葉綠體和光合色素

一、葉綠體

葉片是光合作用的主要器官，而葉綠體（chloroplast,chlor）是光合作用最重要的細胞器。

（一）葉綠體的發育、形態及分布

1.發育 高等植物的葉綠體由前質體(proplastid)發育而來，前質體是近乎無色的質體，它存在于莖端分生組織中。當莖端分生組織形成葉原基時，前質體的雙層膜中的內膜在若干處內折并伸入基質擴展增大，在光照下逐漸排列成片，并脫離內膜形成囊狀結構的類囊體，同時合成葉綠素，使前質體發育成葉綠體。幼葉綠體能進行分裂。
　　2.形態 高等植物的葉綠體大多呈扁平橢圓形，每個細胞中葉綠體的大小與數目依植物種類、組織類型以及發育階段而異。一個葉肉細胞中約有10至數百個葉綠體，其長3～7μm，厚2～3μm。
　　3.分布 葉肉細胞中的葉綠體較多分布在與空氣接觸的質膜旁，在與非綠色細胞(如表皮細胞和維管束細胞)相鄰處，通常見不到葉綠體。這樣的分布有利于葉綠體同外界進行氣體交換。
　　4.運動 葉綠體在細胞中不僅可隨原生質環流運動，而且可隨光照的方向和強度而運動。在弱光下，葉綠體以扁平的一面向光以接受較多的光能；而在強光下，葉綠體的扁平面與光照方向平行，不致吸收過多強光而引起結構的破壞和功能的喪失。

（二）葉綠體的基本結構

葉綠體是由葉綠體被膜、基質和類囊體三部分組成。　

1.葉綠體被膜(chloroplast envelope) 葉綠體被膜由兩層單位膜組成，兩膜間距5～10nm。被膜上無葉綠素，它的主要功能是控制物質的進出，維持光合作用的微環境。外膜(outer membrane)為非選擇性膜，分子量小于10000的物質如蔗糖、核酸、無機鹽等能自由通過。內膜(inner membrane)為選擇透性膜，CO2、O2、H2O可自由通過；Pi、磷酸丙糖、雙羧酸、甘氨酸等需經膜上的運轉器(translocator)才能通過；蔗糖、C5`C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物質則不能通過。

2.基質及內含物 被膜以內的基礎物質稱為基質(stroma)，基質以水為主體，內含多種離子、低分子的有機物，以及多種可溶性蛋白質等。基質是進行碳同化的場所，它含有還原CO2與合成淀粉的全部酶系，其中1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(ribulose1,5bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)占基質總蛋白的一半以上。此外，基質中含有氨基酸、蛋白質、DNA、RNA、脂類(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(葉綠素類、細胞色素類)和萜類(類胡蘿卜素、葉醇)等物質及其合成和降解的酶類，還含有還原亞硝酸鹽和硫酸鹽的酶類以及參與這些反應的底物與產物，因而在基質中能進行多種多樣復雜的生化反應。

基質中有淀粉粒(starch grain)與質體小球(plastoglobulus)，它們分別是淀粉和脂類的貯藏庫。將照光的葉片研磨成勻漿離心，沉淀在離心管底部的白色顆粒就是葉綠體中的淀粉粒。質體小球又稱脂質球或親鋨顆粒，在葉片衰老時葉綠體中的膜系統會解體，此時葉綠體中的質體小球也隨之增多增大。

3.類囊體 類囊體(thylakoid)是由單層膜圍起的扁平小囊，膜厚度5～7nm，囊腔(lumen)空間為10nm左右，片層伸展的方向為葉綠體的長軸方向。類囊體分為二類：一類是基質類囊體(stroma thylakoid),又稱基質片層(stroma lamella)，伸展在基質中彼此不重疊；另一類是基粒類囊體(grana thlylakoid)，或稱基粒片層(grana lamella)，可自身或與基質類囊體重(granum)。片層與片層互相接觸的部分稱為堆疊區(appessed region)，其他部位則為非堆疊區(nonappressed region)。

（三）類囊體膜上的蛋白復合體

類囊體膜上含有由多種亞基、多種成分組成的蛋白復合體，主要有四類，即光系統Ⅰ（PSI）、光系統Ⅱ（PSⅡ）、Cytb6/f復合體和ATP酶復合體（ATPase），它們參與了光能吸收、傳遞與轉化、電子傳遞、H+輸送以及ATP合成等反應。由于光合作用的光反應是在類囊體膜上進行的，所以稱類囊體膜為光合膜(photosynthetic membrane)。這四類蛋白復合體在類囊體膜上的分布大致是：PSⅡ主要存在于基粒片層的堆疊區，PSⅠ與ATPase存在于基質片層與基粒片層的非堆疊區，Cytb6/f復合體分布較均勻。PSⅡ中放氧復合體(oxygen-evolving complex,OEC)在膜的內表面，PSⅡ的原初供體位于膜內側，原初受體靠近膜外側。質體醌(plastoquinone,PQ)可以在膜的疏水區內移動。Cytb6/f復合體在膜的疏水區。PSⅠ的電子供體PC在膜的內腔側，而PSⅠ還原端的Fd、FNR在膜的外側。蛋白復合體及其亞基的這種分布，有利于電子傳遞、H+的轉移和ATP合成。

二、光合色素

在光合作用的反應中吸收光能的色素稱為光合色素，主要有三種類型：葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素。高等植物中含有前兩類，藻膽素僅存在于藻類中。

(一)光合色素的結構和性質

1.葉綠素 葉綠素(chlorophyll)是使植物呈現綠色的色素，約占綠葉干重的1％。植物的葉綠素包括a、b、c、d四種。高等植物中含有a、b兩種，葉綠素c、d存在于藻類中，而光合細菌中則含有細菌葉綠素(bacteriochlorophyll)。葉綠素a(Chl a)呈藍綠色，葉綠素b(Chl b)呈黃綠色，分子量分別為892和906，葉綠素是雙羧酸的酯，其中一個羧基被甲醇所酯化，另一個被葉綠醇所酯化，它們的分子式可以寫成：

葉綠素a與b的分子式很相似，不同之處是葉綠素a比b多兩個氫少一個氧。兩者結構上的差別僅在于葉綠素a的B吡咯環上一個甲基(－CH3)被醛基(－CHO)所取代。

葉綠素分子含有一個卟啉環（porphyrin ring）的“頭部”和一個葉綠醇(植醇，phytol)的“尾巴”。卟啉環由四個吡咯環與四個甲烯基(－CH＝)連接而成，它是各種葉綠素的共同基本結構。卟啉環的中央絡合著一個鎂原子，鎂偏向帶正電荷，而與其相聯的氮原子則帶負電荷，因而“頭部”有極性，是親水的。另外還有一個含羰基的同素環（含相同元素的環），其上一個羧基以酯鍵與甲醇相結合。環D上有一個丙酸側鏈以酯鍵與葉綠醇相結合，葉綠醇是由四個異戊二烯單位所組成的雙萜，是親脂的，能伸入類囊體的擬脂層，故葉綠素能定向排列。

卟環上的共軛雙鍵和中央鎂原子容易被光激發而引起電子的得失，這決定了葉綠素具有特殊的光化學性質。 卟啉環中的鎂可被H+、Cu2+、Zn2+ 等所置換。當為H+所置換后，即形成褐色的去鎂葉綠素(pheophytin，Pheo)。去鎂葉綠素中的H＋ 再被Cu2+取代，就形成銅代葉綠素，顏色比原來的葉綠素更鮮艷穩定。根據這一原理可用醋酸銅處理來保存綠色標本。 葉綠素是一種酯，因此不溶于水。

通常用含有少量水的有機溶劑如80％的丙酮，或者95%乙醇，或丙酮∶乙醇∶水＝4.5∶4.5∶1的混合液來提取葉片中的葉綠素，用于測定葉綠素含量。之所以要用含有水的有機溶劑提取葉綠素，這是因為葉綠素與蛋白質結合很牢，需要經過水解作用才能被提取出來。

2.類胡蘿卜素 類胡蘿卜素(carotenoid)是由8個異戊二烯形成的四萜，含有一系列的共軛雙鍵，分子的兩端各有一個不飽和的取代的環己烯，也即紫羅蘭酮環，它們不溶于水而溶于有機溶劑。類胡蘿卜素包括胡蘿卜素(carotene,C40H56O2)和葉黃素(xanthophyll, C40H56O2)。前者呈橙黃色，后者呈黃色。胡蘿卜素是不飽和的碳氫化合物，有α、β、γ三種同分異構體，其中以β胡蘿卜素在植物體內含量最多。

葉黃素是由胡蘿卜素衍生的醇類，也叫胡蘿卜醇(carotenol),通常葉片中葉黃素與胡蘿卜素的含量之比約為2:1。

類胡蘿卜素除了有吸收傳遞光能的作用外，還可在強光下逸散能量，如β-胡蘿卜素就是單線態分子氧(1O2)的猝滅劑，具有使葉綠素免遭傷害的光保護作用(photoprotection)。

一般來說，葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的比值約為3∶1，所以正常的葉子總呈現綠色。秋天或在不良的環境中，葉片中的葉綠素較易降解，數量減少，而類胡蘿卜素比較穩定，所以葉片呈現黃色。類胡蘿卜素總是和葉綠素一起存在于高等植物的葉綠體中，此外也存在于果實、花冠、花粉、柱頭等器官的有色體中。

3.藻膽素(phycobilin) 僅存在于紅藻和藍藻中，主要有藻紅蛋白(phycoerythrin)、藻藍蛋白(phycocyanin)和別藻藍蛋白(allophycocyanin)三類，前者呈紅色，后兩者呈藍色。它們的生色團與蛋白以共價鍵牢固地結合。藻膽素分子中的四個吡咯環形成直鏈共軛體系，不含鎂也沒有葉綠醇鏈。藻膽素也有收集光能的功能。

由于類胡蘿卜素和藻膽素吸收的光能能夠傳遞給葉綠素用于光合作用，因此它們被稱為光合作用的輔助色素(accessory photosynthetic pigments)。