高中生物总复习讲解课件：专题6 光合作用

第1部分分子与细胞

专题6光合作用考点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

提取分离原理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

光反应暗反应物质变化(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,

(填“有”或“没有”)氧气释放,原因是

。有类囊体膜是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

原理分析应用单因子外部因素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原理分析应用多因子外部因素

(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?

。(2)影响气孔开闭的因素有

,气孔的开闭

(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

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光照、含水量、植物激素、温度等不是考点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)“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(2020北京,19,12分)(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)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

(2023通州期末,4)下图为高等植物叶绿体部分结构示意图,PSⅡ和PSⅠ系统是

由蛋白质和光合色素组成的复合物,下列相关说法错误的是

(

)A.PSⅡ和PSⅠ系统分布在高等

植物叶绿体内膜上B.H+向膜外转运过程释放的

能量为合成ATP供能C.PSⅡ和PSⅠ系统中的光合色

素属于脂溶性物质D.如果e-和H+不能正常传递给NADP+,暗反应的速率会下降A

解析

PSⅡ和PSⅠ系统是由蛋白质和光合色素组成的复合物,光合色素存在于类囊体薄膜上,A错误;H+向膜外转运过程中,电化学势能转化为ATP中活跃的化学能,为

ATP的合成提供能量,B正确;如果e-和H+不能正常传递给NADP+,会使NADPH的合成减

少,导致暗反应中C3的还原速率下降,D正确。题型2光抑制和光呼吸(新考向)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(2020北京,19,12分)(2023山东,21,10分)光呼吸(2023湖南,17,12分)(2022江苏,20,9分)光呼吸与暗反应的关系

生理过程光呼吸与植物体内一种双功能酶——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,避免产生光抑制典例

(2024西城期末,17)植物的光呼吸是在光下消耗氧气并释放CO2的过程,会导致

光合作用减弱、作物减产。研究人员为获得光诱导型高产水稻,在其叶绿体内构建一

条光呼吸支路(GMA途径)。(1)图1所示光呼吸过程中,O2与CO2竞争结合

,抑制了光合作用中的

阶段。同时乙醇酸从叶绿体进入过氧化物酶体在G酶的参与下进行代谢,造成碳流失进而导致水稻减产。(2)研究人员将外源G酶、A酶和M酶的基因导入水稻细胞,使其在光诱导下表达,并在叶绿体中发挥作用。检测发现,转基因水稻的净光合速率、植株干重等方面均高于对照组。可利用图2所示模型解释其原因,但图中存在两处错误,请圈出并改正。R酶暗反应/CO2的固定“A酶”改为“G酶”/“A酶”改为“G酶、M酶、A酶”;GMA途径使得CO2/O2↑

(3)研究人员测定了转基因水稻叶片中外源G酶基因的表达量,以及G酶总表达量随时

间的变化情况(图3)。①外源G酶基因表达量与PFD(代表光合有效光辐射强度)大致呈正相关,仅在14时明

显下降,由此推测外源G酶基因表达除光强外,还可能受

等因素的影响。②据图3可知,12~14时

,推测此时段转基因水稻光呼吸增强。(4)茎中光合产物的堆积会降低水稻结实率而减产,而本研究中GMA途径的改造并未降低水稻的结实率。结合上述研究将以下说法排序成合理解释:尽管GMA途径促进叶片产生较多光合产物→

→水稻茎中有机物不至于过度堆积而保证结实率。A.光呼吸增强使得光合产物未爆发式增加B.光合产物可以及时运输到籽粒C.G酶表达量的动态变化,使中午进入GMA途径的乙醇酸未显著增加气孔导度/CO2浓度/温度内源G酶表达量显著升高C→A→B

解析

(1)结合图1分析,R酶既能结合CO2催化其固定(暗反应阶段),也能结合O2催化生成2-PG(光呼吸),因此光呼吸过程中,O2与CO2竞争结合R酶,从而抑制了光合作用的

暗反应(或CO2的固定)。(2)结合图1信息:G酶催化乙醇酸转变为乙醛酸时消耗O2,降低O2浓度;M酶催化乙醛酸生成苹果酸,苹果酸进一步转化为丙酮酸(此过程产生CO2),丙酮酸进一步反应产生CO2,提高了细胞内的CO2浓度,上述过程导致CO2/O2↑,即图2中

GMA途径使得CO2/O2↑,乙醇酸→GMA途径中的“A酶”应改为“G酶”(或“G酶、M酶、A酶”)。(3)①14时光照强度强、温度高,易导致气孔导度下降,CO2吸收减少,再结合外源G酶基因表达量在14时明显下降,推测外源G酶基因表达除光强外,还可能与气孔导度/CO2浓度/温度等因素有关。②根据图3可知,与其他时段相比,12~14时,转基因水稻叶片中总G酶和外源G酶(在叶绿体中发挥作用)的表达量差值增大,说明内源G酶(在过氧化物酶体中发挥作用)表达量显著升高,可反映过氧化物酶体中乙醇酸含量升高,再结合图1中O2→2-PG→乙醇酸(转入过氧化物酶体中),推测此时段转基因水稻光呼吸增强。(4)分析物质含量的变化时,可从该物质的来源、去路两个角度考虑。

水稻茎中有机物未发生过度堆积的原因:①有机物来源不会爆发式增加,原因为C选项所述,即C→A;②有机物去路未被抑制或阻断,即B选项所述,故是C→A→B。题型3CO2的浓缩机制(新考向)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。途径主要内容意义蓝细菌羧化体途径

(2021天津,15,10分)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)(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途径主要内容意义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,吸收CO2,经一系列反应形成苹果酸,储存在液泡中;白天气孔关闭,苹果酸转移到细胞质基质中脱羧,放出CO2,进入卡尔文循环白天(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1

(2024丰台一模,3)CAM植物白天气孔关闭,夜晚气孔打开,以适应干旱环境,如

图为其部分代谢途径,相关叙述不正确的是

(

)

A.催化过程①和过程②所需的酶不同B.卡尔文循环的场所是叶绿体类囊体薄膜C.CAM植物白天气孔关闭可减少水分散失D.夜晚缺乏NADPH和ATP不能进行卡尔文循环B

解析

酶具有专一性,一种酶只能催化一种或一类化学反应,过程①和②是两个不同的过程,因此需要的酶不同,A正确。卡尔文循环是光合作用的暗反应过程,发生在叶

绿体基质中,B错误。CAM植物白天气孔关闭有利于减少蒸腾作用,减少水分的散失,C

正确。夜晚缺乏光照,CAM植物不能进行光反应,导致暗反应因缺乏NADPH和ATP而

无法进行,D正确。典例2

(2021天津,15,10分)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