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。     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅸ.抗生素HP-1对光合磷酸化的解联作用

抗生素HP-1在10~(-7)～10~(-6)M时可以有效地降低光合磷酸化活力,并促进电子传递。它象氯化铵一样能降低光照射时类囊体的质子吸收,但在降低光合磷酸化活力时,既不象氯化铵那样受反应液中磷酸盐浓度的影响,又不象尼日利亚菌素那样依赖反应液中K~+存在。抗生素HP-1可以作为一种新的解联剂而用于光合磷酸化及生物能量转换反应的研究。     

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。     

光合磷酸化偶联机制的研究——Ⅲ.胺对光合磷酸化的促进作用

进一步研究比较了氯化铵和一些胺对光合磷酸化的影响。发现甲基胺等在低浓度(2×10~(-4)M)时,对光合磷酸化的影响与氯化铵相似,但它对磷酸盐的浓度要求较氯化铵低。用pH电极法测得氯化铵和甲基胺在促进光合磷酸化的浓度下时,能降低类囊体的质子吸收。2×10~(-4)M的氯化铵和甲基胺在高浓度磷酸盐存在时,也能促进闪光下的光合磷酸化,但对叶绿体的延迟发光无明显影响。     

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。     

光合磷酸化的研究——XVII.循环光合磷酸化与短波光反应的关系

一般认为PMS与維生素K和FMN不同,无論在有氧或无氧条件下都催化眞循环光合磷酸化,其电子傳递过程无需短波光反应和分子氧的参与。但是文献中記載的关于PMS系統的实驗結果也还有不少与上述結論不一致之处。例如有人指出氧气对PMS-磷     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅳ.金霉素荧光效应及其在偶联因子上作用部位的研究

对溶液 pH、脂类物质、糖浓度、类囊体膜、膜上偶联因子和可溶性偶联因子以及 Mg~(2 )等对金霉素荧光的影响作了研究。结果指出,金霉素与偶联因子结合的荧光峰在440 nm,金霉素与摘除偶联因子后的类囊体膜片结合的荧光峰在530nm。Mg~(2 )可改变金霉素荧光峰的位置及强度,但偶联因子与金霉素的结合与Mg~(2 )无关。 偶联因子经0℃处理变性和用戊二醛处理使结构固定后,它的ATP酶活力下降,金霉素荧光增强效应几乎消失。 用已知作用部位的化学修饰剂NEM和OPDM以及TNBS处理叶绿体或偶联因子时,光合磷酸化和ATP酶活力下降,但加入金霉素可减少NEM和OPDM对光合磷酸化的抑制程度而对TNBS抑制的光合磷酸化活力影响不大。经NEM和OPDM处理后的偶联因子,对金霉素荧光的增强效应显著下降,而经TNBS处理的偶联因子,对金霉素荧光的增强效应仅略有下降。从上述结果推测,金霉素可能是与偶联因子上的γ亚单位或其邻近的区域结合而影响其功能的。     

光合磷酸化机制研究的发展

光合作用的研究是一个既有重大理论意义又具有重大应用前景的课题。1957年制订我国自然科学远景规划时,这个课题才提到日程上来。殷宏章先生为发展我国自然科学,在我所领导创建了光合作用实验室,开辟了对光合作用机制的研究领域。 50年代,Calvin等阐明了光合碳循环需要ATP提供能量之后Arnon,Frenkel等分别发现离     

光合磷酸化的研究 Ⅳ.Mehler反应与光合磷酸化

我們同时測定了小麦离体叶綠体的Mehler反应与光合磷酸化作用,結果指出: 1.光合磷酸化輔助因素Vit.K及FMN促进Mehler反应,PMS无影响。2.离体叶綠体不加輔助因素或加入Vit.K或FMN的情况下,ATP与CH_3CHO的形成量有一定的数量关系。由此算出的P/O值約为同时測定的K_3Fe(CN)_6系統的P/O值的二倍。在偶联得完全的制剂中,P/O值达2。3.无論对电子传递还是磷酸化作用,pH、解联剂(NH_4~ )及叶綠体保存时間对Vit.K及K_3Fe(CN)_6系統的影响均有一致的趋势。4.在有氧条件下,P/O值与輔助因素的浓度无关。本文結果指出了Mehler反应与FMN或Vit.K导致的光合磷酸化实际上发生在同一个过程中,这样就进一步肯定了Vit.K与FMN导致的光合磷酸化都是属于非循环方式。对它們在生理上的可能作用也作了簡短的討論。     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅵ.叶绿体完整度对P/e_2值的影响

完整叶绿体的P/e_2值并不一定都大于破碎叶绿体,但如用水胀破叶绿体,则往往引起解联作用。在不同磷酸盐浓度下,观察到完整叶绿体制剂和同一制剂经TN缓冲液胀破被膜后的P/e_2值变化不一样。类似现象可在STN缓冲液制备的普通叶绿体及同一制剂的悬浮液中加入MgCl_2后的对比中看到。     

水稻白化苗质体中光合磷酸化偶联因子的存在

用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离水稻白化苗质体EDTA提取物的蛋白,在偶联因子的位置有一带出现;白化苗质体具膜上(Mg~(++)—Ca~(++))—ATP酶活力,质体膜与菠菜类囊体残缺膜重组后有光合磷酸化活力。分部离心和电镜观察的结果表明,活力检测中所用的600～1500×g之间的沉降部分确属质体部分,证明白化苗质体中有光合磷酸化偶联因子的存在。     

光合磷酸化的研究 Ⅵ.2,6-二氯酚靛酚光还原过程中的偶联磷酸化

1958年,Arnon首先发现在辅酶Ⅱ的光还原过程中,同时有ATP的形成,即所谓偶联光合磷酸化或非循环光合磷酸化。随后又肯定了K_3Fe(CN)_6及苯醌作为希尔氧化剂时的偶联磷酸化。在常用的希尔氧化剂中,DCPIP却是一个例外。大家知道,     

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。     

光合磷酸化的研究——Ⅻ.细菌载色体的非循环光合磷酸化

研究兼性厌氧紫色非硫螺旋菌及严格厌氧紫色硫细菌的离体载色体的非循环光合磷酸化,结果指出: (1)在厌氧并用HOQNO抑制载色体循环光合磷酸化的情况下,以过量维生素丙及催化量DCPIP为电子供体时,维生素K_3,FMN,反丁烯二酸等化合物均可作为电子受体构成非循环光合磷酸化。(2)在有氧状态时,维生素丙及DCPIP为电子供体的非循环光合磷酸化能以分子氧为最终电子受体。外加任何电子受体,不再促进磷酸化活力。(3)紫色硫细菌的载色体尚能以H_2S为电子供体与维生素K_3构成非循环光合磷酸化。(4)在载色体中的氢化酶的催化下,分子氢可以通过DCPIP,在光下联接于维生素K_3或反丁烯二酸的还原。其所偶联的磷酸化,具有非循环类型的特性。基于上述结果,对非循环光合磷酸化在光合细菌中的生理意义作了简短的讨论。     

叶绿体结构和功能的研究 Ⅱ.光合磷酸化偶联因子的提纯和互换

前报指出高等植物不同品种间偶联因子互换,光合磷酸化活力的恢复比同种重组的高。但所用的偶联因子是粗提物或部分提纯的制备物。因此,用提纯的偶联因子来检定此效应很有必要。本文比较了几种提取纯化偶联因子的方法,发现叶绿体先经氯化钾稀溶液除去杂蛋白质,再用乙二胺四乙酸(EDTA)稀溶液提取,提取物在聚丙烯酰胺凝胶电泳上表现为单带。菠菜的残缺膜片与用此种方法提纯的蚕豆或大麦偶联因子(CF_1)保温时,恢复的磷酸化活力仍比与菠菜提纯的偶联因子重组活力高。所以我们认为,不同品种间互换偶联因子的增益效应是由于偶联因子本身,而非粗提液中所含的其他物质的作用。     

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。     

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。     

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…