生物必修一课件第5章第4节二第1课时光合作用的原理

二光合作用的原理和应用第1课时光合作用的原理概念认知·自主学习一、光合作用的概念和反应式1.概念:2.反应式:_______________________。光能叶绿体CO2+H2O(CH2O)+O2【警示】光合作用反应式的两个易错点(1)糖类应该用(CH2O)表示,不能漏掉小括号。(2)反应条件是光能和叶绿体。二、光合作用原理的探索历程三、光合作用的过程【点拨】光反应需要光照、色素和酶的参与,暗反应不需要光照,但需要酶的催化。【质疑批判】某同学用水绵作为实验材料,研究并分析光合作用的过程,得到如下实验结果和结论:①水绵产生的氧气来自叶绿体基质。②用O18标记H2O,水绵产生的O2中含有O18。③光照条件下,水绵叶绿体吸收的光能最终储存在有机物中。④水绵在没有光照的条件下不能产生O2。⑤用O18标记CO2,水绵产生的O2中也含有O18。你的判断:正确的结论有_______。②③④【思维激活】假如你是一名科研人员,想研究CO2中的C元素如何转移,你可以使用什么方法?提示:同位素标记法。【教材开发】——P102[思考·讨论]问题:希尔反应能否说明植物光合作用中的氧气中的氧元素全部来自水?为什么?提示:不能。因为悬浮液中还有其他物质也含有氧元素,希尔反应未排除这一点。能力形成·合作探究学习任务一:光合作用的过程【探究活动】(科学思维——演绎与推理)1.光合作用中元素的转移:探讨:在下列反应式中用箭头标出各种反应物中O元素的去向。2.光反应和暗反应的联系:(1)光反应为暗反应提供NADPH和ATP等物质和能量,暗反应为光反应提供NADP+、Pi和ADP等物质。(2)光反应加快或减慢会影响暗反应的速度,暗反应速度反过来会影响光反应的速度,它们之间是相辅相成,相互依存的。探讨:(1)光照增强,其他条件不变时,短期内植物体内的NADPH、ATP、C3和C5含量如何变化?试解释原因。提示:光照增强光反应加快,产生的NADPH和ATP增加,C3的还原速度加快,由于CO2的供应不变,CO2的固定不变,因此C3的含量减少,C5含量增加。(2)CO2浓度升高,其他条件不变时,短期内植物体内的NADPH、ATP、C3和C5含量如何变化?试解释原因。提示:CO2浓度升高,CO2的固定速度加快,C5消耗量增加,C3生成量增加,因此C3的含量增加,C5含量减少;暗反应速度加快,消耗ATP和NADPH速度加快,导致ATP和NADPH的含量减少。【易错陷阱】光合作用过程中的两个误区(1)误认为反应不需要酶。光反应过程也需要酶的催化。色素吸收、传递光能过程不需要酶的催化,但是水的光解和ATP的合成需要酶的催化。(2)误认为全程无光,也可以进行暗反应。暗反应过程不需要光,若光反应停止,暗反应会因缺乏ATP和NADPH无法进行而停止。【知识拓展】卡尔文循环C3途径是所有植物进行光合碳同化所共有的基本途径,包括3个主要的阶段:CO2的固定(羧化阶段)、还原阶段、RuBP再生阶段。【素养案例】光合作用是叶绿体吸收、转化光能的过程,如图为光合作用过程的示意图。下列叙述错误的是 ()A.①表示O2,③表示还原型辅酶Ⅱ(NADPH),④表示CO2B.暗反应中,CO2首先与C5结合生成C3,然后被还原为(CH2O)C.黑暗条件下,光反应停止,暗反应将持续不断地进行下去2浓度,C3的含量都将减少【思维流程】【解析】选C。据图分析,类囊体薄膜上的光合色素吸收光能,将水光解,产生NADPH与O2,①表示O2,③表示还原型辅酶Ⅱ(NADPH);光合作用的暗反应阶段,场所是叶绿体基质,CO2被C5固定形成C3,④表示CO2,A正确;暗反应中,CO2首先与C5结合生成C3,然后被还原为(CH2O),B正确;黑暗条件下,光反应停止,NADPH和ATP不再产生,暗反应将逐渐停止,C错误;增加光照强度,短时间内C3的生成速率不变,而光反应产生的ATP、NADPH增多,C3被NADPH、ATP还原为(CH2O)速率加快,因此C3的含量减少;降低CO2浓度,CO2的固定减弱,生成的C3减少,短时间内C3的还原速率基本不变,所以C3的含量将减少,D正确。【题后反思】光合作用中条件改变引起的物质变化规律判断思路:相对速率法。(1)C3和C5含量的变化取决于CO2固定和C3还原的相对速率。(2)NADPH和ATP的含量变化取决于光反应和暗反应的相对速率。(3)有利于光合作用的因素使有机物的合成增加,不利于光合作用的因素则使有机物的合成减少。【典题加练】1.如图为某绿色植物细胞中部分物质转化过程示意图(a～g表示物质,①～③表示反应过程)。下列有关叙述错误的是 ()A.b为ATP,d为NADPHB.①表示水光解,③表示CO2固定C.突然停止光照,c和g含量都会增多18O标记,一段时间后在(CH2O)中能检测到18O【解析】选C。b为Pi与c的产物,故c为ADP,b为ATP,d为NADPH,A项正确;①是H2O在光下的反应,故为水光解;③为CO2参与的过程,为CO2固定,B项正确;突然停止光照,光反应停止,不再产生ATP和NADPH,ATP和NADPH的减少使C3的还原减少,产物C5减少,又由于二氧化碳固定继续进行,C5被消耗,故g(C5)的含量会减少,C项错误;用18O标记,会参与有氧呼吸的第二阶段生成C18O2,C18O2参与光合作用的暗反应过程,故一段时间后在(CH2O)中能检测到18O,D项正确。2.如图表示光合作用过程的部分图解,请据图分析回答下列问题。

(1)图示表示光合作用的______________过程,其中B表示_______________。(2)图示过程中,能量变化是_______________________________________。(3)如果用含14C的CO2来追踪小麦光合作用过程中碳原子的转移途径,则14C首先出现在_____________中。

(4)叶绿体是进行光合作用的场所,在充足的光照条件下,ADP在叶绿体内的移动方向是________________;如果将此植物由光照充足的条件下移至阴暗处,则NADPH在叶绿体中的含量将________________。【解析】题图表示光合作用的暗反应过程,B表示C3的还原。CO2进入叶绿体后,先被C5固定成C3,随后C3被NADPH还原生成糖类,因此,碳的转移途径应是CO2→C3→糖类。ADP要到类囊体薄膜上参与光反应转化成ATP。光反应需要光照,植物移至阴暗处后,光照强度降低,光反应减弱,NADPH合成减少,但C3还原仍在进行,NADPH仍在消耗,因此含量减少。答案:(1)暗反应C3的还原(2)ATP、NADPH中活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能(3)C3(4)从叶绿体基质到类囊体薄膜减少

学习任务二:光合作用与细胞呼吸的关系【情境探究】

请结合光合作用和细胞呼吸关系的模式图探究:【探究活动】(科学思维——归纳与概括)1.区别:项目光合作用有氧呼吸部位叶绿体线粒体和细胞质基质条件光、酶、色素酶原料CO2和H2OO2、H2O和有机物产物有机物和O2CO2和H2O实质CO2转化为有机物,光能转化为化学能储存分解有机物产生CO2和H2O,同时释放能量探讨:光合作用和细胞呼吸过程中都产生了ATP,两个过程产生的ATP作用有何不同?提示:光合作用产生的ATP主要用于暗反应,而细胞呼吸产生的ATP可用于各项生命活动。2.联系:(1)光合作用为细胞呼吸提供O2和有机物。(2)细胞呼吸为光合作用提供CO2。探讨:若给植物提供,一段时间后能否在植物体内的有机物中发现18O?试说明原因。提示:可发现参与有氧呼吸第二阶段,可形成C18O2,C18O2参与光合作用,可形成含有18O的有机物。【易错陷阱】光合作用和细胞呼吸场所的相关误区(1)误认为光合作用一定在叶绿体中进行。真核生物光合作用的场所是叶绿体,蓝细菌等原核生物没有叶绿体,也可以进行光合作用。(2)误认为有氧呼吸的场所只有线粒体。真核生物细胞呼吸的场所是细胞质基质和线粒体,蓝细菌等原核生物没有线粒体,其细胞呼吸的场所是细胞质和细胞膜。【素养案例】(2020·全国Ⅲ卷)参照表中内容,围绕真核细胞中ATP的合成来完成表格。反应部位(1)______

叶绿体的类囊体薄膜线粒体反应物葡萄糖H2O丙酮酸等反应名称(2)______

光合作用的光反应有氧呼吸的部分过程合成ATP的能量来源化学能(3)____

化学能终产物(除ATP外)乙醇、CO2(4)____

(5)____

【思维流程】【解析】(1)(2)葡萄糖分解为酒精和CO2是无氧呼吸过程,发生的场所为细胞质基质。(3)(4)光合作用的光反应阶段包括水的光解和ATP的合成,产物有氧气、NADPH和ATP,能量变化为光能转化为ATP和NADPH中活跃的化学能。(5)在线粒体中进行有氧呼吸的第二和第三阶段,最终的产物为CO2和H2O。答案:(1)细胞质基质(2)无氧呼吸(3)光能(4)O2、NADPH(5)CO2、H2O【题后反思】ADP与ATP转化发生的场所及相关生理过程转化场所ADP→ATPATP→ADP主要生理过程细胞质基质产生ATP消耗ATP呼吸作用产生ATP,许多生化反应的进行消耗ATP叶绿体产生ATP消耗ATP光反应产生ATP,暗反应消耗ATP线粒体产生ATP消耗ATP有氧呼吸第二、三阶段产生ATP,自身蛋白质等物质合成消耗ATP【典题加练】1.如图表示真核生物体内几项生理活动关系示意图(①～④表示生理活动,A～D表示物质),下列叙述错误的是 ()A.生理过程①的进行需要物质B和C的共同参与B.生理过程①和④可能发生在同一种植物的不同细胞中C.短跑时,人体肌肉细胞产生B物质的场所是细胞质和线粒体D.物质D的产生会对细胞产生毒害作用,有的微生物细胞没有物质A也可以生活【解析】选C。生理过程①光合作用的进行需要B二氧化碳和C水的参与,两者是光合作用的原料,A正确;过程①表示光合作用、过程④表示乳酸发酵,可能发生在同一株植物的细胞中,B正确;短跑时,人体肌肉细胞在有氧呼吸第二阶段产生B二氧化碳,场所是线粒体,C错误;酒精的积累会对细胞有毒害作用,有的微生物属于厌氧型的,没有A氧气也可以生活,D正确。2.如图是细胞中糖类合成与分解过程示意图。下列叙述正确的是 ()

A.过程①只在线粒体中进行,过程②只在叶绿体中进行B.过程①产生的能量全部储存在ATP中C.过程①产生的H2O中的氧来自(CH2O)和O2D.过程①产生的ATP用途比过程②产生的ATP用途广泛【解析】选D。过程①为有氧呼吸过程,真核细胞有氧呼吸的反应场所是细胞质基质和线粒体,过程②为光合作用过程,真核生物的光合作用在叶绿体中进行,原核生物在细胞质基质中进行,A错误;过程①为有氧呼吸过程,有氧呼吸产生的能量大部分以热能的形式散失,少部分储存在ATP中,B错误;过程①产生的H2O中的氧来自O2,C错误;过程①产生的ATP用于各项生命活动,过程②产生的ATP用于暗反应阶段C3的还原,所以过程①产生的ATP用途比过程②产生的ATP用途广泛,D正确。3.如图是某绿色植物在适宜环境下进行光合作用和细胞呼吸过程的示意图,Ⅰ～Ⅵ代表物质,①～④代表过程。据图回答下列问题:(1)Ⅰ～Ⅵ中,表示同种物质的有________,在光照条件下,叶肉细胞中消耗ADP的结构有________________________________________。(2)①过程被称为________,若突然降低该植物所处环境中Ⅲ的浓度,其他条件不变,短时间内细胞中C3的含量将________(填“增加”“减少”或“基本不变”),其原因是

。(3)②③④中产生能量最多的过程是________(填数字)。(4)若为该植物提供,光照一段时间后,可在该植物产生的________(多选)中检测到18O。22 2 D.(CH2O)【解析】(1)Ⅰ～Ⅵ中,表示同种物质的有Ⅱ和Ⅴ、Ⅲ和Ⅵ。消耗ADP即合成ATP,在光照条件下,叶肉细胞中光反应和有氧呼吸三个阶段均合成ATP,因此消耗ADP的结构是细胞质基质、线粒体、叶绿体。(2)①过程被称为CO2的固定,若突然降低该植物所处环境中Ⅲ(CO2)的浓度,其他条件不变,短时间内细胞中C3的含量将减少,其原因是CO2浓度降低,CO2与C5结合形成C3的速率减慢,而短时间内C3的还原继续进行,细胞中C3的含量减少。(3)②是有氧呼吸第一阶段,③是有氧呼吸第二阶段,④是有氧呼吸第三阶段,产生能量最多的是④有氧呼吸第三阶段。(4)18O标记的H2O参与细胞呼吸能产生含有18O标记的CO2,植物细胞利用18O标记的CO2进行光合作用能合成18O标记的葡萄糖(CH2O),同时植物通过蒸腾作用释放含有18O标记的水,光合作用产生的O2全部来自H2O,所以O2也会带上18O,因此A、B、C、D中的物质能都监测到18O。答案:(1)Ⅱ和Ⅴ、Ⅲ和Ⅵ细胞质基质、线粒体、叶绿体(2)CO2的固定减少CO2浓度降低,CO2与C5结合形成C3的速率减慢,而短时间内C3的还原继续进行,细胞中C3的含量减少(3)④(4)A、B、C、D光合作用探索历程物质变化能量变化反应场所19世纪末CO2→C+O2C+H20→甲醛→糖1928年甲醛对植物有毒害作用1937年希尔反应1941年O2来自水1954年：叶绿体合成ATP与水光解同步光合作用过程光反应暗反应光能活跃的化学能稳定的化学能CO2+C5→C3C3→(CH2O)+C5叶绿体类囊体薄膜叶绿体基质CO2+H2O(CH2O)+O2光能叶绿体水→O2+NADPHADP+Pi→ATP光合作用反应式归纳概括依据学情诊断·课堂测评1.(水平1·概念检测)地球上几乎所有生物生命活动所需的能量都是由光合作用固定的太阳能提供的,基于光合作用原理的叙述合理的是________。

①绿色植物的光反应需要光照和酶②暗反应不需要光,因此夜间植物也长时间进行暗反应③光反应为暗反应提供能量,不提供物质④光反应产生的NADPH用于暗反应中CO2的固定⑤光合作用中产生的O2中的氧元素来自H2O【解析】选①⑤。绿色植物光合作用的光反应过程需要光照和酶,①正确;暗反应不需要光,但需要光反应提供ATP和NADPH,夜间没有光照无法进行光反应,因此不能长时间进行暗反应,②错误;光反应为暗反应提供物质和能量,③错误;光反应产生的NADPH用于暗反应中C3的还原,④错误;光合作用中产生的O2中的氧元素来自H2O,⑤正确。2.(水平1)在光合作用过程中物质分解与形成的过程中伴随着能量的转化,水的分解所需要的能量来自 ()【解析】选A。水的分解利用的能量来自光能。【补偿训练】光合作用包括光反应和暗反应两个阶段,下列参与暗反应必需的物质是 ()2O、CO2、ADP2、NADPH、ATP2O、CO2、ATPD.NADPH、H2O、ADP【解析】选B。光合作用暗反应过程包括CO2的固定和C3的还原,需要NADPH作为还原剂和进行酶的催化作用,并消耗能量。3.(水平1)(2019·全国卷Ⅰ)将一株质量为20g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40g,其增加的质量来自 ()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【解析】选A。本题考查光合作用的影响因素。植物生长过程中增重主要通过光合作用制造有机物,其主要过程是利用光能,将CO2和水合成储存能量的有机物,其中CO2来自空气。另外,植物体内蛋白质、核酸等有机物的合成还需要矿质元素,故A项正确。4.(水平2·教材“思考·讨论”改编)很多科学家为探索光合作用原理做了多次实验,下列关于部分科学家的实验叙述错误的是 ()A.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【解析】选B。阿尔农发现,在光照下,叶绿体可合成ATP。他还发现这一过程总是与水的光解相伴随。5.(水平2)如图所示为叶绿体中的某种结构及其上发生的物质和能量变化。下列叙述错误的是 ()A.图中的①是水分子B.光合色素分布在结构②上D.NADPH、O2和ATP都能用于暗反应【解析】选D。光反应产生的NADPH和ATP用于暗反应,O2释放出去或被线粒体利用。6.(水平1、2)(2020·山东合格考)如图是小麦叶肉细胞中光合作用过程示意图,其中①～④表示物质。回答下列问题:(1)反应Ⅰ是光合作用的________阶段,物质①是____。反应Ⅱ发生的场所是________,反应Ⅰ的产物①～③中,能为反应Ⅱ提供能量且作为还原剂的物质是______________(填序号)。

(2)若土壤中缺乏镁元素,则小麦叶肉细胞的叶绿体中合成量减少的色素是______________。在提取叶绿体中的色素时,向研钵中加入适量二氧化硅的目的是__________________________。

(3)反应Ⅱ中,④与C5结合生成C3的过程称为____________,如果突然停止④的供应,短时间内叶绿体中C3的含量将会________(填“增多”或“减少”),原因是__________________________________________。

【解析】(1)据图可知,反应Ⅰ是光合作用的光反应阶段,物质①是O2,②是NADPH,③是ATP,④是CO2。反应Ⅱ是暗反应阶段,其场所是叶绿体基质,能为暗反应提供能量且作为还原剂的物质是②NADPH。(2)镁是叶绿素的重要组成元素,缺镁植物体叶绿素的含量减少,加入二氧化硅的作用是有助于研磨充分。(3)反应Ⅱ是暗反应,④与C5结合生成C3的过程称为CO2的固定,突然停止④CO2的供应,CO2的固定减少,而短时间内C3的消耗量不变,C3的含量降低。答案:(1)光反应O2叶绿体基质②(2)叶绿素使研磨充分(3)CO2的固定减少突然停止CO2的供应,C3的合成量减少,而短时间内C3的消耗量不变【能力挑战题组】1.叶绿体中的类囊体有两种:基粒类囊体和基质类囊体(如图),基质类囊体能将单个基粒类囊体连接起来。下列有关叙述正确的是 ()2O在光下分解的过程只发生在基质类囊体上2的固定过程发生在基粒类囊体上【解析】选D。叶绿体中的色素分布于类囊体薄膜上,A错误;H2O的光解在两种类囊体上都能发生,因为其上均含有与光反应有关的酶和色素,B错误,D正确;CO2的固定发生在叶绿体基质中,C错误。2.科学家在实验室中发现,有一种叫RSTWS的物质可破坏细胞的膜结构,尤其对细胞内的双层膜结构破坏更为明显。若用RSTWS处理高等植物的叶肉细胞,则下列叙述正确的是 ()A.有氧呼吸第一阶段减弱,导致第二、三阶段减弱B.有氧呼吸第二阶段减弱,第一、三阶段不受影响C.与正常细胞相比,光照条件下该叶肉细胞中C3含量上升D.与正常细胞相比,光照条件下该叶肉细胞中C5含量上升【解析】选C。RSTWS可破坏细胞的膜结构,对双层膜结构的线粒体膜、叶绿体膜和类囊体膜的破坏更为明显,由于有氧呼吸第一阶段的场所是细胞质基质,第二和第三阶段的场所是线粒体,因此用RSTWS处理高等植物的叶肉细胞,有氧呼吸第一阶段不受影响,第二、三阶段减弱,A、B错误;类囊体薄膜是光合作用光反应的场所,光反应能为暗反应提供ATP和NADPH,因此用RSTWS处理高等植物的叶肉细胞,光反应产生的ATP和NADPH减少,影响C3的还原,导致C3含量上升,C5含量下降,C正确,D错误。3.(2020·江苏高考)大豆与根瘤菌是互利共生关系,如图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径,请据图回答下列问题:(1)在叶绿体中,光合色素分布在____________上;在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是H2O和____

。(2)如图所示的代谢途径中,催化固定CO2形成3-磷酸甘油酸(PGA)的酶在______________中,PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖,催化TP合成蔗糖的酶存在于____________。(3)根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成,氨基酸合成蛋白质时,通过脱水缩合形成______________键。(4)CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自____________;根瘤中合成ATP的能量主要源于______________的分解。(5)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物,与葡萄糖相比,以蔗糖作为运输物质的优点是__________________________。【解析】本题主要考查光合作用、蛋白质合成及ATP的有关知识。(1)在叶绿体中,光反应在类囊体薄膜上进行,色素吸收光能,光合色素分布在类囊体薄膜上;暗反应在叶绿体基质中进行,在酶催化下从外界吸收的CO2和基质中的C5结合形成两分子C3。(2)据图所示可知,CO2进入叶绿体基质形成PGA,推知催化该过程的酶位于叶绿体基质;然后PGA被还原,形成TP,TP被运出叶绿体,在细胞质基质中TP合成蔗糖,可推知催化该过程的酶存在于细胞质基质中。(3)NH3中含有N,可以组成氨基酸中的氨基,氨基酸合成蛋白质时,通过脱水缩合形成肽键。(4)光合作用的光反应中,叶绿体的色素吸收光能,将ADP和Pi合成为ATP;根瘤菌与植物共生,从植物根细胞中吸收有机物,主要利用糖类作原料进行细胞呼吸,释放能量,合成ATP。(5)葡萄糖是单糖,而蔗糖是二糖,以蔗糖作为运输物质,其溶液中溶质分子个数相对较少,渗透压相对稳定,而且蔗糖为非还原糖,性质较稳定。答案:(1)类囊体薄膜C5(2)叶绿体基质细胞质基质(3)肽(4)光能糖类(5)非还原糖较稳定素养发展·创新应用素材光呼吸与光合作用植物的叶肉细胞在光照下吸收O2,释放CO2。由于这种反应需叶绿体参与,并与光合作用同时发生,故称光呼吸。Rubisco是参与光呼吸的酶,催化方向取决于CO2和O2的浓度。当CO2浓度高而O2浓度低时,RuBP(C5)与进入叶绿体的CO2结合,经此酶催化生成PGA(C3