环式与非环式光合磷酸化的区别

植物通过利用水（用于电子利用）和二氧化碳（用于制造食物）等自然元素来合成食物。它们还能吸收阳光中的光子。随着光能转化为化学能，它会参与将原材料转化为葡萄糖和氧气的漫长而复杂的过程。ATP（含有三个磷酸基团的腺苷）分子的产生对于葡萄糖的产生是必需的。由于阳光的存在，ATP分子通过将磷酸基团添加到ADP（含有两个磷酸基团的腺苷）分子中来合成。ADP合成过程中发生的两个过程是**光反应和暗反应**。

在光反应中，从阳光获得的光能转化为化学能，从而可以在叶绿体基粒中生成ATP和NADPH分子。光合磷酸化也称为光能转化，需要呼吸链。该过程通过利用太阳光子产生高能电子供体和低能电子受体。

另一方面，在暗反应中，ATP和NADPH被用于将二氧化碳转化为碳水化合物，这个过程发生在叶绿体的基质中。此外，卡尔文循环是光合作用的暗反应。在卡尔文循环中，ATP用于生产糖。

光合磷酸化

Otto Kandler 于 1950 年首次发现这一过程，他通过对完整的衣藻细胞进行实验，得出 ATP 的合成依赖于阳光。1954 年，植物科学家 Danial I Arnon 在他的实验室中，使用一种名为 P32 的放射性磷同位素，分离出了独立的叶绿体。

通过太阳光子，天线复合体接收光能，然后传递到反应中心；电子跃迁到更高的能级，变得被激发。电子被推向外层轨道，蛋白质附着在电子传递链上。最后，光能转化为化学能。

电子被蛋白质从叶绿体中拉出，然后附着在蛋白质链上。在电子通过不同蛋白质链运动的过程中会发生化学渗透反应。电子和离子运动后被充电，并且通过类囊体膜，氢离子以与电子相似的方式移动。电子和离子的这种运动在将 ADP 和磷酸以及 ATP 合酶转化为 ATP 分子的过程中起着重要作用。

NADP⁺ 分子在通过 ETC 中的一系列蛋白质后，会接收电子，从而被还原为 NADPH，其中 NADP⁺ 作为电子载体。

NADP⁺ + H⁺ → NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）

这个反应发生在非环式反应中。

如果是环式光合磷酸化，电子不会与 NADP+ 分子反应，而是会返回到反应中心，电子流会重新开始。当电子从初级电子受体流向下游到 P700 时，最终会形成 ATP。

太阳能通过光解过程分解水分子。

产生氧分子、质子和电子。电子被输送到叶绿体，以替换丢失的电子。由此，非环式光合磷酸化开始，光离子在细胞内释放，然后作为废物排出。

光能 → 天线复合体 → 叶绿体中的反应中心 → 电子传递链 → PMF（质子动力） → ATP 分子

ATP 合酶

到目前为止，所有已发现的生物体内都存在 ATP。这些能量储存分子是通过一种称为 ATP 合酶的酶产生的。它通过 TEP 通道或质子通道起作用。这个 ETC 用于生成 ATP。构成电荷的化学成分和光能形成 ATP 分子，所有生物都依靠某些特定的氧化还原反应来运作。这个过程称为质子动力。

氧化还原反应将电子从供体分子转移到受体分子。如果反应动力学受到限制，反应速度会减慢，吉布斯自由能也会降低。

电子传递链（ETC）

ETC 组分存在于原核生物的质膜中。另一方面，在真核生物中，细胞膜中有许多 ETC 的类似物。它是氧化磷酸化（该过程通过氧还原产生富能磷酸键来生成 ATP 分子）的两个部分之一，它通过线粒体内膜上积累的四个蛋白质链形成，电子在其中经历氧化还原反应的循环。附着在膜上的四个蛋白质链是

1. 细胞色素 C 氧化酶
2. NADH 脱氢酶
3. 细胞色素 B 和 C1
4. 琥珀酸脱氢酶

氧化还原反应通过产生电化学质子来形成 ATP 分子。这个有氧过程以分子氧接受最终电子而结束。此外，电子通过下游传输系统从高能级转移到低能级，因为电子传递系统无法利用电子。所以，它们被进一步传递到光系统 1，在氧化还原概率尺度上被认为是下游。

1. 环式光合磷酸化

电子经过一系列电子载体后，又回到电子光系统。这个过程称为环式光合磷酸化。当光波长小于 680 nm 且二氧化碳固定被抑制时，发生此过程。蛋白质链随后利用电子转移过程中释放的能量，将其泵入膜腔并远离线粒体。这种移动推动 H⁺ 离子产生浓度梯度，该梯度进一步用于驱动 ATP 合酶进行下一步，即化学渗透。在此过程中，不产生氧气和 NADPH⁺ 分子。这个过程可以在有氧和无氧条件下进行。

天线复合体存在于绿色叶片的层中，它们将太阳质子传递到反应中心，然后传递到电子传递系统。叶绿素 a 是植物的反应中心，而类胡萝卜素和叶绿素 b 作为天线复合体。

2. 非环式光合磷酸化

这个过程与环式光合磷酸化相反。激发的光系统释放的电子在经过一系列氧化还原反应后不会返回到它。持续的水供应是主要要求，因为电子在光解水中释放。用于合成 ATP 分子的能量由光系统 II 提供的激发电子提供。电子的整个运动是非环式的，因为光系统 I 的初级电子供体获得了光系统 II 的初级电子供体的位置，并且丢失的电子不会返回 P680。初级受体将从 P700 释放的电子传递给 NADP。通过（通过分解水分子）结合电子和质子 H+ 分子，NADP 被还原。

该过程在类囊体膜中包含两个不同的叶绿素光系统。通过光解作用，发生水分子的分解。水分子中的两个电子被保留在光系统 II 中。另一方面，质子和氧分子被释放供其他用途。随后，叶绿素色素吸收光子，它围绕光系统的反应核心中心。能量通过光引发的电子链反应转移到光系统 II 的中心，并刺激两个电子被传输到脱镁叶绿素或初级电子受体。在 PSII 中，质体醌作为电子-质子调节剂。质体醌从基质中提取初级电子受体中的 2 个电子和两个氢离子，形成质体醌醇 (PQH2)。然而，它分解为 PQ，2 个电子在细胞色素 B6f 复合物中释放，两个氢离子在类囊体空间中丢失。在沿着细胞色素 b6 和 Cyt f 传递后，电子通过质体蓝素为 H+ 离子嵌入类囊体空间提供能量。随着梯度的产生，氢离子流回基质。这为叶绿体提供了 ATP 再生的能量。

与环式途径不同，2 个电子不会返回光系统 II。相反，复制的电子被转移到光系统 I，由于太阳能光子的作用，达到更高的能级。一种称为黄素蛋白-NADP还原酶的酶利用被激发的电子催化这种氧化还原反应。

NADP+ 2H⁺ + 2e^- → NADPH + H⁺

在此反应中，氢离子被消散，产生的副产物是 ATP、½ O2 和 NADPH+H⁺。在光能和水的帮助下，这些反应发生在光合作用的第二阶段。当叶绿体中 ATP 水平不足以进行卡尔文循环，并且 NADPH 堆积时，非环式电子流会转化为环式。

环式和非环式光合磷酸化之间的区别

环式和非环式光合磷酸化是植物体内 ATP 分子形成过程中发生的阶段。

1. 在环式光合磷酸化中，不需要水，因为 NADP+ 分子在与氢离子发生化学反应之前返回反应中心。相反，水对于非环式光合磷酸化是必需的，因为反应发生，并且会产生副产物 NADPH。
2. 环式磷酸化只能在光系统 I 中发生，因为 ATP 是通过电子的向下流动产生的。相比之下，非环式光合磷酸化在 PSI 和 PSII 中都发生。
3. 在环式光合磷酸化中，只发生 ATP 的形成。然而，在非环式光合磷酸化中，同时形成 NADPH 和 ATP。
4. 释放的电子返回反应中心，环式光合磷酸化循环再次开始。在非环式光合磷酸化中，NADP+ 与氢离子发生反应，形成两个产物，电子不会返回反应中心。
5. 在环式光合磷酸化中不发生水的解离。另一方面，非环式光合磷酸化需要 H+ 离子。因此，分解水分子是该过程中的一个重要步骤。
6. 在环式光合磷酸化中会释放氧分子，但在非环式光合磷酸化中不会。
7. 在环式光合磷酸化中，P700 被称为活性反应中心；在非环式光合磷酸化中，P680 被称为活性反应中心。
8. 环式光合磷酸化发生在分离的叶绿体、活体植物和光合细菌中。相反，非环式光合磷酸化发生在蓝细菌和藻类中。
9. 环式光合磷酸化发生在厌氧条件下，而非环式光合磷酸化发生在好氧条件下。