光對暗反應(yīng)中幾種關(guān)鍵酶的調(diào)控

邢瑞 殷寧

摘要 介紹了參與暗反應(yīng)的幾種關(guān)鍵酶，論述了它們的活性受到光的調(diào)控。

關(guān)鍵詞 光合作用 暗反應(yīng) 卡爾文循環(huán) 酶活性

中圖分類號Q-49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼E

光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段，暗反應(yīng)過程也被稱為卡爾文循環(huán)。在暗反應(yīng)中，CO2和受體1，5--磷酸核酮糖（RuBP，一種五碳糖）在1，5--磷酸核酮糖羧化酶/力口氧酶（ Rubisco）的作用下結(jié)合，形成一個(gè)不穩(wěn)定的六碳化合物，其隨即水解生成2分子的3-磷酸甘油酸（3-PGA）。3-PGA利用來自光反應(yīng)中的ATP和NADPH，并在酶的作用下被還原為3-磷酸甘油醛（3-GAP或G3P）。此時(shí)，光合作用的貯能過程完成，而生成的3-GAP -部分轉(zhuǎn)化為葡萄糖等有機(jī)物，一部分經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)重新變?yōu)镽uBP，參與下一次的循環(huán)。在暗反應(yīng)中一些關(guān)鍵酶發(fā)揮著重要作用，但它們的活性與光的調(diào)控密切相關(guān)。lRubisco、Rubisco激活酶

1.1 兩種酶的活性作用

Rubisco是一種雙功能酶，在其處于活性狀態(tài)下，O2和CO2都能競爭其活性部位。在細(xì)胞內(nèi)O2分壓高、CO2分壓低時(shí)，更多的RuBP與O2結(jié)合，體現(xiàn)加氧酶的功能;在細(xì)胞內(nèi)O2分壓低、CO2分壓高時(shí)，更多的RuBP與CO2結(jié)合，體現(xiàn)羧化酶的功能。影響植物光合速率的限制因子不是Rubisco的總量，而是被活化的Rubisco量。Rubisco活性受到Rubisco激活酶（Rubisco acti-vase，RCA）的調(diào)節(jié)，而RCA是由核基因編碼的，該酶與ATP水解耦聯(lián)而活化Rubisco。在黑暗條件下，Rubisco更容易結(jié)合RuBP，但沒有催化活性，因此RuBP也是Rubisco活性的強(qiáng)抑制劑;在光照條件下，RCA能使Rubisco的構(gòu)象發(fā)生變化，Rubisco釋放RuBP，作為活化輔助因子的C02（不作為羧化底物）結(jié)合到Rubisco大亞基活性位點(diǎn)（賴氨酸的氨基）上，隨即Rubisco迅速結(jié)合Mg2+，這樣Rubisco就具有了催化功能。

1.2 光對兩種酶的基因表達(dá)調(diào)控

高等植物的Rubisco由8個(gè)相同的大亞基和8個(gè)相同的小亞基組成。光照強(qiáng)度會(huì)影響Rubisco大、小亞基的基因轉(zhuǎn)錄水平。在小亞基基因的上游區(qū)域還有光調(diào)節(jié)的啟動(dòng)子，這種啟動(dòng)子中有光誘導(dǎo)的順式作用元件，被稱為光響應(yīng)元件（light responsive cis-ele-ments，LREs）。研究表明，在弱光下生長的黃瓜（cum-is sativus）葉片中rbcL、rbcS及rca的轉(zhuǎn)錄水平均有所下降，且Rubisco大小亞基的含量明顯減少，表明弱光嚴(yán)重影響了葉片中rbcL、rbcS及rca基因的表達(dá)，從而抑制了Rubisco和RCA的合成，在水稻中也有類似的發(fā)現(xiàn)。一些研究對5d齡的黃化豌豆幼苗用紅光、遠(yuǎn)紅光和白光三種不同光源處理后，發(fā)現(xiàn)Rubisco兩種亞基的mRNA水平、酶合成速率和酶含量發(fā)生變化。紅光處理后兩種亞基的mRNA水平上升，白光處理能加強(qiáng)紅光的作用，而遠(yuǎn)紅光處理則起抑制作用。這些結(jié)果表明，Rubisco的光誘導(dǎo)由光敏色素介導(dǎo)并受兩種mRNA水平的控制。在對水稻RCA的研究中發(fā)現(xiàn)，水稻黃化苗在光照條件下，細(xì)胞質(zhì)中由RCA基因表達(dá)的mRNA和蛋白質(zhì)的含量明顯增加，并能維持在相對穩(wěn)定的水平，這說明光可以誘導(dǎo)水稻RCA基因的表達(dá)。進(jìn)一步的研究表明，RCA基因的表達(dá)在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上存在不同的調(diào)控機(jī)制，轉(zhuǎn)錄過程既受光暗交替調(diào)控，又受植物自身節(jié)奏調(diào)控，但翻譯過程在更大程度上受光的調(diào)節(jié)。在對馬鈴薯的RCA基因的研究中發(fā)現(xiàn)，其表達(dá)具有光誘導(dǎo)特性，在其他培養(yǎng)條件相同的情況下，基因表達(dá)水平與光照處理時(shí)間呈正相關(guān)，每天8h光照下表達(dá)量極少，而每天24 h連續(xù)光照下表達(dá)量最高;在黑暗條件下，RCA基因不表達(dá)。

2 PRK， GAPDH， FBPase， SBPase

在卡爾文循環(huán)中，存在著5-磷酸核酮糖激酶（PRK）、3-磷酸甘油醛脫氫酶（GAPDH）、1，6一二磷酸果糖磷酸酶（FBPase）、1，7-_磷酸景天庚酮糖磷酸酶（ SBPase）。這四種酶在暗反應(yīng)中協(xié)調(diào)配合，共同調(diào)節(jié)暗反應(yīng)。

2.1 四種酶與鐵硫中心的關(guān)系

四種酶的半胱氨酸殘基之間均具有二硫鍵。在光照下，二硫鍵被光還原成巰基，酶被活化;在夜間無光時(shí)，半胱氨酸殘基之間的巰基被重新氧化形成二硫鍵，酶則失去活性。二硫鍵的斷裂和形成與葉綠體中類囊體膜上的鐵硫中心有關(guān)。鐵硫中心也稱為鐵氧還蛋白/硫氧還蛋白（ Fd/Trx）系統(tǒng)。在類囊體膜上存在著與光反應(yīng)密切相關(guān)的光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)Ⅱ，鐵硫中心是光系統(tǒng)I中與類囊體膜疏松締合的復(fù)合體。照光時(shí)，光合電子從光系統(tǒng)I流到氧化型Fd，氧化型Fd被還原，還原型Fd再繼續(xù)提供電子給Trx，最后還原四種酶，使其中的二硫鍵斷裂形成巰基，酶的構(gòu)象發(fā)生變化，酶活性恢復(fù)。因此，這四種酶的活性受到光的間接調(diào)控（圖1）。

2.2 四種酶的活性作用

PRK和GAPDH是卡爾文循環(huán)的關(guān)鍵酶，消耗光反應(yīng)過程中產(chǎn)生的ATP和NADPH，還原態(tài)時(shí)為激活狀態(tài)，氧化態(tài)時(shí)為失活狀態(tài)。PRK為卡爾文循環(huán)的特有酶，催化卡爾文循環(huán)的最后一步反應(yīng)，即借助ATP磷酸化催化5-磷酸核酮糖（Ru5P）形成CO2的受體RuBP，對調(diào)節(jié)卡爾文循環(huán)中糖的流動(dòng)起著至關(guān)重要的作用。GAPDH在卡爾文循環(huán)中催化1，3-_磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-GAP。葉綠體蛋白12（CP12）是與光合作用相關(guān)的蛋白。GAPDH、PRK能和CP12形成PRK/GAPDH/CP12多酶復(fù)合體，共同調(diào)控卡爾文循環(huán)：CP12先通過C端（羧基端）與GAPDH活性位點(diǎn)區(qū)結(jié)合形成GAPDH-CP12，降低GAPDH與其他底物結(jié)合的概率;CP12再通過N端（氨基端）與PRK結(jié)合形成PRK/GAPDH/CP12多酶復(fù)合體。在對藍(lán)細(xì)菌的研究中發(fā)現(xiàn)，氧化態(tài)PRK上ATP結(jié)合位點(diǎn)被破壞，導(dǎo)致多酶復(fù)合體中氧化態(tài)的CP12占據(jù)了Ru5P的結(jié)合位點(diǎn)，從而使PRK的酶活性受到抑制。在弱光條件下，還原態(tài)的Trx含量較低，導(dǎo)致氧化態(tài)的CP12含量增加，促進(jìn)多酶復(fù)合體的形成，從而抑制GAPDH和PRK的酶活性。光照下，葉綠體基質(zhì)中NADP （H）INAD（H）升高，促使GAPDH-CP12解離，從而恢復(fù)GAPDH活性;黑暗下，NADP （H）INAD （H）降低，GAPDH-CP12再次形成，使GAPDH失活。

在卡爾文循環(huán)中，F(xiàn)BPase和SBPase的活性具有光活化暗失活的特點(diǎn)。FBPase催化1，6-_磷酸果糖（FBP）轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖（F-6-P），F(xiàn)-6-P進(jìn)一步形成葡萄糖。FBPase的活性直接影響著光合速率與碳水化合物的積累。SBPase催化1，7-_磷酸景天庚酮糖（SBP）轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸景天庚酮糖（S-7-P），S-7-P進(jìn)一步形成RuBP。SBPase催化的反應(yīng)是卡爾文循環(huán)中C02固定同化和RuBP再生的關(guān)鍵點(diǎn)，控制著整個(gè)卡爾文循環(huán)中的碳流通量。

2.3 光對四種酶的基因表達(dá)調(diào)控

在對擬南芥PRK基因的研究中發(fā)現(xiàn)，基因表達(dá)受到光調(diào)控，光照條件下PRK的表達(dá)量維持在一個(gè)較高的水平，但隨著黑暗時(shí)間的延長，PRK的表達(dá)量逐漸下降，并維持在一個(gè)較低的水平。在對水稻PRK基因進(jìn)行序列分析后發(fā)現(xiàn)，PRK基因的5'端存在許多光響應(yīng)元件，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)光處理能夠顯著提高PRK基因的轉(zhuǎn)錄水平。葉綠體中GAPDH基因包括GapA和GapB兩種，是由光誘導(dǎo)的核基因。將煙草從暗處轉(zhuǎn)移至白光條件下時(shí)，GapA和GapB的mRNA水平至少增加30-50倍，且GapA和GapB的mRNA積累速率相同，在24-48 h光照后達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。還有研究發(fā)現(xiàn)，將成年植物的葉片從正常的光/暗循環(huán)轉(zhuǎn)移到持續(xù)的黑暗中時(shí)，GapA -1、GapB、PRK和CP12-2的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物以相似的速率緩慢下降。

在研究外源油菜素內(nèi)酯對弱光下番茄幼苗光合碳同化酶及其相關(guān)基因的影響中，發(fā)現(xiàn)弱光顯著降低了光合速率，降低了碳同化相關(guān)酶如Rubisco、RCA和FBPase的活性，下調(diào)了碳同化相關(guān)基因如RCA、SB-Pase、PRK、GAPDH和FBPase等的表達(dá)量。在針對萊茵衣藻SBPase基因的研究中發(fā)現(xiàn)，黑暗中基因只有少量轉(zhuǎn)錄，而照光后的轉(zhuǎn)錄量顯著增高。在對小麥和擬南芥幼苗的研究中，也發(fā)現(xiàn)SBPase基因的轉(zhuǎn)錄水平在黑暗條件下極低，而將幼苗轉(zhuǎn)移到光下，mRNA含量增加至少20倍。曾有研究者克隆馬鈴薯FBPase的cDNA，去分析該基因在光合活性部位（葉片、莖）和非光合活性部位（塊莖、根、匍匐莖）的轉(zhuǎn)錄水平，結(jié)果表明該基因只在光合活性部位表達(dá)，且受光的調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

依據(jù)上文可以得出，在卡爾文循環(huán)中，多種酶的基因表達(dá)與活性都會(huì)受到光的調(diào)控，因此，暗反應(yīng)與光照完全無關(guān)的前概念是錯(cuò)誤的。在教學(xué)中要糾正學(xué)生的錯(cuò)誤前概念，教師需要設(shè)置相關(guān)的問題情境，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，從而引導(dǎo)學(xué)生在分析與比較的基礎(chǔ)上重構(gòu)正確的暗反應(yīng)概念。

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