叶绿体功能和结构-太阳能电池板- Rs'科学开云体育全站app下载安装

本文将介绍

什么是叶绿体?

的叶绿体是一种在植物和某些藻类细胞中发现的双膜细胞器。叶绿体的主要功能是将来自太阳的能量转化为生长所需的化学能(葡萄糖)，这个过程称为光合作用．这就是为什么我们把叶绿体称为细胞内的太阳能电池板。

chloroplast-in-the-cell-and-its-structure

[在这张图中]叶绿体及其在植物细胞内的相对位置。

叶绿体的结构

在被细胞膜包围的叶绿体空间内，有一种富含蛋白质的液体叫做基质，对应原始蓝藻的胞浆。叶绿体DNA、核糖体、淀粉粒和许多蛋白质漂浮在基质中。

悬浮在叶绿体基质中的是类囊体系统。类囊体膜袋里装的是什么叶绿素分子和是光合作用光反应发生的地方。在大多数维管植物中，类囊体排列成称为基粒(单数:叶绿体基粒)。然而，在某些C4植物(如水稻)和一些藻类中，类囊体是自由漂浮的。

成堆的类囊体囊由间质薄片．片层就像叶绿体的骨架一样，保持所有囊体之间的安全距离，使细胞器的效率最大化。如果所有的类囊体都重叠并聚集在一起，就没有有效的方法来捕获太阳的能量。

叶绿体的厚度约为1 ~ 2 μm，直径约为4 ~ 6 μm^[1]．

electron-micrographic-of-chloroplast-and-its-structure-cartoon

[在这张图中]叶绿体及其结构的透射电子显微图像。
[左]类囊体(深色区域)是光合作用发生的区域。它们由间质板连接。基质周围的一些黑点是脂质。
图片来源:修改自威斯康星大学麦迪逊图书馆

叶绿体位于细胞的什么位置

叶绿体分布在整个细胞的细胞质中。它们通常存在于植物的叶子细胞、保护细胞(控制气体交换的特殊细胞)和植物的绿色组织细胞中。事实上，我们看到植物变绿的原因是由于叶绿体。

叶绿体运动

叶绿体是可移动的:它们的移动取决于阳光的可用性。

在阴凉处，叶绿体移动到它们能吸收尽可能多的光的地方。当光线较强时，比如阳光充足时，叶绿体会从细胞表面移动到侧壁，在那里它们可以减少光损伤。在黑暗中，叶绿体迁移到细胞的底部，尽管在黑暗中这种移动的目的尚不清楚^［5］．

chloroplast-movements-in-different-conditions

[在这张图中]叶绿体在不同条件下的运动。
侧视图和俯视图显示了叶绿体的位置。在阴凉处，叶绿体移动到它能吸收尽可能多的光的位置。在阳光充足的条件下，叶绿体避免阳光照射，减少光损伤。在黑暗中，叶绿体停留在细胞的底部。

胞质环流

细胞质流动是细胞内液体细胞质的运动。你经常可以看到叶绿体沿着细胞壁移动。

如欲了解更多有关细胞质流的资料，请参阅什么是细胞质流”。

[在这个视频中]观察植物细胞中通过细胞质流移动的叶绿体(Elodea) - DIC显微镜/ 1250x。

一个细胞能找到多少个叶绿体?

每个细胞的叶绿体数量从1到100不等，这取决于生物体。衣藻reinhardtii是单细胞绿藻所包含的一个大的杯状叶绿体．

衣藻是一种重要的模式生物，因为我们可以很容易地操纵它的基因和培养它们。有趣的是，我们不仅可以修改衣藻的核基因组，还可以修改其叶绿体基因组。这为了解核基因在叶绿体基因表达和叶绿体生物发生中的作用提供了一个很好的工具。

其他植物，如拟南芥，每个表皮细胞含有约100个叶绿体。Coffea阿拉比卡每个保卫细胞有13-20个叶绿体，所以这真的取决于物种^{(2 - 4)}．

Chlamydomonas-reinhardtii-chloroplast-one-cup-shaped

[在这张图中]衣藻reinhardtii和它的杯状叶绿体。
左边是衣藻的图像，右边是衣藻细胞器的插图。基质内的类囊体膜(T)和淀粉粒(S)。
图片来源:修改自Alchetron而且植物科学的发展趋势开云体育全站app下载安装．

叶绿体的生物学功能是什么?

叶绿体把太阳的光能转化为糖(这个过程称为光合作用)可以被细胞利用。同时，光合作用产生氧气(O₂)并消耗二氧化碳(CO₂)．因此，植物是地球上所有生命的基础。他们被归类为世界的生产者。

叶绿体还为植物细胞提供多种功能，包括脂肪酸合成、氨基酸合成和植物固有免疫。

光合作用

叶绿素是位于每个类囊体囊表面的绿色小分子，是光合作用的核心。当来自太阳的能量击中叶绿体及其叶绿素分子时，光能被转化为化合物中的化学能三磷酸腺苷而且NADPH．这部分被称为光依赖反应。它发生在质子之间的一系列电子穿过膜的运输过程中，这与我们之前在线粒体．

随后，这些富含能量的化合物进入基质，在基质中酶将二氧化碳(CO₂)来合成糖分子。这部分被称为卡尔文循环或暗反应。氧气(O₂)是这种化学反应的副产物。植物和动物将这些糖(葡萄糖)作为食物和能量(植物细胞也有线粒体)。

chloroplast-photosynthesis-light-and-dark-reaction

[在这张图中]光合作用的说明．
类囊体中的叶绿素吸收来自太阳的能量，并将能量转移到ATP和NADPH。在暗反应中，基质中的酶和蛋白质利用ATP和NADPH等高能分子将二氧化碳转化为糖。

先天免疫

与动物不同，植物没有免疫细胞(白细胞)。每个细胞都要保护自己。植物有两种免疫反应，过敏的反应而且系统获得性阻力．

过敏的反应

当病原体存在于细胞中时，细胞会封闭自己，并经历凋亡(一种程序性细胞死亡)。这可以防止病原体传播到其他细胞。

系统获得性阻力

受感染的细胞也可以释放信号，通知其余的植物细胞病原体的存在。因此，其余的植物细胞可以为防御做准备。

叶绿体在两种免疫反应中起着关键作用。叶绿体可以故意破坏它们的光合系统，产生活性氧(ROS)，从而直接杀死细胞内的病原体(细菌)。很像巨噬细胞利用ROS杀死人体细菌的机制。剩余的(低水平的)ROS作为一个“SOS”信号，触发防御分子的生产在其余的植物细胞。

叶绿体是如何分裂的?

在单细胞藻类中，它们通常只有一个叶绿体;因此，叶绿体在细胞质分裂完成之前就开始复制和分裂。

陆地植物细胞通常有许多叶绿体。它们的叶绿体根据细胞的需要分裂，并不总是与细胞分裂相结合。不同的环境刺激会影响叶绿体分裂率。例如，当细胞变大时，叶绿体分裂并增加其数量^[6]．

chloroplast-division-algae-and-vascular-plants

[在这张图中]藻类和维管中的叶绿体分裂。
单细胞藻类通常有一个或几个叶绿体。叶绿体分裂发生在每个细胞周期的两个子细胞分离之前(胞质分裂)。在维管植物中，在叶片发育过程中，细胞分裂停止，但细胞核DNA复制仍在继续，从而形成更大的细胞核和细胞。在此期间，叶绿体继续分裂而没有细胞分裂，导致叶绿体的大小和数量增加。

[在这幅图中］苔藓中叶绿体的分裂。
图片来源:植物生理学

叶绿体分裂过程

当分裂蛋白在叶绿体基质内组装成一个环结构(z环)时，分裂过程开始。接下来，沿着z环形成两个塑料分隔环(PD环)。然后叶绿体开始收缩。

接下来，动力蛋白(马达蛋白)聚集在PD环周围，提供挤压叶绿体的力。随着收缩部位越来越窄，两个叶绿体分离^[7]．

chloroplast-dividing-steps-ring-constriction

[在这幅图中］显示叶绿体分裂步骤的卡通图。
分裂机制，如蛋白质复合体组装成一个环状结构(2和3)。这些环状结构施加压力缩小收缩部位(4)。然后，叶绿体完成分裂，两个子细胞形成(5)。

叶绿体的起源-内共生理论

叶绿体和线粒体有许多共同之处。两个细胞器都有两层膜-叫做外膜和内膜。叶绿体和线粒体也有自己的拷贝DNA，它们独立于细胞核。有专门的核糖体在叶绿体和线粒体内为这些细胞器制造蛋白质。科学家们认为叶绿体和线粒体来源于被今天真核细胞的早期祖先所吞噬的细菌。这个理论叫做内共生理论。

大约15亿年前，一些原核生物将其他原核生物合并到它们的细胞中。这些合并的原核生物随后失去了独立生活的能力，成为宿主的一部分。它们后来专攻特定功能，比如在线粒体和叶绿体中产生能量。

线粒体似乎与立克次体变形菌门和叶绿体似乎与固氮丝状蓝藻有关。这种内共生理论可以解释为什么叶绿体和线粒体有两层膜，它们自己的DNA和核糖体。

[图中]内共生过程综述。
图片来源:BioNinjia

动物能像植物一样生活吗?

爱丽霞chlorotica(俗称东方翠玉)是一种“太阳能海蛞蝓”，利用太阳能产生能量。海蛞蝓又吃又偷叶绿体来自藻类Vaucheria litorea．然后海蛞蝓将叶绿体合并到它们自己的消化细胞中，在那里叶绿体继续进行光合作用长达九个数月——这甚至比它们在藻类中的表现还要长。

多亏了光合作用产生的糖，海蛞蝓才能保持营养。在过去，这种动物是如何做到这一点的完全是个谜。

在《生物学通报》上发表的一项新研究中^[9]研究人员发现，这种海蛞蝓从它所吃的藻类中吸收了基因。这些编码叶绿体蛋白质和叶绿素合成的基因从藻类转移到海蛞蝓的染色体上，因此被偷走的叶绿体可以很好地维持很长一段时间。开云体育电脑官网

[在这张图中]爱丽霞cholorotica海蛞蝓是在美国东海岸发现的一种海蛞蝓，它可以从藻类中窃取光合作用叶绿体。
图片来源:Mary S. Tyler/PNAS

如何在显微镜下看到叶绿体

你需要的材料

空白的显微镜载玻片和封面
钳
Elodea或叶子(越薄越好)

步骤

用一张Kimwips纸清洁幻灯片。
在滑梯上加一滴水。
切一小片Elodea叶，放在滑梯上。
在上面放一张封面。有角度地慢慢放下伞盖。先让液滴的一侧接触盖套。这使得空气可以从另一边逸出。你可以用镊子来帮助你控制盖翻。
幻灯片已经准备好可以观看了。

[在这张图中]在滑梯上放一片树叶或苜蓿。
用封面纸覆盖。幻灯片已经准备好供观看了。

你会看到什么

Elodea-chloroplast-and-cell-wall-structure-under-microscope

[在这张图中]光镜下的叶绿体。
你可以看到单个的细胞壁和许多绿色的叶绿体。这些叶绿体在移动!!你可能需要使用更高的放大率来观察这些运动。

总结

叶绿体是进行光合作用并为植物细胞产生能量的细胞器。
叶绿体由许多堆叠的囊结构组成，称为类囊体系统。类囊体中的叶绿素吸收太阳的能量，并通过一系列反应产生糖。同时，反应产生氧(O₂)并消耗二氧化碳(CO₂)．
叶绿体在植物先天免疫中起着重要作用。
叶绿体是可运动的;它们根据光线情况移动。
叶绿体和线粒体有许多共同之处。它们都有两层膜，自己的DNA和核糖体。它们被认为来自于被今天真核细胞的早期祖先吞噬的内共生细菌。

叶绿体的功能和结构-太阳能电池板