高中化学：对“光合作用”知识常见误解的辨析

1关于水的光解的表达式

有一种误解是将水的光解表达为：

H₂O→1/2O₂+2[H]或2H₂O→O₂+4[H]。

而正确的表述应示意为：

H₂O→1/2O₂+[H]+H⁺或2H₂O→O₂+2[H]+2H⁺。

H₂O光解产生的H⁺一半参与形成[H]，一半处于游离状态。

辨析：上式中的[H]，在中学教材中是还原型辅酶Ⅱ（NADPH）中“H”的简化表达，根据光合磷酸化的化学渗透假说，在光合链传递电子过程中，类囊体膜内外之间存在质子电动势差，伴随H⁺通过ATP复合物返回膜外时，ADP和Pi脱水形成ATP。对于具有光系统I（PSI）和光系统Ⅱ（PSⅡ）的绿色植物，①在类囊体膜内表面发生了水解：H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^-；②膜内H⁺沿浓度梯度返回膜外时，推动了类囊体膜外表面发生了光合磷酸化：ADP+Pi→ATP；③H⁺将NADP⁺还原为NADPH：NADP⁺+2H⁺→NADPH⁺H⁺。综合上述三式，光合磷酸化的整个过程应表达为：H₂O+NADP⁺+ADP+Pi→NADPH⁺ATP+1/2O₂+H⁺。考虑到中学教材简约性和学生的知识结构通识化，去除式中H⁺的结合载体NADP⁺和伴随的能量变化ADP+Pi→ATP,NADPH中的“H”用[H]表示，水光解过程可示意为H₂O→1/2O₂+[H]+H⁺或2H₂O→O₂+2[H]+2H⁺。

2光反应中水的光解过程是否需要酶的作用

有一种误解认为光反应中水的光解过程不需酶的作用。其实，水的光解过程需要相关酶（水裂解酶）的参与。

辨析：水的光解过程是在PSⅡ的作用下而产生的，PSⅡ作用中心色素分子P₆₈₀吸收光能被激发后，夺取水中的电子供给PSI，引起水的分解。PSⅡ包括一个捕获光能的复合体、一个光反应中心及一个产生氧的复合体，其中产生氧的复合体中含有水裂解酶，水裂解酶的催化中心含有4个锰离子组成簇，有5种氧化状态，即从S₀→S₁→S₂→S₃→S₄，每一步失去一个电子，氧化状态逐渐升高，锰中心作为能荷积聚形式，失去4个电子，可以断裂2个分子水，得到4个电子，形成氧气，每次循环释放4个质子。

3同一细胞中叶绿体产生的氧气跨过多少层膜到达线粒体中

有一种误解认为叶绿体中产生的氧气分子供给同个细胞中线粒体利用，至少需要透过4层生物膜、8层磷脂分子。而事实上至少需要透过5层生物膜、10层磷脂分子。

辨析：水光解产生的氧气是在类囊体膜内表面释放的，而线粒体对氧气的利用发生在有氧呼吸第三阶段，是在线粒体内膜上完成的。因此，叶绿体中产生的氧气供给同一个细胞中线粒体利用，依次通过的生物膜有：类囊体膜→叶绿体内膜→叶绿体外膜→线粒体外膜→线粒体内膜等5层生物膜，每层生物膜包含两层磷脂分子，所以共通过10层磷脂分子。

4光反应产生的ATP只能用于暗反应吗

光反应产生的ATP，除了用于暗反应，也可以转移到细胞质之中，供各种生命活动利用。

（光反应产生的ATP除用于暗反应外，还可用于叶绿体自身的合成代谢，如DNA复制、蛋白质合成等。另外，叶绿体还能利用外源ATP，但很少将ATP运出供给其他生命活动。——秦四哥注 详情见《高中生物疑点通》）

辨析：光反应产生的ATP，不易通过叶绿体膜，叶绿体中3-磷酸甘油酸可接受ATP中能量，转变成二羟丙酮磷酸。二羟丙酮磷酸由磷酸运转器跨过叶绿体膜进入细胞质，通过一些转变重新形成3-磷酸甘油酸，同时将其中能量转移至细胞质的ATP中。接着，3-磷酸甘油酸又通过磷酸运转器回到叶绿体。叶绿体中ATP通过3磷酸甘油酸/二羟丙酮磷酸穿梭而到达细胞质，供各种生命活动需要。

5同一叶肉细胞中，呼吸作用产生的二氧化碳全部被用于光合作用吗

呼吸作用产生的CO₂，并未全部用于光合作用。

辨析：从理论上分析，当光合作用速率大于呼吸作用速率时，细胞中光合作用吸收的CO₂量多于呼吸作用产生的CO₂量，似乎呼吸作用产生的CO₂即使全部用于光合作用，也不能满足其需要。而实际情况是按照气体扩散作用原理，呼吸作用产生的CO₂，是从高浓度区域扩散至低浓度区域。因此，大量CO₂（特别是靠近细胞膜的线粒体产生的CO₂）除了进入叶绿体被光合作用利用外，有部分CO₂是扩散到了细胞间。

6叶绿体中的蛋白质都是由细胞核中的基因控制合成的吗

叶绿体中的蛋白质有的是由细胞核中基因控制合成，有的是由叶绿体中的基因控制合成，也有的是由细胞核基因和叶绿体中基因共同控制合成。

辨析：叶绿体是半自主性细胞器，内含有一定量的DNA、RNA、核糖体、氨基酸等，因此叶绿体基因能指导合成部分自身需要的蛋白质。其他蛋白质是由细胞核基因指导合成，或者由细胞核和叶绿体基因共同指导合成。细胞质中，核基因指导合成的叶绿体前体蛋白含有一段转运肽，转运肽的N-末端区域能识别叶绿体表面特定的受体，引导前体蛋白穿过膜进入叶绿体基质，而C-末端区能引导前体蛋白穿过类囊体膜。许多运入的蛋白质和叶绿体自身合成的蛋白质共同组装成复合物，完成特定的功能。

除了上述疑惑问题外，还有“光合作用的直接产物都是糖类”“研究光合作用中释放的氧气来源和光合作用中碳的转化途径，都是用放射性同位素标记法”等错误的认识。

文献来源：张昊.对“光合作用”知识常见误解的辨析[J].生物学教学,2019,44(01):76-77.