绿色植物光合作用的过程高一上学期生物苏教版（2019）必修第一册

第2课时

绿色植物光合作用的过程一、光合作用过程1.光反应:(1)场所:叶绿体的_________。(2)条件:___、_____和有关的___。(3)物质变化:水的光解:H2O

__+_______ATP的合成:ADP+Pi+能量____。(4)能量变化:将光能转变为ATP和NADPH中的_______。类囊体膜光色素酶O22NADPHATP化学能必备知识·自主学习2.暗反应:(1)场所:叶绿体内的___________中。(2)条件:___的催化。(3)物质变化:叶绿体基质酶(4)能量变化:_________中的化学能转化为储存于糖分子中的化学能。ATP和[H]二、光合作用概念和过程1.光合作用概念:(1)场所:叶绿体。(2)能量来源:光能。(3)反应物:_____________。(4)产物:_________。(5)实质:合成有机物,储存能量。二氧化碳和水糖和氧气2.光合作用示意图:写出图中序号代表的物质或过程:①____②____③___④______⑤_______⑥_______[H]ATPCO2(CH2O)光反应暗反应3.光合作用的总反应式:_______(CH2O)+O2CO2+H2O知识点光合作用的过程分析

1.光反应与暗反应的比较:(1)区别:项目光反应暗反应实质光能转化为化学能,并释放O2同化CO2,合成有机物需要条件外界条件:光照;内部条件:色素、酶有光无光均可;内部条件:酶反应场所叶绿体类囊体的薄膜上叶绿体基质内关键能力·合作学习物质变化①水的裂解:水分解成[H]和O2②ATP的合成:在相关酶的作用下,ADP和Pi形成ATP①CO2的固定:CO2+C52C3②C3的还原:2C3

(CH2O)+C5

能量变化光能→ATP和[H]中的化学能ATP和[H]中的化学能→糖分子中稳定的化学能相应产物O2、ATP和[H]糖类等有机物(2)联系:①光反应为暗反应提供两种重要物质:[H](NADPH)和ATP,[H]既可作还原剂,又可提供能量;暗反应为光反应提供三种物质:ADP、Pi以及NADP+。②暗反应有光无光都能进行:若光反应停止,暗反应可持续进行一段时间,但时间不长,所以一般认为晚上只进行呼吸作用,不进行光合作用。特别提醒:①光反应产生的ATP可用于叶绿体中的暗反应、DNA复制、蛋白质合成等生命活动,不用于叶绿体外的其他生命活动。②叶绿体离开细胞,保持适宜条件仍可进行光合作用;离体的叶绿体基质添加ATP、[H]和CO2后,也可完成暗反应。③色素吸收、传递光能过程中不需要酶的催化,而ATP的合成、CO2的固定、C3的还原离不开酶的催化。2.光合作用过程中元素的转移途径:(1)(2)(3)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向:3.当外界条件改变后C3和C5含量变化的分析方法:(1)思路:叶绿体内相关物质含量变化可根据物质的来路和去路是否平衡来进行分析:①来路去路,则物质含量相对稳定。②来路不变,去路增加,或来路减少,去路不变,则物质含量减少。③来路不变,去路减少,或来路增加,去路不变,则物质含量增加。(2)示例:【知识拓展】卡尔文循环C3途径是所有植物进行光合碳同化所共有的基本途径,包括3个主要的阶段:CO2的固定(羧化阶段)、还原阶段、RuBP再生阶段。【典例示范】在光照等适宜条件下,将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中,其叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势如图所示。回答问题:(1)图中物质A是________________(填“C3”或“C5”)。

(2)在CO2浓度为1%的环境中,物质B的浓度比A的低,原因是___________________________________________________________________;将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后,物质B浓度升高的原因是______________________________________________________________。

(3)浓度为0.003%的环境中,暗反应中C3和C5浓度达到稳定时,物质A的浓度将比B的________________(填“低”或“高”)。

(4)CO2浓度为0.003%时,该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的________________(填“高”或“低”),其原因是____________________________________________。

【解题思维】解答本题需突破以下两个关键点:【解析】(1)由题干提供的信息可推知,植物由1%CO2浓度环境转移到0.003%CO2浓度的环境中后,植物暗反应阶段的CO2固定速率减小,因此,C3产生量减少,C5相对增加,由此可确定物质A为C3,物质B为C5。(2)在CO2浓度为1%的环境中物质B(C5)的浓度比A的低,原因是CO2浓度相对高时,CO2固定与C3的还原达到动态平衡,根据暗反应中CO2固定和C3还原的反应式:CO2+C52C3;2C3(CH2O)+C5,可知C3分子数比C5分子数多。将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后,影响了CO2的固定,C5的消耗减少而合成速率不变,因此C5浓度升高。(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中,暗反应中C3和C5浓度达到稳定时,物质A的浓度要比B的浓度高。(4)由于0.003%CO2浓度下的暗反应强度比1%CO2浓度下的低,所以所需ATP和[H]少,因此所需的光照强度比较低。答案:(1)C3

(2)暗反应速率在该环境中已达到稳定,即C3和C5的含量稳定。根据暗反应的特点,此时C3的分子数是C5的2倍当CO2浓度突然降低时,C5的合成速率不变,消耗速率却减慢,导致C5积累(3)高(4)低CO2浓度低时,暗反应的强度低,所需ATP和[H]少【类题精练】1.俗话说“千年铁树开了花,万年枯藤发了芽”。其中的铁树又名苏铁,是珍稀的观叶植物,其叶片进行光合作用时,在叶绿体的类囊体膜上能够完成的能量转换过程是 (

)A.光能→稳定的化学能B.活跃的化学能→稳定的化学能C.光能→活跃的化学能D.稳定的化学能→活跃的化学能【解析】选C。光合作用包括光反应和暗反应两个阶段,其中光反应发生在类囊体膜上,该生物膜上有色素,能够发生水的光解,并能合成ATP,即在叶绿体的类囊体膜上能将光能转化成ATP中活跃的化学能。2.进行光合作用的细胞中普遍存在Rubisco酶,该酶的催化特性受细胞中O2和CO2浓度的影响,当细胞中CO2浓度较高时,可催化CO2与C5结合,进行CO2固定,参与光合作用暗反应;当细胞中CO2浓度低、O2浓度高时,可催化O2与C5结合生成C3和C2,C2再利用细胞中的NADPH和ATP,经一系列过程转化成C3和CO2后,参与光合作用。分析回答:(1)在强光、高温、干旱的夏季中午,小麦等作物光合作用降低是因为细胞中CO2浓度低造成的。此时细胞中与光合作用有关的化合物含量增多的除NADPH、C5外,还有__________,这时,Rubisco酶会催化______________,这样既能利用光合作用光反应阶段过剩产物,又能维持光合作用暗反应阶段进行,是细胞对逆境的适应。

(2)研究发现,玉米有较强的固定CO2的结构特点,能保证其在低浓度的CO2外界环境中,光合作用细胞中仍有较高的CO2浓度,所以正常状况下,玉米细胞中Rubisco酶主要催化________。若将小麦和玉米置于相同的强光、高温和干旱环境中,一段时间后,__________(填“小麦”或“玉米”)生长更好,其原因是____________________________________。

【解析】(1)由题干信息知,当细胞中CO2浓度低、O2浓度高时,可催化O2与C5结合生成C3和C2。在强光、高温、干旱的夏季中午,光反应强,生成的O2、ATP和NADPH多,但因植物大量失水导致气孔关闭,细胞中CO2浓度低,CO2和C5结合形成C3的CO2固定过程减弱,消耗的C5减少。可见,此时细胞中与光合作用有关的化合物含量增多的除NADPH、C5外,还有ATP、O2,这时,Rubisco酶会催化O2与C5结合。(2)已知当细胞中CO2浓度较高时,可催化CO2与C5结合,进行CO2固定,参与光合作用暗反应。玉米有较强的固定CO2的结构特点,能保证其在低浓度的CO2外界环境中,光合作用细胞中仍有较高的CO2浓度,所以正常状况下,玉米细胞中Rubisco酶主要催化CO2与C5结合。综上分析,若将小麦和玉米置于相同的强光、高温和干旱环境中,一段时间后,玉米生长更好,其原因是:在强光、高温和干旱环境中,植物大量失水导致气孔关闭,植物体内的CO2浓度会降低。小麦在较低CO2浓度时光合作用强度降低;玉米在低浓度的CO2环境中可进行较强的光合作用,所以玉米比小麦生长更好。答案:(1)ATP、O2

O2与C5结合(2)CO2与C5结合玉米在强光、高温和干旱环境中,植物大量失水导致气孔关闭,植物体内的CO2浓度会降低。小麦在较低CO2浓度时光合作用强度降低;玉米在低浓度的CO2环境中可进行较强的光合作用,故玉米比小麦生长更好【补偿训练】1.在正常条件下进行光合作用的某植物,当突然改变某条件后,发现其叶肉细胞内五碳化合物含量突然上升,则改变的条件是 (

)A.停止光照B.停止光照并降低二氧化碳浓度C.升高二氧化碳浓度D.降低二氧化碳浓度【解析】选D。停止光照、升高二氧化碳浓度均会使五碳化合物含量短时间内降低,停止光照并降低二氧化碳浓度,可能会使五碳化合物含量不变。降低二氧化碳浓度会使叶肉细胞内五碳化合物含量突然上升。2.根据下面的光合作用图解,判断下列说法正确的是 (

)A.⑤过程发生于叶绿体的基质中B.⑥过程发生于叶绿体的类囊体膜上C.图示①～④依次为[H]、ATP、CO2、(CH2O)D.②不仅用于还原C3,还可促进③与C5的结合【解析】选C。根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥分别表示[H]、ATP、CO2、(CH2O)、光反应、暗反应。⑤光反应发生在叶绿体的类囊体膜上,⑥暗反应发生在叶绿体的基质中。C3还原过程中需要ATP,CO2的固定过程中不需要ATP。【生产情境】在甘蔗、玉米等植物的叶肉细胞中,叶绿体固定CO2的最初产物是含4个碳的草酰乙酸,然后转化为苹果酸进入维管束鞘细胞的叶绿体中释放CO2(简称C4途径),再进行卡尔文循环(C3途径)。C4途径起到CO2泵的作用,提高了C4植物利用CO2的能力。核心素养·情境探究如图所示:探究:(1)甘蔗、玉米等植物中CO2固定形成的产物是什么?(科学思维)提示:CO2首先进入叶肉细胞的叶绿体中,经固定形成初步产物:含4个碳的草酰乙酸,CO2通过C4途径后进入C3途径,固定形成三碳化合物。(2)在炎热的夏季,C4植物有哪些优势?(科学思维)提示:利用CO2的能力强,光合作用速率高等。1.光合作用是生物界重要的生理过程,为地球上的绝大多数生物提供物质和能量。下列关于光合作用的叙述,正确的是________。

①光反应需要光不需要酶②暗反应需要酶但不能在光下进行③光反应阶段氧气的释放来自水的裂解④将CO2转变成含能量的有机物⑤光反应中消耗磷酸分子,暗反应中产生磷酸分子⑥暗反应中二氧化碳的固定生成C5,C3的还原消耗C5课堂检测·素养达标【解析】选③④⑤。①光反应需要光也需要酶,如ATP合成需要酶的参与。②暗反应需要酶,也可在光下进行。③光反应产生的氧气来源于水的裂解。④CO2经过固定和C3的还原转变为含有稳定化学能的有机物。⑤光反应中ADP和Pi合成ATP,暗反应中ATP水解形成ADP和Pi。⑥暗反应中二氧化碳的固定消耗C5,C3的还原生成C5。2.(2019·江苏学考真题)如图是植物光合作用的暗反应过程示意图,其中物质X代表的是 (

)A.H2O B.C5C.ADP D.C6H12O6【解析】选B。据题图分析可知,二氧化碳与物质X结合生成两个三碳化合物,故物质X代表五碳化合物(C5)。3.(2019·北京合格考)如图是叶绿体局部结构模式图。在相应区域发生的生物学过程不包括 (

)A.①的膜上面发生色素吸收光能的过程B.①的膜上面发生水的裂解(释放O2)C.在②中CO2转化为三碳化合物D.在②中发生ATP的合成【解析】选D。题图中①的膜是叶绿体类囊体膜,上面分布着可以吸收光能的光合色素,A正确;①的膜是叶绿体类囊体膜,是水的裂解和ATP产生的场所,B正确;②表示叶绿体基质,是CO2固定生成三碳化合物的场所,C正确;②叶绿体基质是暗反应的场所,需要消耗ATP,D错误。4.光合作用的光反应和暗反应依次发生在 (

)A.细胞质中、细胞核中B.叶绿体的类囊体膜上、叶绿体的基质中C.叶绿体的外膜上、内膜上D.叶绿体的基质中、叶绿体的类囊体膜上【解析】选B。光反应的场所是叶绿体的类囊体膜,暗反应的场所是叶绿体基质。5.下列关于植物光合作用暗反应的叙述中,错误的是 (

)A.暗反应要消耗光反应产生的ATPB.暗反应是只在暗处进行的反应C.C3的还原要消耗光反应产生的[H]D.暗反应过程中有C5的再生【解析】选B。暗反应要消耗光反应产生的ATP,A正确;暗反应有光无光均可进行,B错误;C3的还原要消耗光反应产生的[H]和ATP,C正确;暗反应过程中有C5的再生和CO2的固定,D正确。6.(教材应用题改编)如图所示为叶绿体中的某种结构及其上发生的物质和能量变化,下列叙述错误的是 (

)A.图中的①表示水分子B.与光合作用有关的色素都分布在结构②上C.光能转变为ATP和NADPH中的化学能D.[H]、O2和ATP都能用于暗反应【解析】选D。题图中的结构表示类囊体膜,①表示水分子,A正确;与光合作用有关的色素都分布在结构②类囊体膜上,B正确;该膜上发生的是光反应,可以将光能转变为ATP和NADPH中的化学能,C正确;[H]和ATP都能用于暗反应,O2用于有氧呼吸,D错误。7.关于光合作用的叙述,正确的是 (

)A.光合作用的两个阶段均有[H]和ATP产生B.光合作用产生的O2来自CO2C.光合作用用于固定CO2的是一种五碳化合物D.光合作用暗反应不会影响光反应【解析】选C。光合作用的暗反应阶段消耗[H]和ATP,不产生[H]和ATP,A错误;光合作用产生的O2来自H2O,B错误;光合作用用于固定CO2的是一种五碳化合物,C正确;暗反应会影响光反应的进行,D错误。【补偿训练】光合作用包括光反应和暗反应两个阶段,下列属于暗反应必需物质的是 (

)A.H2O、CO2、ADPB.CO2、[H]、ATPC.H2O、CO2、ATPD.[H]、H2O、ADP【解析】选B。光合作用暗反应过程包括CO2的固定(CO2+C52C3)和C3的还原[2C3(CH2O)+C5],还原需要[H]作还原剂和酶作催化剂,并消耗能量。8.植物叶片中所含RuBP羧化酶大约占总叶绿体中蛋白质的一半,其功能是催化C5+CO2→C3,下列有关分析正确的是 (

)A.上述反应必须在无光条件下进行B.RuBP羧化酶能为上述反应提供能量C.上述反应所需CO2部分来自空气D.RuBP羧化酶分布在类囊体薄膜上【解析】选C。C5+CO2→C3是暗反应中二氧化碳的固定过程,该过程可以在有光条件下进行,A项错误;RuBP羧化酶的作用是催化反应,而不是提供能量,B项错误;暗反应中所需CO2部分来自空气,部分来自呼吸作用,C项正确;RuBP羧化酶分布在叶绿体基质中,D项错误。9.(2020·晋江高一检测)睡莲叶片的上表皮上的气孔数目多于下表皮,此特点有利于睡莲与外界环境进行气体交换。气孔关闭会导致睡莲叶片光合作用速率下降,其表现在 (

)A.水裂解产生NADPH的量不足B.光反应中产生的ATP数量减少C.暗反应过程中NADPH的数量不足D.暗反应过程中产生的三碳化合物数量减少【解析】选D。当气孔关闭时,进入叶肉细胞的CO2量减少,导致暗反应过程中产生的三碳化合物数量减少,光合作用速率下降,D正确。10.为了研究光合作用,某生物小组的同学把菠菜叶磨碎,分离出细胞质基质和全部叶绿体。然后又把部分叶绿体磨碎分离出叶绿素和叶绿体基质,分别装在四支试管内,并进行光照,如图所示。哪一支试管能检测到光合作用的光反应过程 (

)A.甲B.乙C.丙D.丁【解析】选B。细胞质基质中不能发生光反应过程,A项错误;光合作用的光反应过程发生在叶绿体的类囊体膜上,需要叶绿素和与光反应相关的酶,B项正确;叶绿体基质是暗反应场所,不能发生