光呼吸涉及三个细胞器的相互协作：叶绿体、过氧化物酶体和线粒体.整个过程可被看作由RuBP被加氧分解为2—磷酸乙醇酸和3—磷酸甘油酸开始,经过一系列的反应将两碳化合物磷酸乙醇酸生成3—磷酸甘油酸,后者进入卡尔文循环,可再次生成为RuBP.而叶绿体内进行的是光呼吸开始和收尾的反应,过氧化物酶体内进行的是有毒物质的转换,而线粒体则将两分子甘氨酸合成为一分子丝氨酸,并释放一分子二氧化碳和氨.在光呼吸过程中产生的氨,细胞能通过谷氨酰胺—谷氨酸循环快速固定再次利用高效回收,这个过程消耗一分子ATP和NADPH.在陆生C3植物中,在光呼吸过程中产生的氨量比植物根部能吸收到的还要多,成为植物自身氮代谢的一个重要环节.而且相比起根部通过吸收硝酸根或直接从根瘤中得到氨的固定途径,光呼吸的氨固定效率要高出5到10倍.
C3植物的叶肉细胞的过氧化物酶体较多,而C4植物的过氧化物酶体大多数在维管束鞘细胞的薄壁细胞内.过氧化物酶体离叶绿体较近.换言之,C4的较远,光呼吸就相对较弱了.
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