5章-叶绿体

第五章叶绿体苔藓叶绿体天门冬叶绿体黑藻叶绿体叶绿体的亚显微结构模式图外膜内膜基质基粒类囊体和类囊体薄膜叶绿体基质内膜类囊体外膜（含有色素和与光合作用有关的酶）（含有与光合作用有关的酶）外膜内膜基粒基质叶绿体叶绿体的结构在植物细胞和光合菌类中，除含有线粒体外，还含有另外一种能量转换细胞器，即叶绿体。叶绿体对生物界的存在和进化有着重大贡献，其主要功能是吸收光能合成碳水化合物，同时产生分子氧，这一过程称为光合作用。叶绿体所捕获的光能转化成化学能，贮存到碳水化合物中，碳水化合物是生物界中能量循环链的起点。叶绿体也含有自身的DNA，也是细胞内的一种半自主性的细胞器。在高等植物中，叶绿体是质体的一种，含有叶绿素。除了叶绿体以外属于质体的还有白色体。白色体不含色素，多存在于根和芽的幼嫩细胞中。有些白色体含有大量的淀粉，则成为造粉体。还有的质体含有黄色或红色的色素，称为有色体。如含有番茄红素的有色体使番茄的果实显现红色。质体的种类虽然有若干种，但它们都是由一种前体发育而来，这一前体为前质体。叶绿体是发现最早的细胞器。17世纪AntonieVanLeeuwenhoek(1676)即对叶绿体做过描述。1883年，Schimper首先使用了质体一词，并认为质体是由原有的质体产生而来。Meyer(1883)坚持了这一主张，并且他还在某些有花植物如兰花的叶绿体中发现了绿色的小颗粒，把其命名为基粒。关于叶绿体的细微结构只有在发明了电镜之后，才进入了深入细致的观察。一、叶绿体的形态、大小在高等植物中，叶绿体在光镜下为椭圆形或梭形的绿色颗粒；在电镜下为扁平的椭圆形或卵圆形。三种绿藻中叶绿体的特殊形状（a）衣藻（b）丝藻（c）水绵一些低等植物，特别是藻类，各个物种的叶绿体形状差别很大，如水绵的叶绿体为螺旋带状，衣藻的叶绿体为杯状，双星藻的叶绿则为星形，丝藻的叶绿体为带孔的板状。叶绿体的数目因植物的种类、细胞种类和生理状态不同而差异很大。高等植物的叶肉细胞中，一般有50-200个；陆生植物一般含有多个，如菠菜的栅栏薄壁细胞含有20-40个叶绿体；而藻类通常只有一个巨大叶绿体。当叶绿体数量不足时，则通过分裂而增多。叶绿体的大小也有很大的差别，高等植物叶绿体的平均直径为4-1Oµm，厚2-4µm。同一植物生存的环境不同，其叶绿体的大小和数目均不相同。与生长在向阳处的相比，一般生长在背阴处的植物的叶绿体要大些，数目也要多一些，甚至叶绿素含量也会多一些。叶绿体通常分布在细胞核的周围，或靠近细胞壁处，但有时也在细胞内呈均匀分布。叶绿体沿细胞壁分布的电镜图象二、叶绿体的超微结构在电镜下，叶绿体为双层单位膜围成的细胞器，由外被、类囊体和基质三部分构成。双层单位膜又称为叶绿体外被；内、外两层膜之间有一个厚约20nm的空隙，称为膜间隙；内膜所包围的空间内充有无结构的物质，称为基质。基质中悬浮有由膜围成的类囊体。类囊体内的空隙，又称为类囊体腔。叶绿体内层膜外被膜间隙外层膜类囊体基质由外、内双层膜组成，每层膜厚约6-8nm，其间的间隙厚约10-2Onm。外膜的通透性大，细胞质中的大多数营养分子如核苷、无机磷、磷酸衍生物、羧酸类物质和蔗糖等均可自由穿过外膜进入膜间隙。内膜对穿运物质有严格的选择性，物质不能自由穿过内膜进入基质，必须依靠其上的特殊载体才能将物质从膜间隙转运至基质中，如磷酸、磷酸甘油酸、苹果酸、草酰乙酸、天冬氨酸等。1.叶绿体被膜2.类囊体类囊体是沿叶绿体的长轴平行排列的由膜膜围成的圆盘状扁囊。在一定部位许多圆盘状的类囊体成摞存在，很像一摞硬币，这种成摞存在的类囊体构成了基粒。因此，形成基粒的类囊体称为基粒类囊体。基粒类囊体的直径约为0.25-0.8µm，厚约0.01µm；而连接于基粒之间由基粒类囊体延伸出的非成摞存在的呈分枝网管状或片层状类囊体称为基质类囊体或基质片层，其内腔与相邻基粒的类囊体腔是相通的。一般一个叶绿体中约含有40-80个基粒，而一基粒约由5-30个基质类囊体组成，最多可达上百个。但因植物种类不同以及细胞所处的部位不同，其基粒中的基质类囊体数量也会有很大差异。事实上，基粒中的整个膜系统是由一层连续的膜折叠而成的，其内腔是完全相通的。类囊体膜中含有叶绿素，是绿色植物进行光合作用的基地。在叶绿体中形成类囊体结构，使膜片层的总面积大大超出了叶绿体的面积，从而有利于光反应效率的提高。例如，20个类囊体(每一个的直径约为0.25µm)的总面积即可达400µm2。由于相邻基粒的类囊体经网管或扁囊相连，类囊体腔彼此相通，因而一个叶绿体的全部类囊体实际上是一个完整连续的封闭膜囊。在发育成熟的叶绿体中，类囊体膜并不和叶绿体的内膜相连，类囊体膜在基质中形成了独立的膜囊系统。叶绿体类囊体片层与线粒体内膜一样在结构上也是很不对称的。用磷钨酸做负染色显示出，在类囊体膜与基质接触的外表面上，分布着许多颗粒状结构，这些颗粒可分为两类，一类为直径12nm的方形颗粒，用水可洗脱，系核酮糖-1.5-二磷酸羧化酶（RuBP），RuBP羧化酶大部分存在于基质中；另一类颗粒呈5-6角形，直径约10nm，可为EDTA所洗脱，系ATP合成酶(CF0-CF1因子)，它由跨膜的CF0和起催化作用的CF1构成CF1因子与线粒体嵴上的F1因子一样，也具有ATP酶活性，在光合磷酸化中可催化ADP磷酸化为ATP。但CF1因子对能量传递抑制剂寡霉素不敏感，其酶活性不为寡霉素所抑制。以上两种颗粒均为蛋白质所组成，前者为类囊体的边周膜蛋白，后者为整合膜蛋白。在ATP合成酶中，CF0至少由3个亚基组成，为质子通过类囊体膜的通道(由8kDa肽链的6聚体组成)；CF1由亚基α3、β3、γ、δ、ε共9个亚基组成，具有ATP酶活性:α和βγ亚基上有ATP、ADP的结合部位与催化部位γ亚基能控制质子的流动δ亚基负责与CF0结合ε亚基在无光的条件下能抑制此ATP合成酶的活性、防止ATP水解而造成浪费但CF1的ATP合成酶活性的激活需要巯基化合物和Mg2+。类囊体膜中还嵌插有与光合作用有关的叶绿素-蛋白质复合物颗粒。用冰冻断裂法显示此类囊体膜本身两半所含的颗粒不同，而且基粒类囊体膜向着基质的一半中，在叠置区(即两层类囊体膜相并拢的区域)与非叠置区的颗粒分布状况也是不一样的。类囊体膜经冰冻断裂之后，显示出两层断裂面上的颗粒大小和分布状况不一样。在靠近基质的类囊体膜表面上存在有大量的小颗粒，直径约为10-13nm，具有光系统Ⅰ（PSⅠ)活性。在不靠近基质的类囊体膜上存在有直径大于10-18nm的大颗粒，数量较少，这些大颗粒具有光系统Ⅱ（PSⅡ）活性。而在非叠置面上，大颗粒极少，根据对类囊体膜碎片分析，基粒类囊体和基质类囊体上均分布有大量的PSⅠ，而PSⅡ主要分布于基粒类囊体上。类囊体膜中PSⅠ和PSⅡ的分布在光合作用的电子传递和ATP、NADPH的产生方面起着重要作用。细胞色素b复合物在类囊体膜上也呈均匀分布。另外类囊体膜还含有捕光天线色素、各种电子载体和参与光反应的各种酶等。用冰冻蚀刻法所暴露出的类囊体膜各个面的形态示意图基质为叶绿体外被和类囊体之间的无定形物质，主要为一些可溶性成分，也含有一些有形成分。可溶性成分主要包括一些酶类，如催化暗反应的各种酶等；有形成分包括核糖体、DNA、RNA、淀粉粒、质体小球、植物铁蛋白(幼体时贮存铁)和大量的RuBPcase颗粒等。核糖体直径约为15-2Onm，属于70S类型；DNA纤丝呈环状，粗细约2.5nm；RuBPcase颗粒的直径约10-2Onm，为一种与固定CO2有关的酶，固定CO2的第一步反应是利用RuBP和CO2来合成两分子的磷酸甘油酸。3.基质叶绿体主要的化学成分为蛋白质、脂类、DNA、RNA、不等量的碳水化合物以及一些无机离子如Fe和Mn等。基质中蛋白质成分占了50%以上。根据对菠菜的叶绿体进行分析表明，总蛋白质含量为69%。叶绿体的不同结构区域，其化学组成差异较大，即各种成分在类囊体与基质中的含量是不一样的。DNA和RNA均存在于基质中。三、叶绿体的化学组成主要成分为蛋白质和脂类。蛋白质成分中主要为一些酶类，如ATP酶、腺苷酸激酶、半乳糖基转移酶及参与糖脂合成的酶类如酰基辅酶A等脂类成分中以糖脂和磷脂最多。1.叶绿体被膜类囊体膜亦是由脂双分子层组成的单位膜，内嵌有多种蛋白质分子。在类囊体膜中，蛋白质约占60%，脂类仅占40%。（1）脂类类囊体膜中的脂类包括有半乳糖甘油二酯、叶绿素，类胡萝卜素，以及淄类、磷脂、硫酸脂等，其中乳糖脂约占总膜的40%。但是，基粒类囊体膜与基质类囊体膜在化学组成上又有量的差别。这种差别导致两部分膜在功能上有所不同。2、类囊体类囊体膜中的蛋白质可分整合膜蛋白和边周膜蛋白两类。整合膜蛋白镶嵌在脂双分子层中，提取比较困难。类囊体膜向基质的游离面，边周膜蛋白较多，而相邻类囊体的并列面上则较少。CF1因子即为一边周膜蛋白。还有一些蛋白质系与光合作用的光反应(ATP产生和还原物的形成）有关的酶。类囊体膜中的内在蛋白还有细胞色素、质体醌、质体蓝素(含有铜的蛋白质)和铁氧化还原蛋白(属铁硫蛋白)以及黄素蛋白(铁氧化还原蛋白NADP+还原酶)。细胞色素按光谱可分为四种:细胞色素553(f)、细胞色素563(b)、细胞色素b-559HP(高电位型)和细胞色素b-559LP(低电位型）。（2）蛋自质类囊体的片层结构均是悬浮于叶绿体基质中。基质主要为一些可溶性蛋白成分，其中大约60%RuBPcase。RuBPcase(56OkDa)由8个大亚基(56kDa)和8个小亚基（14kDa)构成，每个大亚基上均含有一个催化部位和一个调节部位，基质中还含有一些有形成分，如核糖体、DNA、RNA、淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。叶绿体基质中的核糖体大小为70S，DNA的含量低，约叶绿体干重的0.03%。叶绿体DNA为环状分子，长约15Onm，每个叶绿体中含有20-60个拷贝。DNA分子通常总是靠近或附着在叶绿体内膜上。3.基质叶绿体与线粒体一样，是细胞内的一类半自主性细胞器，也含有能进行自我复制的遗传物质—环状DNA，位于一电子密度较低的类核区中，每一类核中含有多个环状DNA分子。叶绿体越大，类核也越大。叶绿体DNA随植物生长而增大。例如，甜菜幼苗的叶绿体DNA有0.9µm，而成熟植株的叶绿体DNA则增大到3.7µm，在高等植物中叶绿体DNA的长度约为40-60m，根据推算，可为200种蛋白质编码。四、叶绿体的半自主性叶绿体DNA对短波长的紫外线的敏感性比核DNA要高，这一点很像细菌DNA。细胞受到对细胞分裂无影响的紫外线剂量照射后，质体DNA即可失活。叶绿体中还含有进行蛋白质合成的全套机构，包括三种RNA和核糖体，能合成部分蛋白质。叶绿体核糖体为70S类型的。虽然叶绿体具有自身的遗传物质和进行蛋白质合成的全套机构，但是组成叶绿体的各种蛋白质成分是由核DNA和叶绿体DNA分别编码，也就是说叶绿体的发育和增殖是由核DNA和叶绿体DNA共同控制的，只有少部分蛋白质是由叶绿体编码的。在个体发育中，叶绿体是由前质体分化而来。前质体为卵圆形小体，存在于根的生长区和芽的分生组织细胞中。前质体的大小一般为0.5-1.0(1.0-1.5）µm，外面包围有双层膜，内部为无结构的基质，含有DNA丝、核糖体和淀粉或其他碳水化合物。在未发育的前质体中有小管状的类囊体原基。五、叶绿体的发生前质体在有光和无光条件下的结构分化是不一样的。在光照射条件下，由内膜内摺形成的小泡或小管即与内膜断开，分散在基质中。这种膜成分逐渐生长、排列成长扁平的囊，即基质类囊体。有的部位扁囊叠置成多层，组成了基粒。在类囊体发育的同时，也合成了光合色素。不过类囊体的形成和叶绿素的合成是两种独立的变化过程。例如，有的突变不能形成类囊体，却可制造正常叶绿素；有的突变体则可发生正常的类囊体，而叶绿素合成得很少。但是，如果合成的叶绿素不能参加膜构成，则会很快发生分解。如果植物在暗处或光强很低的场所生长，则前质体形成的小泡可聚集在一起，发育为一个或n个前片层小体。前片层小体呈晶格状，是由许多相