孙宏叶绿体与光合作用王孙宏叶绿体与光合作用王金发版金发版 每当我们看见绿色的植物时，就会给人以希望和激情植物并没有像我们人类一样可以通过吃其他东西来维持自己的一切需要，它有自己独特的生存之道——光合作用…… 数量数量 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 叶绿体沿细胞壁分布的电镜图像叶绿体沿细胞壁分布的电镜图像叶绿体沿细胞壁分布的电镜图像叶绿体沿细胞壁分布的电镜图像通常分布在细胞核周围通常分布在细胞核周围通常分布在细胞核周围通常分布在细胞核周围/ / / /近细胞壁处近细胞壁处近细胞壁处近细胞壁处/ / / /均匀分布均匀分布均匀分布均匀分布分布分布 8.2 8.2 叶绿体的结构与化学组成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)。
叶绿体的形态结构叶绿体的形态结构 叶绿体外被叶绿体外被叶绿体外被叶绿体外被内膜内膜内膜内膜外膜外膜外膜外膜基质类囊体基质类囊体基质类囊体基质类囊体( (基质片层基质片层基质片层基质片层) )基质基质基质基质类囊体腔类囊体腔类囊体腔类囊体腔基粒类囊体基粒类囊体基粒类囊体基粒类囊体膜间隙膜间隙膜间隙膜间隙叶绿体超微结构的模式图解叶绿体超微结构的模式图解叶绿体超微结构的模式图解叶绿体超微结构的模式图解基粒基粒基粒基粒类囊体类囊体类囊体类囊体 8.2.1 8.2.1 叶绿体的外被叶绿体的外被 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 8.2.2 8.2.2 类囊体类囊体(thylakoid)(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 类囊体的结构类囊体的结构 8.2.3 8.2.3 叶绿体蛋白的定位叶绿体蛋白的定位 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 叶绿体蛋白的来源叶绿体蛋白的来源 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 运输机理运输机理 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) 叶绿体蛋白定位叶绿体蛋白定位 8.2.4 8.2.4 叶绿体组分的分离叶绿体组分的分离 分离方法分为两种分离方法分为两种: : 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。
叶叶绿绿体体组组份份的的分分离离 8.3 8.3 光反应光反应叶叶 绿绿 体体 的的 主主 要要 功功 能能 是是 进进 行行 光光 合合 作作 用用(photosynthesis)8.3.18.3.1光合作用概述光合作用概述光合作用反应式光合作用反应式: :6CO2 + 6O2H+ 光 →C6H12O6 + 6O2 + 化学（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 8.3.2 8.3.2 光吸收光吸收 光吸收是光化学反应的第一步，又称原初反应：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 光光吸吸收收色色素素 捕捕光光复复合合物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 反反应应中中心心复复合合物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 8.3.3 8.3.3 电子传递电子传递 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 光合作用中两个光系统的电子传递途径及主要变化图解光合作用中两个光系统的电子传递途径及主要变化图解光合作用中两个光系统的电子传递途径及主要变化图解光合作用中两个光系统的电子传递途径及主要变化图解电子传递电子传递电子传递电子传递非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化 电子载体电子载体 光 合 作 用 的 电 子 传 递 链(photosyntheticelectron 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 细细胞胞色色素素∶植物细胞有几个特殊的细胞色素参与光合作用的电子传递细胞色素b6和细胞色素f的吸收波长分别是:563nm、553nm 铁铁氧氧还还蛋蛋白白(ferredoxin):它含有一个氧化-还原的位点，该位点有两个同硫结合的铁原子,通过Fe3+ → Fe2+的循环传递电子 NADPNADP+ +还还原原酶酶∶参与光合作用电子传递的主要黄素蛋白是NADP+还原酶，是一种含有FAD的酶，催化电子从铁氧还蛋白传递给NADP+ 质质体体兰兰素素(plastocyanin, PC):一种含铜的蛋白质,氧化型呈蓝色,传递电子时靠Cu2+ → Cu+ 的状态循环 电子载体电子载体 质质体体醌醌(plastoquinone, PQ):质子和电子载体,同线粒体的电子传递链的醌一样，也是通过醌和醌醇循环 NADPNADP+ +∶∶ 是光合作用中的最后一个电子受体，是NAD+的衍生物NADP+接受两个电子成为还原型的NADPH。
电电子子载载体体I I质质体体醌醌 电子传递链中的复合物电子传递链中的复合物 捕光复合物捕光复合物ⅡⅡ 又称捕光叶绿素-蛋白质复合物, 或天线复合物(Antenna complex)从豌豆植物中分离的LHC Ⅱ是一种三体复合物，含有三个膜整合肽， 每一个肽至少有12个叶绿素分子(7个叶绿素a 和5个叶绿素b)、两个类胡萝卜素通过非共价键附着由于捕光复合物与PSⅡ紧密相连，因此亦可将它看成是PSⅡ复合物的一部分 PSⅡPSⅡ复复 合合物物 ( photosystem Ⅱ complex, PSⅡ) 即光系统II(PSII)复合物, 主要分布在基粒内囊体膜上光系统Ⅱ反应中心叶绿素的最大光吸收峰是680nm，叶绿素在膜中光吸收的变化主要是同膜蛋白相互作用的结果，而不是叶绿素本身的差异 PSⅡ的组成成分较为复杂，只含有六个膜整合肽和几个紧密连接的脂，包括反应中心P680细胞色素，含有几十个叶绿素a和b、类胡萝卜素等另外还有几个离子，包括四个锰原子，还有细胞色素b559等 光系统光系统I I的功能结构的功能结构 光合作用中的光合作用中的电子传递链电子传递链 8.3.4 8.3.4 光合磷酸化光合磷酸化 类囊体膜进行的光合电子传递与光合磷酸化需要四个跨膜复合物参加∶光系统Ⅱ、细胞色素b6/f复合物、光系统Ⅰ和ATP合成酶。
由三个可动的物质∶质体醌、质体蓝素和H+质子将这四个复合物在功能上连成一体 类囊体类囊体的光能的光能吸收与吸收与电子传电子传递递 +叶绿体类囊体膜中光合磷酸化过程的化学渗透学说图解叶绿体类囊体膜中光合磷酸化过程的化学渗透学说图解叶绿体类囊体膜中光合磷酸化过程的化学渗透学说图解叶绿体类囊体膜中光合磷酸化过程的化学渗透学说图解光合磷酸化过程——化学渗透学说 类囊体的光能吸收与电子传递类囊体的光能吸收与电子传递 光合磷酸化的类型非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化Ø电电子子从从水水经经过过PSII、、载载体体中中间间链链、、PSI，，最最终终抵抵达达NADP＋＋其其电电子子的的传递经过传递经过pSⅠⅠ和和PSⅡⅡ两个光系统！两个光系统！Ø产物：产物：ATP + NADPH 非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化非循环式光合非循环式光合非循环式光合非循环式光合磷酸化示意图磷酸化示意图磷酸化示意图磷酸化示意图 非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化 vPSI吸收光能发出激发电子，传至铁硫吸收光能发出激发电子，传至铁硫蛋白和细胞色素蛋白和细胞色素b6f和质体醌，返回和质体醌，返回P700＋。
其电子的传递只经过＋其电子的传递只经过pSⅠⅠ一个一个光系统，与光系统，与PSⅡⅡ无关！无关！v产物：产物：ATP 循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化 循环式光合磷酸化示意图循环式光合磷酸化示意图循环式光合磷酸化示意图循环式光合磷酸化示意图循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化循环式光合磷酸化 循循环环式式光光合合磷磷酸酸化化 8.4 光合作用的暗反应 暗暗反反应应是指叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP的化学能,将CO2还原合成糖CO2还原成糖的反应不需要光,故这一反应称为暗反应暗反应是在叶绿体基质中进行的 8.4.1 C8.4.1 C3 3途径：卡尔文循环途径：卡尔文循环 在C3途中，由于反应的最初产物3-磷酸甘油酸含三碳化合物,因此,又称三碳循环,这是卡尔文(Calvin)等在50年代用14C示踪法研究出来的, 故称卡尔文循环可分为三个阶段:羧化、还原和RuBP的再生 CO CO2 2的羧化的羧化 CO2被还原之前,首先被固定形成羧基,以RuBP作为CO2接受体,在RuBP羧化酶的作用下使RuBP与CO2 反应形成两分子的3-磷酸甘油酸(PGA)。
8.4.1 C8.4.1 C3 3途径途径 还原阶段还原阶段 3-磷酸甘油酸首先在磷酸甘油激酶的催化下被ATP磷酸化形成1.3二磷酸甘油酸, 然后在甘油醛磷酸脱氢酶的催化下被NADPH还原成3-磷酸甘油醛这是一个吸能反应,光反应中形成的ATP和NADPH主要是在这一阶段被利用所以,还原反应是光反应和暗反应的连接点,一旦CO2被还原成3-磷酸甘油醛,光合作用的贮能过程便完成 8.4.1 C8.4.1 C3 3途径途径 RuBPRuBP的再生的再生 利用已形成的3-磷酸甘油醛经一系列的相互转变最终再生成5-磷酸核酮糖然后在磷酸核酮糖激酶的作用下,发生磷酸化作用生成RuBP, 再消耗一个ATP 综上所述,三碳循环是靠光反应形成的ATP机NADPH作能源,推动CO2的固定、还原,每循环一次只能固定一个CO2,循环6次,才能把6个CO2分子同化成一个己糖分子实际上，通过卡尔文循环，将CO2转变成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH 卡卡尔尔文文循循环环 暗反应中的暗反应中的暗反应中的暗反应中的C C C C3 3 3 3 循环途径图解循环途径图解循环途径图解循环途径图解暗反应的暗反应的暗反应的暗反应的暗反应的暗反应的C C C C C C3 3 3 33 3途径途径途径途径途径途径 8.4.2光呼吸和C4植物8.4.2.1 光呼吸 光呼吸指依靠光来消耗O2，放出CO2的作用。
8.4.2.2 C4植物v1965年，Hugo Kortschak报道,用〔14C〕O2加到甘蔗中，发现放射性首出现在四碳骨架中，而不是出现在PGA中进一步地分析发现，这些C4物质是CO2同磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)结合的结果，因此发现了CO2固定的第二种机制，这种固定CO2的机制称为四碳双羧酸途径,简称为C4途径将CO2连接到PEP上的酶是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶利用这种途径固定CO2的植物称为C4植物，主要是热带草本植物 C4植物——玉米 C4植物——甘蔗 8.4.2.3CAM植物v定义：在C4植物中，由PEP羧化酶在一种类型中固定CO2，然后再另一种类型的细胞中将固定的CO2释放出来供卡尔文循环时时在固定大约有5%以下的植物具有另外的生化适应性，它们能够在非常热而干燥的沙漠环境中生存这些植物称为CAM植物，它们不是在白天固定CO2，而是在夜间进行CO2的固定，固定CO2的酶也是PEP羧化酶 CAM植物 8.5 8.5 叶绿体遗传和起源叶绿体遗传和起源 8.5.1 8.5.1 叶绿体遗传叶绿体遗传 1962年Ris和Plaut在电镜下观察衣藻时发现了叶绿体DNA。
基因组的基本特性基因组的基本特性 叶绿体DNA呈环状，周长随不同生物而有所不同,约为45um,变动范围在40-60um叶绿体DNA 在化学组成上的特点是不含5'甲基胞嘧啶,并且不同组蛋白结合成复合体 叶绿体DNA的分子量在10-14 ～10-16 g, 浮力密度为1.695, 而细胞核的为1.697 烟烟草草叶叶绿绿体体基基因因组组 8.5.1.2 8.5.1.2 叶绿体的半自主性叶绿体的半自主性 半自主性半自主性 叶绿体半自主性的表现在∶叶绿体不仅有自己的DNA,还有自己的核糖体,实验证明,缺少叶绿体核糖体的突变体不能合成质体基因组编码的蛋白质 虽然叶绿体有自己的DNA,但是信息量有限, 只能起部分控制作用而大部分叶绿体的蛋白质是核基因编码,有些是叶绿体基因和核基因共同编码的如RuBP羧化酶的8个大亚基是在叶绿体核糖体上合成的,而8个小亚基是由核基因编码,在细胞质中合成的 叶绿体的半自主性叶绿体的半自主性 8.5.2 8.5.2 叶绿体的发生和起源叶绿体的发生和起源 叶绿体增殖叶绿体增殖 在个体发育中,叶绿体是由原质体分化而来,叶绿体的增殖也是由原来的叶绿体分裂而来。
但对叶绿体的确切分裂方式并不很了解叶绿体数量的增加主要靠幼龄叶绿体,成熟的叶绿体在正常的情况下不再分裂增殖 8.5.2 8.5.2 叶绿体的发生和起源叶绿体的发生和起源 叶绿体的起源叶绿体的起源 关于叶绿体的起源, 至今有各种学说, 主要有内共生学说和细胞内分化学说, 也叫内生学说(internal origin theory) 叶绿体的起源叶绿体的起源 内共生假说主张的叶绿体进化起源图解内共生假说主张的叶绿体进化起源图解内共生假说主张的叶绿体进化起源图解内共生假说主张的叶绿体进化起源图解祖祖祖祖先先先先真真真真核核核核细细细细胞胞胞胞吞吞吞吞噬噬噬噬能能能能进进进进行行行行光光光光合合合合作作作作用用用用的的的的细细细细菌菌菌菌，，，，变变变变成成成成叶叶叶叶绿绿绿绿体体体体，，，，叶叶叶叶绿绿绿绿体体体体内内内内膜膜膜膜芽芽芽芽生出小泡，形成间质面含有生出小泡，形成间质面含有生出小泡，形成间质面含有生出小泡，形成间质面含有F1F1亚基的类囊体小泡亚基的类囊体小泡亚基的类囊体小泡亚基的类囊体小泡 进化起源进化起源进化起源进化起源 8.5.3叶绿体与线粒体的结构与功能的比较v■ 功能v● 线粒体是有机物氧化的场所,同时将释放出的自由能转变成可利用的化学能,贮存在ATP的高能磷酸键上,主要是通过氧化磷酸化完成的。
而叶绿体是光能的捕获者和高能有机物的制造者,主要是通过光合作用完成的二者功能虽然不同,但都是通过电子传递和建立H+质子梯度,实现能量转换的v● 在质子梯度建立方面,二者有许多类似之处,也有一些差别H+是从叶绿体基质泵向类囊体腔,叶绿体基质中的pH是8.0,建立H+质子梯度后,类囊体腔中的pH下降到5粒体中,H+是从线粒体基质泵向膜间隙线粒体基质的pH是8.0,建立H+质子梯度后,膜间隙中pH=7.0(图8-36)氧化磷酸化和光合磷酸化除了在H+质子梯度建立方面的一些差别之外,还有其他一些不同 叶绿体与线粒体结构的对比图解叶绿体与线粒体结构的对比图解叶绿体与线粒体结构的对比图解叶绿体与线粒体结构的对比图解线粒体线粒体线粒体线粒体叶绿体叶绿体叶绿体叶绿体外外外外 膜膜膜膜内内内内 膜膜膜膜膜间隙膜间隙膜间隙膜间隙线粒体基质线粒体基质线粒体基质线粒体基质类囊体膜类囊体膜类囊体膜类囊体膜类囊体腔类囊体腔类囊体腔类囊体腔核糖体核糖体核糖体核糖体叶绿体基质叶绿体基质叶绿体基质叶绿体基质嵴嵴嵴嵴 。