第八章

1. 第八章 叶绿体 chloroplast

2. 第八章纲 要 一、叶绿体的形态学 二、结构与化学组成 三、光反应 四、暗反应 五、叶绿体遗传、起源 六、叶绿体与线粒体的比较

3. 叶绿体

4. 光合作用 根据生物能否进行光合作用，分为两种类型∶ 能够进行光合作用的称为自养型(autotrophs)生物; 不能进行光合作用的称为异养型生物(heterotrops)。 异养型生物只能从消耗的含碳食物中获得还原型的碳素营养。 光合作用就是自养型生物利用光能将碳进行还原。

5. 叶绿体的光合作用装置

6. 叶绿体 叶绿体(chloroplast)是植物细胞所特有的能量转换细胞器,其主要功能是进行光合作用,即利用光能同化二氧化碳和水,生成糖,同时产生分子氧。

7. 叶绿体的结构

8. 8.1 叶绿体的形态学 由于叶绿体的体积大且具有绿色，所以它是光学显微镜下发现的第一个细胞内的结构。17世纪光学显微镜发明不久，列文虎克就在藻类中观察到叶绿体，到了1800年，在各种植物的叶中鉴定到叶绿体，并很快证明叶绿体是由半透性的膜包裹的细胞器。

9. 8.1.1 前质体、质体、叶绿体 前质体(proplastid)∶直径约为1μm，或更小一些，它是由双层膜包被着未分化的基质(stroma)所组成。植物中的前质体随着在发育过程中所处的位置以及接受光的多少程度，分化成功能各异的质体(plastid),根据质体是否含有叶绿素和功能的不同,将质体分为白色体、叶绿体和有色体。

10. 前质体、质体、叶绿体

11. 8.1.1 前质体、质体、叶绿体 白色体(etioplast) 质体的一种，不含色素, 多存在于植物的分生组织和储藏组织中,具有创造和储藏淀粉、蛋白质和油脂的功能。 叶绿体(chloroplast) 质体的一种, 含有叶绿素和胡萝卜素。有基粒、类囊体结构。分布于叶及茎皮层细胞中,其功能为进行光合作用,把光能转变成化学能,创造碳水化合物。

12. 8.1.1 前质体、质体、叶绿体 有色体(chromoplast) 有色体含有叶黄素、胡萝卜素和类胡萝卜素,不含叶绿素,无类囊体结构。分布于高等植物的某些器官,如花瓣、果实和根细胞中,使其呈现黄色或桔黄色。不进行光合作用,功能是富集淀粉和脂类。

13. 8.1.2 形态、大小、数量和分布  形态 高等植物中的叶绿体为球形、椭圆形或 卵圆形，为双凹面。有些叶绿体呈棒状，中 央区较细小而两端膨大，充满叶绿素。叶绿 体通常呈囊泡状。 大小 叶绿体的大小变化很大。高等植物叶绿 体的平均直径为4-6μm,厚2-3μm。同一种 植物生长在不同的环境中, 其大小也不相同。 一般情况下，向阳面比背阳面生长的植物叶 绿体不仅体积大而且数量也多。

14. 数量和分布 不同植物中叶绿体的数目相对稳定。大多数高等植物的叶肉细胞含有50-200个叶绿体,可占细胞质体积的40%。叶绿体的数目因物种、细胞类型、生理状况而异,藻类植物通常只有一个巨大的叶绿体。 叶绿体在细胞质中的分布有时是很均匀的，但有时也常集聚在核的附近，或者靠近细胞壁。叶绿体在细胞内的分布和排列因光能的量的不同而有变化。叶绿体可随植物细胞的胞质环流而改变位置和形状。

15. 8.2 叶绿体的结构与化学组成 叶绿体是由叶绿体膜(chloroplast membrane或称之为外被out envelope)、类囊体(thylakoid)和基质(stroma)组成。叶绿体的结构比较特殊,它含有3种不同的膜(外膜、内膜和类囊体膜)以及3种彼此分隔的间隙(膜间隙、叶绿体基质和类囊体腔)。

16. 叶绿体的形态结构

17. 8.2.1 叶绿体的外被 叶绿体的包被是由两层单位膜(内膜和外膜)所构成。每层膜的厚度为6-8nm, 内外两膜间有10-20nm宽的间隙,称为膜间隙。与线粒体不同的是，线粒体的内膜折皱形成脊，而叶绿体的基质中还有一种膜结构∶类囊体。

18. 8.2.1 叶绿体的外被 叶绿体膜的通透性 叶绿体较能抵抗渗透压的变化和固定剂的作用，这是叶绿体与线粒体的一个很重要的区别。 叶绿体的外膜通透性大,许多化合物如核苷、无机磷(Pi),蔗糖等均可自由通过。内膜的通透性较差,在内膜上有特殊转运载体称为转运体(traslocator)转运代谢物。

19. 菠菜叶绿体膜的脂含量 脂 内膜 外膜 内囊体膜 糖脂 单半乳糖二乙酰甘油 17 55 40 二半乳糖二乙酰甘油 29 29 19 硫醌二乙酰甘油 6 5 5 磷脂 磷脂酰甘油 10 9 5 磷脂酰胆碱 32 0 0 磷脂酰肌醇 5 1 1 光吸收色素 叶绿素 0 0 20 类胡萝卜素 〈1 〈1 6 醌 0 0 3 蛋白质/脂的比值0.35 0.9 1.5

20. 内膜上的蛋白大多是与糖脂与磷脂合成有关的酶类。研究结果表明叶绿体的被膜不仅是叶绿体脂合成的场所，也是整个植物细胞脂合成的主要场所。内膜上的蛋白大多是与糖脂与磷脂合成有关的酶类。研究结果表明叶绿体的被膜不仅是叶绿体脂合成的场所，也是整个植物细胞脂合成的主要场所。

21. 8.2.2 类囊体(thylakoid) 叶绿体基质中由许多单位膜封闭而成的扁平小囊,称为类囊体。它是叶绿体内部组织的基本结构单位,上面分布着许多光合作用色素,是光合作用的光反应场所。

22. 8.2.2 类囊体(thylakoid) 类囊体的类型 基粒类囊体(granum thylakoid)∶ 叶绿体中圆盘状的类囊体常常相互堆积在一起形成柱形颗粒, 叫基粒(grana)。每一个叶绿体中约含有40—80个基粒。构成基粒的类囊体叫基粒类囊体,或称为堆积类囊体(unstaked thylakoids)。基粒类囊体的直径为 0.25-0.8μm; 厚0.01μm, 一个基粒系由5—30个基粒类囊体所组成，最多的可达上百个。

23. 叶绿体与线粒体结构的比较

24. 8.2.2 类囊体(thylakoid) 基质类囊体(stroma thylakoid) 通常基粒中的类囊体会延伸出网状或片层并与相邻的基粒类囊体相通,连接两个相邻基粒类囊体的片层结构就称为基质片层(stroma lumen)或基质类囊体，也有称为非堆积的类囊体(unstaked thylakoids)。

25. 类囊体的结构

26. 类囊体膜的化学组成 类囊体的膜在两个方面表现出独特的性质∶类囊体膜上有伸向基质的柄状结构，称为CF1颗粒；第二个特性是相互堆积形成基粒。 类囊体的蛋白分为内在蛋白和外周蛋白两类。外周蛋白在类囊体膜上朝向叶绿体基质面的较多。内在蛋白镶嵌在脂双层中,如质体兰素、细胞色素等。

27. 类囊体的蛋白分布

28. 8.2.3叶绿体基质(stroma) 叶绿体内膜与类囊体之间的无定形的物质，称为叶绿体基质。 在电子显微镜下观察可见到基质中有一些细微颗粒，其中最多的是淀粉颗粒。另外还有一些含脂的沉积物称为质体小球(plastoglobuli)，这种小球的产生同类囊体的破裂有关，当新类囊体形成时，可减少类囊体的数量和体积。基质中含有大量的可溶性蛋白,其中RuBP羧化酶占可溶性蛋白总量的60%。此外还有核糖体、DNA和RNA等。基质是CO2固定的场所。

29. 8.2.3 叶绿体蛋白的定位 叶绿体同线粒体一样，大多数蛋白质都是在细胞质中合成然后通过导肽运输到叶绿体的不同部位。例如核酮糖1.5二磷酸羧化酶(RuBpcase,Ribulose-1-5-biphosphate carboxylase)，其中8个大亚基(相同，分子量55kD),由线粒体DNA编码，8个小亚基由核DNA编码。RuBP的小亚基的前体有一个40—60的导肽,它负责引导小亚基的肽进入叶绿体基质。

30. 8.2.3 叶绿体蛋白的定位 叶绿体蛋白的来源 参与叶绿体组成的蛋白质来源有三种情况:一是由ctDNA编码,在叶绿体核糖体上合成;二是由核DNA编码,在叶绿体核糖体上合成;三是由核DNA编码,在细胞质核糖体上合成。

31. 8.2.3 叶绿体蛋白的定位  运输机理 叶绿体蛋白质的运输与线粒体有许多类同之处,但由于叶绿体结构复杂，使得细胞质中合成的蛋白运送到叶绿体的特定部位比线粒体更困难。细胞质中合成的叶绿体前体蛋白含有一段导肽,也称转运肽(transitpeptides)。

32. 定位于叶绿体基质蛋白∶RuBP羧化酶是定位于叶绿体基质蛋白, 它的运输过程大致分为两步: 第一步导肽与叶绿体的外膜受体结合；第二步以转译后运输的机制(Post translation mechanism)跨过叶绿体的膜进入基质，导肽被金属蛋白酶水解掉。 定位于类囊体膜和基质蛋白的运输∶这类蛋白的运输大约分为三个过程: 第一步是前体连接到叶绿体膜的特定的受体上,第二步是前体进入叶绿体基质、经基质蛋白酶加工后插入到类囊体膜和类囊体腔,最后在类囊体腔中装配成成熟的蛋白质。

33. 叶绿体蛋白定位

34. 8.2.4 叶绿体组分的分离 分离方法分为两种: 剧烈匀浆法:例如进行研磨破碎细胞壁，让叶绿体释放到溶液中，然后通过差速离心分离叶绿体。 温和方法∶用纤维素酶或果胶酶水解细胞壁获得原生质体，然后用温和方法破碎细胞，最后通过离心分离叶绿体。

35. 叶绿体组份的分离

36. 8.3 光反应 叶绿体的主要功能是进行光合作用 (photosynthesis)。 光合作用反应式: 6CO2 + 6O2H+ 光 →C6H12O6 + 6O2 + 化学能 (674000千卡)。 1905年，F.Blackman提出光合作用可分为两个 不同的阶段，即光反应和暗反应(light and dark reaction)。光反应是对光的吸收，并产生氧。暗反 应涉及到CO2的固定(从大气中摄取CO2并将CO2转变成 含有还原碳的有机物)。在第一阶段，吸收光能，并 将光能转变成化学能。

37. 光反应 光反应是通过叶绿素等光合色素分子 吸收传递光能,并将光能转化为化学能,形 成ATP和NADPH的过程。在此过程中水分子 被光解,释放出氧。光反应包括光能的吸 收、传递和转换过程,即光合作用的原初反 应、电子传递、光合磷酸化。 光反应的场所是类囊体。

38. 8.3.1 原初反应(primary reaction) 指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程。包括光能的吸收、传递和转换。即光能被聚光色素分子吸收,并传递至作用中心,在作用中心发生最初的光化学反应,使电荷分离从而将光能转化为电能的过程。

39. 8.3.1 原初反应 光吸收色素 光的吸收是靠聚光色素(light-harvesting pigment)完成的。聚光色素又称为光吸收色素(light-absorbing pigment),此类色素位于类囊体的膜上，只具有吸收聚集光能的作用,而无光化学活性, 故此又称为天线色素。

40. 植物中进行光合作用的主要色素是叶绿素(chlorophylls),它是一类含脂的色素家族，位于类囊体膜，并且赋予植物的绿色。叶绿素吸收的光主要是蓝色和红色而不是绿色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。植物中进行光合作用的主要色素是叶绿素(chlorophylls),它是一类含脂的色素家族，位于类囊体膜，并且赋予植物的绿色。叶绿素吸收的光主要是蓝色和红色而不是绿色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。 植物含有几种类型的叶绿素，它们之间的差别在于烃侧链的不同。叶绿素a存在于光合作用的真核生物和蓝细菌中。

41. 在高等植物和绿藻的细胞中含有叶绿素b,而在其它一些类型的细胞中含有叶绿素c。在高等植物和绿藻的细胞中含有叶绿素b,而在其它一些类型的细胞中含有叶绿素c。 除了叶绿素之外，类囊体还含有其它一些相关色素，帮助叶绿素提高光合作用中对光吸收的效应，这类色素主要是类胡萝卜素(carotenoids),也是一种含脂的分子家族，类胡萝卜素吸收紫色和蓝色光(400-500nm)。另一类帮助叶绿素进行光吸收的色素是藻胆素(phycobillins),存在于红藻和蓝细菌中。

42. 叶绿素的结构

43. 光吸收色素

44. 8.3.1 原初反应 光系统(photosystems) 1930年有人发现叶绿体在光合作用中，每固定一 个 CO2 分子需要2500个叶绿素分子，后来又发现每固 定一分子CO2，需要消耗8个光质子， 这样固定一个光 质子大约需要300个分子的叶绿素。 进行光吸收的功能单位称为光合系统 (phoyosystemb), 它是由叶绿素、类胡萝卜素、脂和 蛋白质所组成。每一个光系统含有两个主要的成分∶ 捕光复合物(light -harvesting complex)和光反应 中心复合物(reaction-center complex)。

45. 捕光复合物是由几百个叶绿素分子、若干同蛋白质连接起来的类胡萝卜素分子所组成。当捕光复合物中的叶绿素或类胡萝卜素吸收一个光质子时，就有一个电子被激活，色素的这种激发状态相互传递，一直到达反应中心的一对特殊的叶绿素a。捕光复合物是由几百个叶绿素分子、若干同蛋白质连接起来的类胡萝卜素分子所组成。当捕光复合物中的叶绿素或类胡萝卜素吸收一个光质子时，就有一个电子被激活，色素的这种激发状态相互传递，一直到达反应中心的一对特殊的叶绿素a。 反应中心复合物是由几种与叶绿素a相关的多肽，以及一些与脂相连的蛋白质所构成,它们的作用是作为电子供体和受体。光系统中的光吸收色素的功能像是一种天线，将捕获的光能传递给中心的一对叶绿素a,由叶绿素a激发一个电子，并进入光合作用的电子传递链。

46. 光合作用的电子产生

47. 8.3.1 原初反应 反应机理 捕光复合物中的聚光色素吸收光质子,由基态变为激发态→相互传递→最后传给作用中心的一对特殊的叶绿素分子a,这一对叶绿素分子是同作为电子供体和受体的蛋白质紧紧地结合在一起的。 叶绿素a被激发成激发态,同时放出电子给原初电子受体,此时叶绿素a被氧化成带正电荷的氧化态的叶绿素a,而受体被还原成带负电荷的还原型受体。氧化态的叶绿素a又可从原初电子供体处获得电子而恢复为原来的还原状态,原初电子供体则被氧化成氧化态,原初电子受体将高能电子释放进入电子传递链，完成了光能转化为化能的过程。

48. 光能转换成电能

49. 8.3.2 电子传递 类囊体膜上具有全部由光能转化为化学能所需的功能组分,包括捕光天线色素、两个光反应中心、各种电子载体、从水中摄取电子的酶以及合成ATP的系统。这些组分分别组装成膜蛋白复合物,这些复合物在类囊体膜上呈不对称分布。

50. 8.3.2 电子传递 电子载体 光合作用的电子传递链(photosynthetic electron transfer chain)是由一系列的电子 载体构成的，同线粒体呼吸链中的电子载体的 作用基本相似。但二者不同的是，线粒体呼吸 链中的载体位于内膜，而光合作用的电子载体 位于类囊体膜并且是一个吸热的过程而不是放 热的过程。