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

王軼凡 張興娟

（河南省洛陽市第一高級中學(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)識會產(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會產(chǎn)生水，光合作用中也會有水的產(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驗過程。考慮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)階段消耗還原氫時產(chǎn)生了水。但是，在了解具體生理過程后會發(fā)現(xiàn)，與呼吸作用不同，暗反應(yīng)消耗還原氫時并不產(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 分子水會傳遞4 個電子，同時水裂解產(chǎn)生的4 個質(zhì)子留在類囊體腔內(nèi)，傳遞的4 個電子會在電子傳遞鏈上完整地進(jìn)行2次PQ 循環(huán)，產(chǎn)生8 個質(zhì)子梯度［2］。最后生成2 個NADPH 會消耗葉綠體基質(zhì)中4 個質(zhì)子，又有光解時類囊體腔產(chǎn)生4 個質(zhì)子，2 個反應(yīng)加和產(chǎn)生了4個質(zhì)子梯度。故每光解2 個水分子產(chǎn)生12 個質(zhì)子梯度。因為4 個質(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 同時脫去3分子水［3］。由于光反應(yīng)中每光解2 分子水的同時又產(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時會伴隨水的產(chǎn)生，但事實上整個暗反應(yīng)都不產(chǎn)生水，反而是消耗水的一個過程［4］。具體的反應(yīng)過程見表1。在表1中，因為產(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產(chǎn)水的事實。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會產(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也會產(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會產(chǎn)生水，蛋白質(zhì)和膜脂在高爾基體糖基化的過程中也會產(chǎn)生水。但是這里存在一個很普遍的誤區(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，其實這種說法是錯誤的。雖然植物細(xì)胞分裂時細(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)的生物合成是一個十分復(fù)雜的生理過程，本文僅選取其中2 個相關(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，因為氨基酸通過羧基與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tRNA，所謂脫水縮合中脫水反應(yīng)其實在tRNA 與mRNA 識別前，形成氨酰tRNA 時已經(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。