备考2024届高考生物一轮复习讲义第三章细胞代谢课时4光合作用与能量转化考点2光合作用的过程

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1.探索光合作用原理的部分实验
2.光合作用的概念
3.光合作用的过程
1.真核细胞的光反应
2.原核细胞的光反应
教材补遗（1）[必修1P104“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）。
（2）[必修1P104“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。
（3）[必修1P106小字部分]光合作用和化能合成作用的比较：
4.环境因素骤变对光合作用过程的动态影响
借助光合作用过程图解从物质的生成和消耗两个方面综合分析：
提醒C5、NADPH、ATP的变化一致，C3与C5、NADPH、ATP的变化相反；对光合作用有利，（CH2O）合成增加，反之则减少。
1.解答有关光合作用过程的试题，要牢记“二二三四”法则
2.根据化学平衡可知：底物浓度增加、产物浓度减少⇒使化学平衡向正方向移动；反之亦然。
基础自测
1.H2O在光下分解为H＋和O2的过程发生在叶绿体基质中。（× ）
2.光合作用光反应阶段产生的NADPH可在叶绿体基质中作为还原剂。（ √ ）
3.叶肉细胞在叶绿体外膜上合成淀粉。（× ）
4.光合作用释放的O2中的O来自CO2和H2O。（× ）
5.光合作用过程中光能转变为化学能，细胞呼吸过程中化学能转变为热能和ATP中稳定的化学能。（× ）
6.光合作用过程中，ADP从类囊体薄膜向叶绿体基质移动。（× ）
7.在暗反应阶段，CO2不能直接被还原[2021湖南，T7B]。（ √ ）
8.在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是CO2和 C5 。
9.不同植物（如C3植物和C4植物）光合作用光反应阶段的产物是相同的，光反应阶段的产物是 ATP、NADPH、O2 （答出3点即可）[2022全国甲，T29（1）]。
10.参与光合作用的很多分子都含有氮。氮与 镁 离子参与组成的环式结构使叶绿素能够吸收光能，用于驱动 ATP和NADPH 两种物质的合成以及 水 的分解；RuBP羧化酶将CO2转变为羧基加到 C5 分子上，反应形成的产物被还原为糖类[2021河北，T19（2）]。
情境应用
1.1937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，在无CO2的条件下给予光照，离体叶绿体可以发生水的光解、产生氧气。希尔实验说明水的光解与糖类等有机物的合成不是同一个化学反应，原因是 希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，缺少合成糖的必需原料——CO2，说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段 。
2.有关光合作用的两组实验——甲组：连续光照5分钟和黑暗5分钟；乙组：间隔光照（5秒光照、5秒黑暗交替进行），总光照5分钟和黑暗5分钟。10分钟时间内哪一组有机物的合成量多？为什么？
提示 乙组有机物合成量多。因为光照和黑暗交替处理，使光反应产生的ATP和NADPH能够及时利用与再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。
3.模拟鲁宾和卡门的实验时，能否对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记，为什么？
提示 不能。因为同位素示踪法只能检测同位素的存在，不能检测是哪种同位素，若同一实验中CO2和H2O中的O均被标记，则无法分辨O2中的O到底是来自CO2还是H2O。
研透高考 明确方向
命题点1 光合作用的探究历程分析
1.下列有关实验变量的叙述，错误的是（A ）
A.用小球藻和CO2验证卡尔文循环的实验中，自变量是CO2中C是否被标记
B.利用淀粉酶、蔗糖、淀粉探究酶的专一性实验，因变量是是否产生还原糖
C.恩格尔曼利用水绵和需氧细菌研究光合作用的实验中，因变量观测指标是需氧细菌的分布情况
D.鲁宾和卡门研究光合作用中O2来源的实验中，自变量是被18O标记的原料
解析 用小球藻和CO2验证卡尔文循环的实验中，自变量是时间，A错误；利用淀粉酶、蔗糖、淀粉探究酶的专一性实验中，需借助斐林试剂检测是否产生了还原糖，即因变量是是否产生还原糖，B正确；恩格尔曼利用水绵和需氧细菌进行实验，通过观察需氧细菌的分布来判断O2产生的部位，最终证明叶绿体是进行光合作用的场所，C正确；鲁宾和卡门用同位素示踪法证明光合作用释放的O2来自水，自变量是被18O标记的原料，D正确。
2.1941年鲁宾和卡门用同位素18O标记水和碳酸氢盐，加入三组小球藻培养液中。在适宜光照下进行实验，结果如表所示。下列叙述错误的是（C ）
A.小球藻光合作用所需的二氧化碳可由碳酸氢盐提供
B.氧气中18O比率不受光合作用反应时间的影响
C.鲁宾和卡门进行该实验的目的是验证光合作用产物中有氧气
D.卡尔文也运用相同的方法用14C标记二氧化碳，研究暗反应中物质的变化
解析 碳酸氢盐能释放二氧化碳，为光合作用提供二氧化碳，A正确；根据表格数据，在45min、110min、225min释放的氧气中18O比率和水中18O起始比率基本一致，说明氧气中18O比率不受光合作用反应时间影响，B正确；鲁宾和卡门进行该实验的目的是探究光合作用中氧气中氧的来源，C错误；卡尔文也运用同位素示踪法用14C标记二氧化碳，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，D正确。
命题点2 光合作用的过程分析
3.[天津高考]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 ）
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有CO2
C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2的固定与还原
D.与叶绿体相比，该反应体系不含光合色素
解析 由题干信息“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”，说明乙醇酸是在暗反应中合成的，合成场所相当于叶绿体基质，A正确；该反应体系既能在类囊体上进行光反应，又能利用16种酶等物质进行暗反应，因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等，B错误；类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP，光反应产生的O2不参与暗反应，C错误；该反应体系中有分离得到的类囊体，含有光合色素，D错误。
命题变式
[设问拓展型]题干条件不变，下列说法错误的是（A ）
A.该反应体系的结构与叶绿体外膜的结构相同
B.该反应体系会消耗CO2和H2O
C.加入的16种物质应该包含ADP、NADP＋等物质
D.可以测定该反应体系的净光合速率
解析 该反应体系是由单层脂质分子包裹形成的，而叶绿体的外膜是双层脂质分子，且含蛋白质，A错误；该反应体系能够连续进行CO2的固定和还原，会消耗CO2和H2O，B正确；该反应体系是人工构建的光合作用反应体系，且在光照条件下进行，故需要加入的物质应包含ADP和NADP＋等物质，C正确；净光合速率＝总光合速率－呼吸速率，而该半人工光合作用反应体系能够进行光合作用，不能进行呼吸作用，即呼吸速率为0，故该反应体系测定的光合速率即为其净光合速率，D正确。
4.[2021广东]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Rubisc。下列叙述正确的是（D ）
A.Rubisc存在于细胞质基质中
B.激活Rubisc需要黑暗条件
C.Rubisc催化CO2固定需要ATP
D.Rubisc催化C5和CO2结合
解析 据题意可知，Rubisc是唯一催化CO2固定形成C3的酶，则其存在于叶绿体基质中，A错误；有、无光照均可发生暗反应，因此激活Rubisc不需要黑暗条件，B错误；Rubisc催化CO2的固定不需要消耗ATP，C错误；据题意，Rubisc是催化CO2固定形成C3的酶，即其是催化C5和CO2结合形成C3的酶，D正确。
命题点3 不同条件下光合作用过程中物质含量变化的分析
5.[天津高考]在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是（C ）
A.红光，ATP下降
B.红光，未被还原的C3上升
C.绿光，NADPH下降
D.绿光，C5上升
解析 叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光等可见光，吸收的绿光很少。将白光改为光照强度相同的红光，光反应增强，叶绿体内产生的ATP和NADPH增多，C3的还原加快，短时间内CO2的固定仍以原来的速率进行，导致未被还原的C3减少，A、B错误；将白光改为光照强度相同的绿光，光反应减弱，短时间内叶绿体内产生的ATP和NADPH减少，C正确；NADPH和ATP的减少必然会导致C3还原生成C5减慢，此时CO2的固定仍以原来的速率消耗C5，则短时间内C5的含量会下降，D错误。
命题变式
[条件改变型]若突然改用光照强度与白光相同的蓝紫光，则短时间内光反应会 增强 ，产生ATP的速率 加快 ，未被还原的C3 减少 。
解析 改用蓝紫光，相当于增加光照强度，导致光反应增强，产生NADPH和ATP的速率加快，C3的还原加快，而CO2的固定速率暂时不变，因此未被还原的C3减少。
6.[山东高考，9分]人工光合作用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，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
（1）该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是 模块1和模块2 ，模块3中的甲可与CO2结合，甲为 五碳化合物（或C5） 。
（2）若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将 减少 （填“增加”或“减少”）。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是 模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足 。
（3）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 （填“高于”“低于”或“等于”）植物，原因是 人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类（或植物呼吸作用消耗糖类） 。
（4）干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是 叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少，且植物体水分供应不足 。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
解析 （1）由题图可知，模块1利用太阳能发电装置将吸收的光能转化为电能，模块2利用电能电解水生成H＋和O2，并发生能量的转化。该系统中的模块1和模块2相当于执行了叶绿体中光反应的功能。模块3将大气中的CO2转化为糖类，相当于执行了光合作用的暗反应，暗反应中CO2的固定指的是CO2和C5结合生成C3。C3在光反应提供的NADPH和ATP的作用下被还原，随后经过一系列反应形成糖类和C5，故该系统中模块3中的甲为五碳化合物（C5），乙为三碳化合物（C3）。（2）若正常运转过程中气泵突然停转，则CO2浓度突然降低，CO2的固定受阻，而三碳化合物（C3）的还原短时间内仍正常进行，因此短时间内会导致C3含量减少。暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，若该系统气泵停转时间较长，则模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足，从而导致模块2中的能量转换效率也会发生改变。（3）植物中糖类的积累量＝光合作用合成糖类的量－细胞呼吸消耗糖类的量。与植物相比，该系统没有呼吸作用消耗糖类，所以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。（4）干旱条件下，为了减少水分散失，植物叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少，影响暗反应过程，且植物体内水分供应不足，也会影响光反应过程。因此，干旱条件下，很多植物光合作用速率降低。
7.[7分]为探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料开展了下列实验，其他无关变量保持相同且适宜。请回答下列问题：
（1）光合作用中包含需要光的阶段和 不需要光 的阶段，为验证这一观点，可以对进行光合作用的植物短暂遮光，并提供 14CO2 ，经放射性检测后发现植物在短暂黑暗中会利用该物质。
（2）分析表格可知，B组在单位光照时间内生产有机物的量较A组 高 ，依据是 B组的光照时间是A组的一半，其光合产物相对含量却是A组的94％ 。
（3）科学家在给离体叶绿体照光时发现，当向培养体系中提供NADP＋时，体系中会有NADPH产生，说明叶绿体在光下会产生 H＋和 e－ 。
解析 （1）光合作用中包含需要光的阶段和不需要光的阶段，为验证这一观点，可以对进行光合作用的植物短暂遮光，并提供14CO2，经放射性检测后发现植物在短暂黑暗中会利用该物质。（2）分析表格可知，B组只用了A组一半的光照时间，其光合产物相对含量却是A组的94％，所以B组在单位光照时间内生产有机物的量较A组高。（3）科学家在给离体叶绿体照光时发现，当向培养体系中提供NADP＋时，体系中会有NADPH产生，说明叶绿体在光下会产生H＋和e－。时间
结论
1928年
科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化为糖
1937年
希尔反应：离体叶绿体在适当条件下发生[1] 水的光解 、产生O2的化学反应
1941年
鲁宾和卡门用同位素示踪法，证明光合作用释放的O2来自[2] 水
1954年、
1957年
（1954年）美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成[3] ATP ，随后（1957年）他发现这一过程总是与水的光解相伴随
20世纪40年代
美国科学家卡尔文用[4] 同位素示踪 的方法，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径
阶段
Ⅰ.光反应阶段
Ⅱ.暗反应阶段
过程
图解
场所
[9] 类囊体薄膜
[10] 叶绿体基质
阶段
Ⅰ.光反应阶段
Ⅱ.暗反应阶段
条件
[11] 光 、叶绿体中的色素、酶、水、ADP、Pi、NADP＋等
酶、[12] ATP、 NADPH 等
物质
变化
①水的光解：H2OH＋＋O2；
②NADPH的合成：NADP＋＋H＋＋2e－NADPH；
③ATP的合成：ADP＋PiATP
①CO2的固定：CO2＋C52C3；
②C3的还原：2C3C5＋（CH2O）
能量
变化
联系
①光反应为暗反应提供ATP和NADPH；②暗反应为光反应提供NADP＋、Pi和ADP
项目
光合作用
化能合成作用
不同点
生物类型
绿色植物和光合细菌
硝化细菌等
能量来源
光能
体外物质氧化时释放的化学能
相同点
代谢类型
自养型
物质变化
将无机物（CO2和H2O等）转化为储存能量的有机物
组别
水中18O
比率（％）
碳酸氢盐中
18O比率（％）
反应时间
（min）
释放的氧气中18O
比率（％）
第1组
0.85
0.61
45
0.86
第2组
0.20
0.40
110
0.20
第3组
0.20
0.57
225
0.20
组别
A
B
处理
光照时间为135秒
先光照后黑暗，光暗交替，每次光照和黑暗时间各为3.75毫秒，总时间为135秒
光合产物相对含量
100％
94％