备课素材：卡尔文循环、贾格道夫实验和希尔反应实验分析--高一上学期生物人教版必修1.docx

卡尔文循环、贾格道夫实验和希尔反应实验分析这三个实验是高中生物学涉及的重要经典实验，各类考试题中屡见。光合作用的试题有时会创设科研情境，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。1.卡尔文实验，探究暗反应（碳反应）过程中有机物生成顺序实验设计：时间是本实验的自变量。用杀死生物的方法控制反应时间，用14CO2来检测有机物生成的顺序。实验印证：卡尔文循环的发现：自1945年起加州大学的卡尔文和本森及其同事纠集300多人，用了近10年时间，消耗了5吨滤纸，才弄清的这个循环。卡尔文用小球藻做实验材料，将带有14C标记的CO2通入到盛有小球藻的玻璃器皿中，给予充足的光照，每隔一定时间取样，并立即杀死小球藻。用甲醇将标记化合物提取出来，再通过纸层析法分离光合产物，根据被14C标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。在5秒钟的光照后，卡尔文等同时检测到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。将光照时间逐渐缩短至几分之一秒时发现，90的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中。具体可以参考文章后的链接。2.贾格道夫实验，探究光合作用中ATP的生成机理渗透理论：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。实验印证：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。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合成提供了驱动力，如图所示：3.希尔反应实验，探究离体叶绿体产生氧是从水中来的1937年英国剑桥大学的希尔用离体叶绿体做实验。使得研究水平从细胞水平一下进入到细胞器水平。他将离体的叶绿体加到氢受体的水溶液中，在无二氧化碳的条件下给予光照，发现叶绿体中有氧气放出。实验原理：离体叶绿体对染料的还原作用（希尔反应）里主要涉及到的知识就是染料利用二氯靛酚（DCPIP）验证希尔反应。希尔反应实验：离体的叶绿体加叶片提取液，测到有氧放出。接着加上其他氧化剂如高铁氰化钾，能测到更多的氧，表明离体叶绿体能进行光合作用光反应。但加二氧化碳却没有什么变化，表明离体叶绿体不能同化二氧化碳。希尔反应是在离体叶绿体（实质是被膜破裂的匀浆）悬浮液中，加入适当的电子受体（如草酸铁），照光时可使水分解而释放氧气：4Fe3+2H2O4Fe2+ 4+2希尔预言：这种叶匀浆的铁-氧反应也许指示着一种与二氧化碳同化有关的机理。希尔进一步研究证实，植物光合作用的光反应是氧分子的产生，而不是二氧化碳的还原，氧的产生是由于叶绿体以草酸铁作受氢体所致，其机理与完整细胞光合放氧过程相一致。后来发现生物中重要的氢载体NADP+也可以作为生理性的希尔氧化剂，从而使得希尔反应的生理意义得到了进一步肯定。在完整的叶绿体中NADP+作为从H2O到O2的中间电子载体，其反应式可写为：2NADP+2H2O2NADPH2H+O2例1、（2021年湖南高考试题）图a为叶绿体的结构示意图，图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。回答下列问题：（1）图b表示图a中的      结构，膜上发生的光反应过程将水分解成O2、H+和e-，光能转化成电能,最终转化为     和ATP中活跃的化学能。若CO2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中电子传递速率会      (填“加快”或“减慢”)。（2）为研究叶绿体的完整性与光反应的关系，研究人员用物理、化学方法制备了4种结构完整性不同的叶绿体,在离体条件下进行实验,用Fecy或DCIP替代NADP+为电子受体，以相对放氧量表示光反应速率，实验结果如表所示。注：Fecy具有亲水性，DCIP具有亲脂性。据此分析：叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明，叶绿体双层膜对以       （填“Fecy”或“DCIP”）为电子受体的光反应有明显阻碍作用。得出该结论的推理过程是         。该实验中，光反应速率最高的是叶绿体C，表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条件下，更有利于        ，从而提高光反应速率。以DCIP为电子受体进行实验，发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值分别为1、0.66、0.58和0.41。结合图b对实验结果进行解释      。答案：（1）类囊体膜   NADPH    减慢（2）Fecy    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     类囊体上的色素吸收光能、转化光能   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。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）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。 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。 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。例2、叶绿体在光下利用ADP和Pi合成ATP的过程称为光合磷酸化。为探究ATP形成的原动力，贾格道夫等科学家在黑暗中进行了如下实验。图中平衡的目的是让类囊体内部的pH和外界溶液相同。下列有关分析正确的是（    ）A.类囊体在pH为4的条件下被破坏B.在黑暗中进行实验的原因是避免光照产生O2C.叶绿体合成ATP需要酸性环境D. ATP的合成与膜两侧的pH差有关解析：如果类囊体在pH为4的条件下被破坏，则在pH值平衡前就不会产生ATP，A错误；实验在黑暗中进行的目的是避免光照对ATP合成的影响，B错误；根据实验结果可知，叶绿体合成ATP需要pH值差，C错误；实验结果看出，pH值平衡前，加入ADP和Pi能够产生ATP，而平衡后加入ADP和Pi后不能产生ATP，说明叶绿体中ATP形成的原动力来自于类囊体膜两侧的pH值，D正确。故答案为D。学科网（北京）股份有限公司