高考生物一轮复习【知识精讲精研】捕获光能的色素和结构及光合作用的原理

第13讲

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。CONTENTS光合作用的基本原理考点一捕获光能的色素和结构考点二重温高考真题演练重温高考真题演练(不定项)(2021·山东卷，16)关于细胞中的H2O和O2，下列说法正确的是(

)A.由葡萄糖合成糖原的过程中一定有H2O产生B.有氧呼吸第二阶段一定消耗H2OC.植物细胞产生的O2只能来自光合作用D.光合作用产生的O2中的氧元素只能来自H2O答案：ABD解析葡萄糖属于单体，而形成的糖原属于多聚体，该过程属于脱水缩合，所以一定会有水的产生，A正确；有氧呼吸第二阶段发生的反应是丙酮酸与水在酶的催化下，生成二氧化碳和[H]，释放少量的能量，B正确；植物细胞产生的O2可来自光合作用，也可来自H2O的分解，C错误；光合作用中O2的产生来自H2O的光解，D正确。重温高考真题演练(2022·山东卷，21)强光条件下，植物吸收的光能若超过光合作用的利用量，过剩的光能可导致植物光合作用强度下降，出现光抑制现象。为探索油菜素内酯(BR)对光抑制的影响机制，将长势相同的苹果幼苗进行分组和处理，如表所示，其中试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成。各组幼苗均在温度适宜、水分充足的条件下用强光照射，实验结果如图所示。(1)光可以被苹果幼苗叶片中的色素吸收，分离苹果幼苗叶肉细胞中的色素时，随层析液在滤纸上扩散速度最快的色素主要吸收的光的颜色是________。(2)强光照射后短时间内，苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加，但氧气的产生速率继续增加。苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加，可能的原因有___________________________________、______________________________________(答出2种原因)；蓝紫光NADPH、ATP等的浓度不再增加CO2的浓度有限重温高考真题演练(2022·山东卷，21)强光条件下，植物吸收的光能若超过光合作用的利用量，过剩的光能可导致植物光合作用强度下降，出现光抑制现象。为探索油菜素内酯(BR)对光抑制的影响机制，将长势相同的苹果幼苗进行分组和处理，如表所示，其中试剂L可抑制光反应关键蛋白的合成。各组幼苗均在温度适宜、水分充足的条件下用强光照射，实验结果如图所示。氧气的产生速率继续增加的原因是_________________________________________________3)据图分析，与甲组相比，乙组加入BR后光抑制________(填“增强”或“减弱”)；乙组与丙组相比，说明BR可能通过________________________________发挥作用。(促进了光反应中关键蛋白的合成光能的吸收速率继续增加，使水的光解速率继续增加减弱重温高考真题演练(2023·山东卷，21)当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H蛋白有2个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。(1)该实验的自变量为____________。该实验的无关变量中，影响光合作用强度的主要环境因素有_________________________________(答出2个因素即可)。(2)根据本实验，________(填“能”或“不能”)比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是___________________________________________________________光、H蛋白温度、CO2浓度、水分、矿质元素(无机盐)不能突变体中PSⅡ损伤小但不能修复，野生型中PSⅡ损伤大但能修复重温高考真题演练(2023·山东卷，21)当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H蛋白有2个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。(3)据图分析，与野生型相比，强光照射下突变体中流向光合作用的能量________(填“多”或“少”)。若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测，原因是_________________________________________________少突变体NPQ高，PSⅡ损伤小，虽无H蛋白修复但PSⅡ活性高，光反应产物多考点一捕获光能的色素考点一

捕获光能的色素一、实验：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

，反之则慢无水乙醇层析液有机溶剂层析液溶解度快也可以用丙酮位于滤纸条上面（由石油醚、丙酮、苯混合而成）分离的方法：纸层析法各种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的随层析液在滤纸上扩散的快，反之，则慢，这样几分钟后色素就会随层析液在滤纸上扩散而分离开。1绿叶中色素的提取和分离(2)实验步骤A1A2A3C2二氧化硅碳酸钙B单层尼龙布C1★用棉塞将试管口塞严A(2)实验步骤干燥的定性滤纸1cm铅笔线为什么要剪去两角？减少边缘效应，使层析液在滤纸条上扩散均匀。B(2)实验步骤A1A2A2★要求：细、直、齐。使分离出的色素带平整不重叠注意：待滤液干后，再画一两次。增加色素附着量，使分离出的色素带清晰分明B(2)实验步骤A2A3A3A1A2将适量层析液倒入试管，插入滤纸，棉塞塞紧试管口。注意，细线不能触及层析液防止色素溶于层析液而无法在滤纸上扩散防止层析液挥发(3)实验结果胡萝卜素（橙黄色）叶黄素（黄色）叶绿素a（蓝绿色）叶绿素b（黄绿色）叶绿素类胡萝卜素（3/4）（1/4）[提醒]

①胡萝卜素含量最少，所以色素带最窄；但其在层析液中溶解度最大所以扩散最快。②胡萝卜素和叶黄素之间的距离最远。③叶绿素a的含量最多，所以该色素带最宽。(4)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

，研磨不充分；②使用放置数天的菠菜叶，滤液

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

或加入过少，色素分子被破坏二氧化硅色素(叶绿素)碳酸钙滤纸条色素带重叠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

；②滤液细线接触到

，且时间较长，色素全部溶解到层析液中滤液细线层析液[归纳拓展]考点一

捕获光能的色素二、叶绿体中的色素及色素的吸收光谱叶绿素b叶绿素a(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。可见光红光和蓝紫光蓝紫光考点一

捕获光能的色素二、叶绿体中的色素及色素的吸收光谱叶绿素b叶绿素a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（漫射光）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。宽降低增强总结1：光合色素影响叶绿素合成的三大因素叶绿素不稳定，易分解总结2：植物色素比较项目光合色素细胞液色素存在部位叶绿体液泡溶解性脂溶性水溶性代表种类类胡萝卜素和叶绿素花青素颜色橙黄、黄、绿红、蓝、紫颜色变化不随pH改变变化颜色随pH改变变化颜色红苋菜：炒菜菜汤出色，因为是水溶性的花青素。胡萝卜：炒菜菜汤不出色，因为是脂溶性的胡萝卜素。正常绿色正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例为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，叶片显示出类胡萝卜素的颜色而变黄叶色变红秋天降温时，植物体为适应寒冷环境，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，叶片呈现红色总结2：植物色素1.教材深挖：新教材P一101，拓展应用1海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、

褐藻、

红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象是如何造成的？水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多,即到达深水层的光线是短波长的光,因此,吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层,吸收蓝紫光和绿光较多的褐藻分布于海水中层，吸收蓝紫光较多的红藻分布于海水的深层。海洋中的藻类垂直分布是海洋群落垂直结构的体现，有效的避免的竞争，充分利用了光能。根据色素对不同波长的光的吸收的特点，想一想温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？选无色透明的塑料薄膜，为了让各种波长的太阳光都穿过塑料薄膜，即让植物吸收更多的光能；大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光；2.与生活的联系考点二叶绿体的结构和功能考点二

叶绿体的结构和功能一、叶绿体的结构和功能基粒外膜内膜基质1、叶绿体结构类囊体（1）光合色素分布于

上。光合作用的酶分布于______________________________。(2)叶绿体中色素的功能：

、

、

光能。(3)叶绿体的功能：（类囊体堆叠而成，增大叶绿体膜面积）类囊体薄膜叶绿体基质、基粒(或类囊体膜）（暗反应）（光反应）吸收传递转化进行光合作用的场所色素和酶是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。思考：光合作用一定发生在叶绿体内吗？考点二

叶绿体的结构和功能一、叶绿体的结构和功能2、叶绿体功能的验证（教材P100-101资料）资料1：恩格尔曼实验暗处、极细光束照射光下照射水绵、好氧细菌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。水绵和需氧细菌螺旋带状释放氧气氧气和光有光照无光照实验结论1：叶绿体能吸收光能

用于光合作用释放O2

考点二

叶绿体的结构和功能一、叶绿体的结构和功能2、叶绿体功能的验证（教材P100-101资料）资料1：恩格尔曼实验将光透过三棱镜光照射水绵临时装片，好氧菌聚集在红光和蓝光区域中实验结论2：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光

1光合作用的概念与反应式(1)概念：指绿色植物通过

，利用光能，把

转化成储存着能量的有机物，并且释放出

的过程。

(2)反应式：

。

叶绿体

二氧化碳和水

氧气

场所条件产物原料CO2+H2O*

(CH2O)+O2*叶绿体光能考点三

光合作用的原理二、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_________转化成糖甲醛光合作用考点三

光合作用的原理二、探索光合作用原理的部分实验1937英国植物学家希尔发现希尔反应，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①水的光解和糖的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的②不能确定O2中的O全部来自H2O考点三

光合作用的原理二、探索光合作用原理的部分实验1941美国科学家鲁宾和卡门用同位素标记的方法，研究了光合作用中氧气全部来源于H2O：H218O＋CO2→植物→18O2；H2O＋C18O2→植物→O2对比实验，即相互对照，自变量为标记物质，因变量为氧气是否含18O无放射性的同位素：15N、18O考点三

光合作用的原理二、探索光合作用原理的部分实验1954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

相伴随阿尔农ATP水的光解考点三

光合作用的原理三、光合作用的过程光反应：类囊体薄膜1、场所：3、能量变化：①水的光解：②NADPH的合成：（氧化型辅酶Ⅱ）（还原型辅酶Ⅱ）③ATP的合成：2、物质变化：光能→ATP和NADPH中活跃的化学能4、光反应的条件：水、ADP、NADP＋、Pi、色素、光、酶（必须有光）考点三

光合作用的原理三、光合作用的过程暗反应：叶绿体基质1、场所：①CO2的固定：②C3的还原：2、物质变化：（有无光均可）C3是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸C5是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)（需要水参与

）注：NADPH为C3还原提供还原剂和能量。NADPHNADP+酶考点三

光合作用的原理三、光合作用的过程暗反应：△暗反应形成了从C5到C3再到C5的循环，可以源源不断的进行下去，称为碳循环，也叫卡尔文循环3、能量变化：ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能4、暗反应的条件：ATP、NADPH、CO2、C5，多种酶考点三

光合作用的原理三、光合作用的过程光反应暗反应NADPHATPNADP+ADPPi考点三

光合作用的原理结合所学知识想一想，这里的氧化剂相当于什么物质？NAD+（氧化型辅酶Ⅱ）考点三

光合作用的原理(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。淀粉筛管教材隐性知识淀粉——叶绿体基质合成蔗糖——细胞质基质合成考点三

光合作用的原理(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：教材隐性知识不断缩短光照时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物，该物质即为CO2转化成的第一个产物考点三

光合作用的原理典例.(2023·江苏海安高级中学高三练习)卡尔文将14C标记的CO2通入正在进行光合作用的小球藻培养液中，然后在培养后不同时间(0.5s、3s、10s等)将培养液迅速倾入热乙醇中以杀死细胞，最后利用层析法和放射自显影技术进行物质的分离和鉴定，实验结果如图。下列相关分析不正确的是考点三

光合作用的原理A.用14C标记CO2可排除细胞中原有物质的干扰B.热乙醇处理的目的是停止光合作用的进行C.推测暗反应的初产物可能是3－磷酸甘油酸D.可依据放射性的强弱推测出暗反应的过程√考点三

光合作用的原理四、环境改变时光合作用各物质含量的变化光照和CO2浓度C3、C5、NADPH、ATPCO2供应减少时：

C3↓，C5↑，NADPH和ATP↑光照减弱时：

C3↑，C5↓，NADPH和ATP↓考点三

光合作用的原理曲线图表示C3、C5等物质含量的变化考点三

光合作用的原理典例1.如图表示某植物叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势，该植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下，Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO2浓度中的某一项。下列分析正确的是A.图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATPB.图中Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低了光照强度C.图中Ⅱ阶段甲上升是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累D.图中Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低√考点三

光合作用的原理五、化能合成作用

利用环境中某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物。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、铁细菌等糖类光能硝化细菌考点三

光合作用的原理△注意区分硝化细菌和固氮型微生物硝化细菌：NH3→HNO2→HNO3，并利用该过程释放的能量合成有机物，属于生产者固氮菌：将N2转化为植物可利用的氮肥，提高土壤肥力考点三

光合作用的原理典例2.亚硝酸细菌和硝酸细菌是土壤中普遍存在的化能自养型细菌，前者将氨氧化为亚硝酸，后者将亚硝酸氧化为硝酸，其过程如图所示。下列相关叙述正确的是A.氧化氨和亚硝酸

的过程都能释放

出化学能，这两

种细菌都能利用相应的能量合成有机物B.细菌的化能合成作用可降低土壤中硝酸盐含量，有利于植物渗透吸水C.亚硝酸细菌化能合成作用与植物光合作用的过程和发生场所均相同D.由图可知，亚硝酸细菌和硝酸细菌属于分解者√考点三

光合作