# 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。

难度: 高中 | 阅读时间: 13 分钟 | 最近审阅: 2026-10-01

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**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。

## 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。

## 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 ATP。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**。

可交互 3D 模型: [动物细胞](https://cellnaut.com/zh/studio/animal/mitochondrion) - 动物细胞中的一个线粒体。

线粒体完成了大部分细胞呼吸。概括起来就是：

> 葡萄糖 + 氧气 → 二氧化碳 + 水 + ATP

首先，葡萄糖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。

可交互 3D 模型: [肌细胞](https://cellnaut.com/zh/studio/muscle/mitochondria) - 肌细胞需要大量线粒体来稳定地供应 ATP。

**检查理解:** 动物细胞中的大部分 ATP 是由哪种细胞器制造的？

- A. 高尔基体
- B. 溶酶体
- C. 线粒体
- D. 细胞核

**答案:** C. 线粒体

线粒体完成了大部分细胞呼吸，产生细胞所需 ATP 的绝大部分。

## 叶绿体：层层堆叠的太阳能板

叶绿体是透镜状的细胞器，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，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。](https://cellnaut.com/texture-references/gpt-image-2-biology-more-teaching-2026-05-31/jpg/chloroplast-photosynthesis-teaching.jpg)

*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](https://cellnaut.com/zh/topics/chloroplast-photosynthesis)

可交互 3D 模型: [植物细胞](https://cellnaut.com/zh/studio/plant/chloroplast) - 含有叶绿体、中央液泡和细胞壁的植物细胞。

可交互 3D 模型: [衣藻](https://cellnaut.com/zh/studio/chlamydomonas/chloroplast) - 衣藻是单细胞藻类，只有一个大型的杯状叶绿体。

> **常见误区**
>
> “**植物做光合作用，动物做呼吸作用。**”植物细胞同样有线粒体，而且无时无刻不在进行细胞呼吸。光合作用制造糖；呼吸作用则是植物把糖中的能量释放成 ATP 的方式，白天黑夜都在进行。

## 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。

可交互 3D 模型: [蓝细菌](https://cellnaut.com/zh/studio/cyanobacteria/thylakoids) - 蓝细菌靠类囊体膜进行光合作用，却完全没有叶绿体。

**检查理解:** 下面哪项观察支持“线粒体曾是自由生活的细菌”这一观点？

- A. 它们有自己的环状 DNA
- B. 每个原核生物中都有它们
- C. 它们含有叶绿素
- D. 它们没有膜

**答案:** A. 它们有自己的环状 DNA

拥有自己的环状 DNA 和类似细菌的核糖体，有力地表明线粒体来自被吞入的细菌。

**检查理解:** 关于植物细胞，下面哪种说法是正确的？

- A. 有叶绿体，但没有线粒体
- B. 既有叶绿体，也有线粒体
- C. 有线粒体，但没有叶绿体
- D. 两者都没有

**答案:** B. 既有叶绿体，也有线粒体

大多数进行光合作用的植物细胞两种细胞器都有。叶绿体制造糖，线粒体利用糖来制造 ATP。

## 参考来源

- [Biology 2e, Chapter 7: Cellular Respiration (OpenStax)](https://openstax.org/books/biology-2e/pages/7-introduction) - CC BY-NC-SA 4.0. 概念改编并重新撰写，未逐字照搬原文。
- [Biology 2e, Chapter 8: Photosynthesis (OpenStax)](https://openstax.org/books/biology-2e/pages/8-introduction) - CC BY-NC-SA 4.0. 概念改编并重新撰写，未逐字照搬原文。
- [项目教学插图：叶绿体与光合作用（AI 生成，风格化）](https://github.com/cclank/cell-architecture-studio/blob/main/docs/ASSETS.md) - MIT（项目资源）