關(guān)于光合作用教學(xué)中幾個疑難問題的分析

孟凡龍

(江蘇省揚州大學(xué)附屬中學(xué)東部分校 225003)

光合作用是地球上進行的最重要的有機合成反應(yīng)，它涉及一系列的光化學(xué)步驟和物質(zhì)的轉(zhuǎn)變問題，在高中生物學(xué)中作為核心概念呈現(xiàn)，是教學(xué)的重點和難點。本文對有關(guān)教學(xué)疑難問題進行分析。

1 光合作用是先有光反應(yīng)，后有暗反應(yīng)嗎

光合作用過程包括很多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，過程可分為三大步驟：原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化、碳同化。前兩個步驟屬于光反應(yīng)，碳同化屬于暗反應(yīng)。1937—1939年，英國學(xué)者Hill R在用含葉綠體的葉片提取液做相關(guān)實驗時發(fā)現(xiàn)：如果把葉綠體懸浮液在無CO2條件下照光，能釋放O2；如果把照了光的葉綠體移到暗處并供給CO2，則可觀測到有凈的己糖合成。由此可見，O2釋放和CO2固定是可以暫時分離的。所以光合作用中光反應(yīng)和暗反應(yīng)是一個連續(xù)的互相配合的過程，沒有先后順序，它們是一個有機統(tǒng)一的整體。

2 光反應(yīng)需要光照，暗反應(yīng)不需要光照嗎

光合作用是光反應(yīng)和暗反應(yīng)的綜合過程，它們不是絕對根據(jù)是否需要光照劃分的。光反應(yīng)僅在原初反應(yīng)開始的瞬間需要光，其后的電子傳遞和光合磷酸化反應(yīng)時并不需要光；而暗反應(yīng)中的某些酶還需要光來激活。暗反應(yīng)中卡爾文(Calvin)循環(huán)的關(guān)鍵酶的活性與光合產(chǎn)率是一致的，很多酶都間接地對光激活作出反應(yīng)。光誘導(dǎo)變化主要包括3種：①光照導(dǎo)致光驅(qū)動的質(zhì)子跨膜泵入類囊體腔，引起基質(zhì)中pH升高，使得催化CO2與RuBP(核酮糖-1,5-二磷酸，即C5)結(jié)合的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(簡稱rubisco)和rubisco激活酶活性加強，從而激活CO2的固定；②光照引發(fā)還原型鐵氧還蛋白的產(chǎn)生，它用于激活Calvin循環(huán)中磷酸核酮糖激酶的活性；③光照誘導(dǎo)Mg2+從類囊體腔中外流到基質(zhì)，從而激活果糖-1,6-二磷酸酶和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶，前一種酶是Calvin循環(huán)中控制速度的關(guān)鍵酶[1]。

3 暗反應(yīng)過程中會消耗水和產(chǎn)生水嗎

例題 (2016年浙江卷第30題第3小題)給某植物提供C18O2和H20,釋放的氧氣中含有18O是由于________，H218O又作為原料參與了光合作用之故。

對于該題的理解需要分析Calvin循環(huán)的具體過程：C18O2通過固定和還原反應(yīng)后形成的甘油醛-3-磷酸在葉綠體中可以轉(zhuǎn)化為淀粉或立即外運至細胞質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎崽?。而在發(fā)育的葉片中有相當(dāng)一部分甘油醛-3-磷酸經(jīng)過糖酵解途徑被降解，為生長提供額外的能量，在糖酵解轉(zhuǎn)化為丙酮酸過程中的第9步驟產(chǎn)生了2分子H2O。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的變化過程可以推出，C18O2中的部分放射性氧轉(zhuǎn)移到了H218O中，故暗反應(yīng)過程中會產(chǎn)生水。分析：本題提及釋放的氧氣中含有18O是由于C18O2的部分氧轉(zhuǎn)移到H218O中 ，H218O又作為原料參與了光合作用之故。

另外，6分子CO2與6分子RuBP(即C5)結(jié)合時還需要6分子H2O參與，在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶催化下形成12分子3-磷酸甘油酸(即C3)，其反應(yīng)式可表示為6CO2+6H2O+6RuBP→12 3-PG。所以暗反應(yīng)中要消耗水。

4 光反應(yīng)產(chǎn)生的還原氫和ATP只用于將C3還原成有機物嗎

rubisco的激活需要rubisco激活酶，它是一個調(diào)節(jié)蛋白，能與rubisco結(jié)合，并在消耗ATP的反應(yīng)中促進RuBP的釋放，所以CO2的固定也需要消耗ATP。另外，6分子CO2在固定成一個己糖的過程中需要消耗18分子ATP和12分子NADPH，其中12ATP和12NADPH用于將 C3還原成有機物，剩余的6ATP用于RuBP的再生過程。

5 暗反應(yīng)中用14CO2來追蹤碳原子的轉(zhuǎn)移途徑，五碳化合物中有放射性嗎

1945年，Calvin等人利用小球藻作實驗材料探索CO2固定為糖的途徑(即卡爾文循環(huán))，將14CO2注入照光的藻懸浮液，經(jīng)過乙醇、雙向紙層析處理后，發(fā)現(xiàn)照光60 s后的放射層析譜很復(fù)雜，無法檢出CO2固定的最早中間產(chǎn)物，而只照光5 s的層析譜可顯示產(chǎn)生了3-磷酸甘油酸(C3)。那么C3是如何產(chǎn)生，其繼續(xù)反應(yīng)又如何呢？根據(jù)Calvin循環(huán)的過程可知，6分子14CO2首先與6分子C5結(jié)合形成了12分子C3，其中有6分子C3具有放射性。然后，12分子C3在12ATP和12NADPH作用下形成12分子甘油醛-3-磷酸(G3P)，G3P可異構(gòu)成二羥丙酮磷酸(DHAP)。其中有2分子G3P最終形成1分子葡萄糖，剩余的10分子G3P或DHAP通過再生形成6分子RuBP。由此過程可知，形成的葡萄糖中最多只有2個14C，其余的4個14C都通過反應(yīng)再生成RuBP(即C5)了。所以，用14CO2來追蹤碳原子的轉(zhuǎn)移途徑，五碳化合物中也有放射性。

6 光合作用的產(chǎn)物都是在葉綠體中合成的嗎

不同植物光合作用的主要產(chǎn)物有所不同，大多數(shù)高等植物的光合產(chǎn)物是淀粉和蔗糖，有些植物(如洋蔥、大蒜)的光合產(chǎn)物是葡萄糖、果糖。同時非糖類物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、脂肪、棕櫚酸、油酸、亞油酸、乙醇酸等)也會是光合作用的直接產(chǎn)物。

淀粉在高等植物的葉綠體內(nèi)合成，而蔗糖在細胞質(zhì)內(nèi)合成。這主要取決于磷酸丙糖(一種三碳糖)的分布，它是光合作用合成的最初糖類。當(dāng)光合作用強時，葉綠體形成較多的磷酸丙糖，運輸?shù)郊毎|(zhì)，形成較多蔗糖；當(dāng)光合速率慢或黑暗時，磷酸丙糖形成較少，蔗糖的合成減慢，保留在葉綠體內(nèi)的磷酸丙糖就合成了較多的淀粉[2]。