第3单元 第6课时 光合作用的原理（word教师用书）-【高考领航】2025年高考生物大一轮复习

第6课时　光合作用的原理 　1.运用物质与能量观，分析光合作用过程中物质和能量的转化。(生命观念)　2.分析ATP、NADPH、C3、C5等物质变化曲线模型，理解光反应和暗反应之间的联系。(科学思维) 考点　光合作用的原理 1.光合作用的概念及反应式 (1)概念：绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。 (2)反应式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。 2.探索光合作用原理的部分实验 年份 科学家 发现 19世 纪末 — 普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖 1928 — 发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖 1937 英国植物学家希尔 发现希尔反应，即离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应 1941 美国科学家鲁宾和卡门 用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气来源于H2O： HO＋CO2→植物→18O2； H2O＋C18O2→植物→O2 1954 美国科学家阿尔农 发现在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现该过程总是与水的光解相伴随 　(必修1 P102思考·讨论，改编)希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？ 提示：不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。 3.光合作用过程 (1)基本过程 ①填充图中字母代表的物质：a.NADPH，b.2C3，c.ADP＋Pi，d.O2，e.(CH2O)。 ②水分解为氧和H＋的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递，可用于NADP＋与H＋结合形成NADPH。NADPH的中文名称叫还原型辅酶Ⅱ，其作用是NADPH作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用。 ③光合作用过程中C3和C5的含义：C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖-1，5-二磷酸(RuBP)。 ④光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。 (2)比较光反应与暗反应 　(1)(必修1 P103图5－14，延伸)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续，但无法长时间正常进行，原因是暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH，停止光照使光反应停止，叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间；但是这段时间后，暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行。 (2)(必修1 P104正文，拓展)光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种，缩短时间到7 s，发现放射性代谢产物减少到12种。如果要探究CO2转化成的第一个产物是什么，可能的实验思路是不断缩短光照时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物，该物质即为CO2转化成的第一个产物。 4.光合作用和化能合成作用的比较 项目 光合作用 化能合成作用 区别 能量来源 光能 无机物氧化释放的能量 代表生物 绿色植物 硝化细菌 相同点 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 高考情境探究 1.(2021·重庆卷，改编)类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。 (1)在光能的驱动下产生的电子是怎样通过有序传递完成能量转换的？ 提示：先是由光能转化为电能，再由电能转化为NADPH和ATP中的化学能。 (2)光反应产生的ATP仅用于暗反应吗？ 提示：由图可知，产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢，色素合成等其他消耗能量的反应。 (3)水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过几层膜？判断的依据是什么？ 提示：5层。水光解产生O2的场所是叶绿体的类囊体膜的内侧，若被有氧呼吸利用，而氧气在线粒体内膜上被利用，氧气从叶绿体类囊体膜开始，再穿过叶绿体2层膜，然后进入同一细胞中的线粒体，穿过线粒体的2层膜，所以至少要穿过5层膜。 2.(2023·全国甲卷，节选)某同学将从菠菜叶中分离到的叶绿体悬浮于缓冲液中，给该叶绿体悬浮液照光后有糖产生。 (1)将叶绿体的内膜和外膜破坏后，加入缓冲液形成悬浮液，发现黑暗条件下叶绿体悬浮液中不能产生糖，原因是悬浮液中具有类囊体膜以及叶绿体基质和暗反应相关的酶，但黑暗条件下，光反应无法进行，暗反应没有光反应提供的原料ATP和NADPH，所以无法形成糖类。 (2)叶片进行光合作用时，叶绿体中会产生淀粉。请设计实验证明叶绿体中有淀粉存在，简要写出实验思路和预期结果。 提示：实验思路：将生长状况良好且相同的植物叶片随机均分为甲、乙两组，甲组放置在有光条件下，乙组放置在其他环境相同的黑暗条件下，一段时间后，用差速离心法提取出甲、乙两组的叶绿体，制作成匀浆，分别加入碘液后观察。预期结果：甲组匀浆出现蓝色，有淀粉产生；乙组无蓝色出现，无淀粉产生。 重点难点阐释 1.光反应中的光系统和电子传递链 (1)镶嵌在类囊体膜上的光合色素分子有序地排列在一起，它们能够捕获光能，将光能传递给位于反应中心的色素分子，该色素分子被激发，释放出一个高能电子。失去电子的色素分子有很强的夺电子能力，它们从水分子中夺取电子，使水分解成H＋和O2。 (2)色素分子失去的电子被类囊体膜上的特殊蛋白质捕获，这些蛋白质利用电子携带的能量将H＋从叶绿体基质泵入类囊体腔，并最终把电子传递给了NADP＋，NADP＋获得电子后与H＋结合，生成NADPH。 (3)类囊体膜上镶嵌有ATP合酶，类囊体腔中的H＋顺浓度梯度经ATP合酶进入叶绿体基质，推动了ATP的生成。 2.环境改变时光合作用各物质含量的变化 (1)“过程法”分析各物质变化 如图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化： (2)“模型法”表示C3和C5等物质含量变化 ①以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化。 ②以上各物质变化中，C3和C5含量的变化是相反的，NADPH和ATP含量变化是一致的。 ③起始值C3高于C5(约为其2倍)。 3.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析 (1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。 (2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。 1.(2024·石家庄模拟)希尔从细胞中分离出叶绿体，并发现在没有CO2时，给予叶绿体光照，就能放出O2，同时使电子受体还原。希尔反应式：H2O＋氧化态电子受体―→还原态电子受体＋1/2O2。在希尔反应的基础上，阿尔农又发现在光下的叶绿体，不供给CO2时，既积累NADPH也积累ATP；进一步实验，撤去光照，供给CO2，发现NADPH和ATP被消耗，并产生有机物。下面关于希尔反应和阿尔农发现的叙述，不正确的是(　　) A.光合作用释放的O2来自水而不是CO2 B.NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体薄膜上 C.希尔反应与CO2合成有机物的过程是两个过程 D.光合作用的需光过程为CO2合成有机物提供ATP和NADPH 解析：B　由希尔反应式可知，光合作用过程中产生的O2来自参加反应的水，A正确；由题干信息不能得出NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体薄膜上，B错误；希尔反应和有机物的合成过程可以分别进行，在光下积累NADPH和ATP，在暗处可以进行有机物的合成，因此属于两个过程，C正确；希尔反应只有在光下才能进行，在暗处不能进行，但在光下积累的NADPH和ATP，在暗处进行有机物的合成过程中被消耗，D正确。 2.(2024·河南校联考)如图所示是类囊体薄膜的亚显微结构及光反应过程。依据所学，不能作出的判断是(　　) A.光系统由包括多种蛋白质在内的许多分子组成 B.光系统Ⅰ和光系统Ⅱ分别完成水的光解和NADPH的形成 C.类囊体薄膜上的色素分子可吸收、传递、转化光能 D.类囊体内H＋浓度高于膜外是形成ATP的能量来源 解析：B　由图可知，光系统由叶绿素、多种蛋白质等分子组成，A不符合题意；由图可知，光系统Ⅱ完成水的光解，光系统Ⅰ被光激发，同时接受光系统Ⅱ传递来的电子，形成NADPH，B符合题意；类囊体薄膜上的光合色素分子可吸收、传递、转化光能，C不符合题意；图中显示类囊体薄膜内部H＋浓度高于类囊体薄膜外，H＋膜内外的浓度差为ATP形成提供化学势能，D不符合题意。 3.如图表示某植物叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势，该植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下，Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO2浓度中的某一项。下列分析正确的是(　　) A.图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATP B.图中Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低了光照强度 C.Ⅱ阶段甲上升是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累 D.Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低 解析：D　甲是五碳化合物，乙是三碳化合物，需要消耗二氧化碳，A错误；Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低CO2浓度，B错误；Ⅱ阶段甲上升不一定是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累，C错误；Ⅱ阶段改变的调节使光合速率降低，所以Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低，D正确。 1.(2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PS Ⅰ和PS Ⅱ光复合体，PS Ⅱ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PS Ⅱ光复合体上的蛋白质LHC Ⅱ，通过与PS Ⅱ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHC Ⅱ与PS Ⅱ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(　　) A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PS Ⅱ光复合体对光能的捕获增强 B.Mg2＋含量减少会导致PS Ⅱ光复合体对光能的捕获减弱 C.弱光下LHC Ⅱ与PS Ⅱ结合，不利于对光能的捕获 D.PS Ⅱ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2 解析：C　据图可知，在强光下，PS Ⅱ与LHC Ⅱ分离，减弱PS Ⅱ光复合体对光能的捕获；在弱光下，PS Ⅱ与LHC Ⅱ结合，增强PS Ⅱ光复合体对光能的捕获。LHC Ⅱ和PS Ⅱ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化，叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，会导致类囊体上PS Ⅱ光复合体与LHC Ⅱ结合增多，从而使PS Ⅱ光复合体对光能的捕获增强，A正确。镁是合成叶绿素的原料，叶绿素能吸收、传递和转化光能，若Mg2＋含量减少，PS Ⅱ光复合体含有的光合色素含量降低，导致PS Ⅱ光复合体对光能的捕获减弱，B正确。弱光下PS Ⅱ光复合体与LHC Ⅱ结合，有利于对光能的捕获，C错误。类囊体膜上的PS Ⅱ光复合体含有光合色素，在光反应中，其能吸收光能并分解水产生H＋、电子和O2，D正确。 2.(2021·广东卷)在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列叙述正确的是(　　) A.Rubisco存在于细胞质基质中 B.激活Rubisco需要黑暗条件 C.Rubisco催化CO2固定需要ATP D.Rubisco催化C5和CO2结合 解析：D　Rubisco参与高等植物光合作用过程中的暗反应，暗反应场所在叶绿体基质，故Rubisco存在于叶绿体基质中，A错误；暗反应在有光和无光条件下都可以进行，故参与暗反应的酶Rubisco的激活对光无要求，B错误；Rubisco催化CO2固定不需要ATP，C错误；Rubisco催化二氧化碳的固定，即C5和CO2结合生成C3的过程，D正确。 3.(经典高考题)研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是(　　) A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质 B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2 C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原 D.与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素 解析：A　乙醇酸是在光合作用暗反应产生的，暗反应场所在叶绿体基质中，所以产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质，A正确；该反应体系中能进行光合作用整个过程，不断消耗的物质有CO2和H2O，B错误；类囊体产生的ATP参与C3的还原，产生的O2用于呼吸作用或释放到周围环境中，C错误；该体系含有类囊体，而类囊体的薄膜上含有光合作用色素，D错误。 4.(2022·重庆卷)科学家发现，光能会被类囊体转化为“某种能量形式”，并用于驱动产生ATP(如图Ⅰ)。为探寻这种能量形式，他们开展了后续实验。 图Ⅰ 图Ⅱ 图Ⅲ (1)制备类囊体时，提取液中应含有适宜浓度的蔗糖，以保证其结构完整，原因是　　　　　　　　　　　；为避免膜蛋白被降解，提取液应保持　　　(填“低温”或“常温”)。 (2)在图Ⅰ实验基础上进行图Ⅱ实验，发现该实验条件下，也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H＋浓度差，原因是_________________________________________________________。 (3)为探究自然条件下类囊体膜内外产生H＋浓度差的原因，对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理，结果如图Ⅲ所示，悬液的pH在光照处理时升高，原因是____________________________________。 类囊体膜内外的H＋浓度差是通过光合电子传递和H＋转运形成的，电子的最终来源物质是　　　。 (4)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体，能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产，需稳定提供的物质有　　　　　　　　　　　。生产中发现即使增加光照强度，产量也不再增加，若要增产，可采取的有效措施有　　　　　　　　　　　　　　　(答两点)。 解析：(1)制备类囊体时，其提取液中需要添加适宜浓度的蔗糖，保持类囊体内外的渗透压，避免类囊体破裂，以保证其结构完整。提取液应该保持低温，降低蛋白酶的活性，避免膜蛋白被降解。(2)从图Ⅱ实验中可知，在光照条件下，将处于pH＝4的类囊体转移到pH＝8的锥形瓶中，再在遮光的条件下加入ADP和Pi，也产生了ATP，但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H＋浓度差，因为实验图Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养，无法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外氢离子浓度差。(3)对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理，悬液的pH在光照处理时升高，推测可能是类囊体膜外H＋被转移到类囊体膜内，造成溶液pH升高。类囊体膜内外的H＋浓度差是通过光合电子传递和H＋转运形成的，光反应过程中，水的光解伴随着电子的传递，故电子的最终来源是水。(4)人工叶绿体，能在光下生产目标多碳化合物，若要在黑暗条件下持续生产，则需要提供光反应产生的物质NADPH和ATP，以及暗反应的原料CO2。生产中发现即使增加光照强度，产量也不再增加，说明暗反应已经达到最大速率，增加二氧化碳的浓度和适当提高环境温度增加酶的活性，可有效提高光合效率。 答案：(1)保持类囊体内外的渗透压，避免类囊体破裂　低温　(2)实验Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养，无法证明某种能量是来自光能还是来自膜内外氢离子浓度差　(3)类囊体膜外H＋被转移到类囊体膜内，造成溶液pH升高　水　(4)NADPH、ATP和CO2　增加二氧化碳的浓度和适当提高环境温度 学科网（北京）股份有限公司 $$