这一过程,涉及水的裂解、电子传递、ATP生成和NADP⁺还原。在光反应中,光合色素吸收光能,水裂解释放O₂,电子传递,ATP和NADPH的形成是耦合在一起的,共同完成光反应。总之光反应可以概括为水的光解、[H]的生成和ATP的生成这3组反应,将光能转变成了ATP和[H]中活跃的化学能并产生O₂。
在暗反应阶段中,绿叶细胞从外界吸收的CO₂进入叶绿体基质,与细胞中的一种五碳化合物(C₅)结合,形成两个三碳化合物(C₃),这个过程称为CO₂的固定。在有关酶的催化下,C₃接受光反应阶段提供的物质和能量(ATP/NADPH),经过一系列生化反应,部分转变为糖类,另一部分又形成C₅,继续参与CO₂的固定。
暗反应是由酶催化的一系列复杂的生化反应。在这一过程中,将光反应过程中形成的ATP和NADpH中的化学能,转化为存储在糖分子中的化学能。
ATP和NADPH是联系光反应和暗反应的纽带。光反应和暗反应是两个相对独立的过程。光反应高度依赖光照,暗反应不需要光照,但依赖于光反应提供的ATP和NADPH,暗反应消耗ATP和NADPH后生成的ADP和NADP⁺又是光反应不可缺少的原料。光反应和暗反应共同构成了生物圈最重要的化学反应——光合作用。
光合作用的实质是植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获光能,这些能量在CO₂和H₂O变为糖与O₂的过程中,转换并存储为糖分子中的化学能。
【试题解析】
图a表示叶绿体的结构,图b中有水的光解和ATP的生成,表示光合作用的光反应过程。
(1)光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上,即图b表示图a的类囊体膜,光反应过程中,色素吸收的光能最终转化为ATP和NADPH中活跃的化学能,若二氧化碳浓度降低,暗反应速率减慢,叶绿体中电子受体NADP⁺减少,则图b中的电子去路受阻,电子传递速率会减慢。
(2)①比较叶绿体A和叶绿体B的实验结果,实验一中叶绿体B双层膜局部受损时,以Fecy为电子受体的放氧量明显大于双层膜完整时,实验二中叶绿体B双层膜局部受损时,以DCIP为电子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异;结合所给信息:“Fecy具有亲水性,而DCIP具有亲脂性”,可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应有明显阻碍作用。②在无双层膜阻碍、类囊体松散的条件下,更有利于类囊体上的色素吸收、转化光能,从而提高光反应速率,所以该实验中,光反应速率最高的是叶绿体C。③根据图b可知,ATP的合成依赖于水光解的电子传递和氢离子顺浓度梯度通过囊体薄膜上的ATP合酶,叶绿体A、B、C、D类囊体薄膜的受损程度依次增大,因此ATP的产生效率逐渐降低。
【试题答案】
(1). 类囊体膜
(2). NADPH
(3). 减慢
(4). Fecy
(5). 实验一中叶绿体B双层膜局部受损时,以Fecy为电子受体的放氧量明显大于双层膜完整时,实验二中叶绿体B双层膜局部受损时,以DCIP为电子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异;结合所给信息:“Fecy具有亲水性,而DCIP具有亲脂性”,可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应有明显阻碍作用
(6). 类囊体上的色素吸收光能、转化光能
(7). ATP的合成依赖于水光解的电子传递和氢离子顺浓度梯度通过囊体薄膜上的ATP合酶,叶绿体A、B、C、D类囊体薄膜的受损程度依次增大,因此ATP的产生效率逐渐降低。
湖南省生物卷18题第2小题属于让学生在新情境中解决问题类题目,此类题目综合性强,难度大。试题创设科研情境,通过设置不同层次的任务,从不同侧面考查学生的科学思维习惯和能力。要求学生能够基于事实和证据,运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等科学的思维方法认识事物、解决实际问题。试题解答的过程也是科研问题解决的过程,在学习过程中逐步发展科学思维。
高考热点&难点追踪:光合作用过程关联的高考试题中的探究类试题资源
1、基于米切尔的化学渗透假说和贾格道夫实验,探究光合作用中ATP的生成机理
类比设问:水因高度差而具有的重力势能可以转化成电能,阿尔农实验的产物ATP中的能量从哪里来?
资料支持:叶绿体类囊体内的PH值大约为4,叶绿体类囊体外的PH值大约为8,即叶绿体类囊体内的H⁺渗透能大于叶绿体类囊体外的渗透能。
提出假说:ATP的合成是由于叶绿体类囊体内外H⁺浓度差引起的。
设计实验:向叶绿体类囊体腔内注射HCl,检测ATP的生成。
经典实验印证:米切尔化学渗透假说:光照引起水的裂解,水释放的H⁺留在类囊体膜内侧。这样,膜内侧H⁺浓度高而膜外侧低,于是膜内外产生H⁺浓度差和电位差,当H⁺沿着浓度差返回膜外侧时,在ATP合成酶的催化下,ADP和Pi合成ATP。
经典实验印证:贾格道夫实验:离体叶绿体类囊体置于pH4的酸性溶液中,平衡后将类囊体转移到含有ADP和Pi的pH8的缓冲液中,由此产生的H⁺梯度为无光的情况下的ATP合成提供了驱力,如图下图所示。
资料印证:一种蛋白质上的两个不同功能:H⁺通道和ATP合成酶,如ATP合成酶合成ATP的过程图中所示。
构建模型:构建光合作用中类似于ATP合成酶模式图。
(贾格道夫实验)
(ATP合成酶合成ATP的过程)