第16講光合作用的原理[課標要求]說明植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量,這些能量在二氧化碳和水轉變為糖與氧氣的過程中,轉換并儲存為糖分子中的化學能。考點一光合作用的原理1.光合作用的概念及反應式(1)光合作用的概念:綠色植物通過,利用光能,將轉化成儲存著能量的有機物,并且釋放出的過程。

(2)反應式:

。

2.探索光合作用原理的部分經典實驗3.光合作用的過程(1)填寫圖中序號所代表的物質或結構。①;②;③;④;Ⅰ。

(2)光反應與暗反應的比較。4.光合作用和化能合成作用的比較項目光合作用化能合成作用區別能量來源

代表生物綠色植物

相同點都能將等無機物合成有機物

1.判斷正誤(1)(必修1P103~104黑體字)光反應必須在光照下進行,暗反應必須在暗處進行。()(2)(必修1P103圖514)離體的葉綠體基質中添加ATP、NADPH和CO2后,在合適的條件下可完成暗反應過程。()(3)(必修1P104正文)光能通過驅動光合作用而驅動生命世界的運轉。()(4)(必修1P104相關信息)光合作用的產物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以進入篩管,通過韌皮部運輸到植株各處。()2.規范表達(1)(必修1P102思考·討論拓展)希爾的實驗說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應,理由是

。

(2)(必修1P103圖514拓展)光照停止后暗反應短時間仍然能夠持續,但無法長時間正常進行的原因是

。

1.光合作用反應式中元素去向分析(1)H:3H2ONADP3H(C3H2O)(2)C:14CO214C3(14CH2O)(3)O:H218O18O2。2.分析環境改變時光合作用各物質含量的變化(1)“來源—去路”法分析各物質含量的變化。如圖中Ⅰ表示光反應,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的還原,當外界條件(如光照、CO2)突然發生變化時,分析相關物質含量在短時間內的變化。注:“”表示下降,“”表示上升。(2)“模型法”表示C3、C5等物質的量的變化。3.連續光照和間隔光照下的有機物合成量分析(1)光反應為暗反應提供的NADPH和ATP在葉綠體基質中有少量的積累,在光反應停止時,暗反應仍可持續進行一段時間,有機物還能繼續合成。(2)在總光照時間、總黑暗時間均相同的條件下,光照和黑暗間隔處理的頻率越高有機物積累量越多。原因分析如下:A組:先光照后黑暗B組:光暗交替B組暗處理頻度較高,在其全時段,暗反應幾乎未停止且強度基本不變,B組處理相當于A組光合作用時間的2倍(3)應用:人工補光時,可適當采用“光暗交替”策略,這樣,在提高光合產量的情況下,可大量節省能源成本。能力1圍繞光合作用的過程,考查物質與能量觀1.(2024·廣東廣州模擬)羥基乙酸可作為合成多種有機物的原料。研究人員構建了一種非天然的酶催化CO2固定新途徑(CETCH循環),高效地將CO2轉化為羥基乙酸,并利用該途徑研制出能合成羥基乙酸的人造葉綠體(如圖)。下列分析錯誤的是()[A]人造葉綠體內的水既作為多種物質的溶劑,還參與相關代謝[B]為了使人造葉綠體持續地運作,需要源源不斷地輸入光能[C]圖中的CETCH循環需要NADP+、ADP和Pi作為直接原料[D]若人造葉綠體得到廣泛應用,一定程度上可抵消碳排放的影響2.(2024·廣東江門月考)磷酸丙糖不僅是光合作用中最先產生的糖,也是光合作用產物從葉綠體運輸到細胞質基質的主要形式。如圖為某植物光合作用產物的合成與運輸示意圖。下列相關說法錯誤的是()[A]a表示的物質是ATP,它也可以在葉綠體基質中合成[B]在細胞質基質中會發生合成蔗糖的過程[C]磷酸丙糖是暗反應產物,在葉綠體基質中合成淀粉[D]若圖中表示的磷酸轉運器活性受抑制,會導致光合速率下降能力2圍繞光合作用過程中物質含量的變化分析,考查科學思維3.(2024·重慶質檢)如圖為某植物葉肉細胞光合作用示意圖,圖中①②③④表示相關物質。現有甲、乙兩植株,甲葉色正常,乙為葉色黃化的突變植株,葉綠素含量明顯少于甲。將甲、乙植株置于正常光照、溫度、CO2濃度等條件相同的環境中,下列相關分析正確的是()[A]被光合色素吸收的光能全部用于③合成ATP[B]只有接受ATP釋放的能量,C3才可被NADPH還原[C]如果突然增加光照強度,則短時間內②含量減少,③的含量增加[D]如果突然增加光照強度,甲的葉肉細胞C3減少,乙的葉肉細胞④含量減少4.(2024·福建廈門模擬)光合作用通過密切關聯的兩大階段——光反應和暗反應實現。對于改變反應條件而引起的變化,下列說法正確的是()[A]突然中斷CO2供應會暫時引起葉綠體基質中C5/C3的值減小[B]突然中斷CO2供應會暫時引起葉綠體基質中ATP/ADP的值減小[C]突然將紅光改變為綠光會暫時引起葉綠體基質中C3/C5的值減小[D]突然將綠光改變為紅光會暫時引起葉綠體基質中ATP/ADP的值增大考點二光合作用和細胞呼吸的關系1.光合作用與細胞呼吸的區別2.光合作用與有氧呼吸的聯系(1)物質轉化。(2)能量變化。3.光合作用與有氧呼吸中有關的NADPH、NADH、ATP的來源與去路1.判斷正誤(1)(必修1P103正文拓展)葉綠體產生的O2可進入線粒體被直接利用,線粒體產生的H2O可進入葉綠體被直接利用。()(2)(必修1P103正文)進入葉綠體的CO2能被NADPH直接還原,植物體的凈光合速率長期為零時會導致植物體停止生長。()(3)(必修1P105旁欄思考)光合作用與細胞呼吸總是同時進行的。()(4)(必修1P106拓展應用1)溫室大棚可以利用控制光照強度、溫度的方式,如補光、遮陰、生爐子、噴淋降溫等提高綠色植物光合作用強度。()(5)(必修1P106拓展應用2)給密閉玻璃瓶中的植物幼苗提供適宜的水、無機鹽、光照強度、溫度等條件,幼苗可以長時間正常生長發育。()2.規范表達(1)(必修1P105正文拓展)土壤板結,會導致植物光合速率下降,其原因是

。

(2)(必修1P93圖59與P103圖514拓展)如圖表示某植物葉肉細胞光合作用和呼吸作用的示意圖。①圖中a、b、c、d代表的依次是哪種物質?[H]代表的物質是什么?②Ⅰ、Ⅱ代表反應過程,Ⅲ代表細胞質基質,Ⅳ代表線粒體,則ATP合成發生在哪些過程或結構中(用圖中字母表示)?③Ⅲ中的丙酮酸可以轉化成酒精,出現這種情況的原因是什么?能力3圍繞光合作用和細胞呼吸的過程關系,考查生命觀念5.(2024·湖北宜昌模擬)如圖是表示植物葉肉細胞光合作用和呼吸作用的示意圖,下列有關敘述正確的是()[A]圖中b、c、e、f代表的物質依次是O2、ATP、NADH、C5[B]①~⑤代表的反應過程中,②發生的場所是葉綠體內膜[C]①~⑤代表的反應過程中,ATP合成只發生在①過程和⑤過程中[D]③中產生的丙酮酸可以在根細胞缺氧條件下轉化成酒精6.(2024·山西大同模擬)如圖是葉肉細胞在不同光照強度下葉綠體與線粒體的代謝簡圖,下列相關敘述錯誤的是()[A]細胞①處于黑暗環境中,該細胞單位時間釋放的CO2量即呼吸速率[B]細胞②沒有與外界發生O2和CO2的交換,可斷定此時葉肉細胞光合速率等于呼吸速率[C]細胞③處在較強光照條件下,細胞光合作用所利用的CO2量為N1與N2的和[D]分析細胞④可得出,此時的光照強度較弱且N1小于M2考向一從生命觀念和科學探究的角度,考查光合作用的過程1.(2023·湖北卷,8)植物光合作用的光反應依賴類囊體膜上PSⅠ和PSⅡ光復合體,PSⅡ光復合體含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究發現,PSⅡ光復合體上的蛋白質LHCⅡ,通過與PSⅡ結合或分離來增強或減弱對光能的捕獲(如圖所示)。LHCⅡ與PSⅡ的分離依賴LHC蛋白激酶的催化。下列敘述錯誤的是()[A]葉肉細胞內LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光復合體對光能的捕獲增強[B]Mg2+含量減少會導致PSⅡ光復合體對光能的捕獲減弱[C]弱光下LHCⅡ與PSⅡ結合,不利于對光能的捕獲[D]PSⅡ光復合體分解水可以產生H+、電子和O2考向二從科學思維的角度,考查光合作用與細胞呼吸的關系2.(2023·湖北卷,11)高溫是制約世界糧食安全的因素之一,高溫往往使植物葉片變黃、變褐。研究發現平均氣溫每升高1℃,水稻、小麥等作物減產3%~8%。關于高溫下作物減產的原因,下列敘述錯誤的是()[A]呼吸作用變強,消耗大量養分[B]光合作用強度減弱,有機物合成減少[C]蒸騰作用增強,植物易失水發生萎蔫[D]葉綠素降解,光反應生成的NADH和ATP減少3.(2024·甘肅卷,17)類胡蘿卜素不僅參與光合作用,還是一些植物激素的合成前體。研究者發現了某作物的一種胎萌突變體,其種子大部分為黃色,少部分呈白色,白色種子未完全成熟即可在母體上萌發。經鑒定,白色種子為某基因的純合突變體。在正常光照(400μmol·m-2·s-1)下,純合突變體葉片中葉綠體發育異常、類囊體消失。將野生型和純合突變體種子在黑暗中萌發后轉移到正常光和弱光(1μmol·m-2·s-1)下培養一周,提取并測定葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量,結果如圖所示。回答下列問題。(1)提取葉片中葉綠素和類胡蘿卜素常使用的溶劑是,加入少許碳酸鈣可以。

(2)野生型植株葉片葉綠素含量在正常光下比弱光下高,其原因是

。

(3)正常光照條件下種植純合突變體將無法獲得種子,因為

。

(4)現已知此突變體與類胡蘿卜素合成有關,本研究中支持此結論的證據有:①純合突變體種子為白色;②

。

(5)純合突變體中可能存在某種植物激素X的合成缺陷,X最可能是。若以上推斷合理,則干旱處理能夠提高野生型中激素X的含量,但不影響純合突變體中X的含量。為檢驗上述假設,請完成下面的實驗設計:

①植物培養和處理:取野生型和純合突變體種子,萌發后在

條件下培養一周,然后將野生型植株均分為A、B兩組,將突變體植株均分為C、D兩組,A、C組為對照,B、D組干旱處理4小時。②測量指標:每組取3~5株植物的葉片,在顯微鏡下觀察、測量并記錄各組的。

③預期結果:

。

熱點情境4光系統及電子傳遞鏈[情境鏈接]1.光系統Ⅱ進行水的光解,產生氧氣、H+和電子(e-),光系統Ⅰ主要是介導NADPH的產生。2.電子(e-)經過電子傳遞鏈:質體醌→細胞色素b6f復合體→質體藍素→光系統Ⅰ→鐵氧還蛋白→NADPH。3.電子傳遞過程是高電勢到低電勢,因此,電子傳遞過程中釋放能量,質體醌利用這部分能量將質子(H+)逆濃度從類囊體的基質側泵入囊腔側,從而建立了質子濃度(電化學)梯度。當然,光系統Ⅱ在類囊體的囊腔側進行的水的光解產生質子(H+)以及在類囊體的基質側H+和NADP+形成NADPH的過程,為建立質子濃度(電化學)梯度也有所貢獻。4.類囊體膜對質子是高度不通透的,因此,類囊體內的高濃度質子只能通過ATP合成酶順濃度梯度流出,而ATP合成酶利用質子濃度梯度形成的勢能合成ATP。[典型例題](2024·河南許昌期末)如圖表示植物葉肉細胞葉綠體的類囊體膜上發生的部分代謝過程,其中運輸H+的載體蛋白有兩種類型,從而實現H+在膜兩側間的穿梭。下列分析錯誤的是()[A]圖中過程產生了O2、ATP和NADPH等[B]H+可由葉綠體基質進入類囊體腔,該過程屬于主動運輸,但消耗的能量不是由ATP提供的[C]通過類囊體膜轉運H+的兩種機制不相同[D]據圖分析,O2產生后擴散到細胞外共需要穿過3層生物膜圖示情境分析[遷移應用]1.(2025·廣東深圳期中)圖a為葉綠體的結構示意圖,圖b為葉綠體中某種生物膜的部分結構及光反應過程的簡化示意圖。回答下列問題。(1)圖b表示圖a中的結構,膜上發生的光反應過程將水分解成O2、H+和e-,光能轉化成電能,最終轉化為和ATP中活躍的化學能。若CO2濃度降低,暗反應速率減慢,葉綠體中電子受體NADP+減少,則圖b中電子傳遞速率會(填“加快”或“減慢”)。

(2)為研究葉綠體的完整性與光反應的關系,研究人員用物理、化學方法制備了4種結構完整性不同的葉綠體,在離體條件下進行實驗,用Fecy或DCIP替代NADP+為電子受體,以相對放氧量表示光反應速率,實驗結果如表所示。實驗項目相對值葉綠體類型實驗一:以Fecy為電子受體時的放氧量實驗二:以DCIP為電子受體時的放氧量葉綠體A:雙層膜結構完整100100葉綠體B:雙層膜局部受損,類囊體略有損傷167.0106.7葉綠體C:雙層膜瓦解,類囊體松散但未斷裂425.1471.1葉綠體D:所有膜結構解體破裂成顆粒或片段281.3109.6注:Fecy具有親水性,DCIP具有親脂性。據此分析:①葉綠體A和葉綠體B的實驗結果表明,葉綠體雙層膜對以(填“Fecy”或“DCIP”)為電子受體的光反應有明顯阻礙作用。得出該結論的推理過程是

。

②該實驗中,光反應速率最高的是葉綠體C,表明在無雙層膜阻礙、類囊體又松散的條件下,更有利于,

從而提高光反應速率。③以DCIP為電子受體進行實驗,發現葉綠體A、B、C和D的ATP產生效率的相對值分別為1、0.66、0.58和0.41。結合圖b對實驗結果進行解釋

。

2.(2024·云南昭通模擬)如圖為類囊體薄膜上發生的光反應示意圖,PSⅠ和PSⅡ分別是光系統Ⅰ和光系統Ⅱ,是葉綠素和蛋白質構成的復合體,能吸收利用光能進行電子的傳遞。PQ、Cytbf、PC是傳遞電子的蛋白質,其中PQ在傳遞電子的同時能將H+運輸到類囊體腔中。圖中實線為電子的傳遞過程,虛線為H+的運輸過程。ATP合酶由CF0和CF1兩部分組成,在進行H+順濃度梯度運輸的同時催化ATP的合成。請回答下列問題。(1)分析圖中電子傳遞的整個過程可知,最初提供電子的物質為,最終接受電子的物質為。

(2)光反應產生的氧氣被用于有氧呼吸,且在(場所)被消耗。圖中用于暗反應的物質是。

(3)合成ATP依賴于類囊體薄膜兩側的H+濃度差,圖中使膜兩側H+濃度差增加的過程有

(答出三點)。(4)由圖可見,光反應是一個比較復雜的過程,完成了光能轉變成能,進而轉變成能的過程。

第16講光合作用的原理考點一光合作用的原理必備知識·梳理1.(1)葉綠體二氧化碳和水氧氣(2)CO2+H2O(CH2O)+O22.葉綠體葉綠體O2H2OATPCO23.(1)O2ATPNADPHC5光反應(2)有光、無光均可類囊體薄膜葉綠體基質水光解為O2和H+C3的還原ATPNADPH有機物中的化學能4.光能無機物氧化釋放的能量硝化細菌CO2和H2O深挖教材1.(1)×光反應必須在光照下進行,但暗反應并非必須在黑暗中進行。(2)√(3)√(4)×蔗糖可以進入篩管,再通過韌皮部運輸到植株各處,淀粉不能進入篩管。2.(1)水的光解實驗是在沒有CO2的情況下進行的,沒有碳參與反應,而糖的合成需要碳的參與(2)暗反應中C3的還原需要光反應提供ATP和NADPH,光照停止使光反應停止,葉綠體中仍有少量ATP和NADPH能使暗反應持續進行一段時間;但隨后暗反應因缺少ATP和NADPH而無法進行關鍵能力·提升能力11.C人造葉綠體內的水可以作為多種物質的溶劑,同時水還參與光合作用的光反應過程;為了使人造葉綠體持續地運作,需要源源不斷地輸入光能,保證光反應的持續進行;題圖中的CETCH循環需要利用CO2、NADPH、ATP作為直接原料;人造葉綠體可利用CO2,若其得到廣泛應用,則一定程度上可抵消碳排放的影響。2.A題圖中a是光反應為暗反應提供的物質,a表示NADPH和ATP,在葉綠體類囊體薄膜上合成;磷酸轉運器活性受抑制,不能將磷酸丙糖運出葉綠體,也不能將磷酸運入葉綠體,造成葉綠體中光合產物積累和缺少磷酸,導致光合速率降低。能力23.B光合作用過程中光合色素吸收的光能有兩方面的用途,一方面引起水的光解并促進H+與NADP+結合形成NADPH,另一方面參與ATP合成;在光合作用暗反應階段,C3的還原只有接受ATP釋放的能量才可完成;題圖中②表示NADP+,若突然增加光照強度,光反應增強,則短時間內②含量減少,③為ADP和磷酸,增加光照強度后短時間內③的含量也會減少;若突然增加光照強度,則甲、乙兩植株光合作用光反應均增強,所以C3均減少,題圖中④(C5)均增加。4.D突然中斷CO2供應導致CO2的固定速率降低,葉綠體中C5含量增多、C3含量減少,進而使ATP和NADPH含量增多,所以C5/C3的值增大,ATP/ADP的值增大;突然將紅光改變為綠光后光能利用率降低,ATP和NADPH含量減少,進而使C3含量增多、C5含量減少,C3/C5的值增大;突然將綠光改變為紅光后光能利用率提高,ATP和NADPH含量增多,ATP/ADP的值增大。考點二光合作用和細胞呼吸的關系必備知識·梳理1.細胞質基質光下ATP深挖教材1.(1)√(2)×進入葉綠體的CO2先要與C5結合形成C3,才能被NADPH還原,凈光合作用速率長期為零,即植物沒有有機物積累,無法給植物提供營養,導致植物體停止生長。(3)×光合作用在有光的條件下進行,而呼吸作用每時每刻都在進行。(4)√(5)×隨著植物的生長,土壤中的水分會減少,土壤中的無機鹽含量下降,玻璃瓶中CO2含量減少等,因此幼苗不可以長時間正常生長發育。2.(1)土壤板結缺氧,根細胞有氧呼吸受到抑制,供給根細胞用于營養物質吸收的能量減少,使光合色素和相關酶的合成減少,因此光合速率減弱(2)①O2、NADP+、ADP+Pi、C5。NADH。②Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。③在缺氧條件下進行無氧呼吸。關鍵能力·提升能力35.D題圖中b、c、e、f代表的物質依次是O2、ATP、NADPH、C5;②表示暗反應過程,發生的場所是葉綠體基質;由題可知①②分別代表光合作用的光反應階段和暗反應階段,③④⑤分別代表有氧呼吸的三個階段,光反應階段和有氧呼吸的三個階段均能產生ATP,因此①~⑤代表的反應過程中,ATP合成發生在①③④⑤過程中;根細胞無氧呼吸可產生酒精和CO2,因此③中產生的丙酮酸可以在根細胞缺氧條件下轉化成酒精。6.D結合題圖可知,細胞①中僅線粒體中有氣體的消耗和生成,故細胞①處于黑暗環境中,此時該細胞單位時間內釋放的CO2量可表示呼吸速率;細胞②沒有與外界進行氣體交換,可斷定此時葉肉細胞光合速率與呼吸速率相等;細胞③需要從外界環境吸收CO2,并向細胞外釋放O2,說明此時細胞處在較強光照條件下,細胞所利用的CO2包括細胞呼吸產生的(N2)和從環境中吸收的(N1);細胞④中,線粒體利用的O2除來自葉綠體外,還要從細胞外吸收,說明此時細胞呼吸強度大于光合作用強度,此時光照強度可能較弱,細胞進行有氧呼吸和光合作用的過程中,O2的凈消耗量(吸收量)M2與CO2的凈生成量N1相等。研練真題·感悟高考考向一1.C由題可知,LHCⅡ與PSⅡ的分離依賴LHC蛋白激酶的催化,葉肉細胞內LHC蛋白激酶活性下降,LHCⅡ與PSⅡ分離減少,會使PSⅡ光復合體對光能的捕獲增強;Mg2+是葉綠素的組成成分,其含量減少會導致PSⅡ光復合體上的葉綠素含量減少,導致對光能的捕獲減弱;由題圖可知,弱光下LHCⅡ與PSⅡ結合,有利于對光能的捕獲;PSⅡ光復合體含有光合色素,在光反應中能吸收光能,并分解水,水的光解產生H+、電子和O2。考向二2.D高溫使作物葉綠素降解,光反應生成的NADPH和ATP減少,NADH是在呼吸作用中產生的。3.【答案】(1)無水乙醇防止研磨中色素被破壞(2)葉綠素的形成需要光照,正常光下更有利于葉綠素的形成(3)純合突變體葉片中的葉綠素和類胡蘿卜素的相對含量都極低,光合作用極弱,無法滿足植株生長對有機物的需求(4)與野生型相比,純合突變體葉片中類胡蘿卜素含量極低(幾乎為零)(5)脫落酸弱光及其他條件適宜且相同氣孔開度(或氣孔大小)B組氣孔開度小于A組,C、D組氣孔開度基本相同,且大于A、B組【解析】(1)葉片中的葉綠素和類胡蘿卜素都能溶解在有機溶劑中,所以常使用無水乙醇提取。加入少許碳酸鈣可以防止研磨中色素被破壞。(2)葉綠素的形成需要光照,正常光下更有利于葉綠素的形成,所以野生型植株葉片葉綠素含量在正常光下比弱光下高。(3)在正常光照(400μmol·m-2·s-1)下,純合突變體葉片中葉綠體發育異常、類囊體消失,葉綠素和類胡蘿卜素的相對含量都極低,分別為0.3和0.1,說明純合突變體的光合作用極弱,無法滿足植株生長對有機物的需求,使得植株難以生長,因此正常光照條件下種植純合突變體將無法獲得種子。(4)由題圖可知,與野生型相比,純合突變體葉片中類胡蘿卜素含量極低(幾乎為零),說明此突變體與類胡蘿卜素合成有關。(5)純合突變體中可能存在某種植物激素X的合成缺陷,白色種子未完全成熟即可在母體上萌發,由于脫落酸具有抑制種子萌發的作用,據此可推知,X最可能是脫落酸。若以上推斷合理,則干旱處理能夠提高野生型中激素X的含量,但不影響純合突變體中X的含量。因此,該實驗的自變量是植株的種類和培養條件,因變量是氣孔開度(或氣孔大小),而在實驗過程中對植株的生長有影響的無關變量應控制相同且適宜;弱光下,純合突變體能產生葉綠素,且與野生型的葉綠素含量相近,應選擇弱光培養。據此,依據實驗設計遵循的對照原則和單一變量原則以及題干中給出的不完善的實驗設計,可推知實驗設計及預期結果(見答案)。熱點情境4光系統及電子傳遞鏈【典型例題】D題圖所示過程為光合作用的光反應階段,發生在類囊體薄膜上,該過程產生了O2、ATP和NADPH等;題圖中