浙科版（2019）生物必修一 第三章第五节课时1　光合作用概述、光合色素的提取与分离实验操作学案（含解析）

第五节　光合作用将光能转化为化学能
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。
　1.基于光合作用与细胞呼吸的反应式,归纳、总结两者的区别,形成结构与功能观。
　2.通过分析光合作用发生的场所、条件等,阐明光合作用的过程和实质,培养科学思维能力。
　3.理解“光合色素的提取与分离”的实验原理和方法,掌握基本的实验操作技能。
　4.比较光反应和碳反应及其相互关系,明确两者是相辅相成不可分割的统一整体,形成稳态与平衡观、物质与能量观。
　5.建构光强度、CO2浓度及温度变化对光合速率影响的曲线模型,综合分析影响光合作用的环境因素。
　6.分析影响光合作用的外界因素,并设计方案进行探究,培养科学探究能力。
　7.应用光合作用原理指导农业生产,并对生产实践中的相关内容做出理性解释和判断。
课时1　光合作用概述、光合色素的提取与分离实验操作
一、光合作用概述
1.光合作用概念
指绿色植物和蓝细菌等以二氧化碳和水为原料,利用光能合成糖类等有机物并释放氧气的过程。
2.光合作用总反应式
6CO2+12H2OC6H12O6+6H2O+6O2。
二、光合作用在叶绿体中进行
1.叶绿体的结构与功能
(1)结构模式图。
(2)结构。
(2)结构。
(3)功能:进行光合作用的场所。
1.叶绿体是进行光合作用的必要结构吗 为什么
提示:不是,原核细胞如蓝细菌,虽没有叶绿体,但也能进行光合作用。
2.科学家采用什么方法证明光合作用过程中释放的氧气只来自参加反应的水
提示:同位素标记法。
2.光合色素的提取与分离实验操作
(1)实验原理。
①提取色素:光合色素是一类脂溶性物质,可利用脂溶剂将它们从叶绿体中提取出来,本实验采用 95%的酒精进行提取。
②分离叶绿体中色素:各种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速度快,反之则速度慢,因而色素就会随着层析液在滤纸上扩散而分离开。
(2)实验步骤。
①提取色素。
收集
②分离色素。
(3)观察实验结果:5～10 min以后,取出滤纸条。待滤纸条干燥后,滤纸条上会出现4种不同颜色的光合色素带,由上至下依次为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。
3.叶绿体中含有的光合色素
(1)光合色素在叶肉细胞中的含量不同,有些色素的含量会随着季节(温度)或者生理特性的变化而发生变化。
(2)叶绿体中的叶绿素a和叶绿素b,都是含镁的有机分子,它们分别呈现蓝绿色、黄绿色。
(3)叶绿体中还有许多种黄色、橙色和红色的色素,合称为类胡萝卜素,其中最多的是胡萝卜素和叶黄素。
(4)在光合作用中,光合色素的作用是吸收可见光,将光能转化为化学能,用于有机物的合成。
层析时,滤纸条上的滤液细线为什么要高于层析液液面
提示:滤纸条上的滤液细线如果低于层析液液面,细线上的色素就会溶解到层析液中,因此就不会在滤纸条上扩散开来。
[自主学习检测]——教材基础熟记于心
1.叶绿素中含有Mg,易溶于水,不溶于脂溶剂。(　×　)
提示:叶绿素中含有Mg,易溶于脂溶剂,难溶于水。
2.线粒体和叶绿体为双层膜结构,其内膜中分别分布着与呼吸作用和光合作用有关的酶。(　×　)
提示:叶绿体内膜上无与光合作用有关的酶的分布。
3.不同种类的色素在绿叶中的含量不同,层析后含量多的色素在滤纸条上的色素带宽,反之色素带窄。(　√　)
4.在滤纸条上4条平行分布的色素带颜色,自上而下依次为橙色、黄色、黄绿色、蓝绿色。(　×　)
提示:在滤纸条上4条平行分布的色素带,自上而下依次为橙色的胡萝卜素、黄色的叶黄素、蓝绿色的叶绿素a、黄绿色的叶绿素b。
5.提取色素研磨时加入少许CaCO3,可防止叶绿体被破坏。(　×　)
提示:加入少许CaCO3,可防止叶绿素被破坏。
6.与H2O的裂解有关的许多酶分布在叶绿体的类囊体空腔内。(　√　)
7.叶绿体的类囊体膜和基质中均分布有叶绿素及将光能转化为化学能的多种蛋白质。(　×　)
提示:与光合作用有关的色素和将光能转化为化学能的多种蛋白质分布在叶绿体的类囊体膜上。
8.叶绿体中色素提取的原理是色素溶解在层析液中。(　×　)
提示:叶绿体中色素提取的原理是色素能溶解于有机溶剂中,如95%的酒精。
任务一　概述光合作用
[任务突破]
理解光合色素与吸收光谱
色素的分布 叶绿体的类囊体膜上
吸收光谱 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;一般叶绿体中的色素只吸收可见光,对红外光和紫外光不吸收
化学特性 不溶于水,能溶于乙醇、丙酮等有机溶剂
色素 与 叶片 颜色 正常绿色 正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例约为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,叶子变黄
叶色变红 秋天降温时,植物体为适应寒冷,体内积累了较多的可溶性糖,有利于形成红色的花青素(存在于液泡中),而叶绿素因寒冷逐渐降解,叶子呈现红色
特别 说明 ①植物叶片呈现绿色的原因是叶片中的色素对绿光的吸收少,绿光被反射出来; ②植物的液泡中含有的色素(花青素)不参与光合作用; ③植物幼嫩的茎和果实的细胞中也含有吸收光能的色素
[迁移应用]
[典例1] 下图表示某正常绿色植物的叶绿体中各类色素的吸收光谱,下列叙述错误的是(　C　)
A.叶绿体中含有多种黄色、橙色和红色的色素,合称类胡萝卜素
B.由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后,短时间内叶绿体中ATP含量增加
C.用叶绿体中提取的色素混合液进行吸收光谱分析,在670 nm处的吸收峰有2个
D.对图示吸收光谱进行分析,在红光区存在吸收峰的有2种色素
解析:叶绿体中,除了叶绿素外,还存在多种黄色、橙色和红色的色素,合称类胡萝卜素;由550 nm波长的光转为670 nm波长的光后,色素吸收的光增加,光合作用光反应增强,所以短时间内叶绿体中ATP含量增加;叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,670 nm处属于红光,从图中看出,在670 nm处,色素混合液只有1个吸收峰;叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,在红光区域,存在吸收峰的有叶绿素a和叶绿素b。
任务二　光合色素的提取与分离
[任务突破1]
明确光合色素提取与分离实验中的注意事项及操作目的
实验过程 注意事项 操作目的
提取 色素 ① 选取新鲜的绿色叶片 使滤液中色素含量高
② 将新鲜的菠菜叶烘干、粉碎成干粉,研磨时加入2～3 mL 95%的酒精 溶解叶片中的色素
③ 研磨时加入少许的二氧化硅和碳酸钙 研磨充分和保护叶绿素
④ 迅速、充分研磨 防止溶剂挥发并充分溶解色素
⑤ 盛放滤液的试管管口加棉塞 防止色素分子被氧化
分离 色素 ① 滤纸条预先干燥处理 使层析液在滤纸条上的扩散速度快
② 滤纸条的一端剪去两角 防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快
③ 滤液细线要细、齐、直 使分离的色素带平齐、不重叠
④ 滤液细线干燥后重复画,共画3～4次 使分离的色素带清晰便于观察
⑤ 滤液细线不能触及层析液 防止色素直接溶解在层析液中
[迁移应用]
[典例2-1] (2022·温州高一期中联考)下列有关光合色素的提取与分离实验的叙述,正确的是(　C　)
A.滤液细线浸入层析液,可导致滤纸条上色素带重叠
B.可以用95%的酒精分离光合色素
C.点样的时候可用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔画的横线均匀地画出一条细而直的线
D.虽然接触了层析液等化学药品,但是实验结束后可以不用洗手直接进食
解析:滤液细线浸入层析液,色素会溶解在层析液中,导致色素不能在滤纸条上扩散;光合色素能溶于有机溶剂,可以用95%的酒精提取光合色素;用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔画的横线均匀地画出一条细而直的线,待滤液干后,再画3～4次;层析液中的苯有毒,实验结束后需要用肥皂洗手,不能不洗手直接进食。
[任务突破2]
纸层析法分离的光合色素类型、颜色及主要吸光类型
[迁移应用]
[典例2-2] 为研究强光照对移栽幼苗光合色素的影响,某同学提取叶绿体色素进行纸层析,如图为纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述错误的是(　B　)
A.强光照导致了该植物的叶绿素含量降低
B.色素Ⅰ、Ⅱ主要吸收红光和蓝紫光
C.色素Ⅲ、Ⅳ都是含镁的有机分子
D.类胡萝卜素含量的增加可能有利于该植物抵御强光照
解析:色素Ⅲ和色素Ⅳ属于叶绿素,对比正常光照和强光照可知,强光照导致了该植物的叶绿素含量降低;色素Ⅰ、Ⅱ合称为类胡萝卜素,主要吸收蓝紫光;色素Ⅲ和色素Ⅳ属于叶绿素,都是含镁的有机分子;强光照和正常光照相比,叶绿素含量明显降低,类胡萝卜素含量增加,可见类胡萝卜素含量增加有利于该植物抵御强光照。
基础达标练
1.下列关于叶绿体的叙述,正确的是(　A　)
A.叶绿体是进行光合作用的场所
B.没有叶绿体的细胞不能进行光合作用
C.叶绿体是具有单层膜结构的细胞器
D.叶绿体基质是进行光反应的主要场所
解析:叶绿体是进行光合作用的场所;蓝细菌没有叶绿体,但是含有藻蓝素、叶绿素,可以进行光合作用;叶绿体是具有双层膜结构的细胞器;叶绿体基质是进行碳反应的场所。
2.(2022·新力量联考)叶绿体中的色素为脂溶性物质,液泡中紫红色的花青素为水溶性。以月季成熟的紫红色叶片为材料,下列实验无法达到目的的是(　C　)
A.用95%的酒精提取叶绿体中的色素
B.用水作层析液观察花青素的色素带
C.用光学显微镜观察液泡、类囊体等结构
D.用于验证活细胞的细胞膜具有选择透过性
解析:由题干信息可知,可用95%的酒精提取叶绿体中的色素;用水作层析液提取并观察花青素的色素带;光学显微镜无法观察到类囊体;月季成熟的紫红色叶片细胞为成熟的细胞,因而可以通过质壁分离及复原实验来验证活细胞的细胞膜具有选择透过性。
3.(2022·绍兴高一期末)对菠菜绿叶中提取的色素进行分离,以色素扩散距离为横坐标,光合色素的含量为纵坐标绘制图形,下列叙述正确的是(　A　)
A.色素甲呈黄绿色
B.滤纸条上色素带最宽的是丁
C.色素乙在层析液中溶解度最大
D.菠菜绿叶的新鲜程度不影响四种色素的含量
解析:色素甲为叶绿素b呈黄绿色;光合色素乙(叶绿素a)的含量最多,滤纸条上色素带最宽的是乙;同一时间段内扩散距离越远,色素在层析液中的溶解度越大,色素扩散距离最远的是丁,即色素丁的溶解度最大;菠菜绿叶的新鲜程度会影响四种色素的含量,新鲜的叶片光合色素含量丰富,否则色素可能分解,影响实验结果。
4.如图为叶绿体结构模式图,下列关于其结构与功能的叙述,正确的是(　A　)
A.该结构与植物细胞的能量转换有关
B.①主要由纤维素构成
C.吸收光能的色素主要分布在②上
D.与光合作用有关的酶只位于④中
解析:叶绿体能将光能转化为化学能;①叶绿体外膜主要由磷脂和蛋白质组成;吸收光能的色素主要分布在③类囊体膜上;与光合作用有关的酶位于③和④。
5.某同学在完成色素提取和分离实验后,在滤纸条上得到四条明显分开的条带,但四条色素带都比正常颜色浅,其原因不可能是(　C　)
A.酒精加入量过大 B.没有加二氧化硅
C.没有加碳酸钙 D.画滤液细线次数少
解析:酒精加入量过大,色素浓度低,颜色会变浅;研磨时未加二氧化硅,会导致研磨不充分,提取的色素含量少;研磨时未加碳酸钙,会破坏叶绿素,导致分离后形成的四条色素带中叶绿素的两条色素带比正常颜色浅,而类胡萝卜素的两条色素带不受影响;画滤液细线次数少,会导致滤液细线上沉积的色素少,导致分离后形成的四条色素带都比正常颜色浅。
6.下列关于叶绿体中光合色素的叙述正确的是(　C　)
A.主要吸收红外光和紫外光
B.有规律地分布在叶绿体内膜上
C.类胡萝卜素低温下稳定性高于叶绿素
D.在一定强度的光照下,能够催化光反应的发生
解析:叶绿体中的叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光;叶绿体中的光合色素分布在叶绿体的类囊体膜上;类胡萝卜素低温下稳定性高于叶绿素,故低温叶绿素被破坏,类胡萝卜素比较稳定;酶具有催化作用,光合色素没有催化作用。
7.如图为分离菠菜叶光合色素的实验装置及结果示意图(滤纸片中心点为点样处),色素环带①是(　B　)
A.胡萝卜素 B.叶黄素
C.叶绿素a D.叶绿素b
解析:各种色素随层析液在滤纸上扩散速度不同,其中胡萝卜素扩散得最快,其次是叶黄素,然后是叶绿素a,扩散最慢的是叶绿素b,因此①是扩散较快的叶黄素。
8.如图为叶绿体内的不同色素的吸收光谱。结合图示分析若遇到连续阴雨天气,种植蔬菜的大棚里最好选择补充的光源为(　A　)
A.红光或蓝紫光 B.绿光
C.紫外光和红外光 D.黄光或橙光
解析:题图中显示叶绿素和类胡萝卜素在蓝紫光区都有吸收峰,叶绿素在红光区有吸收峰,故在阴雨天气中,为了提高植物光合速率应该补充的有效光是红光或蓝紫光。
9.如图代表新鲜菠菜叶光合色素纸层析的结果。若以秋冬的银杏落叶为材料,得到的色素带最可能有(　D　)
A.①② B.②③
C.①④ D.③④
解析:据图示分析,由下而上的色素依次为叶绿素b(黄绿色)、叶绿素a(蓝绿色)、叶黄素(黄色)、胡萝卜素(橙色),秋冬的银杏落叶由于在低温条件下叶绿素已分解,落叶中主要含叶黄素和胡萝卜素,所以得到的色素带最可能有③④。
10.下列关于“光合色素的提取与分离”实验的叙述,正确的是(　D　)
A.加入少许CaCO3能避免类胡萝卜素被破坏
B.新鲜的菠菜叶片烘干后不利于色素的提取
C.纸层析法分离光合色素的原理是色素易溶于95%的酒精
D.用某一叶黄素缺失突变体水稻叶片进行实验,分离色素时从上往下第2条色素带缺失
解析:加入少许CaCO3能避免叶绿素被破坏;新鲜的菠菜叶片烘干后减少了细胞中的水分,有利于色素的提取;纸层析法分离光合色素的原理是各种色素随层析液在滤纸条上扩散速度不同,从而分离色素;分离色素时,叶黄素位于滤纸条从上往下第2条,所以用某一叶黄素缺失突变体水稻叶片进行实验,分离色素时(从上往下)第2条色素带
缺失。
11.拟南芥是生物学实验中常用的实验材料,用不同强度的光照射拟南芥叶片,叶肉细胞中叶绿体的位置和朝向如图所示,箭头代表光照方向。请回答下列问题。
(1)拟南芥叶肉细胞通常呈现绿色,与　　　　　　　　　 　上分布着捕获光能的色素有关,这些色素可分为两类,其中含量较高的是　　 　　。
(2)种植拟南芥时,如遇到连续阴雨天气最好选择相同光强度下的
　　 　　(填“白光”“红光”或“绿光”)补充光照,但种植大棚作物选用　　 　　　(填“无色透明”“红色”或“绿色”)的薄膜。
(3)深秋拟南芥叶片由绿变黄,采用纸层析法对该叶片进行色素分离,滤纸条上自上而下的第　　　　条色素带颜色较浅或几乎没有,如果遇到连续阴雨天气用红光补充光照 　　　　　　(填“较好”或“基本无效”),因为 　 　。
(4)光照较弱时,拟南芥叶肉细胞中叶绿体的位置和朝向是
　,
叶绿体这样分布的意义是 　　　　　　　　　　　 　。
解析:(1)拟南芥叶肉细胞通常呈现绿色,与叶绿体的类囊体薄膜上分布着捕获光能的色素有关,这些色素可分为两类,叶绿素和类胡萝卜素,其中含量较高的是叶绿素(约占3/4)。
(2)如果遇到连续阴雨天气最好选择相同光强度下的红光补充光照(白光是复合光,同等光强度下红光提供的光能更多),但种植大棚作物选用无色透明的薄膜,以透过所有的色光,有利于植物的光合作用。
(3)用纸层析法进行色素分离时,滤纸条上从上到下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b,深秋温度低叶绿素分解,使植物叶片由绿变黄,故滤纸条上自上而下的第3、第4条色素带颜色较浅或几乎没有。由于深秋植物叶片由绿变黄,叶绿素含量很低,吸收红光很少,且类胡萝卜素不吸收红光,故在连续阴雨天气用红光补充光照基本
无效。
(4)光照较弱时,拟南芥叶肉细胞中多数叶绿体分布在光照一侧,以椭球体的正面(面积较大的一面)朝向光源,以增大叶绿体的受光面积,吸收更多的光能,进行光合作用。
答案:(1)叶绿体的类囊体薄膜　叶绿素
(2)红光　无色透明
(3)3、第4　基本无效　 深秋植物叶片由绿变黄,叶绿素含量很低,吸收红光很少,且类胡萝卜素不吸收红光
(4)多数叶绿体分布在光照一侧,以椭球体的正面(面积较大的一面)朝向光源　增大叶绿体的受光面积,吸收更多的光能
12.为探究不同环境因素对某植物叶片中叶绿素相对含量的影响,进行了相关实验,结果如图所示:
回答下列问题。
(1)本实验的因变量是　　　 　　　　。由图中曲线对比可知,经　　　　　　　　处理的该植物叶片中叶绿素含量下降最为明显,这将直接导致光反应中叶绿素吸收的　　　　　　　　光减少而降低了光合速率。由此推知,若遇到较低温天气,除升温方法外,可对植物进行　　　　处理以减少叶绿素的损失。
(2)提取上述四组该植物叶片中的色素时,为防止色素被破坏,研磨时可加入适量的　　　　。对上述四组色素提取液分别进行纸层析分离,结果发现,第4组得到的色素带中,从上到下的第　　　 　条色素带均明显变窄。
(3)若用不同波长的光照射叶绿素 a 提取液并测定　　　 　,可得到叶绿素a的吸收光谱。
解析:(1)由题图可知,该实验的自变量是温度和光照的有无,因变量是叶绿素含量。由图中曲线4可知,经光照和低温处理的该植物叶片中叶绿素含量下降最为明显,由此推知,若遇较低温天气,可通过升温和对该植物进行遮光处理来减少叶绿素的损失。叶绿素主要吸收蓝紫光和红光。
(2)碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。第4组植物叶片中叶绿素含量较低,其色素提取液进行纸层析分离所得到的色素带中,从上到下的第3、第4条色素带(叶绿素a、叶绿素b)均明显变窄。
(3)用不同波长的光照射叶绿素a的提取液并测定吸光率,可得到叶绿素a的吸收光谱。
答案:(1)叶绿素相对含量　低温和光照　蓝紫光和红　遮光　(2)碳酸钙　3、第4　(3)吸光率
综合提升练
13.如图甲为叶绿体结构模式图,图乙是从图甲中取出的部分结构放大图。下列相关叙述正确的是(　B　)
A.图甲中生物膜的面积主要靠内膜向内折叠形成嵴而增大
B.图乙所示的结构来自图甲中的③
C.③含有4种色素,其中叶绿素b的含量最多
D.图乙中光合色素的合成与光照有关,与温度无关
解析:叶绿体通过形成大量的片层结构——类囊体,增大膜面积;图甲中的③是基粒,图乙结构含有光合色素,光合色素分布在基粒的类囊体膜上,所以图乙所示的结构来自图甲中的③;③中的色素主要是叶绿素和类胡萝卜素,其中叶绿素a的含量最多;光合色素的合成既与光照有关,又与温度有关。
14.图示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(　D　)
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.层析完毕后叶绿素条带会很快随溶液挥发消失
D.实验验证了该种蓝细菌没有叶绿素b
解析:研磨时加入CaCO3的目的是保护叶绿素,加入过量不会破坏叶绿素;层析液是有机溶剂,不能用生理盐水或磷酸盐缓冲液;层析完毕后应迅速记录结果,否则叶绿素条带会因色素分解而消失,但不会随层析液挥发而消失;由题图可知,菠菜滤纸条由上至下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b,故蓝细菌细胞中没有叶黄素和叶绿素b,但有胡萝卜素和叶绿素a。
15.中国的饮食讲究“色、香、味”,颜色会影响消费。某同学拟研发“绿色”食用色素,他以生长很快的入侵植物水葫芦为材料进行如下实验。
Ⅰ.提取叶绿素:
绿色叶片提取液过滤液浓缩液叶绿素粗产品
Ⅱ.探究pH对叶绿素稳定性的影响:
取一些叶绿素粗产品,配成一定浓度的溶液,于室温(约25 ℃)下进行实验,方法和结果如下表。
实验 组号 叶绿素 溶液/ mL 调pH 处理 时间/ min 溶液颜色
① 3.0 Y 10 绿色
② 3.0 7.0 10 绿色
③ 3.0 6.0 10 黄绿色
④ 3.0 5.0 10 黄褐色
注:叶绿素被破坏后变成黄褐色。
根据所学知识和实验结果,请回答下列问题。
(1)提取食用叶绿素的X应该为　 ,
原因是 　　　　　 　　　　　。
(2)表中Y应该为　　　 　,原因是　 　　　　　　　　。
(3)若用作食品色素,天然叶绿素色素不适用于　　　 　食品,否则　 　　　 　　　　　。
(4)该同学想了解叶绿素产品中是否含有其他色素,请你提供检测方法并写出主要步骤。
解析:(1)色素易溶于有机溶剂,不溶于水,因此提取食用叶绿素应选用对人体无害的有机溶剂。(2)据表中数据可知,pH梯度为1.0,因此Y的数值为8.0。(3)据题中实验结果可知,酸性条件可破坏叶绿素。(4)检测产品中是否含有其他色素,可利用纸层析法分离色素而得出结论。
答案:(1)对人体无害的有机溶剂(食用酒精)　叶绿素易溶于有机溶剂,且应考虑溶剂对人体的影响
(2)8.0　以1.0作为pH梯度进行实验
(3)酸性　叶绿素被破坏会造成食品失绿而影响品质
(4)纸层析法,其主要步骤是①制备滤纸条,②画滤液细线,③用层析液分离色素,④观察色素带。