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第12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。
考情 分析 光合作用的原理 2025·河北卷,4;2025·江苏卷,21;2025·山东卷,21;2025·黑吉辽内蒙古卷,10、21;2024·广东卷,2;2024·安徽卷,16;2023·天津卷,9;2023·湖北卷,8;2023·重庆卷,19;2023·全国甲卷,29
考点一　光合作用的基本原理
1.探索光合作用原理的部分经典实验
提醒　同位素标记法中使用的同位素并非都具有放射性,如18O就没有放射性,不能检测其放射性;而14C有放射性,可被追踪检测。
2.光合作用的概念及反应式
(1)光合作用的概念:绿色植物通过叶绿体,利用光能,将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程。
(2)反应式:CO2+H2O(CH2O)+O2。
3.光合作用的过程
(1)填写图中序号所代表的物质或结构。
①O2;②ATP;③NADPH;④C5;Ⅰ光反应。
(2)光反应与暗反应的比较。
1.(必修1 P103相关信息)水分解为氧和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递,可用于NADP+与H+结合形成NADPH。
2.(必修1 P104相关信息)C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸,C5是指五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)。
3.(必修1 P104相关信息)光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处。
4.光合作用和化能合成作用的比较
提醒　绿色植物和化能合成菌为自养生物;人、动物、真菌以及大多数细菌属于异养生物。
【判断正误】
(1)(2025·安徽卷,1)叶绿体中的ATP合成酶,可将光能直接转化为ATP中的化学能。(　　)
【答案】 ×　
【提示】 在光合作用的光反应阶段,能量转换过程是:光能被叶绿体中的色素分子吸收后,首先转化为电能(高能电子),然后通过电子传递链转化为化学能储存在ATP和NADPH中。因此,光能向ATP中化学能的转化是间接的,不是直接的。
(2)(2025·河北卷,1)水的光解和光合作用的暗反应都消耗ATP。(　　)
【答案】 ×　
【提示】 光合作用暗反应中C3的还原需要消耗ATP,水的光解发生在光反应阶段,由光能驱动,不消耗ATP,且生成ATP。
(3)(2024·贵州卷,1)幼苗中的水可参与形成NADPH,也可参与形成NADH。(　　)
【答案】 √　
(4)(2023·湖北卷,11)高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少。(　　)
【答案】 ×　
【提示】 光反应中生成NADPH。
(5)(2021·山东卷,16)植物细胞产生的O2只能来自光合作用。(　　)
【答案】 ×　
【提示】 光合作用通过H2O的光解可以产生O2,另外,植物细胞中具有过氧化氢酶,可以催化H2O2水解为H2O和O2。
(6)(2021·湖南卷,7)在暗反应阶段,CO2不能直接被还原。(　　)
【答案】 √　
【情境·思维·深析】
1.某实验小组在适宜温度和光照强度下向小球藻(真核生物)培养液中通入一定量的14CO2后,在不同时间点取出一定量的小球藻,分析其所含放射性物质种类,结果如表所示。
取样时间点 放射性物质种类
第2 s 大量3-磷酸甘油酸(C3)
第15 s 磷酸化糖类
第50 s 除上述磷酸化糖类外, 还有氨基酸等
(1)小球藻合成C3的过程是否需要NADPH的参与
【提示】 小球藻合成C3的过程是二氧化碳的固定,该过程不需要NADPH的参与。
(2)提高CO2浓度,获得放射性氨基酸的间隔时间可能缩短吗 为什么
【提示】 可能。提高CO2浓度,暗反应加快,获得放射性氨基酸的间隔时间可能缩短。
(3)本实验的目的是探究暗反应阶段CO2中碳元素的转移途径。
2.科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图甲)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是保持类囊体内外的渗透压,避免类囊体破裂。
(2)在图甲实验基础上进行图乙实验,发现该实验条件下,也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,原因是图乙实验是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自于光能还是来自膜内外H+浓度差。
(3)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有NADPH、ATP和CO2。
考向1　围绕光合作用的探究过程,考查科学思维
1.(2025·贵州凯里模拟)下列是探索光合作用的有关实验,说法正确的是(　　)
A.希尔反应中,离体的叶绿体在光照及其他适宜条件下释放了O2
B.鲁宾和卡门给植物提供H2O和C18O2,可判断O2是来自H2O
C.卡尔文用14CO2追踪,未探明CO2中的C转化为有机物中C的过程
D.恩格尔曼用极细光束照射离体的叶绿体,好氧细菌集中于被光束照射部位
【答案】 A　
【解析】 希尔将离体的叶绿体置于光照及其他适宜条件下释放出了氧气;鲁宾和卡门给植物提供H2O和C18O2,没有设置对照组,不能判断O2一定是来自H2O,有可能来自其他含有16O的物质;卡尔文用14CO2追踪,探明了光合作用中的CO2中的C转化为有机物中C的过程;恩格尔曼用极细光束照射的不是离体的叶绿体。
考向2　围绕光合作用的过程,考查科学思维
2.(2025·江西九江一模)光合作用中物质和能量的变化是相辅相成的。光反应过程中,由光照引起从H2O到NADP+的电子传递,驱动类囊体膜内的质子泵,在类囊体膜的两侧建立了质子浓度梯度,从而驱动ATP合成酶合成ATP。下列相关叙述错误的是(　　)
A.电子传递给NADP+,用于NADP+与H+结合形成NADPH
B.光反应将光能转化为储存在ATP和NADPH中的化学能
C.光反应中,没有CO2的存在,光能无法完成向化学能的转变
D.暗反应中,没有ATP和NADPH提供的能量,叶绿体不能持续固定CO2生成C3
【答案】 C　
【解析】 光反应中产生的电子被NADP+接受,用于与H+结合形成NADPH;光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收光能,并将光能转化为ATP和NADPH中的化学能,该过程不需要CO2的参与;暗反应中,没有ATP和NADPH提供的能量,C3不能进行还原,C5不能生成,叶绿体不能持续固定CO2生成C3。
3.(2025·山东济南二模)下图是某绿藻适应水生环境,提高光合效率的机制图。下列叙述正确的是(　　)
A.图中能产生ATP的结构有细胞质基质和线粒体
B.图中浓度大小为细胞外>细胞质基质>叶绿体基质
C.水光解产生的H+可进一步形成NADH,为暗反应提供还原剂和能量
D.光反应通过确保暗反应中CO2的供应,帮助该绿藻适应水生环境
【答案】 D　
【解析】 观察可知,图中能产生ATP的结构有细胞质基质、线粒体和叶绿体类囊体薄膜;从图中离子运输方向判断,HC进入细胞是主动运输(消耗ATP),从细胞质基质进入叶绿体基质也是主动运输(消耗ATP),所以浓度大小为细胞外<细胞质基质<叶绿体基质;水光解产生的H+可进一步形成NADPH,为暗反应提供还原剂和能量,而NADH是细胞呼吸过程产生的;从图中可知,光反应产生的H+可将HC转化为CO2,增加了叶绿体基质中CO2浓度,确保暗反应中CO2的供应,使绿藻适应水生环境。
考向3　围绕光合作用过程中的物质变化,考查科学思维
4.(2025·湖北武汉三模)下图是某绿色植物光合作用的示意图,其中a、b表示物质,Ⅰ、Ⅱ表示反应阶段。下列叙述错误的是(　　)
A.缺Mg会影响该植物Ⅰ阶段对光能的吸收、传递和转化
B.在类囊体薄膜上产生的a和b可参与叶绿体基质中的Ⅱ阶段
C.若光照强度减弱,则短时间内该植物细胞中C3/C5的值变小
D.该植物经光合作用可将光能转变成糖类中稳定的化学能
【答案】 C　
【解析】 缺Mg会影响叶绿素的合成,进而影响光反应阶段对光能的吸收、传递和转化;Ⅰ、Ⅱ分别表示光反应和暗反应阶段,a、b表示NADPH和ATP,在类囊体薄膜上产生的NADPH和ATP可参与叶绿体基质中的暗反应阶段;若光照强度减弱,则短时间内NADPH和ATP的生成量减少,C3的还原减弱,导致C3/C5的值变大;该植物经光合作用可将光能转变成糖类等有机物中稳定的化学能。
“过程法”分析环境改变时光合作用各物质含量的变化
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:
考点二　光合作用和细胞呼吸的过程关系
1.光合作用与细胞呼吸的区别
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
【情境·思维·深析】
1.土壤板结,会导致植物光合速率下降,其原因是土壤板结缺氧,根细胞有氧呼吸受到抑制,供给根细胞用于吸收营养物质的能量减少,使光合色素和相关酶的合成减少,因此光合速率减弱。
2.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①、②、③、④代表的物质依次是O2、NADP+、ADP+Pi、C5。
(2)A、B代表反应过程,C代表细胞质基质,D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】 A、C、D。
(3)如果用18O标记土壤中的水,那么植物产生的二氧化碳和氧气是否含有18O 如果有,写出18O的转移途径。
【提示】 有。O经过光合作用的光反应将18O转移给18O2,O经过有氧呼吸的第二阶段将18O转移给C18O2。
考向4　围绕光合作用、细胞呼吸的过程关系,考查科学思维
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
【答案】 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。
6.(2025·辽宁大连模拟)同位素标记可用于研究细胞中有关物质的变化规律,下列说法正确的是(　　)
A.给植物提供C18O2,一段时间后会发现含18O的氧气
B.若给动物提供18O2,18O不会出现在CO2中
C.给植物提供H218O后,一段时间后18O会出现在葡萄糖等有机物中
D.用14C标记葡萄糖,培养动物细胞,每隔一段时间检测含14C的化合物,可探究有氧呼吸的全过程
【答案】 C　
【解析】 给植物提供C18O2,C18O2参与光合作用第二阶段的反应,会合成含18O的糖类等有机物,18O不会出现在氧气中;动物吸入18O2后,参与有氧呼吸第三阶段,产生含有18O的水,含有18O的水再参与有氧呼吸第二阶段,产生含有18O的二氧化碳;给植物提供H218O后,发生水的光解,形成18O2,18O2参与有氧呼吸的第三阶段,合成H218O, H218O参与有氧呼吸的第二阶段形成含18O的二氧化碳,含18O的二氧化碳再参与光合作用的暗反应就会生成含18O的葡萄糖等有机物;葡萄糖是有氧呼吸的底物,其碳骨架会逐步分解为丙酮酸等,但丙酮酸等有机物参与有氧呼吸第二阶段的反应,不参与第三阶段的反应,因此通过追踪14C的去向(如丙酮酸、CO2、中间产物)不能探究有氧呼吸的全过程。
1.(2025·黑吉辽内蒙古卷,10)黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi的过程示意图如下。其他条件均适宜,下列叙述正确的是(　　)
A.ATP、ADP和Pi通过NTT时,无需与NTT结合
B.NTT转运ATP、ADP和Pi的方式为主动运输
C.图中进入叶绿体基质的ATP均由线粒体产生
D.光照充足,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止
【答案】 D　
【解析】 NTT作为载体蛋白,运输ATP、ADP和Pi时需要结合底物;黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi,因此不是主动运输;黑暗条件下,叶绿体无法进行光反应,自身不能合成ATP,此时进入叶绿体基质的ATP可来自细胞呼吸,但细胞呼吸产生ATP的场所包括细胞质基质和线粒体;光照充足时,叶绿体类囊体膜上进行光反应合成ATP,需要消耗大量ADP和Pi,此时叶绿体基质中的ADP和Pi会优先被类囊体膜利用,导致叶绿体基质中ADP浓度降低,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止。
2.(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
【答案】 D　
【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。
3.(2025·江苏卷,21)科研人员从植物叶绿体中分离类囊体,构建含类囊体的人工细胞,并探究光照等因素对人工细胞功能的影响。请回答下列问题。
(1)细胞破碎后,在适宜温度下用低渗溶液处理,涨破　　　 　膜,获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体,为保持其活性,需加入　　 　　溶液重新悬浮,并保存备用。
(2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。吸取5 μL类囊体悬液溶于995 μL的　　 　　　溶液中,混匀后,测定出叶绿素浓度为3 μg/mL,则类囊体的浓度为
　　　 　 μg/mL。
(3)为检测类囊体活性,实验前需对类囊体进行多次洗涤,目的是消除类囊体悬液中原有光反应产物对后续实验结果的影响,这些产物主要有　　　　　　　　　　　　。
(4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞,在适宜光照下,荧光强度　　　　(填“变强”“不变”或“变弱”),说明类囊体膜具有的功能有　 　　　
　　　　　　　　。
(5)在光反应研究的基础上,利用人工细胞开展类似碳反应生成糖类的实验研究,理论上还需要的物质有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】 (1)叶绿体　等渗　
(2)无水乙醇　600
(3)ATP、NADPH
(4)变弱　使水分子分解产生H+,转运H+
(5)CO2、C5、与暗反应相关的酶
【解析】 (1)类囊体位于叶绿体内,故细胞破碎后,在适宜温度下用低渗溶液处理,涨破叶绿体膜,获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体,为保持其活性,需加入等渗溶液重新悬浮,并保存备用。
(2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。由于叶绿素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,故吸取5 μL类囊体悬液溶于995 μL的无水乙醇溶液中,稀释200倍,混匀后,测定出叶绿素浓度为3 μg/mL,则类囊体浓度为600 μg/mL。
(3)类囊体膜是光合作用中光反应的场所,类囊体膜上可发生水的光解,释放O2,合成NADPH和ATP,其中NADPH和ATP可能对后续实验产生影响。
(4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。题图中,具有光反应活性的人工细胞,其类囊体膜分布光合色素(如叶绿素)。适宜光照下,这些光合色素捕捉光能转化为化学能,在类囊体膜上裂解水分子,产生O2、H+和电子,O2释放到胞外,H+运出类囊体,使人工细胞的细胞质中pH减小,荧光强度变弱。
(5)进行碳反应,需要的原料有CO2、C5和与暗反应相关的酶等物质。
热点情境3　有氧呼吸中的电子传递链、光系统及电子传递链
一、有氧呼吸中的电子传递链
细胞呼吸第一阶段和丙酮酸氧化分解生成CO2的过程都只能产生少量ATP,有氧呼吸中大量ATP是伴随O2对[H] 的氧化生成的,这是一个怎样的过程呢 20世纪60年代,有研究人员在研究细菌的跨膜质子运输过程中获得灵感,提出[H] 氧化过程中释放的能量会用于将线粒体基质中的H+泵到线粒体内膜和外膜的间隙中,H+再沿着一种特殊的酶流回线粒体基质,推动该酶催化ATP的合成。之后,科学家检测到线粒体内膜外侧的膜电位明显高于内侧。当将提取自线粒体内膜的蛋白质A嵌到人工脂质体上,人为控制脂质体膜内、外两侧形成H+浓度梯度时,脂质体所在溶液中的ADP和Pi转化成了ATP。
1.电子传递链中电子供体是NADH,最终电子受体是O2。
2.线粒体内膜在生成ATP的过程中起的作用是线粒体内膜使[H] 脱下H+并通过呼吸链进行电子传递,膜上的部分蛋白质则利用电子给予的能量将线粒体基质中的H+泵入内膜和外膜的间隙中,构建了跨内膜的H+浓度梯度(质子浓度差),膜上ATP合成酶利用H+浓度梯度合成ATP。
3.资料中的蛋白质A的名称是ATP合成酶。
1.(2025·广东佛山三模)呼吸链由蛋白复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ等组成,它可以传递e-并将NADH脱下的氢与氧气结合生成水。下图表示线粒体中进行的部分生理过程,下列叙述正确的是(　　)
A.丙酮酸从线粒体膜间隙进入线粒体基质需要ATP供能
B.线粒体内膜和外膜上均分布着大量与呼吸作用有关的酶
C.硝化细菌在生长、发育和繁殖过程中需要通过图示方式供能
D.蛋白复合体Ⅳ处发生的是有氧呼吸第三阶段,释放大量能量
【答案】 D　
【解析】 有氧呼吸第一阶段葡萄糖氧化分解为丙酮酸,由图可知丙酮酸从线粒体膜间隙进入线粒体基质所需的能量由H+浓度差提供,不需要ATP;线粒体外膜与丙酮酸等物质运输有关,线粒体内膜上分布着大量与呼吸作用有关的酶;硝化细菌没有线粒体,故在生长、发育和繁殖过程中不能通过图示方式供能;有氧呼吸第三阶段是[H] 与氧气结合生成水并释放大量能量,从图中可以看出在蛋白复合体Ⅳ处发生的是H+ (来自NADH)与氧气结合生成水的过程,所以此处发生的是有氧呼吸第三阶段,释放大量能量。
2.(2025·湖南邵阳三模)ATP如何运出线粒体备受关注,线粒体膜上存在由核基因编码的ATP/ADP反向转运蛋白AAC,借助AAC,ATP可从线粒体基质运至膜间隙并最终运出线粒体,具体机制如图,图中还标出各物质转运数量及电荷数,内部腺苷磷酸库可储存ATP和ADP。米酵菌酸可以竞争结合在AAC的ATP结合位点上。下列相关叙述错误的是(　　)
A.AAC转运ATP时,因ATP带4个负电荷,会使膜间隙负电荷降低电位升高
B.电子传递链泵出H+,H+顺浓度梯度回流驱动ATP合成酶合成ATP
C.Pi转运体将Pi运入基质,为ATP合成提供原料,其转运与膜电位有关
D.误食含米酵菌酸的食物可能会导致细胞严重缺少能量而死亡
【答案】 A　
【解析】 从图中可看出AAC转运ATP时,ATP带4个负电荷进入膜间隙,同时ADP带3个负电荷离开膜间隙,会使膜间隙负电荷相对增多(净流入1个负电荷),电位降低;图中显示电子传递链将H+泵出,形成H+浓度梯度,H+顺浓度梯度回流可驱动ATP合成酶合成ATP;进入线粒体基质的Pi参与ATP的合成,Pi带负电荷,由线粒体内膜带正电侧运往带负电侧的过程受膜电位影响;米酵菌酸可以竞争性地结合在线粒体AAC的ATP结合位点上,误食含米酵菌酸的食物可能会影响AAC的功能,使AAC转运的ATP减少,从而导致细胞严重缺少能量而死亡。
二、光系统及电子传递链
　光系统是由蛋白质和叶绿素等光合色素组成的复合物,具有吸收、传递和转化光能的作用,包括光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。
(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通透的,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。
1.据图分析,使类囊体膜两侧H+浓度差增加的过程有哪些
【提示】 水的光解产生H+;PQ运输H+;合成NADPH消耗H+。
2.由图可知,图中ATP合成酶的作用有运输H+和催化ATP的合成;合成ATP依赖于类囊体膜两侧的H+浓度差形成的电化学势能。
3.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过几层膜 判断的依据是什么
【提示】 5层。水光解产生O2的场所是叶绿体类囊体薄膜的内侧,而氧气在线粒体内膜上被利用,氧气先穿过叶绿体类囊体膜,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。
3.(2025·宁夏石嘴山期中)如图为真核细胞中两种传递电子并产生ATP的生物膜结构示意图。据图分析,下列有关叙述正确的是(　　)
A.图甲为叶绿体内膜,图乙为线粒体内膜
B.两种膜产生ATP的能量直接来源均为H+的跨膜运输
C.自养需氧型生物的细胞中都既有图甲结构又有图乙结构
D.图甲中NADPH为电子最终受体,图乙中O2为电子最终受体
【答案】 B　
【解析】 图甲中利用光能分解水,为光合作用的光反应阶段,所以图甲为叶绿体中的类囊体薄膜,图乙中利用NADH生成水和ATP,应为有氧呼吸第三阶段,所以图乙为线粒体内膜;自养需氧型生物,如硝化细菌为原核生物,不存在图甲结构和图乙结构;由图可知,这两种膜结构上的ATP合成酶在合成ATP时,都需要膜两侧的H+跨膜运输,H+的梯度差形成的电化学势能转移到ATP中;图甲中的NADP+接受电子并参与形成NADPH,NADP+为电子最终受体,图乙中O2接受电子并参与形成水,O2为电子最终受体。
4.(2025·山东卷,21)高光强环境下,植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤,引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长,其部分光合过程如下图所示。
(1)叶绿体膜的基本支架是　　　　　 　　　　;叶绿体中含有许多由类囊体组成的　 , 扩展了受光面积。
(2)据图分析,生成NADPH所需的电子源自　　　　　　。采用同位素示踪法可追踪物质的去向,用含3H2O的溶液培养该绿藻一段时间后,以其光合产物葡萄糖为原料进行有氧呼吸时,能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、　　　　 　　,离心收集绿藻并重新放入含O的培养液中,在适宜光照条件下继续培养,绿藻产生的带18O标记的气体有　 。
(3)据图分析,通过途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机制分别为
　。
【答案】 (1)磷脂双分子层　基粒
(2)H2O　丙酮酸、[H]　氧气(或O2)和二氧化碳(或CO2)
(3)途径①通过将过剩的电子传递给氧气(或O2),生成H2O2,进而被过氧化氢酶等清除,从而防止过剩的光能对光合系统的损伤;途径②将叶绿体吸收的过剩光能转化为热能散失,减少电子的释放,产生的活性氧减少,从而防止对光合系统的损伤
【解析】 (1)叶绿体膜属于生物膜,生物膜的基本支架是磷脂双分子层;叶绿体中含有许多由类囊体组成的基粒,扩展了受光面积。
(2)据题图分析,水在光下分解为O2和H+,同时产生的电子经传递,可用于NADP+与H+结合形成NADPH,即生成NADPH所需的电子源自H2O。3H2O被植物细胞吸收后参与光合作用,生成H12O6。在有氧呼吸的第一阶段,H12O6在细胞质基质中被分解成含有3H的丙酮酸,产生少量的[3H],并释放少量的能量;在有氧呼吸的第二阶段,丙酮酸与3H2O在线粒体基质中被彻底分解生成CO2和[3H],释放少量的能量;在线粒体内膜上完成有氧呼吸的第三阶段,[3H]与O2结合生成3H2O,并释放大量的能量。可见,用含3H2O的溶液培养该绿藻,一段时间后,能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、丙酮酸、[H]。培养液中O被绿藻吸收后,在光合作用的光反应阶段被分解产生18O2;在有氧呼吸的第二阶段,O与丙酮酸被彻底分解为C18O2和[H],即产生的带18O标记的气体有O2和CO2。
(3)据题图分析,途径①通过将过剩的电子传递给O2,生成H2O2,进而被过氧化氢酶等清除,从而防止过剩的光能对光合系统的损伤;途径②将叶绿体吸收的过剩光能转化为热能散失,减少电子的释放,产生的活性氧减少,从而防止对光合系统的损伤。
(时间:30分钟)
1.(2025·四川德阳期末)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
【答案】 D　
【解析】 暗反应阶段CO2的固定过程为Rubisco催化C5与CO2反应的过程,该过程发生在叶绿体基质中,有光、无光条件下暗反应均可进行,故Rubisco的活性与是否有光无关;CO2的固定过程不消耗ATP。
2.(2025·河南郑州模拟)如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解,其中a、b、c、d表示四种化合物,①②表示两个生理过程,下列叙述错误的是(　　)
A.突然增加CO2浓度,叶肉细胞内化合物a将会减少
B.突然增强光照,叶肉细胞内化合物b将增加
C.化合物c有较强的还原性
D.化合物d是储存着能量的有机物
【答案】 B
【解析】 化合物a表示C5,突然增加CO2浓度,CO2的固定加快,消耗的C5增多,但短时间内C3还原不变,产生C5的速率不变,故叶肉细胞内化合物a将会减少;化合物b表示C3,突然增强光照,光反应加快,C3的还原过程加快,短时间内C3的来源不变,最终导致C3的含量减少;化合物c表示NADPH,具有较强的还原性;化合物d为糖类,是储存着能量的有机物。
3.(2025·湖北黄冈三模)某研究小组设计了下图所示的装置,重现经典科学实验希尔反应。装置中叶绿体悬浮液需事先用NaOH调pH至8.4,氧化剂被还原时可由蓝色变为无色,实验中需将两注射器中的液体混合。下列叙述错误的是(　　)
A.NaOH的作用是除去叶绿体悬浮液中的CO2
B.光照条件下才能观察到氧化剂的颜色变化
C.反应过程中产生的NADP+导致氧化剂变无色
D.除颜色变化外,装置中还能观察到气泡产生
【答案】 C　
【解析】 NaOH的作用是通过将悬浮液pH调为碱性,除去叶绿体悬浮液中的CO2;光照条件下,叶绿体的类囊体薄膜上进行光反应产生NADPH,NADPH将溶液中的氧化剂还原,溶液颜色由蓝色变为无色,反应过程中产生的还原型辅酶Ⅱ(NADPH)导致氧化剂变无色,不是氧化型辅酶Ⅱ(NADP+);装置在光照下进行光反应过程,产生NADPH的同时还产生O2,因此还可以观察到气泡的产生。
4.(2025·重庆期末)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
【答案】 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,它们都是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。
5.(2025·湖南长沙模拟)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
【答案】 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。
6.(2025·陕西渭南期末)如图是发生在植物体内的两个重要的生理过程,其中Ⅰ~Ⅴ表示生理过程,a~e表示物质。下列叙述错误的是(　　)
A.过程Ⅱ表示光合作用的暗反应阶段,Ⅳ表示有氧呼吸的第二阶段
B.Ⅰ、Ⅱ过程主要发生在叶肉细胞,植物体的活细胞均可发生细胞呼吸
C.在光照下能够产生ATP的过程有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ
D.在光合作用和有氧呼吸过程中都有H2O的消耗
【答案】 C　
【解析】 由题图可知,过程Ⅰ、Ⅱ分别表示光合作用的光反应和暗反应,Ⅲ表示有氧呼吸的第三阶段,Ⅳ表示有氧呼吸的第二阶段,Ⅴ表示有氧呼吸的第一阶段;由题图可知,过程Ⅰ、Ⅱ分别表示光合作用的光反应和暗反应,主要发生在叶肉细胞中,而植物体的活细胞均可发生细胞呼吸;在光照下叶肉细胞能进行光合作用,过程Ⅰ(光反应)能产生ATP,过程Ⅱ(暗反应)消耗ATP,过程Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ分别表示有氧呼吸的三个阶段,都能产生ATP;光合作用中光反应需要消耗水即发生水的光解,有氧呼吸的第二阶段也会消耗水。
7.(2025·河北衡水模拟)如图表示植物叶肉细胞中光合作用和呼吸作用的过程简图,其中a、b、c、d表示生理过程,甲、乙表示场所,下列有关叙述正确的是(　　)
A.a过程产生的NADPH可以用于CO2的固定
B.催化ATP合成的酶位于甲的内膜上
C.给植物提供O一段时间后,a、b、c、d的产物都会出现18O
D.该植物用于叶肉细胞中载体蛋白合成的能量可来自a、c、d
【答案】 C　
【解析】 a过程为水光解,产生的NADPH可以用于C3的还原;甲是光合作用的场所,包括叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质,叶绿体类囊体薄膜上含有催化ATP合成的酶;给植物提供O一段时间后,水光解(a)产生18O2,水参与有氧呼吸的第二阶段(H2O+丙酮酸CO2+[H] +能量),c过程会出现C18O2,18O2参与有氧呼吸的第三阶段生成H2O,d过程会出现O,b过程为CO2参与的暗反应,C18O2参与b过程会生成含18O的葡萄糖;呼吸产生的ATP用于各项生命活动,光反应产生的ATP只用于暗反应,因此该植物用于叶肉细胞中载体蛋白合成的能量可来自c(有氧呼吸的第二阶段)、d(有氧呼吸的第三阶段),不会来自a。
8.(2025·安徽合肥模拟)人工光合系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图所示,其中甲、乙表示物质,据此分析下列说法错误的是(　　)
A.人工光合系统中相当于光反应的模块是模块1和模块2
B.模块2中还应添加ADP、Pi和NADP+等物质以便完成能量转换
C.若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内甲的含量将减少
D.若植物与人工光合系统固定等量的CO2,则植物糖类的积累量低于人工光合系统
【答案】 C　
【解析】 该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的是模块1和模块2,模块1相当于光合作用中色素吸收光能,模块2进行光反应中水的光解和ATP等的合成;模块2中还应添加ADP、Pi和NADP+等物质以便将电能转化成NADPH和ATP中的化学能;据图判断甲为C5、乙为C3,若正常运转过程中气泵突然停转,二氧化碳浓度降低,二氧化碳的固定减少,C5的消耗减少,而光反应速率不变,C5的生成不变,导致短时间内甲(C5)的含量增加;由于人工光合系统没有呼吸作用消耗糖类,故在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量高于植物糖类的积累量。
9.(2025·天津三模)P蛋白由核内P基因编码,经翻译后转移并定位于叶绿体中,参与捕光复合体Ⅱ的损伤修复。M蛋白可降低P蛋白的2羟基异丁酰化修饰,从而削弱P蛋白对捕光复合体Ⅱ的修复功能,进而降低叶绿体产生活性氧的能力,导致棉花的抗病性下降。下列叙述错误的是(　　)
A.可以采用无水乙醇对捕光复合体Ⅱ中色素进行提取
B.M蛋白基因缺失突变体的叶绿体产生活性氧的能力相对较高
C.捕光复合体Ⅱ损伤后,暗反应中C5的量会减少
D.若P蛋白的翻译受到抑制,则可能会导致棉花的抗病性上升
【答案】 D　
【解析】 叶绿体中的色素能吸收、转化光能,故捕光复合体Ⅱ存在相应的色素,而这些光合色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以可以采用无水乙醇对捕光复合体Ⅱ中色素进行提取;已知M蛋白可引起一系列变化降低叶绿体产生活性氧的能力。M蛋白基因缺失突变体不能合成M蛋白,那么叶绿体产生活性氧的能力相对较高;捕光复合体Ⅱ损伤后,光反应产生的ATP和NADPH减少,C3的还原减弱,C5的生成量减少,而C5的消耗量不变(二氧化碳固定过程暂时正常进行),所以暗反应中C5的量会减少;P蛋白参与捕光复合体Ⅱ的损伤修复,若P蛋白的翻译受到抑制,捕光复合体Ⅱ损伤难以修复,叶绿体产生活性氧的能力下降,会导致棉花的抗病性下降。
10.(2025·福建福州期中)为了研究淀粉合成与细胞质中ATP的关系,实验人员对拟南芥野生型WT和突变体ntt1(叶绿体失去运入ATP的能力)保卫细胞的淀粉粒面积进行了研究,结果如图所示,其中黑暗结束是指将WT和ntt1置于黑暗中培养一段时间后,黑暗结束时检测淀粉粒面积。下列相关叙述不合理的是(　　)
A.黑暗状态下,WT和ntt1的叶绿体均不能通过进行光合作用来合成淀粉
B.长时间光照有利于ntt1积累大量淀粉
C.叶绿体中淀粉的合成依赖于细胞质中ATP的供应
D.根据图中信息不能推测ntt1在光照条件下光合作用情况
【答案】 B　
【解析】 黑暗状态下,叶绿体不能合成NADPH和ATP,C3还原缺少NADPH和ATP,光合作用不能进行,因此,黑暗状态下,WT和ntt1的叶绿体均不能通过进行光合作用来合成淀粉;结合图示可以看出,光照2 h条件和光照8 h条件下,ntt1淀粉粒面积均较小,变化不大,长时间光照,ntt1也不会积累大量淀粉;结合图示可知,光照8 h突变体ntt1淀粉粒面积远小于WT,而突变体ntt1叶绿体失去运入ATP的能力,据此推测保卫细胞淀粉大量合成需要依赖细胞质中ATP的供应;淀粉不是光合作用的唯一产物,因而不能推测该突变体进行光合作用的情况。
11.(2025·江苏常州模拟)希尔发现在分离的叶绿体悬浮液中加入适当的电子受体(如草酸铁),照光时可使水分解而释放氧气,后来发现生物中重要的氢载体NADP+也可以作为生理性的希尔氧化剂,从而使得希尔反应的生理意义得到了进一步肯定。
(1)希尔反应模拟了叶绿体光合作用中　　 　　阶段的部分变化,其中氧化剂可作为　　　　　　　　　。希尔反应活力的测定最简单直接的方法是　　　　 　　。将水稻叶肉细胞破碎并进行差速离心处理,分离得到的叶绿体等量分装到试管A~G中,按下表设计,在其他条件相同且适宜的情况下进行实验。
试管编号 变量控制 A B C D E F G
光照 + + - + - - -
CO2 + - + - + + +
NADP+ + - - + - - -
NADPH - - - - + + -
ATP + - - - + - +
注:“+”表示给予适宜的相关条件,“-”表示不给予相关条件。
会持续产生(CH2O)的试管有　 　　　,会持续产生O2的试管有　　 　　。
(2)卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果,获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中,通过一个通气管向容器中通入CO2,通气管上有一个开关,可控制CO2的供应,容器周围有光源,通过控制电源开关可控制光照的有无。他向密闭容器中通入14CO2,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,这说明CO2中C的转移路径是　　　　　　　。上述实验中卡尔文是通过控制　　　 　来探究CO2中碳原子转移路径的。
(3)卡尔文通过改变实验条件来探究光合作用过程中固定CO2的化合物,他改变的实验条件是　　 　　;这时他发现C5的含量快速升高,由此得出固定CO2的物质是C5。
(4)上述实验中,卡尔文将不同反应条件下的小球藻放入70℃的热酒精中,从而使酶失活,细胞中的化合物就保持在热处理之前的反应状态,利用不同化合物在层析液中的溶解度不同,分离出各种化合物。综上所述,卡尔文在光合作用研究中采用了　　　　　　　　　等技术方法。
【答案】 (1)光反应　氢载体和电子受体　检测氧气释放速率　A、E　A、D
(2)CO2→C3→(C5、C6)　反应时间
(3)停止CO2供应
(4)同位素示踪法和纸层析法
【解析】 (1)希尔反应中,水分解释放氧气发生在光反应阶段,因此模拟的是光反应阶段。由于希尔反应中没有CO2,无法完成NADPH与NADP+之间的循环转化,故加入氧化剂作为氢载体和电子受体接受电子和H+使水分解持续下去。希尔反应直接产物有氧气,故最简单直接的方法是检测氧气释放速率。试管实验分析:暗反应阶段CO2固定形成C3并被还原产生(CH2O),此过程需要光反应阶段提供ATP和NADPH,同时需要CO2的参与。A试管有ATP、光照和NADP+,能进行光反应产生NADPH,在有CO2提供的情况下能产生(CH2O);E试管有现成的ATP和NADPH,同时有CO2的供应,也会持续产生(CH2O),故会持续产生(CH2O)的试管有A、E;在叶绿体的悬浮液中加入适当的电子受体(NADP+),照光时可使水分解而释放氧气。A、D试管含有光照和电子受体,能持续产生氧气。
(2)向密闭容器中通入14CO2,通过控制反应时间,当反应进行到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,所以卡尔文是通过控制反应时间来探究CO2中碳原子转移路径的。根据实验现象可知CO2中C的转移路径是CO2→C3→(C5、C6)。
(3)依据题干信息,要使C5的含量快速升高,可通过停止CO2供应(降低CO2浓度)来实现。因为CO2供应减少,C5与CO2结合生成C3的过程受阻,而C3的还原仍在进行,会使C5不断生成,从而导致C5含量升高。
(4)卡尔文在光合作用研究中采用了同位素示踪法(用14CO2探究碳原子转移路径)和纸层析法(利用不同化合物在层析液中的溶解度不同,分离出各种化合物)等技术。第12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。
考情 分析 光合作用的原理 2025·河北卷,4;2025·江苏卷,21;2025·山东卷,21;2025·黑吉辽内蒙古卷,10、21;2024·广东卷,2;2024·安徽卷,16;2023·天津卷,9;2023·湖北卷,8;2023·重庆卷,19;2023·全国甲卷,29
考点一　光合作用的基本原理
1.探索光合作用原理的部分经典实验
提醒　同位素标记法中使用的同位素并非都具有放射性,如18O就没有放射性,不能检测其放射性;而14C有放射性,可被追踪检测。
2.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:　 。
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　　　　。
(2)光反应与暗反应的比较。
1.(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NADP+与H+结合形成NADPH。
2.(必修1 P104相关信息)C3是指三碳化合物——　　　　　　　　,C5是指五碳化合物——核酮糖1,5二磷酸(RuBP)。
3.(必修1 P104相关信息)光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是　　　　。　　　　　可以进入筛管,再通过　　　　运输到植株各处。
4.光合作用和化能合成作用的比较
提醒　绿色植物和化能合成菌为自养生物;人、动物、真菌以及大多数细菌属于异养生物。
【判断正误】
　(1)(2025·安徽卷,1)叶绿体中的ATP合成酶,可将光能直接转化为ATP中的化学能。(　　)
(2)(2025·河北卷,1)水的光解和光合作用的暗反应都消耗ATP。(　　)
(3)(2024·贵州卷,1)幼苗中的水可参与形成NADPH,也可参与形成NADH。(　　)
(4)(2023·湖北卷,11)高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少。(　　)
(5)(2021·山东卷,16)植物细胞产生的O2只能来自光合作用。(　　)
(6)(2021·湖南卷,7)在暗反应阶段,CO2不能直接被还原。(　　)
【情境·思维·深析】
1.某实验小组在适宜温度和光照强度下向小球藻(真核生物)培养液中通入一定量的14CO2后,在不同时间点取出一定量的小球藻,分析其所含放射性物质种类,结果如表所示。
取样时间点 放射性物质种类
第2 s 大量3磷酸甘油酸(C3)
第15 s 磷酸化糖类
第50 s 除上述磷酸化糖类外, 还有氨基酸等
(1)小球藻合成C3的过程是否需要NADPH的参与
(2)提高CO2浓度,获得放射性氨基酸的间隔时间可能缩短吗 为什么
(3)本实验的目的是 　。
2.科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图甲)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是　　　 　
　　　　　 　　　　。
(2)在图甲实验基础上进行图乙实验,发现该实验条件下,也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,原因是
　。
(3)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有　　　　　　　　　　　　　。
考向1　围绕光合作用的探究过程,考查科学思维
1.(2025·贵州凯里模拟)下列是探索光合作用的有关实验,说法正确的是(　　)
A.希尔反应中,离体的叶绿体在光照及其他适宜条件下释放了O2
B.鲁宾和卡门给植物提供H2O和C18O2,可判断O2是来自H2O
C.卡尔文用14CO2追踪,未探明CO2中的C转化为有机物中C的过程
D.恩格尔曼用极细光束照射离体的叶绿体,好氧细菌集中于被光束照射部位
考向2　围绕光合作用的过程,考查科学思维
2.(2025·江西九江一模)光合作用中物质和能量的变化是相辅相成的。光反应过程中,由光照引起从H2O到NADP+的电子传递,驱动类囊体膜内的质子泵,在类囊体膜的两侧建立了质子浓度梯度,从而驱动ATP合成酶合成ATP。下列相关叙述错误的是(　　)
A.电子传递给NADP+,用于NADP+与H+结合形成NADPH
B.光反应将光能转化为储存在ATP和NADPH中的化学能
C.光反应中,没有CO2的存在,光能无法完成向化学能的转变
D.暗反应中,没有ATP和NADPH提供的能量,叶绿体不能持续固定CO2生成C3
3.(2025·山东济南二模)下图是某绿藻适应水生环境,提高光合效率的机制图。下列叙述正确的是(　　)
A.图中能产生ATP的结构有细胞质基质和线粒体
B.图中浓度大小为细胞外>细胞质基质>叶绿体基质
C.水光解产生的H+可进一步形成NADH,为暗反应提供还原剂和能量
D.光反应通过确保暗反应中CO2的供应,帮助该绿藻适应水生环境
考向3　围绕光合作用过程中的物质变化,考查科学思维
4.(2025·湖北武汉三模)下图是某绿色植物光合作用的示意图,其中a、b表示物质,Ⅰ、Ⅱ表示反应阶段。下列叙述错误的是(　　)
A.缺Mg会影响该植物Ⅰ阶段对光能的吸收、传递和转化
B.在类囊体薄膜上产生的a和b可参与叶绿体基质中的Ⅱ阶段
C.若光照强度减弱,则短时间内该植物细胞中C3/C5的值变小
D.该植物经光合作用可将光能转变成糖类中稳定的化学能
“过程法”分析环境改变时光合作用各物质含量的变化
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:
考点二　光合作用和细胞呼吸的过程关系
1.光合作用与细胞呼吸的区别
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
【情境·思维·深析】
1.土壤板结,会导致植物光合速率下降,其原因是
　。
2.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①、②、③、④代表的物质依次是 　。
(2)A、B代表反应过程,C代表细胞质基质,D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)
(3)如果用18O标记土壤中的水,那么植物产生的二氧化碳和氧气是否含有18O 如果有,写出18O的转移途径。
考向4　围绕光合作用、细胞呼吸的过程关系,考查科学思维
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
6.(2025·辽宁大连模拟)同位素标记可用于研究细胞中有关物质的变化规律,下列说法正确的是(　　)
A.给植物提供C18O2,一段时间后会发现含18O的氧气
B.若给动物提供18O2,18O不会出现在CO2中
C.给植物提供O后,一段时间后18O会出现在葡萄糖等有机物中
D.用14C标记葡萄糖,培养动物细胞,每隔一段时间检测含14C的化合物,可探究有氧呼吸的全过程
1.(2025·黑吉辽内蒙古卷,10)黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi的过程示意图如下。其他条件均适宜,下列叙述正确的是(　　)
A.ATP、ADP和Pi通过NTT时,无需与NTT结合
B.NTT转运ATP、ADP和Pi的方式为主动运输
C.图中进入叶绿体基质的ATP均由线粒体产生
D.光照充足,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止
2.(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
3.(2025·江苏卷,21)科研人员从植物叶绿体中分离类囊体,构建含类囊体的人工细胞,并探究光照等因素对人工细胞功能的影响。请回答下列问题。
(1)细胞破碎后,在适宜温度下用低渗溶液处理,涨破　　　　膜,获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体,为保持其活性,需加入　　　　溶液重新悬浮,并保存备用。
(2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。吸取5 μL类囊体悬液溶于
995 μL的　　　 　　溶液中,混匀后,测定出叶绿素浓度为3 μg/mL,则类囊体的浓度为
　　　　 μg/mL。
(3)为检测类囊体活性,实验前需对类囊体进行多次洗涤,目的是消除类囊体悬液中原有光反应产物对后续实验结果的影响,这些产物主要有　　　　　　　　　　　　。
(4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞,在适宜光照下,荧光强度　　　　(填“变强”“不变”或“变弱”),说明类囊体膜具有的功能有
　。
(5)在光反应研究的基础上,利用人工细胞开展类似碳反应生成糖类的实验研究,理论上还需要的物质有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
热点情境3　有氧呼吸中的电子传递链、光系统及电子传递链
一、有氧呼吸中的电子传递链
细胞呼吸第一阶段和丙酮酸氧化分解生成CO2的过程都只能产生少量ATP,有氧呼吸中大量ATP是伴随O2对[H] 的氧化生
成的,这是一个怎样的过程呢 20世纪60年代,有研究人员在研究细菌的跨膜质子运输过程中获得灵感,提出[H] 氧化过程中释放的能量会用于将线粒体基质中的H+泵到线粒体内膜和外膜的间隙中,H+再沿着一种特殊的酶流回线粒体基质,推动该酶催化ATP的合成。之后,科学家检测到线粒体内膜外侧的膜电位明显高于内侧。当将提取自线粒体内膜的蛋白质A嵌到人工脂质体上,人为控制脂质体膜内、外两侧形成H+浓度梯度时,脂质体所在溶液中的ADP和Pi转化成了ATP。
1.电子传递链中电子供体是　　　　,最终电子受体是　　　　。
2.线粒体内膜在生成ATP的过程中起的作用是线粒体内膜使[H] 脱下H+并通过呼吸链进行电子传递,膜上的部分蛋白质则利用电子给予的能量将线粒体基质中的H+泵入内膜和外膜的间隙中, 　合成ATP。
3.资料中的蛋白质A的名称是　　　　　　。
1.(2025·广东佛山三模)呼吸链由蛋白复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ等组成,它可以传递e-并将NADH脱下的氢与氧气结合生成水。下图表示线粒体中进行的部分生理过程,下列叙述正确的是(　　)
A.丙酮酸从线粒体膜间隙进入线粒体基质需要ATP供能
B.线粒体内膜和外膜上均分布着大量与呼吸作用有关的酶
C.硝化细菌在生长、发育和繁殖过程中需要通过图示方式供能
D.蛋白复合体Ⅳ处发生的是有氧呼吸第三阶段,释放大量能量
2.(2025·湖南邵阳三模)ATP如何运出线粒体备受关注,线粒体膜上存在由核基因编码的ATP/ADP反向转运蛋白AAC,借助AAC,ATP可从线粒体基质运至膜间隙并最终运出线粒体,具体机制如图,图中还标出各物质转运数量及电荷数,内部腺苷磷酸库可储存ATP和ADP。米酵菌酸可以竞争结合在AAC的ATP结合位点上。下列相关叙述错误的是(　　)
A.AAC转运ATP时,因ATP带4个负电荷,会使膜间隙负电荷降低电位升高
B.电子传递链泵出H+,H+顺浓度梯度回流驱动ATP合成酶合成ATP
C.Pi转运体将Pi运入基质,为ATP合成提供原料,其转运与膜电位有关
D.误食含米酵菌酸的食物可能会导致细胞严重缺少能量而死亡
二、光系统及电子传递链
　光系统是由蛋白质和叶绿素等光合色素组成的复合物,具有吸收、传递和转化光能的作用,包括光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。
(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通透的,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。
1.据图分析,使类囊体膜两侧H+浓度差增加的过程有哪些
2.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。
3.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过几层膜 判断的依据是什么
3.(2025·宁夏石嘴山期中)如图为真核细胞中两种传递电子并产生ATP的生物膜结构示意图。据图分析,下列有关叙述正确的是(　　)
A.图甲为叶绿体内膜,图乙为线粒体内膜
B.两种膜产生ATP的能量直接来源均为H+的跨膜运输
C.自养需氧型生物的细胞中都既有图甲结构又有图乙结构
D.图甲中NADPH为电子最终受体,图乙中O2为电子最终受体
4.(2025·山东卷,21)高光强环境下,植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤,引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长,其部分光合过程如下图所示。
(1)叶绿体膜的基本支架是　　　　　　　 　　 　;叶绿体中含有许多由类囊体组成的　 , 扩展了受光面积。
(2)据图分析,生成NADPH所需的电子源自　　　　　　。采用同位素示踪法可追踪物质的去向,用含3H2O的溶液培养该绿藻一段时间后,以其光合产物葡萄糖为原料进行有氧呼吸时,能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、　　　　　　,离心收集绿藻并重新放入含O的培养液中,在适宜光照条件下继续培养,绿藻产生的带18O标记的气体有　 。
(3)据图分析,通过途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机制分别为
　。 第12讲　光合作用的原理
(时间:30分钟)
1.(2025·四川德阳期末)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
【答案】 D　
【解析】 暗反应阶段CO2的固定过程为Rubisco催化C5与CO2反应的过程,该过程发生在叶绿体基质中,有光、无光条件下暗反应均可进行,故Rubisco的活性与是否有光无关;CO2的固定过程不消耗ATP。
2.(2025·河南郑州模拟)如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解,其中a、b、c、d表示四种化合物,①②表示两个生理过程,下列叙述错误的是(　　)
A.突然增加CO2浓度,叶肉细胞内化合物a将会减少
B.突然增强光照,叶肉细胞内化合物b将增加
C.化合物c有较强的还原性
D.化合物d是储存着能量的有机物
【答案】 B
【解析】 化合物a表示C5,突然增加CO2浓度,CO2的固定加快,消耗的C5增多,但短时间内C3还原不变,产生C5的速率不变,故叶肉细胞内化合物a将会减少;化合物b表示C3,突然增强光照,光反应加快,C3的还原过程加快,短时间内C3的来源不变,最终导致C3的含量减少;化合物c表示NADPH,具有较强的还原性;化合物d为糖类,是储存着能量的有机物。
3.(2025·湖北黄冈三模)某研究小组设计了下图所示的装置,重现经典科学实验希尔反应。装置中叶绿体悬浮液需事先用NaOH调pH至8.4,氧化剂被还原时可由蓝色变为无色,实验中需将两注射器中的液体混合。下列叙述错误的是(　　)
A.NaOH的作用是除去叶绿体悬浮液中的CO2
B.光照条件下才能观察到氧化剂的颜色变化
C.反应过程中产生的NADP+导致氧化剂变无色
D.除颜色变化外,装置中还能观察到气泡产生
【答案】 C　
【解析】 NaOH的作用是通过将悬浮液pH调为碱性,除去叶绿体悬浮液中的CO2;光照条件下,叶绿体的类囊体薄膜上进行光反应产生NADPH,NADPH将溶液中的氧化剂还原,溶液颜色由蓝色变为无色,反应过程中产生的还原型辅酶Ⅱ(NADPH)导致氧化剂变无色,不是氧化型辅酶Ⅱ(NADP+);装置在光照下进行光反应过程,产生NADPH的同时还产生O2,因此还可以观察到气泡的产生。
4.(2025·重庆期末)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
【答案】 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,它们都是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。
5.(2025·湖南长沙模拟)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
【答案】 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。
6.(2025·陕西渭南期末)如图是发生在植物体内的两个重要的生理过程,其中Ⅰ~Ⅴ表示生理过程,a~e表示物质。下列叙述错误的是(　　)
A.过程Ⅱ表示光合作用的暗反应阶段,Ⅳ表示有氧呼吸的第二阶段
B.Ⅰ、Ⅱ过程主要发生在叶肉细胞,植物体的活细胞均可发生细胞呼吸
C.在光照下能够产生ATP的过程有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ
D.在光合作用和有氧呼吸过程中都有H2O的消耗
【答案】 C　
【解析】 由题图可知,过程Ⅰ、Ⅱ分别表示光合作用的光反应和暗反应,Ⅲ表示有氧呼吸的第三阶段,Ⅳ表示有氧呼吸的第二阶段,Ⅴ表示有氧呼吸的第一阶段;由题图可知,过程Ⅰ、Ⅱ分别表示光合作用的光反应和暗反应,主要发生在叶肉细胞中,而植物体的活细胞均可发生细胞呼吸;在光照下叶肉细胞能进行光合作用,过程Ⅰ(光反应)能产生ATP,过程Ⅱ(暗反应)消耗ATP,过程Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ分别表示有氧呼吸的三个阶段,都能产生ATP;光合作用中光反应需要消耗水即发生水的光解,有氧呼吸的第二阶段也会消耗水。
7.(2025·河北衡水模拟)如图表示植物叶肉细胞中光合作用和呼吸作用的过程简图,其中a、b、c、d表示生理过程,甲、乙表示场所,下列有关叙述正确的是(　　)
A.a过程产生的NADPH可以用于CO2的固定
B.催化ATP合成的酶位于甲的内膜上
C.给植物提供O一段时间后,a、b、c、d的产物都会出现18O
D.该植物用于叶肉细胞中载体蛋白合成的能量可来自a、c、d
【答案】 C　
【解析】 a过程为水光解,产生的NADPH可以用于C3的还原;甲是光合作用的场所,包括叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质,叶绿体类囊体薄膜上含有催化ATP合成的酶;给植物提供O一段时间后,水光解(a)产生18O2,水参与有氧呼吸的第二阶段(H2O+丙酮酸CO2+[H] +能量),c过程会出现C18O2,18O2参与有氧呼吸的第三阶段生成H2O,d过程会出现O,b过程为CO2参与的暗反应,C18O2参与b过程会生成含18O的葡萄糖;呼吸产生的ATP用于各项生命活动,光反应产生的ATP只用于暗反应,因此该植物用于叶肉细胞中载体蛋白合成的能量可来自c(有氧呼吸的第二阶段)、d(有氧呼吸的第三阶段),不会来自a。
8.(2025·安徽合肥模拟)人工光合系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图所示,其中甲、乙表示物质,据此分析下列说法错误的是(　　)
A.人工光合系统中相当于光反应的模块是模块1和模块2
B.模块2中还应添加ADP、Pi和NADP+等物质以便完成能量转换
C.若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内甲的含量将减少
D.若植物与人工光合系统固定等量的CO2,则植物糖类的积累量低于人工光合系统
【答案】 C　
【解析】 该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的是模块1和模块2,模块1相当于光合作用中色素吸收光能,模块2进行光反应中水的光解和ATP等的合成;模块2中还应添加ADP、Pi和NADP+等物质以便将电能转化成NADPH和ATP中的化学能;据图判断甲为C5、乙为C3,若正常运转过程中气泵突然停转,二氧化碳浓度降低,二氧化碳的固定减少,C5的消耗减少,而光反应速率不变,C5的生成不变,导致短时间内甲(C5)的含量增加;由于人工光合系统没有呼吸作用消耗糖类,故在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量高于植物糖类的积累量。
9.(2025·天津三模)P蛋白由核内P基因编码,经翻译后转移并定位于叶绿体中,参与捕光复合体Ⅱ的损伤修复。M蛋白可降低P蛋白的2羟基异丁酰化修饰,从而削弱P蛋白对捕光复合体Ⅱ的修复功能,进而降低叶绿体产生活性氧的能力,导致棉花的抗病性下降。下列叙述错误的是(　　)
A.可以采用无水乙醇对捕光复合体Ⅱ中色素进行提取
B.M蛋白基因缺失突变体的叶绿体产生活性氧的能力相对较高
C.捕光复合体Ⅱ损伤后,暗反应中C5的量会减少
D.若P蛋白的翻译受到抑制,则可能会导致棉花的抗病性上升
【答案】 D　
【解析】 叶绿体中的色素能吸收、转化光能,故捕光复合体Ⅱ存在相应的色素,而这些光合色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以可以采用无水乙醇对捕光复合体Ⅱ中色素进行提取;已知M蛋白可引起一系列变化降低叶绿体产生活性氧的能力。M蛋白基因缺失突变体不能合成M蛋白,那么叶绿体产生活性氧的能力相对较高;捕光复合体Ⅱ损伤后,光反应产生的ATP和NADPH减少,C3的还原减弱,C5的生成量减少,而C5的消耗量不变(二氧化碳固定过程暂时正常进行),所以暗反应中C5的量会减少;P蛋白参与捕光复合体Ⅱ的损伤修复,若P蛋白的翻译受到抑制,捕光复合体Ⅱ损伤难以修复,叶绿体产生活性氧的能力下降,会导致棉花的抗病性下降。
10.(2025·福建福州期中)为了研究淀粉合成与细胞质中ATP的关系,实验人员对拟南芥野生型WT和突变体ntt1(叶绿体失去运入ATP的能力)保卫细胞的淀粉粒面积进行了研究,结果如图所示,其中黑暗结束是指将WT和ntt1置于黑暗中培养一段时间后,黑暗结束时检测淀粉粒面积。下列相关叙述不合理的是(　　)
A.黑暗状态下,WT和ntt1的叶绿体均不能通过进行光合作用来合成淀粉
B.长时间光照有利于ntt1积累大量淀粉
C.叶绿体中淀粉的合成依赖于细胞质中ATP的供应
D.根据图中信息不能推测ntt1在光照条件下光合作用情况
【答案】 B　
【解析】 黑暗状态下,叶绿体不能合成NADPH和ATP,C3还原缺少NADPH和ATP,光合作用不能进行,因此,黑暗状态下,WT和ntt1的叶绿体均不能通过进行光合作用来合成淀粉;结合图示可以看出,光照2 h条件和光照8 h条件下,ntt1淀粉粒面积均较小,变化不大,长时间光照,ntt1也不会积累大量淀粉;结合图示可知,光照8 h突变体ntt1淀粉粒面积远小于WT,而突变体ntt1叶绿体失去运入ATP的能力,据此推测保卫细胞淀粉大量合成需要依赖细胞质中ATP的供应;淀粉不是光合作用的唯一产物,因而不能推测该突变体进行光合作用的情况。
11.(2025·江苏常州模拟)希尔发现在分离的叶绿体悬浮液中加入适当的电子受体(如草酸铁),照光时可使水分解而释放氧气,后来发现生物中重要的氢载体NADP+也可以作为生理性的希尔氧化剂,从而使得希尔反应的生理意义得到了进一步肯定。
(1)希尔反应模拟了叶绿体光合作用中　　 　　阶段的部分变化,其中氧化剂可作为　　　　　　　　　。希尔反应活力的测定最简单直接的方法是　　　　 　　。将水稻叶肉细胞破碎并进行差速离心处理,分离得到的叶绿体等量分装到试管A~G中,按下表设计,在其他条件相同且适宜的情况下进行实验。
试管编号 变量控制 A B C D E F G
光照 + + - + - - -
CO2 + - + - + + +
NADP+ + - - + - - -
NADPH - - - - + + -
ATP + - - - + - +
注:“+”表示给予适宜的相关条件,“-”表示不给予相关条件。
会持续产生(CH2O)的试管有　 　　　,会持续产生O2的试管有　　 　　。
(2)卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果,获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中,通过一个通气管向容器中通入CO2,通气管上有一个开关,可控制CO2的供应,容器周围有光源,通过控制电源开关可控制光照的有无。他向密闭容器中通入14CO2,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,这说明CO2中C的转移路径是　　　　　　　。上述实验中卡尔文是通过控制　　　 　来探究CO2中碳原子转移路径的。
(3)卡尔文通过改变实验条件来探究光合作用过程中固定CO2的化合物,他改变的实验条件是　　 　　;这时他发现C5的含量快速升高,由此得出固定CO2的物质是C5。
(4)上述实验中,卡尔文将不同反应条件下的小球藻放入70℃的热酒精中,从而使酶失活,细胞中的化合物就保持在热处理之前的反应状态,利用不同化合物在层析液中的溶解度不同,分离出各种化合物。综上所述,卡尔文在光合作用研究中采用了　　　　　　　　　等技术方法。
【答案】 (1)光反应　氢载体和电子受体　检测氧气释放速率　A、E　A、D
(2)CO2→C3→(C5、C6)　反应时间
(3)停止CO2供应
(4)同位素示踪法和纸层析法
【解析】 (1)希尔反应中,水分解释放氧气发生在光反应阶段,因此模拟的是光反应阶段。由于希尔反应中没有CO2,无法完成NADPH与NADP+之间的循环转化,故加入氧化剂作为氢载体和电子受体接受电子和H+使水分解持续下去。希尔反应直接产物有氧气,故最简单直接的方法是检测氧气释放速率。试管实验分析:暗反应阶段CO2固定形成C3并被还原产生(CH2O),此过程需要光反应阶段提供ATP和NADPH,同时需要CO2的参与。A试管有ATP、光照和NADP+,能进行光反应产生NADPH,在有CO2提供的情况下能产生(CH2O);E试管有现成的ATP和NADPH,同时有CO2的供应,也会持续产生(CH2O),故会持续产生(CH2O)的试管有A、E;在叶绿体的悬浮液中加入适当的电子受体(NADP+),照光时可使水分解而释放氧气。A、D试管含有光照和电子受体,能持续产生氧气。
(2)向密闭容器中通入14CO2,通过控制反应时间,当反应进行到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,所以卡尔文是通过控制反应时间来探究CO2中碳原子转移路径的。根据实验现象可知CO2中C的转移路径是CO2→C3→(C5、C6)。
(3)依据题干信息,要使C5的含量快速升高,可通过停止CO2供应(降低CO2浓度)来实现。因为CO2供应减少,C5与CO2结合生成C3的过程受阻,而C3的还原仍在进行,会使C5不断生成,从而导致C5含量升高。
(4)卡尔文在光合作用研究中采用了同位素示踪法(用14CO2探究碳原子转移路径)和纸层析法(利用不同化合物在层析液中的溶解度不同,分离出各种化合物)等技术。(共75张PPT)
第12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。
考情 分析 光合作用的原理 2025·河北卷,4;2025·江苏卷,21;2025·山东卷,21;
2025·黑吉辽内蒙古卷,10、21;2024·广东卷,2;
2024·安徽卷,16;2023·天津卷,9;2023·湖北卷,8;
2023·重庆卷,19;2023·全国甲卷,29
考点一
光合作用的基本原理
1.探索光合作用原理的部分经典实验
必备知识·梳理
落实概念·夯实基础
叶绿体
叶绿体
O2
H2O
ATP
CO2
提醒　同位素标记法中使用的同位素并非都具有放射性,如18O就没有放射性,不能检测其放射性;而14C有放射性,可被追踪检测。
2.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: 。
叶绿体
二氧化碳和水
CO2+H2O (CH2O)+O2
氧气
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
有光、无光均可
(2)光反应与暗反应的比较。
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
1.(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NADP+与H+结合形成NADPH。
2.(必修1 P104相关信息)C3是指三碳化合物—— ,C5是指五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)。
3.(必修1 P104相关信息)光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是
。 可以进入筛管,再通过 运输到植株各处。
细读教材
电子
电子
3-磷酸甘油酸
蔗糖
蔗糖
韧皮部
4.光合作用和化能合成作用的比较
无机物氧化所释放的能量
CO2和H2O
提醒　绿色植物和化能合成菌为自养生物;人、动物、真菌以及大多数细菌属于异养生物。
【判断正误】
(1)(2025·安徽卷,1)叶绿体中的ATP合成酶,可将光能直接转化为ATP中的化学能。(　　)
×
【提示】 在光合作用的光反应阶段,能量转换过程是:光能被叶绿体中的色素分子吸收后,首先转化为电能(高能电子),然后通过电子传递链转化为化学能储存在ATP和NADPH中。因此,光能向ATP中化学能的转化是间接的,不是直接的。
(2)(2025·河北卷,1)水的光解和光合作用的暗反应都消耗ATP。(　　)
×
【提示】 光合作用暗反应中C3的还原需要消耗ATP,水的光解发生在光反应阶段,由光能驱动,不消耗ATP,且生成ATP。
(3)(2024·贵州卷,1)幼苗中的水可参与形成NADPH,也可参与形成NADH。
(　　)
(4)(2023·湖北卷,11)高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少。(　　)
√
×
【提示】 光反应中生成NADPH。
(5)(2021·山东卷,16)植物细胞产生的O2只能来自光合作用。(　　)
×
【提示】 光合作用通过H2O的光解可以产生O2,另外,植物细胞中具有过氧化氢酶,可以催化H2O2水解为H2O和O2。
(6)(2021·湖南卷,7)在暗反应阶段,CO2不能直接被还原。(　　)
√
【情境·思维·深析】
1.某实验小组在适宜温度和光照强度下向小球藻(真核生物)培养液中通入一定量的14CO2后,在不同时间点取出一定量的小球藻,分析其所含放射性物质种类,结果如表所示。
取样时间点 放射性物质种类
第2 s 大量3-磷酸甘油酸(C3)
第15 s 磷酸化糖类
第50 s 除上述磷酸化糖类外,还有氨基酸等
(1)小球藻合成C3的过程是否需要NADPH的参与
【提示】 小球藻合成C3的过程是二氧化碳的固定,该过程不需要NADPH的参与。
(2)提高CO2浓度,获得放射性氨基酸的间隔时间可能缩短吗 为什么
【提示】 可能。提高CO2浓度,暗反应加快,获得放射性氨基酸的间隔时间可能缩短。
(3)本实验的目的是 。
探究暗反应阶段CO2中碳元素的转移途径
2.科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图甲)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是 。
保持类囊体内外的渗透压,避免类囊体破裂
(2)在图甲实验基础上进行图乙实验,发现该实验条件下,也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内外的H+浓度差,原因是
。
(3)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有
。
图乙实验是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自于
光能还是来自膜内外H+浓度差
NADPH、ATP和CO2
考向1　围绕光合作用的探究过程,考查科学思维
1.(2025·贵州凯里模拟)下列是探索光合作用的有关实验,说法正确的是
(　　)
A.希尔反应中,离体的叶绿体在光照及其他适宜条件下释放了O2
B.鲁宾和卡门给植物提供H2O和C18O2,可判断O2是来自H2O
C.卡尔文用14CO2追踪,未探明CO2中的C转化为有机物中C的过程
D.恩格尔曼用极细光束照射离体的叶绿体,好氧细菌集中于被光束照射部位
A
核心考向·突破
把握方向·训练到位
【解析】 希尔将离体的叶绿体置于光照及其他适宜条件下释放出了氧气;鲁宾和卡门给植物提供H2O和C18O2,没有设置对照组,不能判断O2一定是来自H2O,有可能来自其他含有16O的物质;卡尔文用14CO2追踪,探明了光合作用中的CO2中的C转化为有机物中C的过程;恩格尔曼用极细光束照射的不是离体的叶绿体。
考向2　围绕光合作用的过程,考查科学思维
2.(2025·江西九江一模)光合作用中物质和能量的变化是相辅相成的。光反应过程中,由光照引起从H2O到NADP+的电子传递,驱动类囊体膜内的质子泵,在类囊体膜的两侧建立了质子浓度梯度,从而驱动ATP合成酶合成ATP。下列相关叙述错误的是(　　)
A.电子传递给NADP+,用于NADP+与H+结合形成NADPH
B.光反应将光能转化为储存在ATP和NADPH中的化学能
C.光反应中,没有CO2的存在,光能无法完成向化学能的转变
D.暗反应中,没有ATP和NADPH提供的能量,叶绿体不能持续固定CO2生成C3
C
【解析】 光反应中产生的电子被NADP+接受,用于与H+结合形成NADPH;光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收光能,并将光能转化为ATP和NADPH中的化学能,该过程不需要CO2的参与;暗反应中,没有ATP和NADPH提供的能量,C3不能进行还原,C5不能生成,叶绿体不能持续固定CO2生成C3。
3.(2025·山东济南二模)下图是某绿藻适应水生环境,提高光合效率的机制图。下列叙述正确的是(　　)
A.图中能产生ATP的结构有细胞质基质和线粒体
D
C.水光解产生的H+可进一步形成NADH,为暗反应提供还原剂和能量
D.光反应通过确保暗反应中CO2的供应,帮助该绿藻适应水生环境
考向3　围绕光合作用过程中的物质变化,考查科学思维
4.(2025·湖北武汉三模)下图是某绿色植物光合作用的示意图,其中a、b表示物质,Ⅰ、Ⅱ表示反应阶段。下列叙述错误的是(　　)
A.缺Mg会影响该植物Ⅰ阶段对光能的吸收、传递和转化
B.在类囊体薄膜上产生的a和b可参与叶绿体基质中的Ⅱ阶段
C.若光照强度减弱,则短时间内该植物细胞中C3/C5的值变小
D.该植物经光合作用可将光能转变成糖类中稳定的化学能
C
【解析】 缺Mg会影响叶绿素的合成,进而影响光反应阶段对光能的吸收、传递和转化;Ⅰ、Ⅱ分别表示光反应和暗反应阶段,a、b表示NADPH和ATP,在类囊体薄膜上产生的NADPH和ATP可参与叶绿体基质中的暗反应阶段;若光照强度减弱,则短时间内NADPH和ATP的生成量减少,C3的还原减弱,导致C3/C5的值变大;该植物经光合作用可将光能转变成糖类等有机物中稳定的化学能。
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:
“过程法”分析环境改变时光合作用各物质含量的变化
归纳总结
考点二
光合作用和细胞呼吸的
过程关系
实验基础·整合
落实基础·训练到位
1.光合作用与细胞呼吸的区别
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。
C3
NADPH
[H]
(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
还原C3
光反应
土壤板结缺氧,根细胞有氧
【情境·思维·深析】
1.土壤板结,会导致植物光合速率下降,其原因是
。
呼吸受到抑制,供给根细胞用于吸收营养物质的能量减少,使光合色素和相
关酶的合成减少,因此光合速率减弱
O2、NADP+、ADP+Pi、C5
2.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①、②、③、④代表的物质依次是 。
(2)A、B代表反应过程,C代表细胞质基质,D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】 A、C、D。
(3)如果用18O标记土壤中的水,那么植物产生的二氧化碳和氧气是否含有18O 如果有,写出18O的转移途径。
考向4　围绕光合作用、细胞呼吸的过程关系,考查科学思维
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
核心考向·突破
把握方向·训练到位
【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。
6.(2025·辽宁大连模拟)同位素标记可用于研究细胞中有关物质的变化规律,下列说法正确的是(　　)
A.给植物提供C18O2,一段时间后会发现含18O的氧气
B.若给动物提供18O2, 18O不会出现在CO2中
C.给植物提供H218O后,一段时间后18O会出现在葡萄糖等有机物中
D.用14C标记葡萄糖,培养动物细胞,每隔一段时间检测含14C的化合物,可探究有氧呼吸的全过程
C
【解析】 给植物提供C18O2,C18O2参与光合作用第二阶段的反应,会合成含18O的糖类等有机物,18O不会出现在氧气中;动物吸入18O2后,参与有氧呼吸第三阶段,产生含有18O的水,含有18O的水再参与有氧呼吸第二阶段,产生含有18O的二氧化碳;给植物提供H218O后,发生水的光解,形成18O2,18O2参与有氧呼吸的第三阶段,合成H218O, H218O参与有氧呼吸的第二阶段形成含18O的二氧化碳,含18O的二氧化碳再参与光合作用的暗反应就会生成含18O的葡萄糖等有机物;葡萄糖是有氧呼吸的底物,其碳骨架会逐步分解为丙酮酸等,但丙酮酸等有机物参与有氧呼吸第二阶段的反应,不参与第三阶段的反应,因此通过追踪14C的去向(如丙酮酸、CO2、中间产物)不能探究有氧呼吸的全过程。
演练真题·感悟高考
1.(2025·黑吉辽内蒙古卷,10)黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi的过程示意图如下。其他条件均适宜,下列叙述正确的是(　　)
A.ATP、ADP和Pi通过NTT时,无需与NTT结合
B.NTT转运ATP、ADP和Pi的方式为主动运输
C.图中进入叶绿体基质的ATP均由线粒体产生
D.光照充足,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止
D
【解析】 NTT作为载体蛋白,运输ATP、ADP和Pi时需要结合底物;黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi,因此不是主动运输;黑暗条件下,叶绿体无法进行光反应,自身不能合成ATP,此时进入叶绿体基质的ATP可来自细胞呼吸,但细胞呼吸产生ATP的场所包括细胞质基质和线粒体;光照充足时,叶绿体类囊体膜上进行光反应合成ATP,需要消耗大量ADP和Pi,此时叶绿体基质中的ADP和Pi会优先被类囊体膜利用,导致叶绿体基质中ADP浓度降低,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止。
2.(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
【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。
3.(2025·江苏卷,21)科研人员从植物叶绿体中分离类囊体,构建含类囊体的人工细胞,并探究光照等因素对人工细胞功能的影响。请回答下列问题。
(1)细胞破碎后,在适宜温度下用低渗溶液处理,涨破　　　　膜,获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体,为保持其活性,需加入　　　　溶液重新悬浮,并保存备用。
叶绿体
等渗
【解析】 (1)类囊体位于叶绿体内,故细胞破碎后,在适宜温度下用低渗溶液处理,涨破叶绿体膜,获得类囊体悬液。经离心分离获得类囊体,为保持其活性,需加入等渗溶液重新悬浮,并保存备用。
(2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。吸取5 μL类囊体悬液溶于995 μL的　　　 　　溶液中,混匀后,测定出叶绿素浓度为3 μg/mL,则类囊体的浓度为　　　　 μg/mL。
无水乙醇
600
【解析】(2)类囊体浓度用单位体积类囊体悬液中叶绿素的含量表示。由于叶绿素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,故吸取5 μL类囊体悬液溶于995 μL的无水乙醇溶液中,稀释200倍,混匀后,测定出叶绿素浓度为3 μg/mL,则类囊体浓度为600 μg/mL。
(3)为检测类囊体活性,实验前需对类囊体进行多次洗涤,目的是消除类囊体悬液中原有光反应产物对后续实验结果的影响,这些产物主要有
　　　　 　　。
ATP、NADPH
【解析】(3)类囊体膜是光合作用中光反应的场所,类囊体膜上可发生水的光解,释放O2,合成NADPH和ATP,其中NADPH和ATP可能对后续实验产生影响。
(4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。图示具有光反应活性的人工细胞,在适宜光照下,荧光强度　　　　(填“变强”“不变”或“变弱”),说明类囊体膜具有的功能有　 　　　　　 　　　　　　。
变弱
使水分子分解产生H+,转运H+
【解析】 (4)已知荧光素PY的强弱与pH大小正相关。题图中,具有光反应活性的人工细胞,其类囊体膜分布光合色素(如叶绿素)。适宜光照下,这些光合色素捕捉光能转化为化学能,在类囊体膜上裂解水分子,产生O2、H+和电子,O2释放到胞外,H+运出类囊体,使人工细胞的细胞质中pH减小,荧光强度变弱。
(5)在光反应研究的基础上,利用人工细胞开展类似碳反应生成糖类的实验研究,理论上还需要的物质有　　　　　　　　　　　　 　　　　　。
CO2、C5、与暗反应相关的酶
【解析】 (5)进行碳反应,需要的原料有CO2、C5和与暗反应相关的酶等物质。
热点情境3
有氧呼吸中的电子传递链、光系统及电子传递链
情境链接
细胞呼吸第一阶段和丙酮酸氧化分解生成CO2的过程都只能产生少量ATP,有氧呼吸中大量ATP是伴随O2对[H] 的氧化生成的,这是一个怎样的过程
呢 20世纪60年代,有研究人员在研究细菌的跨膜质子运输过程中获得灵感,提出[H] 氧化过程中释放的能量会用于将线粒体基质中的H+泵到线粒体内膜和外膜的间隙中,H+再沿着一种特殊的酶流回线粒体基质,推动该酶催化ATP的合成。
一、有氧呼吸中的电子传递链
之后,科学家检测到线粒体内膜外侧的膜电位明显高于内侧。当将提取自线粒体内膜的蛋白质A嵌到人工脂质体上,人为控制脂质体膜内、外两侧形成H+浓度梯度时,脂质体所在溶液中的ADP和Pi转化成了ATP。
1.电子传递链中电子供体是 ,最终电子受体是 。
2.线粒体内膜在生成ATP的过程中起的作用是线粒体内膜使[H] 脱下H+并通过呼吸链进行电子传递,膜上的部分蛋白质则利用电子给予的能量将线粒体基质中的H+泵入内膜和外膜的间隙中,
合成ATP。
3.资料中的蛋白质A的名称是 。
命题角度
NADH
O2
构建了跨内膜的H+浓度梯度(质子
浓度差),膜上ATP合成酶利用H+浓度梯度
ATP合成酶
1.(2025·广东佛山三模)呼吸链由蛋白复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ等组成,它可以传递e-并将NADH脱下的氢与氧气结合生成水。
下图表示线粒体中进行的部分生理过程,
下列叙述正确的是(　　)
A.丙酮酸从线粒体膜间隙进入线粒体基质需要ATP供能
B.线粒体内膜和外膜上均分布着大量与呼吸作用有关的酶
C.硝化细菌在生长、发育和繁殖过程中需要通过图示方式供能
D.蛋白复合体Ⅳ处发生的是有氧呼吸第三阶段,释放大量能量
针对训练
D
【解析】 有氧呼吸第一阶段葡萄糖氧化分解为丙酮酸,由图可知丙酮酸从线粒体膜间隙进入线粒体基质所需的能量由H+浓度差提供,不需要ATP;线粒体外膜与丙酮酸等物质运输有关,线粒体内膜上分布着大量与呼吸作用有关的酶;硝化细菌没有线粒体,故在生长、发育和繁殖过程中不能通过图示方式供能;有氧呼吸第三阶段是[H] 与氧气结合生成水并释放大量能量,从图中可以看出在蛋白复合体Ⅳ处发生的是H+ (来自NADH)与氧气结合生成水的过程,所以此处发生的是有氧呼吸第三阶段,释放大量能量。
2.(2025·湖南邵阳三模)ATP如何运出线粒体备受关注,线粒体膜上存在由核基因编码的ATP/ADP反向转运蛋白AAC,借助AAC,ATP可从线粒体基质运至膜间隙并最终运出线粒体,具体机制如图,图中还标出各物质转运数量及电荷数,
内部腺苷磷酸库可储存ATP和ADP。米酵菌酸可以竞争结合
在AAC的ATP结合位点上。下列相关叙述错误的是(　　)
A.AAC转运ATP时,因ATP带4个负电荷,会使膜间隙负电荷降低电位升高
B.电子传递链泵出H+,H+顺浓度梯度回流驱动ATP合成酶合成ATP
C.Pi转运体将Pi运入基质,为ATP合成提供原料,其转运与膜电位有关
D.误食含米酵菌酸的食物可能会导致细胞严重缺少能量而死亡
A
【解析】 从图中可看出AAC转运ATP时,ATP带4个负电荷进入膜间隙,同时ADP带3个负电荷离开膜间隙,会使膜间隙负电荷相对增多(净流入1个负电荷),电位降低;图中显示电子传递链将H+泵出,形成H+浓度梯度,H+顺浓度梯度回流可驱动ATP合成酶合成ATP;进入线粒体基质的Pi参与ATP的合成,Pi带负电荷,由线粒体内膜带正电侧运往带负电侧的过程受膜电位影响;米酵菌酸可以竞争性地结合在线粒体AAC的ATP结合位点上,误食含米酵菌酸的食物可能会影响AAC的功能,使AAC转运的ATP减少,从而导致细胞严重缺少能量而死亡。
二、光系统及电子传递链
情境链接
光系统是由蛋白质和叶绿素等光合色素组成的复合物,具有吸收、传递和转化光能的作用,包括光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。
(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通透的,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。
1.据图分析,使类囊体膜两侧H+浓度差增加的过程有哪些
命题角度
【提示】 水的光解产生H+;PQ运输H+;合成NADPH消耗H+。
2.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。
运输H+和催化ATP的合成
类囊体膜两侧的H+浓度差
3.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过几层膜 判断的依据是
什么
【提示】 5层。水光解产生O2的场所是叶绿体类囊体薄膜的内侧,而氧气在线粒体内膜上被利用,氧气先穿过叶绿体类囊体膜,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。
3.(2025·宁夏石嘴山期中)如图为真核细胞中两种传递电子并产生ATP的生物膜结构示意图。据图分析,下列有关叙述正确的是(　　)
A.图甲为叶绿体内膜,图乙为线粒体内膜
B.两种膜产生ATP的能量直接来源均为H+的跨膜运输
C.自养需氧型生物的细胞中都既有图甲结构又有图乙结构
D.图甲中NADPH为电子最终受体,图乙中O2为电子最终受体
针对训练
B
【解析】 图甲中利用光能分解水,为光合作用的光反应阶段,所以图甲为叶绿体中的类囊体薄膜,图乙中利用NADH生成水和ATP,应为有氧呼吸第三阶段,所以图乙为线粒体内膜;自养需氧型生物,如硝化细菌为原核生物,不存在图甲结构和图乙结构;由图可知,这两种膜结构上的ATP合成酶在合成ATP时,都需要膜两侧的H+跨膜运输,H+的梯度差形成的电化学势能转移到ATP中;图甲中的NADP+接受电子并参与形成NADPH,NADP+为电子最终受体,图乙中O2接受电子并参与形成水,O2为电子最终受体。
4.(2025·山东卷,21)高光强环境下,植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤,引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长,其部分光合过程如下图所示。
(1)叶绿体膜的基本支架是　　　　　　　 　　;叶绿体中含有许多由类囊体组成的　 , 扩展了受光面积。
磷脂双分子层
基粒
【解析】 (1)叶绿体膜属于生物膜,生物膜的基本支架是磷脂双分子层;叶绿体中含有许多由类囊体组成的基粒,扩展了受光面积。
(2)据图分析,生成NADPH所需的电子源自　　　　。采用同位素示踪法可追踪物质的去向,用含3H2O的溶液培养该绿藻一段时间后,以其光合产物葡萄糖为原料进行有氧呼吸时,能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、
　　　　 　,离心收集绿藻并重新放入含O的培养液中,在适宜光照条件下继续培养,绿藻产生的带18O标记的气体有　 。
H2O
丙酮酸、[H]
氧气(或O2)和二氧化碳(或CO2)
(3)据图分析,通过途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机
制分别为
　。
途径①通过将过剩的电子传递给氧气(或O2),生成H2O2,进而被过氧化氢酶等清除,从而防止过剩的光能对光合系统的损伤;途径②将叶绿体吸收的过剩光能转化为热能散失,减少电子的释放,产生的活性氧减少,从而防止对光合系统的损伤
【解析】(3)据题图分析,途径①通过将过剩的电子传递给O2,生成H2O2,进而被过氧化氢酶等清除,从而防止过剩的光能对光合系统的损伤;途径②将叶绿体吸收的过剩光能转化为热能散失,减少电子的释放,产生的活性氧减少,从而防止对光合系统的损伤。
谢谢观赏第12讲　光合作用的原理
(时间:30分钟)
1.(2025·四川德阳期末)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
2.(2025·河南郑州模拟)如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解,其中a、b、c、d表示四种化合物,①②表示两个生理过程,下列叙述错误的是(　　)
A.突然增加CO2浓度,叶肉细胞内化合物a将会减少
B.突然增强光照,叶肉细胞内化合物b将增加
C.化合物c有较强的还原性
D.化合物d是储存着能量的有机物
3.(2025·湖北黄冈三模)某研究小组设计了下图所示的装置,重现经典科学实验希尔反应。装置中叶绿体悬浮液需事先用NaOH调pH至8.4,氧化剂被还原时可由蓝色变为无色,实验中需将两注射器中的液体混合。下列叙述错误的是(　　)
A.NaOH的作用是除去叶绿体悬浮液中的CO2
B.光照条件下才能观察到氧化剂的颜色变化
C.反应过程中产生的NADP+导致氧化剂变无色
D.除颜色变化外,装置中还能观察到气泡产生
4.(2025·重庆期末)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
5.(2025·湖南长沙模拟)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
6.(2025·陕西渭南期末)如图是发生在植物体内的两个重要的生理过程,其中Ⅰ~Ⅴ表示生理过程,a~e表示物质。下列叙述错误的是(　　)
A.过程Ⅱ表示光合作用的暗反应阶段,Ⅳ表示有氧呼吸的第二阶段
B.Ⅰ、Ⅱ过程主要发生在叶肉细胞,植物体的活细胞均可发生细胞呼吸
C.在光照下能够产生ATP的过程有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ
D.在光合作用和有氧呼吸过程中都有H2O的消耗
7.(2025·河北衡水模拟)如图表示植物叶肉细胞中光合作用和呼吸作用的过程简图,其中a、b、c、d表示生理过程,甲、乙表示场所,下列有关叙述正确的是(　　)
A.a过程产生的NADPH可以用于CO2的固定
B.催化ATP合成的酶位于甲的内膜上
C.给植物提供O一段时间后,a、b、c、d的产物都会出现18O
D.该植物用于叶肉细胞中载体蛋白合成的能量可来自a、c、d
8.(2025·安徽合肥模拟)人工光合系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图所示,其中甲、乙表示物质,据此分析下列说法错误的是(　　)
A.人工光合系统中相当于光反应的模块是模块1和模块2
B.模块2中还应添加ADP、Pi和NADP+等物质以便完成能量转换
C.若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内甲的含量将减少
D.若植物与人工光合系统固定等量的CO2,则植物糖类的积累量低于人工光合系统
9.(2025·天津三模)P蛋白由核内P基因编码,经翻译后转移并定位于叶绿体中,参与捕光复合体Ⅱ的损伤修复。M蛋白可降低P蛋白的2-羟基异丁酰化修饰,从而削弱P蛋白对捕光复合体Ⅱ的修复功能,进而降低叶绿体产生活性氧的能力,导致棉花的抗病性下降。下列叙述错误的是(　　)
A.可以采用无水乙醇对捕光复合体Ⅱ中色素进行提取
B.M蛋白基因缺失突变体的叶绿体产生活性氧的能力相对较高
C.捕光复合体Ⅱ损伤后,暗反应中C5的量会减少
D.若P蛋白的翻译受到抑制,则可能会导致棉花的抗病性上升
10.(2025·福建福州期中)为了研究淀粉合成与细胞质中ATP的关系,实验人员对拟南芥野生型WT和突变体ntt1(叶绿体失去运入ATP的能力)保卫细胞的淀粉粒面积进行了研究,结果如图所示,其中黑暗结束是指将WT和ntt1置于黑暗中培养一段时间后,黑暗结束时检测淀粉粒面积。下列相关叙述不合理的是(　　)
A.黑暗状态下,WT和ntt1的叶绿体均不能通过进行光合作用来合成淀粉
B.长时间光照有利于ntt1积累大量淀粉
C.叶绿体中淀粉的合成依赖于细胞质中ATP的供应
D.根据图中信息不能推测ntt1在光照条件下光合作用情况
11.(2025·江苏常州模拟)希尔发现在分离的叶绿体悬浮液中加入适当的电子受体(如草酸铁),照光时可使水分解而释放氧气,后来发现生物中重要的氢载体NADP+也可以作为生理性的希尔氧化剂,从而使得希尔反应的生理意义得到了进一步肯定。
(1)希尔反应模拟了叶绿体光合作用中　　 　　阶段的部分变化,其中氧化剂可作为　　　　　　　　　。希尔反应活力的测定最简单直接的方法是　　　　　　　　　。将水稻叶肉细胞破碎并进行差速离心处理,分离得到的叶绿体等量分装到试管A~G中,按下表设计,在其他条件相同且适宜的情况下进行实验。
试管编号 变量控制 A B C D E F G
光照 + + - + - - -
CO2 + - + - + + +
NADP+ + - - + - - -
NADPH - - - - + + -
ATP + - - - + - +
注:“+”表示给予适宜的相关条件,“-”表示不给予相关条件。
会持续产生(CH2O)的试管有　　　　,会持续产生O2的试管有　　　　。
(2)卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果,获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中,通过一个通气管向容器中通入CO2,通气管上有一个开关,可控制CO2的供应,容器周围有光源,通过控制电源开关可控制光照的有无。他向密闭容器中通入14CO2,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,这说明CO2中C的转移路径是　　　　　　。上述实验中卡尔文是通过控制　　 　　来探究CO2中碳原子转移路径的。
(3)卡尔文通过改变实验条件来探究光合作用过程中固定CO2的化合物,他改变的实验条件是　 ; 这时他发现C5的含量快速升高,由此得出固定CO2的物质是C5。
(4)上述实验中,卡尔文将不同反应条件下的小球藻放入70℃的热酒精中,从而使酶失活,细胞中的化合物就保持在热处理之前的反应状态,利用不同化合物在层析液中的溶解度不同,分离出各种化合物。综上所述,卡尔文在光合作用研究中采用了　　　　　　　　　等技术方法。

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