高三生物一轮复习课件 第11讲 光合作用的原理

2025生物一轮复习第3单元

细胞的能量供应和应用第11讲

光合作用的原理2025年高考一轮复习第11讲

光合作用的原理1.说明植物细胞中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和氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。课标要求：对标课本：必修1分子与细胞

第5章

细胞的能量供应和利用（第4节）2.实验：提取和分离叶绿体色素。PART01回归课本

强基固本●捕获光能的色素●叶绿体的结构适于进行光合作用●光合作用的原理捕获光能的色素在自然界，万物生长靠太阳，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。光合作用是唯一能够

光能的生物学途径。1.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂

中，可用无水乙醇

绿叶中的色素。无水乙醇捕获和转化对于高等植物来说，

是进行光合作用的主要器官，这些叶片是绿色的，说明其中有绿色的色素。叶片中的色素可能与光能的捕获有关。叶片实验原理：2.由于色素存在于细胞内，需要先破碎细胞才能释放色素。绿叶中的色素不只一种，它们都能溶解在

中，不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散的快，反之则慢。这样，色素就会随着层析液在滤纸上扩散而

。提取层析液实验：绿叶中色素的提取和分离分开捕获光能的色素实验目的：1.进行绿叶中色素的提取和分离；2.探究绿叶中含有几种色素。材料用具：1.材料：新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）。2.用具：干燥的定性滤纸、试管、棉塞、试管架、研钵、玻璃漏斗、尼龙布、毛细吸管、剪刀、药匙、量筒（10ml）、天平等。3.试剂：无水乙醇（也可用体积分数为95%的乙醇加入适量的无水碳酸钠代替），层析液（由20份在60~90℃下分馏出来的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成），二氧化硅和碳酸钙。纸层析时层析液必须与水互不相容，因此酒精不适合用作层析液。捕获光能的色素实验步骤：1.提取绿叶中的色素（1）称取5g绿叶，剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中；（2）向研钵中放入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5~10mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨；加入二氧化硅有助于充分研磨，加入碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。无水乙醇用来溶解色素。（3）将研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤。将滤液收集到试管中，及时用棉塞将试管口塞严；过滤除去的是叶脉、二氧化硅等物质，及时将试管口塞严是为了防止乙醇挥发，叶绿素氧化分解。捕获光能的色素实验步骤：2.制备滤纸条（2）再将滤纸的一端剪去两角，并在距这一端底部1cm处用铅笔画一条细线。（1）将干燥的定性滤纸剪成略小于试管长与直径的滤纸条；为什么要将滤纸的一端剪去两角？防止两侧色素扩散快，色素带不整齐，使扩散均匀。干燥滤纸铅笔线1cm3.画滤液细线（1）用毛细吸管吸取少量滤液沿铅笔线均匀地画出一条细线。也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压出均匀地细线。（2）待滤液干后，再重画一到两次。滤液细线要求：细、齐、直，防止色素带重叠！

目的：积累更多色素。捕获光能的色素实验步骤：4.分离滤液中的色素将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。保证密封状态，防止层析液挥发（有毒）。层析液培养皿滤液线5.观察和记录（1）观察试管中滤纸条上出现了几条色素带，以及每条色素带的颜色和宽窄，将观察结果记录下来。（2）分离色素这一步应该在通风条件下进行，实验结束用肥皂将手洗干净。捕获光能的色素实验结果：1.滤纸条上有几条色素带？它们是按照什么次序分布的？滤纸条上有4条不同颜色的色带，从上往下依次为：橙黄色、黄色、蓝绿色、黄绿色。2.滤纸条上色素带的分布说明了什么？滤纸条上的色素带说明绿叶中的色素有4种，它们在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散的快慢也不一样。色素带颜色色素种类色素带宽窄色素含量扩散速度溶解度橙黄色黄色蓝绿色黄绿色胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b最窄较窄最宽较宽最少较少最多较多最快较快较慢最慢最高较高较低最低捕获光能的色素（1）收集的滤液绿色过浅的原因分析未加碳酸钙，部分色素被破坏。菠菜叶不新鲜，滤液色素(叶绿素)太少。情况1：提取色素少未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。情况2：溶剂多，加入无水乙醇过多，提取液浓度太低；情况3：操作不到位；画滤液细线没有重复；滤液细线触及层析液，导致部分色素溶解在层析液中。（2）滤纸条上的色素带重叠a.滤液细线不齐；b.滤液细线过粗；c.滤纸条没经干燥处理。实验结果分析：捕获光能的色素实验结果分析：（3）滤纸条上没有色素条带色素没有提取出来；没有画滤液细线；滤液细线触及层析液，色素全部溶解在层析液中。除了用滤纸条分离色素外，还可以有其他的方法吗？胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b在滤纸的中央滴一滴色素提取液；再滴一滴层析液；色素随层析液扩散，会得到近似同心环的4个色素圈。捕获光能的色素实验结论：类胡萝卜素叶绿素胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b（占1/4）（占3/4）（橙黄色）（黄色）（蓝绿色）绿叶中的色素（黄绿色）绿叶中的色素有4种，它们可以归为两大类：这4种色素对光的吸收有什么差别呢？阳光（白光）在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。分别让不同颜色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光谱。捕获光能的色素对照组实验组研究人员做了以下探究：设置两组实验，阳光光通过三棱镜为对照组，将阳光先通过提取的色素滤液后再通过三棱镜为实验组，对比两组实验结果表明：叶绿素a和叶绿素b主要吸收

，胡萝卜素和叶黄素主要吸收

。蓝紫光和红光蓝紫光光是一种电磁波，可见光的波长是400~760nm。不同波长的光，颜色不同。波长小于400nm的光是紫外光，波长大于760nm的光是红外光。一般情况下，光合作用所利用的都是可见光。科学家在19世纪早期就从植物细胞中分离出叶绿素，但并不清楚色素在植物细胞中的分布情况。后来，科学家才知道，叶绿素并不是遍布整个细胞，而是集中在一个小的结构里，这个结构就是——

。在光学显微镜下观察叶肉细胞，可以看到叶绿体一般呈

。叶绿体内部更精细的结构，必须用电子显微镜才能看清楚。叶绿体扁平的椭球形或球形叶绿体的结构适于进行光合作用观察电子显微镜下的叶绿体结构，可以看到：叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为

。类囊体吸收光能的4种色素就分布在

；类囊体薄膜上基粒与基粒之间充满了基质；叶绿体基质中含有少量DNA、RNA和核糖体，可以合成部分自身蛋白质。1.叶绿体的结构叶绿体适于进行光合作用的结构特点：①叶绿体内含有大量的基粒，每个基粒都含有两个或两个以上的类囊体，多的可达100个以上。叶绿体有如此众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积；叶绿体的结构适于进行光合作用②叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。2.叶绿体的功能及实验验证德国科学家恩格尔曼做了实验：把载有水绵（叶绿体呈螺旋带状分布）和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在所有受光部位。叶绿体的结构适于进行光合作用黑暗组：需氧细菌聚集在叶绿体被光照的区域。光照组：需氧细菌聚集在叶绿体上。现象：结论：氧气是由叶绿体在光照条件下释放出来了，叶绿体是光合作用的场所。恩格尔曼紧接着又做了一个实验：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光区和蓝紫光区。实验结论：叶绿体释放氧气主要利用的是红光和蓝紫光。恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用释放氧。结合其他实验证据，科学家们得出：叶绿体是光合作用的场所这一结论。叶绿体的结构适于进行光合作用恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？①选材好：水绵的叶绿体呈螺旋式带状分布，便于观察。

需氧细菌，可以确定释放氧气的部位。③排除了干扰：没有空气的黑暗环境，排除了O2和光的干扰。②观测指标好：好氧细菌的分布进行检测，准确判断O2释放的部位。④设置对照好：用极细的光束点状投射，叶绿体上可分为有光和无光的部位，形成对照；局部光照和完全暴露在光下形成对照，再次证明完全由于光照引起。光合作用是指绿色植物通过

，利用

，把二氧化碳和水转化成储存着能量的

，并且释放出

的过程。光合作用的原理CO2+H2O（CH2O）O2+光能叶绿体叶绿体使如何将光能转化为化学能？又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？1.概念：2.反应式：CO2+H2O（CH2O）O2+光能叶绿体CH2O19世纪末人们认为：1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，且甲醛不能通过光合作用转化为糖。叶绿体光能有机物氧气光合作用的原理3.探索光合作用原理的部分实验：（1）1937年，英国科学家希尔发现：在离体的叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。像这样，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称作希尔反应。希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移。希尔的实验能否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？能说明。希尔反应是离体叶绿体在悬浮液中进行，没有合成糖的的原料CO2，说明两个反应相对独立。利用同位素示踪法光合作用的原理3.探索光合作用原理的部分实验：（2）1941年，美国科学家鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法研究了光合作用中氧气的来源。实验结果发现，在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2，说明光合作用释放的氧气中氧元素都来源于H2O。（3）1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解向伴随。尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系：光合作用的原理4.光合作用的过程：光合作用包括一系列化学反应，根据是否需要

，这些反应可以概括地分为

和暗反应（现在也称为

反应）两个阶段。光能光反应碳（1）光反应阶段：光合作用的第一阶段的化学反应，必须有光才能进行。场所：

；①水的光解：②NADPH的合成：③ATP的合成：类囊体薄膜物质变化：叶绿体中的色素ADP+PiATPH2OO2光解NADP+NADPH酶酶2H2OO2光能叶绿体4H+++4e-NADP+NADPH酶H+++2e-ADPATP色素、酶Pi++能量光能量变化：光能转化为活跃的化学能，储存在ATP和NADPH中。不能描述为光能转化为ATP和NADPH。H+光合作用的原理4.光合作用的过程：叶绿体中的光合色素吸收的光能，有以下两方面用途。一是将水分解为

，氧直接以氧分子的形式释放出去，H+与氧化型辅酶II（NADP+）结合，形成还原型辅酶II（NADPH）。NADPH作为活泼的

，参与暗反应阶段的化学反应，同时也

供暗反应阶段利用。氧和H+【相关信息】水分解为氧和H+的同时，被叶绿体夺去两个电子，电子经传递，可用于NADP+和H+结合形成NADPH。二是在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP和Pi反应生成ATP。这样，光能就转化为储存在ATP中的化学能。这些ATP将参与第二阶段合成有机物的化学反应。还原剂储存部分能量光合作用的原理4.光合作用的过程：（1）暗反应阶段：光合作用的第二阶段的化学反应，有光没有光都能进行。场所：

；叶绿体基质物质变化：

。CO2被利用，经过一系列反应后生成糖类CO2是如何转变为糖类的呢？20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻（一种单细胞绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。结论：CO2中C的转移途径是：CO2→C3→（CH2O）光合作用的原理4.光合作用的过程：（2）暗反应阶段：光合作用的第二阶段的化学反应，有光没有光都能进行。场所：

；叶绿体基质物质变化：

。CO2被利用，经过一系列反应后生成糖类C52C3ATP多种酶酶(CH2O)CO2固定还原NADPH酶NADP+ADP+Pi①CO2的固定：②C3的还原：CO22C3酶C5+（CH2O）C5酶2C3+ATP、NADPH能量变化：ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。暗反应产物中，有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖，蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。可以为C3还原提供能量和作为还原剂！一分子的CO2被固定后，很快形成了两个C3分子。在有关酶的催化作用下，C3接受

释放的能量，并且被

还原。光合作用的原理4.光合作用的过程：绿叶通过

从外界吸收CO2，在特定酶的作用下，与C5（一种五碳化合物）结合，这个过程称作

。气孔【相关信息】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）。随后，一些接受能量并被还原的C3，在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的C3,经过一系列的变化，又形成

。这样C5又可以参与CO2的固定。CO2的固定NADPHATP和NADPHC5这样，暗反应阶段就形成从C5到C3再到C5的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作

。卡尔文循环光合作用的原理5.光反应阶段与暗反应阶段比较：光反应阶段暗反应阶段场所条件物质变化能量变化联系叶绿体类囊体薄膜上叶绿体基质光、色素、酶有光无光都可，多种酶色素、酶2H2OO2+4H++4e-光ADP+Pi+能量

ATP酶光、色素NADP++H++2e-

NADPH酶CO2＋C52C3酶2C3(CH2O)+C5酶ATP、NADPH光能→ATP、NADPH中活跃的化学能ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能光反应为暗反应提供ATP和NADPH；暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料光合作用过程中的元素转移途径叶绿体中的色素ADP+PiATPH2OO2光解NADP+NADPH酶酶H+C52C3多种酶酶(CH2O)CO2固定还原酶①H元素转移：H2ONADPH(CH2O)光反应暗反应②C元素转移：CO2(CH2O)暗反应ⅠC3暗反应Ⅱ③O元素转移：H2OO2光反应CO2(CH2O)暗反应ⅠC3暗反应Ⅱ化能合成作用在自然界中，除了光合作用，还有另外一种制造有机物的方式。少数种类的细菌，细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但却能利用体外环境中的无机物氧化时所释放的能量来制造有机物。例如，生活在土壤中的硝化细菌，能将土壤中的

氧化成

，进而将HNO2氧化成

。这两个化学反应中释放出的

，就能被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类。这些糖类就可以供硝化细菌维持自身的生命活动。氨亚硝酸硝酸（HNO3）化学能NH3HNO2HNO3CO2+H2O（CH2O）能量作用机理：PART02

知识拓展

难点透析关于色素的几个要点拓展1.塑料大棚中“塑料颜色”与“补光类型”的选择（1）为提高光能利用率，塑料大棚栽培时常选择“无色塑料”以便透过各色光，这是因为太阳的全色光透过时，各种颜色的光均可被作物吸收（黄绿色较少）。（2）阴天或夜间给温室大棚补光时，宜选择植物吸收利用效率最高的“红光或蓝紫光”灯泡，若利用白炽灯，则其中的“黄绿光”利用率极低，从节约能源角度用“红光或蓝紫光”灯泡最佳。植物工厂里为什么不用发绿光的光源？绿色光源发出的绿光，这种波长的光不能被光合色素吸收，无法用于光合作用制造有机物。关于色素的几个要点拓展1.叶绿素（1）结构：（2）组成元素：C、H、O、N、Mg（3）影响叶绿素合成的因素：光照：影响叶绿素合成的主要因素，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，叶片发黄；温度：影响叶绿素合成有关的酶活性，进而影响叶绿素合成；必需元素：缺乏N、Mg等必需元素，导致叶绿素无法合成，叶片变黄。为什么树叶大多是绿色的？到了秋天又会变黄？而有些树叶如枫叶则会变红？关于色素的几个要点正常叶片中叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3:1，且对绿光吸收最少，绿光被反射回来，所以叶片呈现绿色。寒冷时，叶绿素分子易被破坏，类胡萝卜素较稳定，叶片呈显出类胡萝卜素的颜色而变黄。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，而叶绿素因寒冷而逐渐降解，叶片呈显红色。注意！不是类胡萝卜素合成增多所致。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改变变化颜色举例胡萝卜、绿叶色素花、果实的色素关于色素的几个要点光合色素VS细胞液色素：光合作用的原理光照强度减弱后，短时间内叶绿体内的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何变化？CO2浓度下降后，短时间内叶绿体内的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何变化？光强↓光反应减弱C3→C5↓，C5→C3不变C3↑C5↓NADPH合成↓ATP合成↓CO2↓CO2固定受阻C3↓C5↑C3还原受阻NADPHATP↑↑拓展光合作用的原理光照强度减弱后，短时间内叶绿体内的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何变化？CO2浓度下降后，短时间内叶绿体内的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何变化？光强↓光反应减弱C3→C5↓，C5→C3不变C3↓C5↑NADPH合成↓ATP合成↓CO2↓CO2固定受阻C3→C5不变C5→C3↓C3还原受阻NADPH↓ATP↓拓展PART03链接高考

真题演练

1.[2024·河北卷]高原地区蓝光和紫外光较强，常采用覆膜措施辅助林木育苗。为探究不同颜色覆膜对藏川杨幼苗生长的影响，研究者检测了白膜、蓝膜和绿膜对不同光的透过率，以及覆膜后幼苗光合色素的含量，结果如图、表所示。真题演练覆膜处理叶绿素含量（mg/g）类胡萝卜素含量（mg/g）白膜1.670.71蓝膜2.200.90绿膜1.740.65回答下列问题：（1）如图所示，三种颜色的膜对紫外光、蓝光和绿光的透过率有明显差异，其中_____光可被位于叶绿体

上的光合色素高效吸收后用于光反应，进而使暗反应阶段的C3还原转化为________和________。与白膜覆盖相比，蓝膜和绿膜透过的________较少，可更好地减弱幼苗受到的辐射。蓝类囊体薄膜C5糖类紫外光1.[2024·河北卷]高原地区蓝光和紫外光较强，常采用覆膜措施辅助林木育苗。为探究不同颜色覆膜对藏川杨幼苗生长的影响，研究者检测了白膜、蓝膜和绿膜对不同光的透过率，以及覆膜后幼苗光合色素的含量，结果如图、表所示。真题演练覆膜处理叶绿素含量（mg/g）类胡萝卜素含量（mg/g）白膜1.670.71蓝膜2.200.90绿膜1.740.65（2）光合色素溶液的浓度与其光吸收值成正比，选择适当波长的光可对色素含量进行测定。提取光合色素时，可利用________作为溶剂。测定叶绿素含量时，应选择红光而不能选择蓝紫光，原因是____________________________________________________________________________________________________。乙醇叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，选择红光可以排除类胡萝卜素的干扰1.[2024·河北卷]高原地区蓝光和紫外光较强，常采用覆膜措施辅助林木育苗。为探究不同颜色覆膜对藏川杨幼苗生长的影响，研究者检测了白膜、蓝膜和绿膜对不同光的透过率，以及覆膜后幼苗光合色素的含量，结果如图、表所示。真题演练覆膜处理叶绿素含量（mg/g）类胡萝卜素含量（mg/g）白膜1.670.71蓝膜2.200.90绿膜1.740.65（3）研究表明，覆盖蓝膜更有利于藏川杨幼苗在高原环境的生长。根据上述检测结果，其原因为:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。覆盖蓝膜紫外