光合磷酸化

植物叶绿体的类囊体膜或光合细菌的载色体利用光能从腺苷二磷酸 (ADP) 和无机磷酸 (P_i) 合成腺苷三磷酸 (ATP) 的过程。1954 年 D.I. 阿尔农等和 A.W. 弗伦克尔先后在植物叶绿体和光合细菌载色体中发现此反应。光合磷酸化在光合作用能量转换中起关键作用，将由光能推动形成的电位能转变为 ATP 分子中的化学能，贮存并推动碳同化等反应。

按偶联磷酸化的光合电子传递链的不同，光合磷酸化可分 3 种类型。

非循环（非环式）光合磷酸化

ATP 形成偶联于电子从 H₂O 到 NAD⁺ 的需光系统Ⅱ (PSⅡ) 和光系统Ⅰ (PSⅠ) 参与的非循环电子传递。在这个途径中，水解放出氧气，其电子经一系列电子载体传递，最后将 NAD⁺ (E₀' = -0.34 V) 还原。电子传递过程中偶联形成 ATP。

循环（环式）光合磷酸化

ATP 形成偶联于只牵涉 PSⅠ、不释放氧气也不氧化或还原其他物质的循环电子传递。循环与非循环光合磷酸化二者可能共用一部分电子传递链（见光合电子传递）。

假循环（假环式）光合磷酸化

离体叶绿体在不外加电子受体时照光，可慢慢地吸收氧气。加入天然电子受体 Fd 则氧气的吸收增加，因为 Fd 被 PSⅠ 还原，还原态 Fd 与 O₂ 反应产生过氧化基 O₂⁻，O₂⁻ 再被还原态 Fd 还原为 H₂O₂。

Fd (还原态) + O₂ → O₂⁻ + Fd (氧化态)

Fd (还原态) + O₂⁻ + 2H⁺ → H₂O₂ + Fd (氧化态)

在 Fd 所催化的体内假循环电子传递中，最终电子受体是氧，同时 ATP 相伴形成。

在三碳植物的光合作用中，同化 1 分子 CO₂ 并还原到 [CH₂O] (碳水化合物) 水平，需 2 分子 NADPH 和 3 分子 ATP，其 ATP/2e^- 比值应为 1.5。非循环电子传递链从 H₂O 传递 4 个电子到 NADP⁺ 形成 2 分子 NADPH，并可形成 3 分子 ATP，即 ATP/2e^- 比为 1.5。

在四碳植物的四碳途径中，每同化 1 分子 CO₂ 需要 5 分子 ATP，2 分子 NADPH，较一般三碳植物的光合碳循环多需要 2 分子 ATP。叶肉细胞叶绿体双羧酸途径的这种“额外”需要，由维管束鞘细胞的无基粒叶绿体所进行的循环光合磷酸化来提供。

循环光合磷酸化产生的 ATP，还可作为蛋白质合成、葡萄糖同化、K⁺ 吸收与气孔运动等的能源。它在光合作用的演化过程中出现较早。

多年来人们探寻连接电子传递和磷酸化之间的高能中间物质（或状态）的存在及其性质。沈允钢和沈巩楙于 1962 年，G. 欣德和 A.T. 贾根多夫于 1963 年，先后发现小麦和菠菜叶绿体在光下形成某种高能态，在黑暗中可推动 ADP 和 P_i 形成 ATP。以后发现，不同植物的叶绿体和光合细菌载色体照光后均可形成高能态，表明它的存在是普遍的。从这种高能态与光合磷酸化之间的关系判断，它就是光合磷酸化的中间物。

在叶绿体、线粒体和光合细菌载色体中，进行光合磷酸化或氧化磷酸化时，电子传递和 ATP 形成之间的偶联机理是相似的。对这个偶联机理的解释有化学假说、化学渗透假说、膜上区域化质子假说和变构假说。

化学假说

英国 E.C. 斯莱特于 1953 年提出，假设在偶联过程中形成高能中间物 (～X)，其能量足以推动 ATP 形成。这个假说提出之后，始终未能分离或证实所假设的高能中间物。

化学渗透假说

1961 年英国 P.D. 米切尔提出，认为不是中间化合物，而是以膜两侧的电位差和离子 (质子) 浓度差推动 ATP 的形成。从叶绿体、线粒体和载色体等不同能量转换系统中得到的证据，使此学说成为生物力能学的基本理论，米切尔因而获得 1978 年诺贝尔化学奖。这个假说有 4 个基本的前提或假设：①叶绿体或线粒体偶联磷酸化的膜（类囊体膜、线粒体内膜）主要由疏水的脂肪及多肽所组成，H⁺ 不易透过；②有一个定向转移质子的氧化还原系统嵌在膜上，由其中的氢离子载体及电子载体从膜的一侧水相中吸收一个质子，在膜的另一侧放出一个质子，从而形成跨膜的质子浓度差或 ΔpH。这种机构也称为质子泵。膜两侧的质子浓度差还引起一个膜两侧的电位差 (ΔΨ)。ΔpH 和 ΔΨ 二者共同组成质子动子势 (pmf)，是推动 ATP 形成所需的高能态；③膜上有一个偶联于质子转移的阴离子阳离子交换扩散系统，离子交换可以控制 ΔΨ 和 ΔpH 在 pmf 中所占的比重；④膜上嵌有一转移质子的可逆的 ATP 酶系统，即加水/去水系统。由氧化还原反应所产生的质子，在该系统作用下，使 ADP 与 P_i 脱水形成 ATP。质子返回时，转移数与 ATP 形成量之间有准量关系。

大量实验结果支持米切尔的设想。当对无缓冲的叶绿体悬浮液照光时，引起 H⁺ 吸收，同时类囊体内水相变酸，类囊体膜内外质子浓度差可达 3～3.5 pH 单位，膜电位差可达 10～100 毫伏。进行光合磷酸化时，质子梯度减少，并加速了反映类囊体内膜电位差形成 (<20 纳秒) 的 515 纳米处吸收的衰减，即降低了 pmf。ΔpH 和 ΔΨ 在光合磷酸化反应起始或恒态下的贡献不同，它们可以单独或共同推动 ATP 形成。

化学渗透假说并不排除化学假说所假设的有 ～X 可推动离子泵和 ATP 形成的可能性；也不排除膜上的电子传递系统和 ATP 酶系统之间有更直接的能量转换方式。

膜上区域化质子假说

R.J.P. 威廉斯 1961 年提出，假定与氧化还原反应同时产生的质子，在膜的疏水区域内积累。这些无水质子在膜内以比在水中高得多的速度沿一系列氢链传递到达 ATP 酶，推动 ATP 和 P_i 脱水形成 ATP。该假说强调区域化质子的化学势和电子传递链上蛋白质－电子载体的构象变化在能量转换中起决定性作用，跨膜的 ΔpH 和 ΔΨ 势差不直接参与能量的积聚、贮存和转换。

变构假说

P.D. 博耶在 1965 年提出，认为能量转换的中间步骤不是“高能化合物”或者跨膜的质子浓度差，而是膜上有关的蛋白质的构象变化。这个假说在 1973 年以后发展为：从氧化还原反应的能量以蛋白质构象变化的形式提供，使在催化部位早已形成的非共价结合的 ATP 释放，而 ATP 的形成则不需要能量。

偶联因子 H⁺-ATP 酶复合体的结构与功能

光合磷酸化反应最终形成 ATP 的关键酶是 ATP 酶复合体 (CF₁-CF₀)。起催化作用的主要是此复合体中的亲水性蛋白偶联因子 (CF₁)。CF₁ 位于叶绿体未垛叠部分的类囊体膜的外表面上，为直径 10 纳米的颗粒，可以用乙二胺四乙酸 (EDTA) 从膜上洗脱，经活化处理后，可表现出催化 ATP 水解的 ATP 酶活力。CF₁ 由 α, β, γ, δ, ε 等 5 种不同的亚单位组成，各亚单位都是多肽，它们分别承担不同的催化或调节功能。CF₀ 是嵌于膜上的疏水性蛋白，由 4 种不同的亚单位组成。其功能是作为膜的质子通道，将类囊体膜内部质子跨膜传导给 CF₁。

• 阿尔农, D.I., 弗伦克尔, A.W. 光合磷酸化的发现. 1954.
• 沈允钢, 沈巩楙. 小麦叶绿体光下高能态的形成. 1962.
• 欣德, G., 贾根多夫, A.T. 菠菜叶绿体光下高能态的研究. 1963.
• 斯莱特, E.C. 氧化磷酸化偶联的化学假说. 1953.
• 米切尔, P.D. 化学渗透假说. 1961.
• Williams, R.J.P. 膜上区域化质子假说. 1961.
• Boyer, P.D. 变构假说. 1965.
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