生物学案第三单元细胞的能量供应和利用第5课时捕获光能的色素和结构及光合作用的原理

第5课时捕获光能的色素和结构及光合作用的原理课标要求1.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。2.活动：提取和分离绿叶中的色素。考点一捕获光能的色素1．绿叶中色素的提取和分离(1)实验原理试剂原理提取绿叶中的色素溶于，而不溶于水分离各种色素在中的不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得，反之则慢(2)实验步骤(3)实验结果分析色素种类颜色吸收光谱类胡萝卜素(含量约占1/4)橙黄色主要吸收_______叶黄素叶绿素(含量约占3/4)蓝绿色主要吸收________叶绿素b结果分析：①色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有________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________。色素带最宽的是____________，最窄的是________________，叶绿素b的色素带比叶黄素的稍宽。③色素带扩散速度与________有关，扩散速度越快说明溶解度越________。④相邻两条色素带之间距离最远的是__________________，最近的是______________。2．叶绿体中的色素及色素的吸收光谱由图可以看出：(1)叶绿体中的色素只吸收________，而对红外光和紫外光等不吸收。(2)叶绿素对________________的吸收量大，类胡萝卜素对________的吸收量大，对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。源于必修1P99“图5－12”“旁栏思考”(1)从叶绿素吸收光谱图可知：叶绿素a在红光部分的吸收带较叶绿素b偏向长波方面，且吸收光谱带比叶绿素b宽，叶绿素b在蓝紫光部分的吸收光谱带比叶绿素a________(填“宽”或“窄”)。(2)研究表明：在遮光条件下，以蓝紫光为主的散光占比增加。请预测：在适当遮光的条件下叶片(比如同一植物底层叶片)中叶绿素a/b________，弱光下的吸光能力________，有利于提高植物的捕光能力，是对弱光环境的一种适应。(3)植物工厂里为什么不用发绿光的光源？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________2．温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充什么颜色的光源？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．下列关于植物细胞中光合色素的说法，正确的是()A．光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上B．Mg是构成叶绿素所必需的微量元素C．叶绿素对绿光吸收最多，所以叶片呈绿色D．用纸层析法分离色素时，含量多的色素在滤纸上扩散快2．(2020·江苏，6)采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验，下列叙述错误的是()A．提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂B．研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏C．研磨时添加石英砂有助于色素提取D．画滤液细线时应尽量减少样液扩散归纳总结实验出现异常现象的原因分析异常现象原因分析收集到的滤液绿色过浅①未加二氧化硅，研磨不充分；②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少；③一次加入大量的无水乙醇，提取液浓度太低(正确做法：分次加入少量无水乙醇)；④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏滤纸条色素带重叠①滤液细线不直；②滤液细线过粗滤纸条无色素带①忘记画滤液细线；②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中考点二叶绿体的结构和功能1．叶绿体的结构和功能(1)叶绿体立体结构光合色素分布于________________上。光合作用的酶分布于________________________。(2)叶绿体的功能：进行光合作用的场所。(3)叶绿体中色素的功能：________、________、________光能。2．叶绿体功能的实验验证(1)资料1：(必修1P100)①实验者：德国科学家________________。②实验结论a．叶绿体能________用于光合作用放________。b．叶绿体主要吸收______________________________________________。(2)资料2(必修1P101)：在叶绿体的类囊体膜上和基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。该资料说明光合作用的有关生化反应在________中进行。(3)总结：在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的________________，在________________________________中，还有许多进行光合作用所必需的酶。______________是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。1．恩格尔曼实验设计的巧妙之处(1)实验材料用__________________________，水绵的叶绿体呈________________分布，便于观察，用需氧细菌可确定__________________的部位。(2)没有空气的黑暗环境排除了____________的干扰。(3)用极细的光束照射，叶绿体上可分为______和________的部位，相当于一组对比实验。(4)临时装片局部曝光与完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。2．一般植物的叶片在春夏季节为绿色，而在秋季呈现黄色。出现这一现象的原因是什么？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________3．下列关于叶绿体的叙述，正确的是()A．叶绿体的外膜、内膜极大地扩展了受光面积B．类囊体薄膜中的酶可催化CO2的固定和还原C．类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光D．叶绿体基质中NADP＋能形成NADPH4．光合作用的原理是很多科学家通过实验发现的，光合作用探索历程中的部分经典实验的分析及拓展如图1、2所示。下列相关叙述正确的是()A．图1所示实验的目的是探究光合产物中O2的来源，其中乙组为对照组B．卡尔文探究暗反应的过程与图1所示的实验均采用了同位素示踪法C．图2所示实验中需氧细菌主要分布于接受光照的水绵细胞各个部位D．图2所示实验需要把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在含有空气的黑暗环境中考点三光合作用的原理1．探索光合作用原理的部分实验年份科学家发现19世纪末—普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖1928—发现对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过________转化成糖1937英国植物学家希尔发现，即离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应1941美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气来源于H2O：H218O＋CO2→植物→18O2；H2O＋C18O2→植物→O21954美国科学家______发现在光照下，叶绿体可合成。1957年，他发现该过程总是与相伴随2.光合作用的概念及反应式(1)光合作用的概念：绿色植物通过________，利用________，将________________转化成储存着能量的________，并且释放出________的过程。(2)反应式：CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up7(光能),\s\do5(叶绿体))(CH2O)＋O23．光合作用的过程项目光反应暗反应过程模型实质光能转换为化学能，并放出O2同化CO2形成有机物时间，以微秒计较_____条件色素、光、酶、水、ADP、NADP＋、Pi，必须有光多种酶、ATP、NADPH、CO2、C5，有无光均可场所在叶绿体内的上进行在叶绿体中进行物质转化①水的光解：_______________________；②ATP的合成：________________________；③NADPH的合成：NADP＋＋H＋eq\o(→,\s\up7(酶))NADPH①CO2的固定：__________________；②C3的还原：注：NADPH为C3还原提供还原剂和能量。能量转化光能→______________________ATP和NADPH中活跃的化学能→_____________________关系在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体薄膜上的色素捕获后，将水分解为_________等，形成，于是光能转化成__________________；____________驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分(1)源于必修1P104“相关信息”：________是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸，________是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)。(2)源于必修1P104“相关信息”：光合作用的产物有一部分是________，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入________，再通过韧皮部运输到植株各处。(3)源于必修1P104正文拓展：光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30s的时间，放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7s，发现放射性代谢产物减少到12种，想要探究CO2转化成的第一个产物，可能的实验思路是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)源于必修1P106“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条件光、色素、酶酶原料CO2和H2O等无机物产物等有机物能量来源某些无机物氧化时释放的能量生物种类绿色植物、蓝细菌等、硫细菌等4.环境改变时光合作用各物质含量的变化(1)“过程法”分析各物质变化下图中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：(2)模型法表示C3和C5等物质含量变化5．光合作用的意义太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。________________是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。“二氧化碳人工合成淀粉”入选2021年度中国生命科学十大进展，中科院研究人员受到了自然光合作用的启发，在太阳能分解水的技术上，开发出了高效的化学催化剂，再利用“光能→电能→化学能”的能量转变方式，将二氧化碳固定还原成了更容易溶于水的甲醇等一碳化合物(C1)。在这个步骤中，光能的能量转化效率超过10%，远超自然光合作用的能量利用效率(2%)。完整的人造淀粉合成代谢路线(ASAP)如图所示：1．图示模拟的是光合作用的什么过程？人工合成淀粉过程和自然光合作用下关于二氧化碳的固定是否相同，为什么？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________2．图中显示CO2还原需要人工提供的能量来自________________。植物叶肉细胞中碳的还原所需要能量由________________提供。3．在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，人工合成淀粉过程中糖类的积累量等于植物吗？为什么？____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________4．从生态环境的角度阐述人工合成淀粉的意义。____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________5．(不定项)(2023·湖南张家界高三模拟)1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中产生的氧气的来源，实验部分过程及结果如右图所示。下列叙述正确的是()A．18O不具有放射性，是稳定的同位素，可用于示踪物质运行和变化规律B．另一组实验及结果图应为：将H218O换成H2O，CO2换成C18O2，其余不变C．该实验的预期结论是光合作用产生的O2中的氧全部来自水D．实验中小球藻的细胞内含有藻蓝素和叶绿素，没有完整的叶绿体6．科学家在我国腾冲热泉中分离得到硫细菌，这些细菌通过氧化硫化物和还原CO2来制造有机物。下列关于硫细菌的叙述，错误的是()A．硫细菌和硝化细菌的同化作用类型均为自养型B．硫细菌能利用化学能将CO2和水合成糖类C．硫细菌拟核中含有环状DNAD．硫细菌的生物膜系统实现细胞的区室化和功能专一化1．(2019·江苏，17)如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果，样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝细菌经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是()A．研磨时加入CaCO3过量会破坏叶绿素B．层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液C．在敞开的烧杯中进行层析时，需通风操作D．实验验证了该种蓝细菌没有叶绿素b2．(2019·海南，9)下列关于高等植物光合作用的叙述，错误的是()A．光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能B．红光照射时，胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素aC．光反应中，将光能转变为化学能需要有ADP的参与D．红光照射时，叶绿素b吸收的光能可用于光合作用3．(2022·辽宁，22)浒苔是形成绿潮的主要藻类。绿潮时浒苔堆积在一起，形成大量的“藻席”，造成生态灾害。为研究浒苔疯长与光合作用的关系，进行如下实验：Ⅰ.光合色素的提取、分离和含量测定(1)在“藻席”的上、中、下层分别选取浒苔甲为实验材料，提取、分离色素，发现浒苔甲的光合色素种类与高等植物相同，包括叶绿素和______________。在细胞中，这些光合色素分布在____________________。(2)测定三个样品的叶绿素含量，结果见下表。样品叶绿素a/(mg·g－1)叶绿素b/(mg·g－1)上层中层下层数据表明，取自“藻席”下层的样品叶绿素含量最高，这是因为____________________。Ⅱ.光合作用关键酶Y的粗酶液制备和活性测定(3)研究发现，浒苔细胞质基质中存在酶Y，参与CO2的转运过程，利于对碳的固定。酶Y粗酶液制备：定时测定光照强度并取一定量的浒苔甲和浒苔乙，制备不同光照强度下样品的粗酶液，流程如图1。粗酶液制备过程保持低温，目的是防止酶降解和__________。研磨时加入缓冲液的主要作用是__________稳定。离心后的__________为粗酶液。(4)酶Y活性测定：取一定量的粗酶液加入到酶Y活性测试反应液中进行检测，结果如图2。在图2中，不考虑其他因素的影响，浒苔甲酶Y活性最高时的光照强度为___μmol·m－2·s－1(填具体数字)，强光照会__________浒苔乙酶Y的活性。4.(2020·江苏·27)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)根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成，氨基酸合成蛋白质时，通过脱水缩合形成____________键。(4)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的能量主要源于________的分解。(5)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______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。1．判断关于捕获光