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第16讲　光合作用的原理
[课标要求]
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。
考点一
光合作用的原理
1.光合作用的概念及反应式
(1)光合作用的概念:绿色植物通过 ,利用光能,将 转化成储存着能量的有机物,并且释放出 的过程。
(2)反应式: 。
基础知识·整合
二氧化碳和水
叶绿体
氧气
CO2+H2O (CH2O)+O2
2.探索光合作用原理的部分经典实验
叶绿体
叶绿体
O2
H2O
ATP
CO2
3.光合作用的过程
(1)填写图中序号所代表的物质或结构。
① ;② ;③ ;④ ;Ⅰ 。
O2
ATP
NADPH
C5
光反应
(2)光反应与暗反应的比较。
不直接依赖光
类囊体薄膜
叶绿体基质
C3的还原
水光解为O2和H+
ATP
NADPH
有机物中的
化学能
4.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
区
别 能量来源
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
无机物氧化释放的能量
硝化细菌
CO2和H2O
1.判断正误
(1)(必修1 P103~104黑体字)光反应必须在光照下进行,暗反应必须在暗处进行。(　　)
深挖教材
×
【提示】 光反应必须在光照下进行,但暗反应不直接依赖光。
(2)(必修1 P103图5-14)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,在合适的条件下可完成暗反应过程。(　　)
√
(3)(必修1 P104正文)光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。(　　)
(4)(必修1 P104相关信息)光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处。(　　)
×
【提示】 蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处,淀粉不能进入筛管。
√
2.规范表达
(1)(必修1 P102思考·讨论拓展)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,理由是
。
(2)(必修1 P103图5-14拓展)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法长时间正常进行的原因是
。
与反应,而糖的合成需要碳的参与
水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参
暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,
光照停止使光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间;但随后暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行
1.光合作用反应式中元素去向分析
重难知识·透析
2.分析环境改变时光合作用各物质含量的变化
(1)“来源—去路”法分析各物质含量的变化。
如图中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”表示C3、C5等物质的量的变化。
能力1　围绕光合作用的过程,考查物质与能量观
1.(2021·广东卷,12)在高等植物光合作用的卡尔文循环中,唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为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
D
关键能力·提升
【解析】 由“唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco”可知,Rubisco是与暗反应有关的酶,暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的,故Rubisco存在于叶绿体的基质中;暗反应不直接依赖光,故激活Rubisco不一定需要黑暗条件;在暗反应阶段,CO2的固定不消耗NADPH和ATP。
2.磷酸丙糖不仅是光合作用中最先产生的糖,也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。如图为某植物光合作用产物的合成与运输示意图。下列相关说法错误的是(　　)
A.a表示的物质是ATP,它也可以在叶绿体基质中合成
B.在细胞质基质中会发生合成蔗糖的过程
C.磷酸丙糖是暗反应产物,在叶绿体基质中合成淀粉
D.若图中表示的磷酸转运器活性受抑制,会导致光合速率下降
A
【解析】 题图中a是光反应为暗反应提供的物质,a表示NADPH和ATP,在叶绿体类囊体薄膜上合成;磷酸转运器活性受抑制,不能将磷酸丙糖运出叶绿体,也不能将磷酸运入叶绿体,造成叶绿体中光合产物积累和缺少磷酸,导致光合速率降低。
能力2　围绕光合作用过程中物质含量的变化分析,考查科学思维
3.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的值减小
D.突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
D
【解析】 突然中断CO2供应导致CO2的固定速率降低,叶绿体中C5含量增多、C3含量减少,进而使ATP和NADPH含量增多,所以C5/C3的值增大,
ATP/ADP的值增大;突然将红光改变为绿光后光能利用率降低,ATP和NADPH含量减少,进而使C3含量增多、C5含量减少,C3/C5的值增大;突然将绿光改变为红光后光能利用率提高,ATP和NADPH含量增多,ATP/ADP的值增大。
考点二
光合作用和细胞呼吸的关系
1.光合作用与细胞呼吸的区别
基础知识·整合
细胞质基质
光下
ATP
2.光合作用与有氧呼吸的联系
(1)物质转化。
(2)能量变化。
3.光合作用与有氧呼吸中有关的NADPH、NADH、ATP的来源与去路
1.判断正误
(1)(必修1 P103正文拓展)叶绿体产生的O2可进入线粒体被直接利用,线粒体产生的H2O可进入叶绿体被直接利用。(　　)
(2)(必修1 P103正文)进入叶绿体的CO2能被NADPH直接还原,植物体的净光合速率长期为零时会导致植物体停止生长。(　　)
深挖教材
√
×
【提示】 进入叶绿体的CO2先要与C5结合形成C3,才能被NADPH还原,净光合作用速率长期为零,即植物没有有机物积累,无法给植物提供营养,导致植物体停止生长。
(3)(必修1 P105旁栏思考)光合作用与细胞呼吸总是同时进行的。(　　)
×
【提示】 光合作用在有光的条件下进行,而呼吸作用每时每刻都在进行。
(4)(必修1 P106拓展应用1)温室大棚可以利用控制光照强度、温度的方式,如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等提高绿色植物光合作用强度。(　　)
(5)(必修1 P106拓展应用2)给密闭玻璃瓶中的植物幼苗提供适宜的水、无机盐、光照强度、温度等条件,幼苗可以长时间正常生长发育。(　　)
√
×
【提示】 随着植物的生长,土壤中的水分会减少,土壤中的无机盐含量下降,玻璃瓶中CO2含量减少等,因此幼苗不可以长时间正常生长发育。
2.规范表达
(必修1 P93图5-9与P103图5-14拓展)如图表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。
(1)图中a、b、c、d代表的依次是哪种物质 [H]代表的物质是什么
【提示】 O2、NADP+、ADP+Pi、C5。NADH。
(2)Ⅰ、Ⅱ代表反应过程,Ⅲ代表细胞质基质,Ⅳ代表线粒体,则ATP合成发生在哪些过程或结构中(用图中字母表示)
【提示】 Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。
(3)Ⅲ中的丙酮酸可以转化成酒精,出现这种情况的原因是什么
【提示】 在缺氧条件下进行无氧呼吸。
能力3　围绕光合作用和细胞呼吸的过程关系,考查生命观念
4.(2024·广东卷,2)2019年,我国科考队在太平洋马里亚纳海沟采集到一种蓝细菌,其细胞内存在由两层膜组成的片层结构,此结构可进行光合作用与呼吸作用。在该结构中,下列物质存在的可能性最小的是(　　)
A.ATP B.NADP+ C.NADH D.DNA
D
关键能力·提升
【解析】 由题干信息可知,采集到的蓝细菌其细胞内存在由两层膜组成的片层结构,此结构可进行光合作用与呼吸作用,进行光合作用时,光反应阶段可以将ADP和Pi转化为ATP,NADP+和H+转化为NADPH,用于暗反应;
NADH是呼吸作用中产生的还原型辅酶Ⅰ;DNA存在于蓝细菌的拟核中。
5.(2025·河北卷,4)对绿色植物的光合作用和呼吸作用过程进行比较,下列叙述错误的是(　　)
A.类囊体膜上消耗H2O,而线粒体基质中生成H2O
B.叶绿体基质中消耗CO2,而线粒体基质中生成CO2
C.类囊体膜上生成O2,而线粒体内膜上消耗O2
D.叶绿体基质中合成有机物,而线粒体基质中分解有机物
A
【解析】 类囊体膜上进行水的光解消耗H2O,而线粒体内膜上进行有氧呼吸第三阶段生成H2O,线粒体基质中进行有氧呼吸第二阶段不生成H2O。
热点情境4
光系统及电子传递链
[情境链接]
1.光系统Ⅱ进行水的光解,产生氧气、H+和电子(e-),光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。
2.电子(e-)经过电子传递链:质体醌(PQ)→细胞色素b6f复合体→质体蓝素(PC)→光系统Ⅰ→铁氧还蛋白(Fd)→NADPH。
3.电子传递过程是高电势到低电势,因此,电子传递过程中释放能量,质体醌利用这部分能量将质子(H+)逆浓度从叶绿体基质侧泵入类囊体腔中,从而建立了质子浓度(电化学)梯度。当然,光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H+)以及在叶绿体基质侧H+和NADP+形成NADPH的过程,为建立质子浓度(电化学)梯度也有所贡献。
4.类囊体膜对质子是高度不透的,因此,类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出,而ATP合成酶利用质子浓度梯度形成的势能合成ATP。
[迁移应用]
1.如图是番茄叶肉细胞中进行光合作用的部分过程示意图,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(　　)
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化为化学能全部储存在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+,产生的电子传递给PSⅠ促进NADP+和H+结合形成NADPH
B
【解析】 由题图可知,PSⅡ和PSⅠ分布在叶肉细胞的类囊体薄膜上,自然界中能发生光合作用的生物,不一定具有叶绿体,如蓝细菌,故不一定具备PSⅡ和PSⅠ系统;分析图示可知,光反应过程中吸收光能转化成的化学能不只储存在ATP中,还储存在NADPH中;由图可知,H+顺浓度梯度转运出类囊体并产生能量,在ATP合成酶的作用下,促进ADP和Pi合成ATP;PSⅡ中的色素吸收光能后,将H2O分解为O2和H+,产生的电子传递给PSⅠ促进NADP+和H+结合形成NADPH。
2.如图表示植物叶肉细胞叶绿体的类囊体膜上发生的部分代谢过程,其中运输H+的载体蛋白有两种类型,从而实现H+在膜两侧间的穿梭。下列分析错误的是(　　)
A.图中过程产生了O2、ATP和NADPH等
B.H+可由叶绿体基质进入类囊体腔,该过程属于主动运输,但消耗的能量不是由ATP提供的
C.通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同
D.据图分析,O2产生后扩散到细胞外共需要穿过3层生物膜
D
【解析】 题图所示过程为光合作用的光反应阶段,发生在类囊体薄膜上,该过程产生了O2、ATP和NADPH等;题图中H+由类囊体腔内至叶绿体基质,在H+的顺浓度梯度的推动下促进了ATP的合成,可知H+由叶绿体基质进入类囊体腔是逆浓度梯度进行的,属于主动运输,能量来源于电子传递;通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同,H+进入类囊体腔是逆浓度进入的,属于主动运输,而从类囊体腔转运出去是通过协助扩散完成的;O2在类囊体腔中产生,首先需要穿过类囊体膜到达叶绿体基质中,再穿过叶绿体的两层膜结构到达细胞质基质中,再穿过细胞膜到达细胞
外,该过程穿过了4层生物膜。

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