必修1《分子与细胞》第二节 光合作用——光能的捕获和转换优质第2课时导学案

第2课时　绿色植物光合作用的过程

[学习目标]　1.阐明光合作用的过程和实质。2.明确光合作用的物质变化和能量转换。3.了解化能合成作用。

1．叶绿体

(1)结构

(2)功能：绿色植物进行光合作用的场所。

(3)分布：一般分布在细胞质膜与液泡之间的细胞质中。在光照较弱时，汇集到细胞顶面，最大限度吸收光能；在光照强度很高时，移动到细胞侧面，以避免强光的伤害。

2．光合作用的过程

(1)光反应阶段

①场所：叶绿体的类囊体膜上。

②条件：必须有光、叶绿体中的光合色素和酶。

③过程

a．水的裂解：H2O2H＋＋2e－＋O2。

b．NADP＋的还原：NADP＋＋H＋＋2e－NADPH。

c．ATP的生成：ADP＋Pi＋能量ATP。

④能量转化

(2)暗反应阶段

①场所：叶绿体基质。

②条件：有光无光均可，需要多种酶参与。

③过程

a．CO2的固定：CO2＋C52C3。

b．C3的还原：2C3＋[H](CH2O)＋C5。

④能量转化

ATP和[H]中的化学能→糖分子中的化学能。

(3)光合作用的概念：绿色植物细胞中的叶绿体从太阳光中捕获能量，并将这些能量在CO2和H2O转变为糖和O2的过程中，转换并储存为糖分子中化学能的过程。

(4)光合作用的总反应式：

CO2＋H2O(CH2O)＋O2。

3．化能合成作用

(1)概念：通过氧化外界环境中的无机物获得的化学能来合成有机物的方式。

(2)①实例：硝化细菌能将NH3氧化成亚硝酸，进而将亚硝酸氧化成硝酸。

②过程

a．2NH3＋3O2―→2HNO2＋2H2O＋能量。

b．2HNO2＋O2―→2HNO3＋能量。

(3)意义：利用上述过程中释放的化学能，将CO2和H2O合成糖，以维持自身的生命活动。

判断正误

(1)暗反应包括CO2的固定和C3的还原，两个阶段都在叶绿体基质中进行(　　)

(2)叶绿体内色素主要分布在类囊体膜上，叶绿体基质中含有少量色素(　　)

(3)与光合作用有关的酶只分布在叶绿体类囊体膜上(　　)

(4)硫细菌、铁细菌和蓝细菌一样都能进行光合作用(　　)

(5)化能合成作用区别于光合作用的关键是能量来源不同，化能合成作用能量来源于有机物中的化学能(　　)

答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×

一、分析光反应的过程

下图表示光反应过程的简化示意图。回答下列问题：

(1)图中所示生物膜的名称？

提示　类囊体膜。

(2)光反应过程将水分解成哪些物质？

提示　O2、H＋和e－。

(3)e－最终的去向？

提示　被NADP＋接受形成NADPH。

(4)光反应过程中能量转换的具体过程？

提示　光能转化成电能，最终转化为NADPH和ATP中活跃的化学能。

(5)图中ATP合酶的作用有哪些？

提示　顺浓度梯度运输H＋，催化ADP和Pi合成ATP。

二、分析暗反应的过程

如图所示，在卡尔文循环中，CO2转变为磷酸丙糖(G3P)的过程分为CO2的固定、氧化还原反应和C5即二磷酸核酮糖(RuBP)的再生三个阶段。回答下列问题：

(1)CO2固定的实质？

提示　 一分子C5和CO2结合形成两分子的C3。

(2)在氧化还原反应阶段，需要来自光反应的物质有哪些？

提示　ATP和NADPH。

(3)卡尔文循环输出的物质是什么？

提示　三碳糖(G3P)。

三、分析光合作用过程中元素的去向

如果给植物提供14CO2，光合作用中放射性依次出现在哪些物质中？

提示　依次出现在CO2、C3、(CH2O)中。

四、分析环境改变时光合作用相关物质含量的变化

适宜光照下的绿色植物，突然使光照强度减弱，短时间内叶绿体中NADPH、ATP、C5、C3的含量将如何变化？

提示　减少、减少、减少、增多。

1．光合作用过程中元素的去向分析

2．环境改变时光合作用各物质含量的变化分析

下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化。

1．离体的叶绿体在光照下进行稳定光合作用时，如果突然中断 CO2 气体的供应，短时间内叶绿体中C3化合物与 C5 化合物相对含量的变化是(　　)

A．C3化合物减少，C5化合物增多

B．C3化合物增多，C5化合物增多

C．C3化合物减少，C5化合物减少

D．C3化合物增多，C5化合物减少

答案　A

解析　如果突然中断CO2气体的供应，二氧化碳的固定变弱，生成物C3化合物量减少，短时间内光照不变，产生的ATP和[H]不变，C3还原速率不变，故C3含量减少；二氧化碳固定过程C5化合物消耗减少，短时间内光照不变，产生的ATP和[H]不变，C3还原产生的C5不变，故剩余的C5化合物相对增多，A正确。

2．下图表示某农作物叶肉细胞内光合作用的过程，已知在叶绿体类囊体膜上存在两个不同的光系统：光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)，是以串联的方式协同作用的。请回答下列问题：

(1)类囊体上的光合色素的作用是_______________________________________；

在提取叶绿体中的色素实验中用到CaCO3的作用是_______________________________。

(2)结合图分析光系统Ⅰ与___________有关(填写光反应中的相关物质变化过程)。

(3)写出图中编号或字母所代表的过程或物质：②_______，F是具有催化作用的_________。

答案　(1)吸收、传递、转化光能　防止叶绿体中叶绿素分子被破坏　(2)NADP＋的还原　(3)CO2的固定　ATP合酶

题组一　叶绿体的结构和功能

1．下列有关叶绿体中色素和酶的叙述，正确的是(　　)

A．光合作用所需的各种色素都分布在类囊体膜上

B．纸层析法得到的色素带，位于最上层的是叶黄素

C．光合作用所需的各种酶都分布在叶绿体基质中

D．暗反应需要酶催化，光反应不需要酶的参与

答案　A

解析　纸层析法得到的色素带，位于最上层的是胡萝卜素，B错误；与光合作用有关的酶分布在叶绿体类囊体膜上和叶绿体基质中，C错误；光反应和暗反应均需要酶的催化，D错误。

2．图甲为叶绿体结构模式图，图乙是图甲部分结构放大后的示意图。下列相关叙述正确的是(　　)

A．图甲所示结构主要通过内膜向内折叠增大膜面积

B．图乙中的光合色素能有效吸收绿光使植物呈绿色

C．图乙所示的膜结构位于图甲结构中的①或③处

D．提取光合色素时常用无水乙醇作为溶剂

答案　D

解析　图甲中的①②③④分别是叶绿体内膜、外膜、类囊体和叶绿体基质。图甲结构为叶绿体，其主要靠类囊体叠合而成的基粒来增大膜面积，A错误；图乙中的光合色素吸收绿光最少，绿光被反射出来使植物呈绿色，B错误；图乙所示的膜结构上含有光合色素，所以是图甲中③类囊体膜的放大图，C错误；叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，因此常用无水乙醇作为提取色素的溶剂，D正确。

题组二　光合作用的过程

3．如图表示绿色植物光合作用的光反应过程示意图，其中物质X代表的是(　　)

A．C3  B．C5  C．(CH2O)  D．O2

答案　D

4．(2022·江苏扬州高一期末)科学家用14C标记的二氧化碳追踪光合作用中碳原子的行踪，结果为(　　)

A．CO2→ATP→糖类

B．CO2→葡萄糖→五碳化合物

C．CO2→三碳化合物→糖类

D．CO2→三碳化合物→五碳化合物→糖类

答案　C

5．为研究光反应中ATP产生的原理，有科学家进行如下实验：将叶绿体类囊体置于pH为4的琥珀酸溶液后，琥珀酸进入类囊体腔，腔内的pH下降为4；然后把悬浮液的pH迅速上升为8，此时类囊体内pH为4，类囊体外pH为8，在有ADP和Pi存在时类囊体生成ATP。对实验条件和结论分析正确的是(　　)

A．黑暗中进行，结果表明：H＋能通过自由扩散进入类囊体

B．光照下进行，结果支持：合成ATP的能量直接来自色素吸收的光能

C．黑暗中进行，结果支持：光反应使类囊体内外产生H＋浓度差，推动ATP合成

D．光照下进行，结果表明：光反应产生的[H]参与暗反应中C3的还原

答案　C

6．(2022·江苏盐城高一期末)下列有关光合作用的叙述，错误的是(　　)

A．光合作用所需的酶都分布在叶绿体基质中

B．分布在类囊体膜上的色素具有吸收光能的功能

C．光合作用过程中，光反应为暗反应提供ATP和NADPH

D．环境中CO2含量突然降低，叶肉细胞中C3化合物含量短期内会下降

答案　A

解析　与光合作用有关的酶存在于类囊体膜和叶绿体基质中，A错误；光反应过程能产生NADPH和ATP，NADPH和ATP可用于暗反应过程中C3的还原过程，C正确；环境中CO2含量突然降低，叶肉细胞中二氧化碳的固定减慢，三碳化合物的生成减少，短时间内其去路不变，最终导致三碳化合物的含量减少，D正确。

题组三　化能合成作用

7．如图是某种细菌内发生的生化反应，据此判断其新陈代谢类型是(　　)

A．自养厌氧型   B．异养厌氧型

C．自养需氧型   D．异养需氧型

答案　C

解析　通过图示可以看出，该过程需要氧气，同时能将水和二氧化碳合成为有机物，所以该生物为自养需氧型生物，C正确。

8．(2022·江苏泰州中学高一期末)下列关于光合作用和化能合成作用的叙述，正确的是(　　)

①都需要叶绿素　②都将CO2和水合成为有机物　③都属于自养生物的营养方式　④合成作用所利用的能量相同

A．①②  B．①③  C．②③  D．②④

答案　C

解析　光合作用需要叶绿素，而化能合成作用不需要叶绿素，①错误；光合作用是利用光能将CO2和水合成有机物，化能合成作用是利用氧化还原反应过程中释放的化学能将CO2和水合成有机物，②正确；光合作用和化能合成作用都属于自养生物的营养方式，③正确；光合作用是利用光能，化能合成作用是利用氧化还原反应过程中释放的化学能，④错误，综上所述，C正确。

选择题9～10题为单选题，11～13题为多选题。

9．下列对光合作用图解的分析，错误的是(　　)

A．光合色素分布在类囊体膜上

B．图中①②为O2和ATP

C．若突然停止CO2供应，短时间内三碳化合物的含量将上升

D．若提供3H2 O，则3H的转移途径为H2 O→[H]→糖类

答案　C

解析　若突然停止CO2供应，则CO2固定减慢，C3的还原速率不变，短时间内三碳化合物的含量将下降，C错误。

10．植物进行光合作用时，CO2可与RuBP羧化酶(Rubisco)的活性中心结合，使之催化CO2与C5反应生成1分子不稳定的C6化合物，并立即分解为2分子C3化合物。下列相关分析错误的是(　　)

A．CO2既是Rubisco的底物，又是活性调节物

B．突然降低环境中CO2浓度可使C5含量增多

C．激活的Rubisco催化合成不稳定C6的过程需光反应提供ATP和NADPH

D．对正常进行光合作用的植物停止光照后，C3的消耗速率和生成速率将会降低

答案　C

解析　突然降低环境中CO2浓度，二氧化碳固定速率减慢，消耗的C5减少，而短时间内C3还原生成C5的速率不变，故C5含量会增多，B正确；激活的Rubisco催化合成不稳定C6的过程不需光反应提供ATP和NADPH，NADPH、ATP用于暗反应阶段的C3的还原阶段，C错误；对正常进行光合作用的植物停止光照后，光反应停止，无NADPH、ATP生成，暗反应速率降低，C3的消耗速率和生成速率将会降低，D正确。

11．人工光合作用是模拟自然界的光合作用，利用光能分解水制造氧气或固定CO2制造有机物的过程。如图是人工光合作用模拟装置示意图，下列相关叙述正确的是(　　)

A．自然光合作用离不开光合色素对光能的吸收和转化

B．催化剂a的表面会有O2产生

C．质子交换膜的功能与叶绿体内膜类似

D．人工光合作用的研究对于人类解决能源危机具有重要意义

答案　ABD

解析　自然条件下，植物叶肉细胞进行光合作用需要光合色素吸收、传递和转化光能，A正确；催化剂a催化的化学反应类似于光合作用的光反应，其中水进行光解时会产生O2，所以催化剂a的表面会有O2产生，B正确；质子交换膜使H＋通过，其功能类似于叶绿体类囊体膜，C错误；人工光合作用能利用光能分解水制造氧气或固定CO2制造有机物，该研究对于人类解决能源危机具有重要意义，D正确。

12．如图为正常绿色植物的叶绿素a的吸收光谱、色素总吸收光谱以及光合作用的作用光谱(作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率)。植物进行光合作用时，下列物质的变化趋势与作用光谱基本一致的是(　　)

A．O2的释放量   B．有机物的生成量

C．C3的总量   D．C5的总量

答案　AB

13．我国科学家利用CO2人工合成淀粉获得成功。该技术分为三个阶段：阶段Ⅰ由CO2在一定的条件下生成C1(甲醇)，C1经过缩合反应依次生成DHA(二羟丙酮)、DHAP(磷酸二羟丙酮)、GAP等三碳中间体；阶段Ⅱ由GAP通过缩合反应生成六碳化合物；阶段Ⅲ由六碳化合物经过生物聚合反应生成淀粉。下列说法正确的是(　　)

A．绿色植物叶肉细胞内类似于阶段Ⅰ的过程发生在叶绿体基质

B．叶肉细胞内类似于阶段Ⅱ的过程需光反应提供NADPH和ATP

C．叶肉细胞内类似于阶段Ⅱ的过程需要相关酶催化并提供活化能

D．研究该过程中淀粉的合成途径利用14C同位素标记比18O更合适

答案　ABD

解析　阶段Ⅰ由CO2在一定的条件下生成三碳中间体，绿色植物叶肉细胞内类似于阶段Ⅰ的过程是二氧化碳的固定，发生在叶绿体基质，A正确；阶段Ⅱ由GAP通过缩合反应生成六碳化合物，叶肉细胞内类似于阶段Ⅱ的过程是C3的还原，需光反应提供NADPH和ATP，B正确；酶的催化作用本质是降低化学反应的活化能，不能提供活化能，C错误；14C具有放射性，用14C标记二氧化碳，可探究二氧化碳中的碳如何转化成有机物中的碳，而18O没有放射性，D正确。

14．(2022·江苏连云港高一期末)如图为某同学学习光合作用后绘制的光合作用过程图，回答下列问题：

(1)光反应发生在叶绿体的__________________上，原因是光反应有关的光合色素和____________________________________________________________分布其上。

(2)光照时，叶绿素等光合色素吸收光能，使某些基态叶绿素分子受到激发释放出电子，电子在不同物质间传递，最后把NADP＋还原成NADPH。在此过程中，能量由最初的__________转变为__________，又转变为__________，储存在__________________中。

(3)在暗反应阶段，绿叶细胞从外界吸收的CO2进入叶绿体基质，与细胞中的一种C5结合，形成两个C3，这个过程称为__________________；在有关酶的催化下，C3接受光反应阶段提供的物质和能量，经过一系列生化反应，部分转化为糖类，该过程称为__________________，另一部分又形成C5，该过程称为__________________。

(4)若环境中的CO2浓度大幅降低，短时间内绿色植物细胞内降低的物质有__________。

A．NADPH   B．C3

C．C5   D．ATP

(5)如果让你来建设用于栽培蔬菜的塑料大棚，最好选择__________________(填“无色”“绿色”或“红色”)的塑料薄膜。

答案　(1)类囊体膜　酶　(2)光能　电能　化学能　NADPH([H])和ATP　(3)CO2的固定　C3的还原　C5的再生(形成)　(4)B　(5)无色

15．景天科植物大都生活在光照强、温度高的干旱环境中，气孔在白天和夜晚开度差异很大。由于该类植物在光合作用方面的特殊性，使得它能适应所处的环境而生存下来。如图是其叶肉细胞光合作用过程的图解，回答下列问题：

(1)植物形成糖类要经历卡尔文循环，卡尔文循环包括__________________________等过程。此处卡尔文循环发生时气孔状态是________________(填“开”或“闭”)。

(2)据图推测，图中细胞左侧的活动发生在______________(填“白天”或“夜间”)。

(3)图中反映生物膜系统在__________上有联系。

答案　(1)CO2的固定和C3的还原　开　(2)夜间

(3)结构和功能

解析　(1)卡尔文循环实质上就是光合作用的暗反应过程，包括CO2的固定和C3的还原两个过程；卡尔文循环需要有二氧化碳的摄入，故气孔处于开放状态。(2)图中左侧显示，CO2进入细胞并转变成苹果酸储存在液泡中，夜间气孔打开，细胞能完成此项活动。(3)生物膜系统包括细胞质膜、细胞器膜和核膜等，图中过程反映液泡膜和叶绿体膜之间在结构和功能上有联系。