第十九章氧化磷酸化和光合磷酸化——第三部分郭雪飞学号：201400140095 19.7光的吸收可见光是指电磁波谱中波长在400nm到700nm之间的光波，是从红光到紫光，它仅占整个电磁波谱的一小部分（图19.39）。

紫光末端的光子（光的量子）的能量要比红光末端的能量更高、波长更短、频率更高。

可见光的1摩尔光子（1爱因斯坦=61023个光子）的能量是170千焦到300千焦。

它可以有下面的普朗克方程式得到：E=hv，（其中h是普朗克常数（6.6261034J），v是光的波长）。

这些能量的数量级要比由ADP和磷酸合成ATP所需要的30到50kJ的能量更大。

当一个光子被吸收之后，光和色素（发色团）中的一个电子将会被释放到一个更高的能量级中。

这是一个偶联的过程，一个还有能量的光子被吸收后，就一定会促使电子转换。

吸收光子后的分子处于一个活跃的状态，这时的分子是极不稳定的。

一个被激发到高能量级的分子将会迅速滑落到低能量级上，激发态的分子也会衰退到稳定的基态，量子携带的能量将会被用于发光、发热或者是用于化学反应。

伴随着受激分子的衰退，也就是荧光而发射的光要比吸收时的光的波长要长，也就是能量较小（看表格12.2）。

在光合作用中一种重要的光衰退方式是将能量从激发态分子到临近分子的直接输入。

就想光子是光能的量子，这个激子是从激发态分子到临近分子转移能量的量子，这个转移过程我们成为激子转移。

叶绿素吸收光能进行光合作用类囊体膜上最重要的吸光色素是叶绿素。

它是一种类似血红蛋白中原卟啉的多环平面结构（见图5.1),只不过是处于中间位置的不是铁离子而是镁离子 (图19-40)。

叶绿素中有四个内取向的氮原子与Mg2协调配合。

所有叶绿素都有一条很长的叶绿醇侧链，它的羟基被四吡咯环上的羧基取代基酯化，叶绿素中也存在亚铁血红素中不存在的环状结构。

围绕在镁离子周围的杂五环系统能扩展成单键和双键交替出现的多烯结构。

这种多烯式结构决定了叶绿素在光谱的可见光区域具有强烈的吸光度(图19-41)。

叶绿素具有异常高的摩尔消光系数，因此特别适合于吸收在光合作用中的可见光。

叶绿体总是包含叶绿素a和叶绿素b(图19-40a)。

虽然都是绿色的,其吸收光谱却极为不同(图19-41)。

它们两者对于可见光的吸收恰好相互补充、相得益彰。

大多数植物包含的叶绿素a是叶绿素b 的两倍。

藻类和光合细菌的色素（叶绿素）与植物色素稍有不同。

叶绿素总是与特定的结合蛋白相互关联,形成捕光复合物（LHC)。

叶绿素、蛋白质、类囊体膜都有特定的结合模式。

获光复合物的详细的结构可以通过x射线衍射晶体学获得(图19-42)。

它包含七分子叶绿素a、五分子叶绿素b和两分子的辅助色素叶黄素(见下文)。

蓝细菌和红藻将藻红素、藻青素这样的藻胆色素最为它们自己的光和色素。

它们的开链四吡咯也能延伸成多烯结构，不过没有了环状结构和中心镁离子。

藻胆色素以特定的共价键与蛋白质相连形成藻胆蛋白，这是一个高度有序结合的蛋白复合物（图19-13），它组成了微生物中最主要的光捕获结构。

辅助色素可以扩展光的吸收范围除了叶绿素以外，叶绿体的类囊体薄膜上还有次级色素或者是辅助色素，比如类胡萝卜素。

类胡萝卜素可以是红色的、橙色的，也有可能是黄色的，其中最重要的是橙红色的胡萝卜素（类异戊二烯）和黄色的叶黄素（图19-40中的cd）。

类胡萝卜素可以吸收叶绿素不能吸收的波长的光，因此它是一种补充性质的光受体。

在促进光合作用的过程中对于不同颜色的光的吸收效率可以通过实验测定，制成吸收光谱，这对识别促使某种化学反应的色素种类十分有效。

通过捕捉光谱中不能被其他生物利用的光，这个生物需要一个独特的生态位。

比如蓝细菌和红藻中的藻胆色素可以吸收520到630nm的光，这种物质可以使它们占据更长或更短的波长的光已经被上层的其他生物或者是水本身吸收后的生态位。

叶绿体通过激子转换将吸收的能量转移到反应中心类囊体膜或者是细菌细胞膜上的叶绿素排列成一个个为光系统的功能集团。

比如在菠菜的叶绿体中，每一个光系统会含有200分子的叶绿素和50分子的类胡萝卜素。

一个光系统中的所有色素分子都可以吸收光子，但是只有几个结合在光系统中心的叶绿素分子才会有将光能装化为化学能的能力。

光系统中的其他色素分子成为捕光分子或者是天线分子，因为他们只能负责捕获光能然后运输到光系统中心。

捕光复合物中的叶绿素分子与那些自由存在的叶绿素分子在光吸收性质上稍有差别。

当分离的叶绿体分子在体外收到光的刺激时，吸收的能量很快以荧光火热的形式释放，但是在完整叶片中的叶绿素分子收到可见光的刺激时（19-43）很少能观察到荧光的产生。

相反，激发后的天线叶绿素分子能将能量直接传递给一个临近的叶绿素分子（2），当第一个分子回到基态时，后者就变成了激发态分子，这种能量传递我们称为激子转移，它可以继续连续到第三个、第四个，直到光反应中心的特殊的叶绿素a被激活为止。

在这个受激活的叶绿素分子中，一个电子被推到更高能级的轨道上，然后将该电子传给作为电子传递连一部分的临近电子受体，在叶绿素上留下一个空轨道（4）。

在这个传递过程中电子受体获得一个负电荷，反应中心的叶绿体失去一个电子，并被临近电子供体的一个电子所补充（5），后者因此携带正电荷。

通过这种方式，由关所引起的激发导致电荷分离，并开启了一个电子传递链。

第十九章第七节总结绿色植物叶绿体的光和磷酸化以及蓝细菌都会涉及到借助一系列膜电子载体的电子传递过程。

在绿色植物光反应的过程中，对光子的吸收会激发叶绿素分子和其他色素分子将能量转移到类囊体薄膜上的化学反应中心。

在反应中心中，光子激发可以导致电荷分离，从而产生一个电子供体和一个电子受体。

19.8中心的光化学反应——光驱动的电子流光合作用过程中光驱动的电子移动是通过类囊体薄膜上的酶系统来实现的。

现在关于光合作用机制的研究是针对细菌和蓝藻的研究来综合确立的。

对细菌光合作用复合体分子结构的测定（X射线衍射）使我们对光合作用中发生的分子事件有了深刻的了解。

细菌具有两类关化学反应中心中的一种对光和系统的研究的一种实在1952年发现的。

Louis发现了一种紫色细菌在特定波长的照射下导致了在同一波长下的光吸收的较少。

我们说被减退了。

后来，kok和witt的研究表明，680纳米和700nm的光也可以发挥类似的效用。

除此之外，加入非生物来源的电子受体Fe(CN)6]3_也会引起这种效应。

因此，色素的漂白是由于光化学反应中心的一个电子的失去导致的。

根据这些色素的漂白波长命名为p870、P680、P700。

光合细菌具有相对简单的光传导装置。

一种类型是将电子通过脱镁叶绿素传递给醌。

另一种是将电子通过醌传递给铁硫还蛋白。

蓝细菌和高等植物具有两种类型的光系统，他们串连在一起发挥作用。

对细菌光传导的装置的生物化学和生物物理研究揭示了反应中心的许多分子细节。

因此，这些细菌系统充当了高等植物中更为复杂的光传导装置。

细菌脱硫叶绿素—醌反应中心紫细菌中的光合作用细苗中的光合作用系统是由3个部分所组成的。

这3个部分：一个单一的反应中心（P870）、一个类似的于线粒体电子传递链中复合体三的细胞色素bc1电子传递链复合体和一个也很类似的线粒体的ATP合成酶。

光照驱动电子通过脱镁叶绿素和醌传到细胞色素bc1复合体；穿过该复合物之后，电子流过细胞色素c2返回到反应中心，回复到光照前的位置。

这个光驱动的循环式电子流为细胞色素bc1复合体泵送质子提供能量。

在所产生的质子梯度提供能量的情况下，ATP合酶分子催化ATP的合成，这与线粒体中所发生的完全一样。

通过X射线晶体学方法测出的紫细菌（绿色红假单包菌和球形红细菌）反应中心的三维机构为阐明光传导在细菌脱镁叶绿素反应中心如何发生解释了清楚。

绿色红假单胞菌的反应中心是一种大的蛋白质复合体，含有4种多肽链亚基和13种辅助因子。

图19-45b中所显示的电子按照顺序的快速转移是通过对细菌脱镁叶绿素-醌反应中心的物理学研究而阐明的，应用的方法是以光的短暂闪烁来激发光传递以及利用一系列的光谱学技术跟踪电子通过几种不同的载体的过程。

一对细菌叶绿素“特别对”是细菌反应中心的原初光化学反应化学位点。

由围绕反应中心周围的许多天线叶绿素分子中的一个叶绿素分子吸收一个光子所产生的能量通过激子转移传递给细菌的叶绿素a。

当这两个叶绿素分子一起吸收光子的时候，其中一个不再与电子结合松散，这一对电子就会闯过临近的叶绿素到达脱镁叶绿素分子。

这样的话可以产生两个自由基，一个带正电荷，一个带负电荷。

这之后细菌脱镁叶绿素将他的电子传递给一个紧密结合的醌分子，就会形成一个醌自由基，这个自由基将剩下的电子传递给第二个松散结合的醌分子。

经过两次的电子传递，就形成了QBH2，在磷脂双分子层中自由扩散，离开反应中心：QBH2的化学键中蕴含着光子激发P870的部分能量，他进入到分散的膜中，然后西东到细胞色素bc1复合体。

就像线粒体中的同源复合物一样，紫细菌的细胞色素bc1复合体将电子从一个苯醌供体传递一个电子受体，同时利用电子传递释放的能量泵送质子跨国细胞膜，产生一种质子驱动力，电子流经这个复合体的传递与电子流经过线粒体复合体三的路径是比较相似的。

紫细菌的最终电子受体是少一个电子的p780，然后流经极性细胞色素分子。

电子传递的过程完成了整个循环，是反应中心又回复到不漂白的状态，重新做好了从天线分子吸收另一个光子的准备。

铁硫反应中心绿硫细菌的光合作用有与紫细菌相同的3个组成成分，但是二者存在差异在几个方面。

这种类型的光合作用过程包含更多的酶促反应。

激子引起一个电子从反应中心经由一个苯醌电子载体转移到细胞色素bc1复合体。

电子流经过这一复合体的过程就是质子运输提供了动力，产生了用于ATP合成的质子驱动力。

这与紫细菌是一样的。

但是，与紫细菌不同的是，一些电子从反应中心流向一种铁硫蛋白——铁氧还蛋白，然后这种蛋白质可以将电子传递给NAD+的电子被硫化氢氧化成硫酸释放的电子补充，这是一个用以界定绿硫细菌的反应。

细菌中的硫化氢的这种氧化在化学上与高等植物中水的氧化是相似的。

防止内部转变导致能量散失的动力学和热力学因素反应中心复杂的结构是使光合作用更加有效的主要手段。

激发态原则上可以通过内部转变而衰减到基态，这是一个非常快速的过程，在这个过程中所吸收的光子的能量被变为热能。

反应中心能够防止这种变化导致的无效循环。

反应中心的蛋白质将细菌叶绿素、细菌脱镁叶绿素和苯醌以一定的顺序结构固定在一起。

因此在这些组分之间的光化学反应实际上就是一个固定的，这就是反应高效和快速的原因。

激子从天线色素带反应的中心特殊叶绿素对的传递效率大于90%。

在p870的3ps时间内的激发态，细菌脱镁叶绿素接受一个电子成为带负电的自由基。

200ps时间后，电子到达QB。