叶绿体(chloroplast)
是植物细胞所特有的能量转换细胞器, 其功能是进行光合作用,即利用光能同化二氧化碳和水, 生成糖, 同时产生分子氧。

叶绿体除了双层膜结构外,还有类囊体, 它是叶绿体内的膜结构,是叶绿体进行光呼吸的光反应场所。在类囊体的膜上有电子传递链的成分。

叶绿体为球形、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。叶绿体的大小变化很大, 高等植物叶绿体通常宽为2～5μm,长5～10μm。

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%。

叶绿体在细胞质中的分布有时是很均匀的，但有时也常集聚在核的附近，或者靠近细胞壁。叶绿体在细胞内的分布和排列因光能量的不同而有变化。叶绿体可随植物细胞的胞质环流而改变位置和形状。

 

前质体是质体的前身, 仅由内膜和外膜构成,膜内是少量的基质和DNA,但是没有LHC蛋白、叶绿素和电子传递系统。

植物中的前质体随着在发育过程中所处的位置以及接受光的多少程度，分化成功能各异的质体, 如叶绿体、白色体、淀粉质体、有色体等。

 

质体是植物细胞中由双层膜包裹的一类细胞器的总称, 这类细胞器都是由共同的前体:前质体分化发育而来, 包括:叶绿体、白色体、淀粉质体、有色体、蛋白质体、油质体等。有些质体具有一定的自主性, 含有DNA、RNA、核糖体等。

 

质体的一种，不含色素, 多存在于植物的分生组织和储藏组织中, 具有制造和储藏淀粉、蛋白质和油脂的功能。这类质体是由于前质体在发育分化过程中一直处于黑暗中，发育的顺序发生了改变，使内部的膜结构形成了片层体。如果将发育成熟的具有叶绿体的绿色植物置于黑暗中，这种植物的叶绿体也会转变成白色体，原因是叶绿体的类囊体的膜会破裂并互相融合形成典型的片层体结构，叶绿体就变成了白色体。

 

有色体含有叶黄素、胡萝卜素和类胡萝卜素，不含叶绿素, 无类囊体结构。分布于高等植物的某些器官, 如花瓣、果实和根细胞中, 使其呈现黄色或桔黄色。不进行光合作用, 功能是富集淀粉和脂类。另外还有储存蛋白质的质体、储存淀粉的质体、储存脂的质体等。

 

叶绿体的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, 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，叶绿体的内膜并不向内折成嵴, 但在某些植物中，内膜可皱折形成相互连接的泡状或管状结构，称为周质网(peripheral reticulum)，这种结构的形成可增加内膜的表面积。

 

在叶绿体内膜上有很多运输蛋白,称为转运蛋白,它们的功能是选择性转运出入叶绿体的分子。叶绿体内膜上所有转运蛋白的运输作用都是靠浓度梯度驱动的,而不是主动运输。这不仅与细胞质膜的运输蛋白不同,也与线粒体内膜的运输系统不同,在线粒体内膜中也有主动运输的转运蛋白。

叶绿体中转运蛋白的一个重要运输机制是通过交换进行的“Pi转运体”，通过交换可同时转运Pi和磷酸甘油酸。叶绿体进行的光合作用中需要大量的无机磷, 并且有大量的中间产物3-磷酸甘油酸(3PGAL)释放。在叶绿体内膜中有磷酸交换载体蛋白(phosphate exchange carrier),能够通过交换将细胞质膜中的无机Pi转运到叶绿体基质,并将叶绿体基质中形成的3PGAL释放到细胞质。磷酸交换转运蛋白是叶绿体内膜中最为丰富的蛋白质,约占内膜总蛋白的12%。

 

二羧酸转运载体是叶绿体内膜中一个重要的转运蛋白, 它能够交换含有两个羧基的酸,如苹果酸(malate)、琥珀酸(succinate)、草酰乙酸(oxaloacetate)、延胡索酸(fumarate)、谷氨酸和天冬氨酸等, 并且也是一对一的交换,即从叶绿体基质中输出一个二羧酸,同时从细胞质中输入一个二羧酸。这种运输蛋白的主要功能是参与各种穿梭活动。叶绿体基质和细胞质间NADP的电子传递就是靠这种穿梭作用进行的,主要是将叶绿体基质中的苹果酸和细胞质中的延胡索酸进行交换,将叶绿体膜两侧的反应结合起来就形成了NADP的氧化和还原的反应对。苹果酸/延胡索酸的穿梭运输表明,叶绿体内膜象线粒体一样,对于NAD和NADP无论是氧化型还是还原型都是不能渗透的。

 

类囊体是内膜发展而来的封闭扁平小囊。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。

有两种类型的类囊体∶基粒类囊体(granum thylakoid)和基质类囊体(stroma thylakoid)。

叶绿体中圆盘状类囊体常相互堆积形成柱形颗粒, 叫基粒(granum),每一个叶绿体中约含有40～80个基粒。将构成基粒的类囊体称为基粒类囊体,或称为堆积类囊体(stacked thylakoids)。基粒类囊体的直径为 0.25～0.8μm; 厚0.01μm, 一个基粒是由5～30个基粒类囊体所组成，最多的可达上百个。

通常基粒中的类囊体会延伸出网状或片层结构并与相邻的基粒类囊体相通，连接两个相邻基粒类囊体的片层结构称为基质片层(stroma lumen)或基质类囊体，也有称为非堆积的类囊体(unstaked thylakoids)。基质类囊体是非常大的扁平囊泡结构，能够将多个甚至所有的单个基粒类囊体连接起来。

 

光反应又称为光系统电子传递反应(photosythenic electron-transfer reaction)。在反应过程中,来自于太阳的光能使绿色生物的叶绿素产生高能电子从而将光能转变成电能。然后电子通过在叶绿体类囊体膜中的电子传递链间的移动传递,并将H⁺质子从叶绿体基质传递到类囊体腔,建立电化学质子梯度,用于ATP的合成。光反应的最后一步是高能电子被NADP⁺接受,使其被还原成NADPH。光反应的场所是类囊体。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。光反应包括光能吸收、电子传递、光合磷酸化等三个主要步骤。

 

暗反应是CO₂固定反应,简称碳固定反应(carbon-fixation reaction)。在这一反应中,叶绿体利用光反应产生的ATP和NADPH这两个高能化合物分别作为能源和还原的动力将CO₂固定,使之转变成葡萄糖, 由于这一过程不需要光所以称为暗反应。碳固定反应开始于叶绿体基质, 结束于细胞质基质。

 

光吸收是光反应的最初始的反应,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。

 

光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。

 

能够吸收光的色素称为捕光色素或光吸收色素(light-absorbing pigment), 此类色素位于类囊体的膜上，只具有吸收聚集光能的作用, 而无光化学活性, 故此又称为天线色素。

 

叶绿素是植物中进行光合作用的主要色素,是一类含脂的色素家族，位于类囊体膜，并且赋予植物的绿色。叶绿素吸收的光主要是蓝色和红色而不是绿色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。

叶绿素分子是由两部分组成的:核心部分是一个卟啉环(porphyrin ring),其功能是光吸收; 另一部分是一个很长的脂肪烃侧链，称为叶绿醇(phytol),叶绿素用这种侧链插入到类囊体膜。与含铁的血红素基团不同的是,叶绿素卟啉环中含有一个镁原子。叶绿素分子通过卟啉环中单键和双键的改变来吸收可见光。

植物含有几种类型的叶绿素，它们之间的差别在于烃侧链的不同。叶绿素a存在于能进行光合作用的真核生物和蓝细菌中。大多数能进行光合作用的细胞还有第二种类型的叶绿素，即叶绿素b 或叶绿素c。在高等植物和绿藻的细胞中含有叶绿素b,而在其它一些类型的细胞中含有叶绿素c。不同类型的叶绿素对光的吸收也是不同的，如叶绿素a最大的吸收光的波长在420～663nm,叶绿素b 的最大吸收波长范围在460～645nm。当叶绿素分子位于叶绿体膜上时，由于叶绿素与膜蛋白的相互作用，会使光吸收的特性稍有改变。

 

进行光吸收的功能单位称为光系统, 是由叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白质组成的复合物。每一个光系统含有两个主要成分∶捕光复合物(light -harvesting complex)和光反应中心复合物(reaction-center complex)。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。

 

由只具有吸收聚集光能的作用, 而无光化学活性的色素分子组成的复合物。典型的捕光复合物是由几百个叶绿素分子、数量不等但都与蛋白质连接在一起的类胡萝卜素分子所组成。当一个光子被捕光复合物中的一个叶绿素或类胡萝卜素分子吸收时, 就有一个电子被激活，激发状态从一个色素向另一个色素传递,直到传递给反应中心。

 

反应中心复合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。

　

质子和电子载体,同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,不过质体醌与泛醌的结构是不同的。

 

是类囊体膜上可分离出来的多亚基膜蛋白。它由四个多肽组成: 即细胞色素f、细胞色素b6、一个铁硫蛋白和一个分子量为17kDa的多肽。前三个都是电子载体。细胞色素f也是c型的细胞色素,与线粒体的细胞色素c₁关系密切。该复合物位于基质面, 功能是参与电子传递。

 

光系统Ⅱ是类囊体膜中的一种光合作用单位,它含有两个捕光复合物和一个光反应中心。构成PSⅡ的捕光复合物称为LHCⅡ, 而将PSⅡ的光反应中心色素称为P680, 这是由于PSⅡ反应中心色素(pigment,P)吸收波长为680nm的光。

捕光复合物Ⅱ(light-harvasting complex Ⅱ, LHC Ⅱ) 又称捕光叶绿素-蛋白质复合物, 或天线复合物(antenna complex), 含有类囊体膜的叶绿素总量的40～60%, 该复合物的作用是吸收光能及传递光能到作用中心。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。

PSⅡ反应中心复合物组成较为复杂，至少含有6个膜整合肽和几个紧密连接的脂，包括反应中心色素P680、几十个叶绿素a和b、类胡萝卜素等, 其中有一对特别的不含Mg²⁺的叶绿素,称为脱镁叶绿素(pheophytin),简称Pheo。这些色素与两个相关多肽D1和D2组成反应中心。此外，反应中心复合物还含有四个锰原子和细胞色素b₅₅₉的蛋白质片段。

PSⅡ的功能是利用从光中吸收的能量将水裂解,并将其释放的电子传递给质体醌,同时通过对水的氧化和PQ_B^2-的还原在类囊体膜两侧建立H⁺质子梯度。

PSⅡ行使功能的前提是吸收光能,PSⅡ将LCHⅡ吸收的光能传递给PSⅡ反应中心,使中心色素产生一个高能电子,并传递给原初电子受体。这一过程产生了带正电荷的供体(P680⁺)和一个带负电荷的原初电子受体(Pheo^-)，这一对相反带电性物质的形成非常重要,它们能够引发进一步的反应。因为P680⁺可以作为氧化剂,接受电子,引发水的光解,导致水氧化释放的电子向PSⅡ的传递; 而Pheo^-可以作为还原剂,丢失一个电子,引起电子向质体醌的传递。

 

PSⅠ复合物是类囊体膜中另一种光合作用单位,它含有一个捕光复合物和一个光反应中心。构成PSⅠ的捕光复合物称为LCHⅠ, 而将PSⅠ的光反应中心色素称为P700, 这是由于PSⅠ反应中心色素吸收波长为700 nm的光。

PSⅠ至少含有11种不同的与膜结合的多肽和几种结合紧密的脂类,包括P700。LCHⅠ含有一百多个叶绿素a和b,以及其他一些与蛋白结合的色素。PSⅠ的功能是将电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白(ferredoxin)。电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白在热力学上是不利的,需要光能去驱动。

 

在非循环式电子传递中, 电子从水开始,经PSⅡ、质体Q、复合物b₆/f、PC、PSⅠ、Fd,最后传递给NADP⁺, 这种方式又称为线性电子流。

 

在线性电子流中,被传递的电子经过两个光系统接力合作,最终被NADP⁺接收,并将NADP⁺还原成NADPH。在循环式电子传递途径中,被传递的电子经PSⅠ传递给Fd之后,不是进一步传递给NADP⁺,而是重新传递给细胞色素b₆/f复合物,再经PC又回到PSⅠ,形成了闭路循环。

 

在光合作用的光反应中,除了将一部分光能转移到NADPH中暂时储存外,还要利用另外一部分光能合成ATP,将光合作用与ADP的磷酸化偶联起来,这一过程称为光合磷酸化。它同线粒体的氧化磷酸化的主要区别是∶氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化驱动的，而光合磷酸化是由光子驱动的。

光合磷酸化的机理同线粒体进行的氧化磷酸化相似,同样可用化学渗透学说来说明。在电子传递和ATP合成之间, 起偶联作用的是膜内外之间存在的质子电化学梯度。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合酶。有三个可动的分子(质子)∶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:即完成电子传递、建立质子梯度、合成ATP和NADPH。

 

在线性电子传递中,光驱动的电子经两个光系统最后传递给NADP⁺,并在电子传递过程中建立H⁺质子梯度,驱使ADP磷酸化产生ATP。非循环式电子传递和光合磷酸化的最终产物有ATP、NADPH、分子氧。

 

在循环式电子传递中,光驱动的电子从PSⅠ传递给铁氧化还原蛋白后不是进一步传递给NADP⁺，而是传递给细胞色素b₆/f复合物，再经由质体蓝素(PC)而流回到PSⅠ。在此过程中, 电子循环流动, 促进质子梯度的建立,并与磷酸化相偶联,产生ATP,故称为循环式光合磷酸化。循环式光合磷酸化的最终产物只有ATP。

卡尔文通过实验发现的CO₂在光合作用中被固定的一种途径, 在这一途径中CO₂的固定是一个循环过程, 故称为卡尔文循环。在卡尔文循环中, 固定CO₂产生的中间体是三碳的三磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate,PGA),所以将CO₂的这种固定途径称为C₃途径, 并将通过这种途径固定CO₂的植物称为C₃植物。C₃途径是一个循环过程, 称为C₃循环, 分为三个阶段: 羧化、还原和RuBP的再生。因这一途径是卡尔文发现的, 故称为卡尔文循环。

 

1920年,德国生化学家Otto Warburg最先注意到提高O₂的浓度会抑制CO₂的固定,这种抑制作用是光呼吸(photorespiration)引起的,所谓光呼吸是一种依靠光来消耗O₂, 放出CO₂的作用。在光存在下,光呼吸降低了光合作用的效率,因为它氧化光合作用中产生的还原型的碳原子,同时消耗了大量的能量。

 

由rubisco氧化作用产生的磷酸乙醇酸首先在叶绿体中脱磷形成乙醇酸然后进入叶过氧化物酶体(leaf peroxisome),在叶过氧化物酶体的氧化酶作用下被氧化成甘氨酸,然后转运到线粒体,在线粒体中两分子的甘氨酸被转变成一分子的丝氨酸,同时释放一分子的CO₂。丝氨酸被运回到过氧化物酶体,在那里被转变成甘油酸后再被转运到叶绿体进入卡尔文循环。上述的过程称为乙醇酸途径,通过这一途径,可以使磷酸乙醇酸中75%的还原碳以3-磷酸甘油酸的形式进入卡尔文循环。

 

有一些植物对CO₂的固定反应是在叶肉细胞的胞质溶胶中进行的,在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下将CO₂连接到磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)上.形成四碳酸:草酰乙酸(oxaloacetate)，这种固定CO₂的方式称为C₄途径。草酰乙酸被转变成其他的四碳酸(苹果酸和天冬氨酸)后运输到维管束鞘细胞,在维管束鞘细胞中被降解成CO₂和丙酮酸,CO₂在维管束鞘细胞中进入卡尔文循环。由于PEP羧化酶的活性很高,所以转运到叶肉细胞中的CO₂的浓度就高,大约是空气中的十倍。这样,即使在恶劣的环境中,也可保证高CO₂浓度, 降低光呼吸作用对光合作用的影响。