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第11讲　光合作用的原理
必修1　分子与细胞
第二单元　细胞代谢
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考情分析
1．从命题题型和内容上看，主要以非选择题的形式考查。包括色素的种类与作用、叶绿体色素的提取与分离、光合作用的过程。本专题高考试题多为非选择题，多结合曲线分析进行考查。
在2023年重庆卷第19题结合光合作用考综合，在2024年重庆卷18题考查黄连的光合曲线。2025年重庆卷16题结合新素材及实验考察学生综合能力。
复习目标
1.通过绿叶中色素的提取和分离实验，提高实验操作能力和对实验结果的分析能力。(科学探究)
2.通过分析光反应和暗反应中物质和能量的变化，理解物质与能量观。(生命观念)
3．理解C3、C5等物质的变化和光合作用的相关曲线。(科学思维)
4.通过分析光合作用与细胞呼吸的关系，形成结构与功能相适应、物质与能量相互依存的生命观念。(生命观念)
5．分析影响光合作用的因素的曲线模型，理解环境因素对光合作用的影响。(科学思维)
6．通过探究环境因素对光合作用强度的影响实验，培养实验设计和分析能力。(科学探究)

说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。
一、光合作用的概念
光合作用是指 通过叶绿体，利用 ，把 和 转化成储存能量的 ，并且释放出 的过程。
光合作用的实质
①物质上：无机物→有机物
②能量上：光能→有机物中稳定的化学能
反应式：
绿色植物
光能
二氧化碳
水
有机物
氧气
注：（CH2O）表示糖类，
光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖.(P104)蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。
叶肉细胞图
1．19世纪末，科学界普遍认为：在光合作用中CO2分子中的C与H2O结合成____，然后甲醛分子缩合成糖。
考点1　光合作用原理的探索
甲醛
19世纪末
1941年
鲁宾和卡门
1937年
希尔
1928年
19世纪60年代
1954年
阿尔农
一、探索光合作用原理的部分实验
2．1928年：甲醛不能通过光合作用转化成__。
糖
考点1　光合作用原理的探索
19世纪末
1941年
鲁宾和卡门
1937年
希尔
1928年
19世纪60年代
1954年
阿尔农
一、探索光合作用原理的部分实验
3．1937年，英国希尔：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生____。该反应称作________。
氧气
希尔反应
考点1　光合作用原理的探索
19世纪末
1941年
鲁宾和卡门
1937年
希尔
1928年
19世纪60年代
1954年
阿尔农
一、探索光合作用原理的部分实验
H2O
2H+
+ O2
希尔反应
铁盐(或其他氧化剂)
离体叶绿体
光照
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？
能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。
考点1　光合作用原理的探索
19世纪末
1941年
鲁宾和卡门
1937年
希尔
1928年
19世纪60年代
1954年
阿尔农
一、探索光合作用原理的部分实验
H2O
2H+
+ O2
希尔反应
铁盐(或其他氧化剂)
离体叶绿体
光照
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？
不能，反应体系中可以还存在其他氧元素供体。
考点1　光合作用原理的探索
19世纪末
1941年
鲁宾和卡门
1937年
希尔
1928年
19世纪60年代
1954年
阿尔农
一、探索光合作用原理的部分实验
4．1941年，美国鲁宾和卡门：用__________的方法，研究了光合作用中____的来源(如图所示)，该实验证明了光合作用产生的氧气全部来自____，而不是来自____。
同位素示踪
H2O
CO2
氧气
提醒： 该实验中两组试管互为对照，自变量为18O的标记物，因变量为小球藻释放的O2的标记情况，光照、温度、小球藻的数量和生活状况等无关变量均需要保持相同且适宜。
下图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，不正确的是（ ? ）
C
练一练
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
考点1　光合作用原理的探索
19世纪末
1941年
鲁宾和卡门
1937年
希尔
1928年
19世纪60年代
1954年
阿尔农
一、探索光合作用原理的部分实验
5．1954年，美国阿尔农：在光照下，叶绿体可合成_____；1957年，他发现这一过程总是与________相伴随。
ATP
水的光解
(人教版必修1 P103思考·讨论T4)尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
提示：H2O光能????叶绿体????O2＋H＋＋能量
　　　　　　　　　　　 ↓
　　　　　　 ADP＋Pi―→ATP
?
（1）叶绿体中的电子 NADP+受体的发现
（补充）
H2O
O2
NADPH + H+
2
2
+
光照
2
+
NADP+
叶绿体
水是最终的电子供体，NADP+是最终的电子受体
科学家发现叶绿体中具有天然的电子受体，在光照下NADP+得到电子和H+，生成NADPH。
考点1　光合作用原理的探索
光反应阶段的变化
【总结】
2
H2O
O2
NADPH + H+
2
+
光照
2
+
NADP+
叶绿体
（1）物质变化：
考点1　光合作用原理的探索
提示：H2O光能????叶绿体????O2＋H＋＋能量
　　　　　　　　　　　 ↓
　　　　　　 ADP＋Pi―→ATP
?
（2）能量变化：
光能转化为ATP NADPH中活跃的化学能
6.卡尔文实验P104(暗反应即糖类的合成过程探究)
用14C标记的14CO2供小球藻进行光合作用，追踪检测其放射性。
14CO2→14C3→(14CH2O)和14C5
反应
时间
30秒
5秒
＜1秒
带14C标记的
化合物
很多种
14C3、14C5、14C6
90% 14C3
③实验结论：
①实验方法：
放射性同位素示踪法
②实验变量：
自变量是 ，因变量是 。
时间
14C标记的化合物
考点1　光合作用原理的探索
2．光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14 CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s，发现放射性代谢产物减少到12种，想要探究CO2转化成的第一个产物是什么，实验思路是_______
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
不断缩短光照时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物，该物质即为CO2转化成的第一个产物
2．(链接人教版必修1 P104正文)卡尔文将14 C标记的CO2通入正在进行光合作用的小球藻培养液中，然后在培养后不同时间(0.5 s、3 s、10 s等)将培养液迅速倾入热乙醇中以杀死细胞，最后利用层析法和放射自显影技术进行物质的分离和鉴定，实验结果如下图。下列相关分析不正确的是(　　)
A．用14 C标记CO2可排除细胞中原有物质的干扰
B．热乙醇处理的目的是停止光合作用的进行
C．推测暗反应的初产物可能是3-磷酸甘油酸
D．可依据放射性的强弱推测出暗反应的过程
√
光合作用原理的大致过程
【总结】
2
H2O
O2
NADPH + H+
2
+
光照
2
+
NADP+
叶绿体
（1）物质变化：
考点1　光合作用原理的探索
提示：H2O光能????叶绿体????O2＋H＋＋能量
　　　　　　　　　　　 ↓
　　　　　　 ADP＋Pi―→ATP
?
（2）能量变化：
光能转化为ATP NADPH中活跃的化学能最后转变为有机物中稳定的化学能
14CO2→14C3→(14CH2O)和14C5
详解．光反应中的光系统和电子传递链
①2H2O―→O2＋4H＋＋4e－
小结　电子的最初供体是水，最终受体是NADP＋，电子传递的最终产物是NADPH。
(1)物质变化
一、光合作用的过程
1．图解光合作用的过程
考点2　光合作用的原理
H2O
CO2
O2
(CH2O)
光反应
暗反应
NADPH
2C3
C5
ADP+Pi
详解．光反应中的光系统和电子传递链
2．比较光反应与暗反应阶段
?
光反应
暗反应
场所
类囊体的薄膜
叶绿体基质
条件
________、酶、H2O、ADP、Pi、NADP＋
酶、CO2、C5、____、_______等
光、色素
ATP
NADPH
?
光反应
暗反应
物质变化
①水的光解：
2H2O???酶???O2＋4H＋＋4e－
②ATP的合成：
ADP＋Pi＋能量???酶???ATP
③还原型辅酶Ⅱ的形成：
NADP＋＋H＋＋2e－???酶???NADPH
①CO2的固定：
CO2＋C5???酶???2C3
②C3的还原：
2C3????????????、???????????????????????????????酶??????????(CH2O)＋C5
?
光反应
暗反应
物质变化
?
光反应
暗反应
能量变化
光能―→____和_______中活跃的化学能
____和_______中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学能
联系
光反应为暗反应提供_______和____，暗反应为光反应提供__________________
ATP
NADPH
NADP＋、ADP和Pi
ATP
NADPH
ATP
NADPH
1．(人教版必修1 P103相关信息)水分解为氧和H＋的同时，被叶绿体夺去两个________，经传递，可用于________与______结合形成NADPH。
提示：电子　NADP＋　H＋
2．(人教版必修1 P104相关信息)C3是指三碳化合物——________________，C5是指五碳化合物——______________________。
提示：3-磷酸甘油酸　核酮糖-1，5-二磷酸(RuBP)
3．(人教版必修1 P104相关信息)光合作用的产物有一部分是________，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入________，再通过韧皮部运输到植株各处。
提示：淀粉　筛管
考向1　光合作用的过程及拓展
1．(链接人教版必修1 P103图5-14)“稻米流脂粟米白，公私仓廪俱丰实。”每年的丰收季，水稻等多种农作物开始收获，如图是水稻叶肉细胞的叶绿体内进行光合作用合成有机物的过程。下列相关叙述错误的是(　　)
A．光反应阶段中水被分解为H＋和物质甲，物质甲通过叶绿体膜的方式为自由扩散
B．物质丙中包括NADPH和ATP，其中NADPH是还原型辅酶Ⅱ，它与呼吸作用中的还原型辅酶不是同一种酶
C．丁和戊是光合作用中暗反应阶段的物质，两种物质的转化被称为卡尔文循环
D．暗反应阶段有没有光都能进行，夜间没有光反应但仍能进行暗反应
√
2．(链接人教版必修1 P103图5-14)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(　　)
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
√
考向3　人工光合系统
4．(链接人教版必修1 P104正文)我国科学家模拟植物光合作用，设计了一条利用二氧化碳合成淀粉的绿色新型人工体系(ASAP)，流程如图所示。据图判断下列相关叙述错误的是(　　)

A．图中由CO2经甲醇到C3的过程类似于光合作用中CO2的固定过程
B．图示的ASAP过程与植物细胞中的暗反应一样能循环进行
C．与植物细胞固定等量的CO2相比，该体系积累的淀粉更多
D．该体系有助于减少农药、化肥等对环境造成的负面影响
√
1.“过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：
[深化拓展]
方法：从物质的产生和消耗两个角度共同分析
考向2　光合作用中物质变化的分析
3．(链接人教版必修1 P104思考·讨论、正文)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化，下列相关说法正确的是(　　)
A．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C．突然将红光改为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D．突然将绿光改为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
√
2．光反应和暗反应之间的联系
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
[深化拓展]
2．科研人员向离体叶绿体悬浮液中加入适量NaHCO3溶液和必要物质，在适宜条件下进行闪光实验。结果如下图：
(1)叶绿体悬浮液中加入的物质有：______________________
NADP＋、ADP、Pi
(2)据图推测，光照总时间和实验时间相同的情况下，闪光照射的光合作用合成有机物的量与连续光照下的光合作用合成有机物的量__________(填“相同”或“不相同”)，理由是_________________________________________________________________________________________________________________________________________。
不相同
闪光照射，暗反应更能充分利用光反应提供的NADPH和ATP
1．连续光照和间隔光照下的有机物合成量(光反应和暗反应之间的联系)
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
(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。
[深化拓展]
【变式练习】1．光合作用的暗反应阶段主要包括：C5和CO2结合生成C3，C3经一系列变化生成糖类和C5。为确定光合作用暗反应阶段哪个反应间接依赖光，科学家利用小球藻进行实验，结果如图所示。
(1)利用热酒精处理小球藻能终止细胞内的化学反应。欲探究14CO2中14C的转移路径，给小球藻提供14CO2后，对小球藻的处理是
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
(2)暗反应阶段间接依赖光照的反应是______________________________，做出此判断的依据是___________________________________
___________________________________________________________
__________________________________________________________。
每间隔一段时间，用热酒精终止暗反应进程，提取并鉴定含14C的物质
当反应条件由光照变为黑暗时，C3含量升高而C5及各种中间产物的含量下降，说明C3的还原与光照条件有关
C3经一系列变化生成糖类和C5　
3.光合产物C3的去向
去向1
去向2
去向3
[深化拓展]
叶肉细胞图
例：植物叶肉细胞光合作用的碳反应、糖与淀粉合成代谢途径如图所示。 图中叶绿体内膜上的磷酸转运转运出1分子三碳糖磷酸的同时转运进1分子Pi(无机磷酸)请据图回答:
(1) 淀粉和蔗糖的合成场所分别是____________、____________。
叶绿体基质
细胞质基质
(2)若磷酸转运器功能正常，________合成或输出受阻， 则进入叶绿体的 Pi数量减少，使三碳糖磷酸大量积累于_____________中，也导致了光反应中合成_______数量下降，卡尔文循环减速。上述这种三碳糖磷酸对卡尔文循环的调节属于_____________。此时过多的三碳糖磷酸将用于合成___________，以此卡尔文循环运行。
蔗糖
叶绿体基质
ATP
负反馈调节
淀粉合成
三、光合作用和化能合成作用的比较
项目
光合作用
化能合成作用
条件
光、色素、酶
酶
原料
CO2和H2O等无机物
产物
____等有机物
能量来源
光能
____________________________
生物种类
绿色植物、蓝细菌等
________、硫细菌等
糖类
硝化细菌
某些无机物氧化时所释放的能量
体验真题　感悟高考 · 有章可循
1．(2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体，PSⅡ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ，通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(　　)
A．叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B．Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C．弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，不利于对光能的捕获
D．PSⅡ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2
√
C　[叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ与PSⅡ分离减少，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强，A正确；Mg2+是叶绿素的组成成分，其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少，导致对光能的捕获减弱，B正确；弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，增强对光能的捕获，C错误；PSⅡ光复合体能吸收光能，并分解水，水的光解产生H＋、电子和O2，D正确。]
2．(2023·天津卷)下图是某绿藻适应水生环境，提高光合效率的机制图。光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成。下列叙述错误的是(　　)
A．物质X通过提高有氧呼吸水平促进????????????3???进入细胞质基质
B．????????????3???利用通道蛋白从细胞质基质进入叶绿体基质
C．水光解产生的H＋提高类囊体腔CO2水平，促进CO2进入叶绿体基质
D．光反应通过确保暗反应的CO2的供应帮助该绿藻适应水生环境
?
√
B　[光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成，因此物质X可通过提高有氧呼吸水平促进???????????????????进入细胞质基质，A正确；???????????????????进入叶绿体基质也需要线粒体产生的ATP供能，属于主动运输，通道蛋白只能参与协助扩散，B错误；据图可知，光反应中水光解产生的H＋促进???????????????????进入类囊体，并与???????????????????在类囊体腔内反应产生CO2，因此能提高类囊体腔CO2水平，C正确；据图可知，光反应生成的物质X(O2)促进线粒体的有氧呼吸，产生更多的ATP，有利于???????????????????进入叶绿体基质，产生CO2，保证了暗反应的CO2供应，D正确。]
?
3．(2024·安徽卷)为探究基因OsNAC对光合作用的影响，研究人员在相同条件下种植某品种水稻的野生型(WT)、OsNAC 敲除突变体(KO)及 OsNAC 过量表达株(OE)，测定了灌浆期旗叶(位于植株最顶端)净光合速率和叶绿素含量，结果见下表。回答下列问题：
?
净光合速率(μmol·m-2·s-1)
叶绿素含量(mg·g-1)
WT
24.0
4.0
KO
20.3
3.2
OE
27.7
4.6
(1)旗叶从外界吸收1分子 CO2与核酮糖-1，5-二磷酸结合，在特定酶作用下形成2分子3-磷酸甘油酸；在有关酶的作用下，3-磷酸甘油酸接受____________________释放的能量并被还原，随后在叶绿体基质中转化为______________________________________。
(2)与WT相比，实验组KO与OE的设置分别采用了自变量控制中的____________、____________(填科学方法)。
ATP 和 NADPH
核酮糖-1，5-二磷酸(C5)和糖类等有机物
减法原理
加法原理
(3)据表可知，OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率________。为进一步探究该基因的功能，研究人员测定了旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的相对表达量、蔗糖含量及单株产量，结果如图：
增大
结合图表，分析OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率发生相应变化的原因：①____________________________________________________________________________________________________________；
②____________________________________________________________________________________________________________________________________。
与 WT 组相比，OE组叶绿素含量较高，增加了对光能
与 WT 组相比，OE组旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的表达量较高，可以及时将更多的光合产物(蔗糖)向外运出，从而促进旗叶的光合作用速率
的吸收、传递和转换，光反应增强，促进旗叶光合作用
[解析]　(1)在光合作用的暗反应阶段，CO2被固定后形成2分子3-磷酸甘油酸(C3)，在有关酶的催化作用下，接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。随后在叶绿体基质中转化为核酮糖-1，5-二磷酸(C5)和糖类等有机物。(2)与某品种水稻的野生型(WT)相比，实验组KO为OsNAC 敲除突变体，其设置采用了自变量控制中的减法原理；实验组OE 为 OsNAC 过量表达株，其设置采用了自变量控制中的加法原理。
(3)题图和表中信息显示：OE组的净光合速率、叶绿素含量、旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的相对表达量、单株产量都明显高于WT 组和KO组，OE组蔗糖含量却低于WT 组和KO组，说明OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率增大，究其原因有①与WT组相比，OE组叶绿素含量较高，增加了对光能的吸收、传递和转换，光反应增强，促进旗叶光合作用；②与 WT 组相比，OE组旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的表达量较高，可以及时将更多的光合产物(蔗糖)向外运出，从而促进旗叶的光合作用速率。
谢 谢 ！

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