2024届苏教版高考生物一轮复习探索光合作用及其过程学案

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第4课时　探索光合作用及其过程课标要求　说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。1．探索光合作用原理的部分实验时间/发现者内容1627～1632年海尔蒙特光合作用需要水1779年英格豪斯光合作用产生O21864年萨克斯光合作用产生淀粉1937年希尔在离体叶绿体的悬液中加入草酸铁，在光照下可以释放出氧气1941年鲁宾、卡门用同位素标记法研究了光合作用中氧气的来源：H218O＋CO2―→植物―→18O2，H2O＋C18O2―→植物―→O2，得出光合作用释放的氧全部来自水19世纪80年代恩格尔曼光合作用的场所在叶绿体中，叶绿体中含有吸收红光和蓝光的物质，并在光下产生O2 2.光合作用过程(1)光合作用过程图解项目光反应暗反应场所叶绿体类囊体膜叶绿体基质条件光、色素、酶酶、NADPH、ATP等物质变化①2H2OO2＋4H＋＋4e－②NADP＋＋H＋＋2e－NADPH③ADP＋PiATP　　　　　　　①CO2＋C52C3②2C3(CH2O)＋C5能量变化联系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。 源于必修1 P88正文：①叶绿体中的各种光合色素都能吸收光能，但只有某些基态叶绿素分子可以将光能转化为电能。②光反应过程包括水的裂解、电子传递、ATP生成和NADP＋还原，能量转换是把光能转换为电能再转换为活跃的化学能。暗反应是将CO2、ATP和NADPH转变为磷酸丙糖的复杂生化反应，在能量转换方面把活跃的化学能转化为稳定的化学能储存在糖类中。(2)反应式①产物为(CH2O)：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。②产物为C6H12O6：6CO2＋12H2OC6H12O6＋6O2＋6H2O。③元素的转移途径a．H：3H2ONADPH(C3H2O)。b．C：14CO214C3(14CH2O)。c．O：H218O18O2；C18O2C3(CH218O)。源于必修1 P89“小字部分”：光合作用和化能合成作用的比较项目光合作用化能合成作用区别能量来源光能无机物氧化释放的能量代表生物绿色植物硝化细菌相同点都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 3.环境改变时光合作用各物质含量的变化(1)“来源－去路”法(2)“模型法”①图1中曲线甲表示C3，曲线乙表示C5、NADPH、ATP。②图2中曲线甲表示C5、NADPH、ATP，曲线乙表示C3。③图3中曲线甲表示C5、NADPH、ATP，曲线乙表示C3。④图4中曲线甲表示C3，曲线乙表示C5、NADPH、ATP。考向一　光合作用过程的综合考查1．下图是番茄植株的叶肉细胞中进行光合作用的示意图，PSⅡ和PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物，是吸收、传递、转化光能的光系统。下列叙述错误的是(　　)A．自然界中能发生光合作用的生物，不一定具备PSⅡ和PSⅠ系统B．光反应过程将吸收的光能转换为活跃的化学能全部储存在ATP中C．在ATP合酶的作用下，H＋顺浓度梯度转运提供分子势能，促进ADP和Pi合成ATPD．PSⅡ中的色素吸收光能后，将H2O分解为O2和H＋，产生电子传递给PSⅠ将NADP＋和H＋结合形成NADPH答案　B解析　分析图示可知，光反应过程将吸收的一部分光能转换为活跃的化学能储存在ATP中，还有一部分储存在NADPH中，B错误。2．(多选)下图为光合作用暗反应的产物磷酸丙糖的代谢途径，研究表明，磷酸丙糖转移蛋白(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素，CO2充足时，TPT活性降低。下列有关叙述错误的是(　　)A．Pi输入叶绿体减少时，磷酸丙糖从叶绿体输出减少B．暗反应中磷酸丙糖的合成不需要消耗光反应产生的ATPC．叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的D．农业生产上可通过增加CO2浓度来提高作物中蔗糖的含量答案　BD解析　据图示信息，磷酸丙糖通过TPT从叶绿体输出的同时伴随着Pi进入叶绿体，因此Pi输入叶绿体减少，说明磷酸丙糖从叶绿体中的输出过程受阻，即输出减少，A正确；光反应产生的ATP能用于暗反应中C3的还原过程，由图示可知，该过程能合成磷酸丙糖，B错误；由图示可知，叶肉细胞的光合产物磷酸丙糖会在细胞质基质中用于合成蔗糖，然后以蔗糖形式运出细胞，C正确；根据题意可知，CO2充足时，TPT活性降低，则磷酸丙糖运出叶绿体合成蔗糖的过程会受到影响，作物中淀粉含量会上升，而蔗糖含量下降，D错误。考向二　不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析3．正常生长的小球藻，照光培养一段时间后，改为在绿光下继续培养，此后小球藻细胞的叶绿体内会发生的变化是(　　)A．H2O在光下分解速率不变B．卡尔文循环增强C．ADP/ATP比值上升D．C3/C5比值下降答案　C解析　改为在绿光下继续培养，导致光反应减弱，H2O在光下分解速率下降，A错误；光反应减弱，产生的NADPH和ATP减少，导致卡尔文循环减弱，ADP/ATP比值上升，B错误，C正确；C3还原成C5的量减少，但C5的消耗量暂时不变，所以C5含量减少，C3/C5比值上升，D错误。4．为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。每组处理的总时间均为135 s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：A组：先光照后黑暗，时间各为67.5 s；光合作用产物的相对含量为50%。B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5 s；光合作用产物的相对含量为70%。C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒)；光合作用产物的相对含量为94%。D组(对照组)：光照时间为135 s；光合作用产物的相对含量为100%。回答下列问题：(1)单位光照时间内，C组植物合成有机物的量________(填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量，依据是___________________________________________________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要________。(2)比较A、B、C三组处理可以推知，随着光照和黑暗交替频率的增加，使光下产生的__________________________________________________________________________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中__________________________________________。答案　(1)高于　C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94%　光照　(2)ATP和NADPH　CO2的同化量解析　(2)光合作用过程有两个阶段：光反应阶段和暗反应阶段。光反应阶段必须在光下进行，其将水分解，产生ATP和NADPH用于暗反应。A、B、C三组处理相比，随着光照时间间隔的减少，光照频率的增加，使光下产生的ATP和NADPH能够及时被利用与再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。方法技巧　连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。(2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物的积累量要多。1．(2021·广东，12)在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco，下列叙述正确的是(　　)A．Rubisco存在于细胞质基质中B．激活Rubisco需要黑暗条件C．Rubisco催化CO2固定需要ATPD．Rubisco催化C5和CO2结合答案　D解析　Rubisco参与植物光合作用过程中的暗反应，暗反应场所在叶绿体基质，故Rubisco存在于叶绿体基质中，A错误；暗反应在有光和无光条件下都可以进行，故参与暗反应的酶Rubisco的激活对光无要求，B错误；Rubisco催化CO2固定不需要ATP，C错误；Rubisco催化二氧化碳的固定，即C5和CO2结合生成C3的过程，D正确。2．(2020·江苏，27节选)大豆与根瘤菌是互利共生关系，下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)上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)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的能量主要来自________的分解。(4)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_____________________________________________________________________________。答案　(1)类囊体膜　C5　(2)叶绿体基质　细胞质基质　(3)光能　糖类　(4)非还原糖较稳定(或蔗糖分子为二糖，对渗透压的影响相对小)解析　(1)在叶绿体中，吸收光能的光合色素分布在光反应的场所——类囊体膜上；CO2的固定是CO2＋C52C3，故直接参与CO2固定的化学物质有H2O和C5。(2)CO2的固定发生在暗反应过程中，所以催化固定CO2形成PGA的酶应存在于暗反应的场所——叶绿体基质中。PGA还原成TP运出叶绿体后合成蔗糖，所以催化TP合成蔗糖的酶存在于细胞质基质中。(3)叶绿体中光反应合成ATP的能量来自光能。根瘤中合成ATP的能量主要来自呼吸作用中糖类的分解。(4)与葡萄糖相比，蔗糖为二糖，对渗透压的影响相对较小，而且为非还原糖，性质较稳定，所以蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物。3．(2020·山东，21)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如下图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是__________________，模块3中的甲可与CO2结合，甲为________________。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将________(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是________________________________________________________________________。(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是________________________________________。(4)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是_____________________________。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。答案　(1)模块1和模块2　五碳化合物(或C5)(2)减少　模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足　(3)高于　人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类)　(4)叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少解析　分析题图可知，模块1将光能转换为电能，模块2为电解水，同时转换能量供模块3还原CO2产生糖类，比较这一过程与光合作用的全过程可知，模块1和模块2相当于光合作用的光反应阶段，模块3相当于光合作用的暗反应阶段。(1)根据上面的分析可知，该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块，即吸收和转化光能的模块是模块1和模块2。光合作用的暗反应包括两步反应，一是CO2的固定：CO2在特定酶的作用下，与C5结合，形成C3。二是C3的还原：C3接受ATP和NADPH释放的能量，在酶的作用下最终转化为糖类和C5。比较该过程与模块3的反应过程可知，甲与CO2反应产生乙，这一阶段为CO2的固定，那么甲为C5，即五碳化合物，乙为C3，即三碳化合物。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，相当于光合作用过程中突然停止供应CO2，CO2的固定受阻，进而导致乙(C3)的合成量减少，短时间内C3的还原正常进行，消耗量不变，C3含量减少。光合作用的暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，若气泵停转时间较长，相当于暗反应无法进行，就无法为模块2提供ADP、Pi和NADP＋，从而影响了模块2中的能量转换效率。(3)植物有机物的积累量称为净光合作用量，即有机物的制造量(真正光合作用量)减去呼吸作用消耗的有机物量。这个人工光合作用系统中只有有机物的制造，没有呼吸作用的消耗，所以在固定的CO2量(即真正光合作用量)相等的情况下，有机物(糖类)的积累量将高于植物。(4)干旱条件下，植物为降低蒸腾作用对水分的过度散失，气孔的开放程度降低，进而影响CO2的吸收，会间接影响光合作用速率。4．(2021·江苏，20)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。如图表示叶肉细胞中部分代谢途径，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”，请据图回答下列问题：(1)叶绿体在______________上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是____________________。(2)光合作用时，CO2与C5结合产生三碳化合物，继而还原成三碳糖(C3)，为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3必须用于再生________；运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了__________个CO2分子。(3)在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酸乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的__________中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为__________中的化学能。(4)为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法是：取培养10～14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定并计算光合放氧速率(单位为μmolO2·mg－1chl·h－1，chl为叶绿素)。请完成下表。实验步骤的目的简要操作过程配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，并用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中设置寡霉素为单一变量的对照组①____________________________________②_____________________________对照组和各实验组均测定多个大麦叶片光合放氧测定用氧电极测定叶片放氧③_____________________________称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定 答案　(1)类囊体膜　叶绿素、类胡萝卜素(2)C5　12　(3)NADPH　ATP　(4)①在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮　②减少叶片差异造成的误差　③叶绿素定量测定(或测定叶绿素含量)解析　(3)NADPH起还原剂的作用，含有还原能，细胞呼吸过程中释放的能量用于合成ATP中的化学能和产生热能。(4)设计实验遵循单一变量原则、对照原则、等量原则，对照组为在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮溶液。对照组和各实验组均测定多个大麦叶片的原因是减少叶片差异造成的误差。称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定叶绿素的含量。一、易错辨析1．植物在夜晚不能进行光反应，只能进行暗反应(　×　)2．光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体膜(　×　)3．光合作用过程中产生的ATP可以为细胞内的各项生命活动提供能量(　×　)4．14CO2中14C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)(　×　)二、填空默写1．请根据光合作用的基本过程，填充下图：2．请写出光合作用的反应式(产物为C6H12O6)：6CO2＋12H2OC6H12O6＋6O2＋6H2O。