专题6光合作用2-2025版5 · 3B版 新高考版 讲解册

第1部分分子与细胞

专题6光合作用

生物学新高考、新教材适用体系透视重难透析题型透析考点1光合作用的原理及应用考点2光合作用与细胞呼吸的综合题型1光系统、光合电子传递和光合磷酸化（新考向）题型2光抑制、光呼吸和CO2的

浓缩机制（新考向）考点1光合作用的原理及应用一、捕获光能的色素1.绿叶中色素的提取和分离

提取分离

光合色素能够溶解于有机溶剂

(如无水乙醇)纸层析法:不同光合色素在层析

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

则慢实验步骤

(1)无水乙醇:溶解色素;(2)二氧化硅:使研磨充分;(3)碳酸钙:防止研磨中叶绿素被破坏

实验结果

(1)色素带的条数与色素种类有关,四条色素带说明有四种色素;(2)

色素带的宽窄与色素含量有关,色素带越宽说明此种色素含量越多;

(3)色素带扩散速度与溶解度有关,扩散速度越快说明溶解度越高2.光合色素的分布及功能(1)光合色素位于类囊体薄膜上,具有吸收、传递和转化光能的功能。(2)不同色素吸收光谱(如图)不同,其中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。易混易错

(1)叶绿体中的色素(即光合色素)≠液泡中的色素(如水溶性的花青素)≠

光敏色素,光敏色素是一种接收光信号的分子,调节植物的生长发育。(2)叶绿素的组成元素为C、H、O、N、Mg,类胡萝卜素的组成元素仅有C、H、O,故

土壤中缺少Mg可以使植株叶片黄化。二、光合作用的原理1.光合作用的过程

光反应暗反应场所类囊体薄膜叶绿体基质条件光、光合色素、酶、H2O、ADP、Pi、NADP+等酶、CO2、ATP、NADPH、C5等过程

物质变化(1)水的光解:2H2O

O2+4H++4e-;(2)ATP的合成:ADP+Pi+能量

ATP;(3)NADPH的合成:NADP++H++2e-

NADPH(还原型辅酶Ⅱ)(1)CO2的固定:CO2+C5

2C3;(2)C3的还原:2C3

(CH2O)+C5能量变化光能→ATP和NADPH中活跃的

化学能ATP和NADPH中活跃的化学能

→有机物中稳定的化学能化学反应式CO2+H2O

(CH2O)+O2联系(1)光反应为暗反应提供NADPH和ATP,暗反应为光反应提供NADP+、ADP和Pi;(2)暗反应有光、无光都能进行,若光反应停止,因NADPH和ATP还没有消耗完,暗反应可继续进行一段时间;若暗反应无法进行,则导致ATP和NADPH积累,从而抑制光反应进行环境改变时短时间内各物质含量变化的分析(1)

(2)

注意:分析物质含量变化时从来源和去路两个方面考虑,先考虑环境因素直接影响的物质,再考虑此物质含量变化对其他物质含量的影响知识拓展

光合作用的产物光合作用的产物主要是蔗糖、淀粉等糖类,蔗糖在细胞质基质中合成,淀粉在叶绿体基质中合成,蔗糖最终经过韧皮部(筛管)由叶片(源)运往其他器官(库)。由于蔗糖具有较高的水溶性和运输速率且性质稳定,因此蔗糖是糖类物质在植物体内运输的主要形式。

小表达

将分离得到的叶绿体悬浮在适宜溶液中,照光后有氧气释放。如果在该适宜

溶液中将叶绿体的双层膜破裂后再照光,

有

(填“有”或“没有”)氧气释

放,原因是类囊体膜是H2O分解释放O2的场所,叶绿体的双层膜破裂不影响类囊体膜的

功能

。

光合作用化能合成作用区别能量来源光能无机物氧化分解释放的

化学能代表生物绿色植物硝化细菌相同都能将CO2和H2O等无机物合成有机物2.光合作用和化能合成作用的比较三、光合作用的影响因素及应用

原理分析应用内部因素遗传特性(色素含量、酶的数量及活性等)、叶面积指数、叶龄等,如:阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物

低单因子外部因素光光照强度光照强度通过影响光反应ATP和NADPH的产生来影响暗反应,最终影响光合速率温室生产中,适当增加光照强度,以提高光合速率,使作物增产

光质光质影响光合作用强度,光合色素主要吸收红光和蓝紫光,几乎不吸收绿光温室大棚可根据需要选择适合的光源、玻璃或塑料薄膜单因子外部因素CO2浓度

农田“正其行、通其风”及温室大棚增施有机肥(微生物分解产生CO2)等均可增大CO2浓度,提高光合速率温度

温室大棚内增加昼夜温差,有助于植物有机物的积累矿质元素(1)N、Mg等是合成叶绿素所必需的矿质元素;(2)P参与ATP的形成根据作物的需肥规律适时、适量施肥,提高农作物产量水分(1)水是光合作用的原料;(2)缺水时,气孔开度减小,CO2吸收量减小根据作物的需水规律合理灌溉多因子外部因素

(1)A点前:限制因子主要为光照强度。(2)B点后:光照强度不再是限制因子,光合速率还受温度、CO2浓度等的影响温室栽培时,在一定光照强度下,白天适当提高温度(也可同时适当增加CO2浓度)可提高光合速率;当温度适宜时,可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率分析思路思路写出光合作用的相关反应式→结合反应物、生成物、反应条件进行分析实例如图为CO2浓度对光合速率的影响曲线,试分析B

点前,光合速率随CO2浓度增加而增大的原因。B

点后,CO2浓度增加而光合速率不再增加,试分析此

时限制光合速率的因素可能有哪些?思路分析第一步:写出CO2所涉及的光合作用过程:CO2+C5

2C3

(CH2O)+C5。第二步:分析。B点前,光合速率随CO2浓度增加而增大的原因:CO2↑→C3↑→(CH2O)↑→光合速率↑。B点后,CO2浓度增加,而光合速率不再增加,此时限制光合速率的因素有①反应物:C5含量不足;②反应条件:酶活性不够高或数量不足,ATP、NADPH的含量较低;③生成物:(CH2O)积累小表达

(1)大棚生产中,为什么多施有机肥能够提高作物的产量?有机肥中的有机物被土壤中的微生物分解成了CO2和无机盐,CO2是光合作用的原料,无机盐有利于植物生长

。(2)影响气孔开闭的因素有光照、含水量、植物激素、温度等

,气孔的开闭不是

(填“是”或“不是”)受单一因素的影响,举例说明:干旱会影响脱落酸(ABA)的合成,从而影响植物气孔开闭

。考点2光合作用与细胞呼吸的综合光合作用和细胞呼吸的联系物质转变

能量转化

植物“三率”分析

净光合速率=总光合速率-呼吸速率

净光合速率总光合速率呼吸速率参照主体细胞或植物体叶绿体线粒体(只考虑有氧呼吸)CO2吸收量固定量、消耗量、利用量释放量(黑暗)O2释放量产生量吸收量(黑暗)有机物积累量制造量、合成量消耗量(黑暗)植物“三率”分析“补偿点”和“饱和点”移动问题:分析时可利用“光合条件若变好,补偿饱和两边跑;光合条件若变差,补偿饱和中间靠”来判断,如:光合作用最适温度25℃,细胞呼吸最适温度30℃,若温度由30℃降至25℃,图中A、B、C三点分别向上(细胞呼吸速率减慢)、左(光合作用变强,若要光合作用等于呼吸作用,光照需变弱)、右(光合作用变强,可固定更多光能)一昼夜代谢曲线自然环境中:

图1密闭容器中:

图2图1中AB段及图2中FG段可见,在夏季午时左右,光照强、温度高,叶片部

分气孔关闭,CO2吸收速率降低,导致光合速率降低(即光合午休)

题型1光系统、光合电子传递和光合磷酸化(新考向)1.光系统:叶绿体进行能量转化需要依靠光系统,光系统是主要由光合色素和蛋白质结

合形成的大型复合物,包括光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ),光系统能将光能转化为

电能(2023湖北,8,2分)(2023山东,21,10分)。2.光合电子传递和光合磷酸化:光系统产生的高能电子沿光合电子传递链依次传递,促

使NADPH的形成,同时建立了H+浓度梯度。光合磷酸化即H+顺浓度梯度驱动ATP合

酶的运转,将ADP磷酸化为ATP的过程,该过程与有氧呼吸第三阶段类似,如图所示。

(2023湖北,8,2分)(2022重庆,23,14分)(2021重庆,6,2分)(2021湖南,18,12分)知识归纳

(1)光系统(PSⅠ、PSⅡ)分布在类囊体薄膜上,PSⅡ能进行水的光解,产生O2、H+和电子(e-);PSⅠ能介导NADPH的产生。光反应中,电子的供体是水,电子的最终

受体是NADP+。(2)H+进入类囊体腔的运输方式是主动运输,由高能电子供能;H+通过ATP合酶出类囊

体腔的运输方式是协助扩散。典例

(2021重庆,6,2分)如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图

分析,下列叙述错误的是

(

)

AA.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPHC.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应D.电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节

解析

水光解时,在类囊体腔中产生O2,若该O2被有氧呼吸利用,至少需穿过1层类囊体膜、叶绿体的内膜和外膜、线粒体的外膜和内膜,共5层膜,A错误。据图可以看出,

NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH;产生的ATP可用于暗反应、色素合成

及核酸代谢等消耗能量的反应,B、C正确。图中水光解后形成的电子(e-)经过一些传

递体的传递,同时形成类囊体腔内外的H+浓度差,再利用H+顺浓度梯度的跨膜运输产

生的能量来驱动ATP的合成,且电子(e-)与H+、NADP+结合形成NADPH,从而将光能转化为NADPH和ATP中活跃的化学能,D正确。题型2

光抑制、光呼吸和CO2的浓缩机制(新考向)1.光抑制和光呼吸光抑制定义强光抑制光合作用的现象产生机制及危害当光照强度超过叶绿体所能利用的最大光能时,过量光能会引起叶肉细胞内NADP+不足(光合色素过量吸收光能产生的电子会超过NADP+的可利用量),此时过量的电子导致光有毒物质(如活性氧)的产生。这些光有毒物

质会攻击PSⅡ中的D1蛋白、膜结构、核酸等物质,损坏光合结构,使光合速率下降(2023山东,21,10分)光呼吸(2024黑、吉、辽,21,12分)(2023湖南,17,12分)光呼吸与暗反应的关系

生理过程光呼吸与植物体内的酶——Rubisco有关,当叶肉细胞中CO2浓

度高时,该酶可催化C5固定CO2,进而合成有机物;当CO2浓度低

时,该酶可催化C5与O2反应,产生C3、磷酸乙醇酸,磷酸乙醇酸经

一系列反应产生CO2生理意义(1)光呼吸是进行光合作用的细胞为适应高光照及高O2、低CO2

的条件下,提高抗逆性而形成的一条代谢途径;(2)在干旱和高辐射等的环境中,气孔关闭,胞间CO2浓度降低,会

导致光抑制。此时光呼吸释放CO2,消耗多余能量,对光合器官

起保护作用,避免产生光抑制2.CO2的浓缩机制CO2浓度是限制光合作用的关键因素。因为Rubisco对CO2的亲和力较低,CO2浓度

过低时,其催化CO2固定的过程会受限制,并使光呼吸增强。所以,各类光合生物演化出

不同的机制来提高胞内CO2浓度,从而促进光合作用,降低光呼吸。途径主要内容意义C4途径

CO2首先在叶肉细胞内被固定在四碳化合物(草酰乙酸,这也是“C4”名字的由来)中,草酰乙酸转化为苹果酸,然后被运输到维管束鞘细胞中脱羧,放出的CO2在Rubisco催化下再与C5反应生成C3(2023湖南,17,12分)(2021辽宁,22,13分)(1)PEP羧化酶对CO2的亲和力极高,提高了C4植物固定CO2的能力;(2)PEP羧化酶起到“CO2泵”的作用,把CO2“压”进维管束细胞中,使Rubisco羧化部位的CO2浓度比C3植物的高很多,从而减少光呼吸,因而C4植物在强光下具

有比C3植物更高的光合速率;(3)维管束鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束,从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用CAM途径生活在干旱环境中的景天、仙人掌等植物夜间气孔开放,固定CO2生成苹果酸进入液泡;白天气孔关闭,储存的苹果酸脱羧,放出CO2,CO2进入卡尔文循环(2021全

国乙,29,11分)白天(高温),植物气孔关闭,避免

了水分散失,有利于植物在干旱

环境中生存蓝细菌羧化体途径

蓝细菌可通过主动运输(HC

进入光合片层膜)和羧化体来提高

Rubisco周围的CO2浓度易混易错

(1)C3植物与C4植物在光反应阶段完全相同。卡尔文循环(又称C3途径)是

碳同化(即固定CO2,形成糖类)的基本途径,可合成糖类等产物,C4途径和CAM途径都只

起固定、运转CO2的作用,最终还是通过C3途径合成光合产物。(2)CAM途径与C4途径基本相同,二者的主要差别在于C4植物中CO2固定和糖的合成是

在空间上(叶肉细胞和维管束鞘细胞)分开的,而CAM植物则是在时间上(黑夜和白天)

分开的。典例

(2023湖南,17,12分)如图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环

的Rubisco对CO2的Km为450μmol·L-1(Km越小,酶对底物的亲和力越大),该酶既可催化

RuBP与CO2反应,进行卡尔文循环,又可催化RuBP与O2反应,进行光呼吸(绿色植物在

光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影

响。与水稻相比,玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘,其中叶肉细胞叶绿体是水光解的

主要场所,维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞

中利用PEPC(PEPC对CO2的Km为7μmol·L-1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生

成C4,固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2,再进行卡尔文循环。回答下列问题:

(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是

3-磷酸甘油醛

(填具体名称),该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成

蔗糖

(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后,

再通过

筛管

长距离运输到其他组织器官。

(2)在干旱、高光照强度环境下,玉米的光合作用强度

高于

(填“高于”或“低

于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析,原因是

玉米的PEPC的Km小,可以利用低浓度的CO2;玉米的叶肉细胞光解水释放氧气,加上PEPC起到的CO2泵的作用,维管束鞘细胞内CO2/O2的值高,Rubisco的羧化大于加氧,光呼吸很弱;玉米的光合产物能及时从维管束运走

(答出三点即可)。(3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻,水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升,其他生

理代谢不受影响,但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化,其原因可能是

光反应生成的ATP、NADPH有限(同化力有限);暗反应的酶活性有限;光合产物输出速率有限

(答出三点即可)。