植物光合作用评议

          杨顺楷 四川 成都

               （二）

４.中间体的还原与再生／首个二氧化碳固定反应　

卡尔文循环在三个阶段进行的１３步过程：羧化、还原和再生。羧化阶段有一个反应，那就是ＲｕＢＰ的羧化作用产生两分子的３－ＰＧＡ；两步还原反应转化３－ＰＧＡ成为磷酸丙糖和３－磷酸甘油醛（ＧＡＰ）。ＡＴＰ和ＮＡＤＰＨ用于该阶段循环。后期最大系列反应就是再生ＲｕＢＰ。在该过程当转化５－磷酸核酮糖成为ＲｕＢＰ时，附加消耗ＡＴＰ。总之，每个循环的这些专门步骤，须得提供能量，含３分子ＡＴＰ和两分子ＮＡＤＰＨ。整个卡尔文循环的１３种酶均都定位在基质，其中的１０种酶都涉及该循环的再生阶段。关于Ｒｕｂｉｓｃｏ，即二磷酸核酮糖羧化酶在该循环中的独特之处，就是景天庚酮糖经脱磷酸化，成为二磷酸糖；再次产生出一个单磷酸糖；并经由磷酸核酮糖激酶去磷酸化，成为5-磷酸核酮糖，继之成为RuBP, 于是再生，启动成为CO2 受体。

加入3分子的CO2 到成为3分子的C5 五碳糖RuBP 继又产生6分子的3-PGA; 每一个又被磷酸化，并还原产生3-碳糖GAP 。五个GAP 和三个ATP分子导致再生三个RuBP 分子。在保留GAP 分子时，固定碳的净产物可能用于构建碳水化合物或其他细胞成分。

由六个二氧化碳分子合成一个己糖，其能量需求是九个ATP 和6分子NADPH。借助O2(-30.5 和-220KJ/mol) 对水解ATP 和NADPH 的氧化，发生了自由能的改变；可以计算出利用ATP和NADPH 生成GAP 大致有90%的效率。该计算假设反应物的非生理性浓度，在生理学条件下测定卡尔文循环的效率，也具有相对高的效率（>80%）。

5. 固定二氧化碳机制的变异：一些光活细菌并不经由卡尔文循环固定碳

尽管卡尔文循环普遍被评价为在光合有机体转化CO2 成为碳水化合物，几乎是普遍存在的机制，但是它并不是唯一现象。反而在一些厌氧光合菌，其二氧化碳的固定作用是很不相同的过程。

例如，绿硫光合细菌固定碳，经由一个“还原性的羧酸循环”，基本上是一个反向柠檬酸循环。该途径乙酰-CoA和CO2, 利用还原性铁氧还蛋白合成有机酸，作为固定CO2的主要还原剂。另外一种Rubisco 独特的光合机制，提出来自非硫的绿屈挠菌属（Chloroflexus）羟丙酸途径。作为一个还原性的羧酸循环，二氧化碳的固定涉及乙酰-CoA, 而产物是3-羟基丙酸和净固定循环产物乙醛酸。该光合作用很有趣的变体已经载入分子生命原初进化史，而在高扥植物发现的另外一个变体那就是C4 植物。

6. C4 植物含有两个特有的二氧化碳固定酶及其特化的叶状体

虽然Rubisco 在整个植物都存在，但是并非全部植物都产生3-PGA 作为第一个稳定的光合中间体。1960年代，在借助C14-放射标记二氧化碳示综实验，已经鉴定出若干个植物品种生成了大量的四碳有机酸，作为固定CO2的首个产物。如玉米、甘蔗、热带草类植物，以及一些双子叶植物，如笕属（Amaranthus）,均都证明了该C4 植物标记模式。而这些植物的叶却证明了一种独特的解剖结构，包括两种不同类型的叶绿体细胞—叶肉细胞和维管束髓细胞。叶肉细胞包绕维管束髓细胞，反之后者又包绕维管组织。

19世纪德国植物学家启动了对该描述性特征研究，故称为Kranz 解剖学（Kranz anatomy）。该植物解剖学工作对这些C4 植物固定CO2 的生物化学具有关键性价值。环境因子在考量C4 光合作用也是很重要的，且已经做了广泛的研究。例如，在高温条件下Rubisco 的氧化酶活性，有利于进行羧化作用；于是这就降低了光合作用效率。该效应结果就是部分造成CO2和O2溶解度对温度依赖性的改变。当温度升高，就降低可利用的CO2/O2比率。温度的变动，也交替改变对每一个底物,对Rubisco 亲和力的变化。结果就是当温度暖热时，Rubisco 的羧化作用对氧化作用比率呈现下降；当光合呼吸对光合作用的比率增高，加之叶片温热增加了水分向空气中的蒸腾作用；该浓度梯度的进一步加深，蒸腾作用过程更甚。这就可能造成高温条件下叶片水分的过量丢失。植物用以防止在如此高温下的脱水作用，就可能降低它们气孔的传导作用，于是就可降低气体交换的速率。如此，对光合作用而言就限制了CO2 可利用的数量。

显然，C4 植物这就演化出改进光合作用的机制，如何在炎热高温干燥条件下减少水分损失。它们的生物化学和形态结构上的修饰，导致改进捕捉CO2效率，降低气孔的蒸腾作用，以至于在没有降低CO2 固定效率下，达到保留水分的目的。C4植物在维管束髓细胞浓集CO2，Rubisco 就在此定位。这就有效地抑制住该氧化酶活性，几乎完全消除了光合呼吸作用。

7.植物C4 代谢途径增高维管束髓细胞中的二氧化碳浓度

C4 途径固定二氧化碳，是基于在叶肉细胞和维管束髓细胞之间的复杂相互作用。该代谢途径演进出启动碳酸根离子（HCO3- ）叶肉外细胞的固定化；从而由叶肉细胞器转运有机酸到维管束髓细胞，继之由下一轮的卡尔文循环释放二氧化碳。生物化学分部处理分析表明，卡尔文循环单一的酶仅仅定位在维管束叶绿体上。因此在叶肉细胞细胞液中，由HCO3- 和磷酸烯醇丙酮酸（PEP）生成草酰乙酸。维管束和叶肉叶绿体电镜照片显示出，具有独特功能的结构差别。维管束髓细胞的叶绿体没有成层的膜结构，证明了无PSII 活性，这样叶肉细胞叶绿体就保持有PSII 和PSI 两者的活性。

所有C4固定碳代谢途径始于叶肉组织。由此PEP 羧化酶转化PEP成为草酰乙酸。该C4 底物的酶作用物不是二氧化碳，而是碳酸根离子（HCO3-）。该两种作用物酶促过程的水平衡非常有利于HCO3- 离子，而不是气态的CO2，从而使得更好有效地启动固碳步驟；加之PEP 羧化酶不能够固定氧，它具有一个类似于CO2，而不是HCO3- 的三维结构。

继之，草酰乙酸代谢在不同种系的植物是不同的，；但是在所有的情况下C4 酸均被转运到维管束髓细胞，在此被脱羧。释放的CO2经由Rubisco固定；生成的C3 酸然后返回到叶肉细胞，为PEP所再生。

已知的C4 光合作用有三个变体。它们由在叶肉细胞和维管束髓细胞之间，以及在维管束髓细胞中发生的脱梭作用，而转运的C4 有机酸均都是有区别的。这些变体的命名均是根据在维管束髓细胞中的脱羧酶所属的酶类而定。

该三系列中每一个胞内的区室化和能量需求均都存在细微的差别。这种多样性反映了C4 光合作用是趋同进化的产物，是在不同的种群在多様化时空隔离场合下发育而成。但是总的说来，维管束髓细胞释放二氧化碳，并借助定位在这些细胞中的叶绿体Rubisco 固定释放出的CO2。

           （待续）