乙醇酸的制备

叶绿体

乙醇酸循环 glycolate pathway

乙醇酸循环 glycolate pathway 由N.E.Tolbert（1963）提出的，为绿叶内的）乙二醇酸的代谢途径。在乙醇酸代谢循环中，乙醇酸通过乙醇酸氧化酶[图（2）]的作用而变成乙醛酸。在这个氧化反应中，一分子的乙醇酸结合1／2分子的氧，然后乙醛酸通过转氨酶（Transminase）（3）的作用，变成甘氨酸。由此产生的两个分子的甘氨酸在转羟甲基酶（transhydroxymethylase）（4）的作用下生成一个分子的丝氨酸。在这个过程中，伴随一分子丝氨酸的生成而产生一分子的CO2。因此，作为起点的每一分子乙醇酸能发生1／2分子的CO2。丝氨酸进一步经由羟基丙酮酸酸和D-甘油酸变成3-磷酸甘油酸（PGA）。PGA在光照下通过还原型戊糖磷酸循环而用于糖的合成．Tolbert等认为，在光呼吸中O2的吸收和CO2的发生是分别通过反应（2）和反应（1）而进行的。许多研究者都认为乙醇酸氧化和光呼吸之间是密切相关的。但是由反应（4）产生的CO2，是代表了光呼吸CO2的发生，关于这一点也有许多不同见解。Tolbert等发现，酶（2）、（3）、（5）、（7）等的活性只局限于乙醛酸循环体（glyoxysome）上，但酶（4）的活性存在于线粒体中。基于这些见解，他们认为乙醇酸的循环是通过叶绿体和乙醛酸循环体及线粒体的协同作用而进行的。首先，在叶绿体中形成的乙醇酸，再转移到乙醛酸循环体上，在这里变成甘氨酸。甘氨酸又转移到线粒体上而变成丝氨酸。丝氨酸再回到乙醛酸循环体上，在这里变成甘油酸，甘油酸再转移到叶绿体上，而被用于糖的形成。乙醇酸是光合成初期的产物之一，因而它是从还原型戊糖磷酸循环的中间体而产生的，这一点是没有疑问的。现在关于乙醇酸的形成途径，认为是二羟基硫胺焦磷酸被氧化而变成乙醇酸和核酮糖-1，5-二磷酸（RuDP或RuBP），通过RuDP加氧酶的作用而变成磷酸乙醇酸和3-磷酸甘油酸，最后磷酸乙醇酸受磷酸脂酶作用而变成乙醇酸，在实验中证明，这两种形式的可能性都是存在的。

外观与性状：无色易潮解的晶体，水溶液是一种淡黄色液体。

熔点(℃)：78-79

相对密度（水=1）：1.49

沸点(℃)：无沸点，在100℃时受热分解为甲醛、一氧化碳和水，甲醛会进一步形成多聚甲醛或者甲酸。

分子式：C2H4O3

分子量：76.05

溶解性：溶于水，溶于甲醇、乙醇、乙酸乙酯，微溶于乙醚，不溶于烃类。 由于分子中既有羟基又有羧基，兼有醇与酸的双重性。加热至100℃时受热分解为甲醛、一氧化碳和水，甲醛会进一步形成多聚甲醛或者甲酸。可以同氢氧化钙反应形成羟基乙酸钙白色固体沉淀。

CAS No.： 79-14-1

结构式: HOCH2COOH

理化性质: 本品为无色结晶体，熔点 80°C, 溶于水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸和醚。

外观: 无色透明液体或无色结晶体。

含量: 液体 ≥ 70 ％，结晶体 ≥ 99.5％，不含氯离子。

乙醇酸 glycolic acid 在细菌的戊糖发酵或植物的光合作用中，经乙醛酸酶还原而形成乙醇酸。在高等植物中可通过广泛在的乙醇酸氧化酶氧化形成乙醛酸。再进一步氧化而成草酸，脱羧变成甲酸。

绿色植物光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应过程，在有机物合成、

蓄积太阳能量和净化空气，保持大气中氧气含量和碳循环的稳定等方面起很大作用

，是农业生产的基础，在理论和实践上都具有重大意义。

叶片是进行光合作用的主要器官，叶绿体是光合作用的重要细胞器。高等植物

的叶绿体色素包括叶绿素(a和b)和类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)，它们分布在光合

膜上。叶绿素的吸收光谱和荧光现象，说明它可吸收光能、被光激发。叶绿素的生物

合成在光照条件下形成，既受遗传性制约，又受到光照、温度、矿质营养、水和氧气

等的影响。

光合作用包括光反应过程、光合碳同化二个相互联系的步骤，光反应过程包括原

初反应和电子传递与光合磷酸化两个阶段，其中前者进行光能的吸收、传递和转换，

把光能转换成电能，后者则将电能转变为ATP和NADPH2(合称同化力)这两种活跃的化学

能。活跃的化学能转变为稳定化学能是通过碳同化过程完成的。碳同化有C3、C4和CAM

三条途径，根据碳同化途径的不同，把植物分为C3植物、C4植物和CAM植物。但C3途径

是所有的植物所共有的、碳同化的主要形式，其固定CO2的酶是RuBP羧化酶。C4途径和

CAM途径都不过是CO2固定方式不同，最后都要在植物体内再次把CO2释放出来，参与C3

途径合成淀粉等。C4途径和CAM途径固定CO2的酶都是PEP羧化酶，其对CO2的亲和力大于

RuBP羧化酶，C4途径起着CO2泵的作用；CAM途径的特点是夜间气孔开放，吸收并固定CO2

形成苹果酸，昼间气孔关闭，利用夜间形成的苹果酸脱羧所释放的CO2，通过C3途径形成

糖。这是在长期进化过程中形成的适应性。

光呼吸是绿色细胞吸收O2放出CO2的过程，其底物是C3途径中间产物RuBP加氧形成的

乙醇酸。整个乙醇酸途径是依次在叶绿体、过氧化体和线粒体中进行的。C3植物有明显的

光呼吸，C4植物光呼吸不明显。

植物光合速率因植物种类品种、生育期、光合产物积累等的不同而异，也受光照、CO2

、温度、水分、矿质元素、O2等环境条件的影响。这些环境因素对光合的影响不是孤立的，

而是相互联系、共同作用的。在一定范围内，各种条件越适宜，光合速率就越快。

目前植物光能利用率还很低。作物现有的产量与理论值相差甚远，所以增产潜力很大。

要提高光能利用率，就应减少漏光等造成的光能损失和提高光能转化率，主要通过适当增加

光合面积、延长光合时间、提高光合效率、提高经济产量系数和减少光合产物消耗。改善光

合性能是提高作物产量的根本途径。

植物的绿色细胞在光下吸收氧气，放出二氧化碳的过程称为光呼吸(photorespiration)。这种呼吸仅在光下发生，且与光合作用密切相关。一般生活细胞的呼吸在光照和黑暗中都可以进行，对光照没有特殊要求，称为暗呼吸。

光呼吸与暗呼吸在呼吸底物、代谢途径以及对O2和CO2浓度的反应等方面均不相同。另外，光呼吸速率比暗呼吸速率高3～5倍。 光呼吸是一个氧化过程，被氧化的底物是乙醇酸（glycolate）。乙醇酸的产生则以RuBP为底物，催化这一反应的酶是Rubisco。这种酶是一种兼性酶，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。其催化方向取决于CO2和O2的分压。当CO2分压高而O2分压低时，RuBP与CO2经此酶催化生成2分子的PGA；反之，则RuBP与O2在此酶催化下生成1分子PGA和1分子磷酸乙醇酸(C2化合物)，后者在磷酸乙醇酸磷酸（酯）酶的作用下变成乙醇酸。

表1 光呼吸与暗呼吸的区别

光呼吸

暗呼吸

底物

在光下由Rubisco加氧反应形成的乙醇酸，底物是新形成的。

可以是碳水化合物，脂肪或蛋白质，但最常见的底物是葡萄糖。底物可以是新形成的，也可以是贮存物。

代谢途径

乙醇酸代谢途径，或称C2途径

糖酵解，三羧酸循环，磷酸戊糖途径

发生部位

只发生在光合细胞里，在叶绿体、过氧化体和线粒体三种细胞器协同作用下进行。

在所有活细胞的细胞质和线粒体中进行。

对O2 和CO2浓度的反应

在O2浓度1-100%范围内，光呼吸随氧浓度提高而增强，高浓度的CO2抑制光呼吸。

一般而言，O2和CO2浓度对暗呼吸无明显影响。

反应部位、条件

光下、绿色细胞

光、暗处生活细胞

光呼吸的全过程需要由叶绿体、过氧化体和线粒体三种细胞器协同完成，这是一个环式变化过程。光呼吸实际上是乙醇酸代谢途径，由于乙醇酸是C2化合物，因此光呼吸途径又称C2循环。

在叶绿体中形成的乙醇酸转至过氧化体，由乙醇酸氧化酶催化，被氧化成乙醛酸和H2O2，后者由过氧化氢酶催化分解成H2O和O2。乙醛酸经转氨酶作用变成甘氨酸，进入线粒体。2分子甘氨酸在线粒体中发生氧化脱羧和羟甲基转移反应转变为1分子丝氨酸，并产生NADH、NH3，放出CO2。丝氨酸转回到过氧化体，并与乙醛酸进行转氨作用，形成羟基丙酮酸，后者在甘油酸脱氢酶作用下，还原为甘油酸。最后，甘油酸再回到叶绿体，在甘油酸激酶的作用下生成PGA，进入卡尔文循环，再生RuBP，重复下一次C2循环。在这一循环中，2分子乙醇酸放出1分子CO2(碳素损失25%)。O2的吸收发生于叶绿体和过氧化体内，CO2的释放发生在线粒体内。 从碳素同化的角度看，光呼吸将光合作用固定的20%～40%的碳变为CO2放出；从能量的角度看，每释放1分子CO2需要消耗6.8个ATP和3个NADPH。显然，光呼吸是一种浪费。

CO2和O2竞争Rubisco的同一活性部位，并互为加氧与羧化反应的抑制剂。Rubisco催化反应的方向，是进行光合作用还是光呼吸，取决于外界CO2与O2浓度的比值。大气中CO2/O2比值很低，加氧酶活性就不可避免地表现出来。既然在空气中绿色植物光呼吸是不可避免的，那它在生理上有什么意义呢？目前认为其主要生理功能如下：

1．消除乙醇酸的毒害：乙醇酸的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸消除乙醇酸的代谢作用，避免了乙醇酸积累，使细胞免受伤害。

2．维持C3途径的运转：在叶片气孔关闭或外界CO2浓度降低时，光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用，以维持C3途径的运转。

3．防止强光对光合机构的破坏：在强光下，光反应中形成的同化力会超过暗反应的需要，叶绿体中NADPH/NADP+的比值增高，最终电子受体NADP+不足，由光激发的高能电子会传递给O2，形成超氧阴离子自由基，对光合机构具有伤害作用，而光呼吸可消耗过剩的同化力，减少的形成，从而保护光合机构。

4．氮代谢的补充：光呼吸代谢中涉及多种氨基酸(甘氨酸、丝氨酸等)的形成和转化过程，它对绿色细胞的氮代谢是一个补充。

5． C3植物、C4植物、C3-C4中间植物和CAM植物的光合特征比较

根据高等植物光合作用碳同化途径的不同，可将植物划分成为C3植物、C4植物、C3－C4中间植物和CAM植物。但研究发现，高等植物的光合碳同化途径也可随着植物的器官、部位、生育期以及环境条件而发生变化。例如，甘蔗是典型的C4植物，但其茎杆叶绿体只具有C3途径；高粱也是典型的C4植物，但其开花后便转变为C3途径；高凉菜在短日照下为CAM植物，但在长日照、低温条件下却变成了C3植物。冰叶日中花，在水分胁迫时具有CAM途径，而水分状况适宜时，则主要依靠C3途径进行光合作用。

表2 C3植物、C4植物C3－C4中间植物和CAM植物的结构、生理特征比较

特 征

C3植物

C4植物

C3－C4中间植物

CAM植物

结构

BSC不发达，不含叶绿体，其周围叶肉细胞排列疏松

BSC含叶绿体，其周围叶肉细胞排列紧密呈“花环型”结构（kranz type）

BSC含叶绿体，但BSC的壁较C4植物的薄

BSC不发达，不含叶绿体，含较多线粒体，叶肉细胞的液泡大

绿素a/b

2．8±0.4

3．9±0.6

2．8～3.9

2．5～3.0

征

C3植物

C4植物

C3－C4中间植物

CAM植物

CO2补偿点

(μg L-1)

>40

5左右

5～40

光照下:0～200，黑暗中：<5

合固定CO2的途径

只有C3途径

C4途径和C3途径

C3途径和有限的

C4途径

CAM途径和C3途径

O2固定酶

Rubisco

PEPC,Rubisco

PEPC,Rubisco

PEPC,Rubisco

O2最初接受体

RuBP

PEP

RuBP,PEP（少量）

光下:RuBP；

暗中：PEP

CO2固定最初产物

PGA

OAA

PGA，OAA

光下:PGA；黑暗中：OAA

EPC活性

(μmol·mg-1

.chl.min-1)

0.30～0.35

16～18

<16

19．2

最大净光合速率

(μmolCO2 m-2·s-1)

15～35

40～80

30～50

1～4

光呼吸

3．0～3.7

≈0

0.6～1.0

≈0

同化产物分配

慢

快

中等

不等

蒸腾系数

450～950

250～350

中等

光下150～600

暗中18～100

到了20世纪70年代，又发现某些植物形态解剖结构和生理生化特性介于C3植物和C4植物之间，被称为C3－C4中间植物。迄今已发现在禾本科、栗米草科、苋科，菊科、十字花科及紫茉莉科等科植物中有数十种C3－C4中间植物，如黍属的Panicum milioides 和P.Schenckii等。然而，大多数C3植物、C4植物、C3－C4中间植物及CAM植物的形态解剖结构和生理生化特性还是相对稳定的，有区别的，见表3－5。一般而言，C4植物具有较高的光合效率，特别是在低CO2浓度、高温、强光。

三羧酸循环是指乙酰辅酶A经过10步循环反应,生成2分子CO2,3分子NADH+,1个FADH2,2个H+,1个GTP的过程.

戊糖磷酸途径是6分子6-磷酸葡萄糖经过代谢生成5分子6-磷酸葡萄糖,12分子NADPH,12分子H+,并放出6分子CO2的过程.(以上三种途径均存在于所有生物中)

乙醛酸途径是2分子乙酰辅酶A经过代谢,形成1分子草酰乙酸,2分子NADH,2分子H+,1分子FADH2的过程(该途径仅存在于植物和微生物的乙醛酸循环体中).

乙醇酸途径是2分子1,5-二磷酸核酮糖消耗1分子O2,经过乙醇酸,形成1分子NH3,3分子3-磷酸甘油酸,并放出1分子CO2的过程.(此途径存在于植物细胞的叶绿体、过氧化物酶体及线粒体中）