高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第4节 蛋白质是生命活动的主要承担者优质学案设计

光合作用和能量转化

核心知识点一：色素提取实验和光合作用的过程

1. 绿叶中色素的提取和分离实验

（1）实验原理

①提取：绿叶中的色素能够溶于有机溶剂而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。

②分离：各种色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢，从而使各种色素相互分离。

（2）实验步骤以及注意事项

易错点拨：滤纸条上的出现的四种颜色表示绿叶中含有四种色素；色素带距离起始点的位置不同表示的是色素的溶解度；色素带的宽窄表示实验材料中色素的含量。

问题探究：如果本实验的实验材料为黄色的叶片，实验结果会怎样？

提示：滤纸条上只有两条黄色的色素带，为胡萝卜素和叶黄素，没有叶绿素。

如果在圆心处滴加适量滤液，待干燥后再滴加适量层析液进行层析，结果会出现不同颜色的4个同心圆，则①～④依次对应哪种色素及颜色？

提示：①——胡萝卜素（橙黄色）　②——叶黄素（黄色）　③——叶绿素a（蓝绿色）　④——叶绿素b（黄绿色）。

（3）绿叶中色素提取和分离实验的异常现象分析：

①收集到的滤液绿色过浅的原因：未加石英砂（二氧化硅）或研磨不充分；使用放置数天的叶片，滤液色素（叶绿素）太少；一次加入大量的无水乙醇；未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。

②滤纸条色素带重叠：①没经过干燥处理②滤液细线不能达到细、直、齐的要求。

③滤纸条看不见色素带：忘记画滤液细线；滤液细线接触到层析液，色素全部溶解到层析液中。

④滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带的原因：忘记加CaCO3，导致叶绿素被破坏；所用叶片为“黄叶”。

2. 叶绿体的结构与功能相适应

（1）叶绿体的内外两层膜是透明的，有利于阳光的进入；

（2）叶绿体中有许多由囊状结构堆叠而成的基粒，增大了光合面积；

（3）在囊状结构的薄膜上有许多与光合作用有关的色素和与光反应有关的酶，色素的功能是进行光能的吸收、传递和转化，只吸收可见光，对红外光和紫外光等不吸收，并且叶绿素对红光和蓝紫光的吸收量大，类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大，对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少，大部分绿光被反射出去，而影响色素形成的因素有光照、温度和矿质元素；

（4）在基质中含有与光合作用暗反应有关的酶，催化光合作用的进行。

3. 光合作用的过程

（1）反应式：CO2＋H2O（CH2O）＋O2。

（2）光合作用中物质和能量的变化：

记忆技巧：光合作用过程的“一、二、三、四” 

问题探究：光合作用的光反应与暗反应有什么关系?

提示：

光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供NADP＋和ADP、Pi。没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，光反应也将受抑制。

光反应产生的[H]与细胞呼吸产生的[H]是同一物质吗？

提示：光反应产生的[H]为还原型辅酶Ⅱ（NADPH），还原C3；细胞呼吸产生的[H]为还原型辅酶Ⅰ（NADH），还原O2。

光合作用C、H、O的转移途径是怎样的？

4. 光合作用和化能合成作用的比较

例题1  下图表示某生物兴趣小组利用韭菜宿根进行的实验流程，相关叙述错误的是（  　）

A. 纸层析法分离色素的原理是不同色素在层析液中溶解度不同

B. 两组实验的结果①中共有色素带的颜色是黄色和橙黄色

C. 两组实验的结果②中吸收光谱最明显的差异出现在红光区域

D. 在做提取韭黄色素的实验时，不加碳酸钙对滤液颜色的影响很大

答案：D

解析：本题主要考查叶绿体中色素的提取和分离，难度较大。四种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度越大，随着层析液扩散的速度越快，否则越慢，所以能用层析液将四种色素分离，A正确；“结果①”中共有的色素带是胡萝卜素和叶黄素，它们的颜色分别是橙黄色和黄色，B正确；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，所以将等量刚制备的韭菜和韭黄色素滤液放在阳光与三棱镜之间，“结果②”吸收光谱最明显的差异出现在红光区域，C正确；碳酸钙可以保护叶绿素，而韭黄几乎不含叶绿素，因此在做提取韭黄色素的实验时，不加碳酸钙对滤液颜色的影响不大，D错误。

例题2  如图所示为叶肉细胞中叶绿体进行光合作用的过程，A、B代表物质。下列叙述错误的是（　　）

A. 叶绿体能将光能转变为化学能储存在有机物中

B. ①上产生的B物质移动到②参与C3的还原

C. ②中产生的NADP＋移动到①上参与水的光解

D. ①上产生的A物质可用于CO2的固定和C3的还原

答案：D

解析：本题主要考查光合作用的过程，难度中等。光合作用的场所是叶绿体，叶绿体通过光合作用将光能转变为化学能储存在有机物中，A正确；①类囊体膜上产生的B物质[H]移动到②叶绿体基质中，参与C3的还原，形成糖类等有机物，B正确；②叶绿体基质中产生的NADP＋移动到①类囊体膜上参与水的光解，C正确；①类囊体膜上产生的A物质ATP可用于C3的还原，而CO2的固定不需要消耗能量，D错误。

核心知识点二：影响光合作用的因素

1. 光合作用强度

光合作用强度指光合作用的强弱，也称“光合强度”、“光合速率”。可以通过测定一段时间内原料的消耗量或产物的生成量来表示。

2. 影响光合作用强度的因素

（1）内部因素

植物自身的遗传特性，如植物品种不同，阴生植物与阳生植物存在差异；植物叶片的叶龄（如图）、叶绿素含量、酶的活性和数量等。

（2）环境因素对光合强度的影响以及相关的应用

①单因子变量对光合作用影响的曲线分析

a. 光照：包括光照强度、光照时间和光的成分

问题探究：同一植物光照时间相等光合产量相等吗？

提示：若同一植物处于两种不同情况下进行光合作用。甲：一直光照10分钟（暗反应时间为10分钟）；乙：光照5秒，黑暗5秒，持续20分钟，则光合作用制造的有机物：甲<乙（暗反应时间为20分钟）。

b. CO2浓度

注意：CO2浓度很低时，光合作用不能进行，但CO2浓度过高时，会抑制植物的细胞呼吸，进而影响光合作用强度。

c. 温度

注意：当温度改变时，不管是光反应还是暗反应都会受影响，但主要是影响暗反应，因为参与暗反应的酶的种类和数量都比参与光反应的多。

d. 水分和矿质元素

②多因子变量对光合速率的曲线分析：

3. 环境改变时光合作用各物质含量的变化分析

（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：

（2）“模型法”表示C3和C5等物质的含量变化

注意：①以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化。

②以上各物质变化中，C3和C5含量的变化是相反的，[H]和ATP含量变化是一致的。

例题1  科学家研究环境因素对某植物光合速率的影响如下图，据图判断下列叙述错误的是（    ）

A. 光强度超过a时，造成曲线Ⅱ和Ⅲ光合速率差异的原因是CO2浓度不同

B. 曲线 I、II、III表明，光合速率受光强度、温度和CO2浓度的综合影响

C. 曲线I、II、III表明，改变温度和CO2浓度对植物的光饱和点有影响

D. 光强度为0～a时，适当提高CO2浓度和温度对光合速率有促进作用

答案：D

解析：本题考查光照强度、二氧化碳浓度对光合速率的影响，难度较大。光强度超过a时，同一光照强度下，曲线II和Ⅲ的光合速率不同，造成曲线II和Ⅲ光合速率差异的原因是CO2浓度不同，A正确；图示表明，影响光合作用的因素主要有光照强度、温度和二氧化碳浓度等，B正确；曲线Ⅰ和Ⅱ对照说明，适当提高温度可以提高光合速率，曲线Ⅱ和Ⅲ对照说明，适当提高二氧化碳浓度可以提高光合速率，由图示可知，改变温度和CO2浓度对植物的光饱和点有影响，C正确；光强度为0～a时，三条曲线重合，曲线处于上升阶段，此时影响光合作用的主要因素是自变量光照强度，D错误。

例题2  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，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ATP/ADP比值增加

B. 突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值减小

C. 突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5比值减小

D. 突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值减小

答案：A

解析：本题考查环境因素改变对物质变化的影响，难度较大。突然中断CO2供应使C3减少，因此三碳化合物还原利用的ATP减少，导致ATP积累增多，而ADP含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增加，A正确；突然中断CO2供应，使暗反应中二氧化碳固定减少，而三碳化合物还原仍在进行，因此导致C3减少，C5增多，因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值增加，B错误；由于色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收最少，突然将红光改变为绿光，会导致光反应产生的ATP和[H]减少，这将抑制暗反应中三碳化合物的还原，导致C5减少，C3增多，因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5比值增加，C错误；突然将绿光改变为红光会导致光反应吸收的光能增加，光反应产生的ATP和[H]增加，而ADP相对含量减少，因此暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增加，D错误。

例题3  提高农作物的光能利用率除了延长光合作用时间和增加光合作用面积以外，以下相关措施描述错误的是（    ）

A. 阳生植物应当种植在阳光充足的地方，阴生植物应当种植在荫蔽的地方

B. 二氧化碳的含量很低时，绿色植物不能制造有机物。随着二氧化碳的提高，光合作用将不断增强

C. 对于温室里的农作物，通过增施农家肥或使用二氧化碳发生器等措施，可提高农作物的光能利用率

D. 绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素

答案：B

解析：本题主要考查影响光合作用的因素以及相关的应用，难度较大。阳生植物需要较强的光照强度，阴生植物需要光照强度较弱，所以阳生植物应当种植在阳光充足的地方，阴生植物应当种植在荫蔽的地方，A正确；当有光照时，二氧化碳的含量很低时，绿色植物也能制造有机物，B错误；通过增施农家肥或使用二氧化碳发生器等措施，可以提高CO2浓度，进而提高植物的光能利用率，C正确；绿色植物进行光合作用时，需要多种矿质元素的参与，如N、P、Mg等，D正确。

（答题时间：30分钟）

1. 某同学在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，为了确定无水乙醇、CaCO3和SiO2的作用，进行了4组实验来验证，4组实验结果如图所示，第④组是进行了正确操作的对照组。下列针对实验结果的相关分析不正确的是（    ）

A. ①可能是由于未加CaCO3而得到的实验结果

B. ②可能是由于用水取代了无水乙醇而得到的实验结果

C. ③可能是由于未加SiO2而得到的实验结果

D. ①可能是滤液细线触及层析液而得到的实验结果

2. 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，易溶于有机溶剂

D. 乙中生理过程在有光、无光条件下都可进行

3. 绿色植物在进行光合作用时以H2O作为供氢体产生[H]，而光合细菌则以H2S作为供氢体进行光合作用。以下有关光合细菌的说法合理的是（    ）

A. 没有成形的细胞核，拟核中分布着多条染色体

B. 以H2S作为供氢体进行光合作用，无法产生氧气

C. 利用H2S作为原料，其光合作用的产物不可能是糖类

D. 生存需要光照条件，体内的叶绿体是光合作用的场所

4. 下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. 光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高

D. 被还原的C3在相关酶的催化作用下，可再形成C5

5. 下图所示中A、B两曲线分别表示一种C3植物和一种C4植物的光合作用速率与环境中CO2浓度的关系（其他条件相同）。下列相关叙述中不正确的是（    ）

A. B植物在较低CO2浓度时比A植物具有生长优势

B. A植物的光合作用速率将随CO2浓度的升高而不断提高

C. CO2浓度为n时，A、B两植物光合速率相等

D. 若能改善光照条件，两植物m点的光合速率还可提高

6. 某研究小组进行了探究环境因素对某植物光合作用影响的实验,实验结果如图所示。下列分析正确的是（    ）

A. 图中CO2浓度1大于CO2浓度2，若将CO2浓度改为温度，则此关系也成立

B. 若e点为正常植物的光饱和点，则缺镁植物的e点会右移

C. 图中c、d两点相比，d点植物叶肉细胞中C5的含量要高一些

D. a点植物叶肉细胞中NADPH和ATP比c点要多

7. 下面是光合作用过程的实验图解。请分析判断相关说法中不正确的是（    ）

A. 此实验说明叶绿体是进行光合作用的完整的结构单位

B. 装置b因缺少有关酶及C5而不能产生含14C的有机物

C. 适当增强光照、增加CO2浓度及适当提高温度对本实验最终c试管中含14C有机物的产量无影响

D. 本实验能证明光反应为暗反应提供了反应必需的条件

8. 关于硝化细菌的化能合成作用和蓝藻的光合作用，叙述正确的是（    ）

A. 硝化细菌进行有氧呼吸的主要场所是线粒体

B. 蓝藻细胞进行光合作用的场所是叶绿体

C. 硝化细菌可利用NH3氧化过程释放的能量合成有机物 

D. 蓝藻细胞吸收光能的色素是叶绿素和类胡萝卜素

9. 光合作用分为反应①和反应②两个阶段，如图所示。请回答下列问题：

（1）据图1判断，进行反应①的场所是_______，物质A在光下裂解为O2、________。

（2）反应①为反应②提供的物质B是______，ATP为反应②提供了_________，CO2进入反应②中的_____循环后，与RuBP结合首先形成的是_______碳分子。

（3）分离玉米叶片中的光合色素时，添加_______可以保护色素，叶绿素b的吸收光谱可以反映叶绿素b对_________可见光的吸光率。

（4）为研究光合作用中碳的同化与去向，用_________的CO2供给小球藻，每隔一定时间取样，并将样品立即加入到煮沸的甲醇中。甲醇用以杀死小球藻并__标记化合物。浓缩后再点样进行双向纸层析，使标记化合物___。根据标记化合物出现的时间，最先检测到的是三碳化合物。猜测此三碳化合物是CO2与某一个二碳分子结合生成的，但当__后，发现RuBP的含量快速升高，由此推知固定CO2的物质不是二碳分子。

10. 黄瓜是我国重要的蔬菜作物，研究人员以北方生长的黄瓜品种为材料，用单层黑色遮阳网（遮荫率70%）对黄瓜幼苗进行遮荫，以自然条件下光照为对照，一段时间后，测定黄瓜的生长发育和光合特性变化，实验结果如下表所示。

请分析回答：

（1）实验中需用__________提取叶绿素，再测定其含量。

（2）实验组净光合速率显著低于对照组，主要原因是实验组_____________，使光反应产物__________________减少，进而降低了叶肉细胞对__________________的利用能力。

（3）弱光处理一段时间后，黄瓜产生的有利于提升其光能利用率的变化有__________。与叶绿素a相比，叶绿素b在430～450nm蓝紫光（弱光下占优势）区有较高的吸收峰和较宽的吸收带，由此推测，实验组叶绿素a/b含量比值_____________对照组。

（4）研究结果表明，弱光条件下，黄瓜植株株高显著升高。研究者认为，这是由于弱光下植株光合产物向茎分配增多所致。为验证以上假设，需测定黄瓜植株各部分的_________，若测定结果为实验组 ____________对照组，则支持上述假设。

1. D  解析：本题考查绿叶中色素的提取和分离实验，难度中等。①中叶绿素较少，可能是未加CaCO3叶绿素被破坏，A正确；②无色素带，可能是由于用水取代了无水乙醇而得到的实验结果，因为色素不溶于水，B正确；③可能是由于未加SiO2研磨不充分而导致各种色素含量都较低，C正确；①有色素带，不可能是滤液细线触及层析液而得到的实验结果，D错误。

2. B  解析：本题考查光合作用的过程，难度中等。根据以上分析已知，图中物质b为ADP和Pi，A正确；物质c是二氧化碳，先被固定为三碳化合物，再被还原为（CH2O）和C5，B错误；甲是叶绿体的类囊体薄膜，含有的光合色素不溶于水，但是溶于有机溶剂，C正确；乙表示叶绿体基质，是光合作用暗反应发生的场所，暗反应在有光和无光的条件下都可以进行，D正确。

3. B  解析：本题考查绿色植物光和租用和光和细菌的差异，难度中等。光合细菌是原核生物，其拟核中分布的是环状的DNA，没有染色体，A错误；因为H2S中不含氧，所以以H2S作为供氢体进行光合作用，无法产生氧气，B正确；光合细菌的光合作用为不产氧，但是光合作用的产物也可以是糖类，因为它同样有利用CO2进行固定并还原的过程，C错误；光合细菌是原核生物，体内不含叶绿体，D错误。

4. D  解析：本题考查光合作用的暗反应过程，难度中等。C02的固定的过程不消耗ATP，A错误；C02需要与五碳化合物结合形成三碳化合物后，C3可直接被[H]还原，再经过一系列的变化形成糖类，B错误；光照减弱时，ATP和[H]合成减少，三碳化合物还原受阻，C5生成减少，短时间内C5去路不变，最终导致C5含量降低，C错误；被还原的C3在相关酶的催化作用下，可再形成C5，D正确。

5. B  解析：本题考查二氧化碳浓度对光合速率的影响，难度较大。图中看出，B植物在较低CO2浓度时就开始进行光合作用，即在较低CO2浓度时比A植物具有生长优势，A正确；植物的光合速率只能在一定范围内随CO2浓度的升高而增强，当超过一定浓度后就会达到饱和点，B错误；图中看出，CO2浓度为n时，AB两曲线相交，即表示此时A、B两植物光合作用速率相等，C正确；由于此时光照条件一定，光照强度影响光合作用光反应，若能改善光照条件，光反应产生的ATP和[H]将增多，有利于暗反应的进行，因此两植物m点的光合速率还可提高，D正确。

6. C  解析：本题考查光照强度和二氧化碳浓度对光合速率的影响，难度较大。图中CO2浓度1大于CO2浓度2，若将CO2浓度改为温度，则此关系不一定成立，随温度的升高，酶活性可能上升也可能下降，A错误；若e点为正常植物的光饱和点，缺镁植物的光合速率下降，e点会左移，B错误；图中c、d两点相比，d点二氧化碳浓度较低，二氧化碳的固定较慢，植物叶肉细胞中C5相对较高，C正确；a点光照强度较低，光反应较慢，植物叶肉细胞中NADPH和ATP比c点要少，D错误。

7. C  解析：本题考查与光合作用相关的实验，难度较大。通过a、b、c三只试管产物分析知，光反应和暗反应彼此联系，不可分割，叶绿体是进行光合作用的完整结构单位，A正确；装置b中没有机物生成的原因是缺少叶绿体基质，不能为暗反应提供酶和固定CO2的C5，B正确；适当增强光照有利于储存更多的ATP和[H]，增加CO2的浓度，有利于充分利用ATP和[H]，生成更多的有机物，C错误；本实验能证明光反应为暗反应提供了反应必需的条件即ATP和[H]，D正确。

8. C  解析：本题考查化能合成作用和光合作用的差异，难度中等。硝化细菌为原核生物，体内无线粒体，A错误；蓝藻细胞为原核生物，无叶绿体，无类胡萝卜素，其能进行光合作用是因为含有叶绿素和藻蓝素，B、D错误；同化作用过程中，硝化细菌通过NH3氧化为亚硝酸和硝酸的过程中释放的能量合成有机物，C正确。

9.（1）类囊体膜    H+和e    （2）NADPH磷酸基团和能量卡尔文六

（3）CaCO3不同波长（4）放射性14C标记提取分离突然降低CO2浓度

解析：本题考查色素的提取实验、光合作用的过程等知识，难度中等。

（1）反应①为光反应，场所是类囊体薄膜，光反应时水被光解为O2、H+ 和e。

（2）由分析可知物质B是NADPH。ATP水解释放能量，并产生磷酸基团可用于暗反应。CO2参与暗反应的卡尔文循环。与RuBP（五碳化合物）结合后首先形成的是六碳分子。

（3）添加碳酸钙可以防止酸性物质破坏色素。不同色素吸收不同波长的可见光。

（4）追踪元素转移用到的方法是：同位素标价法，研究光合作用中碳元素的转移，应用放射性14C标记的CO2。甲醇用以杀死小球藻使反应停止，从而固定产生的化合物，之后对化合物进行提取。双向纸层析是分离各种物质的方法。反应突然停止时，反应物的量会突然增加，暗反应时RuBP与二氧化碳结合，题目中说RuBP增多，说明暗反应应当减弱。

10.（1）95%乙醇（2）光照强度弱ATP、NADPHCO2（3）增大株叶面积和增加叶绿素含量低于（4）干重茎干重占全株干重的比高于

解析：本题考查光合色素的提取、环境因素对光合速率的影响等知识，难度较大。

（1）叶绿素属于有机物，在乙醇等有机溶剂中溶解度较高，一般用95%乙醇提取叶绿素。

（2）影响光合作用的外界因素为温度、二氧化碳浓度和光照强度。由图表可知，实验组处于弱光条件，光照强度低，影响了光合作用光反应阶段的进行，使光反应产物NADPH和ATP减少，由于光合作用暗反应需要利用还原氢和ATP，所以会降低叶肉细胞对CO2的固定能力。

（3）与对照组相比，实验组叶片在弱光处理一段时间后，为了提高光能的利用，黄瓜株叶面积增大、总叶绿素含量增加。弱光下，实验组叶绿素b含量较高，所以实验组叶绿素a/b含量比值低于对照组。

（4）由题干可知，为了验证弱光下植株增高是否为光合产物向茎分配增多所致，需测定黄瓜植株各部分的干重，因为干重的增加量代表了光合产物净积累的多少。如果测定实验组茎干重占全株干重比高于对照组，则验证了假设，即弱光下植株光合产物向茎分配增多所致。