2025届高三生物二轮复习光合作用的原理讲义

专题二：细胞代谢 第3课时 光合作用的原理 讲义 命题规律 立意： 本课时旨在巩固学生对光合作用基本原理的掌握，包括光合作用的反应过程、关键物质和能量转换机制。 通过本课时的学习，学生应能够运用光合作用的原理分析生物学问题，培养科学思维和问题解决能力；引导学生理解光合作用在生态系统中的重要性，提升对生命科学的兴趣和科学探究精神 情境： 引入光合作用领域的最新科研成果，如光合作用效率提升的分子机制、环境变化对光合作用的影响等，激发学生的科学探索热情。 结合大学教材，深入探讨光合作用的光反应和暗反应的分子过程，包括光系统II和光系统I的作用机制、电子传递链和光合磷酸化等；通过分析农业生产中的光合作用应用实例，如作物的光周期调控、光合作用与作物产量的关系等，展示光合作用原理在实际生产中的重要性。 设问： 设计问题以检验学生对光合作用基本概念的记忆，例如“以产生的糖类是葡萄糖为例，写出光合作用的总反应式”“光反应与暗反应的主要区别是什么？”； 理解深化：提出问题以促进学生对光合作用原理的深入理解，例如“光合作用中光能是如何转化为化学能的？”等； 设计问题以考查学生将光合作用原理应用于实际问题的能力，例如“如何通过调整光照条件来提高作物的光合作用效率？”“在干旱条件下，植物如何调整光合作用来适应环境？”； 鼓励学生进行科学探究和创新思考，例如“设计一个实验来探究不同波长的光对光合作用效率的影响。”等。 核心考向一 光合作用的原理 核心考向二 光合作用和细胞呼吸的关系 教材剖析 核心考向一：光合作用的原理 1.教材梳理 1.光合作用的概念及反应式 (1)光合作用的概念：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： 2.光合作用的过程 项目 光反应 暗反应 过程模型 实质 光能转换为化学能，并放出O2 同化CO2形成有机物 时间 短促 ，以微秒计 较 缓慢 条件 色素、光、酶、水、ADP、NADP＋、Pi，必须有光 多种酶、ATP、NADPH、CO2、C5，有无光均可 场所 在叶绿体内的 类囊体薄膜 上进行 在 叶绿体基质 中进行 物质转化 ①水的光解： 2H2O4H＋＋O2； ②ATP的合成： ADP＋Pi＋能量ATP； ③NADPH的合成： NADP＋＋H＋NADPH ①CO2的固定： CO2＋C52C3； ②C3的还原： 注：NADPH为C3还原提供还原剂和能量。 能量转化 光能→ ATP和NADPH中活跃的化学能 ATP和NADPH中活跃的化学能→ 有机物中稳定的化学能 关系 在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体薄膜上的色素捕获后，将水分解为 O2和H＋ 等，形成 ATP和NADPH ，于是光能转化成 ATP和NADPH中的化学能 ； ATP和NADPH 驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。 化能合成作用与光合作用的对比 项目 化能合成作用 光合作用 条件 酶 光、色素 、酶 原料 CO2和H2O等无机物 产物 糖类 等有机物 能量来源 某些无机物氧化时释放的能量 光能 生物种类 硝化细菌 、硫细菌等 绿色植物、蓝细菌等 【技巧总结】环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 方法一：“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： 方法二：“模型法”表示C3和C5等物质含量变化 经典例题 8 学科网（北京）股份有限公司 1．（2023·天津·高考真题）下图是某绿藻适应水生环境，提高光合效率的机制图。光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成。下列叙述 错误的是（    ） A．物质X通过提高有氧呼吸水平促进HCO3-进入细胞质基质 B．HCO3-利用通道蛋白从细胞质基质进入叶绿体基质 C．水光解产生的H+提高类囊体腔CO2水平，促进CO2进入叶绿体基质 D．光反应通过确保暗反应的CO2的供应帮助该绿藻适应水环境 【答案】B 【知识点】主动运输、光反应、暗（碳）反应的物质变化和能量变化、协助扩散 【分析】光反应阶段在叶绿体囊状结构薄膜上进行，此过程必须有光、色素、光合作用的酶．具体反应步骤：①水的光解，水在光下分解成氧气和还原氢；②ATP生成，ADP与Pi接受光能变成ATP，此过程将光能变为ATP活跃的化学能。 【解析】A、光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成，因此物质X可通过提高 有氧呼吸水平促进HCO3-进入细胞质基质。A正确；B、HCO3-进入叶绿体基质也需要线粒体产生的ATP供能，属于主动运输，通道蛋白只能参与协助扩散，B错误；C、据图可知，光反应中水光解产生的H+促进HCO3-进入类囊体，并与HCO3-在类囊体腔内反应产生CO2，因此能提高类囊体腔CO2水平，C正确；D、据图可知，光反应生成的物质X（O2）促进线粒体的有氧呼吸，产生更多的ATP，有利于HCO3-进入叶绿体基质，产生CO2，保证了暗反应的CO2供应，D正确。故选B。 2．（2024·河南新乡·一模）下图为光合作用的某一阶段示意图，其中PSⅠ和PSⅡ分别表示光系统Ⅰ和光系统Ⅱ。缺铁会使光系统Ⅱ中的蛋白质含量显著下降，从而导致光合速率下降。下列有关分析正确的是（    ） A．上图表示叶绿体内膜上发生的光反应阶段 B．缺铁会导致ATP和NADPH的合成量都减少 C．ATP合成酶可提供能量，且具有运输离子的作用 D．铁是组成叶绿素的微量元素，故缺铁会抑制植物的生长 【答案】B 【知识点】光反应、暗（碳）反应的物质变化和能量变化 【分析】光反应又称为光系统电子传递反应。在反应过程中，来自于太阳的光能使绿色生物的叶绿素产生高能电子从而将光能转变成电能。然后电子通过在叶绿体类囊体膜中的电子传递链间的移动传递，并将H+质子从叶绿体基质传递到类囊体腔，建立电化学质子梯度，用于ATP的合成。光反应的最后一步是高能电子被NADP+接受，使其被还原成NADPH。 【解析】A、图示为光反应阶段，光反应阶段不发生在叶绿体内膜上，而发生在叶绿体类囊体薄膜上，A错误；B、题意显示，缺铁会使光系统Ⅱ中的蛋白质含量显著下降，进而导致水的光解减弱，导致ATP和NADPH合成减少，即缺铁会导致ATP和NADPH的合成量都减少，B正确；C、ATP合成酶不能提供能量，能降低化学反应的活化能，C错误；D、叶绿素不含铁元素，D错误。故选B。 3．（2024·江苏·高考真题）科研人员对蓝细菌的光合放氧、呼吸耗氧和叶绿素a含量等进行了系列研究。图1是蓝细菌光合作用部分过程示意图，图2是温度对蓝细菌光合放氧和呼吸耗氧影响的曲线图。请回答下列问题： (1)图1中H+从类囊体膜内侧到外侧只能通过ATP合酶，而O2能自由通过类囊体膜，说明类囊体膜具有的特性是 。碳反应中C3在 的作用下转变为（CH2O），此过程发生的区域位于蓝细菌的 中。 (2)图2中蓝细菌光合放氧的曲线是 （从“甲”“乙”中选填），理由为 。 (3)在一定条件下，测定样液中蓝细菌密度和叶绿素a含量，建立叶绿素a含量与蓝细菌密度的相关曲线，用于估算水体中蓝细菌密度。请完成下表： 实验目的 简要操作步骤 测定样液蓝细菌数量 按一定浓度梯度稀释样液，分别用血细胞计数板计数，取样前需① 浓缩蓝细菌 ② ③ 将浓缩的蓝细菌用一定量的乙醇重新悬浮 ④ 用锡箔纸包裹装有悬浮液的试管，避光存放 建立相关曲线 用分光光度计测定叶绿素a含量，计算 【答案】(1)选择透过性 ATP、NADPH和酶 细胞质基质 (2)乙 常温下光合作用产生氧气的量大于呼吸作用消耗氧气的量，这样植物才能积累有机物，正常生长 (3)摇匀 稀释样液离心，取下层沉淀物 提取叶绿素 防止叶绿素降解 【知识点】真核细胞与原核细胞、绿叶中色素的提取和分离实验、光反应、暗（碳）反应的物质变化和能量变化 【解析】类囊体膜允许某些物质通过，而限制另一些物质通过，这体现了类囊体膜具有选择透过性。碳反应中，C3在光反应产生的ATP和NADPH的作用下，三碳化合物被还原为糖类等有机物，蓝细菌是原核生物，此过程发生在蓝细菌的细胞质基质中。光合作用产生氧气，而呼吸作用消耗氧气。一般来说，光合作用在一定温度范围内随温度升高而增强，产生的氧气增多；呼吸作用在一定温度范围内随温度升高而增强，消耗的氧气增多。但通常光合作用产生氧气的量大于呼吸作用消耗氧气的量，这样，植物才能积累有机物，正常生长，所以图2中蓝细菌光合放氧的曲线是乙。第三问：第一步：测定样液蓝细菌密度时，取样前需摇匀，以保证计数的准确性。第二步：浓缩蓝细菌，将稀释样液离心，取下层沉淀物。第三步：将浓缩的蓝细菌用一定量的乙醇重新悬浮，是为了提取叶绿素。第四步：用锡箔纸包裹装有悬浮液的试管，避光存放，以防止叶绿素降解。 核心考向二：光合作用与细胞呼吸的关系 （1）物质方面 （2）能量方面 ATP和NADH、NADPH的来源和去向 物质 来源 去路 ATP 光反应阶段；有氧呼吸第一、二、三阶段 C3的还原供能，各项生命活动 NADH 有氧呼吸第一、二阶段 （葡萄糖、丙酮酸、水） 有氧呼吸第三阶段还原氧气，生成水 NADPH 光反应阶段水的光解 C3的还原 经典例题 4．（2024·贵州·高考真题）种子萌发形成幼苗离不开糖类等能源物质，也离不开水和无机盐。下列叙述正确的是（    ） A．种子吸收的水与多糖等物质结合后，水仍具有溶解性 B．种子萌发过程中糖类含量逐渐下降，有机物种类不变 C．幼苗细胞中的无机盐可参与细胞构建，水不参与 D．幼苗中的水可参与形成NADPH，也可参与形成NADH 【答案】D 【分析】1、有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和［H］，合成少量ATP；第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和［H]，合成少量ATP；第三阶段是氧气和［H］反应生成水，合成大量ATP。 2、光合作用：①光反应场所在叶绿体类囊体薄膜，发生水的光解、ATP和NADPH的生成；②暗反应场所在叶绿体的基质，发生CO2的固定和C3的还原，消耗ATP和NADPH。 【解析】A、种子吸收的水与多糖等物质结合后，这部分水为结合水，失去了溶解性，A错误；B、种子萌发过程中糖类含量逐渐下降，有机物种类增加，B错误；C、水也参与细胞构成，如结合水是细胞的重要组成成分，C错误；D、幼苗中的水可参与光合作用形成NADPH，也可通过有氧呼吸第二阶段丙酮酸和水生成NADH，D正确。 5．（2024·宁夏四川·高考真题）在自然条件下，某植物叶片光合速率和呼吸速率随温度变化的趋势如图所示。回答下列问题。 (1)该植物叶片在温度a和c时的光合速率相等，叶片有机物积累速率 （填“相等”或“不相等”），原因是 。 (2)在温度d时，该植物体的干重会减少，原因是 。 (3)温度超过b时，该植物由于暗反应速率降低导致光合速率降低。暗反应速率降低的原因可能是 。（答出一点即可） (4)通常情况下，为了最大程度地获得光合产物，农作物在温室栽培过程中，白天温室的温度应控制在 最大时的温度。 【答案】(1)不相等 温度a和c时的呼吸速率不相等 (2)温度d时，叶片的光合速率与呼吸速率相等，但植物的根部等细胞不进行光合作用，仍呼吸消耗有机物，导致植物体的干重减少 (3)温度过高，导致部分气孔关闭，CO2供应不足，暗反应速率降低；温度过高，导致酶的活性降低，使暗反应速率降低 (4)光合速率和呼吸速率差值 【知识点】光反应、暗（碳）反应的物质变化和能量变化、影响光合作用的因素、总、净光合与呼吸 【分析】影响光合作用的因素有：光照强度、温度、CO2浓度、酶的活性和数量、光合色素含量等。 【解析】（1）在自然条件下，该植物叶片在温度a和c时的净光合速率相等，但由于黑暗时呼吸速率不同，因此叶片有机物积累速率不相等。 （2）在温度d时，叶片的光合速率与呼吸速率相等，但由于植物有些细胞不进行光合作用如根部细胞，因此该植物体的干重会减少。 （3）温度超过b时，为了降低蒸腾作用，部分气孔关闭，使CO2供应不足，暗反应速率降低；同时使酶的活性降低，导致CO2固定速率减慢，C3还原速率减慢，进而使暗反应速率降低。 （4）为了最大程度地获得光合产物，农作物在温室栽培过程中，白天温室的温度应控制在光合速率与呼吸速率差值最大时的温度，有利于有机物的积累。 命题预测 预测一：结合光系统，考察光反应、暗（碳）反应的物质变化和能量变化 1.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（    ） A．原初反应实现了光能直接到化学能的能量转化过程 B．类囊体膜内外H⁺浓度梯度的形成与质体醌的转运有关，与NADP⁺的还原无关 C．图中H⁺通过协助运输进入叶绿体基质 D．光反应产生的NADH和ATP用于暗反应中三碳化合物的还原 【答案】C 【解析】A、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，但不能直接转化，A错误； B、由图可知，类囊体膜内外H+浓度梯度的形成（即基质中的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错误； C、由图可知，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正确； D、C3（3-磷酸甘油酸）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错误。 预测二：考察光合作用与细胞呼吸在物质和能量代谢上的区别与联系 2.植物的光合作用细胞依赖光照，但光能超过光合系统所能利用的能量时，光合器官可能遭到破坏，该现象称为光抑制。光呼吸能利用部分有机物，在吸收O2放出CO2的同时消耗多余光能，对光合器官起保护作用。下图为某植物叶片在白天和夜晚的气体交换过程，其中PR、R、GP 代表不同的生理过程。下列相关叙述错误的是（　　） A．图中的PR、R过程分别代表光呼吸、呼吸作用，叶片中有机物的积累量取决于GP、R、PR之间的差值 B．光呼吸消耗部分有机物，不利于植物生长发育 C．植物通过调节叶片角度回避强光或进行细胞内叶绿体的避光运动均可减弱光抑制现象 D．在农业生产中，适当抑制白天光呼吸和夜间呼吸作用的进行，有利于提高农作物产量 【答案】B 【解析】A、分析题图可知，由于叶片在夜晚和白天都进行R过程，故R代表呼吸作用，PR是叶片吸收O2和放出CO2的过程，因此是光呼吸，A错误； B、由题干可知光呼吸虽然消耗部分有机物，但可以消耗多余能量，对光合器官起保护作用，从一定程度上能避免光抑制的发生，有利于植物生长发育，B正确； C、光能超过光合系统所能利用的能量时，光合器官可能遭到破坏，植物本身的调节如叶子调节角度回避强光、叶绿体避光运动等都可以避免强光直射造成光合结构破坏，是对光抑制的保护性反应，C正确； D、白天光呼吸和夜间呼吸作用均会消耗光合作用的有机物，适当减少可以增多有机物的积累，增加农作物产量，D正确。 $$