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在微观尺度探索生命

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线粒体与叶绿体

细胞如何制造 ATP、如何捕获阳光，以及为什么这两种细胞器看起来像“搬进来住”的细菌。

高中 13 分钟

简明回答： 线粒体分解食物分子，释放可用的能量并生成 ATP；叶绿体捕获阳光，通过光合作用合成糖。两者都有双层膜、自己的 DNA 和核糖体，并能自行分裂，这支持了内共生学说：它们源自被吞入的细菌。

你将学到

  • 解释 ATP 在细胞中的作用。
  • 描述线粒体的结构及其产物。
  • 描述叶绿体的结构及其产物。
  • 列出这两种细胞器起源于内共生的证据。

ATP：能量货币

细胞时刻都需要能量，用来搬运分子、合成蛋白质、收缩肌肉。大部分开销都用同一种分子来支付，那就是 ATPATP（三磷酸腺苷）细胞用作能量“货币”的小分子。脱去其中一个磷酸基团会释放能量，为泵、马达和化学反应提供动力。。当一个磷酸基团从 ATP 上被切下时，会释放出一小份能量，用来推动一个反应。随后，细胞再用剩下的部件重新合成 ATP。

一个正在工作的人体细胞大约一分钟就能把它全部的 ATP 周转一遍，成年人一天中周转的 ATP 总量接近自身体重。真核细胞中的大部分 ATP 由两种细胞器供应：线粒体从食物中释放能量，叶绿体则从阳光中捕获能量。

线粒体：有双层“墙”的动力工厂

线粒体线粒体内部折叠成嵴的双层膜细胞器，真核细胞大部分的 ATP 在这里产生。是长 1 至 10 µm 的豆状细胞器，有两层膜。光滑的外膜把整个细胞器包起来；内膜向内折叠成一层层“嵴”，大大增加了合成 ATP 的表面积。内部的空间叫作基质。

动物细胞线粒体: 能量转换器
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动物细胞中的一个线粒体。

线粒体完成了大部分细胞呼吸细胞呼吸利用氧气分解葡萄糖等燃料分子并生成 ATP 的一系列反应。大部分 ATP 在线粒体中产生。。概括起来就是：

葡萄糖 + 氧气 → 二氧化碳 + 水 + ATP

首先，葡萄糖葡萄糖一种六碳糖，是大多数细胞的主要燃料，也是光合作用的主要产物。在细胞质中被拆成较小的片段。这些片段随后在线粒体内被彻底分解，释放出的能量用来把质子泵过内膜。质子再通过一个叫作 ATP 合酶的分子涡轮流回来，涡轮转动时，把磷酸基团接到 ADP 上，合成 ATP。一个葡萄糖分子大约可以产生 30 个 ATP。

能量需求高的细胞含有很多线粒体。一条肌纤维可以含有数千个，它们挤在收缩丝之间。耐力训练会增加它们的数量。

肌细胞线粒体: 耐力供能站
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肌细胞需要大量线粒体来稳定地供应 ATP。
随堂小测

动物细胞中的大部分 ATP 是由哪种细胞器制造的？

叶绿体：层层堆叠的太阳能板

叶绿体叶绿体植物和藻类中进行光合作用的双层膜细胞器，含有绿色的叶绿素和自己的小型 DNA 基因组。是透镜状的细胞器，通常长 3 至 10 µm，见于植物和藻类细胞。它和线粒体一样有双层膜，但内部还有第三套膜系统：一些扁平的囊，称为类囊体类囊体扁平的膜性囊状结构，含有叶绿素，进行光合作用的光反应。在叶绿体中类囊体堆叠在一起，在蓝细菌中则游离于细胞内。，它们堆叠成一摞摞的基粒。类囊体膜上含有绿色的色素叶绿素。围绕在它们周围的液体是基质。

光合作用光合作用植物、藻类和某些细菌利用光能，把二氧化碳和水转变为葡萄糖和氧气的过程。分两个阶段进行：

  1. 光反应（类囊体膜）：叶绿素吸收光，分解水，释放氧气，并产生 ATP 和一种携带能量的分子。
  2. 卡尔文循环（基质）：利用 ATP 和携能分子，以二氧化碳为原料合成糖。

二氧化碳 + 水 + 光 → 葡萄糖 + 氧气

叶绿体的风格化三维插图，显示堆叠的类囊体，并带有编号标记。
叶绿体的风格化教学插图。图片来源: 项目生成的教学插图（AI 生成，已简化）查看可交互的标注版
植物细胞叶绿体: 光能捕获者
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含有叶绿体、中央液泡和细胞壁的植物细胞。
衣藻杯状叶绿体: 一块大型太阳能板
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衣藻是单细胞藻类，只有一个大型的杯状叶绿体。

曾经是细菌的两种细胞器

线粒体和叶绿体是很奇特的细胞器。它们有自己的 DNA、自己的核糖体和双层膜，还能通过一分为二的方式自行分裂。这些都是细菌的特征。

内共生学说内共生一个细胞生活在另一个细胞内部的合作关系。人们认为线粒体和叶绿体来自被古老细胞吞入的自由生活细菌。解释了其中的缘由：十多亿年前，一个祖先细胞吞入了一个利用氧气的细菌，但没有把它消化掉，两者反而开始共同生活。这个细菌后来变成了线粒体。再后来，与一种能进行光合作用的细菌结成类似的伙伴关系，产生了叶绿体。

证据如下：

  • 两种细胞器都有环状 DNA 基因组，和细菌一样。
  • 它们的核糖体与细菌的核糖体比与细胞质中的核糖体更相似。
  • 它们被两层膜包围，与“被吞入的细胞”相符。
  • 它们通过类似二分裂的过程繁殖。
  • 基因序列分析把它们归入某些现存细菌类群的近亲。
蓝细菌类囊体膜: 没有叶绿体的光合作用
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蓝细菌靠类囊体膜进行光合作用，却完全没有叶绿体。
随堂小测

下面哪项观察支持“线粒体曾是自由生活的细菌”这一观点？

随堂小测

关于植物细胞，下面哪种说法是正确的？

要点回顾

  • ATP 是细胞的能量货币：细胞消耗它来做功，再用食物或光能把它重新合成。
  • 线粒体内膜折叠成嵴，扩大了生成 ATP 的表面积。
  • 叶绿体中的类囊体堆叠成基粒，把光能转化为储存在糖中的化学能。
  • 内共生的证据：自带环状 DNA、核糖体与细菌相似、双层膜、以分裂方式增殖。

参考来源

最近审校：2026年10月1日