光反應產生的ATP只能用於暗反應嗎?葉綠體能利用外源ATP嗎?

2021-01-20 生物100

1 光反應產生的ATP只能用於暗反應嗎？

受高中教材的限制，部分教師認為光反應產生的ATP只用於暗反應合成糖類，這有悖於事實。利用14CO2供給小球藻，在未產生糖類以前，細胞中就有放射性的胺基酸和有機酸，因而蛋白質、脂肪酸、有機酸也是光合作用的直接產物。從這個層面分析可知，光反應產生的ATP可用於暗反應合成蛋白質、脂肪酸、有機酸等。

葉綠體是半自主複製細胞器，除進行光合作用外還能合成核酸和蛋白質等物質用於葉綠體的增殖，合成核酸和蛋白質所需的能量亦可來自光反應。

除此之外，光反應產生的ATP甚至還可以轉移到細胞質之中，供各種生命活動利用。

光反應產生的ATP，不易通過葉綠體膜，葉綠體中3-磷酸甘油酸可接受ATP中能量，轉變成二羥丙酮磷酸。二羥丙酮磷酸由磷酸運轉器跨過葉綠體膜進入細胞質，通過一些轉變重新形成3-磷酸甘油酸，同時將其中能量轉移至細胞質的ATP中。接著，3-磷酸甘油酸又通過磷酸運轉器回到葉綠體。葉綠體中ATP通過3-磷酸甘油酸/二羥丙酮磷酸穿梭而到達細胞質，供各種生命活動需要。

小結：光反應產生的ATP可用於暗反應合成蛋白質、脂肪酸、有機酸等。也參與葉綠體中生物大分子核酸、蛋白質的合成。還可以轉移到細胞質之中，供各種生命活動利用。即光反應產生的ATP除用於暗反應合成糖類外，還可用於暗反應合成蛋白質、有機酸等物質，也可用於暗反應外的其他代謝過程。


2 葉綠體能利用外源ATP嗎？

葉綠體不但可以利用自身光反應產生的ATP，還可以從細胞溶膠中吸收少部分來自細胞呼吸的ATP，以滿足特定條件下葉綠體中的代謝需求，如碳反應、DNA複製、蛋白質的合成等，實現這一點的分子基礎就是位於葉綠體內膜上的ATP/ADP交換轉運體。

細胞中來源於EMP(糖酵解),TCA(三梭酸循環)、光反應等途徑產生的ATP共同構成細胞的能量庫，任何部分需要用都可以提取，提取多少取決於各部分競爭能力的大小。葉綠體是半自主複製細胞器，除進行光合作用外還能合成核酸和蛋白質等物質用於葉綠體的增殖，合成核酸和蛋白質等物質只要從細胞能量庫中提取到ATP就行，無須去區分ATP的來源。幼嫩葉綠體發育的時候，其核酸和蛋白質等物質合成的能量來源於呼吸作用；成熟的葉綠體中，當光反應產生大量ATP時，其核酸和蛋白質等物質合成的能量由光反應提供。


3 高考題

[2011·全國，33]為探究不同條件對葉片中澱粉合成的影響，將某植物在黑暗中放置一段時間，耗盡葉片中的澱粉。然後取生理狀態一致的葉片，平均分成8組，實驗處理如下表所示。一段時間後，檢測葉片中有無澱粉，結果如下表。

編號

組1

組2

組3

組4

組5

組6

組7

組8

處理

葡萄糖溶液浸泡

溶液中通入空氣

葡萄糖溶液浸泡

溶液中通入CO2和N2

蒸餾水浸泡

水中通入空氣

蒸餾水浸泡

水中通入CO2和N2

光照

黑暗

光照

黑暗

光照

黑暗

光照

黑暗

檢測結果

有澱粉

有澱粉

有澱粉

無澱粉

有澱粉

無澱粉

有澱粉

無澱粉

回答問題：

（1）光照條件下，組5葉片通過__________作用產生澱粉：葉肉細胞釋放出的氧氣來自於________的光解。

（2）在黑暗條件下，葉片能進行有氧呼吸的組別是______。

（3）組2葉片中合成澱粉的原料是________，直接能源物質是________，後者是通過________產生的。與組2相比，組4葉片無澱粉的原因是     ___。

（4）如果組7的蒸餾水中只通入N2，預期實驗結果是葉片中________（有、無）澱粉。

【解析】（1）組5葉片有光照、CO2，可進行光合作用產和澱粉。葉肉細胞釋放出的氧氣來自於光反應中H2O的光解。

（2）進行有氧呼吸的條件是有氧氣，還要注意題中條件是「黑暗條件下」，組2和組 6符合要求。

（3）組2葉片，沒有CO2，不能進行光合作用，但可以利用葡萄糖合成澱粉，此過程需要有氧呼吸產生的ATP作為直接能源物質。與組2相比，組4葉片不同的條件是組4葉片無氧氣，所以組4葉片無澱粉的原因是4組無氧氣，不能進行有氧呼吸，澱粉合成缺少ATP。

（4）如果組7的蒸餾水中只通入N2，無CO2，不能進行光合作用，預期實驗結果是葉片中無澱粉。

【答案】

（1）光合  H2O

（2）組2和組6

（3）葡萄糖  ATP  有氧呼吸 4組無氧氣，不能進行有氧呼吸，澱粉合成缺少ATP

（4）無


[2016·江蘇，32]為了選擇適宜栽種的作物品種，研究人員在相同的條件下分別測定了3個品種S1、S2、S3的光補償點和光飽和點，結果如圖1和圖2。請回答以下問題：

（1）最適宜在果樹林下套種的品種是______，最適應較高光強的品種______。

（2）增加環境中CO2濃度後，測得S2的光飽和點顯著提高，但S3的光飽和點卻沒有顯著改變，原因可能是：在超過原光飽和點的光強下，S2的光反應產生了過剩的______，而S3在光飽和點時可能______（填序號）。

①光反應已基本飽和   ②暗反應已基本飽和   ③光、暗反應都已基本飽和

（3）葉綠體中光反應產生的能量既用於固定CO2，也參與葉綠體中生物大分子______的合成。

（4）在光合作用過程中，CO2與RuBP（五碳化合物）結合的直接產物是磷酸丙糖（TP），TP的去向主要有三個。下圖為葉肉細胞中部分代謝途徑示意圖。

澱粉是暫時存儲的光合作用產物，其合成物所應該在葉綠體的______。澱粉運出葉綠體時先水解成TP或______，後者通過葉綠體膜上的載體運送到細胞質中，合成由________糖構成的蔗糖，運出葉肉細胞。

【答案】

（1）S2  S3

（2）ATP和[H]   ①②③

（3）核酸、蛋白質

（4）基質中    葡萄糖    葡萄糖和果糖


參考資料：

張昊：對「光合作用」知識常見誤解的辨析

黃建華：關於光合作用過程的幾點釋疑——以2016年高考江蘇卷第32題為例

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  • 高中生物:ATP.
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  • 葉綠體與線粒體的異同
    一、葉綠體與線粒體的相同點1.它們都具有雙層膜結構；2.它們都參與自然界的碳循環，都消耗水，並且也都能夠產生水；3.它們都是能自主複製的細胞器；4.它們在遺傳上都具有相對獨立的穩定性，都含有少量的DNA，並且都與細胞質遺傳有關；5.它們都具有能量轉換功能：葉綠體將光能轉化為ATP、NADPH
  • 人造「葉綠體」實現人工光合作用
    綠色植物的葉綠體是發生光反應和暗反應的重要場所。光反應將光能轉化為化學能，產生了兩種重要的能量載體，即三磷酸腺苷和還原態磷酸二核苷酸煙醯胺(NADPH)。而暗反應則利用這兩種高能分子驅動CO2分子的捕獲，進而合成生物質分子。
  • Tran-Anh和Rumberg根據ATP合成和水解的動力學研究,提出了ATP
    當對無緩衝的葉綠體懸浮液照光時，引起H+的吸收，同時類囊體內水相變酸，類囊體膜內外質子濃度差可達3～3.5pH單位，膜電位差可達10～100mV。如果將在pH8提取的葉綠體基粒懸浮在pH4.0的琥珀酸溶液中，琥珀酸進入類囊體腔，腔內的pH值很快變成4.0；然後把懸浮液的pH迅速上升為8.0，產生的△pH為4.0（基粒內的pH為4，基粒外的pH為8），在有ADP和Pi存在時生成ATP（圖3-19）。
  • 人造「葉綠體」和普通的葉綠體有何不同?
    「人造葉綠體」誕生葉綠體是光合作用的核心引擎，據了解，合成生物學家已經重新製造出葉綠體，就像機械師把舊的引擎部件拼湊起來製造一輛新的跑車一樣，科學家通過將菠菜植物的採光機械與9種不同生物體的酶結合起來，可以製造出一種人造葉綠體，這種葉綠體可以在細胞外工作，收集陽光，並利用由此產生的能量將二氧化碳（CO2）轉化成富含能量的分子