第10讲 光合作用②

第10讲 光合作用② 考点二 光合作用的原理 【核心要点1】探索光合作用原理的部分实验[科学史] 【核心要点2】光合作用的概念及反应式 【核心要点3】光合作用的过程 【重要性】光合作用是细胞内有机物合成和能量固定的过程。 探索光合作用原理的部分实验（光反应阶段） 01 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， 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 作用， 而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。 O2 毒害 探索光合作用原理的部分实验（光反应阶段） 01 时间/发现者 内容 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 。 可以释放氧气 ： 离体叶绿体在适当的条件下 发生水的光解、产生氧气的 化学反应。 希尔反应 [深度思考] 1.尝试补充完整希尔的实验表达式。 2.希尔实验中的氧化剂起到什么作用？叶绿体内参与光合作用的氧化剂是什么？ 3.希尔实验能否说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应？ 4.希尔实验说明水的光解产生氧气，能否确定氧气中的氧元素全部来自水？ H+ O2 结合水分解产生的H+和e-。 NADP+（氧化型辅酶II）。 探索光合作用原理的部分实验（光反应阶段） 01 能，水的光解是在没有CO2的情况下进行的，而糖的合成需要碳的参与。 不能，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。 探索光合作用原理的部分实验（光反应阶段） 01 时间/发现者 内容 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， ①H2O＋C18O2→植物→O2 ②H218O＋CO2→植物→18O2 结论：光合作用释放的氧全部来自 。 水 【补充说明】 18O没有放射性， 不能检测其放射性。 可利用质谱分析或 核磁共振等方法 追踪。 探索光合作用原理的部分实验（光反应阶段） 01 时间/发现者 内容 1954、1957年 阿尔农(美国) 在光照下，叶绿体可合成 ， 这一过程总是与 相伴随。 ATP 水的光解 光合作用的过程：光反应阶段 必须有光、色素、酶 类囊体薄膜 条件 场所 物质变化 【有光反应阶段所需的色素和酶】 能量变化 将 能转化为 储存在 能 光 ATP和NADPH中活跃的化学 ①水的光解： ②NADPH的合成： ③ATP的合成： 01 探索光合作用原理的部分实验（暗反应阶段） 01 【资料1】20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻做了实验， 实验思路：用经过放射性同位素14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用， 在不同时间杀死小球藻，同时提取产物并分析， 从而追踪放射性同位素14C的去向。 结 果：先出现14C3，最后出现14C5、14C6。 【思考】请据上述结果大致描述出CO2转化成有机物的过程中C的转移途径。 CO2 C3 C6 C5 探索光合作用原理的部分实验（暗反应阶段） 01 【资料2】卡尔文又通过实验发现如果 光照下突然中断CO2供应， C3急剧减少而C5增加。 【思考】根据卡尔文的两个实验推测C3与C5之间的关系。 C3与C5之间是相互循环的。 探索光合作用原理的部分实验（暗反应阶段） 01 【资料3】1954年，美国科学家阿尔农的离体叶绿体实验过程及结果如下： 【思考】通过对该实验的分析，你可以得出什么结论？ CO2转化成（CH2O）需要光反应提供NADPH和ATP。 光合作用的过程：暗反应阶段（也称作卡尔文循环） 叶绿体基质 条件 场所 物质变化 有没有光都能进行、多种酶 ①CO2的固定： ②C3的还原： 能量变化 将ATP和NADPH中活跃的化学能转化为 能 有机物中稳定的化学 01 →三碳化合物，3-磷酸甘油酸 →五碳化合物，核酮糖-1，5-二磷酸(RuBP) 考向 围绕光合作用的探究历程，考查科学思维【P77】 01 1.(2025·福建福州统考)植物学家希尔发现，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。根据光合作用原理推测，加入的铁盐类似于叶绿体中的(　　) A.NADP+ B.ATP C.H+ D.CO2 A 氧化型辅酶II，√； ATP是光合作用光反应阶段的产物，×； H+是光合作用光反应阶段，水分子光解的产物，×； CO2是光合作用暗反应阶段的反应物，×； 考向 围绕光合作用的探究历程，考查科学思维【P77】 01 2.卡尔文给小球藻提供14CO2和适宜的光照，研究光合作用暗反应过程中C的转移路径。某同学根据卡尔文的实验资料，提出了一些推论，下列推论不合理的是(　　) A 资料 推论 (1)将光照时间逐渐缩短至几分之一秒，发现90%的放射性物质是一种C3 ① (2)经过5s光照后，检测到含有放射性的C5和葡萄糖 ② (3)在适宜光照和CO2充足的条件下，C3和C5的含量很快达到稳定状态， 含有放射性的糖类不断增加 ③ (4)当停止光照后，C3明显增加，C5明显下降 ④ A.推论①：C3是CO2被还原的第一个产物 B.推论②：C3进一步反应生成C5和葡萄糖 C.推论③：C3是暗反应的中间产物，糖类是终产物 D.推论④：C3转化为C5需要依赖光反应的产物 C3是CO2被固定的第一个产物，×； 光合作用的概念及反应式【P76】 02 1.概念： 光合作用是指绿色植物通过 ，利用光能，将 转化成 储存着能量的有机物，并且释放出 的过程。 2.反应式： 叶绿体 二氧化碳和水 氧气 CO2+H2O （CH2O）+O2 光能 叶绿体 表示糖类 光合作用的过程【P77】 03 色素 光能 水在光下的分解 H2O 多种酶 参加催化 CO2 固 定 还 原 O2 H+ NADPH ATP ADP+Pi NADP+ 2C3 C5 （CH2O） 光反应阶段 （类囊体薄膜） 暗反应阶段 （叶绿体基质） 光反应和暗反应是一个整体，二者紧密联系，缺一不可 e- 注：NADPH是还原型辅酶II; ①可作为还原剂； ②为暗反应提供能量。 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既可作还原剂，又可为暗反应提供能量。 光合作用的过程·光反应和暗反应的比较【P77】 反应阶段 光反应 暗反应（碳反应） 反应场所 反应条件 物质变化 ① ： ② ： ③ ： ① ： ② ： 能量变化 能→ 能→ 能 类囊体薄膜上 叶绿体基质 必须有光、光合色素、酶 有光或无光均可，多种酶 光 ATP和NADPH中活跃的化学 有机物中稳定的化学 03 H2O、ADP、Pi、NADP+ CO2、C5、ATP、NADPH 水的光解 ATP的合成 NADPH的合成 CO2的固定 C3的还原 光合作用的过程·光反应和暗反应的联系【P77】 反应阶段 光反应 暗反应（碳反应） 联系 ①光反应为暗反应提供 ， 暗反应为光反应提供 。 ②没有光反应，暗反应无法进行。 没有暗反应，光反应也会收到抑制。 ATP、NADPH ADP、Pi、NADP+ 03 核心归纳：光合作用过程中元素的转移途径【P77】 ①C的转移：14CO2 . . . . ②H的转移：3H2O . . . . ③O的转移：H218O . . C18O2 . . . . 03 CO2的固定 C3的还原 14C3 (14CH2O) 光反应 NADP3H 暗反应 (C3H2O) 光反应 18O2 CO2的固定 C3的还原 C3 (18CH2O) 注：定性方程式，不需要配平 核心归纳：来源—去路法分析物质含量的变化 思考 叶绿体处不同条件下， C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化 03 核心归纳：来源—去路法分析物质含量的变化 光反应 . CO2的固定 . C3的还原 . ATP和NADPH . C3 . C5 . 光变弱 有机物 . 减弱 ↓ 暂不变 ↑ 减弱 ↓ 减少 03 核心归纳：来源—去路法分析物质含量的变化 CO2的固定 . C3的还原 . ATP和NADPH . C3 . C5 . CO2供应减少 有机物 . C3的还原 . 光反应 . 减弱 暂不变 ↓ ↑ 随后减弱 暂不变 ↑ 减少 03 【素养提升】光合系统中光系统和电子传递链【P79】 03 【资料】类囊体薄膜上发生的光反应示意图： ①PSⅠ和PSⅡ分别是光系统Ⅰ和光系统Ⅱ， 是叶绿素和蛋白质构成的复合体， 能吸收利用光能进行电子的传递。 ②PQ、Cytbf、PC是传递电子的蛋白质， PQ在传递电子的同时能将H+运输到类囊体腔中， ③ATP合成酶由CF0和CF1两部分组成。 注：图中实线为电子的传递过程，虚线为H+的运输过程。 主 叶绿体基质H+少 类囊体腔H+多 协 (1)少数处于特殊状态的叶绿素分子在光能激发下失去高能e-，失去e-的叶绿素分子，能够从水分子中夺取e-，使水分解为 ；电子(e-)由水释放出来后，经过一系列的传递体形成电子流，最终传递给 (电子的最终受体)合成NADPH。 PSⅠ和PSⅡ吸收的光能储存在 中。 氧和H+ NADP+ NADPH和ATP 【扩展】少数特殊状态的叶绿素a是反应中心色素，可以转化光能。 其他色素是天线色素：只能吸收和传递光能。 所有，色素的功能是：吸收、传递、转化光能 【素养提升】光合系统中光系统和电子传递链【P79】 03 【资料】类囊体薄膜上发生的光反应示意图： ①PSⅠ和PSⅡ分别是光系统Ⅰ和光系统Ⅱ， 是叶绿素和蛋白质构成的复合体， 能吸收利用光能进行电子的传递。 ②PQ、Cytbf、PC是传递电子的蛋白质， PQ在传递电子的同时能将H+运输到类囊体腔中， ③ATP合成酶由CF0和CF1两部分组成。 注：图中实线为电子的传递过程，虚线为H+的运输过程。 主 叶绿体基质H+少 类囊体腔H+多 协 (2)据图分析，使类囊体膜两侧H+浓度差增加的过程有： ① ；② ；③ ； (3)由图可知，图中ATP合成酶的作用有 ； 合成ATP依赖于 形成的电化学势能。 水的光解产生H+ PQ运输H+ 合成NADPH消耗H+ 运输H+和催化ATP的合成 类囊体膜两侧的H+浓度差 【素养提升】光合作用暗反应产物及运输 03 【资料】光合作用暗反应的产物及运输示意图： ①磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖， 其既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中， 又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器(TPT)运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。 合成的蔗糖或可储藏于液泡内，或从细胞输出，经韧皮部装载长距离运输到其他部位。　 ②CO2充足时，TPT活性降低；磷酸丙糖与Pi通过TPT的运输严格按1∶1的比例进行转运。 (1)叶肉细胞的光合产物主要是以 形式运出细胞的。 (2)若磷酸丙糖的合成速率超过Pi转运进叶绿体的速率，则利于 的合成。 所以，农业生产上可以通过 来提高作物中该光合产物的含量。 蔗糖 淀粉 增加CO2 注：光合产物有：葡萄糖、蔗糖、淀粉等糖类，蔗糖(非还原糖)-运输，淀粉-储存； 考向 围绕光合作用过程的原理，考查科学思维【P75】 03 3.水稻是我国重要的粮食作物，光合能力是影响水稻产量的重要因素。 (1)通常发现，叶绿素含量与植物的光合速率呈正相关。但研究发现，叶绿素含量降低的某一突变体水稻，在强光照条件下，其光合速率反而明显高于野生型。为探究其原因，有研究者对野生型和突变体的部分生理指标做检测，结果如下表所示： 光反应 暗反应 光能转化效率 类囊体薄膜电子传递效率　 RuBP羧化酶含量 Vmax 野生型 0.49 180.1 4.6 129.5 突变体 0.66 199.5 7.5 164.5 注：RuBP羧化酶：催化CO2固定的酶；Vmax：RuBP羧化酶催化的最大速率。 ①类囊体薄膜电子传递的最终产物是 ， RuBP羧化酶催化的底物是CO2和 。 NADPH C5 考向 围绕光合作用过程的原理，考查科学思维【P75】 03 3.水稻是我国重要的粮食作物，光合能力是影响水稻产量的重要因素。 (1)通常发现，叶绿素含量与植物的光合速率呈正相关。但研究发现，叶绿素含量降低的某一突变体水稻，在强光照条件下，其光合速率反而明显高于野生型。为探究其原因，有研究者对野生型和突变体的部分生理指标做检测，结果如下表所示： 光反应 暗反应 光能转化效率 类囊体薄膜电子传递效率　 RuBP羧化酶含量 Vmax 野生型 0.49 180.1 4.6 129.5 突变体 0.66 199.5 7.5 164.5 注：RuBP羧化酶：催化CO2固定的酶；Vmax：RuBP羧化酶催化的最大速率。 ②据表分析，突变体水稻光合速率高于野生型的原因是： 。 突变体的光反应与暗反应速率都较野生型快 考向 围绕光合作用过程的原理，考查科学思维【P75】 03 (2)研究人员进一步测定了田间光照和遮阴条件下两种水稻的产量，结果如下表： 田间光照产量 田间遮阴产量 野生型 6.93 6.20 突变体 7.35 3.68 ①在田间遮阴条件下，突变体水稻产量却明显低于野生型， 造成这个结果的内因是 ，外因是 。 ②水稻叶肉细胞的光合产物有淀粉和 ，两者可以相互转化， 后者是光合产物的主要运输形式，在开花结实期主要运往籽粒。 ③根据以上结果，推测两种水稻的光补偿点(光合速率和呼吸速率相等时的光照强度)，突变体水稻较野生型 (填“高”“低”或“相等”)。 突变体叶绿素含量太低 光照强度太低 蔗糖 高 ①根据光合作用的分析可知，只要影响到原料、能量的供应都是影响光合作用的因素，比如CO2的浓度、叶片气孔的开闭情况、光照强度等；叶绿体是光合作用的场所，影响叶绿体的形成、结构的因素，比如叶绿体光合色素含量低等也会影响光合作用。根据题干可知在遮阴情况下突变体水稻产量明显低于野生型，因此推测这种结果的内因是突变体自身叶绿素含量太低，外因则是光照强度太低。 ②蔗糖是光合作用的主要产物，也是植物光合作用远距离运输的主要形式。所以水稻叶肉细胞的光合产物有淀粉和蔗糖，两者可以相互转化，后者是光合产物的主要运输形式，在开花结实期主要运往籽粒。 ③根据以上结果可知，在同等光合速率下突变体水稻所需要的光照更强，因此突变体水稻的光补偿点较野生型高。 $$