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(xì)胞器。
　?。ㄒ唬┤~綠體的發(fā)育、形態(tài)及分布
　　1.發(fā)育 高等植物的葉綠體由前質(zhì)體(proplastid)發(fā)育而來(lái)，前質(zhì)體是近乎無(wú)色的質(zhì)體，它存在于莖端分生組織中。當(dāng)莖端分生組織形成葉原基時(shí)，前質(zhì)體的雙層膜中的內(nèi)膜在若干處內(nèi)折并伸入基質(zhì)擴(kuò)展增大，在光照下逐漸排列成片，并脫離內(nèi)膜形成囊狀結(jié)構(gòu)的類囊體，同時(shí)合成葉綠素，使前質(zhì)體發(fā)育成葉綠體。幼葉綠體能進(jìn)行分裂。
　　2.形態(tài) 高等植物的葉綠體大多呈扁平橢圓形，每個(gè)細(xì)胞中葉綠體的大小與數(shù)目依植物種類、組織類型以及發(fā)育階段而異。一個(gè)葉肉細(xì)胞中約有10至數(shù)百個(gè)葉綠體，其長(zhǎng)3～7μm，厚2～3μm。
　　3.分布 葉肉細(xì)胞中的葉綠體較多分布在與空氣接觸的質(zhì)膜旁，在與非綠色細(xì)胞(如表皮細(xì)胞和維管束細(xì)胞)相鄰處，通常見(jiàn)不到葉綠體。這樣的分布有利于葉綠體同外界進(jìn)行氣體交換。
　　4.運(yùn)動(dòng) 葉綠體在細(xì)胞中不僅可隨原生質(zhì)環(huán)流運(yùn)動(dòng)，而且可隨光照的方向和強(qiáng)度而運(yùn)動(dòng)。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(qiáng)光下，葉綠體的扁平面與光照方向平行，不致吸收過(guò)多強(qiáng)光而引起結(jié)構(gòu)的破壞和功能的喪失。
　　(二)葉綠體的基本結(jié)構(gòu)
　　葉綠體是由葉綠體被膜、基質(zhì)和類囊體三部分組成(圖)。

圖　葉綠體的結(jié)構(gòu)示意圖
　　A.葉綠體的結(jié)構(gòu)模式；B.類囊體片層堆疊模式
　　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(wú)葉綠素，它的主要功能是控制物質(zhì)的進(jìn)出，維持光合作用的微環(huán)境。外膜(outer membrane)為非選擇性膜，分子量小于10000的物質(zhì)如蔗糖、核酸、無(wú)機(jī)鹽等能自由通過(guò)。內(nèi)膜(inner membrane)為選擇透性膜，CO₂、O₂、H₂O可自由通過(guò)；Pi、磷酸丙糖、雙羧酸、甘氨酸等需經(jīng)膜上的運(yùn)轉(zhuǎn)器(translocator)才能通過(guò)；蔗糖、C₅`C₇糖的二磷酸酯、NADP⁺、PPi等物質(zhì)則不能通過(guò)。
　　2.基質(zhì)及內(nèi)含物 被膜以內(nèi)的基礎(chǔ)物質(zhì)稱為基質(zhì)(stroma)，基質(zhì)以水為主體，內(nèi)含多種離子、低分子的有機(jī)物，以及多種可溶性蛋白質(zhì)等?；|(zhì)是進(jìn)行碳同化的場(chǎng)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(zhì)總蛋白的一半以上。此外，基質(zhì)中含有氨基酸、蛋白質(zhì)、DNA、RNA、脂類(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(葉綠素類、細(xì)胞色素類)和萜類(類胡蘿卜素、葉醇)等物質(zhì)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(yīng)的底物與產(chǎn)物，因而在基質(zhì)中能進(jìn)行多種多樣復(fù)雜的生化反應(yīng)。
　　基質(zhì)中有淀粉粒(starch grain)與質(zhì)體小球(plastoglobulus)，它們分別是淀粉和脂類的貯藏庫(kù)。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(zhì)體小球又稱脂質(zhì)球或親鋨顆粒，在葉片衰老時(shí)葉綠體中的膜系統(tǒng)會(huì)解體，此時(shí)葉綠體中的質(zhì)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?yàn)槿~綠體的長(zhǎng)軸方向。類囊體分為二類：一類是基質(zhì)類囊體(stroma thylakoid),又稱基質(zhì)片層(stroma lamella)，伸展在基質(zhì)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(zhì)類囊體重(granum)。片層與片層互相接觸的部分稱為堆疊區(qū)(appessed region)，其他部位則為非堆疊區(qū)(nonappressed region)。
　　(三)類囊體膜上的蛋白復(fù)合體
　　類囊體膜上含有由多種亞基、多種成分組成的蛋白復(fù)合體，主要有四類(圖4-5)，即光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）、Cytb₆/f復(fù)合體和ATP酶復(fù)合體（ATPase），它們參與了光能吸收、傳遞與轉(zhuǎn)化、電子傳遞、H+輸送以及ATP合成等反應(yīng)。由于光合作用的光反應(yīng)是在類囊體膜上進(jìn)行的，所以稱類囊體膜為光合膜(photosynthetic membrane)。這四類蛋白復(fù)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(qū)，PSⅠ與ATPase存在于基質(zhì)片層與基粒片層的非堆疊區(qū)，Cytb₆/f復(fù)合體分布較均勻。PSⅡ中放氧復(fù)合體(oxygen-evolving complex,OEC)在膜的內(nèi)表面，PSⅡ的原初供體位于膜內(nèi)側(cè)，原初受體靠近膜外側(cè)。質(zhì)體醌(plastoquinone,PQ)可以在膜的疏水區(qū)內(nèi)移動(dòng)。Cytb₆/f復(fù)合體在膜的疏水區(qū)。PSⅠ的電子供體PC在膜的內(nèi)腔側(cè)，而PSⅠ還原端的Fd、FNR在膜的外側(cè)。蛋白復(fù)合體及其亞基的這種分布，有利于電子傳遞、H+的轉(zhuǎn)移和ATP合成。

圖　主要光合色素的結(jié)構(gòu)式
　　葉綠素分子含有一個(gè)卟啉環(huán)（porphyrin ring）的“頭部”和一個(gè)葉綠醇(植醇，phytol)的“尾巴”。卟啉環(huán)由四個(gè)吡咯環(huán)與四個(gè)甲烯基(－CH＝)連接而成，它是各種葉綠素的共同基本結(jié)構(gòu)。卟啉環(huán)的中央絡(luò)合著一個(gè)鎂原子，鎂偏向帶正電荷，而與其相聯(lián)的氮原子則帶負(fù)電荷，因而“頭部”有極性，是親水的。另外還有一個(gè)含羰基的同素環(huán)（含相同元素的環(huán)），其上一個(gè)羧基以酯鍵與甲醇相結(jié)合。環(huán)D上有一個(gè)丙酸側(cè)鏈以酯鍵與葉綠醇相結(jié)合，葉綠醇是由四個(gè)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(huán)上的共軛雙鍵和中央鎂原子容易被光激發(fā)而引起電子的得失，這決定了葉綠素具有特殊的光化學(xué)性質(zhì)。 卟啉環(huán)中的鎂可被H⁺、Cu²⁺、Zn²⁺ 等所置換。當(dāng)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(lái)的葉綠素更鮮艷穩(wěn)定。根據(jù)這一原理可用醋酸銅處理來(lái)保存綠色標(biāo)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(jī)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(lái)提取葉片中的葉綠素，用于測(cè)定葉綠素含量。之所以要用含有水的有機(jī)溶劑提取葉綠素，這是因?yàn)槿~綠素與蛋白質(zhì)結(jié)合很牢，需要經(jīng)過(guò)水解作用才能被提取出來(lái)。
　　2.類胡蘿卜素 類胡蘿卜素(carotenoid)是由8個(gè)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(gè)不飽和的取代的環(huán)己烯，也即紫羅蘭酮環(huán)(圖4-5B)，它們不溶于水而溶于有機(jī)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?xì)浠衔铮笑?、β、γ三種同分異構(gòu)體，其中以β胡蘿卜素在植物體內(nèi)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(qiáng)光下逸散能量，如β-胡蘿卜素就是單線態(tài)分子氧(¹O₂)的猝滅劑，具有使葉綠素免遭傷害的光保護(hù)作用(photoprotection)。
　　一般來(lái)說(shuō)，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(xiàn)綠色。秋天或在不良的環(huán)境中，葉片中的葉綠素較易降解，數(shù)量減少，而類胡蘿卜素比較穩(wěn)定，所以葉片呈現(xiàn)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(shí)、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(lán)藻中，主要有藻紅蛋白(phycoerythrin)、藻藍(lán)蛋白(phycocyanin)和別藻藍(lán)蛋白(allophycocyanin)三類，前者呈紅色，后兩者呈藍(lán)色。它們的生色團(tuán)與蛋白以共價(jià)鍵牢固地結(jié)合。藻膽素分子中的四個(gè)吡咯環(huán)形成直鏈共軛體系，不含鎂也沒(méi)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)。


圖　主要光合色素的吸收光譜
　　曲線1，細(xì)菌葉綠素a；曲線2，葉綠素a；曲線3，葉綠素b；曲線4，藻膽紅素；曲線5，β-類胡蘿卜素；。在多數(shù)情況下植物體內(nèi)光合色素光譜在很大程度上受到光合膜中色素環(huán)境的影響。（Avers，1985）
　　(二)光合色素的吸收光譜
　　用分光光度計(jì)能精確測(cè)定光合色素的吸收光譜(absorption spectrum)(圖4-6)。葉綠素最強(qiáng)的吸收區(qū)有兩處：波長(zhǎng)640～660nm的紅光部分和430～450nm的藍(lán)紫光部分。葉綠素對(duì)橙光、黃光吸收較少，尤以對(duì)綠光的吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。
　　葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜很相似，但也稍有不同：葉綠素a在紅光區(qū)的吸收峰比葉綠素b的高，而藍(lán)光區(qū)的吸收峰則比葉綠素b的低，也就是說(shuō)，葉綠素b吸收短波長(zhǎng)藍(lán)紫光的能力比葉綠素a強(qiáng)。
　　一般陽(yáng)生植物葉片的葉綠素a/b比值約為3∶1，而陰生植物的葉綠素a/b比值約為2.3∶1。葉綠素b含量的相對(duì)提高就有可能更有效地利用漫射光中較多的藍(lán)紫光，所以葉綠素b有陰生葉綠素之稱。
　　類胡蘿卜素的吸收帶在400～500nm的藍(lán)紫光區(qū)，它們基本不吸收紅．橙．黃光，從而呈現(xiàn)橙黃色或黃色.
　　藻藍(lán)蛋白的吸收光譜最大值是在橙紅光部分，而藻紅蛋白則是在綠光部分。
　　植物體內(nèi)不同光合色素對(duì)光波的選擇吸收是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化中形成的對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)，這使植物可利用各種不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行光合作用。
　　(三)葉綠素的生物合成及其與環(huán)境條件的關(guān)系
　　1．葉綠素的生物合成 葉綠素的合成是在前質(zhì)體或葉綠體中在一系列酶的作用下形成的。合成葉綠素分子中的吡咯環(huán)的起始物質(zhì)是δ-氨基酮戊酸(δ-aminolevulinic acid,ALA)，在高等植物中ALA由谷氨酸或α-酮戊二酸轉(zhuǎn)化而來(lái)。葉綠素合成過(guò)程見(jiàn)圖4-7。圖中(1)2分子ALA脫水縮合形成1分子具有吡咯環(huán)的膽色素原；(2)、(3)4分子膽色素原脫氨基縮合形成1分子尿卟啉原Ⅲ，合成過(guò)程按A→B→C→D環(huán)的順序進(jìn)行；(4)尿卟啉原Ⅲ四個(gè)乙酸鏈脫羧形成具有四個(gè)甲基的糞卟啉原Ⅲ(5)、(6)糞卟啉原Ⅲ再脫羧、脫氫，氧化形成原卟啉Ⅸ；(7)原卟啉Ⅸ與鎂結(jié)合形成Mg原卟啉Ⅸ;(8)Mg原卟啉Ⅸ的一個(gè)羧基被甲基所酯化；(9)、(10)在Mg^-原卟啉Ⅸ上形成第五個(gè)環(huán)，接著B(niǎo)環(huán)上的－CH₂＝CH₂側(cè)鏈被還原為－CH₂－CH₃，即形成原葉綠酸酯；(11)經(jīng)光還原，D環(huán)上接受NADPH提供的H，形成葉綠酸酯a，這一過(guò)程是在一種色素蛋白復(fù)合體上進(jìn)行的；(12)D環(huán)上的丙酸為20個(gè)C的牻牛兒基牛牻牛兒基焦磷酸酯化，后者由NADPH提供H還原成葉綠醇，這樣就形成了葉綠素a。葉綠素b則是由葉綠素a氧化形成的。