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【小知识】认识植物的“光呼吸”现象。到底是呼吸作用？还是光合作用？

2015-08-03 21:35阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5544003446

认识植物的“光呼吸”现象，到底是呼吸作用？还是光合作用？


在2015年4月，上海市黄浦区高考生命科学二模中出现了这么一道题：
材料1：科学研究发现植物在光照条件下，进行光合作用的同时发生“光呼吸”作用。光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。它是光合作用一个损耗能量的副反应。具体过程如下图所示：
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【小知识】认识植物的“光呼吸”现象。到底是呼吸作用？还是光合作用？



“光呼吸”？这究竟是光合作用还是呼吸作用呢？其实“光呼吸”是细胞在进行光合作用时，消耗O2，产生CO2的过程，其机制与真正的细胞呼吸不同。这一内容在高中阶段，不要求大家掌握，但既然考题中出现了，我们不妨来简单了解一下。
阐述机理之前，先引入一个概念。暗反应中的五碳化合物（C5）大家一定还记得，其实这种五碳化合物的化学名称为“1，5-二磷酸核酮糖”（英：Ribulose-1,5-bisphosphate，缩写：RuBP）其结构见下图：
1.png
1.光呼吸的机理及过程
叶绿体中，存在一种酶，名为RuBP羧化酶，它的主要功能是羧化RuBP，即促进CO2与RuBP（C5）的结合（CO2的固定）；但它同时又是一种加氧酶，能够催化O2与RuBP的结合。
当CO2分压高，O2分压低时，该酶主要行使羧化功能；当CO2分压低，O2分压高时，该酶行使加氧功能，O2与RuBP结合后，通过如下途径产生CO2，完成光照下耗O2产CO2的过程，这就是光呼吸。其具体过程如下图所示：
11.png

考题中的过程图即是将此过程简化，展现给了我们：
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【小知识】认识植物的“光呼吸”现象。到底是呼吸作用？还是光合作用？
注：RuBP羧化酶催化O2与RuBP结合生成三碳的3-PGA和二碳的2-磷酸乙醇酸。2-磷酸乙醇酸水解成乙醇酸和无机磷酸，乙醇酸进入过氧化物体。
在过氧化物体中，乙醇酸被氧气氧化成乙醛酸，进而通过转氨基作用形成甘氨酸，进入线粒体。
在线粒体中，甘氨酸脱羧产生CO2。
2.光呼吸与光合作用的关系
光合作用加强，CO2浓度降低，O2浓度升高。RuBP羧化酶的羧化作用减弱而加氧作用增强，使更多的RbBP（C5）与O2反应，加强了光呼吸。
因此，光合速率直接影响到光呼吸的快慢，光呼吸强度大致与光照强度成正比。
3.光呼吸与细胞呼吸的关系
提高O2浓度，可同时促进光呼吸与细胞呼吸，但光呼吸的机制不同于细胞呼吸，它使有机物分解为CO2，不但不产生ATP或NADPH，还会消耗ATP。从这个角度来看，它是光合作用一个损耗能量的副反应，对光合作用产物积累是很不利的
4.光呼吸的作用与意义
到这，我们不禁要思考，光呼吸，这个看似与光合作用背道而驰的生物现象为什么没有在漫长的进化过程中消失？实际上，由于光呼吸的存在，确实也抵消了约30%的光合作用。科学家们刚发现光呼吸现象时，也曾试图探索抑制其过程的方法，从而提高光合作用。
不过目前，我们普遍认为光呼吸还是有其正面的意义，由于RuBP羧化酶兼具羧化、加氧两种功能（兼具加氧功能可认为是该酶不完善之处），所以当O2与CO2分压不同时，生成的产物有2分子3-PGA（C3）【羧化作用，CO2的固定】或1分子3-PGA（C3）与一分子2-磷酸乙醇酸（C2）【加氧作用】。其中C3可参与碳同化过程，而C2是过程中的“残次品”，无法加入碳同化。此时光呼吸的乙醇酸途径，就起到了及时补救的作用，它可将“残次品”（C2）重新回收加工，形成CO2，再次投入光合作用的“生产线”，但由于整个过程是非常费时费力的，所以反而会消耗ATP。
此外，光呼吸亦能消耗多余ATP、NADPH，减少细胞受损的可能。
至此，我们将“光呼吸”现象做了较为全面的阐述，附上文提及习题的标准答案供大家参考：
36.30
37.专一性 活性部位 竞争性
38.C
39.CO2供应不足（气孔关闭、CO2吸收减少等意思对就可以给分）
40.ACD


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