内容正文:
第2课时 绿色植物光合作用的过程
学习目标
1.阐述光合作用的过程和实质。
2.明确光合作用的物质变化和能量转换。
3.举例说明化能合成作用。
CONTENTS
目录
课时跟踪检测
教材知识梳理
1.希尔实验
实验过程 在研磨绿叶后制取_______悬液,并向悬液中加入______,然后给予光照后观察
实验结果 ①Fe3+被还原为______。②离体的叶绿体释放出了_____
实验结论 一定程度上证明了光合作用在_______中进行
叶绿体
草酸铁
Fe2+
氧气
叶绿体
2.叶绿体
(1)结构
外膜
内膜
类囊体
基粒
叶绿体基质
(2)功能:___________进行光合作用的场所。
(3)分布
①细胞内的叶绿体一般分布在__________与____之间的细胞质中。
②在光照较弱的情况下,叶绿体会汇集到细胞_____,以最大限度地吸收光能。
③当光照强度很高时,叶绿体会移动到细胞______,以避免强光的伤害。
绿色植物
细胞质膜
液泡
顶面
侧面
3.光合作用的过程
(1)光反应阶段
场所 叶绿体的__________上
条件 必须有____、叶绿体中的_________和酶等
类囊体膜
光
光合色素
O2
ATP
续表
能量转化
续表
(2)暗反应阶段
叶绿体基质
C5
[H]
[H]
糖分子
(3)光合作用总反应式
__________________________。
(4)光合作用的概念:绿色植物细胞中的_________从太阳光中__________,并将这些能量在CO2和H2O转变为________的过程中,___________为糖分子中________的过程。
叶绿体
捕获能量
糖与O2
转换并储存
化学能
4.化能合成作用
概念 通过氧化外界环境中的________获得的_______来合成_______,这种制造有机物的方式,称为化能合成作用
无机物
化学能
有机物
生物类型 自然界中的一些微生物,如土壤中的_________、硫细菌和______等。
①实例:硝化细菌能将_____氧化成_______,进而将亚硝酸氧化成_____________。
②过程
a.2NH3+3O2―→2HNO2+2H2O+能量
b.2HNO2+O2―→2HNO3+能量
意义 对维持地球上的_________和____________、流动也具有一定的作用
硝化细菌
铁细菌
NH3
亚硝酸
硝酸(HNO3)
物质循环
能量的转换
续表
微提醒:光反应与暗反应的联系
(1)光反应为暗反应提供NADPH、ATP,暗反应为光反应提供NADP+、ADP和Pi。
(2)没有光反应,暗反应无法长时间进行,没有暗反应,有机物无法合成。
1.光合作用概念分析
(1)场所:叶绿体。
(2)能量来源:光能。
(3)反应物:二氧化碳和水。
(4)产物:糖和氧气。
(5)实质:合成有机物,储存能量。
核心要点点拨
(2)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向
(3)叶绿体中[H]、ATP、ADP和Pi的运动方向
①[H]和ATP:类囊体膜→叶绿体基质。
②ADP和Pi:叶绿体基质→类囊体膜。
3.总结条件骤变对相关物质含量变化的影响
下图中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。
经典考题探究
[典例] 根据光合作用过程示意图回答下列问题:
(1)图中Ⅰ为_________阶段,Ⅱ为_______阶段,二者不仅同时进行,而且耦合在一起,共同完成光合作用过程。
(2)叶绿体中的光合色素吸收太阳能,将_____转换为______,形成了_____________________的动力。
光反应
暗反应
光能
化学能
推动CO2和H2O合成糖
(3)暗反应有光无光都能进行,那么暗反应能较长时间在黑暗条件下进行吗?为什么?
提示:不能。因为在黑暗条件下不能进行光反应,暗反应缺少光反应提供的NADPH和ATP时不能进行。
(4)若用同位素18O标记H2O中的O,则能在光合作用的哪些物质中检测到18O?
提示:可在释放的O2中检测到18O。
(5)若用14C标记CO2中的C,请写出光合作用过程中14C的转移途径。
提示:14CO2―→14C3―→(14CH2O)、14CO2―→14C3―→14C5。
(6)夏季中午,气孔关闭后,会导致CO2供应不足,短时间内叶绿体中C3和C5的含量会发生怎样的变化?
提示:C3减少,C5增多。
(一)澄清概念
1.判断下列叙述的正误
(1)希尔反应是离体叶绿体在适当条件下发生水的光解产生O2的化学反应( )
(2)光合作用释放的O2来源于CO2和H2O( )
层级训练评价
√
×
(3)光反应和暗反应不仅同时进行,而且耦合在一起,共同完成光合作用过程( )
(4)卡尔文循环就是将CO2、ATP和NADPH转变为葡萄糖的复杂生化反应( )
(5)化能合成作用区别于光合作用的关键是能量来源不同,其能量来源于有机物中的化学能( )
√
×
×
(二)落实知能
2.科学家用含有14C的CO2来追踪光合作用中的碳原子的转移途径,该碳原子的转移途径是( )
A.CO2→C3→糖类 B.CO2→叶绿体→ATP
C.CO2→C5→糖类 D.CO2→C5→C3
√
解析:根据暗反应中CO2的固定和C3的还原过程可知CO2中的碳原子转移途径为CO2→C3→糖类以及CO2→C3→C5。
3.叶绿体中光能转换成电能时,电子的最终来源及最终受体是( )
A.叶绿素a、NADPH B.H2O、NADP+
C.叶绿素a、NADP+ D.H2O、NADPH
√
解析:光能被色素分子吸收后,首先被用于水的光解,产生O2、H+和电子。产生的电子用于NADPH的合成,即电子的最终受体是NADP+。
4.如图表示光合作用的过程,其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的两个阶段,a、b表示相关物质。下列相关叙述正确的是( )
A.物质a表示NADPH
B.物质b表示C3
C.阶段Ⅰ在叶绿体基质中进行
D.阶段Ⅱ在黑暗条件下发生
√
(三)迁移应用
5.科学家通过将菠菜的“捕光器”与9种不同生物体的酶结合起来,制造了人造叶绿体。这种叶绿体可在细胞外工作、收集阳光,并利用由此产生的能量将CO2转化成富含能量的分子。有机物的转化过程如图所示,下列叙述错误的是( )
A.物质X表示NADPH,CO2浓度下降物质X的含量上升
B.通过添加不同的酶可能会制备出合成不同有机物的叶绿体
C.“捕光器”上的光合色素能将光能转化为ATP和物质X中的化学能
D.叶肉细胞和人造叶绿体合成等量的有机物时向外界释放的O2量相等
√
解析:由图可知,物质X表示NADPH,CO2浓度下降导致CO2固定受到抑制,C3减少,C3的还原变慢,物质X的含量上升,A正确;由题意可知,通过将菠菜的“捕光器”与9种不同生物体的酶结合起来,制造了人造叶绿体,说明通过添加不同的酶可能会制备出合成不同有机物的叶绿体,B正确;“捕光器”上的光合色素能将光能转化为ATP和物质X中的化学能,C正确;叶肉细胞进行有氧呼吸时消耗O2,所以叶肉细胞和人造叶绿体合成等量的有机物时生成的O2量相等,但向外界释放的O2量不相等,D错误。
6.下图是绿色植物叶肉细胞内进行的光合作用过程示意图,请据图回答问题。
(1)鲁宾和卡门运用______________法,证明光合作用释放的O2来自水。
(2)图中物质a为________________________,该物质在过程②的________________阶段被利用。
(3)14CO2通过自由扩散方式从__________________(填场所)中进入叶绿体后被固定生成C3。
(4)若光合作用的直接产物是葡萄糖(C6H12O6),则每产生1分子葡萄糖,至少需要完成________次过程②所示循环。
解析:(1)鲁宾和卡门运用同位素标记法,利用18O分别对水和CO2进行标记,证明光合作用释放的O2来自水。(2)NADP+和H+和e-生成NADPH,物质a为NADPH;过程②为卡尔文循环,其中C3的还原需要NADPH。(3)14CO2通过自由扩散方式从细胞质基质中进入叶绿体后被固定生成C3。(4)1分子CO2进行一次卡尔文循环,有一个碳原子可以离开该循环,葡萄糖含有6个碳原子,需要6个CO2进行6次卡尔文循环。
答案:(1)同位素标记 (2)NADPH(或[H]) C3的还原 (3)细胞质基质 (4)6
一、知识体系构建
层级训练评价
二、关键语句必背
1.光反应的场所是类囊体膜上,产物是O2、NADPH和ATP。暗反应的场所是叶绿体基质,产物是糖类等物质。
2.光合作用的能量转变:光能→电能→ATP和NADPH中的化学能→糖分子中的化学能。
3.在光反应中,光合色素吸收光能,水裂解释放O2,电子传递,ATP和NADPH的形成是耦合在一起的,共同完成光反应,即将太阳能最终转换为化学能并产生O2。
4.卡尔文循环就是将CO2、ATP和NADPH转变为磷酸丙糖(一种三碳糖)的复杂生化反应。
课时跟踪检测
NO.4
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A级——基础综合练
1.小球藻在光照条件下,其细胞中NADP++2e-+H+―→NADPH的反应发生在( )
A.叶绿体的类囊体膜上 B.叶绿体基质中
C.线粒体内膜上 D.线粒体基质中
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解析:题述反应发生在光反应阶段,反应场所为叶绿体的类囊体膜。
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2.(2024·盐城质量检测)下列属于光反应产生的,且是暗反应所必需的物质是( )
A.H2O、CO2、ADP B.O2、[H]、ATP
C.ATP、[H] D.H2O、[H]、ATP
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解析:光反应可进行水的光解,产生O2和[H],同时还生成ATP,暗反应包括CO2的固定和C3的还原,其中C3的还原过程需要光反应产生的[H]和ATP,C符合题意。
3.硝化细菌进行化能合成作用时需要氧化的无机物、合成有机物需要的能量分别是( )
A.铵盐、化学能 B.NH3、化学能
C.NH3、光能 D.二氧化碳、光能
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解析:硝化细菌能将土壤中的氨(NH3)氧化成亚硝酸(HNO2),进而将亚硝酸氧化成硝酸(HNO3),这两个化学反应中释放出的化学能,就被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类,B符合题意。
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4.睡莲叶片上表皮上的气孔数目多于下表皮,此特点有利于睡莲与外界环境进行气体交换。气孔关闭会导致睡莲叶片光合作用速率下降,其表现在( )
A.叶绿体内C5的含量太低
B.暗反应中产生的三碳化合物数量不足
C.水光解产生的氧气数量不足
D.暗反应所需还原剂的数量不足
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解析:气孔关闭,使二氧化碳浓度降低,影响二氧化碳的固定,导致C3含量降低,短时间内叶绿体内C5的含量升高,A错误,B正确;短时间内气孔关闭不会影响水的光解,因此产生氧气和NADPH的数量不变,暗反应所需还原剂的数量不变,C、D错误。
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5.将某绿色植物置于适宜条件下培养,突然停止CO2供应,最可能发生的是( )
A.叶绿体中ATP和[H]的消耗速率会加快
B.光反应阶段水光解的速率不会发生变化
C.叶绿体中C3含量将降低,C5含量将升高
D.叶绿体中ATP的合成速率不会发生变化
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解析:突然停止CO2供应,CO2的固定减少,C3的生成减少,ATP和[H]的消耗速率会减慢,A错误;暗反应减慢,光反应也会受到影响,水的光解和ATP的合成速率会发生变化,B、D错误;突然停止CO2供应,短时间内CO2的固定下降,C3含量将降低,C5的消耗减少,而C3的还原几乎不变,所以短时间内C3含量将降低,C5含量将升高,C正确。
6.(2024·淮安质检)光合作用过程包括光反应和暗反应,下图表示光反应与暗反应的关系,据图判断下列叙述不正确的是( )
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A.光反应为暗反应提供ATP和NADPH
B.停止光照,叶绿体中ATP和NADPH含量下降
C.ATP的移动方向是由类囊体薄膜到叶绿体基质
D.植物在暗处可大量合成(CH2O)
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解析:植物在暗处,由于没有光照,产生的ATP和NADPH不足,导致暗反应产生的(CH2O)减少,D错误。
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7.下图表示光合作用过程,其中Ⅰ、Ⅱ 代表光合作用的两个阶段,a、b、c表示相关物质,下列说法不正确的是( )
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A.物质a表示NADPH,物质b为ADP
B.物质a仅作为还原剂参与Ⅱ过程,为Ⅱ过程提供能量的仅有ATP
C.Ⅰ、Ⅱ过程分别表示光反应、暗反应阶段,二者都需要酶的参与
D.白天若将植株遮光处理,则其叶绿体中NADP+/NADPH的值会升高
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解析:光反应中,水的光解产生氧气和NADPH,因此物质a是NADPH,物质b表示ADP,A正确;物质a是NADPH,该物质不仅仅作为还原剂,还作为能源物质参与Ⅱ过程,B错误;图中Ⅰ、Ⅱ过程分别表示光反应、暗反应阶段,二者均需要酶的催化,C正确;白天若将植株遮光处理,则光反应速率会下降,产生的NADPH和ATP的数量会减少,因而叶绿体中NADP+/NADPH的值会升高,D正确。
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8.用不同浓度的某除草剂分别处理品种甲和品种乙杂草的离体叶绿体,再将叶绿体加到含有DCIP(氧化剂)、蔗糖和pH=7.3的磷酸缓冲液中,照光进行希尔反应,测定除草剂对杂草光合作用的抑制效果,实验结果如图所示。下列叙述错误的是( )
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A.进行希尔反应时,溶液中的DCIP被还原
B.实验中离体叶绿体中发生水的光解、产生氧气
C.氧气的产生和糖类的合成在不同阶段进行
D.相同浓度除草剂处理后,品种乙的光合作用受抑制程度更大
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解析:离体叶绿体加到含有DCIP(氧化剂)、蔗糖和pH=7.3的磷酸缓冲液中,则进行希尔反应时,溶液中的DCIP被还原,释放氧气,A正确;叶绿体的类囊体膜是光反应的场所,可发生水的光解、产生氧气,B正确;氧气的产生发生在光反应阶段,糖类的合成发生在暗反应阶段,C正确;相同浓度除草剂处理下,品种乙的叶绿体放氧速率高于品种甲,说明品种甲的光合作用受抑制程度更大,D错误。
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9.研究人员发现小球藻叶绿体基质中某化合物M的相对含量随着外界环境条件的变化(起始环境为适宜条件)发生如图所示的变化。下列有关分析错误的是( )
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10.[多选]在光合作用中,RuBP 羧化酶能催化CO2+C5(即RuBP)―→2C3。为测定RuBP 羧化酶的活性,某学习小组从菠菜叶中提取该酶,用其催化C5 与14CO2 的反应,并检测产物14C3 的放射性强度。下列分析正确的是( )
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A.菠菜叶肉细胞内RuBP 羧化酶催化上述反应的场所是叶绿体基质
B.RuBP 羧化酶催化的上述反应需要在无光条件下进行
C.测定RuBP 羧化酶活性的过程中运用了同位素标记法
D.单位时间内14C3 生成量越多说明RuBP 羧化酶活性越高
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解析:光合作用的暗反应阶段在叶绿体基质中进行,则RuBP羧化酶催化二氧化碳的固定发生在叶绿体基质中,A正确;由题干可知,RuBP羧化酶能催化暗反应阶段中二氧化碳的固定过程,该过程有光无光都可进行,但光合作用暗反应需要利用光反应的产物,在无光的条件下,暗反应不能长时间正常进行,B错误;从菠菜叶中提取该酶,用其催化C5与14CO2的反应,并检测产物14C3的放射性强度,该过程中利用了同位素标记法,C正确;
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酶催化活性的高低可通过检测单位时间内产物的生成量或反应物的消耗量来判断,单位时间内产物的生成量越多或反应物的消耗量越多,则反应越快,反之则慢,所以单位时间内14C3生成量越多说明RuBP羧化酶活性越高,D正确。
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11.(13分)下图是光合作用过程示意图(字母代表物质),图中PSBS是一种类囊体膜蛋白,它能感应类囊体腔内的高浓度质子(H+)而被激活,激活了的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递,最终将过量的光能转换成热能释放,从而防止强光对植物细胞造成损伤。
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(1)图中的A是____________,C是____________,D是__________________。
(2)叶绿素a分布于________________上,主要吸收________________光。
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(3)若反应Ⅱ中E浓度突然降低至一半,短时间内C5的含量将________。如果追踪E中碳元素的去向,常用__________________________法。
(4)过度光照将会激活膜蛋白PSBS,直接抑制反应Ⅰ中______________反应,会导致电子不能传递给________(填字母),所以过量的光能将不能转变为化学能。
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解析:(1)叶绿体中光合色素吸收的光能将水分解为氧和H+,氧直接以氧分子的形式释放出去,故A为氧气。在ATP合成酶的作用下,能在跨膜H+浓度梯度的推动下合成ATP,故C是ATP。D和H+可形成NADPH,因此D是NADP+。(2)叶绿素a分布于叶绿体的类囊体膜上,主要吸收红光和蓝紫光。
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(3)在暗反应中,E是二氧化碳,若二氧化碳的浓度突然降低至一半,C5的消耗量减少,短时间内C5合成量不变,故C5的含量将升高,如果追踪反应Ⅱ中相关元素的去向,常用同位素标记(示踪)法。(4)由题干“激活了的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递,最终将过量的光能转换成热能释放”可知,过度光照将会激活膜蛋白PSBS,直接抑制反应Ⅰ中水的光解,进而导致电子在类囊体膜上的传递减少,会抑制电子、H+与D(NADP+)结合的过程,即导致电子不能传递给D,所以过量的光能将不能转变为化学能。
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答案:(1)O2 ATP NADP+(或氧化型辅酶Ⅱ)
(2)类囊体膜 红光和蓝紫 (3)升高 (放射性)同位素标记 (4)水的光解 D
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B级——应用创新练
12.在弱光照条件下,植物细胞的C3和C5相对含量维持平衡,若改变某种环境因素,短时间内C3和C5的相对含量将发生如图所示的变化。下列分析正确的是( )
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A.a为C5,改变条件为增加光照强度
B.b为C5,改变条件为提高CO2浓度
C.a为C3,改变条件为增加光照强度
D.b为C3,改变条件为提高CO2浓度
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解析:由于1CO2+1C5―→2C3,所以达到平衡时,C3的含量大于C5含量,即a为C3,b为C5,A、D错误;若增加光照强度,光反应产生的NADPH和ATP增多,被还原的C3增多,生成的C5增多,而CO2被C5固定形成C3的过程不变,故C3的含量将减少,C5的含量将增加,C正确;若提高CO2浓度,CO2被C5固定形成的C3增加,则消耗的C5增加,短时间内C3的还原速率不变,故C5的含量将减少,C3的含量将增加,B错误。
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13.(2024·苏州月考)[多选]我国科学家设计了一种人造淀粉合成途径(如图所示),成功将CO2和H2O转化为淀粉。利用该途径有利于缓解粮食短缺问题。下列说法正确的是( )
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A.①过程模拟植物光合作用的光反应阶段,②③④过程模拟植物叶肉细胞的线粒体中的反应
B.人工合成淀粉不消耗能量,有利于缓解全球能源危机
C.干旱条件下,植物叶片气孔关闭,会导致光合速率下降
D.人造淀粉合成过程与植物光合作用过程的本质都是将CO2转化为有机物
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解析:①为水裂解产生H+、e-、O2,模拟的是光合作用的光反应阶段;②③④过程模拟植物叶肉细胞的暗反应阶段,发生在叶肉细胞的叶绿体基质中,A错误;人工合成淀粉需要消耗能量,B错误;CO2是暗反应的原料,干旱条件下,水分供应不足,为减少水分散失,部分气孔关闭,CO2供应不足,暗反应速率下降,进而导致光合速率下降,C正确;人造淀粉合成过程与植物光合作用过程的本质都是将CO2转变为有机物的过程,D正确。
14.[多选]光合作用光
反应可分为原初反应、电子
传递和光合磷酸化。原初反
应中光能经色素的吸收和传
递后使PSⅠ和PSⅡ上发生电荷分离产生高能电子,高能电子推动着类囊体膜上的电子传递。电子传递的结果是一方面引起水的裂解以及NADP+的还原;另一方面建立跨膜的H+浓度梯度,启动光合磷酸化形成ATP。光反应的部分过程如图所示。下列说法正确的是( )
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A.原初反应实现了光能到电能的能量转化过程
B.类囊体膜内外H+浓度梯度的形成与水的裂解、质体醌的转运以及NADP+的还原有关
C.图中H+通过主动运输进入叶绿体基质
D.光反应产生的NADPH和ATP用于暗反应中C3的还原
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解析:根据题干“原初反应中光能经色素的吸收和传递后使PSⅠ和PSⅡ上发生电荷分离产生高能电子”可知,原初反应实现了光能到电能的能量转化过程,A正确;由图可知,类囊体膜内外H+浓度梯度的形成(即叶绿体基质中的H+浓度低,类囊体腔中的H+浓度高)与水的裂解、质体醌的转运以及NADP+的还原有关,B正确;
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叶绿体基质中的H+浓度低,类囊体腔中的H+浓度高,即H+从类囊体腔进入叶绿体基质属于顺浓度梯度运输,且需要载体蛋白,故图中H+通过协助扩散进入叶绿体基质,C错误;C3在光反应提供的ATP和NADPH的作用下还原生成C5和糖类等有机物,D正确。
本课结束
过程
①水的裂解:H2O2H++2e-+1/2____
②NADP+的还原:NADP++H++2e-NADPH
③ATP的生成:ADP+Pi+能量_____
场所
_____________
条件
有光或无光,需要多种酶参与
过程
①CO2的固定:CO2+____2C3
②C3的还原:2C3+____(CH2O)+C5
能量转化
ATP和___中活跃化学能―→______中的稳定化学能
CO2+H2O(CH2O)+O2
2.分析光合作用过程中的物质变化
(1)光合作用过程中O、C元素转移途径
①HO18O2
C18O2C3(CHO)
②14C3(14CH2O)14C314C5
解析:光反应中,水的光解产生O2和[H],因此物质a表示[H](或NADPH),A正确;在光反应阶段,ADP+Pi+能量ATP,因此图中b表示ATP,B错误;图中阶段Ⅰ属于光合作用的光反应阶段,发生在类囊体膜上,C错误;阶段Ⅱ为暗反应,在有光和无光条件下均可进行,D错误。
A.T4后,小球藻的光合速率下降
B.T1后,短时间内叶绿体中C3的相对含量减少
C.M可参与CO2的固定,该过程不需要光反应提供ATP
D.若实验过程中给小球藻提供HO,小球藻可以产生18O2
解析:结合曲线可知,T4后小球藻的光合速率下降,A正确;T1后,光反应停止,叶绿体中ATP、[H]的含量降低,CO2的固定仍在继续,C3的还原速率降低,因此C3的相对含量增加,B错误;M位于叶绿体基质,根据图示信息可知,M为C5,可与CO2结合生成C3,该过程不需要光反应提供ATP,C正确;若实验过程中给小球藻提供HO,HO的光解能产生18O2,D正确。
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