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。     

光合磷酸化的研究 Ⅲ.闪光下的光合磷酸化作用

1.在1×10~(-3)秒強閃光下,Vit K,FMN及Fe(CN)_6~≡偶联的光合磷酸化的每閃产量达到最高所需的暗时間相等,在10—20度时为0.05—0.07秒。这与光合作用及希尔反应的暗反应速度相似。而循环光合磷酸化所需的暗时間却要短1—2倍。2.Vit K所导致的光合磷酸化的最高每閃产量高于PMS系統,且都受温度及閃时长短的影响。3.Vit K系統的最高每閃产量被3×10~(-5)二氮杂菲抑制了85%,而PMS系統則仅抑制40%。两系統的暗反应都受到程度相近的抑制。4.文章討論了PMS及Vit K系統途径的差异与暗反应速度之間的关系。     

光合磷酸化偶联机制的研究——高能态与光合磷酸化的关系

我们进一步研究了叶绿体照光时形成的高能态与光合磷酸化的关系。结果如下:恒态下,苯二胺等弱有机碱可大大促进高能态(Z~*)的积聚。但是在起始时间内与对照相比,Z~*的形成却被显著抑制,而对光合磷酸化(PSP)活力影响很小。这说明这时推动ATP形成的动力可由⊿H~+以外形式的高能态来提供。当叶绿体照光时,分别用可去除类囊体膜内外AH~+的解联剂NH_4Cl或可消除电位差(⊿E)的载离子体短杆菌环肽(G·D)处理,或者共同作用,Z~*的形成几平全被抑制,而PSP活力仍有少量残留。说明有AH~+、⊿E以外形式的高能态的存在,以推动ATP形成。叶绿体在预照光时加入无载体~(32)P_i,形成了Z～~(32)p。实验表明这Z～~(32)P可能是类囊体内源ATPb在光下磷酸化或ATPb与~(32)Pi交换的产物~(32)P～ATP。Z～~(32)P的形成不受NH_4Cl或G.D的抑制,即在去除AH~+或⊿E之后,~(32)P_i仍能参入CF_1上的结合态核苷酸形成ATP,说明CF_1构型变化所需的能最供给有的不是以AH~+或⊿E形式,设想有一种膜上高能态(M~*)直接参与。这M~*的性质及其在光合作用能量转化过程中的意义将有待深入研究。     

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。     

关于光呼吸与光合作用关系的研究——Ⅳ.光合滞后期

整体叶片、叶碎片、叶肉细胞、叶原生质体、叶绿体等不同层次的光合组织都有光合滞后期。一般整体叶片的光合滞后期与光呼吸滞后期相同,约30—60分钟,而排除气孔影响的去表皮叶片、细胞、原生质体等光合组织的滞后期仅为10分钟左右。叶片暗处理,滞后期延长;预照光,滞后期缩短;增加温度可提高滞后期的光合强度。滞后期产生的主要原因是光对酶的诱导以及光合碳循环中间产物增生需要一个准备过程。滞后期与光反应无直接关系。气孔开启时间是整叶滞后期比细胞滞后期延长的根本原因。     

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 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。     

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,     

光合磷酸化的研究——Ⅸ.邻二氮杂菲对闪光下循环及非循环光合磷酸化的抑制作用

在暗間隔0.16秒的3.3×10~(-4)秒閃光下,比較了PMS,Vit.K,FMN及Fe(CN)_6~≡光合磷酸化反应系統的每閃最高产量以及温度的影响,并观察邻二氮杂菲对这些反应系統每閃最高产量抑制的差异,以及在閃时延长时,它对閃光产量抑制程度的变化,得到結果如下: (1)在短閃光下,PMS,Vit.K,FMN及Fe(CN)_6~≡光合磷酸化反应系統的每閃最高产量都极接近,温度的影响也不太显著。(2)邻二氮杂菲对Vit.K,FMN及Fe(CN)_6~≡非循环光合磷酸化反应系統的每閃最高产量的50%抑制濃度都在0.96×10~(-5)M/左近,而对PMS系統的每閃最高产量的50%抑制濃度則力4.5×10~(-5)M。(3)邻二氮杂菲对PMS及Vit.K这两种类型的光合磷酸化反应系統在連續弱光下反应速度的50%抑制濃度与对这两反应系統的每閃最高产量的50%抑制濃度相同,即分别为4.5×10~(-5)M及0.95×10~(-5)M;同样温度(5℃)而光强增加到100000米烛光,则对这两反应系统反应速度的50%抑制浓度提高到依次为14.0×10~(-5)M及2.3×10~(-5)M。如果再把温度从5℃提升到30℃,则50%抑制浓度更提高到25.0×10~(-5)M及4.0×10~(-5)M。(4) 邻二氮杂菲对Vit.K系统的短闪光的每闪最高产量的抑制程度不受闪光光强影响,然而当闪光的闪时增加时,抑制剂对闪光产量的抑制程度则随闪时增加而减少。由此推论,邻二氮杂菲的抑制部位与光合磷酸化反应的光化作用中心有关,增加闪光闪时,或在连续光下增加光强,或在饱和光下提高温度都使光化作用中心增加重复利用而使抑制剂的抑制作用减弱。循环(PMS)及非循环(Vit.K,FMN,Fe(CN)_6~≡)光合磷酸化反应系统的闪光产量相同,而对邻二氮杂菲的敏感程度却相差很大的现象,可以用放氧及磷酸化各有一光化作用中心解释之。非循环光合磷酸化反应系统包括有放氧及磷酸化两个,而循环光合磷酸化反应系统则仅需磷酸化一个光化作用中心。     

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…     

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。     

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。