发布时间 : 星期三 文章光合作用 - 图文更新完毕开始阅读
完全氧化1 mol 己糖为CO2释放出2804 KJ能量，而由6分子CO2合成1 mol己糖（果糖-6-磷酸）则需要氧化12 mol NADPH（12 mol × 217 KJ/mol），水解18 mol ATP（18 mol × 29 KJ/mol），总计3126 KJ能量。
由此计算出卡尔文循环的能量转化效率接近90% (2804 / 3126)。进一步的计算表明卡尔文循环合成的碳水化合物中，绝大部分的能量来源于NADPH，由上述计算可知每合成1 mol 己糖需氧化12 mol NADPH共释放2604 KJ，水解18 mol ATP提供522 KJ能量，因此卡尔文循环合成己糖中83%[（2604 / 3126） × 100%]的能量来自NADPH。
然而当以光能的转化效率作为指标考察光合作用的总体效率（即光反应+碳反应）时，发现光合作用的总体光能转化率仅为33%，这表明了光合作用中吸收的很大一部分光能在光反应阶段以各种方式损失掉了。
在一般生长条件下，由于发育阶段和水、矿物质及温度等环境因素的限制，植物对于光能的利用率还要远低于上述理论值。多数农作物如土豆、大豆、小麦、水稻和玉米的能量转化效率仅为0.1-0.4%。 4.3.3 卡尔文循环的调控
卡尔文循环对能量利用的高效性（能量转化率高达83%）表明在植物中存在着极其精细的调控机制，确保循环中能量的优化利用，即可以使循环中所有的中间产物时刻处于最适宜浓度，并且能够根据环境条件（尤其是在暗中）随时停止循环的运行。一般而言，循环中代谢物的浓度是由酶的水平及其催化活性控制的，使其能够依代谢需求的变化随时进行调整。
基因表达和蛋白合成的改变决定酶在细胞区室（尤其是细胞器）中的含量，而在叶绿体基质中每一种酶的含量都受到核基因组和叶绿体基因组协同表达机制的调控。一般来说细胞核和质体间的大多数调控是从细胞核向质体进行的，可以说核基因产物对质体基因的转录和翻译起着调节作用。然而叶绿体蛋白质的合成却恰恰相反，是从叶绿体向细胞核进行逆向调控。
后翻译修饰与酶的从头合成（酶的从头合成需要历经一系列由细胞核到细胞质核糖体的重新合成过程，因此对于酶催化速率改变的影响较慢）相比具有作用快速的特点，可在几分钟之内使酶的活性发生改变。酶动力学的后翻译修饰机制主要分为两种：（1）共价键修饰，即通过改变酶共价键的结构进行的化学修饰，
例如，二硫键的还原或氨基基团的甲酰化；（2）非共价修饰，例如，通过与代谢产物结合或pH值等细胞周围离子组成的变化对酶分子产生的动力学修饰。需要特别强调的是，正是第二种修饰机制，即非共价键修饰，使叶绿体基质中的与卡尔文循环有关的酶结合到类囊体膜上从而形成一种类似于复合体的更高水平的有序组织形式，便于更好的引导底物和产物在循环酶系统间的进出，从而大大增加了卡尔文循环的效率。
卡尔文循环中基质酶的调控依赖于光照，且光合电子传递相联系，在光照开始的几分钟内就可以改变目标酶的活性。这种光暗调控机制控制着卡尔文循环中五个关键酶的活性的改变：RuBP羧化/加氧酶（rubisco）；果糖-1,6-二磷酸磷酸酯酶（fructose-1,6-bisphosphate phosphatase）；景天庚酮糖-1,7-二磷酸磷酸酯酶（sedoheptulose-1,7-bisphosphate phosphatase）；核酮糖-5-磷酸激酶（ribulose-5-phosphate kinase）；NADP-甘油醛-3-磷酸脱氢酶（NADP- glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase）。 4.3.3.1 光照增强rubisco酶的活性
洛里默（G Lorimer）及其同事发现当CO2与rubisco酶活性位点中特定赖氨酸的ε-氨基发生缓慢反应时，rubisco酶即被激活（见图4-15中的“rubisco调控”）。反应生成的氨基甲酸酯衍生物迅速与镁离子结合（一个新的阴离子位点），激活酶的活性。在rubisco-CO2-Mg2+复合体形成的同时还伴随有两个质子的释放，由此rubisco酶的活性可受到pH值和Mg2+浓度增加的双重作用的影响。而光照又可对pH和Mg2+浓度的改变发挥作用，可见光照对于rubisco酶的活化具有重要的影响。
4.3.3.2 铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统调控其余四个关键酶
除调控rubisco酶的活性，光还通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统调控卡尔文循环中另外四个关键酶的活性。铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统包括了铁氧还蛋白（ferredoxin）、铁氧还蛋白-硫氧还蛋白还原酶（ferredoxin-thioredoxin reductase）和硫氧还蛋白（thioredoxin）三个组分。该氧化还原机制是由？？（B Buchanan）历经20多年的时间最终阐明的，他以光合电子传递系统中的产物“还原态铁氧还蛋白”为对象，研究其对酶活性的改变，发现受到影响的酶包括了卡尔文循环中五个关键酶中rubisco以外的其余四个。
还原态铁氧还蛋白通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白还原酶催化还原硫氧还蛋白。而还原态硫氧还蛋白通过一系列作用，例如激活生物合成酶、失活降解酶等，最终起到调节卡尔文循环酶的作用。可见正是通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白系统的作用使得光信号能够对叶绿体基质中卡尔文循环的代谢活性的变化产生影响。
rubisco的调节
图4-15 CO2可作为rubisco酶的激活剂（调节）或反应底物（催化）。 调节作用：rubisco（E） 2+
的活化涉及到在酶的活性部位形成氨基甲酸酯-Mg复合体（E-NH-CO2-?Mg2+）。在照光叶绿
+2+
体基质中pH值（H浓度下降）和Mg浓度上升有利于rubisco酶形成活化态。在催化循环
中，活性态rubisco酶首先与核酮糖-1,5-二磷酸结合，随后再结合底物CO2或O2，表现出羧 化/加氧双重活性。在rubisco活化酶介导循环中，与糖磷酸（如核酮糖-1,5-二磷酸）的紧密结合阻碍了氨甲酰化作用的发生或者阻止了氨甲酰化酶与底物的结合。rubisco活化酶水解
ATP引起rubisco酶的构象发生改变，降低了rubisco酶与糖磷酸的亲和力。
rubisco活化酶 rubisco活化酶
催化性循环
产物
4.3.3.3 光依赖型离子运动对卡尔文循环的调控
除了引起叶绿体酶的后翻译修饰，光还同时引发基质离子组成的可逆改变。离子组成的变化又进而引起酶催化活性的改变。在光照条件下，质子通过与Mg2+发生跨膜交换从基质进入类囊体腔。这一过程使基质中的pH值上升（从7升高至8），即质子浓度降低，同时又导致Mg2+的浓度的增加。在黑暗条件下，叶绿体基质离子组成发生逆转。
卡尔文循环中的几种关键酶，如rubisco，果糖-1,6-二磷酸磷酸酯酶，景天庚酮糖-1,7-二磷酸磷酸酯酶，核酮糖-5-磷酸激酶等，在pH=8时更为活跃，并且
需要Mg2+作为其催化作用的辅助因子。可见，这些光依赖型离子运动对于卡尔文循环中关键酶的活性具有增强作用。 4.3.3.4 光合作用产物对卡尔文循环的调控
卡尔文循环合成的碳水化合物被转化为能量和碳—— 蔗糖和淀粉——的储存方式。在大多数植物中，叶绿体中的光合产物以磷酸丙糖的形式输出到细胞质；蔗糖在细胞质合成，受到蔗糖磷酸合酶磷酸化作用的调控，具有可运输性；而淀粉在叶绿体内合成，不可运输。蔗糖和淀粉的合成比例取决于正磷酸盐，6-磷酸果糖，3-磷酸甘油酸和磷酸二羟丙酮这些代谢物效应子的浓度。代谢物效应子在细胞质中通过控制果糖-2,6-二磷酸和调控代谢物的合成或降解发挥作用。3-磷酸甘油酸和正磷酸盐这两个效应子则作用于叶绿体中淀粉的合成，它们通过变构作用调控ADP-葡萄糖焦磷酸化酶的活性。
4.4 光呼吸
4.4.1 光呼吸
rubisco酶具有同时催化RuBP发生羧化和加氧反应的能力。rubisco酶通过催化RuBP加氧引发一系列的生理反应，使绿色光合叶片在光下消耗O2释放CO2，这个过程就称为光呼吸。光呼吸过程与光合过程正好相反，导致卡尔文循环的固碳被部分的“浪费掉”。
光呼吸的全过程需要由叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三种细胞器协同完成，是一个循环过程，也称之为C2光呼吸碳氧化循环（C2-photorespiration carbon oxidation cycle, PCO循环），简称C2循环。 4.4.1.1 光合固碳与光呼吸具有相互竞争的特性
rubisco酶同时具有催化RuBP进行羧化和加氧反应的能力，CO2和O2作为rubisco酶的两种底物共同竞争酶的同一个活性位点，其催化方向取决于该酶所在微环境中二者的分压。
C2循环始于rubisco酶催化RuBP进行加氧反应，产物不稳定迅速分解为1分子磷酸乙醇酸和1分子3-PGA。前者在磷酸乙醇酸磷酸酶的作用下水解为乙醇酸。