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。
（一）C3途径的反应过程
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：
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。
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)
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。
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。 |
| 二、光呼吸 植物的绿色细胞在光照下有吸收氧气,释放CO2的反应，由于这种反应仅在光下发生，需叶绿体参与，并与光合作用同时发生，故称作为光呼吸(photorespiration)。 (一)光呼吸的发现 1920年瓦伯格在用小球藻做实验时发现，O2对光合作用有抑制作用，这种现象被称为瓦伯格效应(Warburg effect)。这实际上是氧促进光呼吸的缘故。 1955年德克尔(J.P.Decher)用红外线CO2气体分析仪测定烟草光合速率时，观察到对正在进行光合作用的叶片突然停止光照，断光后叶片有一个CO2快速释放(猝发)过程。CO2猝发(CO2 outburst)现象实际上是光呼吸的“余辉”，即在光照下所形成的光呼吸底物尚未立即用完，在断光后光呼吸底物的继续氧化。现在通常把1955年作为发现光呼吸的年代。1971年托尔伯特(Tolbert)阐明了光呼吸的代谢途径。 (二)光呼吸的生化途径 现在认为光呼吸的生化途径是乙醇酸(glycolate)的代谢，主要证据：(1)14CO2能掺入到乙醇酸中去，而且光下能检测到光呼吸释放的14CO2来自14C乙醇酸；(2) 18O2能掺入到乙醇酸以及甘氨酸与丝氨酸的羧基上；(3)增进光呼吸的因素，如高O2、高温等也能刺激乙醇酸的合成与氧化。乙醇酸的生成反应是从Rubisco加氧催化的反应开始的。
图4-21 光呼吸途径及其在细胞内的定位 通常认为，乙醇酸的代谢要经过三种细胞器：叶绿体、过氧化体和线粒体。整个生化过程如图4-21所示。乙醇酸从叶绿体转入过氧化体，由乙醇酸氧化酶催化氧化成乙醛酸，这个过程中生成的H2O2在过氧化氢酶的催化下分解成H2O和O2。乙醛酸经转氨作用转变为甘氨酸，甘氨酸在进入线粒体后发生氧化脱羧和羟甲基转移反应转变为丝氨酸，丝氨酸再转回过氧化体，并发生转氨作用，转变为羟基丙酮酸，后者还原为甘油酸，转入叶绿体后，在甘油酸激酶催化下生成的3-磷酸甘油酸又进入C3途径，整个过程构成一个循环。其中耗氧反应部位有两处，一是叶绿体中的Rubisco加氧反应，二是过氧化体中的乙醇酸氧化反应。脱羧反应则在线粒体中进行，2个甘氨酸形成1个丝氨酸时脱下1分子CO2。从RuBP到PGA的整个反应总方程式为： RuBP 15O2 11H2O 34ATP 15NADPH 10FdRED  5CO2 34ADP 36Pi 15NADP 10FdOX 9H 因为光呼吸底物乙醇酸和其氧化产物乙醛酸，以及后者经转氨作用形成的甘氨酸皆为C2化合物，因此光呼吸途径又称为C2光呼吸碳氧化循环(C2photorespiration carbon oxidation cycle, PCO循环)，简称C2循环。 (三）光呼吸与“暗呼吸”的区别
光呼吸需在光下进行，而一般的呼吸作用，光下与暗中都能进行，所以相对光呼吸而言，一般的呼吸作用被称作“暗呼吸”(dark respiration)。两者主要区别见表4-3。另外光呼吸速率也要比“暗呼吸”速率高3～5倍。 (四)光呼吸的意义 从碳素角度看，光呼吸往往将光合作用固定的20%～40%的碳变为CO2放出(C3植物)；从能量角度看，每释放1分子CO2需消耗6.8个ATP，3个NADPH和2个高能电子[据式（4-39）算]，显然，光呼吸是一种浪费。那么，在长期的进化历程中光呼吸为什么未被消除掉?这可能与Rubisco的性质有关。Rubisco自身不能区别CO2和O2，它既可催化羧化反应，又可以催化加氧反应，即CO2和O2竞争Rubisco同一个活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。Rubisco是进行羧化还是加氧，取决于外界CO2浓度与O2浓度的比值。在人为提供相同浓度CO2和O2的条件下，Rubisco的羧化活性是加氧活性的80倍。在产生绿色植物光合作用的最初阶段，大气中CO2/O2的比值很高，加氧酶活性被抑制，但随着绿色植物光合作用的进行，大气中CO2/O2比值逐渐降低，加氧酶活性就表现出来。在25℃下，与空气平衡的水溶液中CO2/O2的比值为0.0416，这时羧化作用与加氧作用的比值约为3∶1。既然在空气中绿色植物的光呼吸是不可避免的，那它在生理上有什么意义呢?推测如下： 1.回收碳素 通过C2碳氧化环可回收乙醇酸中3/4的碳(2个乙醇酸转化1个PGA，释放1个CO2)。 2.维持C3光合碳还原循环的运转 在叶片气孔关闭或外界CO2浓度低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持光合碳还原循环的运转。 3.防止强光对光合机构的破坏作用 在强光下，光反应中形成的同化力会超过CO2同化的需要，从而使叶绿体中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高。同时由光激发的高能电子会传递给O2，形成的超氧阴离子自由基O-·2会对光合膜、光合器有伤害作用，而光呼吸却可消耗同化力与高能电子，降低O-·2的形成，从而保护叶绿体，免除或减少强光对光合机构的破坏。 4.消除乙醇酸 乙醇酸对细胞有毒害，光呼吸则能消除乙醇酸，使细胞免遭毒害。另外，光呼吸代谢中涉及多种氨基酸的转变，这可能对绿色细胞的氮代谢有利。C3植物中有光呼吸缺陷的突变体在正常空气中是不能存活的，只有在高CO2浓度下(抑制光呼吸)才能存活，这也说明在正常空气中光呼吸是一个必需的生理过程。 |
