光呼吸作用及其生化特征

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第1010页（6440字）

植物的绿色组织在光下吸收氧气和释放二氧化碳的生理过程，称光呼吸。

这个过程只有在光下才能进行。现知光呼吸与光合作用密切相关，只有在光合作用进行时才能发生光呼吸。

1968年美国Tolbert提出光呼吸概念。但是在此之前，人们已知在完整叶片中CO₂的同化产物有乙醇酸、甘氨酸、丝氨酸等化合物的存在。

至1971年他提出氧化光合碳循环的整个化学历程，以后有所补充。

光呼吸是一个氧化过程。

被氧化的底物是乙醇酸。乙醇酸是光合作用产物之一，它主要是通过1，5－二磷酸核酮糖羧化酶－加氧酶(RubisCO酶)作用生成的。

20世纪70年代发现该酶具有双重催化功能之后，对光呼吸的底物乙醇酸来自光合作用才得到肯定的。RubisCO酶既可催化1，5－二磷酸核酮糖(RuBP)在Mg²⁺参与下羧化成二分子的磷酸甘油酸，也可以催化RuBP在Mg²⁺参与下加氧生成一分子磷酸甘油酸与一分子磷酸乙醇酸。

磷酸乙醇酸在磷酸酯酶催化下转变为乙醇酸。这就是光呼吸底物的来源。

此酶在催化羧化反应时称RuBP羧化酶，催化加氧反应时则称RuBP加氧酶。具体催化反应如下：

Rubisco酶活性比值大小或其催化反应的方向取决于大气中CO₂与O₂浓度的高低，即决定于CO₂与O₂浓度及RuBP对二者的亲和性。O₂和CO₂对这两个反应互起竞争抑制作用。

在高O₂低CO₂条件下，抑制羧化反应而促进加氧反应；在低O₂和高CO₂条件下，则抑制加氧反应促进羧化反应。所以，反应的方向受O₂／CO₂比率的调节。现已知在通常大气的O₂(21%)和CO₂(0．03%)浓度下，RuBP就会发生加氧反应。

此外，有人认为也可以通过还原光合碳循环中转酮酶的作用形成少量的乙醇酸。其反应如下：

乙醇酸在叶绿体内合成后便转移至过氧化物酶体(简称过氧体)中，并在乙醇酸氧化酶作用下氧化为乙醛酸，同时生成H2O₂，其反应过程如下：

后者在过氧体内的过氧化氢酶作用下分解为H₂O与O₂，以解除H₂O₂对过氧体膜的破坏作用。

乙醇酸是氧化光合碳循环——光呼吸的重要产物，是过氧体中代谢的分岔点。乙醛酸的出路有如下几个：(1)在过氧体内经过两种转氨酶的作用转变为甘氨酸。

(2)被氧化生成的H₂O₂非酶促氧化生成CO₂和甲酸，甲酸再行分解为CO₂。此反应曾被认为是光呼吸释放CO₂的途径之一。

但是，最近有人用完整的过氧体试验证明，不管有无NH₂基供体，都不能使乙醇酸代谢经过脱羧释放出CO₂。这样，乙醛酸的这条出路似乎不应存在。(3)乙醛酸可以从过氧体返回叶绿体，在叶绿体内由乙醛酸还原酶还原成乙醇酸或脱羧生成CO₂。现在认为在叶绿体内脱羧反应释放出的CO₂可能只占光呼吸放出CO₂的1／10或更少些。

(4)乙醛酸可被乙醇酸氧化酶氧化成草酸。最近有人证明在草酸进一步氧化的过程中生成的NADH可作为硝酸还原反应的还原剂，从而为光呼吸的氮循环提供有力的佐证。

可见乙醛酸在光呼吸代谢反应中是一个重要的调控部位。但是，乙醛酸是在何种因素调控下行何种途径，以及各种代谢途径的比例是多少现在仍不清楚。1981年Chang等人证实，对菠菜过氧体喂以乙醇酸，在没有谷氨酸提供时，会大量积累乙醛酸，当提供谷氨酸后，随着甘氨酸形成，乙醛酸的积累量逐渐减少。这个结果与1976年Vaklinva等报道的硝态氮与氨态氮对C₃植物和C₄植物的光呼吸和乙醇酸氧化酶活性均有影响是一致的(他们曾观察到将硝酸盐供给玉米植株，则细胞内乙醛酸氧化酶活性较高，而烟草则是以氨态氮处理的酶的活性较高)。

可见乙醛酸的多头途径受某些因素的制约。

乙醛酸在过氧体内由丝氨酸－乙醛酸转氨酶或谷氨酶－乙醛酸转氨酶作用后，被氧化成甘氨酸。

1984年梁峥证实，绿氨酸、谷氨酸和丙氨酸在转氨作用的氨基供体的相对贡献是100、100、60。甘氨酸转移至线粒体后，在四氢叶酸(FH₄)参与下，发生脱羧与脱氨反应，由二分子甘氨酸转变为一分子丝氨酸，同时释放出CO₂与NH₃，这是光呼吸中CO₂的基本来源。其反应过程如下：

反应形成的NH₃则立即用于谷氨酸的合成。这无疑要将光合作用产生的能量消耗掉一部分。

丝氨酸由线粒体转回过氧体后，在上述转氨酶作用下转变为羟基丙酮酸。1989年梁峥用完整的菠菜过氧体实验证实，除丙氨酸转氨酶、色氨酸转氨酶外，甘氨酸转氨酸也参与由羟基丙酮酸到丝氨酸的转氨作用，给光呼吸的转氨作用提供新的依据。

在过氧体内羟基丙酮酸被NADH还原为甘油酸，后者入叶绿体并在甘油酸激酶作用下转变为磷酸甘油酸，进入还原光合碳循环。这样，整个过程称为乙醇酸循环，它由乙醇酸途径(乙醇酸→甘氨酸)及甘油酸途径()组成。

整个循环的总反应是：

2磷酸乙醇酸+谷氨酸+O₂+NADH+H⁺+ATP+H₂O→磷酸甘油酸+α·酮戊二酸+ADP+2Pi+NAD⁺+NH₃+CO₂+2H⁺

从上式可以看出，每2分子磷酸乙醇酸转变为一分子磷酸甘油酸即放出一分子的CO₂。

由光合作用所同化的碳，因光呼吸循环会损失掉1／4。整个循环涉及叶绿体、过氧体与线粒体3个细胞器。

要维持光呼吸的循环正常运行，还原当量(NADH)的正常供应是必需的。

1971年，Tolbert提出氧化光合碳循环的整个化学历程时，即提出由苹果酸与天冬氨酸穿梭作用来完成的设想。1983年，Schmitt等人用黑麦完整的过氧体实验，认为此穿梭系统不能提供过氧体以NADH。原因是：(1)产生NADH的苹果酸脱氢酸和谷草转氨酸的活性不足以维持光呼吸循环的速率。(2)尽管过氧体内苹果酸同功酶占细胞总量的40%，但谷草转氨酶只占细胞的不到7%。(3)加入苹果酸和谷氨酸后，过氧体只能缓慢地还原加入的NAD，在加入外源的谷草转氨酶后，NAD+的还原速率才会极大地增高。(4)供应苹果酸和谷氨酸，在缺少外源的NAD时，过氧体不能将羟基丙酮酸还原成甘油酸，只有加入外源NAD，这种还原反应才能进行。

1984年，梁峥等用菠菜完整过氧体实验证实，由羟基丙酮酸→丝氨酸的转变中，最大活性不是在加入谷氨酸时获得，而是在加入丙氨酸后获得的；他们还发现，由甘油酸转变为丝氨酸过程中，NAD、丙氨酸和甘油酸是绝对必需的，并可用α酮戊二酸和天冬氨酸代替草酰乙酸。1987年，梁峥对过氧体内甘油酸转变为丝氨酸时NAD的供应做了实验，结果证实过氧体膜能缓慢地透过NAD／NADH，提出膜的转运载体可能参与菠菜叶片过氧体NAD／NADH的再产生的穿梭系统。

由于在整个乙醇酸循环中，每二分子的乙醇酸释放出一分子的CO₂，余下一分子磷酸甘油酸再入还原光合碳循环。

即在一般大气条件下，光呼吸氧化的碳元素要占光合固定碳元素的25%～30%。

由于光呼吸不断进行，光合强度下降可达50%，使净光合效率降低，因此关于光呼吸这一植物正常生命活动是有利还是有害，迄今仍未澄清，也是国内外研究者急于解决的课题。

从能量代谢方面来看，光合作用的光合磷酸化为CO₂的同化提供了ATP和NADPH，并将光能量转变为同化产物中的键能。

呼吸作用则分解有机物释放其中的键能生成ATP和NAD(P)H，以便用于细胞内各种生命活动。光呼吸乙醇酸循环生成的中间产物如甘氨酸、丝氨酸可供合成蛋白质及其它化合物的原料，而磷酸甘油酸进入C₃循环补充了循环的碳架，推动C₃的循环，此是合成过程的一部分，是与光合作用分不开的。

甘氨酸氧化中发生脱羧反应，释放出CO₂招致碳的损失，但伴随着脱氨反应与NADH的生成又为谷氨酸的合成与ATP的生成做了准备，所以乙醇酸循环既合成又分解，既氧化又还原，既吸能又放能，这是与其它循环不同之处。

1983年，陈锦强等用高水平硝态氮培育黄麻植株，其光合强度、光呼吸光合比值及硝酸还原酶活性、乙醇酸氧化酶活性均比铵盐为氮源培养的植株高，用抑制甘氨酸脱羧反应抑制剂异烟肼处理叶圆片，则硝酸还原受阻，说明光呼吸与硝酸还原具有一定联系，可能是由草酰乙酸－苹果酸穿梭为在细胞质使硝酸还原提供了还原剂NADH，如果乙醇酸循环中甘氨酸脱羧反应产生的NADH确能为硝酸还原提供还原剂的话，光呼吸在硝酸盐的同化中确会起积极作用。

乙醇酸循环中，甘氨酸的脱羧是在线粒体内进行的，以NAD⁺为其电子受体。在线粒体内三羧酸循环(TCA)中的苹果酸脱氢酶与异柠檬酸脱氢酶也是以NAD+作为电子受体。

80年代初，一些研究者已开始研究线粒体内甘氨酸氧化与TCA循环的关系，试图说明光呼吸与暗呼吸之间的关系。1990年，张少红用豌豆叶片线粒体的实验证实，线粒体中甘氨酸、苹果酸与异柠檬酸的氧化速率均受光的促进。

甘氨酸氧化会抑制苹果酸与异柠檬酸的氧化，而其本身不受影响。

用异烟肼抑制剂处理，或是提高NAD⁺的浓度均会降低甘氨酸氧化时对苹果酸氧化与异柠檬酸氧化的抑制。线粒体氧化甘氨酸、苹果酸与异柠檬酸的Km(NAD⁺)值分别是66．67μmol／L、119．1μmol／L和152．2μmol／L。甘氨酸氧化时抑制苹果酸与异柠檬酸的氧化是由于甘氨酸在竞争NAD⁺中占了优势。

已知绿色叶片在照光下TCA循环仍在进行，以提供合成过程所需要的碳架，但TCA循环在光下运行较暗中慢，TCA循环的限速酶－异柠檬酸脱氢酶的活性受抑制是其主要原因。

还有不少研究者从光、温度等方面做了研究。已知在饱和光强以上照射植株叶片常会引起光合抑制，此种光合抑制现象不但在叶片，就是在叶绿体与类囊体也能观察到。此种现象在碳代谢受限制的条件下尤为明显。

其实质是多余的光能不能排散而引起光氧化。1978年，，Powles等用离体叶片在无CO₂与不同O₂浓度下进行光合抑制处理，发现随着O₂浓度从7%提高到21%，光合抑制迅速被缓解，甚至完全消除。因而认为O2促光呼吸起着保护作用。已知绿色叶片经照光产生的Mehler反应是一个不可避免的过程，并藉此排除多余的能量。

显然，植株是通过光呼吸与Mehler反应以保护光合作用的正常进行。1989年，王荣福等人分别用两种水稻品种进行实验。他们发现在1%～30%的O₂浓度范围内，无CO₂，在2000μE·M^－2·S^－1光照条件下，处理3h，两种水稻光合抑制程度会随着处理期间O₂浓度的增高而被缓解。但是当O₂浓度高于30%，两种水稻均会出现光抑光合加重现象，并且将这样处理的样品放置在正常生长条件与800μE·M^－2·S^－1时，光合速率分别被抑制28%与20%。

他们认为光呼吸在光抑光合中只能在短时间内起缓解作用，O₂通过Mehler反应来排除多余的能量，以及超氧物歧化酶(SOD)清除由Mehler反应产生的活性氧(O₂、OH、O₂、H₂O₂)，保护光合膜的作用可能性则更为主要。

植株在逆境(大气污染、低温、干旱、盐渍、强光)的条件下，体内的活性氧代谢会失调，在一定程度上会增加机体内活性氧的含量，从而加剧膜脂过氧化作用，破坏生物膜的结构，使膜差别透性丧失，代谢紊乱，植株衰老并遭受伤害。现知植株在逆境条件下呼吸强度会发生不同程度的改变。光呼吸作用是否可以看作是植物进行光合作用的一种抗逆性的表现，关键是植株叶片细胞内的乙醇酸氧化酶(GO)与SOD之间关系是怎样的。1991年，杨礼锐等用不同浓度的Na₂SO₃处理菠菜叶片，得知GO活性的变化与SOD活性的变化相一致，呈平行关系，而且低浓度的处理中，GO活性的改变是SOD活性改变的2．5－3倍，当浓度超出一定阈值(100ppm)后，GO活性下降也较SOD活性下降的少，预示GO对环境改变较之SOD更为敏感。可能环境因子首先作用于GO，然后包括SOD在内的保护酶系统再行使各自的生化反应。1988年，Sandalio等人在西瓜的过氧体中发现有SOD。1989年，Rio等人见到豌豆叶片过氧体膜上NADH诱导出超氧自由基，提出的产生可能是过氧体的普遍代谢性质，并进一步推论过氧体膜上存在有与活性氧有关的作用。

有关RuBP羧化酶活性与乙醇酸氧化酶活性之间的关系，是1982年高煜珠等人用不同水稻品种间的实验获得的。他们证实凡是RuBP羧化酶活性较高的品种，其乙醇酸氧化酶的活性一般也较高，因此它们之间的相互关系也从生化基础上反映了光合作用与光呼吸之间的相互关系。

随着分子生物学的发展，人们已着手对RuBP羧化酶的基因进行改造。主要是改造RuBP羧化酶的大亚基，加强其羧化能力削弱其加氧作用，从而加强光合强度降低光呼吸强度，以达到增产目的。

另一方面，则是从改造乙醇酸氧化酶的基因入手。1986年Gerdes等人报道，扁豆转绿时总RNA和mRNA的含量增加与乙醇酸氧化酶的活性有平行关系。

用分离编码的乙醇酸氧化酶的mRNA体外转译合成乙醇酸氧化酶蛋白，与从植物提取的乙醇酸氧化酶分子量(43kd)一致。随着与光呼吸相关的酶的mRNA分离的成功，编码这些酶的基因将被克隆，定会使人们对光呼吸机理的认识更向前推进一步。

。【参考文献】：

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3 李明启．植物学通报，1985，2(1)：1～7

4 梁峥．云南植物研究，1987，9(4)：449～454

5 王荣福，等．江苏农业科学，1988，4(2)：1～8

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8 张少红，等．植物生理学报，1990，16(2)：185～191

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(华南农业大学杨礼锐副教授撰)