光合磷酸化偶联机制的研究——C_4植物鞘细胞与叶肉细胞叶绿体光合磷酸化与高能态的关系

用去除类囊体膜内外质子梯度(⊿H~+)的解联剂氯化铵(NH_4Cl)或尼日利亚菌素(nigericin+KCl),以及去除膜电位(⊿φ)的载离子体短杆菌肽(gramicidin D)和缬氨霉素(valinomycin+KCl)等解联剂,观察和比较了它们对玉米鞘细胞和叶肉细胞叶绿体光合磷酸化(PSP)反应的影响。在恒态照光下,发现氯化铵对叶肉细胞叶绿体光合磷酸化反应的抑制作用比鞘细胞叶绿体光合磷酸化反应要强烈得多。gramicidla D对这两种叶绿体的作用与NH_4Cl作用则相反,它对鞘细胞叶绿体磷酸化反应的抑制远比对叶肉细胞叶绿体磷酸化反应的抑制作用强烈。缬氨霉素对叶肉细胞叶绿体PSP活力无显著的影响,但对鞘细胞叶绿体PSP活力有明显的抑制作用。说明在恒态下这种叶肉细胞叶绿体的PSP反应中驱使ATP形成的PMF主要由(⊿H~+)组成,鞘细胞叶绿体中推动ATP形成的PMF主要组成为⊿φ。叶肉细胞叶绿体在氯化铵和短杆菌肽共同作用下它的PSP反应几乎完全被抑制,而鞘细胞叶绿体的PSP反应还残留为对照的23％。在⊿H~+和⊿φ完全消失的情况下,鞘细胞叶绿体仍能形成相当数量的ATP。这种现象再次说明可能还有一种不以膜内外势差(⊿H~+,⊿φ)形式的膜上高能态存在,这种高能态可直接推动ATP形成。     

关于高能态在光合磷酸化中的意义——高能态形成与光合磷酸化初速之比较

在我们过去关于光合磷酸化高能中间状态的工作基础上,本文着重从反应初速方面分析高能态形成与光合磷酸化的关系。结果表明,在短时间(<1秒)照光下,高能态形成(pH6)和光合磷酸化(pH 7.8)速度是相近的;两者的光饱和点相同;对温度的反应也相同。说明此高能态可能是光合磷酸化反应途径上的直接的中间步骤。这个高能态(在10~(-4)～1秒照光下测定)与过去在较长照光时间内(1～15秒)所测定的高能态(Z*)有所不同,对二者之间的关系作了讨论。     

光合磷酸化的研究 Ⅱ.光合磷酸化的“光强效应”及中间产物

(1)在不同光强度下研究叶綠体的光合磷酸化作用和希尔反应,发现当光弱到一定程度后,光合磷酸化的效率,不论是“循环”或是“偶联”的都显著降低,而同时测定的希尔反应的效率则不变。因此,这个“光强效应”为光合磷酸化所特有,显然不是发生在“电子传递系统”或氧化还原部分。(2)在作用液中加入非放射性的ATP或预先照光形成一些AT~32P,再进行实验,这个“光强效应”仍同样出现,证明这个效应不是由于最终产物(ATP)的分解,亦不是由于应用放射性~(32)P测定方法所造成的假象。(3)这个“光强效应”在光强增加到一定程度以上时,即逐渐消失;在较低的温度下则减轻;在闪光条件下则比在连续光下更加显著。这些结果指出,“光强效应”是由于中间产物的破坏或转向其他代谢途径。此作用是一个暗反应,可能是酶促的。酶量少,容易达到饱和,弱光下中间产物少,被它作用的比重就大,强光下中间产物多,被它作用的比重就小,所以“光强效应”只在弱光下显著。(4) 叶綠体加Mg~( )及PMS照以饱和强光,然后立即(<0.1秒)在暗中加入Pi及ADP,仍有很多ATP形成,但如在暗中过5秒钟后再加Pi及ADP,则几乎完全没有ATP形成。这指出叶綠体照光后产生能与Pi结合的中间产物(Z~*),其饱和量约为20—40mμmole/μmole叶綠素。它在室温(20—25度)迅速破坏或转向其他代谢途径,5秒后已不存在,在低温(5度)则可维持数秒。(5) 同样制剂加Pi再照光,然后暗5秒再加ADP,则ATP的产量,比立即加ADP者只减少一半。指出上述的中间产物(Z~*)与Pi结合后形成第二个中间产物(Z～P)在叶綠体内比较稳定。“光强效应”可能主要是Z~*或以前的中间产物被破坏或转向其他用途所引起。     

光合磷酸化偶联机制的研究寡霉素对PSP、ATP酶和ATP_b-Pi交换反应的作用

在过去工作基础上,我们进一步研究类囊体膜上牢固结合的ATP_b 与Pi 的交换反应和PSP 的关系。主要结果是:①在线粒体中对ATP 酶复合体的疏水蛋白专一敏感的寡霉素,对叶绿体中ATP 的光下形成和水解均表现为抑制,其中对ATP 酶活力的抑制要比对ATP 形成的抑制强烈得多,对核苷酸交换和光下H~ 吸收也有明显的抑制作用(表1)。②去除内源游离核苷酸的叶绿体悬浮液,与Pi(~(31)Pi ~(32)Pi)照光(不外加ADP),发现在适当的寡霉素浓度(20微克/毫克蛋白)下显著促进此系统ATP 中~(32)Pi 参入的数量;并且在所测温度下均促进,温度升高(30℃),促进作用更为明显(表2,3)。③用荧光素酶测定ATP 的方法对上述系统的反应产物进行鉴别,并与~(32)Pi酯化法相比较,证明寡霉素促进的是ATP_b-Pi 交换(图1,2;表4,6)。④ATP_b-Pi 交换反应与类囊体膜的能量转换有密切的关系。这交换反应需光、需辅助因子,也受解联剂的影响(表5),是需能反应。这ATP_b-Pi 交换,较之PSP 受解联剂的影响要小得多,可能它与膜上高能态有更为直接的联系。     

光合磷酸化的量子需要量

用菠菜叶绿体悬浮液,在红光下(620—660mμ,6—8×10~3尔格/厘米~2-秒)测定同位素P~(32)标记的无机磷酸进入ATP的强度,并根据吸收的光能量换算为形成一个分子ATP所需要的红光量子数。结果指出: (1)循环光合磷酸化作用,不论用何种辅助因素(PMS,维生素K_3,FMN),形成一个分子ATP的量子需要量均在4—5之间(最低一次获得2.9)。叶提取液代替辅助因素,结果亦同。(2)与希尔反应偶联的光合磷酸化作用(希尔氧化剂为K_3Fe(CN)_6或TPN)的量子需要量亦是4—6。同时测定的还原作用指出希尔反应中每放出一个分子O_2,需要8—12个红光量子,表示在试验条件下,二者是完全偶联的(P/2e?1)。没有磷酸化(不加ADP及P_i)时,希尔反应的量子需要量不变,表示偶联的ATP形成不需额外的光量子。(3)光强度减低,则循环与非循环光合磷酸化作用的效率随之降低,量子需要量增加,而希尔反应的效率则不变。从上述结果推论,两种光合磷酸化作用均是通过同一的电子传递系统,在此系统中仅有一个磷酸化部位,除非另有一个部位是极易破坏的。试验结果也对光合作用的量子需要量问题,供给可能的解释。在弱光下光合作用效率高,可能是由于部份ATP来自呼吸;而在强光下效率减低,则是呼吸所供给的ATP不足而必需依靠循环光合磷酸化所致。     

叶片预照光对光合磷酸化和电子传递偶联效率的促进作用

菠菜叶片经预照光处理后提取的叶绿体,不但光合磷酸化活力增加,而且偶联效率P/O也提高,其提高P/O的作用与多粘菌素的作用不能叠加,叶片预照光可能通过使偶联因子产生漏能减少的变构而提高p/O的。用两阶段光合磷酸化法测得叶片预照光,在促进光合磷酸化时也能促进高能态积累。用CF_1抗体,NEM和五羟黄酮等处理叶绿体的研究表明,叶片预照光引起CF_1的构象变化——γ,亚单位上的SH基内埋而α.β亚单位上的催化中心却更加暴露。活体中的P/O值也许会比一般离体的高。     

光合磷酸化的研究 Ⅷ.黄化小麦幼苗变綠时光合磷酸化活力的发生

(1)黄化小麦幼苗初变绿时,光合磷酸化活力之发生远较叶绿素的生成为迟。在实验条件下,照光变绿3小时后,才可测得光合磷酸化活力,且其按叶绿素为基础计算的活力随照光变绿时间的增加而增加,至照光变绿7—8小时后,叶绿体上叶绿素含量尚在继续增加,但光合磷酸化活力则趋向恒定。(2)在黄化幼苗变绿初期,测得的循环光合磷酸化ATP形成能力较非循环光合磷酸化ATP形成能力高得多,以后较接近;但将循环光合磷酸化之ATP形成能力与非循环光合磷酸化之放氧能力相比较,则其比例在不同时期相差不大。这说明,在变绿初期非循环光合磷酸化之ATP形成能力特别小的原因,主要是由于当时它的偶联程度特别低,并不是因为它较循环光合磷酸化多牵涉到放氧等步骤,而这些步骤可能发生得较晚所致。以DCPIPH_2作氢供体的氧化光合磷酸化活力的最初增长情况与以Fe(CN)_6~≡作氢受体的非循环光合磷酸化ATP形成能力的增长情况一样,均比以PMS促进的循环光合磷酸化活力增长时间为晚,这结果也有助于证明非循环光合磷酸化ATP形成能力增长较晚的原因与它牵涉到放氧步骤无关。(3)使黄化变绿幼苗光合磷酸化、希尔反应活力达到饱和所需的光强度与绿苗所需的相仿。变绿初期的叶绿体,其光合磷酸化作用有很强的“光强效应”,卽弱光下电子传递速度慢、PSP活力低时,与磷酸化的偶联程度会急剧下降。这现象可能是造成变绿初期测得的非循环光合磷酸化ATP形成能力特别低的原因。(4)黄化幼苗变绿时,同化CO_2能力之发生时间与光合磷酸化活力之发生时间差别不大,但以叶绿素为基础计算,前者的活力较早达到恒定。     

恒态光合磷酸化与△pH和△ψ的关系

在恒态下推动ATP形成的△μH~+中,除ApH外,△ψ的贡献也很明显:进行PSP反应,耗用H~+,降低了⊿pH幅度。NH_4Cl,尼日利亚菌素(Nig)对⊿pH和PSP的抑制作用是同步的。CCCP影响膜对质子的透性,加速内部质子外流,降低内部质子浓度,减少⊿pH幅度,抑制了PSP反应。PSP更依赖于类囊体内部质子浓度。在短杆菌环肽(Gram)(～5×10~(-8)mol/L)和缬氨霉素(Val)(～5×10~(-7)mol/L,+K~+)的作用下,⊿ψ几乎被完全消去,并对⊿pH无明显作用,但PSP分别被抑制了～30％(Gram)和～50％(Val),表明在恒态PSP反应中有30％～50％的能量来源可由⊿ψ提供。     

寡霉素对叶绿体质子传导的作用

在叶绿体中,寡霉素具有加速类囊体内部质子(H~ in)流出的作用,相应地加速光合磷酸化高能态的暗衰变;寡霉素完全不能恢复叶绿体残缺膜在光下形成膜内外质子浓度梯度的作用,它对H~ in流出的加速,不是由于对类囊体膜透性的影响,而是影响于ATP酶复合体的质子传导。由于这种加速作用,导致类囊体在光下形成的膜内外质子浓度梯度的降低,从而抑制了光合磷酸化活力。 可溶性的CF_1经用DTT或胰蛋白酶活化后所表现出的Ca~( )ATP酶活力对寡霉素敏感不同,DTT活化者受寡霉素的抑制,而胰蛋白酶活化者则不敏感。说明它的作用部位是在CF_1上而不在CF_0上,而且可能与胰蛋白酶活化时切去的多肽有关。 寡霉素对电子传递有一抑制作用部位,但其作用较轻微。     

多元酸和腺核苷酸对电子传递及光合磷酸化的共同作用

多元酸促进无磷酸化状态的电子传递,但当多元酸与腺核苷酸共同存在时,电子传递速度却比腺核苷酸单独作用时更低。多元酸可提高叶绿体的能量转换效率,其作用受磷酸浓度、多元酸浓度以及pH等多种因素的影响。在光暗两阶段光合磷酸化中,暗反应阶段加入多元酸可显著提高ATP合成量,但在照光前加入多元酸,对ATP合成的影响则视在照光前是否同时加入ADP而异。在多元酸促进光合磷酸化的情况下,同一叶绿体制剂经活化后,其偶联因子水解ATP的活力也可为多元酸促进。     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅷ、6-苄氨基嘌呤对光合磷酸化的促进作用

在反应介质pH 7.2条件下,观察到6-BA处理叶绿体后,能促进循环(+PMS)和非循环(+FeCy或MV)的光合磷酸化反应,提高叶绿体的偶联程度,增加P/e_2比值。此促进现象与叶片的生理状态密切有关。在对光合磷酸化有促进作用的情况下,6-BA可改善类囊体的能化状态,增加高能态的积累。对光激活的叶绿体膜上Mg~(2+)-ATP酶和偶联因子热活化的ATP酶活力均表现出促进作用。6-BA的作用部位可能与膜上的偶联因子有关。     

三苯基锡,二环己基碳二亚胺和寡霉素对叶绿体CF0与CF1功能联系的影响

作用于H~ —ATP酶复合体质子通道的能量传递抑制剂 TPT、DQCD和 OM能明显抑制叶绿体光合磷酸化反应和膜上 ATP酶活性,减小恒态ΛpH值,加速ΛpH和515 nm吸收衰减。这种在正常叶绿体加速H_(in)~ 经CF_0外流与在残缺膜中阻塞质子外流不一致。TPT等物质是干扰了CF_0与CF_1的构象连接,使 CF_0的质子传导失去CF_1的控制,H_(in)~ 无效漏失或质子逆向转移受影响,从而抑制与质子传导紧密相关的光合磷酸化反应和膜上ATP酶活性。     

光合磷酸化偶联机制研究——氯化铵对光合磷酸化的促进作用

1～3×10~(-4)M 氯化铵在较低浓度磷酸盐时降低光合磷酸化活力增进希尔反应速度表现出解联效应,在较高浓度磷酸盐时,希尔反应速度仍加快而光合磷酸化活力也被促进。用两阶段光合磷酸化技术及测定对叶绿体萤光淬灭作用的影响表明,氯化铵在上述条件下是消除类囊体腔内的高能态的。解联剂短杆菌环肽在1×10~(-8)M 时也可表现出对光合磷酸化有促进作用。将上述浓度氯化铵和短杆菌环肽同时加入反应液对光合磷酸化仍有促进作用,甚至似乎更显著。联系过去研究光合磷酸化高能态时提出它可能有不同存在状态的推测,对上述现象作了分析和解释。     

金霉素促进光合磷酸化机理的再探

在叶绿体经TPCK—trypsin光下修饰后,电子传递加速、磷酸化解联、膜上偶联因子Mg~(2+)—ATP酶活力促进的条件下,用金霉素处理叶绿体,能降低TPCK—trypsin 对磷酸化的解联程度,部分降低膜上Mg~(2+)—ATP酶的激活。在NEM及TPCK—trypsin共同存在时,金霉素处理仍能部分恢复磷酸化活力。进一步证明了金霉素是作用在偶联因子上的γ亚单位或其邻近部位,使之减少能量耗散而提高磷酸化活力.     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅱ.金霉素对光合磷酸化促进作用的研究

用金霉素溶液处理菠菜离体叶绿体,对循环( PMS)和非循环光合磷酸化( FeCy、MV或BQ DBMIB)均可表现出促进作用,表明它对两个能量保存部位都有促进作用。它能提高磷酸化的偶联程度,增加ADP/O及PC比值。在对光合磷酸化有促进作用的情况下,用两阶段光合磷酸化法测定,它对高能态的积累略有增加或影响不大,但它能显著增加叶绿体的延迟发光。它对叶绿体膜上Mg~(2 )-ATP_(ase)及偶联因子Ca~(2 )-ATP_(ase)活力有抑制。金霉素溶液的荧光强度可被加入偶联因子所提高,这些都表明金霉素至少有一个作用部位与偶联因子有关。文中对它能促进光合磷酸化作用的机理进行了讨论。     

乙醇对菠菜叶绿体的光合作用的影响

乙醇对菠菜离体叶绿体光合作用过程的许多功能有明显的影响。反应液中乙醇浓度在0.5～10％时,随乙醇浓度的增加,对电子传递,光合磷酸化,高能态形成和光下pH上升的抑制效应也增加。乙醇对高能态形成的抑制作用最为明显,并且在光阶段加入乙醇的抑制作用大于暗阶段的作用,还促进了高能态在暗中的衰变。当反应液中乙醇浓度超过了2％时,它对Mg~( )—ATP酶的活力也表现出抑制作用。乙醇是通过影响叶绿体类囊体膜而起作用的。     

多粘菌素B对光合磷酸化的促进作用

多粘菌素B在低浓度的磷酸盐存在下,抑制光合磷酸化和电子传递,但在较高浓度的磷酸盐存在下,却能促进光合磷酸化和提高P/O值。多粘菌素B在促进光合磷酸化时与无机磷酸之间存在着类似竞争的关系,并显示出能增加叶绿体的毫秒延迟发光和用中性红表示的类囊体膜内外的pH变化,多粘菌素B亦能促进光下的ATP_P_j交换。根据上述实验结果;我们推测多粘菌素B在类囊体膜上可能有两个作用部位,一个在类囊体膜上,另一个在偶联因子(CF_1)的β亚单位上。     

(Zn·Cd)S:Ag-KI催化的光合磷酸化

以半导体材料(Zn·Cd)S:Ag-KI为催化剂,在普通卤钨灯光照射下,成功地模拟了光合作用的光合磷酸化.文章报导了光强、照光时间、ADP浓度、Pi浓度及催化剂量等对ATP合成的影响.在合适的条件下,ADP浓度为1×10~(-3)mmolL时转化率可达到4-6°.最后有一简单讨论.     

光合磷酸化的研究——XVI.甘薯叶细胞制剂光合磷酸化的作用光谱及双光增益效应

我们利用光强效应较不显著的甘薯叶细胞制剂为材料,测定了循环(内源、PMS)及非循环光合磷酸化[K_3Fe(CN)_6,NADP~+]在橙—红光区段的作用光谱及双光增益效应,所得的主要结果如下: (1)在620—680mμ范围内,各系统作用光谱的起伏均很小,没有出现显著的高峰或低谷。(2)当波长超过680mμ时,非循环光合磷酸化系统的效率大降,出现与光合作用及希尔反应中相似的“红降”现象。以640mμ光与708mμ光同时照射,见到双光增益效应的存在。(3)循环光合磷酸化在700mμ光照下,相对效率与短波长光下相近或稍高。波长再向上移则效率也迅速降低。在有氧条件下,708mμ光下的效率也受同时加照的640mμ光的增益,但在无氧条件下则不显示增益效应。作者认为由于部分循环光合磷酸化辅助因子的自动氧化,远红光下放氧反应受阻,影响了光氧化物的还原及重复使用,因而使相对效率降低。本文结果从光合磷酸化的角度,支持叶绿体中存在着两个独立的、有不同色素参与的光化学反应。     

关于光合磷酸化的概念

最近 ,《植物生理学通讯》“教学园地”栏中刊载了宋占午先生[1] 的《植物生理学中几个概念之我见》一文 (下称《我见》)。文中有一节谈及非环式光合磷酸化及环式光合磷酸化 (非循环及循环光合磷酸化 )命名等问题。读后有些看法 ,现叙述如下 ,供读者阅读时参考。1 .光合磷酸化的发现和命名的由来　　 1 95 4年Ａｒｎｏｎ等[2 ,3] 发现在ＣＯ2 缺少时 ,离体叶绿体在光下能把ＡＤＰ和Ｐｉ合成ＡＴＰ。其反应式为 :ＡＤＰ Ｐｉ 叶绿体 ,光 ＡＴＰ。 ( 1 )同年 ,Ｆｒｅｎｋｅｌ等[4] 用光合细菌的游离细胞制剂做试验也发现了这种现象 ,从而发现…