碳同化

植物利用光反應中形成的NADPH和ATP將CO2轉化成穩定的碳水化合物的過程，稱為CO2同化(CO2 assimilation)或碳同化。根據碳同化過程中最初產物所含碳原子的數目以及碳代謝的特點，將碳同化途徑分為三類：C3途徑(C3 pathway)、C4途徑(C4 pathway)和CAM(景天科酸代謝，Crassulacean acid metabolism)途徑。

一、C3途徑

糖和淀粉等碳水化合物是光合作用的產物，這在100多年前就知道了，但其中的反應步驟和中間產物用一般的化學方法是難以測定的。因為植物體內原本就有很多種含碳化合物，無法辨認哪些是光合作用當時制造的，哪些是原來就有的。況且光合中間產物量很少，轉化極快，難以捕捉。1946年，美國加州大學放射化學實驗室的卡爾文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了兩項新技術：(1)14C同位素標記與測定技術(可排除原先存在于細胞里的物質干擾，凡被14C標記的物質都是處理后產生的)；(2)雙向紙層析技術(能把光合產物分開)。選用小球藻等單細胞的藻類作材料，藻類不僅在生化性質上與高等植物類似，且易于在均一條件下培養，還可在試驗所要求的時間內快速地殺死。

經過10多年周密的研究，卡爾文等人終于探明了光合作用中從CO2到蔗糖的一系列反應步驟，推導出一個光合碳同化的循環途徑，這條途徑被稱為卡爾文循環或卡爾文本森循環。由于這條途徑中CO2固定后形成的最初產物PGA為三碳化合物，所以也叫做C3途徑或C3光合碳還原循環(C3 photosynthetic carbon reduction cycle, C3PCR循環)，并把只具有C3途徑的植物稱為C3植物(C3 plant)。此項研究的主持人卡爾文獲得了1961年諾貝爾化學獎。

（一）C3途徑的反應過程

C3途徑是光合碳代謝中最基本的循環，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途徑。

1.過程 由RuBP開始至RuBP再生結束，共有14步反應，均在葉綠體的基質中進行。全過程分為羧化、還原、再生3個階段。

(1)羧化階段(carboxylation phase) 指進入葉綠體的CO2與受體RuBP結合，并水解產生PGA的反應過程。以固定3分子CO2為例：

3RuBP+3CO2+3H2O PGA + 6H+

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)具有雙重功能，既能使RuBP與CO2起羧化反應，推動C3碳循環，又能使RuBP與O2起加氧反應而引起C2氧化循環即光呼吸(見本節二。光呼吸)。羧化階段分兩步進行，即羧化和水解：

在Rubisco作用下RuBP的C-2位置上發生羧化反應形成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)，它是一種與酶結合不穩定的中間產物，被水解后產生2分子PGA。

Rubisco有活化與鈍化兩種形態，鈍化型酶可被CO2和Mg2+ 激活，這種激活依賴于與酶活性中心有關的賴氨酸(Lys)的ε-NH2基反應。首先鈍化型酶的ε-NH2與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-)，它與Mg2+ 作用形成活化型的酶(E-NH·COO·Mg2+ ,也稱三元復合體ECM)，然后底物RuBP和CO2再依次結合到活化型酶上進行羧化反應：

Rubisco只有先與CO2、Mg2+作用才能成為活化型的ECM，如果先與RuBP(或RuBP類似物)結合，就會成為非活化型的E-RuBP。Rubisco活性還被叫做Rubisco活化酶(activase)的酶調節。關于此活化酶的作用：在暗中鈍化型Rubisco與RuBP結合形成E-RuBP后不能發生反應；在光下，活化酶由ATP活化，讓RuBP與Rubisco解離，使Rubisco發生氨甲酰化，然后與CO2和、Mg2+結合形成ECM，促進RuBP的羧化。

(2)還原階段(reduction phase) 指利用同化力將3-磷酸甘油酸還原為甘油醛-3-磷酸的反應過程：

6PGA+6ATP+6NADPH+ 6H+→→6GAP+6ADP+6NADP+ + 6Pi (4-34)

羧化反應產生的PGA是一種有機酸，要達到糖的能級，必須使用光反應中生成的同化力，ATP與NADPH能使PGA的羧基轉變成GAP的醛基。當CO2被還原為GAP時，光合作用的貯能過程便基本完成。

(3)再生階段(regeneration phase) 指由甘油醛-3-磷酸重新形成核酮糖-1,-5-二磷酸的過程。

5GAP+3ATP+2H2O→→→3RuBP+3ADP+2Pi+3H+

這里包括形成磷酸化的3,4,5,6和7碳糖的一系列反應。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途徑的總反應式可寫成：

3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+8Pi+6NADP+ +3H+ (4-36)

可見，每同化一個CO2需要消耗3個ATP和2個NADPH，還原3個CO2可輸出1個磷酸丙糖(GAP或DHAP)，固定6個CO2可形成1個磷酸己糖(G6P或F6P)。形成的磷酸丙糖可運出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖或參與其它反應；形成的磷酸己糖則留在葉綠體中轉化成淀粉而被臨時貯藏。

2．能量轉化效率 以同化3個CO2形成1個磷酸丙糖為例。在標準狀態下每形成1mol GAP貯能1460 kJ，每水解1mol ATP放能32 kJ，每氧化1mol NADPH放能220 kJ，則C3途徑的能量轉化效率為91% 〔1460/(32×9+220×6)〕，這是一個很高的值。然而在生理狀態下 ，各種化合物的活度低于1.0，與上述的標準狀態有差異，另外，要維持C3光合還原循環的正常運轉，其本身也要消耗能量，因而一般認為，C3途徑中能量的轉化效率在80%左右。

（二）C3途徑的調節

1.自(動)催化作用(autocatalysis) 植物同化CO2速率，很大程度上決定于光合碳還原循環的運轉狀態，以及光合中間產物的數量。暗中的葉片移至光下，最初固定CO2速率很低，需經過一個“滯后期”后才能達到光合速率的“穩態”階段。其原因之一，是暗中葉綠體基質中的光合中間產物，尤其是RuBP的含量低。在C3途徑中存在一種自動調節RuBP濃度的機制，即在RuBP含量低時，最初同化CO2形成的磷酸丙糖不輸出循環，而用于RuBP的增生，以加快CO2固定速率，待光合碳還原循環到達“穩態”時，形成的磷酸丙糖再輸出。這種調節RuBP等光合中間產物含量，使同化CO2速率處于某一“穩態”的機制，就稱為C3途徑的自(動)催化作用。

2.光調節作用 光除了通過光反應對CO2同化提供同化力外，還調節著光合酶的活性。C3循環中的Rubisco、PGAK、GAPDH、FBPase,SBPase,Ru5PK都是光調節酶。光下這些酶活性提高，暗中活性降低或喪失。光對酶活性的調節大體可分為兩種情況，一種是通過改變微環境調節，另一種是通過產生效應物調節。

(1)微環境調節 光驅動的電子傳遞使H+向類囊體腔轉移，Mg2+ 則從類囊體腔轉移至基質，引起葉綠體基質的pH從7上升到8，Mg2+濃度增加。較高的pH與Mg2+濃度使Ｒubisco光合酶活化。

(2)效應物調節 一種假說是光調節酶可通過Fd-Td(鐵氧還蛋白硫氧還蛋白)系統調節。FBPase、GAPDH、Ru5PK等酶中含有二硫鍵(－S－S－)，當被還原為2個巰基(－SH)時表現活性。光驅動的電子傳遞能使基質中Fd還原，進而使Td(硫氧還蛋白，thioredoxin)還原，被還原的Td又使FBPase和Ru5PK等酶的相鄰半胱氨酸上的二硫鍵打開變成2個巰基，酶被活化。在暗中則相反，巰基氧化形成二硫鍵，酶失活。

3.光合產物輸出速率的調節 根據質量作用定律，產物濃度的增加會減慢化學反應的速度。磷酸丙糖是能運出葉綠體的光合產物，而蔗糖是光合產物運出細胞的運輸形式。磷酸丙糖通過葉綠體膜上的Pi運轉器運出葉綠體，同時將細胞質中等量的Pi運入葉綠體。磷酸丙糖在細胞質中被用于合成蔗糖，同時釋放Pi。如果蔗糖的外運受阻，或利用減慢，則其合成速度降低，隨之Pi的釋放減少，而使磷酸丙糖外運受阻。這樣，磷酸丙糖在葉綠體中積累，從而影響C3光合碳還原環的正常運轉。另外，葉綠體的Pi濃度的降低也會抑制光合磷酸化，使ATP不能正常合成，這又會抑制Rubisco活化酶活性和需要利用ATP的反應。