葉綠體是植物細胞所特有的能量轉換細胞器，其主要功能是進行光合作用。光合作用是自然界最重要的化學反應，是包括人類在內的生物體賴以生存和繁衍的基礎，也是能源利用和開發的一個重要方向。全球綠色植物等生物體每年通過光合作用能將太陽能轉化為2200億噸生物能源，相當于全球每年能耗的10倍。如果真的能夠大規模仿生利用太陽能，那么困擾人類的食品和能源問題將會有全新的解決方案。

一、葉綠體的形態結構

葉綠體的形狀、大小和數量因植物種類不同而有很大差別。同時，葉綠體是一種不穩定的細胞器，能夠伴隨不同的環境條件，如光照條件等產生不同的適應性變化。高等植物的葉綠體多呈凸透鏡狀或香蕉形，寬2~4μm，長5~10μm。大多數葉肉細胞含有幾十至幾百個葉綠體，可占細胞質體積的40%~90%。藻類植物通常只有一個巨大的葉綠體，其形態有帶狀、螺旋狀、星狀，依細胞的形態而定。

在電子顯微鏡下可以看到，葉綠體由3部分構成：葉綠體膜、類囊體以及兩者之間的空間稱為基質。

葉綠體的結構

葉綠體膜由外膜和內膜組成。每層膜厚6~8nm，內、外膜之間為 10~20nm寬的腔隙。與線粒體外膜一樣，葉綠體的外膜通透性大，含有孔蛋白，允許相對分子質量高達104的分子通過。葉綠體內膜的通透性相對較差，是細胞質與葉綠體基質間的功能屏障，僅有O2、CO2和H2O分子能自由通過。葉綠體內膜上有很多轉運蛋白，它們能夠選擇性轉運進出葉綠體的分子，其運輸作用靠濃度梯度驅動。這些轉運蛋白的一個重要運輸機制是交換轉運，如磷酸交換載體，能夠將細胞質中的無機磷轉運到葉綠體基質，同時將葉綠體基質中產生的磷酸甘油醛釋放到細胞質。

葉綠體內部由內膜發展而來的封閉的扁平膜囊，稱為類囊體。類囊體囊內空間稱為類囊體腔。在葉綠體的某些部位，許多圓餅狀的類囊體有序堆疊成垛，稱為基粒。一個葉綠體含有40~60個甚至更多的基粒，一個基粒由5~30個類囊體組成，最多可達上百個。組成基粒類囊體的數目，依不同植物或同一植物不同部位的細胞而有很大變化。類囊體堆疊成基粒，是高等植物細胞所特有的膜結構，這種結構大大增加了膜片層的總面積，能更有效地捕獲光能，加速光反應。類囊體腔彼此相通，因而一個葉綠體內的全部類囊體實際上是一個完整連續的封閉膜囊，使膜系統的膜囊與基質隔開，這在電化學梯度的建立和ATP的合成中起重要作用。類囊體膜的化學組成與細胞的其他膜成分不同，含極少的磷脂和豐富的具有半乳糖的糖脂，這些脂質中的脂肪酸主要是不飽和的亞麻酸，約占87%。因此，類囊體膜的脂雙分子層流動性非常大。脂雙分子層的流動性促進光合作用過程中類囊體膜上的光系統Ⅱ、 細胞色素b6/f復合物、光系統I及 ATP合酶復合物在膜上的側向移動，有利于光合作用的進行。此外，類囊體膜上的蛋白質/脂質比很高，這也與葉綠體行使光合作用有關。

葉綠體內膜與類囊體之間的區室就是葉綠體基質。基質的主要成分是可溶性蛋白質和其他代謝的活躍物質，其中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶是光合作用中一個起重要作用的酶系統，在基質中含量很多，亦是自然界含量最豐富的蛋白質。基質是光合作用固定CO2的場所，基質中還含有環狀DNA、核糖體、脂滴、植物鐵蛋白和淀粉粒等。

二、光合作用

光合作用是綠色植物利用太陽能將水和二氧化碳轉變為有機化合物并放出氧氣，將光能轉換為化學能的過程，其本質是呼吸作用的逆過程。線粒體中的呼吸作用將氧還原成水，而葉綠體中的光合作用將水氧化產生氧，前一個過程釋放能量，后一個過程則需要能量。高等植物的光合作用涉及兩個過程：依賴光的光反應和有光無光均可的暗反應。光反應只有在光照下才發生，暗反應（也叫碳反應）是在光反應的產物驅動下進行的。光反應包括水的光解和電子傳遞及光合磷酸化兩個步驟，是在類囊體膜上通過葉綠素等光合色素分子吸收、傳遞光能，并將光能轉換為電能進而轉換為活躍的化學能形成ATP和 NADPH，同時也產生O2。暗反應是在葉綠體基質中進行的酶促化學反應，利用光反應產生的ATP和 NADPH，將CO2還原為糖，即將活躍的化學能轉換為穩定的化學能，最終儲存于有機物中。

（一）光反應

光除去具有波動性外，還有粒子性，也就是說光的行為也像極小的能量“顆粒”一樣，這種“顆粒”稱為光子。不同波長的光，其光子所帶的能量多少不同。每種波長的光，其光子中的能量是固定的。波長越短，光子中的能量越多。例如，紫光的光子中所帶的能量約為紅光的光子中的兩倍。色素吸收光的實質是色素分子中的一個電子得到了光子中的能量。這時這個電子從基態進入激發態，成為一個激發的電子或者說高能電子。所以葉綠素分子吸收光子的一剎那，光子的能量已經變為電子的能量，也就是已經變成了化學能。色素分子的激發態極不穩定，幾乎形成后立即變回為基態。葉綠素分子的激發態只維持10-8s。當葉綠素分子從激發態回到基態時，其所吸收的光能便以熱的形式向周圍發散或轉變成熒光。

實驗表明，葉綠體中不是所有的葉綠素分子都直接參與光反應將光能轉換為化學能。大約300個葉綠素分子組成一個功能單位才能進行光子的吸收，該功能單位稱為光系統，它是進行光合作用的最小結構單位。在光系統中只有一對特殊的葉綠素a分子，稱為反應中心色素分子，具有將光能轉換為化學能的特殊功能，而其余的光合色素稱為天線色素分子。它們吸收光能，并將光能迅速而有效地傳遞到反應中心色素。能量的傳遞遵守從需能較高的天線色素分子到需能較低的天線色素分子的原則，或者說能量傳遞的方向是從吸收短波長光波向吸收長波長光波的天線色素分子傳遞，反應中心的葉綠素分子是吸收光波波長最長的色素，這就使所有天線色素分子吸收的光能必然地、不可逆轉地傳遞給反應中心色素。反應中心色素的最大特點是，在直接吸收光能或接受從天線色素分子傳遞來的光能而被激發后產生電荷分離和能量轉換。

總的來說，光系統是由3個部分組成的：作用中心、天線色素和幾種電子載體。這3個部分中都有特定的蛋白質，光系統之所以能在瞬間就抓住激發電子，不使它回到基態去，關鍵就在于這些蛋白質分子的精巧排列。類囊體膜上有兩類光系統，依其發現的先后，分別名為光系統I和光系統Ⅱ。光系統I中的作用中心內的葉綠素a稱為P700，因為它與特定的蛋白質結合，其光吸收高峰在700nm，在紅光區內。同樣，光系統Ⅱ中的葉綠素a稱為P680，因為其吸收高峰在680mm，680mm也在紅光區，不過稍稍偏向黃橙光。光合膜中有許多個光系統，它們分別組成多個電子傳遞鏈。

光系統Ⅱ中的天線色素分子吸收光，并將光能傳遞給反應中心P680，P680吸收能量后激發出一個電子，傳給膜蛋白D1上的原初電子受體脫鎂葉綠素(Pheo)，然后將電子傳給與膜蛋白D2結合的質體醌PQA，再傳給與D1蛋白結合的另一個質體醌PQB。PQB在連續接受2個電子后，成為PQB2-，這時PQB2-從基質中攝取2個H+形成還原型PQBH2，PQBH2移到膜的內側，將2個質子釋放到類囊體腔中，而把電子交給細胞色素b6/f，隨后又經過位于膜內側的的質體藍素（PC），把電子傳遞給P700。在上述電子傳遞時，來自水的電子經酪氨酸殘基(Tyrz)傳遞到反應中心P680，水則被氧化分解為O2和H+。

電子傳遞過程是能量遞降的，電子每從一個載體傳遞到下一個載體時都會丟失部分能量，其中有一些能量就形成了ATP中的能量。這個傳遞鏈中的每一步反應都是氧化還原反應。當電子從光系統Ⅱ傳遞到光系統I的P700時，能量水平已經不高了，不足以還原NADP+，這時被光激發的P700又產生另一個高能電子，其能量水平比光系統Ⅱ中所產生的高能電子還高，于是電子傳遞繼續進行。

光系統I中的天線色素分子吸收光，并將光能傳遞給反應中心P700，使其中一個葉綠素a分子成為激發態從而釋放1個電子，釋放的電子傳遞給原初電子受體——另一個單體葉綠素a分子(A)，A又將電子傳給A1(可能是葉綠醌 ，即維生素K1)，再通過鐵硫蛋白將電子傳遞給鐵氧還蛋白(Fd)。Fd最終將電子交給NADP+，NADP+獲得2個電子并結合基質中的1個H+后在鐵還氧蛋白-NADP+酶的作用下還原成NADPH。這樣最終完成了從H2O到NADP+的電子傳遞。在進行電子傳遞的同時，H+被泵過類囊體膜，在類囊體膜兩側建立起了質子梯度。

每吸收2個光子(每個光系統各吸收1個)，就有1個電子從H2O傳遞到NADP形成1分子的O2有4個電子從2個H2O傳遞到2個NADP+，總共必須吸收8個光子其中每個光系統各吸收4個。

在電子傳遞過程中， 細胞色素b6/f起著質子泵的作用，將H+從葉綠體基質泵到類囊體腔中，水裂解所產生的H+也留在類囊體腔，結果使腔內的H+濃度增加，在類囊體膜兩側建立質子梯度，從而推動H+通過膜中的ATP合酶到達膜外（協助擴散）發生磷酸化作用，使ADP與Pi形成ATP。新合成的ATP立即被釋放到基質中。同樣，光系統I所形成的 NADPH也在基質中，這樣光合作用的光反應產物ATP和NADPH都處于基質中，便于被隨后在葉綠體基質中進行的暗反應所利用。

（二）暗反應

高等植物的碳同化共有三條途徑：卡爾文(Calvin)循環、C4途徑和景天酸代謝途徑。其中卡爾文循環是最基本的途徑。

卡爾文循環固定CO2的最初產物是甘油酸-3-磷酸(三碳化合物)，故也稱C3途徑。這是20世紀50年代卡爾文等人應用CO2示蹤方法所進行的著名實驗研究中發現的。由于 Calvin在光合碳同化途徑上做出了重大貢獻，因此獲得了1961年諾貝爾化學獎。C3途徑是所有植物進行光合碳同化所共有的基本途徑，它包括一系列復雜的反應，但可簡化為3個階段，即羧化(CO2固定)、還原和RuBP再生階段。

羧化階段：CO2在被 NADPH還原之前，必須經過羧化階段固定生成羧酸，然后才被還原。核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)是CO2接受體，在RuBP羧化酶/加氧酶的催化下，1分子RuBP與1分子CO2反應形成1分子不穩定的六碳化合物，并立即分解為2分子甘油酸-3-磷酸。這就是CO2羧化階段。

還原階段：甘油酸-3-磷酸在甘油酸-3-磷酸激酶的催化下被ATP磷酸化，形成甘油酸-1,3-二磷酸，然后在甘油醛-3-磷酸脫氫酶催化下被 NADPH還原成儲能更多的甘油醛-3-磷酸。這一階段是耗能反應，光反應中生成的ATP和 NADPH主要是在這一階段被利用。所以，還原階段是光反應與暗反應的連接點。一旦CO2被還原成甘油醛-3-磷酸，光合作用的儲能過程便完成。甘油醛-3-磷酸等三碳糖可進一步轉化，在葉綠體內合成淀粉，也可透出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖。

RuBP再生階段：甘油醛-3-磷酸可異構化，形成磷酸二羥丙酮，這兩種磷酸丙糖在醛縮酶催化下合成磷酸己糖。然后在一系列酶的作用下可形成磷酸化的丁糖、戊糖、庚糖，形成的核酮糖-5-磷酸在核酮糖-5-磷酸激酶的催化下發生磷酸化，消耗一個ATP，再形成RuBP，這是第三次耗能的反應。RuBP是卡爾文循環的起始物、CO2的接受體，它必須不斷地再生才能維持循環的繼續進行。

光合作用的過程

綜上所述，C3途徑是靠光反應生成的ATP及 NADPH作能源，推動CO2的固定、還原。每循環1次只能固定1個CO2分子，循環6次才能把6個CO2分子同化成1個己糖分子。每固定1個CO2分子，需要3分子ATP和2分子 NADPH。