第七章線粒體與葉綠體

第七章線粒體與葉綠體第二節(jié)葉綠體幾乎可以說一切生命活動所需的能量來源于太陽能（光能）。綠色植物是主要的能量轉(zhuǎn)換者是因為它們均含有葉綠體（Chloroplast）這一完成能量轉(zhuǎn)換的細胞器，它能利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同時產(chǎn)生氧（圖7-19）。所以綠色植物的光合作用是地球上有機體生存、繁殖和發(fā)展的根本源泉。6CO2+6O2H+光→C6H12O6+6O2+化學能圖7-19光合作用反應(yīng)式一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)在高等植物中葉綠體象雙凸或平凸透鏡，長徑5~10um，短徑2~4um，厚2~3um。高等植物的葉肉細胞一般含50～200個葉綠體，可占細胞質(zhì)的40%，葉綠體的數(shù)目因物種細胞類型，生態(tài)環(huán)境，生理狀態(tài)而有所不同。在藻類中葉綠體形狀多樣，有網(wǎng)狀、帶狀、裂片狀和星形等等，而且體積巨大，可達100um。葉綠體由葉綠體外被（chloroplastenvelope）、類囊體（thylakoid）和基質(zhì)（stroma）3部分組成，葉綠體含有3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類囊體膜和3種彼此分開的腔：膜間隙、基質(zhì)和類囊體腔（圖7-20）。圖7-20葉綠體的結(jié)構(gòu)（一）外被葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為10~20nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質(zhì)中的營養(yǎng)分子可自由進入膜間隙。內(nèi)膜對通過物質(zhì)的選擇性很強，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內(nèi)膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透過內(nèi)膜較慢。蔗糖、C5糖雙磷酸酯，C糖磷酸酯，NADP+及焦磷酸不能透過內(nèi)膜，需要特殊的轉(zhuǎn)運體（translator）才能通過內(nèi)膜。（二）類囊體是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜。許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構(gòu)成內(nèi)膜系統(tǒng)的基粒片層（granalamella）?；Ｖ睆郊s0.25~0.8μm，由10~100個類囊體組成。每個葉綠體中約有40~60個基粒。貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發(fā)生垛疊的類囊體稱為基質(zhì)類囊體，它們形成了內(nèi)膜系統(tǒng)的基質(zhì)片層（stromalamella）。由于相鄰基粒經(jīng)網(wǎng)管狀或扁平狀基質(zhì)類囊體相聯(lián)結(jié)，全部類囊體實質(zhì)上是一個相互貫通的封閉系統(tǒng)。類囊體做為單獨一個封閉膜囊的原始概念已失去原來的意義，它所表示的僅僅是葉綠體切面的平面形態(tài)。類囊體膜的主要成分是蛋白質(zhì)和脂類（60：40），脂類中的脂肪酸主要是不飽含脂肪酸（約87%），具有較高的流動性。光能向化學能的轉(zhuǎn)化是在類囊體上進行的，因此類囊體膜亦稱光合膜，類囊體膜的內(nèi)在蛋白主要有細胞色素b6/f復合體、質(zhì)體醌（PQ）、質(zhì)體藍素（PC）、鐵氧化還原蛋白、黃素蛋白、光系統(tǒng)Ⅰ、光系統(tǒng)Ⅱ復合物等。（三）基質(zhì)是內(nèi)膜與類囊體之間的空間，主要成分包括：碳同化相關(guān)的酶類：如RuBP羧化酶占基質(zhì)可溶性蛋白總量的60%。葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。二、光合作用機理光合作用的是能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程。首先光能轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)電子傳遞產(chǎn)生ATP和NADPH形式的不穩(wěn)定化學能，最終轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的化學能儲存在糖類化合物中。分為光反應(yīng)（lightreaction）和暗反應(yīng)（darkreaction），前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化，后者不需要光，涉及CO2的固定。分為C3和C4兩類。（一）光合色素和電子傳遞鏈組分1．光合色素類囊體中含兩類色素：葉綠素（圖7-21）和橙黃色的類胡蘿卜素，通常葉綠素和類胡蘿卜素的比例約為3:1，chla與chlb也約為3:l，全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質(zhì)以非共價鍵結(jié)合，一條肽鏈上可以結(jié)合若干色素分子，各色素分子間的距離和取向固定，有利于能量傳遞。圖7-21葉綠體分子結(jié)構(gòu)2．集光復合體（lightharvestingcomplex）由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構(gòu)成（圖7-22）。大部分色素分子起捕獲光能的作用，并將光能以誘導共振方式傳遞到反應(yīng)中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。葉綠體中全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。另外類胡蘿卜素和葉黃素分子也起捕獲光能的作用，叫做輔助色素。圖7-22集光復合體3．光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）吸收高峰為波長680nm處，又稱P680。至少包括12條多肽鏈。位于基粒于基質(zhì)非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括一個集光復合體（light-hawestingcomnplexⅡ，LHCⅡ）、一個反應(yīng)中心和一個含錳原子的放氧的復合體（oxygenevolvingcomplex）。D1和D2為兩條核心肽鏈，結(jié)合中心色素P680、去鎂葉綠素(pheophytin)及質(zhì)體醌(plastoquinone)。4．細胞色素b6/f復合體(cytb6/fcomplex)可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6（b563）、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基Ⅳ（被認為是質(zhì)體醌的結(jié)合蛋白）。5．光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）能被波長700nm的光激發(fā)，又稱P700。包含多條肽鏈，位于基粒與基質(zhì)接觸區(qū)和基質(zhì)類囊體膜中。由集光復合體Ⅰ和作用中心構(gòu)成。結(jié)合100個左右葉綠素分子、除了幾個特殊的葉綠素為中心色素外外，其它葉綠素都是天線色素。三種電子載體分別為A0（一個chla分子)、A1(為維生素K1)及3個不同的4Fe-4S。（二）光反應(yīng)與電子傳遞P680接受能量后，由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（P680*），然后將電子傳遞給去鎂葉綠素（原初電子受體），P680*帶正電荷，從原初電子供體Z（反應(yīng)中心D1蛋白上的一個酪氨酸側(cè)鏈）得到電子而還原；Z+再從放氧復合體上獲取電子；氧化態(tài)的放氧復合體從水中獲取電子，使水光解。2H2O→O2+4H++4e-在另一個方向上去鎂葉綠素將電子傳給D2上結(jié)合的QA，QA又迅速將電子傳給D1上的QB，還原型的質(zhì)體醌從光系統(tǒng)Ⅱ復合體上游離下來，另一個氧化態(tài)的質(zhì)體醌占據(jù)其位置形成新的QB。質(zhì)體醌將電子傳給細胞色素b6/f復合體，同時將質(zhì)子由基質(zhì)轉(zhuǎn)移到類囊體腔。電子接著傳遞給位于類囊體腔一側(cè)的含銅蛋白質(zhì)體藍素(plastocyanin，PC)中的Cu2+，再將電子傳遞到光系統(tǒng)Ⅱ。P700被光能激發(fā)后釋放出來的高能電子沿著A0→A1→4Fe-4S的方向依次傳遞，由類囊體腔一側(cè)傳向類囊體基質(zhì)一側(cè)的鐵氧還蛋白（ferredoxin，F(xiàn)D）。最后在鐵氧還蛋白-NADP還原酶的作用下，將電子傳給NADP+，形成NADPH。失去電子的P700從PC處獲取電子而還原（圖7-23）。圖7-23非循環(huán)式光合磷酸化以上電子呈Z形傳遞的過程稱為非循環(huán)式光合磷酸化（圖7-23），當植物在缺乏NADP+時，電子在光系統(tǒng)內(nèi)Ⅰ流動，只合成ATP，不產(chǎn)生NADPH，稱為循環(huán)式光合磷酸化（圖7-24）。圖7-24非循環(huán)式光合磷酸化圖7-25兩個光系統(tǒng)的協(xié)同作用（三）光合磷酸化一對電子從P680經(jīng)P700傳至NADP+，在類囊體腔中增加4個H+，2個來源于H2O光解，2個由PQ從基質(zhì)轉(zhuǎn)移而來，在基質(zhì)外一個H+又被用于還原NADP+，所以類囊體腔內(nèi)有較高的H+（pH≈5，基質(zhì)pH≈8），形成質(zhì)子動力勢，H+經(jīng)ATP合酶，滲入基質(zhì)、推動ADP和Pi結(jié)合形成ATP（圖7-26）。ATP合酶，即CF1-F0偶聯(lián)因子，結(jié)構(gòu)類似于線粒體ATP合酶。CF1同樣由5種亞基組成α3β3γδε的結(jié)構(gòu)。CF0嵌在膜中，由4種亞基構(gòu)成，是質(zhì)子通過類囊體膜的通道。圖7-26氧化磷酸化和光合磷酸和的比較（四）暗反應(yīng)C3途徑(C3pathway)：亦稱卡爾文(Calvin)循環(huán)。CO2受體為RuBP，最初產(chǎn)物為3-磷酸甘油酸(PGA)。C4途徑(C4pathway)：亦稱哈奇-斯萊克(Hatch-Slack)途徑，CO2受體為PEP，最初產(chǎn)物為草酰乙酸(OAA)。景天科酸代謝途徑（Crassulaceanacidmetabolismpathway，CAM途徑）：夜間固定CO2產(chǎn)生有機酸，白天有機酸脫羧釋放CO2，進行CO2固定。三、葉綠體的半自主性線粒體與葉綠體都是細胞內(nèi)進行能量轉(zhuǎn)換的場所，兩者在結(jié)構(gòu)上具有一定的相似性。①均由兩層膜包被而成，且內(nèi)外膜的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有顯著的差異。②均為半自主性細胞器，具有自身的DNA和蛋白質(zhì)合成體系。因此綠色植物的細胞內(nèi)存在3個遺傳系統(tǒng)。葉綠體DNA由Ris和Plaut1962最早發(fā)現(xiàn)于衣藻葉綠體。ctDNA呈環(huán)狀，長40~60μm，基因組的大小因植物而異，一般約200Kb-2500Kb（圖7-27）。數(shù)目的多少植物的發(fā)育階段有關(guān)，如菠菜幼苗葉肉細胞中，每個細胞含有20個葉綠體，每個葉綠體含DNA分子200個，但到接近成熟的葉肉細胞中有葉綠體150個，每個葉綠體含30個DNA分子。圖7-27煙草葉綠體DNA和線粒體一樣，葉綠體只能合成自身需要的部分蛋白質(zhì)，其余的是在細胞質(zhì)激離的核糖體上合成的，必需運送到葉綠體，才能發(fā)揮葉綠體應(yīng)有的功能。已知由ctDNA編碼的RNA和多肽有：葉綠體核糖體中4種rRNA（20S、16S、4.5S及5S），20種（煙草）或31種（地錢）tRNA，約90多種多肽。由于葉綠體在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、化學組成、遺傳體系等方面與藍細菌相似，人們推測葉綠體可能也起源于內(nèi)共生的方式，是寄生在細胞內(nèi)的藍藻演化而來的。四、葉綠體的增殖在個體發(fā)育中葉綠體由原質(zhì)體發(fā)育而來，原質(zhì)體存在于根和芽的分生組織中，由雙層被膜包圍，含有DNA，一些小泡和淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，但不含片層結(jié)構(gòu)，小泡是由質(zhì)體雙層膜的內(nèi)膜內(nèi)折形成的。在有光條件原質(zhì)體的小泡數(shù)目增加并相互融合形成片層，多個片層平行排列成行，在某些區(qū)域增殖，形成基粒，變成綠色原質(zhì)體發(fā)育成葉綠體。在黑暗性長時，原質(zhì)體小泡融合速度減慢，并