生物人教版 (2019)第5章 细胞的能量供应和利用第4节 光合作用与能量转化二 光合作用的原理和应用第2课时学案

5.4  光合作用和能量转化（2）

1.通过对探索光合作用原理的希尔实验、鲁宾和卡门实验、阿尔农实验资料的分析，尝试归纳光合作用的过程和基本原理。

2.通过分析、讨论教材光合作用过程示意图，从物质与能量观的视角，说明光合作用过程中的物质变化和能量变化，阐明光合作用的原理。

3.通过对光合作用光反应和暗反应过程的比较，厘清光反应和暗反应的区别和联系，说明光合作用的意义。

知识点01  光合作用的概念

光合作用的概念：光合作用是指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。其化学式为：。

知识点02  探索光合作用的部分实验

1.甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。

2.1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂, 在光照下可以释放出氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。

3.1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。第一组给植物提供H2O和 C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2 在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是 O2，第二组释放的都是18O2。

4.1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成AIP。 1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。

5.20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用经过14C标记的14CO2,供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。

知识点03  光合作用的原理

（1）光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应两个阶段。

（2）光反应阶段必须有光才能进行，在类囊体的薄膜上进行。叶绿体中光合色素吸收的光能，一是将水分解为氧和H+，氧直接以氧分子的形式释放出去，H+与氧化型辅酶Ⅱ（NADP+）结合，形成还原型辅酶Ⅱ（NADPH）。NADPH作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用；二是在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。

（3）暗反应阶段有没有光都能进行，在叶绿体的基质中进行。CO2,在特定酶的作用下， 与C5(一种五碳化合物)结合，这个过程称作CO2的固定。 一分子的CO2被固定后，很快形成两个C3分子。在有关酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。随后，一些接受能量并被还原的C3,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的C3,经过一系列变化，又形成C5 。这些C5又可以参与CO2的固定。这样，暗反应阶段就形成从C5到C3 再到C3的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作卡尔文循环。

考法01  光反应和暗反应

1.光反应和暗反应的区别：

2.光反应和暗反应的联系：

①光反应为暗反应提供[H]和ATP；暗反应为光反应提供ADP和Pi，两个反应阶段相辅相成、密切联系。

②没有光反应，暗反应缺乏[H]和ATP，无法进行；暗反应受阻，光反应因产物积累也不能正常进行。可见， 二者相互制约。

【典例1】下图是光合作用示意图，下列说法错误的是（    ）

A．物质②和物质③均可为C3的还原供能

B．当物质④供应停止时，物质①的生成速率将下降

C．当温度适当升高时，暗反应速率可能升高，而光反应不受影响

D．为叶肉细胞提供H2l8O，一段时间后在（CH2O）中能检测到18O

【答案】C

【解析】②为ATP，③为[H]，都可以为C3的还原提供能量A正确；当物质④CO2供应停止时，暗反应速率降低，从而影响光反应，导致物质①O2的生成速率将下降，B正确；当温度适当升高时，暗反应速率可能升高，而光反应随之升高，C错误；H2l8O参与有氧呼吸第二阶段的反应生成C18O2，被植物吸收利用，所以一段时间后在（CH2O）中能检测到18O，D正确。

考法02  光合作用过程中C、H、O的转移途径

光合作用总反应式中各元素的来源和去路分析如下：

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）。

【典例2】卡尔文用同位素标记法追踪碳元素在光合作用过程中的运行：在供给小球藻14CO2后的60s内，相隔不同时间取样，杀死细胞并以层析法分析细胞代谢产物。发现7s后的代谢产物中有多达12种产物含有放射性，而5s内的代谢产物大多集中在一种物质上，该物质是（ ）
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转移途径是CO2→C3→有机物，7秒后多达12种产物含放射性说明：光合作用的所有中间产物及最终产物都被标记了，因此完成一次光合作用的时间小于7秒。那么在5秒的时候主要进行CO2的固定，每三个CO2经过反应都会进一步被还原成C3，C3三碳糖而后要么被叶绿体利用要么被运到叶绿体外形成其他物质。5秒的时候则是产生的C3三碳糖还没来得及被利用，故C正确。

考法03  叶绿体中C3和C5的含量变化

CO2在暗反应阶段与C5结合形成C3，C3利用光反应场所的ATP、NADPH被还原为糖类等有机物，或重新形成C5。当外界条件（如光照、CO2）突然发生变化时，C3、C5的物质含量在短时间内会发生改变。

1.CO2供应不变，光照条件突然发生变化，可以分为两种情况：

2.光照条件不变，CO2供应突然发生变化，可以分为两种情况：

3.当外界因素中光照强弱、CO2浓度骤然变化时，短时间内将直接影响光合作用过程中C3、C5、[H]、ATP及C6H12O6生成量，进而影响叶肉细胞中这些物质的含量，它们的关系归纳如下表：

【典例3】下图为叶绿体结构与功能示意图，A、B、C、D表示叶绿体的结构，①②③④⑤表示有关物质。下列叙述不正确的是(　　)

A．参与光合作用的色素位于图中的A部位

B．CO2进入叶绿体后，通过固定形成⑤物质

C．若突然停止光照，C3的含量会升高

D．用14C标记CO2进行光合作用，可在④⑤中测到较高放射性

【答案】B

【解析】参与光合作用的色素位于叶绿体类囊体薄膜，图中的A部位为叶绿体类囊体薄膜，A正确；图中④物质和⑤物质分别为C3、（CH2O），CO2通过固定形成④物质，B错误；突然停止光照时，[H]和ATP减少，C3被消耗的量减少，故其含量增多，C正确；用14C标记CO2进行光合作用，放射性先出现在④物质，再出现在⑤物质，D正确。

题组A  基础过关练

1.下列物质不是在光反应阶段形成的是（   ）

A.O2         B.ATP    C.NADP+      D.NADPH

2.下列哪项不是暗反应阶段所必需的（    ）

A.ADP      B.NADPH     C.C5     D.CO2

3．光合作用过程中，水的分解及三碳化合物形成糖类所需要的能量分别来自 （   ）

A．细胞呼吸产生的ATP和光能

B．都是细胞呼吸产生的ATP

C．光能和光反应产生的ATP

D．都是光反应产生的ATP

4．下列关于光合作用的叙述，错误的是(　 　)

A．光反应阶段不需要酶的参与

B．暗反应阶段既有C5的生成又有C5的消耗

C．光合作用过程中既有[H]的产生又有[H]的消耗

D．光合作用过程将光能转换成有机物中的化学能

5．如图表示光合作用过程，a、b、c表示物质，甲、乙表示场所，下列有关分析错误的是(　　)

A．物质b可能是ADP和Pi

B．物质c直接被还原生成(CH2O)和C5

C．甲中色素不溶于水，能溶于有机溶剂

D．乙中生理过程在有光、无光条件下都可进行

6．下图为高等绿色植物的光合作用图解。下列相关说法正确的是(　 　)

A．①是光合色素，可用层析液提取

B．②是O2，全部用于该植物有氧呼吸的第三阶段

C．③是C3，能被氧化为(CH2O)

D．④是ATP，在叶绿体基质中被消耗

题组B  能力提升练

7．如图为大豆叶片光合作用暗反应阶段的示意图,下列叙述正确的是(　 　)

A．CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能

B．CO2可直接被[H]还原,再经过一系列的变化形成糖类

C．被还原的C3在有关酶的催化作用下,可再形成C5

D．光照强度由强变弱时,短时间内C5含量会升高

8．下图是绿色植物体内能量供应及利用的示意图，有关说法正确的是(　 　)

A．甲合成ATP的能量来源不同于丙

B．乙过程能在黑暗环境中长期进行

C．丙过程产生的ATP可用于乙过程

D．丙过程进行的场所是线粒体基质

9．给光下正常进行光合作用的叶肉细胞增加14CO2，一段时间后，关闭光源，含放射性C3浓度的变化情况如图所示，下列相关叙述正确的是(　　)

A．叶肉细胞利用14CO2的场所是叶绿体基粒

B．ab段叶肉细胞中C3浓度大量增加

C．bc段C3浓度不变的原因是14CO2消耗殆尽

D．c点后曲线上升是因为黑暗条件下，叶肉细胞内无[H]和ATP的供应

10.将黑暗中制备的离体叶绿体加到含有DCIP（氧化型）、蔗糖和pH=7．3磷酸缓冲液的溶液中并照光。溶液中的水在光照下被分解，除产生氧气外，产生的另一种物质使溶液中的DCIP被还原，颜色由蓝色变成无色。下列说法错误的是（    ）

A. 加蔗糖的目的是使外界溶液具有一定浓度，避免叶绿体涨破

B. DCIP颜色由蓝色变成无色的快慢可以反映光反应的速率

C. 在叶绿体内，接受还原剂的物质是一种五碳化合物

D. 氧气和还原DCIP的物质都是叶绿体在光反应阶段由水分解产生的

11.为研究钙离子对盐(NaCl)胁迫下水稻幼苗光合作用的影响，研究人员向种植三组水稻幼苗的土壤中分别浇灌清水(A组)、较高浓度的NaCl溶液(B组)、较高浓度的NaCl和CaCl2混合液(C组)，实验测得各组水稻幼苗中叶绿素的含量如下图。回答下列问题：

（1）叶绿体中的四种色素对不同波长的光吸收不同，叶绿素主要吸收                     。光合色素吸收的光能在叶绿体的         膜上转变为储存在ATP中的化学能。

（2）与B组相比，C组水稻幼苗叶肉细胞的暗反应速率更______，原因是                           。

（3）根据实验结果推测，Ca2+对光合作用受盐胁迫的影响可能具有         作用。

12.在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题：

（1）图中物质A是 ______（C3化合物、C5化合物）。

（2）在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比A的低，原因是_______；将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是______________。

（3）若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时，物质A的浓度将比B的________（低、高）。

（4）CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的_______（高、低），其原因_______。

题组C  培优拔尖练

13．（2020年天津高考生物试卷）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。下列分析正确的是（    ）

A．产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质

B．该反应体系不断消耗的物质仅是CO2

C．类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原

D．与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素

14．（2019全国卷Ⅰ）将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40 g，其增加的质量来自于

A．水、矿质元素和空气       B．光、矿质元素和水

C．水、矿质元素和土壤       D．光、矿质元素和空气

15．（2018北京卷）光反应在叶绿体类囊体上进行。在适宜条件下，向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP，照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。该反应过程中

A．需要ATP提供能量      B．DCIP被氧化

C．不需要光合色素参与    D．会产生氧气

16.（2021年天津高考生物试卷）Rubisco是光合作用过程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisco的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。

（1）蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。

注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散

据图分析，CO2依次以___________和___________方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而通过促进___________和抑制___________提高光合效率。

（2）向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的___________中观察到羧化体。

（3）研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HCO3-和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应___________，光反应水平应___________，从而提高光合速率。