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考点二
光合作用的原理
基础·精细梳理
疑难·精准突破
典例·精心深研
阅读教材 P102—105
要点：
1、了解光合作用探索过程
2、概括光合作用的过程
3、掌握光合作用的物质和能量的变化过程
1.探索光合作用过程的经典实验
问题：
1.希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
2.希尔反应是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？
3.如何探究光合作用分反应？
离体叶绿体
铁盐(或其他氧化剂)
H2O
2H+
+ O2
光照
希尔反应
能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。
水的光解
不能，没有对照，不能排除其他因素的干扰
同位素标记法
如图是探究光合作用历程中科学家做的三个有关实验。请回答下列问题：
（1）实验一的目的是______________________；若某人重复做此实验，却发现细菌在叶绿体的受光部位分布最少，最可能的原因是_____________。
（2）实验三的实验方法是________________，在该实验中可通过比较________________的差异确定光合作用过程中释放氧气的来源。该实验证明了 在光合作用过程中还利用了相同的方法研究__________________。
光合作用的场所（释放氧气的场所）
A和B的分子质量差异
同位素标记法
暗反应中CO2中的C在光合作用过程中转化成有机物中的C的途径
材料是厌氧细菌
光合作用释放的O2的氧全部来源于H2O
变式训练：右面表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下，小球藻进行光合作用的实验示意图。一段时间后，以下与实验相关的比较不正确的是
A.Y2的质量大于Y3的质量
B.④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量
C.②中水的质量大于④中水的质量
D.试管①的质量大于试管②的质量
C
O2 18O2 O2 18O2
（2018浙江选考节选）光合作用是整个生物圈的物质基础和能量基础。回答下列问题：
（1）为研究光合作用中碳的同化与去向，用________________的CO2供给小球藻，每隔一定时间取样，并将样品立即加入到煮沸的甲醇中。甲醇用以杀死小球藻并__________标记化合物。根据标记化合物出现的时间，最先检测到的是三碳化合物。猜测此三碳化合物是CO2与某一个二碳分子结合生成的，但当___________________后，发现RuBP的含量快速升高，由此推知固定CO2的物质不是二碳分子。
同位素14C标记
提取
突然降低CO2浓度
1,5-二磷酸核酮糖；一分子RuBP与一分子二氧化碳反应生成两分子磷酸甘油酸
2.光合作用过程
(1)光合作用过程图解
哪些反应需要能量？
项目 光反应 暗反应
场所 叶绿体_____________ ____________
条件 ___、色素、酶 酶、_____________等
物质变化 (1)H2O 　　 ________ (2)NADP＋＋H＋―→NADPH (3)ADP＋Pi 　　　　 ATP (1)CO2＋C5　 　_______
(2)2C3　　　　　　　　　　(CH2O)＋C5　　　
类囊体的薄膜
叶绿体基质
光
NADPH、ATP
O2＋H＋
2C3
2.光合作用过程
(1)光合作用过程图解
能量变化
联系 光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供NADP＋、ADP和Pi。
教材隐性知识：源于必修1 P103“相关信息”：
水分解为氧和H＋的同时，被叶绿体夺去两个（高能）电子。电子经传递，可用于NADP＋与H＋结合形成NADPH。NADPH的作用是什么？
提示：可作为暗反应的还原剂；部分能量供暗反应利用。
源于必修1 P104“相关信息”：C3是指三碳化合物——__________
_____，C5是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)。
3－磷酸甘
油酸
光反应又称：光系统电子传递反应，反应包括：光能吸收、电子传递、光合磷酸化三个阶段。
（1）图中的PSⅡ色素复合体，其核心是一个叶绿素a分子。当复合体中的各种色素将吸收的光能传递到叶绿素a上，使叶绿素a分子活化，释放出高能电子（e－），e－经一系列传递后，最终与X________________结合形成NADPH。甲结构为
_________________，是发生图中反应过程的场所。甲结构内H＋的来源，除水光解产生外，还有从________________中吸收。
NADP＋、H＋
类囊体薄膜
叶绿体基质
A.自然界中能发生光合作用的生物，
　不一定具备PSⅡ和PSⅠ系统
B.光反应过程将吸收的光能转换为活
　跃的化学能全部储存在ATP中
C.在ATP合成酶的作用下，H＋顺
浓度梯度转运提供分子势能，促进
ADP和Pi合成ATP
D.PSⅡ中的色素吸收光能后，将H2O分解为O2和H＋，产生电子传递给
　PSⅠ将NADP＋和H＋结合形成NADPH
下图是番茄植株的叶肉细胞中进行光合作用的示意图，PSⅡ和PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物，是吸收、传递、转化光能的光系统。下列叙述错误的是( )
B
(2021·湖南，18)图a为叶绿体的结构示意图，图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。回答下列问题：
(1)图b表示图a中的_________结构，膜上发生的光反应过程将水分解成O2、H＋和e－，光能转化成电能，最终转化为________和ATP中活跃的化学能。若CO2浓度降低，暗反应速率减慢，叶绿体中电子受体NADP＋减少，则图b中电子传递速率会______(填“加快”或“减慢”)。
类囊体膜
NADPH
减慢
(2021·湖南，18)(2)为研究叶绿体的完整性与光反应的关系，研究人员用物理、化学方法制备了4种结构完整性不同的叶绿体，在离体条件下进行实验，用Fecy或DCIP替代NADP＋为电子受体，以相对放氧量表示光反应速率，实验结果如表所示。
叶绿体类型 相对值 实验项目 叶绿体A：双层膜结构完整 叶绿体B：双层膜局部受损，类囊体略有损伤 叶绿体C：双层膜瓦解，类囊体松散但未断裂 叶绿体D：所有膜结构解体破裂成颗粒或片段
实验一：以Fecy为电子受体时的放氧量 100 167.0 425.1 281.3
实验二：以DCIP为电子受体时的放氧量 100 106.7 471.1 109.6
注：Fecy具有亲水性，DCIP具有亲脂性。
①叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明，叶绿体双层膜对以______(填“Fecy”或“DCIP”)为电子受体的光反应有明显阻碍作用，得出该结论的推理过程是____________________________________________________
______________________________________________________________________________________________________________________________________________。
Fecy
实验一中叶绿体B双层膜局部受损时，以Fecy为电子受体的放氧量明显大于叶绿体A，实验二中叶绿体B双层膜局部受损时，以DCIP为电子受体的放氧量与叶绿体A无明显差异。
②该实验中，光反应速率最高的是叶绿体C，表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条件下，更有利于______________________________，从而提高光反应速率。
类囊体上的色素吸收、转化光能
叶绿体类型 相对值 实验项目 叶绿体A：双层膜结构完整 叶绿体B：双层膜局部受损，类囊体略有损伤 叶绿体C：双层膜瓦解，类囊体松散但未断裂 叶绿体D：所有膜结构解体破裂成颗粒或片段
一：以Fecy为电子受 100 167.0 425.1 281.3
二：以DCIP为电子受 100 106.7 471.1 109.6
③以DCIP为电子受体进行实验，发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值分别为1、0.66、0.58和0.41。结合图b对实验结果进行解释：___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
ATP的合成依赖于水光解的电子传递和氢离子顺浓度梯度通过类囊体膜上的ATP合酶，叶绿体A、B、C、D膜的受损程度依次增大，因此ATP的产生效率逐渐降低
叶绿体类型 DCIP具有亲脂性 叶绿体A：双层膜结构完整 叶绿体B：双层膜局部受损，类囊体略有损伤 叶绿体C：双层膜瓦解，类囊体松散但未断裂 叶绿体D：所有膜结构解体破裂成颗粒或片段
下图为光合作用暗反应的产物磷酸丙糖的代谢途径，研究表明，磷酸丙糖转移蛋白(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素，CO2充足时，TPT活性降低。下列有关叙述错误的是（ ）
A.Pi输入叶绿体减少时，磷酸丙糖
　从叶绿体输出减少
B.暗反应中磷酸丙糖的合成需要
　消耗光反应产生的ATP
C.叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的
D.农业生产上可通过增加CO2浓度来提高作物中蔗糖的含量
D
教材隐性知识：必修1 P104“相关信息”：光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。
①若有机物为(CH2O)：
②若有机物为C6H12O6：
（2）光合作用总反应反应式(写出反应式并标出元素的去向)
2.光合作用过程
用于计算和分析元素的去向
如图为绿色植物光合作用过程示意图(图中a～g为物质，①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示)。下列判断错误的(　　)
A.图中①表示水分的吸
收,③表示水的光解
B.c为ATP，f为[H]
C.将b物质用18O标记，最终在(CH2O)中能检测到放射性
D.图中a物质主要吸收红光和蓝紫光，绿色植物能利用它将光能转换成活跃的化学能
B
NADP＋
变式训练：下列是几个放射性同位素示踪实验，对其结果的叙述不正确的是（　　）
A. 利用15N标记某丙氨酸，附着在内质网上的核糖体将出现放射性，而游离的核糖体无放射性
B. 给水稻提供14C02，则14C的转移途径大致是：14C02一14C3一（14CH20）
C. 给水稻提供14C02，则其根细胞在缺氧状态有可能出现14C2H5OH
D. 小白鼠吸入1802，则在其尿液中可以检测到H2180，呼出的二氧化碳也可能含有180
E. 给某植物提供C1802和H20，释放的氧气中可能含有180
A
NADPH
(C3H2O)
14C3
(14CH2O)
18O2
C3
(CH218O)
2.光合作用过程
③元素的转移途径
（3）光反应和暗反应之间的联系（制约）
①光反应为暗反应提供两种重要物质：[H]和ATP；暗反应为光反应也提供三种物质：ADP、Pi以及NADP＋。（注意产生位置和移动方向）
2.光合作用过程
②暗反应有光无光都能进行。若光反应停止，暗反应可持续进行一段时间，但时间不长。
光合与呼吸作用的[H]是否为同一种物质
持续光照与间歇光照下（光照时间相等），哪一种光合作用更强？
判断：番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后，与对照组相比，其叶片光合作用强度下降的原因是光反应强度和暗反应强度都降低( ）
√
阳光穿过森林中的空隙形成“光斑”，右图表示一株生长旺盛的植物在“光斑”照射前后光合作用吸收CO2和释放O2量的变化，据此正确的分析是(多选题)
A.光斑照射前，光合作用无法进行
B.光斑照射后，光反应和暗反应迅速同步增加
C.光斑照射后，暗反应对光反应有限制作用
D.60s内，O2释放量等于CO2吸收量
E.光斑移开后，光反应限制
了暗反应
CDE
连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
（广东高考题节选）
(2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物的积累量要多。
原因是： 。
连续光照下，光反应中间产物的积累会限制光合作用，随着光照和黑暗的交替进行，光反应产生的NADPH和ATP能够充分利用和再生，从而促进了暗反应有机物合成。
（但注意间隔时间要短！）
间隔光照法
光反应和暗反应在不同酶的催化作用下相对独立进行，由于催化暗反应的酶的催化效率和数量都是有限的，因此在一般情况下，光反应的速率比暗反应快，光反应的产物ATP和NADPH不能被暗反应及时消耗掉。持续光照，光反应产生大量的NADPH和ATP不能及时被暗反应消耗，降低了光能的利用率，限制了光合作用的速率。但若光照、黑暗交替进行，则黑暗间隔有利于充分利用光照时积累的光反应的产物，持续进行一段时间的暗反应。因此在光照强度和光照总时间不变的情况下，光照、黑暗交替进行条件下制造的有机物相对多。
间隔光照下的有机物合成分析
2019年江苏高考第32题第3小题：
（3）叶绿体中光反应产生的能量既用于暗反应,也参与叶绿体中生物大分子 的合成。
核酸、蛋白质
拓展：光合与呼吸作用产生的ATP用途不同
2018年江苏高考第29题第4小题：
下图为某植物叶肉细胞中有关甲、乙
两种细胞器的部分物质及能量代谢途
径示意图,请回答下列问题：
（4）乙产生的ATP被甲利用时，可参与的代谢过程包括 （填序号）。①C3的还原 ②内外物质的运输 ③H2O裂解释放O2 ④酶的合成
①②④
光反应产生的ATP，可用于叶绿体基质中的生命活动
呼吸产生的ATP，也可用于C3 的还原
（2019天津理综）：在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射．下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是
A. 红光，ATP下降
B. 红光，未被还原的C3上升
C. 绿光，[H]下降
D. 绿光，C5上升
C
（4）环境改变时各物质含量的变化分析
2.光合作用过程
（方法：“来源－去路”法）
变化条件 C3 C5 [H]和ATP (CH2O)、O2合成
CO2供 应不变 光照 强→弱
光照 弱→强
光照 不变 CO2 充足→不足
CO2 不足→充足
增加
减少
减少
减少
减少
增加
增加
增加
减少
增加
增加
减少
增加
减少
减少
增加
分析总结
规律： [H]和ATP变化一致，C5 与C3变化相反
ADP、Pi
例：如图是水生植物黑藻在光照等环境因素影响下光合速率变化的示意图.下列有关叙述，正确的是
A.t1→t2，叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加，
基质中水光解加快、O2释放增多
B.t2→t3，暗反应限制光合作用。
若在t2时刻增加光照，
光合速率将再提高
C.t3→t4,光照强度不变,光合速率
的提高是由于光反应速率不变、
暗反应增强的结果
D.t4后短暂时间内，叶绿体中ADP和Pi含量升高，C3化合物还原后的直接产物含量降低
D
类囊体薄膜
已是充足光照
增强
(2)在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比A的低，原因是_____________________________________
__________________________________________，将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因___________________________________
___________________________________________
暗反应达到稳定时，C3和C5的含量维持动态平衡，此时C3化合物的分子数是C5化合物的2倍
例5.在光照等适宜条 件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转
移到CO2浓度为0.003%的
环境中，其叶片暗反应
中C3和C5化合物微摩尔
浓度的变化趋势如下图。
回答问题：
(1)图中物质A是_________(C3化合物、C5化合物)。
C3化合物
CO2浓度突然降低时，C5化合物的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致C5化合物积累。
(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时，物质A的浓度将比B的___(低、高)。
(4)CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的__(高、低)，其原因是___________________________________。
高
低
CO2浓度低时，暗反应的强度低，所需的ATP和[H]少
例5.在光照等适宜条 件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转
移到CO2浓度为0.003%的
环境中，其叶片暗反应
中C3和C5化合物微摩尔
浓度的变化趋势如下图。
回答问题：
光合作用的光反应和暗反应两个阶段是相辅相成，紧密联系，不可分割的。在植物正常进行光合作用的过程中，如突然改变某种条件则会引起某些指标（比值)发生变化，下列有关说法正确的是（ ）
A.突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增大
B.突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值减小
C.突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5比值减小
D.突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ADP/ATP比值增大
A
(2021·全国乙，29)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题：
(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有____________________________________________________________，光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和_________释放的CO2。
细胞质基质、线粒体
、叶绿体类囊体的薄膜
细胞呼吸
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止_____________________________，又能保证__________正常进行。
蒸腾作用过强导致水分散失过多
光合作用
(3)若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
实验思路：取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组；A组在(湿度适宜的)正常环境中培养，B组在干旱环境中培养，其他条件相同且适宜，一段时间后，分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH，并求平均值。预期结果：A组pH平均值高于B组。
研究发现,开花期低磷胁迫实验组与对照组相比,胞间CO2浓度没有显著变化的原因可能是___________。
因为低磷胁追引起光合速率下降，光合速率下降减少了CO2的利用；而气孔导度下降导致进入细胞间隙的CO2量减少，从而造成胞间CO2的积累，因此浓度没有显著变化
A
1.(2021·重庆卷，6)下图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析，下列叙述错误的是(　　)
考向
围绕光合作用的过程，考查科学思维
A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过4层膜
B.NADP＋与电子(e－)和质子(H＋)结合形成NADPH
C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D.电子(e－)的有序传递是完成光能转换的重要环节

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