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课时2　光反应与碳反应的基本过程
一、光反应将光能转化为化学能,并产生氧气
场所 类囊体膜(光合膜)
物质 变化 (1)水光解:光能将水裂解为H+、O2和电子; (2)NADPH与ATP的合成:H+和e-将NADP+还原为NADPH,并产生ATP,O2被释放到细胞外
能量 变化 光合色素吸收光能,将光能转化为ATP和NADPH中的化学能
(1)类囊体的空腔内有多种酶,这些酶与水的裂解有关。(　√　)
(2)光强度突然下降后,短时间内叶绿体内ATP/ADP的值下降,O2的产生停止。(　×　)
提示:光强度突然下降后,短时间内叶绿体内ATP/ADP的值下降,但O2的产生不会停止。
二、碳反应将二氧化碳还原成糖
场所 叶绿体基质
物质 变化 (1)CO2的固定:在酶的催化作用下,1个CO2分子与五碳糖结合,形成1个六碳分子;该分子随即分解成2个三碳酸分子。 (2)三碳酸的还原: ①每个三碳酸分子接受来自NADPH和ATP的能量,被NADPH还原形成三碳糖;②五碳糖的再生。
物质 变化 (3)在叶绿体内,三碳糖作为原料用于淀粉、蛋白质和脂质的合成。大部分三碳糖运至叶绿体外,并且转变成蔗糖,供植物体所有细胞利用
能量 变化 NADPH和ATP中的能量转变为有机物中的化学能
(1)光合作用的碳循环虽然不直接需要光,但只有在有光的条件下才能一轮一轮地循环。(　√　)
提示:光合作用的卡尔文循环(或碳反应)虽然不直接需要光,但只有在有光的条件下才能一轮一轮地循环。
(2)三碳糖的形成标志着光合作用合成糖的过程已经完成。(　√　)
(3)卡尔文循环中,ATP在叶绿体基质中将三碳酸还原为三碳糖。(　×　)
提示:三碳酸还原过程中,ATP和NADPH提供能量,还原剂为NADPH。
(4)温度改变只影响卡尔文循环,不影响光反应。(　×　)
提示:卡尔文循环与光反应都需要酶的催化,而酶的活性受温度影响。
(5)蔗糖的合成或输出受阻,会引起卡尔文循环减速。(　√　)
提示:蔗糖的合成或输出受阻,三碳糖大量积累于叶绿体基质中,导致光反应中NADPH和ATP的合成受阻,进而造成卡尔文循环减速。
一、光反应
[典例1-1] 下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(　C　)
A.图中过程产生了O2、ATP和NADPH等
B.H+可通过主动转运由叶绿体基质进入类囊体腔
C.H+由类囊体腔进入叶绿体基质的过程是一个吸能过程
D.通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同
解析:图中是光反应过程,产生了O2、ATP和NADPH等,A正确;据图可知,在电子传递的能量的驱动下,H+可通过主动转运由叶绿体基质进入类囊体腔,但不消耗ATP,B正确;H+通过易化扩散由类囊体腔进入叶绿体基质,在类囊体膜上的H+顺浓度梯度的推动下促进了ATP的合成,故H+由类囊体腔进入叶绿体基质的过程是一个放能过程,通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同,C错误,D正确。
[典例1-2] 实验中常用希尔反应来测定除草剂对杂草光合作用的抑制效果。希尔反应基本过程:将黑暗中制备的离体叶绿体加到含有DCIP(氧化剂)、蔗糖和缓冲液的溶液中并照光。水在光照下被分解,产生氧气等,溶液中的DCIP被还原,颜色由蓝色变成无色,用不同浓度的某除草剂分别处理品种甲杂草和品种乙杂草的离体叶绿体并进行希尔反应,实验结果如下表所示。下列叙述正确的是(　C　)
除草剂相对浓度/% 0 5 10 15 20 25 30
品种甲的放氧速率相对值 5.0 3.7 2.2 1.0 0.0 0.0 0.0
品种乙的放氧速率相对值 5.0 4.4 3.7 3.0 2.2 1.6 1.0
A.希尔反应中加入蔗糖溶液为该反应提供能量
B.希尔反应中的DCIP相当于光反应中的NADPH
C.与品种乙相比,除草剂抑制品种甲叶绿体类囊体膜的功能较强
D.除草剂浓度为20%时,若向品种甲的希尔反应溶液中通入二氧化碳,在光照条件下就能检测到糖的生成
解析:希尔反应中加入蔗糖溶液是为了维持渗透压,防止叶绿体吸水涨破,A错误;希尔反应模拟了光合作用中光反应阶段的部分变化,该阶段在叶绿体的类囊体膜上进行,溶液中的DCIP被还原,因此氧化剂DCIP在希尔反应中的作用,相当于NADP+在光反应中的作用,B错误;据题表分析可知,除草剂处理影响叶绿体放氧速率,说明除草剂主要抑制光合作用的光反应阶段,光反应阶段发生在类囊体膜上,除草剂各浓度下,品种甲的放氧速率较品种乙慢,即除草剂抑制品种甲叶绿体类囊体膜的功能较强,C正确;除草剂浓度为20%时,若向品种甲的希尔反应溶液中通入二氧化碳,由于该反应中没有NADPH的生成,所以三碳酸不能被还原成糖,在光照条件下不能检测到糖的生成,D错误。
二、碳反应
[典例2-1] 用14C标记的CO2追踪光合作用过程中碳原子的转移路径,发现其转移路径是CO2→三碳酸→三碳糖→蔗糖。下列叙述错误的是(　D　)
A.CO2→三碳酸的过程需要五碳糖的参与
B.三碳酸→三碳糖的过程需要ATP和NADPH供能
C.三碳糖→蔗糖的过程在细胞溶胶中发生
D.CO2→三碳酸→三碳糖→蔗糖的过程称为卡尔文循环
解析:CO2→三碳酸的过程为CO2的固定,需要五碳糖的参与,A正确;三碳酸→三碳糖的过程需要光反应提供的ATP和NADPH供能,B正确;三碳糖合成蔗糖的过程在细胞溶胶中发生,C正确;二氧化碳被还原为糖的过程称为卡尔文循环,包括CO2→三碳酸→三碳糖路径,蔗糖的合成不属于卡尔文循环,D错误。
[典例2-2] (湖州高一期末)植物体内光合作用及产物的利用过程如图所示,其中①②表示生理过程,Ⅰ、Ⅱ表示反应场所,a～d表示物质。据图分析,下列叙述正确的是(　C　)
A.反应场所Ⅱ是叶绿体基质
B.②过程生成的物质c是三碳酸
C.物质a是五碳糖,①过程是CO2的固定
D.物质d一般为淀粉,供植物体其他细胞利用
解析:场所Ⅰ内进行碳反应,且物质c(三碳糖)能在场所Ⅰ内转化为淀粉、蛋白质和脂质,故场所Ⅰ是叶绿体基质;场所Ⅱ内进行细胞呼吸与其他代谢,则场所Ⅱ为叶绿体外,A错误。物质a能与CO2结合,故物质a是五碳糖,则物质b是三碳酸,物质c能脱离卡尔文循环且能再生成五碳糖,故物质c为三碳糖,B错误,C正确。绝大多数脱离卡尔文循环的三碳糖进入叶绿体外转化为蔗糖供植物体其他细胞利用,故物质d一般为蔗糖,D错误。
碳反应有关的注意点
(1)确定碳原子的转移路径:通过同位素示踪法可追踪碳原子的转移路径,即14CO2中的C依次进入三碳酸→三碳糖→有机物。
(2)辨析碳反应过程中与三碳糖有关的“大多数”和“少数”
①卡尔文循环中,3分子CO2进入卡尔文循环推动生成6分子三碳糖,其中“大多数”(5分子)三碳糖仍然留在卡尔文循环中用于五碳糖的再生,“少数”(1分子)三碳糖离开卡尔文循环用于有机物的生成。
②离开卡尔文循环的三碳糖,“大多数”运至叶绿体外合成蔗糖供植物细胞利用,“少数”留在叶绿体内作为淀粉、脂质和蛋白质的合成原料。
三、光反应与碳反应之间的关系
[典例3-1] (温州高一期末)棉花是重要的经济作物,其叶片光合作用过程如图所示,a～g代表物质。下列叙述错误的是(　B　)
A.b和d在光下形成,为三碳糖的形成提供能量
B.若减少g的供应,短时间内e的含量将减少
C.f是三碳酸,R酶催化CO2的固定过程
D.去除棉铃可能会导致叶片光合速率下降
解析:光反应为碳反应提供ATP和NADPH,碳反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+,故图中b、d为ATP和NADPH,在光下形成,且都能为三碳糖的形成提供能量,A正确;g与e结合生成f,f接受来自ATP和NADPH的能量,被NADPH还原形成三碳糖,故g为CO2,f为三碳酸,e为五碳糖,若减少CO2的供应,短时间内五碳糖的生成速率不变,消耗速率减少,故短时间内e(五碳糖)的含量将增加,B错误,C正确;去除棉铃会导致蔗糖输出受阻,三碳糖大量积累于叶绿体基质中,导致光反应中NADPH和ATP的合成受阻,进而造成卡尔文循环减速,光合速率下降,D正确。
[典例3-2] 下面是某植物叶肉细胞中光合作用和呼吸作用的物质变化示意简图,其中①～⑤为生理过程,a～h为物质名称。请回答下列问题:
(1)能吸收光能的物质a分布在叶绿体的　　　　　　　上,物质b是　　 　　,光反应为碳反应提供的物质是[c]　　 　　和[e]　　 　　。
(2)上述①～⑤过程中,能够产生ATP的过程是　　 　　。
(3)假如白天突然中断CO2的供应,则在短时间内f的含量的变化是　　　 　;假如该植物从光照条件下移到黑暗处,短时间内h的含量的变化是　　 　　。
解析:据图分析可知,⑤为光反应阶段,④为碳反应阶段,③为需氧呼吸第一阶段,②为需氧呼吸第二阶段,①为需氧呼吸第三阶段;由此得出,a为色素,b为O2,c为NADPH,d为ADP,
e为ATP,f为五碳糖,g为CO2,h为三碳酸。(1)能吸收光能的物质a色素分布在叶绿体的类囊体膜上,物质b是O2,光反应为碳反应提供的物质是c(NADPH)和e(ATP)。(2)分析题图可知,⑤为光反应阶段,④为碳反应阶段,③为需氧呼吸第一阶段,②为需氧呼吸第二阶段,①为需氧呼吸第三阶段。光反应和需氧呼吸的三个阶段都会产生ATP,故上述①～⑤过程中,能够产生ATP的过程是①②③⑤。(3)假如白天突然中断CO2的供应,由于CO2被五碳糖固定形成三碳酸,会导致CO2的固定速率下降,但三碳酸的还原过程基本没有变化(五碳糖的产生过程基本不变),因此,在短时间内f,即五碳糖的量增加;假如该植物从光照条件下移到黑暗处,光反应产生的NADPH和ATP减少,被还原的三碳酸减少,而CO2被五碳糖固定形成三碳酸的过程不变,故h(三碳酸)的量增加。
答案:(1)类囊体膜　O2　NADPH　ATP (2)①②③⑤　(3)增加　增加
分析短时间内光合作用各物质的变化
(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表示三碳酸的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质的含量在短时间内的变化。
(2)“模型法”表示三碳酸和五碳糖的含量变化。
提醒:平衡状态下三碳酸的起始值高于五碳糖,约是其2倍。
叶片是给植物其他器官提供有机物的“源”,果实是储存有机物的“库”。现以某植物为材料研究不同的库源比(以果实数量与叶片数量的比值表示)对叶片光合作用和光合产物分配的影响,实验结果见下表。
项目 甲组 乙组 丙组
处理
库源比 1/2 1/4 1/6
单位叶面积叶绿素的相对含量 78.7 75.5 75.0
净光合速率/(μmol·m-2·s-1) 9.31 8.99 8.75
果实中含13C的光合产物/mg 21.96 37.38 66.06
单果重/g 11.81 12.21 19.59
注:①甲、乙、丙组均保留枝条顶部1个果实并分别保留大小基本一致的2、4、6片成熟叶,用13CO2供应给各组保留的叶片进行光合作用。②净光合速率:单位时间单位叶面积从外界环境吸收的13CO2量。
(1)研究光合产物从源分配到库时,给叶片供应13CO2,13CO2先与叶绿体内的五碳糖结合而被固定,形成的产物还原为糖需要接受光反应合成的ATP和NADPH中的化学能。合成的糖分子运输到果实等库中。在本实验中,选用 13CO2 的原因有CO2是光合作用的原料;
13C可被仪器检测(答出两点即可)。
(2)分析实验甲、乙、丙组的结果可知,随着该植物的库源比降低,叶净光合速率降低(填“升高”或“降低”),果实中含13C的光合产物的量增加(填“增加”或“减少”)。库源比降低导致果实单果重变化的原因是库源比降低,植株总的叶片光合作用制造的有机物增多,运输到单个果实的有机物量增多,单果质量增加。课时2　光反应与碳反应的基本过程
素养测练
对点达标练
知识点1　光反应和碳反应的过程
1.(无锡高一期末)光合作用的光反应为碳反应的进行提供了( )
A.ATP和NADP+
B.ATP和Pi
C.ATP和ADP
D.ATP和NADPH
2.在碳反应中,第一个反应产物是( )
A.三碳糖 B.五碳糖
C.三碳酸 D.六碳分子
3.对光合作用的研究发现:叶绿体接受光照后,类囊体腔内的pH明显下降。下列有关该现象的原因叙述,正确的是( )
A.由NADPH分解释放H+引起
B.由大量CO2进入叶绿体基质引起
C.与ATP水解后产生磷酸有关
D.与H2O的裂解有关
4.在碳反应中,ATP和NADPH直接用于( )
A.葡萄糖的合成 B.三碳酸的合成
C.再生五碳糖 D.三碳酸的还原
D符合题意。
5.下列有关光合作用的叙述,正确的是( )
A.光反应不需要酶,碳反应需要酶
B.光反应在光下进行,碳反应在黑暗中进行
C.光反应固定CO2,碳反应还原三碳酸
D.光反应产生ATP,碳反应消耗ATP
6.下图甲是叶绿体结构模式图,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示不同的部位;图乙是光合作用的碳反应过程示意图,其中①②表示不同的物质。下列叙述正确的是( )
甲
乙
A.图甲中光合色素存在于结构Ⅱ中
B.图乙的过程发生在图甲的结构Ⅱ中
C.图乙中的过程在光照下无法进行
D.图乙中离开循环的物质②主要留在叶绿体内
7.某同学根据光合作用原理画出下图,其中碳反应可为光反应提供( )
A.NADPH和ATP
B.(CH2O)和O2
C.NADP+和ADP
D.CO2和H2O
8.研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列叙述正确的是( )
A.产生乙醇酸的场所在类囊体膜上
B.该反应体系需不断消耗CO2和水
C.类囊体产生的ATP和NADPH参与CO2的固定
D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合色素
知识点2　环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
9.正常生长的绿藻,照光培养一段时间后,用黑布迅速将培养瓶罩上。此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是( )
A.O2的产生停止
B.CO2的固定加快
C.ATP/ADP的值下降
D.NADPH的含量减少
ADP生成ATP减少,使ATP/ADP的值下降,C不符合题意;光反应停止,NADPH的含量
减少,D不符合题意。
10.在实验室利用某绿色植物进行光合作用实验时,若突然降低CO2的浓度,其他条件适宜且不变,则植物叶绿体中短时间内含量减少的物质是( )
A.三碳酸 B.五碳糖
C.ATP D.NADPH
综合提升练
11.下图为植物叶肉细胞光合作用的碳反应、蔗糖与淀粉合成代谢示意图。图中叶绿体内膜上的磷酸转运器转运出1分子三碳糖的同时转运进1分子Pi(无机磷酸)。下列叙述错误的是( )
A.蔗糖既可用于该细胞的细胞呼吸,又可运输至非光合细胞被利用
B.若磷酸转运器的活性受到抑制,则经此转运器转运进叶绿体的磷酸会减少
C.若合成三碳糖的速率超过Pi转运进叶绿体的速率,则有利于淀粉的合成
D.若提供C18O2,则图示物质中会出现18O的只有三碳糖、淀粉
12.(杭州高三模拟)科学家分别将细菌紫膜质(一种膜蛋白)和ATP合酶(能将H+跨膜运输的势能转化为ATP中的化学能)重组到由磷脂双分子层组成的脂质体上,光照后结果如下图。下列相关说法正确的是( )
甲
乙
丙
A.光能在脂质体上可直接转化为ATP中的化学能
B.H+通过细菌紫膜质进入脂质体的方式属于主动转运
C.ATP合酶既可催化ATP的合成,又是H+主动转运的通道
D.叶绿体和线粒体基质中存在ATP合酶和类似的ATP合成机制
13.玉米和小麦都是重要粮食作物。小麦属于C3植物,通过卡尔文循环完成碳的固定和还原。玉米是C4植物,碳的固定多了C4途径,其光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成。玉米叶肉细胞中的PEP酶具有很强的CO2亲和力,可在低浓度的CO2条件下高效固定CO2。图1为玉米植株相关细胞内物质的转化过程,图2为研究人员在晴朗的夏季白天测定玉米和小麦净光合速率的变化。
图1
图2
回答下列问题:
(1)实验室研究玉米叶片中色素的种类及相对含量。提取色素时,为防止叶绿素被破坏,可以加入　　 　　;利用纸层析法分离色素时,与类胡萝卜素相比,叶绿素在滤纸条上扩散速率　　　　,原因是　　　　　　 　　　　　　。
(2)若玉米的维管束鞘细胞叶绿体中只能进行碳反应,推测其可能缺少的结构是　　　　。玉米植物细胞中固定CO2的物质有　　　 　　　。图1中过程②需要光反应提供的物质是　　　　　　　　　　。
(3)上午9:00时,突然降低环境中CO2浓度的一小段时间内,图2中玉米细胞和小麦细胞中C3的含量的变化分别是　　　　　　　,其中小麦的C3含量变化的原因是　
　。
(4)综上分析,玉米植株的净光合速率为图2中曲线　　　　,理由是　
　。
14.有研究者从菠菜中分离类囊体(TEM),并将其与16种酶一起包裹在油包水液滴中构成人工光合系统(如图甲所示)。请回答下列问题:
甲
乙
(1)人工光合系统光照后,有ATP、NADPH产生,并且生成了有机物,证明了该系统能进行光合作用。其中光反应发生在　　　　。与叶肉细胞相比,该系统不进行　　　 　(填生理过程),因此有利于积累更多的有机物。
(2)图乙是验证G酶对人工光合系统有效性的实验结果示意图。
①本实验通过测量　　　　 　　的变化,从而检测G酶作用的有效性。
②上述实验分为组1～4,除按图乙所示进行相应的自变量处理外,同等条件下还需要在油包水液滴中分别加入图甲中等量的　　　　和　　　　 。组1起对照作用,目的是　 　;
组2检测结果高于组3的原因是 　 。
③本实验说明　　　　　　　　与其所催化的反应速率呈正相关。 课时2　光反应与碳反应的基本过程
一、光反应将光能转化为化学能,并产生氧气
场所 膜(光合膜)
物质 变化 (1)水光解:光能将水裂解为 ; (2)NADPH与ATP的合成: 将NADP+还原为NADPH,并产生ATP,O2被释放到细胞外
能量 变化 光合色素吸收光能,将光能转化为 中的化学能
(1)类囊体的空腔内有多种酶,这些酶与水的裂解有关。(　√　)
(2)光强度突然下降后,短时间内叶绿体内ATP/ADP的值下降,O2的产生停止。(　×　)
二、碳反应将二氧化碳还原成糖
场所 叶绿体
物质 变化 (1)CO2的固定:在酶的催化作用下,1个CO2分子与五碳糖结合,形成1个 ;该分子随即分解成2个 分子。 (2)三碳酸的还原: ①每个三碳酸分子接受来自 的能量,被 还原形成三碳糖;② 的再生。
物质 变化 (3)在叶绿体内,三碳糖作为原料用于 的合成。大部分三碳糖运至 ,并且转变成 ,供植物体所有细胞利用
能量 变化 中的能量转变为有机物中的化学能
(1)光合作用的碳循环虽然不直接需要光,但只有在有光的条件下才能一轮一轮地循环。(　√　)
(2)三碳糖的形成标志着光合作用合成糖的过程已经完成。(　√　)
(3)卡尔文循环中,ATP在叶绿体基质中将三碳酸还原为三碳糖。(　×　)
(4)温度改变只影响卡尔文循环,不影响光反应。(　×　)
(5)蔗糖的合成或输出受阻,会引起卡尔文循环减速。(　√　)
一、光反应
[典例1-1] 下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(　C　)
A.图中过程产生了O2、ATP和NADPH等
B.H+可通过主动转运由叶绿体基质进入类囊体腔
C.H+由类囊体腔进入叶绿体基质的过程是一个吸能过程
D.通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同
[典例1-2] 实验中常用希尔反应来测定除草剂对杂草光合作用的抑制效果。希尔反应基本过程:将黑暗中制备的离体叶绿体加到含有DCIP(氧化剂)、蔗糖和缓冲液的溶液中并照光。水在光照下被分解,产生氧气等,溶液中的DCIP被还原,颜色由蓝色变成无色,用不同浓度的某除草剂分别处理品种甲杂草和品种乙杂草的离体叶绿体并进行希尔反应,实验结果如下表所示。下列叙述正确的是(　C　)
除草剂相对浓度/% 0 5 10 15 20 25 30
品种甲的放氧速率相对值 5.0 3.7 2.2 1.0 0.0 0.0 0.0
品种乙的放氧速率相对值 5.0 4.4 3.7 3.0 2.2 1.6 1.0
A.希尔反应中加入蔗糖溶液为该反应提供能量
B.希尔反应中的DCIP相当于光反应中的NADPH
C.与品种乙相比,除草剂抑制品种甲叶绿体类囊体膜的功能较强
D.除草剂浓度为20%时,若向品种甲的希尔反应溶液中通入二氧化碳,在光照条件下就能检测到糖的生成
二、碳反应
[典例2-1] 用14C标记的CO2追踪光合作用过程中碳原子的转移路径,发现其转移路径是CO2→三碳酸→三碳糖→蔗糖。下列叙述错误的是(　D　)
A.CO2→三碳酸的过程需要五碳糖的参与
B.三碳酸→三碳糖的过程需要ATP和NADPH供能
C.三碳糖→蔗糖的过程在细胞溶胶中发生
D.CO2→三碳酸→三碳糖→蔗糖的过程称为卡尔文循环
[典例2-2] (湖州高一期末)植物体内光合作用及产物的利用过程如图所示,其中①②表示生理过程,Ⅰ、Ⅱ表示反应场所,a～d表示物质。据图分析,下列叙述正确的是(　C　)
A.反应场所Ⅱ是叶绿体基质
B.②过程生成的物质c是三碳酸
C.物质a是五碳糖,①过程是CO2的固定
D.物质d一般为淀粉,供植物体其他细胞利用
碳反应有关的注意点
(1)确定碳原子的转移路径:通过同位素示踪法可追踪碳原子的转移路径,即14CO2中的C依次进入三碳酸→三碳糖→有机物。
(2)辨析碳反应过程中与三碳糖有关的“大多数”和“少数”
①卡尔文循环中,3分子CO2进入卡尔文循环推动生成6分子三碳糖,其中“大多数”(5分子)三碳糖仍然留在卡尔文循环中用于五碳糖的再生,“少数”(1分子)三碳糖离开卡尔文循环用于有机物的生成。
②离开卡尔文循环的三碳糖,“大多数”运至叶绿体外合成蔗糖供植物细胞利用,“少数”留在叶绿体内作为淀粉、脂质和蛋白质的合成原料。
三、光反应与碳反应之间的关系
[典例3-1] (温州高一期末)棉花是重要的经济作物,其叶片光合作用过程如图所示,a～g代表物质。下列叙述错误的是(　B　)
A.b和d在光下形成,为三碳糖的形成提供能量
B.若减少g的供应,短时间内e的含量将减少
C.f是三碳酸,R酶催化CO2的固定过程
D.去除棉铃可能会导致叶片光合速率下降
[典例3-2] 下面是某植物叶肉细胞中光合作用和呼吸作用的物质变化示意简图,其中①～⑤为生理过程,a～h为物质名称。请回答下列问题:
(1)能吸收光能的物质a分布在叶绿体的 上,物质b是 ,光反应为碳反应提供的物质是[c] 和[e] 。
(2)上述①～⑤过程中,能够产生ATP的过程是 。
(3)假如白天突然中断CO2的供应,则在短时间内f的含量的变化是 ;假如该植物从光照条件下移到黑暗处,短时间内h的含量的变化是 。
e为ATP,f为五碳糖,g为CO2,h为三碳酸。(1)能吸收光能的物质a色素分布在叶绿体的类囊体膜上,物质b是O2,光反应为碳反应提供的物质是c(NADPH)和e(ATP)。(2)分析题图可知,⑤为光反应阶段,④为碳反应阶段,③为需氧呼吸第一阶段,②为需氧呼吸第二阶段,①为需氧呼吸第三阶段。光反应和需氧呼吸的三个阶段都会产生ATP,故上述①～⑤过程中,能够产生ATP的过程是①②③⑤。(3)假如白天突然中断CO2的供应,由于CO2被五碳糖固定形成三碳酸,会导致CO2的固定速率下降,但三碳酸的还原过程基本没有变化(五碳糖的产生过程基本不变),因此,在短时间内f,即五碳糖的量增加;假如该植物从光照条件下移到黑暗处,光反应产生的NADPH和ATP减少,被还原的三碳酸减少,而CO2被五碳糖固定形成三碳酸的过程不变,故h(三碳酸)的量增加。
分析短时间内光合作用各物质的变化
(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表示三碳酸的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质的含量在短时间内的变化。
(2)“模型法”表示三碳酸和五碳糖的含量变化。
提醒:平衡状态下三碳酸的起始值高于五碳糖,约是其2倍。
叶片是给植物其他器官提供有机物的“源”,果实是储存有机物的“库”。现以某植物为材料研究不同的库源比(以果实数量与叶片数量的比值表示)对叶片光合作用和光合产物分配的影响,实验结果见下表。
项目 甲组 乙组 丙组
处理
库源比 1/2 1/4 1/6
单位叶面积叶绿素的相对含量 78.7 75.5 75.0
净光合速率/(μmol·m-2·s-1) 9.31 8.99 8.75
果实中含13C的光合产物/mg 21.96 37.38 66.06
单果重/g 11.81 12.21 19.59
注:①甲、乙、丙组均保留枝条顶部1个果实并分别保留大小基本一致的2、4、6片成熟叶,用13CO2供应给各组保留的叶片进行光合作用。②净光合速率:单位时间单位叶面积从外界环境吸收的13CO2量。
(1)研究光合产物从源分配到库时,给叶片供应13CO2,13CO2先与叶绿体内的 结合而被固定,形成的产物还原为糖需要接受光反应合成的 中的化学能。合成的糖分子运输到果实等库中。在本实验中,选用 13CO2 的原因有 (答出两点即可)。
(2)分析实验甲、乙、丙组的结果可知,随着该植物的库源比降低,叶净光合速率 (填“升高”或“降低”),果实中含13C的光合产物的量 (填“增加”或“减少”)。库源比降低导致果实单果重变化的原因是 。(共34张PPT)
第三章 细胞的代谢
第五节
光合作用将光能转化为化学能
课时2
光反应与碳反应的基本过程
读教材·相信我能行
一、光反应将光能转化为化学能，并产生氧气
场所 ________膜（光合膜）
物质变化 （1）水光解：光能将水裂解为_______________；
与的合成：________将 还原为
，并产生， 被释放到细胞外
能量变化 光合色素吸收光能，将光能转化为______________中的化学
能
类囊体
、和电子
和
和
思维点拨
（1）类囊体的空腔内有多种酶，这些酶与水的裂解有关。( )
√
（2）光强度突然下降后,短时间内叶绿体内的值下降, 的产生
停止。( )
×
提示：光强度突然下降后,短时间内叶绿体内的值下降,但 的
产生不会停止。
二、碳反应将二氧化碳还原成糖
场所 叶绿体______
物质 变化 （1）的固定：在酶的催化作用下，1个 分子与五碳糖结
合，形成1个__________；该分子随即分解成2个________分子。
（2）三碳酸的还原：
①每个三碳酸分子接受来自______________的能量，被________
还原形成三碳糖；②________的再生。
基质
六碳分子
三碳酸
和
五碳糖
物质 变化 （3）在叶绿体内，三碳糖作为原料用于____________________的
合成。大部分三碳糖运至__________，并且转变成______，供植
物体所有细胞利用
能量 变化 _______________中的能量转变为有机物中的化学能
淀粉、蛋白质和脂质
叶绿体外
蔗糖
和
续表
思维点拨
（1）光合作用的碳循环虽然不直接需要光,但只有在有光的条件下才能一
轮一轮地循环。( )
√
提示：光合作用的卡尔文循环（或碳反应）虽然不直接需要光,但只有在
有光的条件下才能一轮一轮地循环。
（2）三碳糖的形成标志着光合作用合成糖的过程已经完成。( )
√
（3）卡尔文循环中, 在叶绿体基质中将三碳酸还原为三碳糖。( )
×
提示：三碳酸还原过程中,和提供能量,还原剂为 。
（4）温度改变只影响卡尔文循环，不影响光反应。( )
×
提示：卡尔文循环与光反应都需要酶的催化，而酶的活性受温度影响。
（5）蔗糖的合成或输出受阻,会引起卡尔文循环减速。( )
√
提示：蔗糖的合成或输出受阻,三碳糖大量积累于叶绿体基质中,导致光反
应中和 的合成受阻,进而造成卡尔文循环减速。
攻难点·让我更出色
一、光反应
［典例1-1］ 下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 的载体蛋白有两种类型，从而实
现 在膜两侧间的穿梭。下列分析错误的
是( )
C
A.图中过程产生了、和 等
B. 可通过主动转运由叶绿体基质进入类囊体腔
C. 由类囊体腔进入叶绿体基质的过程是一个吸能过程
D.通过类囊体膜转运 的两种机制不相同
解析：图中是光反应过程，产生了、和 等,A正确；据图可
知，在电子传递的能量的驱动下， 可通过主动转运由叶绿体基质进入
类囊体腔，但不消耗，B正确； 通过易化扩散由类囊体腔进入叶绿
体基质，在类囊体膜上的顺浓度梯度的推动下促进了 的合成，故
由类囊体腔进入叶绿体基质的过程是一个放能过程，通过类囊体膜转
运 的两种机制不相同，C错误，D正确。
［典例1-2］ 实验中常用希尔反应来测定除草剂对杂草光合作用的抑制效
果。希尔反应基本过程：将黑暗中制备的离体叶绿体加到含有
（氧化剂）、蔗糖和缓冲液的溶液中并照光。水在光照下被分解，产生氧
气等，溶液中的 被还原，颜色由蓝色变成无色，用不同浓度的某除
草剂分别处理品种甲杂草和品种乙杂草的离体叶绿体并进行希尔反应，实
验结果如下表所示。下列叙述正确的是( )
除草剂相对浓度/% 0 5 10 15 20 25 30
品种甲的放氧速率相对值 5.0 3.7 2.2 1.0 0.0 0.0 0.0
品种乙的放氧速率相对值 5.0 4.4 3.7 3.0 2.2 1.6 1.0
A.希尔反应中加入蔗糖溶液为该反应提供能量
B.希尔反应中的相当于光反应中的
C.与品种乙相比，除草剂抑制品种甲叶绿体类囊体膜的功能较强
D.除草剂浓度为 时，若向品种甲的希尔反应溶液中通入二氧化碳，在
光照条件下就能检测到糖的生成
√
解析：希尔反应中加入蔗糖溶液是为了维持渗透压，防止叶绿体吸水涨破,
A错误；希尔反应模拟了光合作用中光反应阶段的部分变化，该阶段在叶
绿体的类囊体膜上进行，溶液中的被还原，因此氧化剂 在希尔
反应中的作用，相当于 在光反应中的作用，B错误；据题表分析可
知，除草剂处理影响叶绿体放氧速率，说明除草剂主要抑制光合作用的光
反应阶段，光反应阶段发生在类囊体膜上，除草剂各浓度下，品种甲的放
氧速率较品种乙慢，即除草剂抑制品种甲叶绿体类囊体膜的功能较强，C
正确；除草剂浓度为 时，若向品种甲的希尔反应溶液中通入二氧化碳，
由于该反应中没有 的生成，所以三碳酸不能被还原成糖，在光照
条件下不能检测到糖的生成，D错误。
二、碳反应
［典例2-1］ 用标记的 追踪光合作用过程中碳原子的转移路径，发
现其转移路径是 三碳酸 三碳糖 蔗糖。下列叙述错误的是
( )
D
A. 三碳酸的过程需要五碳糖的参与
B.三碳酸 三碳糖的过程需要和 供能
C.三碳糖 蔗糖的过程在细胞溶胶中发生
D. 三碳酸 三碳糖 蔗糖的过程称为卡尔文循环
解析： 三碳酸的过程为 的固定，需要五碳糖的参与，A正确；
三碳酸 三碳糖的过程需要光反应提供的和 供能，B正确；
三碳糖合成蔗糖的过程在细胞溶胶中发生，C正确；二氧化碳被还原为糖
的过程称为卡尔文循环，包括 三碳酸 三碳糖路径，蔗糖的合成
不属于卡尔文循环，D错误。
［典例2-2］ （湖州高一期末）植物体内光合作用及
产物的利用过程如图所示，其中①②表示生理过程，
Ⅰ、Ⅱ表示反应场所， 表示物质。据图分析，下
列叙述正确的是( )
C
A.反应场所Ⅱ是叶绿体基质
B.②过程生成的物质 是三碳酸
C.物质是五碳糖，①过程是 的固定
D.物质 一般为淀粉，供植物体其他细胞利用
解析：场所Ⅰ内进行碳反应，且物质 （三碳糖）能在场所Ⅰ内转化为淀
粉、蛋白质和脂质，故场所Ⅰ是叶绿体基质；场所Ⅱ内进行细胞呼吸与其
他代谢，则场所Ⅱ为叶绿体外，A错误。物质能与结合，故物质 是
五碳糖，则物质是三碳酸，物质 能脱离卡尔文循环且能再生成五碳糖，
故物质 为三碳糖，B错误，C正确。绝大多数脱离卡尔文循环的三碳糖进
入叶绿体外转化为蔗糖供植物体其他细胞利用，故物质 一般为蔗糖，D错
误。
拓展提升
碳反应有关的注意点
（1）确定碳原子的转移路径:通过同位素示踪法可追踪碳原子的转移路径,
即中的C依次进入三碳酸 三碳糖 有机物。
（2）辨析碳反应过程中与三碳糖有关的“大多数”和“少数”
①卡尔文循环中,3分子进入卡尔文循环推动生成6分子三碳糖,其中“大
多数”（5分子）三碳糖仍然留在卡尔文循环中用于五碳糖的再生,“少数”
（1分子）三碳糖离开卡尔文循环用于有机物的生成。
②离开卡尔文循环的三碳糖,“大多数”运至叶绿体外合成蔗糖供植物细胞
利用,“少数”留在叶绿体内作为淀粉、脂质和蛋白质的合成原料。
三、光反应与碳反应之间的关系
［典例3-1］ （温州高一期末）棉花
是重要的经济作物，其叶片光合作用
过程如图所示， 代表物质。下列
叙述错误的是( )
B
A.和 在光下形成，为三碳糖的形成提供能量
B.若减少的供应，短时间内 的含量将减少
C.是三碳酸，酶催化 的固定过程
D.去除棉铃可能会导致叶片光合速率下降
解析：光反应为碳反应提供和，碳反应为光反应提供 、
和，故图中、为和 ，在光下形成，且都能为三碳
糖的形成提供能量，A正确；与结合生成，接受来自和 的
能量，被还原形成三碳糖，故为，为三碳酸， 为五碳糖，
若减少 的供应，短时间内五碳糖的生成速率不变，消耗速率减少，故
短时间内 （五碳糖）的含量将增加，B错误，C正确；去除棉铃会导致蔗
糖输出受阻,三碳糖大量积累于叶绿体基质中,导致光反应中 和
的合成受阻,进而造成卡尔文循环减速，光合速率下降，D正确。
［典例3-2］ 下面是某植物叶肉细胞中光合作用和呼吸作用的物质变化示
意简图，其中①～⑤为生理过程， 为物质名称。请回答下列问题：
（1）能吸收光能的物质分布在叶绿体的__________上，物质 是____，
光反应为碳反应提供的物质是________和 _____。
类囊体膜
解析：能吸收光能的物质色素分布在叶绿体的类囊体膜上，物质是 ，
光反应为碳反应提供的物质是和 。
（2）上述①～⑤过程中，能够产生 的过程是__________。
①②③⑤
解析：分析题图可知，⑤为光反应阶段，④为碳反应阶段，③为需氧呼吸
第一阶段，②为需氧呼吸第二阶段，①为需氧呼吸第三阶段。光反应和需
氧呼吸的三个阶段都会产生，故上述①~⑤过程中，能够产生 的
过程是①②③⑤。
（3）假如白天突然中断的供应，则在短时间内 的含量的变化是
_______；假如该植物从光照条件下移到黑暗处，短时间内 的含量的变化
是______。
增加
增加
解析：假如白天突然中断的供应，由于 被五碳糖固定形成三碳酸，
会导致 的固定速率下降，但三碳酸的还原过程基本没有变化
（五碳糖的产生过程基本不变），因此，在短时间内 ，即五碳糖的量增
加；假如该植物从光照条件下移到黑暗处，光反应产生的和
减少，被还原的三碳酸减少，而 被五碳糖固定形成三碳酸的过程不变，
故 （三碳酸）的量增加。
解析：据图分析可知，⑤为光反应阶段，④为碳反应阶段，③为需氧呼吸
第一阶段，②为需氧呼吸第二阶段，①为需氧呼吸第三阶段；由此得出，
为色素，为，为，为，为，为五碳糖， 为
， 为三碳酸。
拓展提升
分析短时间内光合作用各物质的变化
（1）“过程法”分析各物质变化。
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示 的固定，Ⅲ表示
三碳酸的还原，当外界条件如光照、 突然
发生变化时，分析相关物质的含量在短时间内的
变化。
（2）“模型法”表示三碳酸和五碳糖的含量变化。
提醒：平衡状态下三碳酸的起始值高于五碳糖，约是其2倍。
链生活·实践我在行
叶片是给植物其他器官提供有机物的“源”，果实是储存有机物的“库”。现
以某植物为材料研究不同的库源比（以果实数量与叶片数量的比值表示）
对叶片光合作用和光合产物分配的影响，实验结果见下表。
项目 甲组 乙组 丙组
处理 __________________________________ ____________________________ ___________________________
库源比
单位叶面积叶绿素的相对含量 78.7 75.5 75.0
项目 甲组 乙组 丙组
净光合速率/ 9.31 8.99 8.75
果实中含的光合产物/ 21.96 37.38 66.06
单果重/ 11.81 12.21 19.59
注：①甲、乙、丙组均保留枝条顶部1个果实并分别保留大小基本一致的2、
4、6片成熟叶，用 供应给各组保留的叶片进行光合作用。②净光合
速率：单位时间单位叶面积从外界环境吸收的 量。
续表
（1）研究光合产物从源分配到库时，给叶片供应， 先与叶绿
体内的________结合而被固定，形成的产物还原为糖需要接受光反应合成
的______________中的化学能。合成的糖分子运输到果实等库中。在本实
验中，选用 的原因有______________________________________
（答出两点即可）。
五碳糖
和
是光合作用的原料；可被仪器检测
（2）分析实验甲、乙、丙组的结果可知，随着该植物的库源比降低，叶
净光合速率______（填“升高”或“降低”）,果实中含 的光合产物的量
______（填“增加”或“减少”）。库源比降低导致果实单果重变化的原因是
________________________________________________________________
________________________________。
降低
增加
库源比降低，植株总的叶片光合作用制造的有机物增多，运输到单个果实的有机物量增多，单果质量增加课时2　光反应与碳反应的基本过程
素养测练
对点达标练
知识点1　光反应和碳反应的过程
1.(无锡高一期末)光合作用的光反应为碳反应的进行提供了(　D　)
A.ATP和NADP+
B.ATP和Pi
C.ATP和ADP
D.ATP和NADPH
解析:光反应产生的NADPH和ATP可用于碳反应中三碳酸的还原过程,D符合题意。
2.在碳反应中,第一个反应产物是(　D　)
A.三碳糖 B.五碳糖
C.三碳酸 D.六碳分子
解析:在碳反应中,1个CO2分子被五碳糖固定形成 1个六碳分子,但六碳分子极不稳定,会随即分解为 2个三碳酸分子,因此第一个反应产物是六碳分子,D符合题意。
3.对光合作用的研究发现:叶绿体接受光照后,类囊体腔内的pH明显下降。下列有关该现象的原因叙述,正确的是(　D　)
A.由NADPH分解释放H+引起
B.由大量CO2进入叶绿体基质引起
C.与ATP水解后产生磷酸有关
D.与H2O的裂解有关
解析:NADPH是在类囊体膜上形成的,且其参与三碳酸的还原发生在叶绿体基质中,A错误;CO2进入叶绿体基质与类囊体无关,B错误;叶绿体的类囊体膜上合成ATP,而ATP水解产生磷酸发生在叶绿体基质中,不会导致类囊体腔中的pH明显下降,C错误;叶绿体的类囊体膜上发生H2O的光解产生大量的H+,造成类囊体腔内的pH下降,D正确。
4.在碳反应中,ATP和NADPH直接用于(　D　)
A.葡萄糖的合成 B.三碳酸的合成
C.再生五碳糖 D.三碳酸的还原
解析:光反应产生ATP和NADPH,在碳反应中,ATP和NADPH直接用于三碳酸的还原,
D符合题意。
5.下列有关光合作用的叙述,正确的是(　D　)
A.光反应不需要酶,碳反应需要酶
B.光反应在光下进行,碳反应在黑暗中进行
C.光反应固定CO2,碳反应还原三碳酸
D.光反应产生ATP,碳反应消耗ATP
解析:光反应和碳反应均需要酶的催化,A错误;光反应必须有光,碳反应有光、无光均可,B错误;CO2的固定和三碳酸的还原均发生在碳反应阶段,C错误;光反应中,光能转化为ATP中活跃的化学能,碳反应阶段,ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能,所以光反应产生ATP,碳反应消耗ATP,D正确。
6.下图甲是叶绿体结构模式图,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示不同的部位;图乙是光合作用的碳反应过程示意图,其中①②表示不同的物质。下列叙述正确的是(　B　)
甲
乙
A.图甲中光合色素存在于结构Ⅱ中
B.图乙的过程发生在图甲的结构Ⅱ中
C.图乙中的过程在光照下无法进行
D.图乙中离开循环的物质②主要留在叶绿体内
解析:光合色素存在于图甲中的结构Ⅲ(基粒)的类囊体膜上,A错误;图乙是碳反应过程,发生在图甲的结构Ⅱ(叶绿体基质)中,B正确;图乙是碳反应过程,该阶段不需要光照,但并非在光照下无法进行,C错误;图乙中,物质①②为两种三碳化合物,物质①的名称是三碳酸,该物质在光反应产物ATP和NADPH的作用下形成物质②(三碳糖),离开循环的三碳糖主要运送到叶绿体外转变成蔗糖,供植物体所有细胞利用,D错误。
7.某同学根据光合作用原理画出下图,其中碳反应可为光反应提供(　C　)
A.NADPH和ATP
B.(CH2O)和O2
C.NADP+和ADP
D.CO2和H2O
解析:NADP+和ADP是三碳酸的还原过程中消耗NADPH和ATP后的产物,可再度用于光反应过程,C符合题意。
8.研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列叙述正确的是(　B　)
A.产生乙醇酸的场所在类囊体膜上
B.该反应体系需不断消耗CO2和水
C.类囊体产生的ATP和NADPH参与CO2的固定
D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合色素
解析:乙醇酸是在光合作用碳反应阶段产生的,碳反应的场所在叶绿体基质中,所以产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质,A错误;该反应体系能进行光合作用整个过程,光反应需要消耗水,碳反应需不断消耗CO2,B正确;类囊体产生的ATP和NADPH参与三碳酸的还原,不参与CO2的固定,C错误;该体系含有类囊体,类囊体膜上有光合色素,D错误。
知识点2　环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
9.正常生长的绿藻,照光培养一段时间后,用黑布迅速将培养瓶罩上。此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是(　B　)
A.O2的产生停止
B.CO2的固定加快
C.ATP/ADP的值下降
D.NADPH的含量减少
解析:用黑布将培养瓶罩上,光反应停止,O2的产生停止,同时NADPH和ATP的产生停止,使碳反应中三碳酸的还原速度减慢,从而导致CO2的固定减慢,A不符合题意,B符合题意;
ADP生成ATP减少,使ATP/ADP的值下降,C不符合题意;光反应停止,NADPH的含量
减少,D不符合题意。
10.在实验室利用某绿色植物进行光合作用实验时,若突然降低CO2的浓度,其他条件适宜且不变,则植物叶绿体中短时间内含量减少的物质是(　A　)
A.三碳酸 B.五碳糖
C.ATP D.NADPH
解析:由于光强度不变,若突然降低CO2的浓度,短时间内NADPH、ATP的产生量不变,但消耗量减少,所以其含量增加;若降低CO2的浓度,则CO2的固定过程减弱,五碳糖的消耗减少,即三碳酸的生成减少,短时间内三碳酸的还原过程仍正常进行,即三碳酸的消耗正常,五碳糖的生成正常,所以短时间内三碳酸减少,五碳糖增多,A符合题意。
综合提升练
11.下图为植物叶肉细胞光合作用的碳反应、蔗糖与淀粉合成代谢示意图。图中叶绿体内膜上的磷酸转运器转运出1分子三碳糖的同时转运进1分子Pi(无机磷酸)。下列叙述错误的是(　D　)
A.蔗糖既可用于该细胞的细胞呼吸,又可运输至非光合细胞被利用
B.若磷酸转运器的活性受到抑制,则经此转运器转运进叶绿体的磷酸会减少
C.若合成三碳糖的速率超过Pi转运进叶绿体的速率,则有利于淀粉的合成
D.若提供C18O2,则图示物质中会出现18O的只有三碳糖、淀粉
解析:蔗糖属于能源物质,既可用于该细胞的细胞呼吸,又可运输至非光合细胞被细胞呼吸利用,A正确;磷酸转运器的活性受到抑制,会导致三碳糖在叶绿体内积累,同时转运至叶绿体基质的Pi减少,B正确;合成三碳糖的速率超过Pi转运进叶绿体的速率,说明叶绿体内的三碳糖增加,有利于淀粉的合成,C正确;若提供C18O2,CO2参与碳反应中CO2的固定和三碳酸的还原,则图示物质中会出现18O的有三碳糖、淀粉和蔗糖,D错误。
12.(杭州高三模拟)科学家分别将细菌紫膜质(一种膜蛋白)和ATP合酶(能将H+跨膜运输的势能转化为ATP中的化学能)重组到由磷脂双分子层组成的脂质体上,光照后结果如下图。下列相关说法正确的是(　B　)
甲
乙
丙
A.光能在脂质体上可直接转化为ATP中的化学能
B.H+通过细菌紫膜质进入脂质体的方式属于主动转运
C.ATP合酶既可催化ATP的合成,又是H+主动转运的通道
D.叶绿体和线粒体基质中存在ATP合酶和类似的ATP合成机制
解析:依据图乙可知,脂质体上有ATP合酶和光照,但光能在脂质体上不能直接转化为ATP中的化学能,A错误;分析图甲可知,H+通过细菌紫膜质进入脂质体是逆浓度梯度运输的,属于主动转运,B正确;分析图丙可知,H+可以通过ATP合酶顺浓度梯度运输,所以ATP合酶既可催化ATP的合成,又是H+被动运输(易化扩散)的通道,C错误;叶绿体的类囊体膜上可以进行光反应产生ATP,线粒体内膜上可以进行需氧呼吸产生ATP,所以推测叶绿体的类囊体膜上和线粒体内膜上也存在ATP合酶和类似的ATP合成机制,线粒体基质中不存在,D错误。
13.玉米和小麦都是重要粮食作物。小麦属于C3植物,通过卡尔文循环完成碳的固定和还原。玉米是C4植物,碳的固定多了C4途径,其光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成。玉米叶肉细胞中的PEP酶具有很强的CO2亲和力,可在低浓度的CO2条件下高效固定CO2。图1为玉米植株相关细胞内物质的转化过程,图2为研究人员在晴朗的夏季白天测定玉米和小麦净光合速率的变化。
图1
图2
回答下列问题:
(1)实验室研究玉米叶片中色素的种类及相对含量。提取色素时,为防止叶绿素被破坏,可以加入　　 　　;利用纸层析法分离色素时,与类胡萝卜素相比,叶绿素在滤纸条上扩散速率　　　　,原因是　　　　　　 　　　　　　。
(2)若玉米的维管束鞘细胞叶绿体中只能进行碳反应,推测其可能缺少的结构是　　　　。玉米植物细胞中固定CO2的物质有　　　 　　　。图1中过程②需要光反应提供的物质是　　　　　　　　　　。
(3)上午9:00时,突然降低环境中CO2浓度的一小段时间内,图2中玉米细胞和小麦细胞中C3的含量的变化分别是　　　　　　　,其中小麦的C3含量变化的原因是　
　。
(4)综上分析,玉米植株的净光合速率为图2中曲线　　　　,理由是　
　。
解析:(1)提取色素时,为防止叶绿素被破坏,可以加入碳酸钙,碳酸钙的作用是保护叶绿素不被分解。与类胡萝卜素相比,叶绿素在层析液中的溶解度低,因而在滤纸条上的扩散速率慢,该实验是根据叶绿体色素在层析液中的溶解度不同,因而扩散速度不同实现的。(2)若玉米的维管束鞘细胞叶绿体中只能进行碳反应,不能进行光反应,推测其可能缺少的结构是类囊体。由图1可以看出,玉米植物细胞中固定CO2的物质有PEP和C5。图1中过程②为C3的还原,需要光反应提供的物质是ATP和NADPH。(3)上午9:00时,突然降低环境中CO2浓度的一小段时间内,由于玉米叶肉细胞中PEP酶可固定低浓度的CO2,因而对玉米的碳反应的影响不大,即其细胞中C3的含量基本不变;小麦为C3植物,由于其细胞的CO2供应减少,CO2与C5结合生成C3的速率减慢,而光反应不受影响,C3的还原速率基本不受影响,导致C3的含量减少。(4)晴朗的夏季白天中午,高温干旱会使玉米和小麦大量蒸发失水而出现气孔关闭,使CO2的供应受阻,玉米叶肉细胞中PEP酶可固定低浓度的CO2,转移到维管束鞘细胞的叶绿体中,使光合作用继续进行;而小麦叶绿体中酶不能利用低浓度的CO2,导致光合作用下降,即图2中的甲曲线表示的是玉米的净光合速率的变化。
答案:(1)CaCO3　慢　叶绿素在层析液中的溶解度小于类胡萝卜素
(2)基粒(类囊体)　PEP和C5　ATP和NADPH
(3)基本不变、降低　小麦为C3植物,CO2浓度突然降低,C3的固定减慢,同时C3的还原速率不变,所以C3的含量降低
(4)甲　晴朗的夏季中午,叶片的部分气孔关闭,叶片内细胞间隙中CO2的含量低,而玉米中的PEP酶与CO2的亲和力高,可以利用胞间低浓度的CO2进行较强的光合作用
14.有研究者从菠菜中分离类囊体(TEM),并将其与16种酶一起包裹在油包水液滴中构成人工光合系统(如图甲所示)。请回答下列问题:
甲
乙
(1)人工光合系统光照后,有ATP、NADPH产生,并且生成了有机物,证明了该系统能进行光合作用。其中光反应发生在　　　　。与叶肉细胞相比,该系统不进行　　　 　(填生理过程),因此有利于积累更多的有机物。
(2)图乙是验证G酶对人工光合系统有效性的实验结果示意图。
①本实验通过测量　　　　 　　的变化,从而检测G酶作用的有效性。
②上述实验分为组1～4,除按图乙所示进行相应的自变量处理外,同等条件下还需要在油包水液滴中分别加入图甲中等量的　　　　和　　　　 。组1起对照作用,目的是　 　;
组2检测结果高于组3的原因是 　 。
③本实验说明　　　　　　　　与其所催化的反应速率呈正相关。
解析:(1)类囊体(TEM)含有光合色素和酶,是光反应的场所,该系统是人工模拟的光合作用的场所,不同于进行光合作用的细胞,不能进行呼吸作用,因此有利于有机物的积累。
(2)①结合图甲可知,G酶是催化NADPH分解的酶,因此验证G酶的活性,可以用NADPH浓度作为检测指标。②结合图甲,有机物1、NADPH与G酶的催化有关,NADP+是合成NADPH的底物,因此应加入有机物1、NADP+。组1仅加入NADPH,起对照作用,组1的作用是确保NADPH浓度的变化是TEM和G酶引起的。缺少G酶,TEM产生的NADPH积累,因此组2的检测结果高于组3。③结合图乙,组4的G酶浓度最大,NADPH浓度最低,说明一定范围内G酶浓度与所催化反应的速率呈正相关。
答案:(1)类囊体(或TEM)　细胞呼吸(或呼吸作用)
(2)①NADPH浓度　②有机物1　NADP+　确保NADPH浓度的变化是TEM和G酶引起的(或排除TEM和G酶以外的因素对NADPH浓度的变化产生影响)　缺少G酶,TEM产生的NADPH积累　③一定范围内G酶浓度

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