3.4 捕获光能的色素和结构及光合作用的原理(Word教参)-【正禾一本通】2025年高考生物高三一轮总复习高效讲义（人教版2019 不定项版）

第4课时　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理 【课标要求】1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。2.探究·实践：绿叶中色素的提取和分离。 考点1　捕获光能的色素[探究·实践] 整合必备知识 1.绿叶中色素的提取和分离 (1)实验原理 步骤 试剂 原理 提取 无水乙醇 绿叶中的色素溶于有机溶剂，而不溶于水 分离 层析液 各种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢 (2)实验步骤 (3)实验结果及分析 (4)色素的提取和分离实验的四类异常现象分析 ①滤液颜色过浅 可能原因 原理解读 未加二氧化硅，研磨不充分 二氧化硅可使研磨充分 菠菜叶片放置时间过长 叶片放置时间过长，导致色素分子分解 一次加入大量的无水乙醇，色素浓度太低 无水乙醇可以溶解色素 未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏 碳酸钙可以保护色素分子不被破坏 ②滤纸条无色素带 可能原因 原理解读 忘记画滤液细线 滤液细线中含有色素 滤液细线接触到层析液，且时间较长 滤液细线不能触及层析液，防止色素溶解到层析液中 ③滤纸条色素带重叠 可能原因 原理解读 滤液细线不直 滤液在滤纸条上的扩散不同步，导致色素带重叠 滤液细线过粗 ④滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带 可能原因 原理解读 未加碳酸钙导致叶绿素被破坏 碳酸钙可以保护色素分子不被破坏 所用叶片为“黄叶” 应该选新鲜绿色的叶片 (5)圆形滤纸片分离色素的方法 提取叶绿体中的色素，也可用如图所示的方法：在圆心处滴加适量滤液，待干燥后再滴加适量滤液进行层析，结果会出现不同颜色的4个同心圆。 2.捕获光能色素的吸收光谱 [深挖教材]　 (1)(必修1 P99“图5­12”“学科交叉”)从叶绿素吸收光谱图可知：叶绿素a在红光部分的吸收带较叶绿素b偏向长波方面，且吸收光谱带比叶绿素b宽(填“宽”或“窄”)。 (2)(必修1 P99“图5­12”“旁栏思考”)植物工厂不用发绿光的光源：光合色素吸收的绿光很少，因此不能被光合作用利用合成有机物。 【易错辨析】　//////////////////////////////// (1)绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以用无水乙醇分离绿叶中的色素。(×) 提示：因色素易溶于有机溶剂，所以无水乙醇在色素的提取和分离实验中起到提取色素的作用。 (2)绿叶中含量越多的色素，其在滤纸条上扩散得越快。(×) 提示：溶解度高的色素随层析液在滤纸条上扩散得快。 (3)用纸层析法分离色素后得到的色素带的宽度，反映了色素在层析液中溶解度的大小。(×) 提示：用纸层析法分离色素后得到的色素带的宽度，反映了色素在层析液中含量的多少。 (4)实验中对研磨液过滤时，采用滤纸过滤，实验效果更好。(×) 提示：实验中对研磨液过滤时，采用单层尼龙布过滤，而不能用滤纸过滤。 落实素养题组 1.某同学在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，为了确定无水乙醇、CaCO3和SiO2的作用，进行了4组实验来验证，4组实验结果如图所示，第④组是进行了正确操作的对照组。下列针对实验结果的相关分析，错误的是(　　) A.①可能是由于未加CaCO3而得到的实验结果 B.②可能是由于用水取代了无水乙醇而得到的实验结果 C.③可能是由于未加SiO2而得到的实验结果 D.①可能是滤液细线触及层析液而得到的实验结果 解析：选D。①中叶绿素含量明显低于正常值，可能是由于未加CaCO3，部分叶绿素被破坏，A正确；光合色素不溶于水，但能溶于有机溶剂，②中没有色素带，可能是由于用水取代了无水乙醇，B正确；③中所有色素带都偏窄，可能是由于未加SiO2，研磨不充分，提取色素较少，C正确；若是滤液细线触及层析液而得到的实验结果，则①中类胡萝卜素含量低于④，但①中类胡萝卜素含量多，故①可能使用的叶片是发黄的叶片或者不是新鲜的叶片，D错误。 2.羽衣甘蓝因其耐寒性和叶色丰富多变的特点，成为冬季重要的观叶植物。将其叶片色素提取液在滤纸上进行点样，先后置于层析液和蒸馏水中进行层析，过程及结果如下图所示。已知1、2、3、4、5代表不同类型的色素。下列分析错误的是(　　) A.色素1在层析液中的溶解度最大 B.色素1、2、3、4难溶于蒸馏水 C.色素5可能存在于植物的液泡中 D.缺Mg会影响色素1和2的含量 解析：选D。根据层析的结果，色素1距离起点最远，说明其在层析液中的溶解度最大，A正确；根据在蒸馏水中的层析结果说明色素1、2、3、4难溶于蒸馏水，因此在滤纸上不进行扩散，B正确；根据在蒸馏水中的层析结果说明，色素5可以溶解在蒸馏水中，推测其可能是存在于植物液泡中的色素，C正确；1、2、3、4在层析液中具有不同的溶解度，推测是光合色素，因此它们依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b，Mg只参与构成叶绿素，故缺Mg会影响色素3和4的含量，D错误。 考点2　叶绿体的结构和功能 整合必备知识 1.叶绿体的结构和功能 (1)叶绿体立体结构 (2)叶绿体中色素的功能：吸收、传递、转化光能。 2.叶绿体功能的实验验证 (1)资料1：(必修1 P100) ①实验者：德国科学家恩格尔曼。 ②实验结论 A.叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。 B.叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。 [深化理解] 恩格尔曼实验设计的巧妙之处 (1)实验材料用水绵和需氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察，用需氧细菌可确定释放氧气的部位。 (2)没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。 (3)用极细的光束照射，叶绿体上可分为有光照和无光照的部位，相当于一组对比实验。 (4)临时装片局部曝光与完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。 (2)资料2(必修1 P101)：在叶绿体的类囊体膜上和基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。 该资料说明光合作用的有关生化反应在叶绿体中进行。 (3)总结：在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。色素和酶是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。 [深挖教材] (必修1 P101“思考·讨论”)春夏季节叶片中的叶绿素含量较多，叶绿素对绿光吸收较少，绿光大部分被反射出来，所以叶片会呈现绿色。而到了秋季，叶片中主要是类胡萝卜素，故而呈现黄色。 【易错辨析】　//////////////////////////////// (1)叶绿体中类囊体堆叠可以增大CO2固定和C3还原场所的面积。(×) 提示：CO2固定和C3还原属于暗反应，发生在叶绿体基质中，相关酶分布在叶绿体基质中。 (2)叶绿体的外膜、内膜极大地扩展了受光面积。(×) 提示：叶绿体中众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积。 (3)类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光。(√) 落实素养题组 1.(2023·广西南宁二模)恩格尔曼利用需氧细菌和水绵为材料，探究叶绿体的功能。下列有关恩格尔曼实验的叙述，错误的是(　　) A.水绵具有螺旋带状叶绿体，便于实验观察 B.恩格尔曼的实验直接证明叶绿体吸收光能用于光合作用放氧 C.将载有水绵和需氧细菌的临时装片放在充满空气的小室内进行实验 D.用透过三棱镜的光照射临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域 解析：选C。水绵具有螺旋带状叶绿体，用极细的光束可将叶绿体分为实验组和对照组，便于实验观察，A正确；用极细的光线束照射水绵的叶绿体，发现好氧性细菌集中分布在照光部位，所以恩格尔曼的实验直接证明叶绿体吸收光能用于光合作用放氧，B正确；为排除空气中氧气的干扰，将载有水绵和需氧细菌的临时装片放在无空气的小室内进行实验，C错误；用透过三棱镜的光照射临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，因为光合色素主要吸收红光和蓝紫光，D正确。 2.参与光合作用的蛋白质由TOC和TIC蛋白系统输入叶绿体。TIC236作为TIC系统的一种蛋白，向膜间隙延伸与TOC系统结合，构成蛋白质穿越双层膜的关键桥梁(如图所示)。据研究推测，TIC236可能是某种蓝细菌的蛋白质演化而来。下列说法正确的是(　　) A.输入叶绿体的蛋白质在内质网上合成 B.叶绿体内的蛋白质全部参与光合作用 C.减少TIC236的表达会降低叶绿体蛋白质的输入速率 D.TIC236是叶绿体来自蓝细菌的唯一证据 解析：选C。蛋白质的合成场所在核糖体，A错误；光合作用的场所在叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质，所以不是所有的叶绿体内的蛋白质都参与光合作用，B错误；根据题干信息“TIC236构成蛋白质穿越双层膜的关键桥梁”，减少TIC236的表达会导致该“桥梁”受损，所以会降低叶绿体蛋白质的输入速率，C正确；从题干中不能看出TIC236是叶绿体来自蓝细菌的唯一证据，D错误。 考点3　光合作用的原理 整合必备知识 1.光合作用的探究历程 时间/发现者 内容 19世纪末 科学界普遍认为，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年 科学家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年希尔(英国) 在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出氧气 1941年鲁宾、卡门 (美国) 用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源，H218O＋CO2 18 O2，H2O+C18O2 O2，得出光合作用释放的氧全部来自水 1954年、1957年 阿尔农(美国) 在光照下，叶绿体可合成ATP，这一过程总是与水的光解相伴随 20世纪40年代 卡尔文(美国) 用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的 2.光合作用的过程 3.明确光合作用中的两种关系 (1)光合作用中元素的去向 ①反应式及元素去向： ②同位素标记元素转移途径： (2)光反应与暗反应的联系 ①物质方面：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能量方面： a.光反应中光能转换为化学能并非只储存于ATP中，NADPH中也含有能量。 b.暗反应中C3还原消耗的能量不只来自光反应产生的ATP，还可由NADPH提供。 ③有机物积累：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连续光照处理有机物积累量要多。 ④相互依存：没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成。 4.光合作用反应式 CO2＋H2O (CH2O)＋O2 [深挖教材] (1)(必修1 P104“相关信息”)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)。 (2)(必修1 P104“相关信息”)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。 (3)(必修1 P106“楷体文字”)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 条件 光、色素、酶 酶 原料 CO2和H2O等无机物 产物 糖类等有机物 能量来源 光能 某些无机物氧化时释放的能量 生物种类 绿色植物、蓝细菌等 硝化细菌、硫细菌等 5.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 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 6.光合作用的意义 太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。 【易错辨析】　//////////////////////////////// (1)鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物是淀粉。(×) 提示：鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物——氧气中的氧来自水。 (2)光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜。(×) 提示：ATP的合成在叶绿体类囊体薄膜上进行，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。 (3)C是组成糖类的基本元素，在光合作用中C从CO2开始先后经C3、C5最后形成糖类。(×) 提示：在光合作用中C从CO2开始先经C3，一部分C3经过一系列反应转化为糖类，另一部分C3经过一系列变化，又形成C5。 提升关键能力 研究人员受到了自然光合作用的启发，在太阳能分解水的技术上，开发出了高效的化学催化剂，再利用“光能→电能→化学能”的能量转变方式，将二氧化碳固定还原成了更容易溶于水的甲醇等一碳化合物(C1)。在这个步骤中，光能的能量转化效率超过10%，远超自然光合作用的能量利用效率(2%)。完整的人造淀粉合成代谢路线(ASAP)如图所示： (1)图示模拟的是光合作用的什么过程？人工合成淀粉过程和自然光合作用下关于二氧化碳的固定是否相同，为什么？ 提示：暗反应。不相同；人工合成淀粉过程中二氧化碳固定还原成了更容易溶于水的甲醇等一碳化合物，而自然光合作用下二氧化碳固定合成的是三碳化合物。 (2)图中显示CO2还原需要人工提供的能量来自H2、ATP。植物叶肉细胞中碳的还原所需要能量由NADPH、ATP提供。 (3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，人工合成淀粉过程中糖类的积累量等于植物吗？为什么？ 提示：不等于。因为人工合成淀粉过程中没有呼吸作用消耗糖类。 (4)从生态环境的角度阐述人工合成淀粉的意义。 提示：避免使用农药和化肥对环境产生的负面影响；从实现碳中和角度来说可以直接减少空气中的CO2等。 落实素养题组 1.(2023·湖北高考)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体，PSⅡ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ，通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ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，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强 B.Mg2＋含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱 C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，不利于对光能的捕获 D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2 解析：选C。由图可知，强光下，PSⅡ与LHCⅡ分离，减弱PSⅡ光复合体对光能的捕获；弱光下，PSⅡ与LHCⅡ结合，增强PSⅡ光复合体对光能的捕获。叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ与PSⅡ分离减少，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强，A正确；Mg2＋是叶绿素的组成成分，其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少，导致其对光能的捕获减弱，B正确；弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，增强对光能的捕获，C错误；PSⅡ光复合体能吸收光能，并分解水，水的光解产生H＋、电子和O2，D正确。 2.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＋1/2 O2。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，错误的是(　　) A.光合作用释放的O2来自水而不是CO2 B.可得出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：选B。由题中的信息(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；从希尔反应和阿尔农发现的叙述中，得不到信息“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，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。 　　　　　　　　　　　　　　　　[高考真题·感悟试做]　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述，错误的是(　　) A.N元素和Mg元素是构成叶绿素分子的重要元素 B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上 C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰 D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越慢 解析：选D。叶绿素的元素组成是C、H、O、N、Mg，所以N元素和Mg元素是构成叶绿素分子的重要元素，A正确；光反应的场所是类囊体薄膜，需要光合色素吸收光能，所以叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体的类囊体薄膜上，B正确；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰，C正确；叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越快，D错误。 2.(2022·湖北高考)某植物的2种黄叶突变体表型相似，测定各类植株叶片的光合色素含量(单位：μg·g－1)，结果如表。下列有关叙述正确的是(　　) 植株类型 叶绿素a 叶绿素b 类胡萝卜素 叶绿素/类胡萝卜素 野生型 1 235 519 419 4.19 突变体1 512 75 370 1.59 突变体2 115 20 379 0.36 A.两种突变体的出现增加了物种多样性 B.突变体2比突变体1吸收红光的能力更强 C.两种突变体的光合色素含量差异，是由不同基因的突变所致 D.叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色 解析：选D。两种突变体之间并无生殖隔离，仍属同一物种，只能体现遗传多样性，A错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，突变体2的叶绿素a和叶绿素b的含量比突变体1少，故突变体2比突变体1吸收红光的能力弱，B错误；两种突变体的光合色素含量差异，可能是同一个基因突变方向不同导致的，C错误；野生型的叶绿素与类胡萝卜素的比值为4.19，叶绿素含量较高，叶片呈绿色，叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降，叶绿素含量少，不能掩盖类胡萝卜素的颜色，此时叶片呈黄色，D正确。 3.(2023·全国甲卷)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。回答下列问题。 (1)叶片是分离制备叶绿体的常用材料，若要将叶肉细胞中的叶绿体与线粒体等其他细胞器分离，可以采用的方法是____________(答出1种即可)。叶绿体中光合色素分布在__________上，其中类胡萝卜素主要吸收__________(填“蓝紫光”“红光”或“绿光”)。 (2)将叶绿体的内膜和外膜破坏后，加入缓冲液形成悬浮液，发现黑暗条件下悬浮液中不能产生糖，原因是_________________________________________________________。 (3)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。 ________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 解析：(1)植物细胞器的分离方法可用差速离心法，叶绿体中的光合色素分布在类囊体(薄)膜上，光合色素中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。(2)光合作用的光反应和暗反应同时进行，黑暗条件下无光，光反应不能进行，无法为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应无法进行，不能生成糖。(3)要验证叶绿体中有光合作用产物淀粉，需要将叶绿体提取出来并检测其中淀粉。因此将生长状况良好且相同的植物叶片分为甲、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状态下，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。预期的结果：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。 答案：(1)差速离心法　类囊体(薄)膜　蓝紫光　(2)在黑暗条件下，光反应无法进行，暗反应没有光反应提供的ATP和NADPH，所以无法形成糖类。　(3)实验思路：将生长状况良好且相同的植物叶片分为甲、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状态下，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。实验结果：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。 学科网（北京）股份有限公司 $$