。
rubisco全称是RuBP羧化酶/RuBP加氧酶，大小560kDa，含有八个大亚基（由叶绿体指导合成）和八个小亚基（由细胞核指导合成）。他是光合作用的限速酶，在叶绿体中占比50%。当叶绿体中CO2浓度高时，rubisco催化羧化反应，进行正常的卡尔文循环。但是当叶绿体中O2浓度高时，rubisco催化加氧反应，也就是光呼吸。由此可见，O2浓度升高会抑制光合作用，这种现象称为瓦博格效应。
在正常的卡尔文循环中，RuBP与CO2结合生成两个3-PGA。但是当O2浓度高时，在rubisco的挑唆下，RuBP会与O2结合，生成1个PGA，余下一个C2——磷酸乙醇酸。因为这种东西对细胞有害，所以他就开始了他的代谢之路，这个过程也就是光呼吸。
磷酸乙醇酸首先在叶绿体中转变为乙醇酸，并运输至过氧化物酶体。在这里，乙醇酸先接收氧气，被氧化为乙醛酸，后接受谷氨酸的氨基变为甘氨酸。甘氨酸进入线粒体可以最终分解为氨气和二氧化碳。这是比较主要的反应链。
除此之外，甘氨酸可以和水结合，进而转化为丝氨酸。丝氨酸进入过氧化物酶体，失去氨基变为羟基丙酮酸，接收NADH的能量变为甘油酸。甘油酸再运输回叶绿体，消耗ATP的能量回到卡尔文循环。
总体而言，光呼吸在叶绿体和过氧化物酶体中吸收氧气，在线粒体中排出CO2。
不难看出，以上过程中，并没有电子传递。因此也不会产生ATP，更别说NADPH了。甚至这个过程还消耗了细胞的能量。到头来还释放了氨气这种对于细胞而言需要处理的毒物。而且还会消耗已经固定到碳水化合物中的CO2。为什么要这么做呢？其实还是有很多的好处的。
1、可以消耗多余的光能，避免同化力过剩对细胞的损伤。
2、乙醇酸本来就有毒，这个循环过程可以顺便代谢掉它们，还能回收其中的C。
3、可以降低类囊体中O2浓度，保证rubisco的活性，还可以减少假环式光合电子传递的出现。
4、光呼吸的过程中有氨基酸的参与，或许可以辅助调控氨基酸的代谢。
（图8）
由此可见，细胞的确一般不会进化出对自己有害的功能。
四，结束语
到此为止，我们的植物光合作用之旅告一段落。
我的能力也仅限于此了。
关于这篇文章，我所做的大部分工作比起写作，更倾向于整理（不过确实都是本人执笔）。但由于本人水平有限，若没有做到深入浅出，请多多海涵。其中难免疏漏，如有错误务必指出，本人必定及时修正。希望文章达到的效果能对得起我10页的笔记。
若无意外，接下来我应该会准备整理与基因相关的内容。 如果各位觉得我的文章有所帮助，请多多支持！
P.S.这篇文章主要整理自 @自由的云XN 老师的植物生理学课程，以及吴相钰，陈守良，葛明德老师所著的《陈阅增普通生物学（第四版）》 图1，2，3，4来自网络；图5，6，7，8截取自 @自由的云XN 老师的课程。请读者多多支持老师原视频。侵权联系必删。
