叶绿体与光合作用

《细胞生物学》第8章叶绿体与光合作用详细思维导图，包括光合作用、叶绿体的遗传和起源、叶绿体蛋白的转运等内容。

8.叶绿体与光合作用

• 光合作用是滋养生物利用光能将碳进行还原的过程。 真核自养生物中，捕获光能的反应只能发生在特殊的细胞器——叶绿体中； 在原核自养生物中，相应的反应发生在质膜上。 植物通过光合作用将光能转变成化学能的过程主要是在植物细胞的叶绿体中进行的。 叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器
• 光合作用（photosynthesis）
  • 叶绿体的主要功能是进行光合作用，它是绿色植物利用叶绿素吸收光能、固定CO2，并与H2O同化成有机物，同时释放出氧的反应过程。
  • 光合作用的四个阶段与特点
    • 4个阶段
      • 光吸收、高能电子的产生
      • 电子转运、质子动力的形成
      • ATP的合成
      • 碳固定、碳水化合物的合成
    • 若根据光合作用过程中是否需要光来区分
      • 光反应
        • 对光的吸收，并产生氧
      • 暗反应
        • CO2的固定
    • 光反应又称光合电子转移反应
      • 光能转化为电能概括地说，光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收光能，并将光能转化为化学能，形成ATP和NADPH的过程
    • 光合作用的最终目的是固定CO2，并将之转变为糖，而这一阶段是不需要光驱动的，故此称为暗反应，实际上是CO2固定反应，简称碳固定反应。
  • 光吸收
    • 光化学反应的第一步，主要是固定光子，它是光线中携带能量的粒子。
    • 光合作用色素
      • 色素(pigment)是含有特定化学基团的分子，这些化学基团能够吸收可见光谱中特定波长的光。
      • 叶绿素分子由两部分组成：核心部分是一个卟啉环（叶绿体卟啉环中含有1个镁原子），其功能是光吸收；另一不跟是一个很长的脂肪烃侧链，称为叶绿醇，叶绿素用这种侧链插入到类囊体膜
        • 叶绿体分子通过卟啉环中单键和双键的改变来吸收可见光
    • 光合单位与反应中心
      • 绿藻在光合作用中每固定1个CO2分子（或者说每释放1分子O2）需要2500个叶绿素分子。后来推算每固定1个CO2，需要消耗8个光子，则1个光子大约需要300个分子的叶绿素
      • 几百个叶绿素分子集合在一起组成一个光合单位，在光合单位中，只有一个成员——反应中心叶绿素将电子转移到电子受体。
      • 色素分子组成一个捕光天线，它们捕获光子并快速地将能力（称为激发能）传递给反应中心的色素分子
    • 光系统II与光系统I
      • 光合作用中的光吸收反应是发生在由色素-蛋白质组成的复合物——光合系统中。（分别为I和II）
      • 光系统II复合物（PS II）是类囊体膜的一种光合作用单位，它含有补光复合物和光反应中心。不光复合物II（LHC II）又称补光叶绿素-蛋白质复合物，或天线复合物
        • 该复合物的作用是吸收光能并将光能传递到反应中心
        • PS II的光反应中心由一堆叶绿素组成的二聚体构成，习惯称为P680（P代表色素，680表示该二聚体吸收的最强光的波长）。为了便于比较，将光系统I的光反应中心称为P700
      • 当阳光撞击到类囊体的膜时，能量被PS II、PS I的中心色素所吸收，并传递到各自的反应中心、反应中心快速将吸收的光能传递到外侧轨道，进而传递给初级电子受体。结果是建立了电子沿特殊载体流动的级梯
  • 电子传递
    • 又称电子转移或电子流，是光反应的第二步。 在光吸收过程中，光反应中心的叶绿素分子被激发释放了一个电子成为高能电子，这一过程仅仅完成了光能向电能的转换，接下来的问题就是如何使高能电子的自由能储备起来，同时使光反应中心的叶绿素分子获得低能电子以补充失去的电子，恢复静息状态。 这一过程涉及水的光解和电子传递，还涉及两对偶联氧化还原：O2 - H2O 、 NADP+ - NADPH。 其中，H2O作为原初电子供体，NADP+ 作为最终电子受体；水被光解释放电子的同时还释放O2和H+，因此伴随电子传递的同时也会建立H+质子电化学梯度，以供ATP的合成。
    • 光合电子传递链
      • 在光合作用中电子传递中有三个源头与流向：H2O → PS II，PS II → PS I ，PSI → NADP+ 。 不仅如此，电子传递中还需要其他几种电子载体，才能组成一条顺畅的电子传递链。
      • 光合电子传递链是有一系列的电子载体构成的，与线粒体呼吸链中电子载体的作用基本相似。但二者
        • 不同点
          • 线粒体呼吸链中的载体位于内膜，将来自NADH和FADH2的电子传递给氧，释放出的能量用于ATP的合成；而光合作用的电子载体位于类囊体膜上，将来自H2O的电子传递给NADP+，并且这是一个吸热的过程。
        • 相同点
          • 电子传递链中的电子载体也是细胞色素、铁氧还蛋白、黄素蛋白和醌等
      • 细胞色素
        • 植物细胞中参与光合作用的电子传递链的主要的两种是细胞色素b6（563nm）和细胞色素f（553nm，f属于c的一种）
      • 质体蓝素（PC）
        • 一种含铜的蛋白质，氧化型呈蓝色，吸收光谱为600nm。在还原状态时蓝色消失，传递电子时靠Cu2+→Cu+的状态循环
      • 质体醌（PQ或Q）
        • 质子和电子载体，与线粒体的电子传递链的泛醌一样，也是通过醌和醌醇循环来传递电子和氢质子，但质体醌与泛醌的结构是不同的。
    • 水的裂解：PS II中氧的产生与电子流
      • PS II中经光化学氧化的反应中心叶绿素P680+，是极强的生物氧化剂。
      • 水的氧化为PS II中P680+的还原提供了电子
      • 在水光解反应中，每裂解2分子的H2O，释放4个电子、1分子O2和4个H+：2H2O→O2 + 4H+ + 4e-，这一反应又称为水的光解作用
      • 水的光解是由含锰的蛋白质复合物介导的
    • 电子从PS II向PS I传递
      • 过程在书p253
  • 线性及循环式电子传递途径
    • 光反应的最终目的是要为暗反应中碳固定提供足够的NADPH和ATP。 根据电子的最后去向，分为两种方式：线性电子传递途径和循环式电子传递途径。
    • 线性电子传递途径
      • 需要两个光反应系统共同参与
      • 线性电子流可分为4个阶段
    • 循环式电子传递途径
      • 只有PS I反应中心参与
        • 闭路循环
      • 高等植物中，有两种形式的循环式电子传递途径控制着ATP：NADPH的比值。
        • 主要途径是PGR5-PGRL1依赖性途径，该途径保证了光合作用效率，并防范胁迫
        • 次要途径是NADH脱氢酶样复合物依赖性途径，可能是胁迫应答，并作为H2O2介导的调节靶标
      • 在循环式电子传递期间，通过光吸收在PS I中产生的高能电子及光电运输经由PS I的铁氧还蛋白亚基或是被传递给PGR5-PGRL1异源二聚体，或是被传递给NADH-脱氢酶样复合物
      • 循环式光合磷酸化的产物仅为ATP，无NADPH和分子氧
    • 可得出结论，PS II、PS I有明确的分工：PS II主要是为光合作用的暗反应提供足够的NADPH与ATP；而PS I有两方面的作用，一是协助PS II为暗反应提供足够的化学能，二是吸收有限的光能，用于建立H+质子梯度，合成为细胞代谢所需的ATP，此外还有调节ATP与NADPH的平衡作用
  • 光合磷酸化
    • 电子传递与H+质子梯度的建立
      • 类囊体膜两侧H+质子梯度的建立主要有3种因素
        • 水的光解
        • 细胞色素b6/f复合物具有质子泵的作用
        • 当电子最后传递给NADP+时，需从基质中摄取2个H+将NADP+还原成NADPH，这样又降低了基质中的H+浓度，其结果使类囊体膜两侧建立了H+质子梯度
    • CF0 - CF1ATP合酶
      • 是叶绿体中合成ATP的酶（C代表叶绿体），与线粒体ATP合酶类似
    • 质子梯度偶联电子传递与光合磷酸化
      • 在光反应中，伴随电子传递在类囊体膜两侧建立了H+质子梯度，形成了电化学动势，同时在类囊体膜中有ATP合成装置，这样，电化学动势就能将自由能用于合成ATP
      • 光合磷酸化的机制与线粒体的氧化磷酸化相似，同样可用化学渗透学说来说明
  • 暗反应
    • 光合作用的第二阶段是进行CO2的固定，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。 这一过程不需要光，故称暗反应，它在叶绿体基质中进行。
    • 卡尔文循环
      • 使用14C示踪和双向纸层析技术
      • 研究对象是小球藻。将小球藻培养在含有未标记CO2的密闭容器中，然后将标记的CO2注入培养基，培养适当时间后，将培养的藻浸入热的乙醇中。这种处理有3种作用
        • 杀死细胞
        • 终止酶的作用
        • 提取溶解的分子
      • 卡尔文循环可分为3个阶段
        • 羧化
          • CO2并不是先与一个二碳的分子共价连接，其受体是一个五碳糖即核酮糖 - 1,5 - 二磷酸（RuBP）。所以CO2在被还原之前，在RuBP羧化酶的催化下，以RuBP作为CO2受体，首先被固定形成羧基，然后裂解形成2分子的3 - 磷酸甘油酸
        • 还原
          • 3 - 磷酸甘油酸被还原成甘油醛 - 3 -磷酸（GAP）
        • RuBP的再生
          • 由于RuBP是CO2的受体，所以参与CO2固定的RuBP必须迅速被还原，以便进行再循环
    • 光呼吸
      • 植物中除了线粒体呼吸外，还有另一种呼吸过程：消耗O2，产生CO2，这一过程是由光驱动的，将这一过程称为光呼吸
      • 光条件下，光呼吸降低了光合作用的效率，因为光呼吸氧化光合作用中产生的还原型碳原子，同时消耗大量的能量
    • C4植物
      • 某些植物在进化过程中形成了一种特别的机制克服光呼吸对光合作用的影响
        • 如甘蔗、玉米和一些热带草本植物
      • CO2固定的第二种途径，简称C4途径
        • 甘蔗吸收14CO2后，放射性首先出现在四碳骨架中，而不是出现在磷酸甘油酸中。分析发现，四碳物质是CO2与磷酸烯醇式丙酮酸（PEP)结合的结果
      • C3植物叶细胞的光合作用发生在叶肉细胞中，与C3植物不同的是，C4植物的叶中有2种不同类型的光合作用细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞
      • 最后也将高浓度的CO2传递给卡尔文循环
    • CAM植物
      • 在C4植物中，由PEP羧化酶在一种类型的细胞中固定CO2，然后在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再固定。这种CO2代谢类型称为景天科酸代谢（CAM）
      • 当天气炎热干燥时，CAM植物夜间打开气孔去获得足够CO2
  • 过氧化物酶体在光合作用中的作用
    • 2个重要的作用
      • 种子中过氧化物酶体负责将贮存的脂肪酸转变成碳水化合物，这不仅为种子的生长提供能量，而且为植物种子发芽生长提供初始物质
      • 植物叶片中的过氧化物酶体参与光呼吸，为光合作用提供副产品
• 叶绿体的遗传和起源
  • 叶绿体的遗传
    • 叶绿体基因组也是环状的，比线粒体的更大更复杂
    • 叶绿体基因组中含有编码设计叶绿体基因表达的RNA和蛋白质的基因，并编码一些在光合作用中起作用的功能蛋白
    • 叶绿体的生长和增殖是由核DNA及叶绿体DNA共同控制的
    • 叶绿体的自主性表现在：不仅有自己的DNA，还有自己的核糖体
    • 虽然有自己的DNA，但信息量有限，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的，有些是叶绿体基因和核基因共同编码的
  • 叶绿体的起源
    • 普遍接受 内共生学说
      • 认为叶绿体的祖先是蓝藻或光合细菌，在生物进化过程中被原始真核细胞吞噬，共生在一起进化成为今天的叶绿体
• 叶绿体与线粒体的结构与功能的比较
  • 叶绿体
    • 膜间间隙、叶绿体基质和类囊体腔
  • 氧化磷酸化与光合磷酸化的比较（表格）
• 叶绿体蛋白的转运
  • 叶绿体基质蛋白的转运
    • 虽然叶绿体基因组为自身编码的蛋白质较线粒体的多，但约有3000种或95%的叶绿体蛋白质是由核基因编码的，这些蛋白质是在细胞质游离核糖体上合成，然后被转运到叶绿体，并定位到叶绿体的不同部位起作用。
    • 大多数进入叶绿体的蛋白质都是通过N端一段由30~100个氨基酸残基构成的、称之为转运肽的信号序列引导的，转运肽能够引导叶绿体蛋白质穿过叶绿体的外膜和内膜。进入到叶绿体基质后，转运肽将被水解切除。
    • 叶绿体基质蛋白的转运与线粒体基质蛋白的转运相比
      • 两者的外膜和内膜中的蛋白质转运器具有不同的识别供能（防止核基因编码的蛋白质误入）
      • 共同点
        • 都需要解折叠，都需要分子伴侣的帮助，都需要外膜与内膜通道复合物，都需要消耗能源分子
      • 不同点
        • 在能量的消耗上，线粒体基质蛋白转运时需要ATP与膜间隙中H+的电化学梯度，而叶绿体中，H+的电化学梯度在类囊体，故叶绿体基质蛋白质在穿膜时需要水解GTP供能
  • 类囊体蛋白的转运
    • 类囊体膜蛋白和类囊体腔蛋白，由叶绿体前体蛋白转运而来
    • 类囊体蛋白的转运分为两步
      • 类囊体前体蛋白需要穿过叶绿体的双层膜，进入到叶绿体基质
      • 然后再正和岛类囊体的膜或是转运到类囊体的腔内成为类囊体蛋白
    • 类囊体前体蛋白的N端有两端疏水的信号序列
      • 将类囊体蛋白质顺利转运到类囊体的相应部位
• 叶绿体的结构
  • 叶绿体由叶绿体被膜、类囊体和叶绿体基质组成。 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种彼此分离的区室（膜间隙、叶绿体基质和类囊体腔）。
  • 叶绿体被膜的结构及特性
    • 外膜和内膜合称为被膜。叶绿体的外膜和内膜都是连续的单位膜，也有膜间隙。与线粒体不同，内膜并不向内折成嵴，但在某些植物中，内膜可皱褶形成相互连接的泡状或管状结构，称为周质网（增加内膜表面积）
    • 内膜含有较多的膜整合蛋白，因此内膜的蛋白质与脂的比值比外膜的高
    • 内膜上的蛋白质大多是与糖脂、磷脂合成有关的酶类
    • 研究表明，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
    • 由于外膜的通透性大，膜间隙的成分几乎与胞质溶胶一致。尚不了解在膜间隙中有哪些蛋白质存在。
    • 叶绿体中圆盘状的类囊体长城相互堆积在一起形成柱形颗粒，叫基粒。
  • 类囊体
    • 类囊体的结构
      • 2种类型
        • 基粒类囊体
          • 构成基粒的类囊体
        • 基质类囊体
          • 连接两个相邻基粒类囊体的片层结构称为基质类囊体
      • 所有参与光合作用的色素、光合作用所需的酶类、参与电子传递的载体，以及将电子传递与质子泵和ATP合成偶联的蛋白质都定位在类囊体膜上
      • 由类囊体膜封闭的区室称为类囊体腔，类囊体腔与叶绿体基质是分隔的，它在电化学梯度的建立和ATP的合成中起重要作用
    • 类囊体膜的化学组成
      • 类囊体的膜在2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
        • 相互堆积形成基粒
      • 化学组成也比较特别
        • 磷脂5~20%
        • 类囊体膜上的脂类主要是含半乳糖的一些糖脂和具有光吸收功能的脂类色素。脂类中的脂肪酸主要是不饱和的亚麻酸，约占87%，因此，类囊体膜的脂双层流动性特别大。
      • 类囊体膜的蛋白质分为整合蛋白和外周蛋白两类
  • 叶绿体基质
    • 叶绿体内膜与类囊体之间的区室，称为叶绿体基质
      • 基质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球（这种小球的产生与类囊体的破裂有关，当新类囊体形成时，老的类囊体破裂，可减少类囊体的数量和体积，由此推测质体球可作为类囊体脂的储备库。
• 质体与叶绿体
  • 前质体与质体
    • 并非所有的植物细胞都具有叶绿体，如高等植物中的分生组织细胞就缺少叶绿体，但它们具有一些小的细胞器，称为前质体，直径约为1μm或更小，由两层膜包被着未分化的基质所组成。
    • 植物中的前质体在发育过程中随着所处的位置及接受光的多少，分化成功能各异的质体
    • 根据是否含有叶绿素及功能的不同，可将质体分为叶绿体、白色体、有色体、蛋白质体、油质体、造粉体等
  • 叶绿体的形态、大小与数量
    • 形态
      • 高等植物中的忧虑为球形、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，充满叶绿素和淀粉粒
    • 大小
      • 变化很大，高等植物通常宽2~5μm、长5~10μm
    • 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几十到几百个叶绿体，可占细胞质体积的40%
      • 藻类植物通常只有一个巨大的叶绿体，其形态有螺旋状、星状，一局细胞的形态而定