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光合磷酸化是指由光照引起的电子传递与ATP的生成相偶联的过程，其机制与氧化磷酸化惊人的相似，依然是化学渗透学说和旋转催化机制。即在电子传递过程中，有质子被泵入类囊体腔内，在类囊体膜两侧建立了质子梯度，质子梯度驱动类囊体膜上的ATP合酶生成ATP。 为了验证光合作用过程的化学渗透学说，1963年，科学家贾格道夫设计了一个巧妙的实验。他将离体的类囊体置于pH为4的酸性溶液中，使类囊体膜腔内的pH值下降至4，然后将类囊体转移到含有ADP和Pi的pH为8的缓冲溶液中。结果检测到该装置在无光条件下成功地合成了ATP，而将类囊体置于pH为4的溶液中的对照组，未检测到ATP的合成。 
这一结果表明类囊体膜两侧的质子梯度可以驱动ATP的合成，也为化学渗透学说提供了直接的证据。与氧化磷酸化一样，我们依然要追溯在光合磷酸化中电子是如何传递的？这要从光合作用的原初反应说起。事实上，光反应经历了原初反应、电子传递和光合磷酸化三个阶段。 原初反应指从色素分子被光激发，到引起第一个光化学反应为止的过程，这个过程完成了光能的吸收、传递和转化。首先，位于类囊体膜上的聚光色素（亦称天线色素，包括绝大多数的叶绿素a、全部叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素）吸收光能并将其传递给反应中心色素（少数特殊状态的叶绿素a），反应中心色素分子得到能量后被激发，由基态跃迁到激发态，激发态色素分子把高能电子传递给原初电子受体，完成了由光能向电能的转化。 
接下来，高能电子要沿着电子传递链（光合链）进行传递，最初失去电子的反应中心色素必须重新得到电子才能继续投入下一轮工作，是水为这些色素提供了新的电子。所以，水是最初的电子供体。一条常见的电子传递路径是：水→PSII→PQ→Cyt.b6/f→PC→PSI→Fd→ NADP+，可见，最终是NADP+接受了电子，从而生成了NADPH。 
因此，光合磷酸化就是指光能激发叶绿素a失去电子，释放出的电子沿复杂的光合链进行传递而发生一系列氧化还原反应，同时将质子泵到类囊体腔内，形成跨类囊体膜的质子梯度，进而驱动ATP合成的过程。这些反应涉及到一系列酶的参与，逐步将光能转化为化学能，而电子传至最终受体NADP+形成还原力NADPH，为卡尔文循环做足准备。
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