5.4.1捕获光能的色素和结构及光合作用的原理(1)课件(共54张PPT1个视频)-2023-2024学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

(共54张PPT)
2.3 基因工程的应用
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1
捕获光能的色素
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
1.绿叶中色素的提取和分离
(1)实验原理
归纳 夯实必备知识
无水乙醇
层析液
有机溶剂
层析液
溶解度
快
也可用95%的乙醇加入适量无水碳酸钠代替。
(2)实验步骤
二氧化硅
碳酸钙
扩散均匀
（3）实验结果及分析
(橙黄色)
(黄色)
(蓝绿色)
(黄绿色)
色素种类
色素含量
溶解度
2.叶绿体中的色素及色素的吸收光谱
叶绿素b
叶绿素a
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。
可见光
红光和蓝紫光
蓝紫光
(3)植物工厂里为什么不用发绿光的光源？
提示　这种波长的光被光合色素吸收的最少，因此不能用于光合作用中合成有机物。
补充：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。
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？
提示　这与光能的捕获有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光，藻类本身的颜色是它们“反射”的光。
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？
提示　最好选用无色透明的玻璃或塑料薄膜，因为它可以使各种颜色的光通过；补充光源可选择红光或蓝紫光，因为这种颜色的光植物光合作用吸收利用较多，更有利于植物进行光合作用。
拓展 提升科学思维
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
A
突破 强化关键能力
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
B
实验出现异常现象的原因分析
归纳总结
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
实验出现异常现象的原因分析
滤纸条色素带重叠
滤纸条无色素带
归纳总结
①滤液细线不直；
②滤液细线过粗
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2
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。
归纳 夯实必备知识
外膜
内膜
类囊体
基质
基粒
类囊体薄膜
叶绿体基质、基粒(或类
囊体膜)
吸收
传递
转化
2.叶绿体功能的实验验证
(1)资料1：(必修1 P100)
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 。
恩格尔曼
吸收光能
氧
红光和蓝紫光
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。
拓展 提升科学思维
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
(2)资料2(必修1 P101)：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。
叶绿体
色素分
子
类囊体膜上和叶绿体基质
色素和酶
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？
提示　春夏季节叶片中的叶绿素含量较多，叶绿素对绿光吸收较少，绿光大部分被反射出来，所以叶片会呈现绿色。而到了秋季，叶片中主要是类胡萝卜素，故而呈现黄色。
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NADPH
C
突破 强化关键能力
4.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
B
5.研究表明，光照会影响韭菜叶绿素的合成，但不会影响类胡萝卜素的合成。请利用色素的提取和分离技术，以暗处生长的韭菜幼苗作为材料，设计实验以验证这一结论。要求简要写出实验思路和预期结果。
实验思路：________________________________________________________
__________________________________________________________________
______________________。
预期结果：________________________________________________________
__________________________________________________________________
________________________________________。
将部分韭菜幼苗置于光照条件下培养(甲组)，部分置于黑暗条
件下培养(乙组)。一段时间后，提取并用纸层析法分离两组韭菜中的色素，比较滤纸条上的色素带
甲组滤纸条上的橙黄色和黄色的色素带与乙组滤纸条上的橙黄
色和黄色的色素带基本一致；甲组滤纸条上有蓝绿色和黄绿色的色素带，乙组滤纸条上没有蓝绿色和黄绿色的色素带
考点3
光合作用的原理
1.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。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
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
2.探索光合作用原理的部分实验
归纳 夯实必备知识
甲醛
光合作用
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 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→O2
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
希尔反应
同位素示踪
阿尔农
ATP
水的光解
对比实验
3.请在草稿纸上画出光合作用过程的示意图
请总结光反应和暗反应在进行场所、所需条件、发生的物质变化和能量转化等方面的区别
O2
ATP
NADPH
NADP＋
C5
请总结光反应和暗反应在进行场所、所需条件、发生的物质变化和能量转化等方面的区别
O2
ATP
NADPH
NADP＋
C5
场所 ：
叶绿体的类囊体薄膜
叶绿体基质
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
请总结光反应和暗反应在进行场所、所需条件、发生的物质变化和能量转化等方面的区别
O2
ATP
NADPH
NADP＋
C5
物质变化 ：
水的光解：
ATP的合成：
NADPH的合成：
ADP＋Pi ＋能量 ATP
酶
2H2O O2+4H+
光
NADP+＋H+ NADPH
酶
CO2的固定：
C3的还原：
CO2＋C5 2C3
酶
ATP ADP+Pi
NADPH、酶
2C3 （CH2O）＋C5
请总结光反应和暗反应在进行场所、所需条件、发生的物质变化和能量转化等方面的区别
O2
ATP
NADPH
NADP＋
C5
能量转化 ：
光能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能
光反应和暗反应在物质变化和能量流动方面存在什么联系？
O2
ATP
NADPH
NADP＋
C5
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
O2和H＋
ATP和NADPH
ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH
1．下图为绿色植物光合作用过程示意图(图中a～g为物质，①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示)。下列有关叙述错误的是 (　　)
A．图中①表示水分的吸收，③表示水的光解 B．c为ATP，f为NADPH C．将b物质用18O标记，最终在(CH2O)中能检测到18O D．图中a物质主要吸收红光和蓝紫光，绿色植物能利用它将光能转换成活跃的化学能
B
2.下图表示绿色植物光合作用的部分过程，图中a～c表示相关物质，甲、乙为结构。
(1)图中所示的过程属于光合作用的 阶段，甲为 。 (2)该过程将光能转化为化学能储存在 中。 (3)乙为叶绿体基质，是 的场所。
(4)图中a为 ，b为 。当外界CO2浓度减少时，b的含量会暂时 。
增多
CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5
光照减弱
光照增强
减少
增加
减少
减少
增加
增加
5.环境改变时光合作用各物质含量变化
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：
光照不变 NADPH、ATP C3 C5
CO2浓度减少
CO2浓度增加
增加
增加
增加
减少
减少
减少
①图1中曲线甲 ，曲线乙表示 。
②图2中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
③图3中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
④图4中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
C5、NADPH、ATP
C3
C5、NADPH、ATP
C3
C5、NADPH、ATP
C3
C3
C5、NADPH、ATP
5.环境改变时光合作用各物质含量变化
C5、NADPH、ATP 、C3
起始值C3高于C5(约为其2倍)
3.将单细胞绿藻置于适宜的温度、光照以及充足的CO2条件下培养，经一段时间后，突然停止光照，则下列叙述中不会发生的是(　 　)
A．光反应停止，不能形成NADPH和ATP
B．短时间内暗反应仍进行，CO2与C5继续结合形成C3
C．短时间内绿藻体内C3的含量会上升
D．由于没有NADPH和ATP供应，C3不能形成糖类等物质，积累了许多C5
D
习题检测
自然界中的某些细菌，能够利用环境中的某些 氧化分解时所释放的能量来制造有机物，这种合成作用称化能合成作用。
无机物
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
2HNO2+O2 2HNO3+能量
6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2
能量
硝化细菌
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
光合作用和化能合成作用的比较
糖类
光能
硝化细菌
5.(2023·河北张家口高三模拟)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中的氧部分来自水
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
A
突破 强化关键能力
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DNA
D.硫细菌的生物膜系统实现细胞的区室化和功能专一化
D
11.(2022·重庆南开中学质检)2021年9月24日国际权威杂志《科学》刊登了有关中国科学家人工合成淀粉的重大科技突破进展成果论文，引起全球关注。科研团队设计出11步反应的人工合成淀粉新途径，如图为光合作用过程(A)和人工合成淀粉过程(B)的简图。
(1)绿色植物能通过光合作用合成糖类，反应场所在________。图中人工合成淀粉时，固定CO2合成糖类的反应过程与卡尔文循环相似，可以推测人工合成淀粉过程中应加入________，反应才能高效完成，加入的该类物质的优化是人工合成淀粉的核心技术。
。
叶绿体
相应的酶
(2)人工合成淀粉的过程中也利用了太阳能，首先利用太阳能发电，然后利用电能制________，再用于合成有机物。植物的光合作用利用__________吸收太阳能，光反应阶段将太阳能转变为_____________________________________。
氢(H2)
光合色素
储存在NADPH和ATP中的活跃化学能
(3)若在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，在人工合成淀粉的过程中，淀粉的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是___________________________________________________________________
___________________________。
(4)按照目前技术参数，在能量供给充足条件下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地种植玉米时的淀粉产量(按中国玉米淀粉平均亩产量计算)。人工合成淀粉技术对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。由此推测该技术对我国农业生产的重要意义是__________________________________________________________________
_____________。
高于
两种途径合成糖类的量相同，而在人工合成淀粉过程中没有呼吸作用消耗糖类
(或植物呼吸作用消耗糖类)
节约耕地和淡水(解决粮食危机，提高粮食安全水平或避免农药、化肥等对
环境的污染)
3.(2021·江苏，20)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图表示叶肉细胞中部分代谢途径，
虚线框内表示“草酰乙酸/
苹果酸穿梭”，请据图回
答下列问题：
(1)叶绿体在___________
上将光能转变成化学能，
参与这一过程的两类色素
是____________________。
类囊体薄膜
叶绿素、类胡萝卜素
1
2
3
4
(2)光合作用时，CO2与C5结合产生三碳化合物，继而还原成三碳糖(C3)，为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3必须用于再生_____；运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了____个CO2分子。
C5
12
(3)在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酸乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的__________中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为______中的化学能。
NADPH
ATP
(4)为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法是：取培养10～14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定并计算光合放氧速率(单位为μmolO2·mg－1chl·h－1，chl为叶绿素)。请完成下表。
实验步骤的目的 简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，并用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组 ①____________________________________
在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮
②___________________ _____ 对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③___________________ _____________ 称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
减少叶片差异造成的
误差
叶绿素定量测定(或测
定叶绿素含量)
(4)为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法是：取培养10～14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定并计算光合放氧速率(单位为μmolO2·mg－1chl·h－1，chl为叶绿素)。请完成下表。
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____。
类囊体薄膜
C5
(2)题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___________。
叶绿体基质
细胞质基质
(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。
肽
(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。
光能
糖类
(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______
______________________
___________________________。
非还原
糖较稳定(或蔗糖分子为
二糖，对渗透压的影响相对小)