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        關(guān)于細(xì)胞器產(chǎn)水相關(guān)生理過程的探討

        2020-10-22 01:20:20王軼凡張興娟
        生物學(xué)通報(bào) 2020年11期

        王軼凡 張興娟

        (河南省洛陽市第一高級(jí)中學(xué) 河南洛陽 471000)

        在高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)過程中,由于一些生理過程比較復(fù)雜,而教材內(nèi)容受篇幅所限,無法闡明一些生理過程的具體機(jī)制,導(dǎo)致師生對一些問題的認(rèn)識(shí)會(huì)產(chǎn)生偏差和誤解,例如,葉綠體光合作用中暗反應(yīng)生成水、有氧呼吸僅第3 階段產(chǎn)生水、高爾基體通過脫水縮合產(chǎn)生纖維素構(gòu)成細(xì)胞壁、核糖體通過脫水縮合形成肽鏈等。本文從分子機(jī)制的角度對幾個(gè)生理過程和其中存在的理解誤區(qū)進(jìn)行探討。

        1 光合作用中光反應(yīng)凈產(chǎn)生水而暗反應(yīng)不產(chǎn)生水

        葉綠體是一種與真核細(xì)胞相互適應(yīng)的半自主性細(xì)胞器,具有獨(dú)立于細(xì)胞核的基因組,并可獨(dú)立進(jìn)行一系列生理過程[1]。葉綠體中可產(chǎn)生水的過程有很多,例如,在其內(nèi)合成蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子時(shí)會(huì)產(chǎn)生水,光合作用中也會(huì)有水的產(chǎn)生。在2004年人教版高中生物學(xué)教材中明確提及,光反應(yīng)中葉綠體利用太陽能光解水,并且介紹了利用同位素標(biāo)記法證明光合作用釋放的氧氣全來自水的實(shí)驗(yàn)過程??紤]到光合作用釋放的氧氣全來自水,習(xí)慣于將光合作用總方程式寫為6CO2+12H218O→6C6H12O6+618O2+6H2O。教材并沒有提及為何產(chǎn)物中有不帶同位素標(biāo)記的水,大多數(shù)參考資料認(rèn)為,暗反應(yīng)階段消耗還原氫時(shí)產(chǎn)生了水。但是,在了解具體生理過程后會(huì)發(fā)現(xiàn),與呼吸作用不同,暗反應(yīng)消耗還原氫時(shí)并不產(chǎn)生水。這6 分子水到底是在什么階段產(chǎn)生的?筆者從光合作用的分子機(jī)制中尋找答案。

        1.1 光反應(yīng)既消耗水也產(chǎn)生水 類囊體膜上的CF1-CFoATP 合酶可催化ATP 的合成與水解,在光合作用的光反應(yīng)中利用光合電子傳遞鏈形成的質(zhì)子動(dòng)力勢,催化ADP 與Pi 合成ATP 并生成1 分子水。而在電子傳遞鏈的放氧復(fù)合體中,又會(huì)利用光能裂解水而消耗水。由此可見,光反應(yīng)既消耗水又生成水,在整個(gè)光反應(yīng)過程中是消耗的水多還是生成的水多?

        從電子傳遞鏈入手探討此問題。對于最常見的非環(huán)式電子傳遞鏈,每光解2 分子水會(huì)傳遞4 個(gè)電子,同時(shí)水裂解產(chǎn)生的4 個(gè)質(zhì)子留在類囊體腔內(nèi),傳遞的4 個(gè)電子會(huì)在電子傳遞鏈上完整地進(jìn)行2次PQ 循環(huán),產(chǎn)生8 個(gè)質(zhì)子梯度[2]。最后生成2 個(gè)NADPH 會(huì)消耗葉綠體基質(zhì)中4 個(gè)質(zhì)子,又有光解時(shí)類囊體腔產(chǎn)生4 個(gè)質(zhì)子,2 個(gè)反應(yīng)加和產(chǎn)生了4個(gè)質(zhì)子梯度。故每光解2 個(gè)水分子產(chǎn)生12 個(gè)質(zhì)子梯度。因?yàn)? 個(gè)質(zhì)子梯度可偶聯(lián)1 分子ATP 生成,所以,每2 分子水光解產(chǎn)生3 分子ATP 同時(shí)脫去3分子水[3]。由于光反應(yīng)中每光解2 分子水的同時(shí)又產(chǎn)生了3 分子水,總反應(yīng)凈生成1 分子水,由此可得出光反應(yīng)是凈產(chǎn)生水的過程的結(jié)論(圖1)。

        圖1 光合電子傳遞鏈[4]

        1.2 暗反應(yīng)不產(chǎn)生水 有很多人認(rèn)為暗反應(yīng)階段,NADPH 還原C3時(shí)會(huì)伴隨水的產(chǎn)生,但事實(shí)上整個(gè)暗反應(yīng)都不產(chǎn)生水,反而是消耗水的一個(gè)過程[4]。具體的反應(yīng)過程見表1。在表1中,因?yàn)楫a(chǎn)物是六磷酸果糖,所以還需要消耗1 分子水將其水解才可產(chǎn)生六碳糖。從暗反應(yīng)到生成光合作用總方程式里的六碳糖共需要消耗12 分子水??偨Y(jié):若要生成1 個(gè)六碳糖,光合作用過程中光反應(yīng)水的光解消耗12 分子水,同時(shí)偶聯(lián)光合磷酸化產(chǎn)生18 分子水,光反應(yīng)凈產(chǎn)生6 分子水;暗反應(yīng)共消耗12 分子水??偡磻?yīng)凈消耗6 分子水。其中只有光反應(yīng)消耗的12 分子水和生成的氧氣帶有同位素標(biāo)記。這樣就從具體反應(yīng)機(jī)制角度驗(yàn)證了光合作用總方程式:6CO2+12H218O→6C6H12O6+618O2+6H2O。

        表1 光合作用暗反應(yīng)過程

        2 線粒體和高爾基體中產(chǎn)生水的具體生理過程

        人教版(2004)高中生物學(xué)教材明確提到線粒體是進(jìn)行細(xì)胞呼吸的主要場所。在線粒體內(nèi)膜進(jìn)行的有氧呼吸第3 階段釋放大量能量,并伴隨著水的產(chǎn)生。在高中生物學(xué)學(xué)習(xí)中,往往會(huì)忽略細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的有氧和無氧呼吸第1 階段,即糖酵解這一過程也會(huì)產(chǎn)水的事實(shí)。人教版(2004)高中生物學(xué)教材也提到高爾基體與細(xì)胞的分泌功能相關(guān)并可合成多糖物質(zhì),很多參考資料由此認(rèn)為高爾基體通過脫水縮合合成纖維素參與了細(xì)胞壁的形成,但這種解釋也是錯(cuò)誤的。本文具體分析線粒體和高爾基體中可產(chǎn)生水的相關(guān)生理過程。

        2.1 線粒體中有氧呼吸第3 階段產(chǎn)生水,細(xì)胞質(zhì)中有氧呼吸第1 階段也會(huì)產(chǎn)生水 線粒體與葉綠體一樣,都是真核生物細(xì)胞內(nèi)的半自主性細(xì)胞器。筆者類比葉綠體中的產(chǎn)水過程,簡單分析3 個(gè)線粒體內(nèi)與產(chǎn)生水有關(guān)的生理過程。

        第1,作為半自主性細(xì)胞器,在線粒體內(nèi)合成蛋白質(zhì)與核酸等生物大分子時(shí)會(huì)產(chǎn)生水。第2,有氧呼吸第3 階段,線粒體內(nèi)膜上電子傳遞鏈以氧氣作為最終電子受體接受電子并結(jié)合NADH 提供的還原氫生成水。第3,有氧和無氧呼吸第1 階段糖酵解過程中烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸生產(chǎn)磷酸烯醇式丙酮酸時(shí)也會(huì)產(chǎn)生水(圖2)[3,5]。

        圖2 糖酵解中烯醇化酶催化底物脫水[5]

        2.2 高爾基體不能通過脫水縮合形成纖維素構(gòu)建細(xì)胞壁 高爾基體中合成大分子多糖時(shí)會(huì)產(chǎn)生水,蛋白質(zhì)和膜脂在高爾基體糖基化的過程中也會(huì)產(chǎn)生水。但是這里存在一個(gè)很普遍的誤區(qū),很多資料認(rèn)為高爾基體中脫水縮合形成纖維素從而作為構(gòu)成細(xì)胞壁的原料,其實(shí)這種說法是錯(cuò)誤的。雖然植物細(xì)胞分裂時(shí)細(xì)胞板的形成與高爾基體產(chǎn)生的囊泡密切相關(guān),但構(gòu)成纖維素的葡聚糖鏈?zhǔn)怯芍参锛?xì)胞質(zhì)膜上的纖維素合酶催化形成的,構(gòu)成植物細(xì)胞壁的纖維素并不是高爾基體產(chǎn)生的[4]。質(zhì)膜上纖維素合酶催化產(chǎn)生的葡聚糖鏈在膜外形成有序的微纖絲并構(gòu)成細(xì)胞壁的骨架。植物細(xì)胞壁中的基質(zhì)多糖(例如半纖維素)才是高爾基體合成并通過囊泡分泌到質(zhì)膜外的(圖3)[4]。

        圖3 植物細(xì)胞質(zhì)膜上纖維素合酶催化葡聚糖鏈合成[3]

        3 在核糖體進(jìn)行的轉(zhuǎn)肽反應(yīng)不生成水

        高中生物學(xué)普遍認(rèn)為核糖體是一種可產(chǎn)生水的細(xì)胞器,這主要基于氨基酸在核糖體脫水縮合形成肽鏈,所以得出核糖體是一種可產(chǎn)生水的細(xì)胞器的結(jié)論。但是通過深入了解蛋白質(zhì)合成的具體分子機(jī)制和過程后卻可得出截然不同的答案。蛋白質(zhì)的生物合成是一個(gè)十分復(fù)雜的生理過程,本文僅選取其中2 個(gè)相關(guān)反應(yīng)說明核糖體不是可產(chǎn)生水的細(xì)胞器。

        3.1 tRNA 與核糖體結(jié)合前游離氨基酸的活化這一步的目的是通過活化,將氨基酸分子上的α 羧基連接至同源tRNA 的3′端羥基上形成氨酰tRNA。這一步反應(yīng)由氨酰tRNA 合酶催化,分為2 步進(jìn)行(圖4):第1 步,氨基酸(Amino acid)+ATP→氨酰AMP(Aminoacyl adenylate)+PPi;第2 步:氨酰AMP+tRNA→氨酰tRNA(Aminoacyl tRNA)+AMP[3,5]。

        圖4 氨酰tRNA 合成酶的催化機(jī)理[6]

        從總反應(yīng)分析,因?yàn)榘被嵬ㄟ^羧基與tRNA的3′羥基相連,所以已脫去1 分子水形成了酯鍵(此酯鍵為高能鍵在以后反應(yīng)中直接驅(qū)動(dòng)肽鏈合成)。

        3.2 tRNA 與核糖體結(jié)合后核糖體催化的轉(zhuǎn)肽反應(yīng) 當(dāng)正確的氨酰tRNA 進(jìn)入核糖體的A 位后,緊接著由核糖體大亞基的23S rRNA(轉(zhuǎn)肽酶)催化發(fā)生轉(zhuǎn)肽反應(yīng):與A 部位結(jié)合的氨酰tRNA 的氨基N 親核攻擊結(jié)合在P 位上的肽?;虬滨;ㄎ挥陔孽RNA 或氨酰tRNA 上),并形成肽鍵。具體反應(yīng)原理見圖5。

        圖5 肽鏈合成中的轉(zhuǎn)肽反應(yīng)[1]

        可發(fā)現(xiàn)這一步反應(yīng)并沒有脫水而是游離出1個(gè)tRNA,所謂脫水縮合中脫水反應(yīng)其實(shí)在tRNA 與mRNA 識(shí)別前,形成氨酰tRNA 時(shí)已經(jīng)完成。雖然這與傳統(tǒng)意義上教材上講的脫水縮合反應(yīng)不同,但是如果只看總反應(yīng)其實(shí)也可算作脫水縮合反應(yīng),只是脫水的場所并不在核糖體,而是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。

        生物體內(nèi)無時(shí)無刻不在發(fā)生著紛繁復(fù)雜的反應(yīng),人們對于這些復(fù)雜的生理過程應(yīng)該懷有探究其本質(zhì)的決心。筆者圍繞細(xì)胞器產(chǎn)水介紹了細(xì)胞中產(chǎn)生水的幾個(gè)生理過程,對于細(xì)胞中所有的產(chǎn)水過程僅是冰山一角。希望可拋磚引玉,引起師生對各種生理過程的進(jìn)一步探討。

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