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第12讲　第二课时　光合作用原理
考点一 光合作用的原理和过程
夯实基础 精研教材
1.光合作用的原理
(1)填写图中序号所代表的物质或结构。
①　　　　　;②　　　　　;③　　　　　;④　　　　。Ⅰ是　　　　;
Ⅱ是　　　　。
O2　
NADP+　
ADP+Pi　
C5　
光反应
暗反应　
(2)光反应与暗反应的比较
阶段 光反应 暗反应
区别 条件 　　　、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP+等　 多种酶、ATP、NADPH、CO2等
场所 类囊体薄膜① 　　　　　　　
物质变化 水的光解 2H2O 　　　 　, 　　　　　 NADPH ②ATP的形成 ADP+Pi+能量 ATP+H2O ①CO2的固定
　　　　　　　　　　　　　
②C3的还原
2C3 　　　　　
光
叶绿体基质　
4H++O2　
H++NADP+　
CO2+C5 2C3
(CH2O)+C5　
阶段 光反应 暗反应
区别 能量变化 光能转变成 　　　　　　　　　　　　　　　　 ATP和NADPH中活跃的化学能转变成储存在(CH2O)中的稳定的化学能
联系 ①光反应为暗反应提供　　　　　　　　　　　　,暗反应为光反应提供　　　　　　　　　　　　。②没有光反应,则暗反应无法进行,没有暗反应,则有机物无法合成 ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH　
ADP、Pi、NADP+　
(3)元素的转移途径
NADP3H
(C3H2O)　
14C3
(14CH2O)、14C5　
18O2　
C3
(CO)
2.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
能量来源 　　　 　　　　　　　　释放的能量
代表生物 绿色植物 　　　　　
相同点 都能将　　　　　　　等无机物合成有机物 光能
无机物氧化　
硝化细菌　
CO2和H2O
教材深挖
1.(必修1 P103图5-14拓展)光照停止后暗反应在短时间内仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是
　 。
2.(必修1 P104正文)光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2,一定时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,实验发现,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,如果要探究CO2转化成的第一个产物是什么,可能的实验思路是
　。
暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照后光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间,但是这段时间后,暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行
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
易错排查
1.光合作用中,水的光解发生在类囊体薄膜上。(2024·江西卷)(　　)
2.高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少。(2023·湖北卷)
(　　)
3.植物细胞产生的O2只能来自光合作用。(　　)
4.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原。(　　)
5.光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处。(　　)
√
×
×
×
×
思维探究 考教衔接
1.光系统与光合磷酸化
(根据2021·重庆卷情境设计)如图为类囊体薄膜上发生的光反应示意图,其中PSⅠ和PSⅡ分别是光系统Ⅰ和光系统Ⅱ,是叶绿素和蛋白质构成的复合体,能吸收利用光能进行电子的传递。其中PQ、Cytbf、PC是传递电子的蛋白质,PQ在传递电子的同时能将H+运输到类囊体腔中,图中实线为电子的传递过程,虚线为H+的运输过程,ATP合成酶由CF0和CF1两部分组成。
(1)少数处于特殊状态的叶绿素分子在光能激发下失去高能e-,失去e-的叶绿素分子,能够从水分子中夺取e-,使水分解为　　　　　　　;电子(e-)由水释放出来后,经过一系列的传递体形成电子流,最终传递给
　　　　　　(电子的最终受体)合成NADPH。PSⅠ和PSⅡ吸收的光能储存在　　　　　　　中。
(2)据图分析,使类囊体膜两侧H+浓度差增加的过程有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)由图可知,图中ATP合成酶的作用有　　　　　　　　　　　　　。合成ATP依赖于　　　　 　　　　　　形成的电化学势能。
O2和H+　
NADP+　
NADPH和ATP
水的光解产生H+;PQ运输H+;合成NADPH消耗H+
运输H+和催化ATP的合成
类囊体膜两侧的H+浓度差
2.光合作用产物的运输
(根据2020·江苏卷情境设计)大豆与根瘤菌是互利共生关系,下图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径,请据图回答下列问题。
(1)上图所示的代谢途径中,催化固定CO2形成PGA的酶在______________　　　　　　　中,PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖,催化TP合成蔗糖的酶存在于　　　　　　　中。
(2)CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自　　　　　;根瘤中合成ATP的能量主要源于　　　　　的分解。
(3)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物,与葡萄糖相比,以蔗糖作为运输物质的优点是　　　　　　　　　　　　。
叶绿体基质
细胞质基质
光能
糖类
非还原糖较稳定
考法练透 素养提升
考法一　光合作用的原理和过程
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
答案 C　
解析 根据题干信息可知,LHC 蛋白激酶催化 LHCⅡ 与 PSⅡ 的分离,当 LHC 蛋白激酶活性下降时,LHCⅡ 无法与 PSⅡ 分离,导致 PSⅡ 光复合体对光能的捕获增强,A项正确;Mg2+ 是叶绿素的重要组成成分,如果 Mg2+ 含量减少,PSⅡ 光复合体对光能的捕获会减弱,B项正确;在弱光条件下,LHCⅡ与PSⅡ结合,这有助于增强PSⅡ光复合体对光能的捕获,LHCⅡ是光合色素蛋白复合体,它可以吸收光能并传递给PSⅡ,进而促进光合作用的进行,C项错误;PSⅡ光复合体在光反应中参与水的光解反应,产生H+、电子和O2,D项正确。
2.(2025·重庆模拟)类囊体膜蛋白排列和光反应产物的形成过程如下图所示。据图分析,下列叙述错误的是(　　)
A.水光解产生的O2被有氧呼吸利用,最少要穿过5层生物膜
B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH
C.完成光能转换所需电子(e-)的最终来源是水
D.光反应产生的ATP只能用于暗反应中C3的还原
D
解析 水光解产生O2的场所是叶绿体的类囊体膜,若被有氧呼吸利用,氧气在线粒体内膜上被利用,氧气从叶绿体类囊体膜开始,再穿过叶绿体2层膜,然后进入同一细胞中的线粒体,穿过线粒体的2层膜,所以至少要穿过5层膜,A项正确;光反应中NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH,然后在暗反应过程中被消耗,B项正确;完成光能转换所需电子(e-)的最终来源是水,C项正确;由题图可知,光反应产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢、色素合成等其他消耗能量的反应,D项错误。
考法二　人工光合系统与光合作用
3.(2024·湖北天门模拟)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人工路线,流程如图所示。下列相关分析正确的是(　　)
A.①②过程与光反应的过程完全相同,③④过程与暗反应过程完全相同
B.该过程与植物光合作用的本质都是将光能转化成化学能储藏于有机物中
C.该过程与光合作用合成淀粉都是在常温常压下进行的较温和的反应
D.步骤①需要催化剂,②③④既不需要催化剂也不需要消耗能量
B
解析 分析题图可知,①②过程模拟暗反应中CO2的固定过程,③④过程模拟暗反应中C3的还原过程;植物光合作用的本质是利用光能将无机物CO2和水转化为有机物,同时将光能转化为有机物中的化学能,图示过程也将CO2和水转化为淀粉,同时储存能量,二者的本质是相同的;由图可知,①过程是利用催化剂在一定条件下进行的化学反应,反应过程较剧烈,②③④过程是在酶的催化下完成的,反应较温和;分析图示可知,图中②③④需要在酶的催化下进行,由小分子聚合成大分子的反应,为吸能反应,需要消耗能量。
考点二 环境改变与光合作用各物质含量的变化分析
透析重难 精准突破
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。
2.“模型法”分析各物质变化
(1)光照强度变化:
(2)CO2浓度变化:
思维探究 考教衔接
(根据2015·全国卷情境设计)为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响,科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。每组处理的总时间均为135 s,处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下。
A组:先光照后黑暗,时间各为67.5 s;光合产物的相对含量为50%。
B组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为7.5 s;光合产物的相对含量为70%。
C组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒);光合产物的相对含量为94%。
D组(对照组):光照时间为135 s;光合产物的相对含量为100%。回答下列问题。
(1)单位光照时间内,C组植物合成有机物的量　　　(填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量,依据是
　 　　　　　 　　　　;
C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不直接依赖　　　 。
(2)比较A、B、C三组处理可以推知,随着光照和黑暗交替频率的增加,使光下产生的　　　　　　　　　能够及时利用与及时再生,从而提高了光合作用中　　　　　　　　。
高于
C组只用了D组一半的光照时间,其光合产物的相对含量却是D组的94%
光照
ATP和NADPH　
CO2的同化量
考法练透 素养提升
考法一　环境改变与C3、C5等化合物含量变化
1.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
B
解析 突然中断CO2供应,使暗反应中CO2固定停止,而C3还原仍在进行,因此导致C3减少、C5增多,会暂时引起叶绿体基质中C5与C3比值增大,A项错误;突然中断CO2供应使C3减少,因此C3还原利用的ATP减少,导致ATP积累增多,而ADP含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中ATP与ADP比值增大,B项正确;由于光合色素主要吸收红光和蓝紫光,突然将红光改变为绿光,会导致光反应产生的ATP和NADPH减少,这将使暗反应中C3的还原减弱,导致C5减少、C3增多,因此会暂时引起叶绿体基质中C3与C5比值增大,C项错误;突然将绿光改变为红光会导致光反应吸收的光能增加,光反应产生的ATP和NADPH增加,而ADP相对含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中ATP与ADP比值增大,D项错误。
考法二　光暗交替变化对植物光合作用的影响
2.(2024·福建泉州模拟改编)科研人员分离出某植物的叶绿体,让叶绿体交替接受5秒光照、5秒黑暗处理,持续进行20分钟,并用灵敏传感器记录环境中O2和CO2的变化,部分实验记录如下图所示。
下列说法错误的是(　　)
A.实验结果支持光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段
B.实验结果说明相比连续光照20分钟,“间歇光照”20分钟处理的叶绿体有机物合成总量更少
C.S1+S2、S2+S3可分别表示光反应释放的O2总量与暗反应吸收的CO2总量
D.光照与黑暗处理时O2释放速率和CO2吸收速率变化说明暗反应速率限制光反应速率
A
解析 光反应阶段需要光照,暗反应阶段不直接依赖光,a~c段既有光反应也有暗反应,c~e段在黑暗开始之前也有光反应,黑暗开始之后,只有暗反应,没有光反应,因此该实验结果不支持光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段,A项错误;5秒光照,5秒黑暗,持续20分钟,光照时间实际为10分钟,与连续光照20分钟相比,光照时间短,光反应时间短,叶绿体有机物合成总量少,B项正确;虚线表示O2释放速率的变化,实线表示CO2吸收速率的变化,在一个光周期内,二者从开始的0经过一段时间的反应以后又变为0,结合光合作用的总反应式来看,在一个光周期内释放的O2总量与暗反应吸收的CO2总量是相等的,即S1+S2=S2+S3,S1+S2、S2+S3可分别表示光反应释放的O2总量与暗反应吸收的CO2总量,C项正确;从图中光照开始来看,一段时间内O2的释放速率明显大于CO2的吸收速率(即光反应速率大于暗反应速率),而暗反应速率限制了光反应的速率,所以才会导致O2的释放速率下降,D项正确。
聚焦表达 回扣落实
1.(基础识记类)水分解为O2和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递,可用于NADP+与H+结合形成NADPH。NADPH的作用是 　　　　　　　 　　　　。
2.(基础识记类)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。
3.(原因分析类)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出1点即可)。
4.(逻辑推理类)有关光合作用的两组实验——甲组:连续光照5分钟和黑暗5分钟;乙组:间隔光照(5秒光照、5秒黑暗交替进行),总光照5分钟和黑暗5分钟。10分钟时间内哪一组有机物的合成量多 为什么
　　　　　　　　　　　 　　。
可作为暗反应阶段的还原剂;储存部分能量供暗反应阶段利用
淀粉
筛管
自身呼吸消耗或建造植物体结构
乙组有机物合成量多。因为光照和黑暗交替处理,使光反应产生的ATP和NADPH能够及时利用与再生,从而提高了光合作用中CO2的同化量

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