5-4 光合作用和能量轉化（第2課時）（學生版）-高一生物同步講義（人教2019必修1）

5.4光合作用和能量轉化（2）目標導航目標導航1.通過對探索光合作用原理的希爾實驗、魯賓和卡門實驗、阿爾農實驗資料的分析，嘗試歸納光合作用的過程和基本原理。2.通過分析、討論教材光合作用過程示意圖，從物質與能量觀的視角，說明光合作用過程中的物質變化和能量變化，闡明光合作用的原理。3.通過對光合作用光反應和暗反應過程的比較，厘清光反應和暗反應的區(qū)別和聯系，說明光合作用的意義。知識精講知識精講知識點01光合作用的概念光合作用的概念：光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。其化學式為：。知識點02探索光合作用的部分實驗1.甲醛對植物有毒害作用，而且甲醛不能通過光合作用轉化成糖。2.1937年，英國植物學家希爾發(fā)現，在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑,在光照下可以釋放出氧氣。像這樣，離體葉綠體在適當條件下發(fā)生水的光解、產生氧氣的化學反應稱作希爾反應。3.1941年，美國科學家魯賓和卡門用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中氧氣的來源。第一組給植物提供H2O和C18O2，第二組給同種植物提供H218O和CO2在其他條件都相同的情況下，第一組釋放的氧氣都是O2，第二組釋放的都是18O2。4.1954年，美國科學家阿爾農發(fā)現，在光照下，葉綠體可合成AIP。1957年，他發(fā)現這一過程總是與水的光解相伴隨。5.20世紀40年代，美國科學家卡爾文等用經過14C標記的14CO2,供小球藻進行光合作用，然后追蹤放射性14C的去向，最終探明了CO2中的碳是如何轉化為有機物中的碳的。知識點03光合作用的原理（1）光合作用釋放的氧氣中的氧元素來自水，氧氣的產生和糖類的合成不是同一個化學反應。根據是否需要光能，這些化學反應可以概括地分為光反應和暗反應兩個階段。（2）光反應階段必須有光才能進行，在類囊體的薄膜上進行。葉綠體中光合色素吸收的光能，一是將水分解為氧和H+，氧直接以氧分子的形式釋放出去，H+與氧化型輔酶Ⅱ（NADP+）結合，形成還原型輔酶Ⅱ（NADPH）。NADPH作為活潑的還原劑，參與暗反應階段的化學反應，同時也儲存部分能量供暗反應階段利用；二是在有關酶的催化作用下，提供能量促使ADP與Pi反應形成ATP。（3）暗反應階段有沒有光都能進行，在葉綠體的基質中進行。CO2,在特定酶的作用下，與C5(一種五碳化合物)結合，這個過程稱作CO2的固定。一分子的CO2被固定后，很快形成兩個C3分子。在有關酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH釋放的能量，并且被NADPH還原。隨后，一些接受能量并被還原的C3,在酶的作用下經過一系列的反應轉化為糖類；另一些接受能量并被還原的C3,經過一系列變化，又形成C5。這些C5又可以參與CO2的固定。這樣，暗反應階段就形成從C5到C3再到C3的循環(huán)，可以源源不斷地進行下去，因此暗反應過程也稱作卡爾文循環(huán)。能力拓展能力拓展考法01光反應和暗反應1.光反應和暗反應的區(qū)別：項目光反應暗反應反應條件光照、色素、酶多種酶、C5、NADPH、ATP外界原料水CO2產物O2、NADPH、ATP有機物場所類囊體的薄膜葉綠體基質能量變化光能→ATP中活躍的化學能ATP中活躍的化學能→（CH2O）中穩(wěn)定的化學能2.光反應和暗反應的聯系：①光反應為暗反應提供[H]和ATP；暗反應為光反應提供ADP和Pi，兩個反應階段相輔相成、密切聯系。②沒有光反應，暗反應缺乏[H]和ATP，無法進行；暗反應受阻，光反應因產物積累也不能正常進行?？梢姡呦嗷ブ萍s?！镜淅?】下圖是光合作用示意圖，下列說法錯誤的是（）A．物質②和物質③均可為C3的還原供能B．當物質④供應停止時，物質①的生成速率將下降C．當溫度適當升高時，暗反應速率可能升高，而光反應不受影響D．為葉肉細胞提供H2l8O，一段時間后在（CH2O）中能檢測到18O【答案】C【解析】②為ATP，③為[H]，都可以為C3的還原提供能量A正確；當物質④CO2供應停止時，暗反應速率降低，從而影響光反應，導致物質①O2的生成速率將下降，B正確；當溫度適當升高時，暗反應速率可能升高，而光反應隨之升高，C錯誤；H2l8O參與有氧呼吸第二階段的反應生成C18O2，被植物吸收利用，所以一段時間后在（CH2O）中能檢測到18O，D正確?？挤?2光合作用過程中C、H、O的轉移途徑光合作用總反應式中各元素的來源和去路分析如下：①H2O中的H：H2O→H+→NADPH→（CH2O）；②H2O中的O：H2O→O2；③CO2中的C：CO2→C3→（CH2O）；④CO2中的O：CO2→C3→（CH2O）?！镜淅?】卡爾文用同位素標記法追蹤碳元素在光合作用過程中的運行：在供給小球藻14CO2后的60s內，相隔不同時間取樣，殺死細胞并以層析法分析細胞代謝產物。發(fā)現7s后的代謝產物中有多達12種產物含有放射性，而5s內的代謝產物大多集中在一種物質上，該物質是（）

A．1,5—二磷酸核酮糖（五碳化合物）B．ATP

C．3—磷酸甘油酸（三碳化合物）D．葡萄糖【答案】C【解析】在光合作用中CO2中C轉移途徑是CO2→C3→有機物，7秒后多達12種產物含放射性說明：光合作用的所有中間產物及最終產物都被標記了，因此完成一次光合作用的時間小于7秒。那么在5秒的時候主要進行CO2的固定，每三個CO2經過反應都會進一步被還原成C3，C3三碳糖而后要么被葉綠體利用要么被運到葉綠體外形成其他物質。5秒的時候則是產生的C3三碳糖還沒來得及被利用，故C正確?？挤?3葉綠體中C3和C5的含量變化CO2在暗反應階段與C5結合形成C3，C3利用光反應場所的ATP、NADPH被還原為糖類等有機物，或重新形成C5。當外界條件（如光照、CO2）突然發(fā)生變化時，C3、C5的物質含量在短時間內會發(fā)生改變。1.CO2供應不變，光照條件突然發(fā)生變化，可以分為兩種情況：光照C3含量變化C5含量變化減弱Ⅰ過程減弱→［H］和ATP合成減少→Ⅲ過程減弱、Ⅱ過程暫時不變→C3消耗減少、合成暫時不變→C3含量增加Ⅰ過程減弱→［H］和ATP合成減少→Ⅲ過程減弱、Ⅱ過程暫時不變→C5消耗暫時不變、合成減少→C5含量減少增強與上述分析相反，結果是C3含量減少，C5含量增加2.光照條件不變，CO2供應突然發(fā)生變化，可以分為兩種情況：CO2供應C3含量變化C5含量變化減少Ⅱ過程減弱、Ⅲ過程暫時不變→C3合成減少、消耗暫時不變→C3含量減少Ⅱ過程減弱、Ⅲ過程暫時不變→C5消耗減少、合成暫時不變→C5含量增加增加與上述分析相反，結果是C3含量增加，C5含量減少3.當外界因素中光照強弱、CO2濃度驟然變化時，短時間內將直接影響光合作用過程中C3、C5、[H]、ATP及C6H12O6生成量，進而影響葉肉細胞中這些物質的含量，它們的關系歸納如下表：[H]ATPC3C5C6H12O6停止（減弱）光照↓↓↑↓↓突然增強光照↑↑↓↑↑停止（減少）CO2供應↑↑↓↑↓突然增加CO2供應↓↓↑↓↑【典例3】下圖為葉綠體結構與功能示意圖，A、B、C、D表示葉綠體的結構，①②③④⑤表示有關物質。下列敘述不正確的是()A．參與光合作用的色素位于圖中的A部位B．CO2進入葉綠體后，通過固定形成⑤物質C．若突然停止光照，C3的含量會升高D．用14C標記CO2進行光合作用，可在④⑤中測到較高放射性【答案】B【解析】參與光合作用的色素位于葉綠體類囊體薄膜，圖中的A部位為葉綠體類囊體薄膜，A正確；圖中④物質和⑤物質分別為C3、（CH2O），CO2通過固定形成④物質，B錯誤；突然停止光照時，[H]和ATP減少，C3被消耗的量減少，故其含量增多，C正確；用14C標記CO2進行光合作用，放射性先出現在④物質，再出現在⑤物質，D正確。分層提分分層提分題組A基礎過關練1.下列物質不是在光反應階段形成的是（）A.O2B.ATPC.NADP+D.NADPH2.下列哪項不是暗反應階段所必需的（）A.ADPB.NADPHC.C5D.CO23．光合作用過程中，水的分解及三碳化合物形成糖類所需要的能量分別來自（）A．細胞呼吸產生的ATP和光能B．都是細胞呼吸產生的ATPC．光能和光反應產生的ATPD．都是光反應產生的ATP4．下列關于光合作用的敘述，錯誤的是()A．光反應階段不需要酶的參與B．暗反應階段既有C5的生成又有C5的消耗C．光合作用過程中既有[H]的產生又有[H]的消耗D．光合作用過程將光能轉換成有機物中的化學能5．如圖表示光合作用過程，a、b、c表示物質，甲、乙表示場所，下列有關分析錯誤的是()A．物質b可能是ADP和PiB．物質c直接被還原生成(CH2O)和C5C．甲中色素不溶于水，能溶于有機溶劑D．乙中生理過程在有光、無光條件下都可進行6．下圖為高等綠色植物的光合作用圖解。下列相關說法正確的是()A．①是光合色素，可用層析液提取B．②是O2，全部用于該植物有氧呼吸的第三階段C．③是C3，能被氧化為(CH2O)D．④是ATP，在葉綠體基質中被消耗題組B能力提升練7．如圖為大豆葉片光合作用暗反應階段的示意圖,下列敘述正確的是()A．CO2的固定實質上是將ATP中的化學能轉變?yōu)镃3中的化學能B．CO2可直接被[H]還原,再經過一系列的變化形成糖類C．被還原的C3在有關酶的催化作用下,可再形成C5D．光照強度由強變弱時,短時間內C5含量會升高8．下圖是綠色植物體內能量供應及利用的示意圖，有關說法正確的是()A．甲合成ATP的能量來源不同于丙B．乙過程能在黑暗環(huán)境中長期進行C．丙過程產生的ATP可用于乙過程D．丙過程進行的場所是線粒體基質9．給光下正常進行光合作用的葉肉細胞增加14CO2，一段時間后，關閉光源，含放射性C3濃度的變化情況如圖所示，下列相關敘述正確的是()A．葉肉細胞利用14CO2的場所是葉綠體基粒B．ab段葉肉細胞中C3濃度大量增加C．bc段C3濃度不變的原因是14CO2消耗殆盡D．c點后曲線上升是因為黑暗條件下，葉肉細胞內無[H]和ATP的供應10.將黑暗中制備的離體葉綠體加到含有DCIP（氧化型）、蔗糖和pH=7．3磷酸緩沖液的溶液中并照光。溶液中的水在光照下被分解，除產生氧氣外，產生的另一種物質使溶液中的DCIP被還原，顏色由藍色變成無色。下列說法錯誤的是（）A.加蔗糖的目的是使外界溶液具有一定濃度，避免葉綠體漲破B.DCIP顏色由藍色變成無色的快慢可以反映光反應的速率C.在葉綠體內，接受還原劑的物質是一種五碳化合物D.氧氣和還原DCIP的物質都是葉綠體在光反應階段由水分解產生的11.為研究鈣離子對鹽(NaCl)脅迫下水稻幼苗光合作用的影響，研究人員向種植三組水稻幼苗的土壤中分別澆灌清水(A組)、較高濃度的NaCl溶液(B組)、較高濃度的NaCl和CaCl2混合液(C組)，實驗測得各組水稻幼苗中葉綠素的含量如下圖。回答下列問題：（1）葉綠體中的四種色素對不同波長的光吸收不同，葉綠素主要吸收。光合色素吸收的光能在葉綠體的膜上轉變?yōu)閮Υ嬖贏TP中的化學能。（2）與B組相比，C組水稻幼苗葉肉細胞的暗反應速率更______，原因是。（3）根據實驗結果推測，Ca2+對光合作用受鹽脅迫的影響可能具有作用。12.在光照等適宜條件下，將培養(yǎng)在CO2濃度為1%環(huán)境中的某植物迅速轉移到CO2濃度為0.003%的環(huán)境中，其葉片暗反應中C3和C5化合物微摩爾濃度的變化趨勢如下圖?；卮饐栴}：（1）圖中物質A是______（C3化合物、C5化合物）。（2）在CO2濃度為1%的環(huán)境中，物質B的濃度比A的低，原因是_______；將CO2濃度從1%迅速降低到0.003%后，物質B濃度升高的原因是______________。（3）若使該植物繼續(xù)處于CO2濃度為0.003%的環(huán)境中，暗反應中C3和C5化合物濃度達到穩(wěn)定時，物質A的濃度將比B的________（低、高）。（4）CO2濃度為0.003%時，該植物光合速率最大時所需要的光照強度比CO2濃度為1%時的_______（高、低），其原因_______。題組C培優(yōu)拔尖練13．（2020年天津高考生物試卷）研究人員從菠菜中分離類囊體，將其與16種酶等物質一起用單層脂質分子包裹成油包水液滴，從而構建半人工光合作用反應體系。該反應體系在光照條件下可實現連續(xù)的CO2固定與還原，并不斷產生有機物乙醇酸。下列分析正確的是（）A．產生乙醇酸的場所相當于葉綠體基質B．該反應體系不斷消耗的物質僅是CO2C．類囊體產生的ATP和O2參與CO2固定與還原D．與葉綠體相比，該反應體系不含光合作用色素14．（2019全國卷Ⅰ）將一株質量為20g的黃瓜幼苗栽種在光照等適宜的環(huán)境中，一段時間后植株達到40g，其增加的質量來自于A．水、礦質元素和空氣B．光、礦質元素和水C．水、礦質元素和土壤D．光、礦質元素和空