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5.4.1捕获光能的色素和结构学案
【学习目标】
1.阐明“绿叶中色素的提取和分离”实验的原理与方法。
2.说出植物捕获光能的色素的种类和作用。
3.说明叶绿体适于进行光合作用的结构特点。
【学习重难点】
1．说出叶绿体的结构和功能。(重点)
2．说出绿叶中色素的种类和作用。(重点)
3．理解实验“绿叶中色素的提取和分离”的实验原理和方法。(重难点)
【预习新知】
捕获光能的色素
1．绿叶中色素的功能和合成
(1)功能：色素可以吸收、传递和转化光能。
(2)影响叶绿素合成的因素
叶绿素的合成易受光照、温度和矿质元素等因素影响。
①光照：光是影响叶绿素合成的主要因素，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而黑暗条件下叶片发黄。
②温度：温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成。低温时，叶绿素分子易被破坏，叶片发黄。
③矿质元素：叶绿素中含N、Mg等元素，若缺少这些元素，将导致叶绿素无法合成，老叶先变黄。另外，Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也将导致叶绿素合成受阻，幼叶先变黄。
2．实验结果——有关色素带的分析
(1)从色素带的位置可知，各种色素在层析液中溶解度的高低依次为：胡萝卜素>叶黄素>叶绿素a>叶绿素b。(记忆口诀：胡、黄、a、b)
(2)从色素带的宽度可知，各种色素的含量一般情况下为：叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。
3．注意事项及原因分析
过程 注意事项 原因分析
提取色素 选新鲜绿色的叶片 使滤液中色素含量高
研磨时加无水乙醇 溶解色素
加少量SiO2和CaCO3 研磨充分和保护色素
迅速、充分研磨 减少乙醇挥发，充分溶解色素
盛放滤液的试管口加棉塞 减少乙醇挥发和色素氧化
分离色素 滤纸预先干燥处理 使层析液在滤纸上快速扩散
滤液细线要直、细、匀 使分离出的色素带平整不重叠
滤液细线干燥后再重画一到两次 使分离出的色素带清晰分明
滤液细线不触及层析液 防止色素直接溶解到层析液中
叶绿体的结构适于进行光合作用
1．叶绿体中色素的吸收光谱
色素种类 吸收光 吸收光谱图示
叶绿素(含量约占3/4) 叶绿素a (蓝绿色) 吸收红光和蓝紫光
叶绿素b (黄绿色) 吸收红光和蓝紫光
类胡萝卜素(含量约占1/4) 胡萝卜素(橙黄色) 吸收蓝紫光
叶黄素(黄色) 吸收蓝紫光
2.叶绿体的结构及功能
(1)结构：
①双层膜：分为内膜和外膜，其主要功能是控制物质进出叶绿体。
②基粒：由囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的四种色素就分布在类囊体的薄膜上。
③基质：在基粒与基粒之间充满基质，基质中含有与光合作用有关的酶。
(2)功能：
叶绿体内的基粒和类囊体扩展了受光面积，含有许多吸收光能的色素分子和光合作用所必需的酶，因此叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
3．叶绿体功能的验证实验
(1)实验过程及现象：
(2)实验结论：
①叶绿体是进行光合作用的场所。
②O2是由叶绿体释放的。
(3)实验设计巧妙之处：
①实验材料选择水绵和好氧细菌：水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用好氧细菌可确定释放氧气的部位。
②没有空气的黑暗环境：排除了氧气和光的干扰。
③用极细的光束点状投射：叶绿体上可分为获得光照和无光照的部位，相当于一组对照实验。
④进行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的对照实验：明确实验结果完全是由光照引起的。
【易错提示】
绿叶中色素的提取和分离实验的异常现象分析
（1）收集到的滤液绿色过浅的原因分析：
①未加石英砂（二氧化硅），研磨不充分。
②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素（叶绿素）太少。
③一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低。
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。
（2）滤纸条色素带重叠：滤液细线画得过粗。
（3）滤纸条看不见色素带：
①忘记画滤液细线。
②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。
【巩固训练】
1.采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验，下列叙述正确的是( )
A.应在研磨叶片后添加适量CaCO3防止叶绿素被破坏
B.添加石英砂、加快研磨速度和延长研磨时间均有助于充分提取色素
C.分离色素时需沿铅笔细线在滤纸条上画一条细而直的滤液细线
D.滤纸条上会出现四条颜色、粗细不同的色素带，黄绿色的条带最粗
2.下列对“绿叶中色素的提取和分离”实验描述错误的是( )
A.研磨叶片时加二氧化硅的目的是使研磨更加充分
B.随层析液在滤纸条上扩散速度最快的色素是胡萝卜素
C.最宽的一条色素带中的色素主要吸收蓝紫光
D.实验应在通风条件下进行，实验结束后用肥皂将手洗干净
3.用一定浓度的NaHSO3溶液喷洒到小麦的叶片上，短期内检测到叶绿体中C3的含量下降，C5的含量上升。NaHSO3溶液的作用可能是( )
A.促进叶绿体中CO2的固定 B.抑制叶绿体中C3的还原
C.促进叶绿体中ATP的合成 D.抑制叶绿体中有机物的输出
4.下列有关生物体内生理过程的叙述，错误的是( )
A.水绵细胞内CO2的固定发生在细胞质基质中
B.人体细胞内DNA分子复制可发生在线粒体中
C.硝化细菌内[H]与O2结合发生在线粒体内膜上
D.人体细胞内丙酮酸分解成酒精的过程发生在细胞质基质中
5.回答下列有关光合作用的问题：
为证明光照是光合作用必需的，某兴趣小组设计实验内容和结果如下表所示：
组别 材料设置 条件 实验前BTB溶液颜色 实验后BTB溶液颜色
A 无叶圆片 有光 黄绿色 黄绿色
B 有叶圆片 遮光 黄绿色 黄色
C 有叶圆片 有光 黄绿色 淡蓝色
注：BTB是一种酸碱指示剂，在碱性溶液中呈蓝色，在酸性溶液中呈黄色，在中性溶液中基本仍呈淡蓝色
(1)本实验的对照组是表中的________组，因变量的检测指标是________。C瓶中溶液变为淡蓝色，说明__________。
(2)测量从某植物叶片分离得到叶绿体的光合速率，该速率__________(填“大于”、“等于”或“小于”)测得的该植物叶片的光合速率，理由是_____________。
(3)某兴趣小组探究光照对叶绿体中G酶活性的影响，将正常生长的盆栽花生在暗处放置24h后，再给予光照和黑暗处理，并定时剪取叶片测定叶绿体中G酶活性。(说明：G酶是GAP脱氢酶的简称，是光合作用碳反应中唯一能利用NADPH还原三碳酸分子的酶)
①下列能反映G酶活性的是___________。
A.单位时间内ATP的生成速率 B.单位时间内NADPH的氧化速率
C.单位时间内RuBP的再生速率 D.单位时间内CO2的固定速率
②构建体外测定叶绿体中G酶活性的反应体系，除了相关酶、缓冲物质与酶保护剂外，还需要下列的物质和条件中的___________(多选)。
A.适宜的温度 B.NADPH C.三碳酸分子 D.RuBP
③学习小组发现叶绿体中G酶在光照条件下活性较高，在黑暗条件下G酶活性较低。据此提出一项提高大棚栽培作物产量的合理措施是___________。
参考答案
1.答案：C
解析：A、为防止叶绿素被破坏，应在研磨叶片时加入CaCO3，A错误;B、由于无水乙醇具有挥发性，加入石英砂进行研磨时应迅速，B错误;C、先在距离滤纸条底部1cm处用铅笔画一条细的横线，分离色素时需沿铅笔细线在滤纸条上画一条细而直的滤液细线，C正确;D、滤纸条上会出现四条颜色、粗细不同的色素带，蓝绿色的条带即叶绿素a最粗，因为叶绿素a含量最多，D错误。
2.答案：C
解析：A、研磨叶片时加二氧化硅的目的是使研磨得充分，A正确；
B、胡萝卜素在层析液中溶解度最大，随层析液在滤纸条上扩散速度最快，B正确；
C、最宽的一条色素带是叶绿素a，主要吸收蓝紫光和红光，C错误；
D、由于层析液中含有对人体有毒的物质，因此，实验应在通风条件下进行，且实验结束后用肥皂将手洗干净，D正确。
故选C。
3.答案：C
解析：若NaHSO3溶液促进叶绿体中CO2的固定，则CO2被C5固定形成的C3增加，则消耗的C5增加，故C5的含量将减少，C3的含量将增加；若NaHSO3溶液抑制叶绿体中C3的还原，则被还原的C3减少，生成的C5减少，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将增加，C5的含量将减少；若NaHSO3溶液促进叶绿体中ATP的合成，则被还原的C3增多，消耗的C3增加，生成的C5增多，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将减少，C5的含量将增加；若NaHSO3溶液抑制叶绿体中有机物的输出，意味着暗反应中C3的还原过程变慢，生产的C5减少，而CO2被C5固定形成C3的过程不变，故C3的含量将增加，C5的含量将减少。故C正确。
4.答案：ACD
解析：A、水绵细胞内CO2的固定发生在叶绿体基质中，A错误;B、线粒体中含有DNA，其中的DNA可以复制，B正确;C、硝化细菌是原核生物，无线粒体，C错误;D、人体细胞内丙酮酸分解不生成酒精，会生成乳酸，D错误。
5.答案：(1)A、B；pH(或BTB溶液颜色)；叶圆片在光下进行光合作用，吸收CO2使pH升高
(2)大于；测得的叶片光合速率等于叶绿体光合速率减去叶片的呼吸速率
(3)B；ABC；延长光照时间
解析：(1)本实验中A组无叶圆片，可排除环境变化对溶液颜色的影响，B组无光照，与C组对照可说明光的作用，二者均属于对照组，通过观察溶液颜色变化判断叶片是否进行光合作用，则因变量的检测指标是pH(或BTB溶液颜色)。C瓶中叶圆片是在光下处理，实验后BTB溶液颜色为淡蓝色，溶液在中性溶液中呈淡蓝色，说明叶圆片在光下进行光合作用，吸收CO2使pH升高。
(2)叶绿体的光合速率代表植物的实际光合速率，测得的该植物叶片的光合速率是该植物的净光合速率，等于叶绿体光合速率减去叶片的呼吸速率，所以叶绿体光合速率大于测得的该植物叶片的光合速率。
(3)①A、单位时间内ATP的生成速率可代表光反应速率，不能反映G酶活性，A错误;B、G酶是是光合作用碳反应中唯一能利用NADPH还原三碳酸分子的酶，单位时间内NADPH的氧化速率能反映G酶活性，B正确;C、NADPH还原三碳酸分子生成三碳糖后，部分三碳糖再生为RuBP，单位时间内RuBP的再生速率不能反映G酶活性，C错误;D、CO2的固定不消耗NADPH，单位时间内CO2的固定速率不能反映G酶活性，D错误。故选B。
②G酶参与碳反应中NADPH还原，因此G酶发挥作用需要光反应提供NADPH，需要底物三碳酸分子和适宜的温度，与RuBP没有直接关系，故选ABC。
③叶绿体中G酶在光照条件下活性较高，在黑暗条件下G酶活性较低，据此可延长光照时间，充分发挥G酶的作用，提高大棚栽培作物产量。

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