专题05 细胞的能量供应和利用-2022年高考生物一轮复习知识点梳理与归纳

专题05 细胞的能量供应和利用
第1讲　细胞的能量“通货”——ATP

一、细胞的能量“通货”——ATP

1.组成元素有C、H、O、N、P
2.ATP的结构简式和简式中A、P所代表的含义。
(1)结构简式：A—P～P～P。
(2)A：腺苷； P：磷酸基团。

腺嘌呤
核糖
腺苷
高能磷酸键
三个磷酸基团
三磷酸腺苷：分子结构简式：A-P~P~P

—P~P~P

ADP A-P~P 二磷酸腺苷
AMP A-P（腺嘌呤核糖核苷酸），也叫一磷酸腺苷。
3. ATP功能：是生命活动的直接能源物质
4． ATP与ADP的相互转化

ATP中远离腺苷的高能磷酸键特别容易水解和重新生成


ATP和ADP之间的相互转化不是可逆反应
(1)反应条件不同：
ATP分解是一种水解反应，催化该反应的酶属于水解酶；而ATP合成是一种合成反应，催化该反应的酶属于合成酶。
(2)能量来源不同：
ATP水解释放的能量是储存在高能磷酸键内的化学能，供代谢消耗， 这个能量不能再反过来用于合成ATP，而合成ATP的能量主要有化学能和太阳能。
(3)反应场所不同：
ATP合成的场所是细胞质基质、线粒体和叶绿体（常考），而ATP分解的场所较多，凡是生命活动需要能量的地方都有ATP的分解。

3． ATP的形成途径
ATP在生物体内的含量较少但含量相对稳定
(1)动物和人：呼吸作用。(2)绿色植物：呼吸作用和光合作用。

5．能源物质为生命活动供能的过程

6. ATP产生速率与O2供给量之间的关系

① A点表示在无氧条件下，细胞可通过进行无氧呼吸分解有机物，产生少量ATP。
② AB段表示随O2供应量增多，有氧呼吸明显加强，通过有氧呼吸分解有机物释放的能量增多，ATP的产生速率随之增加。
③ BC段表示O2供应量超过一定范围后，ATP的产生速率不再加快，此时的限制因素可能是酶、ADP、磷酸等。
【思考感悟】归纳一下与能量有关的知识。

分类
内容
主要能源物质
糖类(提供70%左右的能量)
直接能源物质
ATP
最终能源
太阳能
储能物质
脂肪、淀粉(植物)、糖原(动物)
主要储能物质
脂肪
一般不供能的能源物质
蛋白质








第2讲 降低化学反应活化能的酶
一、酶的作用与本质
1、酶的化学本质：绝大多是酶是蛋白质，少数酶是RNA；反应前后不变。
（ 酶合成原料为氨基酸或核糖核苷酸酸）
2.酶的来源：活细胞（合成场所：核糖体或细胞核）
3.生理功能：具有催化作用（酶发挥作用场所：细胞内、细胞外或体外）
以胞吐方式出细胞。
实例：细胞内的酶：呼吸酶 胞外酶：唾液蛋白酶。

4.作用原理：降低化学反应的活化能（使反应在温和条件下快速进行 ）

二.酶的特性

1. 酶具有高效性
与无机催化剂相比，酶能更显著地降低反应的活化能（而不是提供能量）。
催化效率是无机催化剂的107～1013倍


由曲线可知：酶比无机催化剂的催化效率更高；酶只能缩短达到化学平衡所需的时间，不改变化学反应的平衡点。因此，酶不能改变最终生成物的量。
2.酶具有专一性
每种酶只催化一种或一类化学反应
表示酶专一性的图像（锁--钥学说）

图中A表示酶，B表示被催化的底物，C和D是产物
表示酶专一性的曲线

①在A反应物中加入酶A，反应速率较未加酶时的变化是明显加快，说明酶A能催化该反应。
②在A反应物中加入酶B，反应速率和未加酶时相同，说明酶B不能催该反应。
3. 温和性


(1)在最适宜的温度和pH条件下，酶的活性最高。温度和pH偏高或偏低，酶活性都会明显降低。
(2)强酸、强碱和高温能使酶永久失活，其原因是能破坏蛋白质的空间结构，引起蛋白质变性
（3）低温仅是降低酶的活性，由低温恢复至适宜温度时，酶活性可以恢复。
底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响：
1、在其他条件适宜、酶量一定的条件下，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，但当底物达到一定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。
2、在底物充足，其他条件适宜的条件下，酶促反应速率与酶浓度成正比。




总结提升

影响酶活性的几个相关曲线
①酶浓度对酶促反应的影响：在底物足够，其它条件固定的条件下，反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其它不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速度与酶浓度成正比，如下图①所示。
②底物浓度对酶促反应的影响：在底物浓度较低时，反应速度随底物浓度增加而加快，反应速度与底物浓度近乎：成正比，在底物浓度较高时，底物浓度增加，反应速度也随之加快，但不显著；当底物浓度很大且达到一定限度时，反应速度就达到一个最大值，此时即使再增加底物浓度，反应也几乎不再改变。如下图②所示。③pH对酶促反应的影响 ④温度对酶促反应的影响



　　



总结：酶的催化效率受多种因素影响；其中过酸过碱，高温能够使酶的空间结构遭到破坏，从而使酶失活。
酶与激素的比较

项目
酶
激素
来源及作用场所
活细胞产生；细胞内或细胞外
专门的内分泌腺或特定部位细胞产生；细胞外发挥作用
化学本质
绝大多数是蛋白质，少数是RNA
固醇类、多肽、蛋白质、氨基酸衍生物、脂质等
生物功能
催化作用
调节作用
共性
在生物体内均属高效能物质，即含量少、作用大、生物代谢不可缺少

设计实验(摘自高中生物颖韬工作室）
1． 实验设计概述 实验题按能力要求可划分为四大题型：
（1）实验分析题型——根据提供的实验方案，分析其中的步骤、现象、结果，作出解答。（2）实验方案的纠错或完善题型——对实验方案中的错误或不完善处，进行改正、补充，使实验方案趋于完善。
（3）实验设计题型（验证性实验；探究性实验）——根据题目提供的条件，自行设计实验方案。
（4）实验有关的综合类题型——以实验为背景，主要涉及代谢、遗传和生态相关知识。
所有实验设计的主要问题就是“六依托”，即细心审题、原理分析、材料分析、变量分析、结果分析和正确表达。
不管哪种类型的实验都不同程度上涉及到对照原则，这要求遵循：
（1）单因子变量原则：即控制其他因素不变，只改变其中某一因素，观察其对实验结果的影响，不论一个实验有几个因子都应做到一个实验因子对应观察一个反应因子。
（2）设立对照原则：通过设立对照可消除无关因子对结果的影响，增加实验的可信
度。在实验过程中要设立实验组和对照组。
实验组：是接受实验变量处理的对象组。
对照组：亦称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组。
至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的。这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的、被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型：
（1）空白对照 指不做任何实验处理的对象组。例如在“生物组织中可溶性糖的鉴定”的实验中，假如用两个试管，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增加了说服力。
（2）自身对照 指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，则是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。
（3）条件对照 指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的，或不是所要研究的处理因素。例如，“动物激素饲喂小动物”实验，其实验设计方案是：甲组：饲喂甲状腺激素(实验组);乙组：饲喂甲状腺抑制剂(条件对照组);丙组：不饲喂药剂(空白对照组)。显然，乙组为条件对照。该实验既设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较．对照，更能充分说明实验变量---甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。
（4）相互对照 指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照。如“植物激素与向光性向重力性实验”和“温度对唾液淀粉酶活性的影响的实验”中，所采用的都是相互对照，较好地平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果具有说服力。
2．实验设计的具体方法
 实验设计往往是解答实验题的难点，但只要理清思路，找准方法和突破口，也能化难为易。实验的设计可遵循以下思路和方法进行。
（1）首先确定实验目的，并对其去粗取精，提炼要点，确定是验证性实验还是探究性实验。
（2）运用所学知识，找准实验原理，并要做到对原理理解透彻，这是实验设计的依据。理解实验原理对实验设计的重要作用，每一个生物实验材料的选择、实验装置的确定、实验步骤和实验方法的安排都不是随意的、盲目的，而是有其实验原理作为依据的。实验现象和实验结果的预期也是依据实验原理而作出的。
（3）根据实验原理，对照实验目的，通过初步分析，在头脑中搜寻教材上或曾做过的实验模型，初步形成大致方案，实验设计大多与单因子变量和对照实验有关。
（4）结合实验所给的条件，选取适当的方法（简便性原则），开始草拟具体步骤方案，设计具体步骤后，要顺藤摸瓜，通过实验结果（现象）的判断，分析综合得出实验结论。
（5） 回归检验
看看自己设的实验是否存在科学性原则，紧扣实验原理来进行分析；是否有遗漏的地方；是否还有其它可能性存在，即检验实验的严密性、科学性问题。实验设计的检验过程最终应该对照实验原理，回归实验目的。
（6）实验设计中反应变量的确定和控制
 生物实验设计中，反应变量的确定非常重要，因为任何一个科学实验的结论都是从反应变量所表现出的数量、质量或状态的事实中推导或分析出来的。生物实验中很多反应变量就是实验条件。设计实验时，应该根据实验目的和实验原理来确定对实验结果有影响的反应变量。
 同时，对其他无关变量或非研究变量应进行控制。对变量的控制所要遵循的原则是对照原则，即控制其他因素不变，而只改变其中一个因素（反应变量），观察其对实验结果的影响。通过对照的建立，达到对变量的控制，这是生物实验设计的灵魂。



第3讲 细胞呼吸
一、细胞呼吸的方式
1.细胞呼吸概念：是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。
2、实质：分解有机物，释放能量
（一）有氧呼1、反应式：C6H12O6＋6H2O＋6O2 6CO2＋12H2O＋能量。



2、过程


第一阶段
第二阶段
第三阶段
场所
细胞质基质
线粒体
线粒体
反应物
葡萄糖
丙酮酸和水
[H]和氧气
生成物
丙酮酸、[H]、ATP
CO2、[H]、ATP
H2O、ATP
能量
少量
少量
大量








3． 在有氧呼吸总反应式中标出氧元素的来源和去路

（三）无氧呼吸
1.场所：细胞质基质。
2.条件：无氧和多种酶。
3.过程：第一阶段与有氧呼吸第一阶段相同。
第二阶段的产物是酒精和二氧化碳或乳酸。
其全过程都在细胞质基质中进行。
注意：无氧呼吸第二阶段生成的能量较少，不足以ATP的生成；只有第一阶段释放能量，生成少量ATP
4.反应式：
（1）转化成乳酸的反应式：C6H12O6 2C3H6O3＋能量。
（动物，马铃薯块茎，玉米胚，甜菜块根，乳酸菌）

（2）分解成酒精的反应式：C6H12O6 2C2H5OH＋2CO2＋能量。
(植物、酵母菌)
不同生物无氧呼吸的产物不同，其直接原因在于催化反应的酶不同，根本原因在于控制酶合成的基因不同。无氧呼吸只释放少量能量，其余能量储存在分解不彻底的氧化产物——酒精或乳酸中。水稻等植物长期水淹后烂根的原因是无氧呼吸产生的酒精对细胞有毒害作用。玉米种子烂胚的原因是无氧呼吸产生的乳酸对细胞有毒害作用。
（四）细胞呼吸的意义
1、为生物体的生命活动提供能量
产生能源物质 ATP → 用于各项生命活动（光合作用自给自还）
2、为体内的其他化合物的合成提供原料
如葡萄糖分解的中间产物丙酮酸是合成丙氨酸的原料

实验 ： 探究酵母菌细胞的呼吸方式（对比实验，没有对照组，只有实验组）
实验原理
1．酵母菌是单细胞真菌 兼性厌氧型（可在成熟的葡萄皮上寻找）
2、CO2的检测：
①澄清石灰水变浑浊
②溴麝香草酚蓝水溶液（BTB试剂）蓝→绿→黄

3、酒精的检测：橙色的重铬酸钾酸性溶液与乙醇反应变灰绿色

2．实验装置


盛NaOH的锥形瓶作用，洗除空气中的CO2、
5、实验结论
酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。在有氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量的二氧化碳和水；在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精，还产生少量的二氧化碳。
【思考感悟】参与有氧呼吸的酶分布场所有哪些？
细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。
4. 比较有氧呼吸和无氧呼吸
项目
有氧呼吸
无氧呼吸
不同点
场所
细胞质基质和线粒体
细胞质基质
条件
需O2、酶
不需O2、需酶
产物
CO2、H2O
酒精和CO2或乳酸
能量
大量
少量
特点
有机物彻底分解，能量完全释放
有机物没有彻底分解，能量没有完全释放
相
同
点
联系
葡萄糖分解为丙酮酸阶段完全相同
实质
分解有机物，释放能量，合成ATP
意义
为生物体的各项生命活动提供能量


影响细胞呼吸的环境因素及应用

1． 温度
(1)曲线模型：如右图。
(2)解读：温度通过影响与细胞呼吸有关酶的活性来影响呼吸速率。
①最适温度时，细胞呼吸最强。
②超过最适温度时，呼吸酶活性降低，甚至变性失活，细胞呼吸受抑制。
③低于最适温度呼吸酶活性下降，细胞呼吸受抑制。
(3)应用：①低温下贮存蔬菜水果。
②温室栽培中增大昼夜温差(降低夜间温度)，以减少夜间呼吸消耗有机物，增加产量。
2． O2浓度
(1)曲线

(2)解读
①O2浓度低时，无氧呼吸占优势。
②随O2浓度增大，无氧呼吸逐渐被抑制，有氧呼吸不断加强。
③当O2浓度达到一定值后，随O2浓度增大，有氧呼吸不再加强(受呼吸酶数量等因素的影响)。
（3)应用：
I:贮藏水果、蔬菜、种子时，降低O2浓度，以减少有机物消耗，但不能无O2，否则产生酒精过多，导致腐烂。
II: 作物栽培需中耕松土，防止土壤板结，促进根细胞有氧呼吸，保证能量供应，促进矿质元素的吸收。
III:“创可贴”包扎伤口，为伤口创造疏松透气的环境，从而防止厌氧菌繁殖。
IV;工业发酵罐酿酒，先通气让酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，后密封让酵母菌进行无氧呼吸产生酒精。
V:提倡慢跑，防止无氧呼吸产生乳酸使肌肉酸胀。
O2浓度为零时，细胞呼吸强度并不为零，因为细胞可进行无氧呼吸。
(疑难点)

多数考生对本曲线的分析存在盲点，也很容易出错，现总结如下：
(1)点的含义
R点：只进行无氧呼吸；
P点之前：有氧呼吸与无氧呼吸共存，CO2释放总量＝有氧呼吸释放量＋无氧呼吸释放量；P点及其以后：只进行有氧呼吸。
Q点：释放的CO2量最少，细胞总体呼吸最弱，为种子、蔬菜、水果贮存的最佳点。
B点：有氧呼吸吸收的O2量(或释放的CO2量)等于无氧呼吸释放的CO2量。
(2)线的含义
两种呼吸方式同时存在的区段是RQP；RQ区段CO2生成量急剧减少的原因是随着O2浓度增加，无氧呼吸受到抑制；区域ORP的面积表示无氧呼吸产生的CO2量。
曲线解读
ATP产生量与O2供应量的关系图示如下，
解读：(1)AB段表示在一定范围内，ATP产生量随O2供应量的增大而增多。
(2)BC段：当O2供应量达到一定值时，ATP产生量不再增加，这是由于细胞中ATP的量很少，且处于一种动态平衡中。(因酶、有机物、ADP、磷酸有限)
(3)A点表示：无O2条件下，细胞进行无氧呼吸也能产生少量ATP。
(4)若横坐标为呼吸强度，ATP产生量曲线应从原点开始。

3． 含水量
(1)曲线如图。

(2)解读：在一定范围内，细胞呼吸速率随含水量的增加而加快，随含水量的减少而减慢。当含水量过多时，呼吸速率减慢，甚至死亡。
(3)应用：a:作物栽培中，合理灌溉。
b:种子晾晒后再储存。
C:稻田需要定期排水，促进根细胞有氧呼吸，防止无氧呼吸产生的酒精毒害细胞。
4． CO2浓度
(1)曲线如右图。
(2)解读：CO2是细胞呼吸的产物，对细胞呼吸具有抑制作用。
(3)应用：在蔬菜、水果保鲜中，增加CO2浓度(或充入N2)可抑制细胞呼吸，减少有机物的消耗。
粮食种子保存：零上低温、低氧、干燥
果蔬贮藏：零上低温、低氧、中等湿度。





第4讲　能量之源——光与光合作用

一、捕获光能的色素（“绿叶中色素的提取和分离”的实验分析）
（一）原理解读：
1、色素的提取：可以用无水乙醇（或丙酮）作溶剂提取绿叶中的色素，而不能用水，因为叶绿体中的色素不能溶于水。
2、色素的分离：利用色素在层析液中的溶解度不同进行分离，溶解度大的在滤纸上扩散得快，反之则慢。
（二）实验流程图示：


1、提取色素：（1）称取绿叶；（2）剪碎；（3）研磨：加入少许SiO2、CaCO3和10mL无水乙醇；（4）过滤：漏斗基部放一块单层尼龙布；（5）收集滤液。


对着光：绿色 背着光：看红色



选材：应选取鲜嫩、颜色深绿的叶片，以保证含有较多的色素。
2、制备滤纸条：（1）长与宽略小于试管，在一端剪去两角；（2）在距剪去两角的一端1cm处画铅笔线。

3、画滤液细线：（1）沿铅笔线画一条直且均匀的滤液细线(滤液细线要细、直使各色素扩散的起点相同)

（2）干燥后，再画一两次。(干燥后重复画一两次，使滤液细线既有较多的色素)
4、色素分离：将滤液条插入有3mL层析液的试管中，有滤液细线的一端朝下。
(滤液细线不要触及层析液，否则滤液细线中的色素分子将溶解到层析液中，滤纸条上得不到色素带)

5、观察结果：滤纸条上色素带有四条，如图




6.结果分析：
①从色素带的宽度可知色素含量的多少依次为：叶绿素a ＞叶绿素b ＞叶黄素 ＞ 胡萝卜素
②从色素带的位置可知色素在层析夜中溶解度大小依次是：胡萝卜素 ＞ 叶黄素 ＞ 叶绿素a ＞ 叶绿素b
③在滤纸上距离最近的两条色素带是叶绿素a 与叶绿素b ，距离最远的两条色素带是胡萝卜素与叶黄素。

7．实验创新：在本实验中在圆形滤纸中央点上叶绿体色素的提取液进行层析，会得到近似同心的四个色素环，由内到外依次是黄绿色、蓝绿色、黄色、橙黄色。
【核心考点】叶绿体中色素的提取与分离试验有关事项
(1）色素分离和提取的原理经常考察，易混淆。
(2）在研磨时加入碳酸钙的作用是防止色素被破坏，加入二氧化硅的作用是有助于研磨。过滤时用的是单层尼龙布。
(3）画滤液细线时，用力要均匀，速度要适中。
(4）研磨要迅速、充分。 a．因为丙酮容易挥发； b．为了使叶绿体完全破裂，从而能提取较多的色素； c．叶绿素极不稳定，能被活细胞中的叶绿素酶水解而被破坏。
(5）制备滤纸条时，要将滤纸条的一端剪去两角，这样可以使色素在滤纸条上扩散均匀，便于观察实验结。
（6）放置滤纸时，滤液细线必须在层析液上面。

※叶绿体色素的功能：吸收，传递（4种色素），转化光能（只有少量的叶绿素a把光能转为电能）
（三）色素的吸收光谱：叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。

（四）实验中几种化学试剂的作用：
1、无水乙醇用于提取绿叶中的色素。
2、层析液用于分离绿叶中的色素。
3、二氧化硅使研磨充分。
4、碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏。
（五）色素提取液呈淡黄绿色的原因分析：
1、研磨不充分，色素未能充分提取出来。
2、称取绿叶过少或加入无水乙醇过多，色素溶液浓度小。
3、未加碳酸钙或加入过少，色素分子部分被破坏。
4. 使用放置数天的菠菜叶
（六）不同颜色温室大棚的光合速率：
1、无色透明大棚日光中各色光均能透过，有色大棚主要透过同色光，其他光被其吸收，所以用无色透明的大棚光合效率最高。
2、叶绿素对绿光吸收量少，因此绿色塑料大棚光合速率最低。
（七）影响叶绿素合成的因素：
1、光照：光是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而叶片发黄。（例如韭黄，蒜黄）
2、温度：温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成。低温（秋末）时，叶绿素分子易被破坏，而使叶子变黄。
3、必需元素：叶绿素中含N、Mg等必需元素，缺乏N、Mg将导致叶绿素无法合成，叶变黄。另外，Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也将导致叶绿素合成受阻，叶变黄。
二．叶绿体的结构和功能
(1)结构示意图.

叶绿体：叶绿体有两层膜，与光反应有关的酶分布在类囊体上，与暗反应有关的酶在基质中；捕获光能的色素位于类囊体的薄膜上。叶绿体内含有DNA ,RNA，核糖体等，是半自主性细胞器。
叶绿体功能：光合作用的场所

色素与叶片的颜色
正常
绿色
正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3∶1，且对绿光吸收最少，所以正常叶片总是呈现绿色
叶色
变黄
寒冷时，叶绿素分子易被破坏，类胡萝卜素较稳定，显示出类胡萝卜素的颜色，叶子变黄
叶色
变红
秋天降温时，植物体为适应寒冷，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶子呈现红色

光合作用的探索历程
光合作用发现史中的经典实验分析
二、探究历程
1、1771 英国，普利斯特利：植物可以更新空气。
（限于当时的科学水平限制，没有明确植物更新气体的成分）



2、1779 荷兰，英格豪斯：植物只有绿叶才能更新空气；并且需要阳光才能更新空气。


3、1864德国萨克斯的实验：叶片在光下能产生淀粉；还证明了光是光合作用的必要条件。







黑暗中饥饿处理的绿叶 一半曝光 碘蒸气 变蓝

一半遮光 碘蒸气 不变蓝

在加碘蒸气之前加热酒精对叶片脱绿，使细胞膜，叶绿体膜破坏，另色素溶解在酒精中。
(1)自身对照，自变量为照光和遮光（2）实验关键是饥饿处理
4、1880美国，恩吉(格)尔曼：光合光合作用的场所在叶绿体。光合作用主要吸收红光和蓝紫光
实验材料：水绵（叶绿体呈带状，易观察），好氧细菌





自身对照（光照和黑暗）
结论：光合作用的场所是叶绿体
5、1940美国，鲁宾和卡门（用放射性同位素标记法）：光合作用释放的氧全部来自参加反应的水。（糖类中的氢也来自水）。


H218O+CO2→植物→18O2
H2O+C18O2→植物→O2

设置了对照实验，自变量是标记物（H2O和CO2）,因变量是O2的放射性
6、1948 美国卡尔文：用标14C标记的CO2追踪了光合作用过程中碳元素的行踪，进一步了解到光合作用中复杂的化学反应。
（同位素标记法）（用小球藻）
14CO2→14C3→(14CH2O)(卡尔文循环)
结论：CO2中的碳转化为有机物中的碳

　二 光合作用
1、概念：
指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转变成储存能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
2、过程：



（1）光反应 （叶绿体基粒囊状结构上）

条件：有光 、色素、酶
场所：叶绿体类囊体薄膜

过程：① 水的光解：
② ATP的合成：（光能→ATP中活跃的化学能）
能量变化：光能转变为ATP中的活跃的化学能
（2）暗反应(叶绿体基质)

条件：有光和无光 、酶
场所：叶绿体基质
过程：①CO2的固定：
② C3的还原：
（ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能）

3、总反应式：

光能
CO2 + H2O （CH2O）+ O2
叶绿体

4、实质：把无机物转变成有机物，把光能转变成有机物中的化学能












光照和二氧化碳浓度改变引起的C3 ， C5 和［H］，ATP的变化
二、农业生产中提高光能利用率采取的方法:
延长光照时间 如：补充人工光照、多季种植（轮作）
增加光照面积 如：合理密植、套种（间作）
光照强弱的控制：阳生植物（强光），阴生植物（弱光）
增强光合作用效率 适当提高CO2浓度：施农家肥
适当提高白天温度（降低夜间温度）
必需矿质元素的供应
三、化能合成作用
（一）概念：某些细菌利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用。
（二）实例：硝化细菌能利用NH3氧化成HNO2和HNO3时所释放的化学能，将二氧化碳和水合成为糖类。
土壤中硝化细菌的化能合成作用


（三）自养生物和异养生物
1、自养生物：绿色植物和硝化细菌都能将无机物转化为自身组成物质，因此属于自养生物。
2、异养生物：人、动物、真菌以及大多数细菌只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动，属于异养生物。
【思考感悟】绿色植物和硝化细菌在代谢方面的异同点是什么？
相同点：都能将无机物合成有机物，即都是自养生物。不同点：在合成有机物时利用的能量不同，绿色植物利用光能，硝化细菌利用无机物氧化时释放的化学能。
环境因素对光合作用强度的影响及及其在生产上的应用
实验 探究光照强度对光合作用强度的影响及应用
（一）实验流程
1、打出小圆形叶片（30片）：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出（直径＝1cm）。

2、抽出叶片内气体：用注射器（内有清水、小圆形叶片）抽出叶片内气体（O2等）。

3、小圆形叶片沉水底：将内部气体逸出的小圆形叶片放入黑暗处盛清水的烧杯中，小圆形叶片全部沉到水底。

4、对照实验及结果

小圆形叶片
加富含CO2的清水
光照强度
叶片浮起数量
甲
10片
20mL
强
多
乙
10片
20mL
中
中
丙
10片
20mL
弱
少



（二）实验结论：在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强（小圆形叶片中产生的O2多，浮起的多）。

一.光照强度与光合作用速率的影响分析

1.原理分析：光照强度影响光合速率的原理是通过影响光反应阶段，制约ATP和[H]的产生，进而制约暗反应阶段。
2、曲线分析：
A点：光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放的CO2量可表示此时细胞呼吸的强度。
AB段：随光照强度增强，光合作用强度也逐渐增强，CO2释放量逐渐减少，这是因为细胞呼吸释放的CO2有一部分用于光合作用，此时细胞呼吸强度大于光合作用强度。
B点：细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度（光照强度只有在B点以上时，植物才能正常生长），B点所示光照强度称为光补偿点。
BC段：表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以上不再加强了，C点所示光照强度称为光饱和点。
2、应用：阴生植物的B点前移，C点降低，如图中虚线所示，间作套种农作物的种类搭配，林带树种的配置，可合理利用光能；适当提高光照强度可增加大棚作物产量。
二、CO2浓度对光合作用强度的影响
1.原理分析：CO2浓度影响光合作用的原理是通过影响暗反应阶段，制约C3生成。
2.曲线分析

图1和图2都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增大而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用速率不再增加。
图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。
图1和图2中的B和B′点都表示CO2饱和点。
（二）应用：在农业生产上可以通过“正其行、通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光能利用率。
三、温度对光合作用速率的影响

（一）曲线分析：温度主要是通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合作用速率。
（二）应用：冬天，温室栽培可适当提高温度，也可适当降低温度。白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用；晚上适当降低温室温度，以降低细胞呼吸，保证植物有机物的积累。
四、必需元素供应对光合速率的影响

（一）曲线分析：在一定浓度范围内，增大必需元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高而导致植物渗透失水而萎蔫。
（二）应用：根据作物的需肥规律，适时、适量地增施肥料，可提高农作物产量。
五、水分的供应对光合作用速率的影响
（一）影响：水是光合作用的原料，缺水既可直接影响光合作用，又会导致叶片气孔关闭，限制CO2进入叶片，从而间接影响光合作用。




植物的午休现象
（二）应用：根据作物的需水规律合理灌溉。
六.光照面积

①图像分析：OA段表明随叶面积的不断增大，光合作用实际量不断增大，A点为光合作用面积的饱和点。随叶面积的增大，光合作用强度不再增加，原因是有很多叶被遮挡，光照不足。
OB段表明干物质量随光合作用增加而增加，而由于A点以后光合作用强度不再增加，但叶片随叶面积的不断增加，呼吸量(OC段)不断增加，所以干物质积累量不断降低(BC段)。
②应用分析：适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免徒长。封行过早，使中下层叶子所受的光照往往在光补偿点以下，白白消耗有机物，造成不必要的浪费。
七、内部因素对光合作用速率的影响
1．同一植物的不同生长发育阶段


曲线分析：在外界条件相同的情况下，光合作用速率由弱到强依次是幼苗期、营养生长期、开花期。
应用：根据植物在不同生长发育阶段光合作用速率不同，适时、适量地提供水肥及其他环境条件，以使植物茁壮成长。
2．同一叶片的不同生长发育时期

曲线分析：随幼叶发育为壮叶，叶面积增大，叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，光合速率增大；老叶内叶绿素被破坏，光合速率随之下降。
应用：农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶及茎叶蔬菜及时换新叶，都是根据其原理，可降低其细胞呼吸消耗的有机物。
八、多因子变量对光合作用速率影响的分析(外界因素)

(1)曲线分析：P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的因素，要想提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法。
(2)应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合作用酶的活性，提高光合速率，也可同时充入适量的CO2进一步提高光合速率，当温度适宜时，要适当提高光照强度和CO2浓度以提高光合速率。

光合作用与细胞呼吸的计算：
（一）光合作用速率表示方法：通常以一定时间内CO2等原料的消耗或O2、（CH2O）等产物的生成数量来表示。但由于测量时的实际情况，光合作用速率又分为表观光合速率和真正光合速率。
（二）在有光条件下，植物同时进行光合作用和细胞呼吸，实验容器中O2增加量、CO2减少量或有机物的增加量，称为净光合速率（表观光合速率），而植物总光合速率(真正光合速率)＝净光合速率＋呼吸速率。如图所示：

欲使植物正常生长，则必须使光照强度大于B点对应的光照强度
（三）呼吸速率：将植物置于黑暗中，实验容器中CO2增加量、O2减少量或有机物减少量，即表示呼吸速率。
（四）一昼夜有机物的积累（用CO2量表示）可用下式表示：积累量＝白天从外界吸收的CO2量－晚上呼吸释放的CO2量。
在相对密闭的环境中，一昼夜CO2含量的变化曲线图


(1)如果N点低于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量增加(即植物生长)；
(2)如果N点高于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量减少；
(3)如果N点等于M点，说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量不变；
(4)CO2含量最高点为c点，CO2含量最低点为e点。







影响光合作用速度的曲线分析及应用（画在表格内，方便同学们学习）Ⅰ、影响光合作用速度的曲线分析及应用
因素
图像
关键点的含义
在生产上的应用
单因子影响
光照强度

A点光照强度为0，此时只进行呼吸作用，释放CO2的量，表明此时的呼吸强度。AB段表明随光照强度加强，光合作用逐渐加强，CO2的释放量逐渐减少，有一部分用于光合作用；到B点时，呼吸作用释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度=呼吸作用强度，称B点为光补偿点(植物白天光照强度应在光补偿点以上，植物才能正常生长)。BC段表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以上不再加强了。C点为光合作用的饱和点。

(1)适当提高光照强度
(2)延长光合作用时间(例：轮作)
(3)对温室大棚用无色透明玻璃
(4)若要降低光合作用则用有色玻璃。如用红色玻璃，则透红光吸收其他波长的光，光合能力较白光弱。但较其他单色光强。
光合面积


OA段表明随叶面积的不断增大，光合作用实际量不断增大，A点为光合作用面积的饱和点，随叶面积的增大，光合作用不再增强，原因是有很多叶被遮挡在光补偿点以下。OB段干物质量随光合作用增强而增加，而由于A点以后光合作用量不再增加，而叶片随叶面积的不断增加OC段呼吸量不断增加，所以干物质积累量不断降低如BC段。植物的叶面积指数不能超过C点，若超过C点，植物将入不敷出，无法生活下去。
适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免陡长，封行过早，使中下层叶子所受的光照往往在光补偿点以下，白白消耗有机物，造成不必要的浪费。温室栽培植物时，可增加光合作用面积，合理密植是增加光合作用面积的一项重要措施。
二氧化碳浓度

CO2是光合作用的原料，在一定范围内，CO2越多，光合作用速率越大，但到A点时，即CO2达到饱和时，就不再增加了
温室栽培植物时适当提高室内CO2的浓度，如释放一定量的干冰或多施有机肥，使根部吸收的CO2增多。大田生产“正其行，通其风”，即为提高CO2浓度、增加产量
温度

光合作用是在酶催化下进行的，温度直接影响酶的活性。一般植物在10℃～35℃下正常进行光合作用，其中AB段(10℃～35℃)，随温度的升高而逐渐加强，B点(35℃)以上光合酶活性下降，光合作用开始下降，40℃～50℃光合作用几乎完全停止
(1)适时播种
(2)温室栽培植物时，白天适当提高温度，晚上适当降温
(3)植物“午休”现象的原因之一
叶龄

OA段为幼叶，随幼叶的不断生长，叶面积不断增大，叶内叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，光合作用速率不断增加。AB段为壮叶，叶片的面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合速率也基本稳定。BC段为老叶，随叶龄的增加，叶片内叶绿素被破坏，光合速率也随之下降
农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶及茎叶蔬菜及时换新叶，都是根据其原理。又可降低其呼吸作用消耗有机物
矿质元素
矿质元素是光合作用的产物——葡萄糖进一步合成许多有机物时所必需的物质。如缺少N，就影响蛋白质(酶)的合成；缺少P就会影响ATP的合成；缺少Mg就会影响叶绿素的合成
合理施肥可促进叶片面积增大，提高酶的合成率，提高光合作用速率
多因子影响
图像

含义
P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，横坐标所表示的因子，不再是影响光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取适当提高图示的其他因子
应用
温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当充加CO2，进一步提高光合速率。当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合作用速率。总之，可根据具体情况，通过增加光照强度，调节或增加CO2浓度来充分提高光合效率，以达到增产的目的