細(xì)胞生物學(xué)課件：第十三章葉綠體與光合作用

第十三章葉綠體與光合作用光合作用是地球上有機(jī)體生存和發(fā)展的根本源泉

植物、藻類、光合細(xì)菌利用光能經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)將二氧化碳和水合成有機(jī)分子，并釋放氧氣。

在植物細(xì)胞和光合細(xì)菌中，除線粒體外，還有另外一種能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞器，即葉綠體。葉綠體的主要功能就是進(jìn)行光合作用。葉綠體（chloroplast）是質(zhì)體的一種。質(zhì)體Plastid：植物細(xì)胞中特有的一類膜結(jié)合細(xì)胞器的總稱，這類細(xì)胞器都是由共同的前體---前質(zhì)體Proplatid分化發(fā)育而來。除葉綠體外還包括：－白色體leucoplast，不含色素；－有色體chromoplast，含色素；-造粉體（含有大量淀粉的白色體）一、葉綠體的形態(tài)比線粒體大，在光鏡下可見，橢圓或梭形的綠色顆粒。一些低等植物中，螺旋狀、杯狀、星形、板狀。葉綠體的數(shù)目因植物的種類、細(xì)胞種類、生理狀態(tài)不同而有很大差異。高等植物葉肉細(xì)胞50-200個(gè)。大小差別很大。高等植物葉綠體平均直徑4-10um，厚2-4um。

第一節(jié)葉綠體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)微管束葉肉間質(zhì)基粒葉綠體是由雙層單位膜圍成的細(xì)胞器，由被膜、類囊體、間質(zhì)三部分組成。被膜分為內(nèi)膜和外膜，之間有厚約20nm的空隙，稱為膜間隙。內(nèi)膜所包圍的空間內(nèi)充有無結(jié)構(gòu)的可溶性物質(zhì)，即間質(zhì)。類囊體懸浮在間質(zhì)中。二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)葉片上表皮葉綠體間質(zhì)基粒類囊體膜膜間隙外膜內(nèi)膜類囊體腔高等植物葉肉細(xì)胞葉綠體超微結(jié)構(gòu)示意圖線粒體和葉綠體的比較（一）葉綠體被膜雙層膜，外膜分布有孔蛋白，透性高，細(xì)胞質(zhì)中的大多數(shù)營養(yǎng)分子均可自由穿過外膜進(jìn)入膜間隙。內(nèi)膜透性低，對(duì)穿運(yùn)物質(zhì)有嚴(yán)格的選擇性，物質(zhì)必須依靠內(nèi)膜上的特殊載體才能從膜間隙進(jìn)入間質(zhì)。（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5~30個(gè)類囊體組成。每個(gè)葉綠體中約有40~80個(gè)基粒。類囊體膜中含有葉綠素，是光合作用基地。連接于基粒之間由基粒類囊體延伸出的非成摞存在的呈分支網(wǎng)管狀或片層狀的類囊體稱為間質(zhì)類囊體，它們形成了膜系統(tǒng)的間質(zhì)片層（stromalamella）。由于相鄰基粒經(jīng)網(wǎng)管狀或扁平狀間質(zhì)類囊體相聯(lián)結(jié)，全部類囊體實(shí)質(zhì)上是一個(gè)相互貫通的封閉膜囊。

基粒類囊體的游離面上有兩種顆粒，一種大顆粒為RuBP羧化酶（直徑12納米）；另一種小顆粒是ATP酶（CF1），即葉綠體F1因子（相當(dāng)于線粒體的F1因子）。9個(gè)亞基3個(gè)亞基間質(zhì)近間質(zhì)的類囊體膜表面上大量小顆粒，直徑10-13nm，具光系統(tǒng)I（PSI）活性。（基粒類囊體和間質(zhì)類囊體上）與間質(zhì)非接觸的類囊體膜上（疊置區(qū)）大顆粒10-18nm，光系統(tǒng)II（PSII）。（基粒類囊體上）PSI和PSII的分布在光合作用的電子傳遞和ATP、NADPH的產(chǎn)生方面起著重要作用。間質(zhì)間質(zhì)PSIPSII（三）間質(zhì)葉綠體被膜與類囊體之間的無定形物質(zhì)，主要為一些可溶性成分，各種酶類；另有DNA、RNA、核糖體等有形成分。葉綠體主要化學(xué)成分為蛋白質(zhì)、脂類、DNA、RNA、不等量的碳水化合物以及一些無機(jī)離子。第二節(jié)葉綠體的化學(xué)組成一、葉綠體被膜主要成分為蛋白質(zhì)和脂類。（酶、糖脂、磷脂）二、類囊體及電子載體在類囊體膜中的分布1、脂質(zhì)(40%)：葉綠素、類胡羅卜素和磷脂較多。半乳糖脂特多，占脂類的40%。2、蛋白質(zhì)(60%)：多與葉綠素結(jié)合成復(fù)合物，最多的復(fù)合物是CPⅠ和CPⅡ（葉綠素-蛋白復(fù)合物）；CPⅠ的葉綠素a/葉綠素b=12:1；CPⅡ葉綠素a/葉綠素b=1:1。其中CPⅠ與光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）的活性有關(guān)；CPⅡ與光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的活性有關(guān)。光系統(tǒng)含有捕光復(fù)合物和反應(yīng)中心兩部分。反應(yīng)中心有一對(duì)特殊的葉綠素a分子，較其他葉綠素分子可吸收較長波長的光，且能位最低，稱之為光反應(yīng)中心。它吸收光量子，放出激發(fā)電子，電子被傳遞給化學(xué)受體——醌。P700—PSI，P680—PSII另還有一種大的復(fù)合物為捕光復(fù)合物或稱天線復(fù)合物，無光反應(yīng)活性，可接收光，集中后傳給PSⅠ和PSⅡ。此外還有電子傳遞鏈蛋白：細(xì)胞色素（Cytb、Cytb6、Cytf）質(zhì)體醌（PQ）質(zhì)體藍(lán)素（PC）鐵氧化還原蛋白（Fd）黃素蛋白（Fd—NADP+還原酶）

類囊體膜間質(zhì)水裂解酶類囊體腔天線復(fù)合體質(zhì)體醌質(zhì)體藍(lán)素鐵氧還蛋白質(zhì)子順質(zhì)子化學(xué)梯度流動(dòng)光合作用過程中電子沿類囊體膜中的電子傳遞鏈傳遞三、間質(zhì)的化學(xué)成分可溶性蛋白成分：RuBP羧化酶約占60%有形成分：DNA，RNA，核糖體等。一、光合作用的基本過程光合作用是能量及物質(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(xué)能，最終轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的化學(xué)能儲(chǔ)存在糖類化合物中。反應(yīng)公式：nCO2+nH2O光能

(CH2O)n+nO2光合過程4個(gè)階段：第一階段：吸收光能第二階段：電子傳遞和形成質(zhì)子動(dòng)力勢第三階段：合成ATP

第四階段：碳固定第三節(jié)光合作用Photosynthesis:1.光合電子傳遞反應(yīng)—光反應(yīng)(LightReaction)

2.碳固定反應(yīng)—暗反應(yīng)(DarkReaction)光反應(yīng)階段：類囊體膜上、需光能,所吸收的光能用于水分子的裂解釋放氧氣和氫離子，并提供電子。氫被用來還原NADP生成NADPH；電子傳遞產(chǎn)生質(zhì)子動(dòng)力勢，用來合成ATP。暗反應(yīng)階段：葉綠體間質(zhì)、不需光能，利用光反應(yīng)階段產(chǎn)生的NADPH和ATP提供的能量和電子，把CO2和H2O合成六碳糖。結(jié)果：光能化學(xué)能

二、光反應(yīng)分原初反應(yīng)、電子傳遞、光合磷酸化三階段。1、原初反應(yīng)光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換過程光能電能（1）原初反應(yīng)分子基礎(chǔ)：捕光葉綠素（天線葉綠素）：無光化學(xué)活性，吸收光能，包括葉綠素a、b和類胡蘿卜素，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成捕光復(fù)合物（LHC)(天線復(fù)合物)。反應(yīng)中心葉綠素：有光化學(xué)活性，由特殊葉綠素a分子組成，根據(jù)其最大吸收峰，分為P700和P680。P700—PSI，P680—PSII。中心葉綠素＋電子供體＋電子受體＝反應(yīng)中心PSI反應(yīng)中心：P700＋質(zhì)體藍(lán)素（電子供體）＋鐵氧還蛋白（電子受體）PSII反應(yīng)中心：P680+水（電子供體）＋質(zhì)體醌（電子受體）反應(yīng)中心＋捕光復(fù)合物＝光合作用單位（PS)天線復(fù)合體反應(yīng)中心蛋白色素復(fù)合物反應(yīng)中心的一對(duì)特殊葉綠素分子攜帶低能電子的分子A進(jìn)氧化的分子A出類囊體膜（2）原初反應(yīng)過程：吸收光和水的光解葉綠素和類胡蘿卜素（LHC)吸收光能，并將光集中到光反應(yīng)中心的葉綠素a(反應(yīng)中心葉綠素）分子上，該葉綠素a被激發(fā)，放出一對(duì)電子，沿類囊體膜中的電子傳遞系統(tǒng)進(jìn)行傳遞。在Mn-酶的作用下將H2O2H++1/2O2，再提供一對(duì)電子給葉綠素a。電子供體脫鎂葉綠素a電子受體2、電子傳遞被激發(fā)的一對(duì)電子傳給電子受體Q（一種醌類化合物），沿著電子載體鏈以能級(jí)順序傳遞，經(jīng)質(zhì)體醌、細(xì)胞色素，最后傳給質(zhì)體藍(lán)素。PSI反應(yīng)中心的P700從質(zhì)體藍(lán)素接受電子，并又吸收光能被激發(fā)，其電子被一種鐵硫蛋白接受，在鐵氧化還原蛋白、NADP+還原酶的作用下，將電子傳給NADP+，形成NADPH（即輔酶Ⅱ）。光合作用過程中電子沿類囊體膜中的電子傳遞鏈傳遞水裂解酶類囊體腔間質(zhì)質(zhì)體醌質(zhì)體藍(lán)素鐵氧還蛋白質(zhì)子順質(zhì)子化學(xué)梯度流動(dòng)電子傳遞鏈順序：H2OPSⅡPQCytbCytfPCPSⅠFdFd-NADH+還原酶PSⅠ、PSⅡ、細(xì)胞色素（Cytb、Cytb6、Cytf）、質(zhì)體醌（PQ）、質(zhì)體藍(lán)素（PC）、鐵氧化還原蛋白（Fd）、黃素蛋白（Fd-NADH+還原酶）3、光合磷酸化（ATP的合成）在光合作用的電子傳遞過程中，合成了ATP，由光照引起的電子傳遞與磷酸化偶聯(lián)在一起形成ATP的過程。光合磷酸化的方式：循環(huán)式非循環(huán)式（1）非循環(huán)式光合磷酸化電子的傳遞經(jīng)兩個(gè)光系統(tǒng)，形成的產(chǎn)物為ATP和NADPH，磷酸化的發(fā)生部位是在質(zhì)體醌到質(zhì)體藍(lán)素之間。

每一光合磷酸化過程均需供體分子提供新的電子，電子能量最后貯存于NADPH和ATP分子中。電子傳遞方向PSIIPSI形成可產(chǎn)生ATP的電化學(xué)梯度鐵氧還蛋白NADP還原酶質(zhì)體藍(lán)素質(zhì)體醌水裂解酶氧還電位b6-f復(fù)合物光光水類囊體腔間質(zhì)（2）循環(huán)式光合磷酸化電子再循環(huán)，無需外部供體補(bǔ)充電子。P700在光能激發(fā)下所發(fā)出的電子通過鐵氧化還原蛋白、質(zhì)體醌、細(xì)胞色素b6、細(xì)胞色素f、質(zhì)體藍(lán)素，又返回P700。在返回過程中形成的產(chǎn)物只有ATP。其電子傳遞只經(jīng)過PSI一個(gè)光系統(tǒng)，與PSII無關(guān)。一般只發(fā)生在植物缺乏NADP+的時(shí)候。PQ光合磷酸化非循環(huán)式循環(huán)式電子傳遞開放的封閉的光系統(tǒng)

PSⅠ、PSⅡPSⅠ

產(chǎn)物ATP、NADPH、O2ATP上述原初反應(yīng)、電子傳遞、光合磷酸化三個(gè)步驟必須在光的作用下才能進(jìn)行，稱之為光反應(yīng)，在光反應(yīng)中發(fā)生的磷酸化叫光合磷酸化。解釋葉綠體磷酸化的學(xué)說：化學(xué)滲透學(xué)說葉綠體的電子傳遞鏈上的載體也起H+泵的作用，類囊體腔內(nèi)[H+]增加，CF1因子利用[H+]濃度差合成ATP（3個(gè)H+合成1個(gè)ATP）一對(duì)電子從P680經(jīng)P700傳至NADP+，在類囊體腔中增加4個(gè)H+，2個(gè)來源于H2O光解，2個(gè)由PQ從基質(zhì)轉(zhuǎn)移而來，在基質(zhì)外一個(gè)H+又被用于還原NADP+，所以類囊體腔內(nèi)有較高的H+（pH≈5，間質(zhì)pH≈8），形成質(zhì)子動(dòng)力勢，H+經(jīng)ATP合酶，滲入間質(zhì)、推動(dòng)ADP和Pi結(jié)合形成ATP。H2O2e+2H++1/2O2

2H+（間質(zhì)）P680（PSⅡ）2e

化合物Q2ePQ2ePQH2

2H+（類囊體腔）

Cytf2ePC2eP7002eFS2eFd

2e

（NADPH）NADP+

1H+2eFADH2FAD

1

H+

（回到間質(zhì)）

2H+（間質(zhì)）二、暗反應(yīng)在無光條件下，利用光反應(yīng)所產(chǎn)生的NADPH和ATP，將CO2還原合成碳水化合物的過程。暗反應(yīng)在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行。第四節(jié)碳的固定和糖類的合成暗反應(yīng)的C3循環(huán)和C4循環(huán)。（生化）

C4植物最初固定二氧化碳的酶為磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEP羧化酶），其催化效率極高，其固定的二氧化碳最終在葉內(nèi)交給RuBP羧化酶，參加C3循環(huán)。在C3循環(huán)前存在C4途徑，能夠更有效地富集二氧化碳，參加糖類的合成。類似線粒體，也是一種半自主性細(xì)胞器。具環(huán)狀DNA，可編碼200多種蛋白質(zhì)。第五節(jié)葉綠體的半自主性與基因工程線粒體和葉綠體的比較1、線粒體（mt）、葉綠體(ct)均為半自主性細(xì)胞器，同時(shí)受核基因組和自身基因組控制。mt、ct均有環(huán)狀DNA和蛋白質(zhì)合成機(jī)構(gòu)

mt、ct只能合成部分蛋白質(zhì)，大部分蛋白需由核基因編碼2、mt、ct蛋白質(zhì)的運(yùn)送和組裝線粒體：肽鏈N-末端具一段氨基酸序列——導(dǎo)肽；線粒體膜上具有導(dǎo)肽的特定受體。葉綠體：轉(zhuǎn)運(yùn)肽、轉(zhuǎn)運(yùn)肽專一受體第六節(jié)葉綠體的發(fā)生

一、葉綠體的進(jìn)化起源

葉綠體進(jìn)化