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第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
二 光合作用的原理和应用
第1课时 光合作用的原理
素养导引
1.生命观念:运用物质与能量观,说出光合作用过程中物质和能量的转化过程。
2.科学思维:采用分析与综合的方法,说出光反应和暗反应的区别与联系。
3.科学探究:分析光合作用发现历程,认同科学探究的基本思路和方法。
一、光合作用的概念及探索历程
1.光合作用概念:
(1)场所:绿色植物的叶绿体。
(2)原料:CO2和H2O。
(3)能量来源:光能。
(4)产物:(CH2O)和O2。
2.光合作用探索历程的经典实验:
希尔实验 证明离体叶绿体在适当条件下发生水的光解产生氧气
鲁宾和卡门的实验 发现光合作用中O2来源于_水_
阿尔农实验 发现光照下叶绿体可合成_ATP且该过程总和水的光解相联系
卡尔文实验 探明_CO2_中的碳转化成_有机物中的碳的途径
　[思考]　鲁宾、卡门和卡尔文实验运用的共同的科学方法是什么
提示:同位素示踪法。
二、光合作用的过程
1.填写阶段名称及序号代表的物质:
Ⅰ光反应;Ⅱ暗反应;
①O2; ②ATP;③NADPH;④C5; ⑤C3。
2.图示Ⅰ阶段——光反应阶段:在类囊体的薄膜上进行。
叶绿体中色素吸收的光能有两方面用途:
(1)将水分解为氧和H+,H+与NADP+结合形成NADPH。
(2)使ADP与Pi反应形成ATP。
3.图示Ⅱ阶段——暗反应阶段:在叶绿体的基质中进行。
(1)CO2的固定:CO2与C5结合,形成C3。
(2)C3的还原:
去向1:转化为糖类;
去向2:形成C5,继续参与暗反应。
4.光合作用的反应式:
CO2+H2O(CH2O)+O2
公园是城市的绿色氧吧,人们喜欢在公园里锻炼呼吸新鲜空气。结合所学知识判断:
1.公园里的植物进行光合作用的场所都是叶绿体。 (√)
2.公园空气清新是因为植物繁多,进行光合作用释放氧气,更新空气。 (√)
3.公园里比较凉爽湿润,这与植物进行光合作用有关。 (×)
分析:公园里比较凉爽湿润,这与植物进行蒸腾作用有关。
学习任务一:光合作用的过程及相关物质和能量的变化
1.光反应和暗反应的关系:
(1)区别:
项目 光反应 暗反应
场所 类囊体薄膜 叶绿体基质
条件 光、色素等 多种酶等
物质变化 ①水的光解②NADPH、ATP的合成 ①CO2的固定②C3的还原
能量变化 光能→ATP、NADPH中活跃的化学能 ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
(2)联系:
①光反应为暗反应提供2种重要物质:NADPH和ATP,其中NADPH既作为还原剂,又可提供能量。
②暗反应为光反应提供3种物质:ADP、Pi和NADP+。
　[思考探究]　叶绿体中NADPH和ADP的移动方向分别是怎样的
提示:NADPH从类囊体薄膜移向叶绿体基质,ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。
2.光合作用中C、H、O的转移途径:
(1)H:3H2ONADP3H(C3H2O)
(2)C:14CO214C3(14CH2O)
(3)O: H218O18O2;
C18O2C3(C H218O)
[思考探究]　在下列反应式中用箭头标出反应物中C、H、O元素的去向。
CO2+H2O(CH2O)+O2
提示:
【深化探究】
用具有放射性的同位素14C标记CO2中的C,短时间内能在光合作用的哪些物质中检测到14C
提示:在C3、C5和(CH2O)中均能检测到14C。
【学习加点料】
　思维易错:试分析突然降低光照强度对光反应和暗反应的影响。
提示:突然降低光照强度、光反应减弱,光反应产生的ATP和NADPH减少,从而使暗反应也减弱。
　(2021·广东选择考)在高等植物光合作用的卡尔文循环①中,唯一催化CO2固定形成C3的酶②被称为Rubisco。下列叙述正确的是 (　　)
A.Rubisco存在于细胞质基质中
B.激活Rubisco需要黑暗条件
C.Rubisco催化CO2固定需要ATP
D.Rubisco催化C5和CO2结合
[解题思维]
提取关键点 ①卡尔文循环;②唯一催化CO2固定形成C3的酶
转化知识点 暗反应发生的场所、条件、物质和能量的变化
排除障碍点 激活Rubisco就是暗反应发生的条件,有光和无光条件下均可发生
【解析】选D。本题以CO2固定中的酶Rubisco为载体,主要考查光合作用的暗反应。根据题意可知,C5和CO2形成C3的反应是在叶绿体基质中发生的,A错误;根据题意只知道Rubisco的作用,并不清楚Rubisco激活的条件,其实Rubisco是需要光激活的,B错误;CO2的固定过程不需要ATP提供能量,C3的还原才需要ATP提供能量,C错误;Rubisco催化C5和CO2形成C3,D正确。
　[借题发挥]　当光反应的产物和CO2充足时,在黑暗条件下,暗反应进行的速度也比光照条件下慢,请依据题干信息Rubisco提出一种可能的原因。
提示:在黑暗条件下,Rubisco降低活化能的效果降低。(Rubisco的激活需要光)
1.(2022·丹东高一检测)光合作用过程中,能量流动的正确途径是 (　　)
A.叶绿素→阳光→ 氢和氧
B.阳光→叶绿素→ADP →(CH2O)
C.叶绿素→阳光→ADP →C5
D.阳光→叶绿素→ATP →(CH2O)
【解析】选D。在光反应的过程中,色素吸收了光能,用于水的光解和ATP的合成,这样光能就转化成ATP和NADPH中的化学能;然后NADPH和ATP用于暗反应,还原C3,这样化学能转变成有机物中稳定的化学能,故选D。
2.(2022·哈尔滨高一检测)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。下列叙述正确的是 (　　)
A.物质 a 表示 NADPH
B.物质 b 表示 C3
C.阶段Ⅰ表示暗反应
D.阶段Ⅱ表示光反应
【解析】选A。光反应中,水的光解产生O2和NADPH,因此物质a表示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可以发生水的光解,属于光合作用的光反应阶段,C错误;图中阶段Ⅱ能够发生CO2的固定,并且生成糖类等有机物,属于光合作用的暗反应阶段,D错误。
【方法规律】
光合作用过程的“一、二、三、四”
学习任务二:环境改变时光合作用中相关物质含量的变化分析
1.光合作用中相关物质变化关系:
(1)图解:
(2)方法应用举例:
①条件:CO2供应正常、光照停止。
②设问:细胞中C3含量如何变化
③分析:
C3消耗量:光照停止→ATP、NADPH含量减少→C3的消耗量减少
C3生成量:CO2供应正常→C3的生成量不变
④结论:C3含量增加。
2.环境改变引起的相关物质含量变化的规律:
条件 光照强度变化 CO2浓度变化
变弱 变强 减少 增多
C3含量 增加 减少 减少 增加
C5含量 减少 增加 增加 减少
NADPH、ATP含量 减少 增加 增加 减少
　[思考探究]　正常进行光合作用的叶片,如果在a点时突然停止CO2供应,请在下列坐标图中画出a点后NADPH含量变化趋势。
提示:
【拓展归纳】
“模型法”分析物质含量变化
(1)光照强度不变,CO2含量突然减少:
(2)CO2含量不变,光照强度减弱:
【学习加点料】
　光照条件适宜,其他环境条件不变,当绿色植物光合作用达到稳定时,叶绿体中C3和C5的含量相同吗
提示:不相同。由于在暗反应过程中,1个CO2与1个C5结合生成2个C3,因此光照条件下绿色植物光合作用达到稳定时,叶绿体中C3的含量比C5高。
　(2022·苏州高一检测)将单细胞绿藻置于25 ℃、适宜的光照及充足的CO2条件下培养,经过一段时间后,突然停止光照①,发现绿藻体内的C3的含量突然上升②,原因是 (　　)
A.暗反应停止,不能形成NADPH和ATP
B.暗反应仍进行,C3继续大量形成C5
C.光反应仍进行,形成NADPH和ATP,促进了C3的形成并得到积累
D.光反应停止,不能形成NADPH和ATP,C3还原减慢,积累了C3
[解题思维]
提取关键点 ①突然停止光照②C3的含量突然上升
转化知识点 光反应必须在光照条件下进行,但暗反应有没有光都能进行
排除障碍点 不能正确分析突然停止光照产生的影响:停止光照→ATP和NADPH不能形成→C3的还原减慢→C3积累
【解析】选D。突然停止光照,光反应停止,无法产生NADPH和ATP,短时间内暗反应继续进行,CO2和C5结合生成C3,C3的还原减弱,导致C5含量减少,C3含量有所增加, A、B、C错误,D正确;
　[借题发挥]　C3被NADPH还原后会转变成哪些有机物
提示:C5和(CH2O)。
1.在CO2浓度降低时,短时间内叶绿体内C5和C3的比值会 (　　)
A.不变 B.变小
C.变大 D.无法判断
【解析】选C。突然降低CO2浓度,CO2固定减弱,C5→C3减少,而C3的还原过程不变,所以C5增多,C3减少,因此短时间内叶绿体内C5和C3的比值会变大。
2.夏季晴朗中午,某植物出现“午休”现象,即气孔关闭。此时叶肉细胞内 (　　)
A.C3含量上升
B.叶绿体基质中ADP含量增加
C.有机物积累速率明显下降
D.光反应产物不能满足暗反应的需求
【解析】选C。气孔关闭,CO2浓度下降,CO2的固定减慢,C3含量下降;暗反应减慢,叶绿体基质中ADP含量减少,有机物积累速率明显下降。但是光照较强,光反应产物可以满足暗反应的需求。
学习任务三:光合作用和有氧呼吸
1.区别:
项目 光合作用 有氧呼吸
场所 叶绿体 细胞质基质和线粒体
条件 只在光下进行 时刻都能进行
物质变化 无机物合成有机物 有机物被分解成无机物
能量变化 光能→稳定的化学能 稳定的化学能→热能、ATP中活跃的化学能
2.联系:
(1)物质联系:光合作用产生的有机物和O2能供给有氧呼吸,有氧呼吸产生的CO2可供光合作用利用。
(2)能量来源:光合作用和有氧呼吸能量的最终来源是光能。
　(2021·福州高一检测)如图表示甘蓝叶肉细胞内C3和葡萄糖的相互转化过程。下列叙述错误的是 (　　)
C3葡萄糖
A.①过程发生在叶绿体基质,②过程发生在细胞质基质
B.①过程有光无光都可发生,②过程的发生需要 O2
C.①②过程可以发生在同一个细胞中
D.图中消耗ATP和产生ATP的过程分别是①和②。
[解题思维]
提取关键点 题图①为光合作用中C3的还原;题图②为细胞呼吸的第一阶段
转化知识点 C3还原的场所、条件;细胞呼吸第一阶段的场所和条件
排除障碍点 ①发生在叶绿体基质,不需光照;②发生在细胞质基质,不需要O2
【解析】选B。①表示C3还原生成糖类的过程,发生在叶绿体基质中,②表示葡萄糖分解成丙酮酸的过程,发生在细胞质基质中,①②过程可以发生在同一个细胞中,A、C正确;①表示三碳化合物还原生成糖类的过程,有光无光都可以发生,②表示葡萄糖分解成丙酮酸的过程,有氧无氧都可以进行,B错误;①C3还原生成糖类,需要消耗光反应提供的ATP,②葡萄糖分解成丙酮酸的过程中产生ATP,D正确。
【拓展归纳】
产生或消耗ATP的过程
场所 产生或消耗ATP的过程
细胞质基质 ①有氧呼吸第一阶段产生ATP、无氧呼吸产生ATP;②许多生化反应的进行消耗ATP
叶绿体 ①光反应产生ATP;②暗反应消耗ATP
线粒体 ①有氧呼吸第二、三阶段产生ATP;②自身蛋白质等物质合成消耗ATP
　(2022·北海高一检测)光合作用过程中产生的NADPH和细胞呼吸过程中产生的[H],分别用于 (　　)
A.还原O2和CO2 B.氧化O2和CO2
C.还原C3和O2 D.氧化CO2和O2
【解析】选C。光合作用过程中,光反应阶段产生的NADPH用于暗反应还原C3,细胞呼吸包括有氧呼吸和无氧呼吸,有氧呼吸过程中产生的[H]用于与O2结合生成水,C项正确。
光合作用与光呼吸
　　　绿色植物的叶肉细胞在光照充足、CO2浓度高的环境中进行正常光合作用,若是处于光照充足、O2浓度高而CO2浓度低的环境中,则可以进行光呼吸。正常光合作用和光呼吸的简要过程如图所示(虚线方框内为光呼吸)。
探究:
(1)光合作用中卡尔文循环发生的场所是________________。叶肉细胞中完成光呼吸相关反应的场所是__________________。
(2)叶肉细胞既能进行光呼吸,也能进行有氧呼吸,请据图概括出光呼吸和有氧呼吸在物质代谢方面的相同点(答出三点)_________________________________。
【解析】(1)卡尔文循环属于光合作用的暗反应阶段,发生在叶绿体基质中;图示虚框内表示该植物的光呼吸过程,其加氧反应发生在叶绿体中,生成CO2的过程发生在线粒体中。
(2)据图分析可知,光呼吸与有氧呼吸相似,都需要消耗O2,且都能将有机物氧化分解产生CO2。
答案:(1)叶绿体基质　叶绿体和线粒体　(2)都需要消耗O2;都有有机物分解;都能产生CO2
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力↓图文转化 ①高浓度CO2:羧化酶在叶绿体基质中催化C5生成C3;C3参与卡尔文循环
②高浓度O2:羧化酶在叶绿体中催化C5产生C3和C2,C3参与卡尔文循环,C2进入线粒体中进行光呼吸产生CO2
学科素养 培养生命观念中的结构与功能观、科学思维中的分析与比较等素养
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