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来源：花匠小妙招时间：2024-08-20 13:23

　　植物利用光反应中形成的NADPH和ATP将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程，称为CO2同化(CO2 assimilation)或碳同化。根据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类：C3途径(C3 pathway)、C4途径(C4 pathway)和CAM(景天科酸代谢，Crassulacean acid metabolism)途径。

一、C3途径
　　糖和淀粉等碳水化合物是光合作用的产物，这在100多年前就知道了，但其中的反应步骤和中间产物用一般的化学方法是难以测定的。因为植物体内原本就有很多种含碳化合物，无法辨认哪些是光合作用当时制造的，哪些是原来就有的。况且光合中间产物量很少，转化极快，难以捕捉。1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术：(1)14C同位素标记与测定技术(可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的)；(2)双向纸层析技术(能把光合产物分开)。选用小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。

　　经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从CO2到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环或卡尔文本森循环(图4-17)。由于这条途径中CO2固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也叫做C3途径或C3光合碳还原循环(C3 photosynthetic carbon reduction cycle, C3PCR循环)，并把只具有C3途径的植物称为C3植物(C3 plant)。此项研究的主持人卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。图4-17 Calvin-Benson 循环(光合碳还原循环)
　　（一）C3途径的反应过程

　　 C3途径是光合碳代谢中最基本的循环，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途径。
　　 1.过程整个循环如图4-17所示，由RuBP开始至RuBP再生结束，共有14步反应，均在叶绿体的基质中进行。全过程分为羧化、还原、再生3个阶段。
　　(1)羧化阶段(carboxylation phase) 指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的反应过程(图4-17中的反应1)。以固定3分子CO2为例：
　　3RuBP+3CO2+3H2O PGA + 6H+
　　核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)具有双重功能，既能使RuBP与CO2起羧化反应，推动C3碳循环，又能使RuBP与O2起加氧反应而引起C2氧化循环即光呼吸(见本节二。光呼吸)。羧化阶段分两步进行，即羧化和水解：
　　在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上发生羧化反应形成2-羧基-3酮基阿拉伯糖醇-1,5-二磷酸(2-carboxy-3-ketoarabinitol-1,5-bisphosphate, 3-keto-2CABP)，它是一种与酶结合不稳定的中间产物，被水解后产生2分子PGA。
　　Rubisco有活化与钝化两种形态，钝化型酶可被CO2和Mg2+ 激活，这种激活依赖于与酶活性中心有关的赖氨酸(Lys)的ε-NH2基反应。首先钝化型酶的ε-NH2与CO2(起活化的CO22不是底物CO2)作用，形成氨基甲酰化合物(E-NH·COO-)，它与Mg2+ 作用形成活化型的酶(E-NH·COO·Mg2+ ,也称三元复合体ECM)，然后底物RuBP和CO2再依次结合到活化型酶上进行羧化反应：

　　图 4-18 Rubisco活化酶活化Rubisco的假说图解
　　Rubisco只有先与CO2、Mg2+作用才能成为活化型的ECM，如果先与RuBP(或RuBP类似物)结合，就会成为非活化型的E-RuBP。Rubisco活性还被叫做Rubisco活化酶(activase)的酶调节。关于此活化酶的作用由图4-18所示：在暗中钝化型Rubisco与RuBP结合形成E-RuBP后不能发生反应；在光下，活化酶由ATP活化，让RuBP与Rubisco解离，使Rubisco发生氨甲酰化，然后与CO2和、Mg2+结合形成ECM，促进RuBP的羧化。

Rubisco的假说图解
图 4-18 Rubisco活化酶活化

　　(2)还原阶段(reduction phase) 指利用同化力将3-磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸的反应过程(图4-17中的反应2、3)：
　　6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H+→→6GAP+6ADP+6NADP+ + 6Pi (4-34)
　　羧化反应产生的PGA是一种有机酸，要达到糖的能级，必须使用光反应中生成的同化力，ATP与NADPH能使PGA的羧基转变成GAP的醛基。当CO2被还原为GAP时，光合作用的贮能过程便基本完成。
　　(3)再生阶段(regeneration phase) 指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的过程(图4-17中的反应4～14)。
　　5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+
　　这里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反应。最后由核酮糖-5-磷酸激酶(Ru5PK)催化，消耗1分子ATP，再形成RuBP。
　　C3途径的总反应式可写成：
　　3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP+ +3H+ (4-36)

　　可见，每同化一个CO2需要消耗3个ATP和2个NADPH，还原3个CO2可输出1个磷酸丙糖(GAP或DHAP)，固定6个CO2可形成1个磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可运出叶绿体，在细胞质中合成蔗糖或参与其它反应；形成的磷酸己糖则留在叶绿体中转化成淀粉而被临时贮藏。
　　2．能量转化效率以同化3个CO2形成1个磷酸丙糖为例。在标准状态下每形成1mol GAP贮能1460 kJ，每水解1mol ATP放能32 kJ，每氧化1mol NADPH放能220 kJ，则C3途径的能量转化效率为91% 〔1460/(32×9+220×6)〕，这是一个很高的值。然而在生理状态下，各种化合物的活度低于1.0，与上述的标准状态有差异，另外，要维持C3光合还原循环的正常运转，其本身也要消耗能量，因而一般认为，C3途径中能量的转化效率在80%左右。
　　（二）C3途径的调节
　　1.自(动)催化作用(autocatalysis) 植物同化CO2速率，很大程度上决定于光合碳还原循环的运转状态，以及光合中间产物的数量。暗中的叶片移至光下，最初固定CO2速率很低，需经过一个“滞后期”后才能达到光合速率的“稳态”阶段。其原因之一，是暗中叶绿体基质中的光合中间产物，尤其是RuBP的含量低。在C3途径中存在一种自动调节RuBP浓度的机制(图4-19)，即在RuBP含量低时，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不输出循环，而用于RuBP的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳还原循环到达“稳态”时，形成的磷酸丙糖再输出。这种调节RuBP等光合中间产物含量，使同化CO2速率处于某一“稳态”的机制，就称为C3途径的自(动)催化作用。
　　2.光调节作用光除了通过光反应对CO2同化提供同化力外，还调节着光合酶的活性。C3循环中的Rubisco、PGAK、GAPDH、FBPase,SBPase,Ru5PK都是光调节酶(图4-17中打圈处)。光下这些酶活性提高，暗中活性降低或丧失。光对酶活性的调节大体可分为两种情况，一种是通过改变微环境调节，另一种是通过产生效应物调节。
　　(1)微环境调节 光驱动的电子传递使H+向类囊体腔转移，Mg2+ 则从类囊体腔转移至基质，引起叶绿体基质的pH从7上升到8，Mg2+浓度增加。较高的pH与Mg2+浓度使Ｒubisco光合酶活化。
　　(2)效应物调节 一种假说是光调节酶可通过Fd-Td(铁氧还蛋白硫氧还蛋白)系统调节。FBPase、GAPDH、Ru5PK等酶中含有二硫键(－S－S－)，当被还原为2个巯基(－SH)时表现活性。光驱动的电子传递能使基质中Fd还原，进而使Td(硫氧还蛋白，thioredoxin)还原，被还原的Td又使FBPase和Ru5PK等酶的相邻半胱氨酸上的二硫键打开变成2个巯基，酶被活化。在暗中则相反，巯基氧化形成二硫键，酶失活。调节过程可用图4-20表示。

　　图4-20 Fd-Td系统活化酶的图解
　　3.光合产物输出速率的调节根据质量作用定律，产物浓度的增加会减慢化学反应的速度。磷酸丙糖是能运出叶绿体的光合产物，而蔗糖是光合产物运出细胞的运输形式。磷酸丙糖通过叶绿体膜上的Pi运转器运出叶绿体，同时将细胞质中等量的Pi运入叶绿体。磷酸丙糖在细胞质中被用于合成蔗糖，同时释放Pi。如果蔗糖的外运受阻，或利用减慢，则其合成速度降低，随之Pi的释放减少，而使磷酸丙糖外运受阻。这样，磷酸丙糖在叶绿体中积累，从而影响C3光合碳还原环的正常运转。另外，叶绿体的Pi浓度的降低也会抑制光合磷酸化，使ATP不能正常合成，这又会抑制Rubisco活化酶活性和需要利用ATP的反应。

五、C3、C4、CAM植物的特性比较及鉴别
　　(一)C3、C4、CAM植物的特性比较及鉴别
　　1.特性比较 C3植物，C4植物和CAM植物的光合作用与生理生态特性有较大的差异。见表4-4。
　　2.鉴别方法除根据表4-4各类植物的主要特征加以鉴别外，在此再介绍几种判断的方法：

　　(1)从碳同位素比上划分 是一种常用于植物碳代谢分类的测定方法。所谓碳同位素比是指样品与标样(美洲拟箭石,一种古生物化石，其13C/12C为1.16‰)之间碳同位素比值的相对差异，以δ13C(‰)表示：
　　δ13C(‰)＝〔 (试样的) 13C/12C (标样的)13C/12C -1〕×1000 (4-41)
　　碳同位素比可作为碳代谢分类的方法，是基于各类植物对12C与13C的亲和力不同。C3植物的Rubisco是以CO2为底物，固定12C比13C要容易些，C4植物的PEPC则是以HCO3-为底物，固定12C和13C的速率基本相等。
　　将植物体燃烧释放出来的CO2分别按12CO2和13CO2进行定量分析，测定的结果，C3植物的δ13C为-35‰～-24‰，C4植物为-17‰～-11‰，CAM植物为-34‰～-13‰。无论是用干燥的植物或是植物体化石，只需取极少量的样品就能测定δ13C(‰)
　　(2)从植物进化上区分 C3植物较原始，C4植物较进化。蕨类和裸子植物中就没有C4植物，只有被子植物中才有C4植物。同样，木本植物中还未发现C4植物，只有草本植物　　(3)从分类学上区分 C4植物多集中在单子叶植物的禾本科中，约占C4植物总数的75%，其次为莎草科。世界上危害最严重的18种农田杂草有14种是C4植物，它们生长得快，具有很强的竞争优势。例如稗草、香附子、狗牙根、狗尾草、马唐、蟋蟀草等都是C4植物。双子叶植物中C4植物多分布于藜科、大戟科、苋科和菊科等十几个科中。而豆科、十字花科、蔷薇科、茄科和葫芦科中都未出现过C4植物。
　　(4)从地理分布上区分 由于C3植物生长的适宜温度较低，而C4植物生长的适宜温度较高，因而在热带和亚热带地区C4植物相对较多，而在温带和寒带地区C3植物相对较多。在北方早春开始生长的植物几乎全是C3植物，直至夏初才出现C4的植物。CAM植物主要分布在干旱、炎热的沙漠沙滩地区。
　　(5)从植物外形上区分 由于C3植物栅栏组织和海绵组织分化明显，叶片背腹面颜色就不一致，而C4植物分化不明显，叶背腹面颜色就较一致，多为深绿色。C3植物BSC不含叶绿体，外观上叶脉是淡色的，而C4植物BSC含有叶绿体，叶脉就显现绿色。另外，C3植物叶片上小叶脉间的距离较大，而C4植物小叶脉间的距离较小。若从外观上断定是C3植物，毫无疑问它的内部结构也属于C3植物。若从外观上断定是C4植物，不妨再作一下叶片的镜检，是否具有花环结构，测一下CO2补偿点或光下向无CO2气体中的CO2释放量(光呼吸速率)。通常C4植物的这两个测定值都较低。
　　一般CAM植物是多肉型的，往往具有角质层厚、气孔下陷等旱生特征。景天科植物中的景天、落地生根、费草、瓦松、石莲花等的叶子较厚，可贮藏水分，叶面上有蜡质层，且多半能由一段茎或一片叶子长成一个植物体。另外，CAM植物的生长量大多很低。
　　(二)C3、C4、CAM植物的相互关系
　　从生物进化的观点看，C4植物和CAM植物是从C3植物进化而来的。在陆生植物出现的初期，大气中CO2浓度较高，O2较少，光呼吸受到抑制，故C3途径能有效地发挥作用。随着植物群体的增加，O2浓度逐渐增高，CO2浓度逐渐降低，一些长期生长在高温、干燥气候下的植物受生态环境的影响，也逐渐发生了相应的变化。如出现了花环结构，叶肉细胞中的PEPC和磷酸丙酮酸二激酶含量逐步增多，形成了有浓缩CO2机制的C4-二羧酸循环，形成了C3-C4中间型植物乃至C4植物，或者形成了白天气孔关闭，抑制蒸腾作用，晚上气孔开启，吸收CO2的CAM植物。不过，不论是哪一种光合碳同化类型的植物，都具有C3途径，这是光合碳代谢的基本途径。C4途径、CAM途径以及光呼吸途径只是对C3途径的补充。也由于长期受环境的影响，使得在同一科属内甚至在同一植物中可以具有不同的光合碳同化途径。例如禾本科黍属的56个种内有C4植物种47个，C3植物种8个，C4中间类型1个；在大戟属和碱蓬属内，则同时包括C3、C4和CAM植物。禾本科的毛颖草在低温多雨地区为C3植物，而在高温少雨地区为C4植物。C3植物感病时往往会出现C4植物的特征，如C3植物烟草感染花叶病毒后，PEPC代替了被抑制了的Rubisco，在幼叶中出现了C4途径。玉米幼苗叶片具有C3特征，至第五叶才具有完全的C4特性。C4植物衰老时，会出现C3植物的特征。也有一些肉质植物在水分胁迫条件下由C4途径转变为CAM途径。CAM植物则有专性和兼性之分。
　　总之，不同碳代谢类型之间的划分不是绝对的，它们在一定条件下可互相转化，这也反映了植物光合碳代谢途径的多样性、复杂性以及在进化过程中植物表现出的对生态环境的适应性。