關于細胞器產水相關生理過程的探討

王軼凡 張興娟

（河南省洛陽市第一高級中學 河南洛陽 471000）

在高中生物學的學習過程中，由于一些生理過程比較復雜，而教材內容受篇幅所限，無法闡明一些生理過程的具體機制，導致師生對一些問題的認識會產生偏差和誤解，例如，葉綠體光合作用中暗反應生成水、有氧呼吸僅第3 階段產生水、高爾基體通過脫水縮合產生纖維素構成細胞壁、核糖體通過脫水縮合形成肽鏈等。本文從分子機制的角度對幾個生理過程和其中存在的理解誤區進行探討。

1 光合作用中光反應凈產生水而暗反應不產生水

葉綠體是一種與真核細胞相互適應的半自主性細胞器，具有獨立于細胞核的基因組，并可獨立進行一系列生理過程［1］。葉綠體中可產生水的過程有很多，例如，在其內合成蛋白質、核酸等生物大分子時會產生水，光合作用中也會有水的產生。在2004年人教版高中生物學教材中明確提及，光反應中葉綠體利用太陽能光解水，并且介紹了利用同位素標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物中有不帶同位素標記的水，大多數參考資料認為，暗反應階段消耗還原氫時產生了水。但是，在了解具體生理過程后會發現，與呼吸作用不同，暗反應消耗還原氫時并不產生水。這6 分子水到底是在什么階段產生的？筆者從光合作用的分子機制中尋找答案。

1.1 光反應既消耗水也產生水 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中利用光合電子傳遞鏈形成的質子動力勢，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合體中，又會利用光能裂解水而消耗水。由此可見，光反應既消耗水又生成水，在整個光反應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，同時水裂解產生的4 個質子留在類囊體腔內，傳遞的4 個電子會在電子傳遞鏈上完整地進行2次PQ 循環，產生8 個質子梯度［2］。最后生成2 個NADPH 會消耗葉綠體基質中4 個質子，又有光解時類囊體腔產生4 個質子，2 個反應加和產生了4個質子梯度。故每光解2 個水分子產生12 個質子梯度。因為4 個質子梯度可偶聯1 分子ATP 生成，所以，每2 分子水光解產生3 分子ATP 同時脫去3分子水［3］。由于光反應中每光解2 分子水的同時又產生了3 分子水，總反應凈生成1 分子水，由此可得出光反應是凈產生水的過程的結論（圖1）。

圖1 光合電子傳遞鏈［4］

1.2 暗反應不產生水 有很多人認為暗反應階段，NADPH 還原C3時會伴隨水的產生，但事實上整個暗反應都不產生水，反而是消耗水的一個過程［4］。具體的反應過程見表1。在表1中，因為產物是六磷酸果糖，所以還需要消耗1 分子水將其水解才可產生六碳糖。從暗反應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。總結：若要生成1 個六碳糖，光合作用過程中光反應水的光解消耗12 分子水，同時偶聯光合磷酸化產生18 分子水，光反應凈產生6 分子水；暗反應共消耗12 分子水。總反應凈消耗6 分子水。其中只有光反應消耗的12 分子水和生成的氧氣帶有同位素標記。這樣就從具體反應機制角度驗證了光合作用總方程式：6CO2+12H218O→6C6H12O6+618O2+6H2O。

表1 光合作用暗反應過程

2 線粒體和高爾基體中產生水的具體生理過程

人教版（2004）高中生物學教材明確提到線粒體是進行細胞呼吸的主要場所。在線粒體內膜進行的有氧呼吸第3 階段釋放大量能量，并伴隨著水的產生。在高中生物學學習中，往往會忽略細胞質中進行的有氧和無氧呼吸第1 階段，即糖酵解這一過程也會產水的事實。人教版（2004）高中生物學教材也提到高爾基體與細胞的分泌功能相關并可合成多糖物質，很多參考資料由此認為高爾基體通過脫水縮合合成纖維素參與了細胞壁的形成，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生水的相關生理過程。

2.1 線粒體中有氧呼吸第3 階段產生水，細胞質中有氧呼吸第1 階段也會產生水 線粒體與葉綠體一樣，都是真核生物細胞內的半自主性細胞器。筆者類比葉綠體中的產水過程，簡單分析3 個線粒體內與產生水有關的生理過程。

第1，作為半自主性細胞器，在線粒體內合成蛋白質與核酸等生物大分子時會產生水。第2，有氧呼吸第3 階段，線粒體內膜上電子傳遞鏈以氧氣作為最終電子受體接受電子并結合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-磷酸甘油酸生產磷酸烯醇式丙酮酸時也會產生水（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建細胞壁 高爾基體中合成大分子多糖時會產生水，蛋白質和膜脂在高爾基體糖基化的過程中也會產生水。但是這里存在一個很普遍的誤區，很多資料認為高爾基體中脫水縮合形成纖維素從而作為構成細胞壁的原料，其實這種說法是錯誤的。雖然植物細胞分裂時細胞板的形成與高爾基體產生的囊泡密切相關，但構成纖維素的葡聚糖鏈是由植物細胞質膜上的纖維素合酶催化形成的，構成植物細胞壁的纖維素并不是高爾基體產生的［4］。質膜上纖維素合酶催化產生的葡聚糖鏈在膜外形成有序的微纖絲并構成細胞壁的骨架。植物細胞壁中的基質多糖（例如半纖維素）才是高爾基體合成并通過囊泡分泌到質膜外的（圖3）［4］。

圖3 植物細胞質膜上纖維素合酶催化葡聚糖鏈合成［3］

3 在核糖體進行的轉肽反應不生成水

高中生物學普遍認為核糖體是一種可產生水的細胞器，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生水的細胞器的結論。但是通過深入了解蛋白質合成的具體分子機制和過程后卻可得出截然不同的答案。蛋白質的生物合成是一個十分復雜的生理過程，本文僅選取其中2 個相關反應說明核糖體不是可產生水的細胞器。

3.1 tRNA 與核糖體結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。這一步反應由氨酰tRNA 合酶催化，分為2 步進行（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 合成酶的催化機理［6］

從總反應分析，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中直接驅動肽鏈合成）。

3.2 tRNA 與核糖體結合后核糖體催化的轉肽反應 當正確的氨酰tRNA 進入核糖體的A 位后，緊接著由核糖體大亞基的23S rRNA（轉肽酶）催化發生轉肽反應：與A 部位結合的氨酰tRNA 的氨基N 親核攻擊結合在P 位上的肽酰基或氨酰基（位于肽酰tRNA 或氨酰tRNA 上），并形成肽鍵。具體反應原理見圖5。

圖5 肽鏈合成中的轉肽反應［1］

可發現這一步反應并沒有脫水而是游離出1個tRNA，所謂脫水縮合中脫水反應其實在tRNA 與mRNA 識別前，形成氨酰tRNA 時已經完成。雖然這與傳統意義上教材上講的脫水縮合反應不同，但是如果只看總反應其實也可算作脫水縮合反應，只是脫水的場所并不在核糖體，而是在細胞質基質。

生物體內無時無刻不在發生著紛繁復雜的反應，人們對于這些復雜的生理過程應該懷有探究其本質的決心。筆者圍繞細胞器產水介紹了細胞中產生水的幾個生理過程，對于細胞中所有的產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一步探討。