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第11讲 光合作用的原理
必修1 分子与细胞
第二单元 细胞代谢
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。
一、探索光合作用原理的部分实验
1．19世纪末，科学界普遍认为：在光合作用中CO2分子中的C与H2O结合成____，然后甲醛分子缩合成糖。
2．1928年：甲醛不能通过光合作用转化成__。
3．1937年，英国希尔：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生____。该反应称作________。
考点1 光合作用原理的探索
甲醛
氧气
希尔反应
糖
4．1941年，美国鲁宾和卡门：用__________的方法，研究了光合作用中____的来源(如图所示)，该实验证明了光合作用产生的氧气全部来自____，而不是来自____。
同位素示踪
H2O
CO2
氧气
提醒： 该实验中两组试管互为对照，自变量为18O的标记物，因变量为小球藻释放的O2的标记情况，光照、温度、小球藻的数量和生活状况等无关变量均需要保持相同且适宜。
5．1954年，美国阿尔农：在光照下，叶绿体可合成_____；1957年，他发现这一过程总是与________相伴随。
6．20世纪40年代，美国卡尔文：利用________________法，用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪_______________，最终探明了CO2中的碳转化为有机物的途径。
ATP
水的光解
放射性同位素标记
放射性14C的去向
(人教版必修1 P103思考·讨论T4)尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
提示：H2OO2＋H＋＋能量
↓
ADP＋Pi―→ATP
二、光合作用的概念和反应式
1．光合作用的概念
光合作用是指绿色植物通过______，利用____，将____________转化成储存着能量的______，并且释放出____的过程。
2．光合作用的化学反应式
____________________________。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
CO2＋H2O (CH2O)＋O2
1．希尔实验证明了水的光解和糖的合成不是同一个化学反应。 ( )
2．鲁宾和卡门实验和卡尔文实验都采用了放射性同位素标记法。 ( )
提示：鲁宾和卡门实验中所用的18O是稳定性同位素，不是放射性同位素。
3．叶绿体中合成ATP和水光解是独立进行的。 ( )
提示：叶绿体中合成ATP和水光解是密切联系的。
×
√
×
1．某同学以菠菜的绿叶为材料，制备了完整叶绿体悬浮液，并均分为两组，进行如下实验：
组别 加入物质 条件 实验现象
A组 DCPIP溶液 适宜温度和光照等条件 产生气泡，DCPIP溶液变为无色
B组 适量磷酸、NaHCO3等 (CH2O)/C3比值增高
(注：DCPIP氧化态为蓝紫色，被还原后为无色。)
(1)A组气泡中成分是______，DCPIP溶液由蓝紫色变无色的原因是
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
(2)B组(CH2O)/C3比值增高的原因是___________________________
__________________________________________________________。
提示：(1)O2 光反应阶段产生的NADPH使DCPIP还原(DCPIP被光反应产生的NADPH还原)
(2)磷酸有利于光反应阶段中ATP的形成，进而促进暗反应中C3的还原形成(CH2O)
2．光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14 CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s，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是什么，实验思路是_______
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
提示：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
考向 探索光合作用原理的实验
1．(链接人教版必修1 P102－103思考·讨论)下列关于探究光合作用原理实验的叙述，错误的是( )
A．恩格尔曼利用水绵和需氧细菌为材料，证明光合作用的场所是叶绿体
B．希尔证明离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气
C．鲁宾和卡门用18 O分别标记H2O和CO2，证明光合作用产生的氧来自水
D．美国科学家阿尔农发现光合作用中水的光解伴随着ATP的消耗
√
D [恩格尔曼的实验通过观察需氧细菌在水绵表面的分布，直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧，A正确；希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，在光照下可释放氧气，说明离体叶绿体在适当条件下能进行水的光解，产生氧气，B正确；鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法，用18 O分别标记两组实验中的H2O和CO2，证明光合作用产生的O2中的O全部来自H2O，C正确；阿尔农发现在光照下，叶绿体可以合成ATP，且这一过程伴随着水的光解，类似于光反应过程，D错误。]
2．(链接人教版必修1 P104正文)卡尔文将14 C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(0.5 s、3 s、10 s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，实验结果如下图。下列相关分析不正确的是( )
A．用14 C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
√
D [细胞中原有的物质不含14 C，用14 C标记CO2可排除细胞中原有物质的干扰，A正确；热乙醇可以杀死细胞，用热乙醇处理的目的是停止光合作用的进行，以检测杀死细胞时，其光合作用进行的程度，B正确；放射性最先在3-磷酸甘油酸中出现，推测暗反应的初产物可能是3-磷酸甘油酸，C正确；该实验可通过放射性物质出现的先后顺序来推测暗反应的过程，D错误。]
一、光合作用的过程
1．图解光合作用的过程
考点2 光合作用的原理
H2O
CO2
O2
(CH2O)
光反应
暗反应
NADPH
2C3
C5
ADP+Pi
2．比较光反应与暗反应阶段
光反应 暗反应
场所 类囊体的薄膜 叶绿体基质
条件 ________、酶、H2O、ADP、Pi、NADP＋ 酶、CO2、C5、____、_______等
光、色素
ATP
NADPH
光反应 暗反应
物质变化
光反应 暗反应
能量变化 光能―→____和_______中活跃的化学能 ____和_______中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学能
联系 光反应为暗反应提供_______和____，暗反应为光反应提供__________________ ATP
NADPH
NADP＋、ADP和Pi
ATP
NADPH
ATP
NADPH
“过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，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：
[深化拓展]
二、光合作用的意义
1．光合作用产生的有机物除供植物体自身利用外，还为________生物提供食物。
2．光能通过驱动光合作用而驱动________的运转。
所有异养
生命世界
1．(人教版必修1 P103相关信息)水分解为氧和H＋的同时，被叶绿体夺去两个________，经传递，可用于________与______结合形成NADPH。
提示：电子 NADP＋ H＋
2．(人教版必修1 P104相关信息)C3是指三碳化合物——________________，C5是指五碳化合物——______________________。
提示：3-磷酸甘油酸 核酮糖-1，5-二磷酸(RuBP)
3．(人教版必修1 P104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。
提示：淀粉 筛管
三、光合作用和化能合成作用的比较
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 光能 ____________________________
生物种类 绿色植物、蓝细菌等 ________、硫细菌等
糖类
硝化细菌
某些无机物氧化时所释放的能量
1．连续光照和间隔光照下的有机物合成量
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物的积累量要多。
[深化拓展]
2．光反应中的光系统和电子传递链
(1)镶嵌在类囊体膜上的光合色素分子有序地排列在一起，它们能够捕获光能，将光能传递给位于反应中心的色素分子，该色素分子被激发，释放出一个高能电子。失去电子的色素分子有很强的夺电子能力，它们从水分子中夺取电子，使水分解成H＋和O2。
(2)色素分子失去的电子被类囊体膜上的特殊蛋白质捕获，这些蛋白质利用电子携带的能量将H＋从叶绿体基质泵入类囊体腔，并最终把电子传递给了NADP＋，NADP＋获得电子后与H＋结合，生成NADPH。
(3)类囊体膜上镶嵌有ATP合酶，类囊体腔中的H＋顺浓度梯度经ATP合酶进入叶绿体基质，推动了ATP的生成。
1．植物在夜晚不能进行光反应，只能进行暗反应。 ( )
提示：没有光反应提供的NADPH和ATP，暗反应不能进行。
2．只提供光照，不提供CO2，植物可独立进行光反应。 ( )
提示：在暗反应不能进行时，因缺少ADP、Pi和NADP＋，光反应也会停止。
×
×
3．光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体的薄膜。 ( )
提示：ATP在类囊体的薄膜上产生，移动方向是从类囊体的薄膜到叶绿体基质。
4．暗反应中CO2可接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。 ( )
提示：暗反应中，CO2不能直接被NADPH还原，必须经过CO2的固定形成C3，再在有关酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。
×
×
5．14CO2中14C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)。 ( )
提示：14CO2中14C的转移途径为14CO2→ 。 。
×
1．光合作用的暗反应阶段主要包括：C5和CO2结合生成C3，C3经一系列变化生成糖类和C5。为确定光合作用暗反应阶段哪个反应间接依赖光，科学家利用小球藻进行实验，结果如图所示。
(1)利用热酒精处理小球藻能终止细胞内的化学反应。欲探究14CO2中14C的转移路径，给小球藻提供14CO2后，对小球藻的处理是
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
(2)暗反应阶段间接依赖光照的反应是______________________________，做出此判断的依据是___________________________________
___________________________________________________________
__________________________________________________________。
提示：(1)每间隔一段时间，用热酒精终止暗反应进程，提取并鉴定含14C的物质
(2)C3经一系列变化生成糖类和C5 当反应条件由光照变为黑暗时，C3含量升高而C5及各种中间产物的含量下降，说明C3的还原与光照条件有关
2．科研人员向离体叶绿体悬浮液中加入适量NaHCO3溶液和必要物质，在适宜条件下进行闪光实验。结果如下图：
(2)据图推测，光照总时间和实验时间相同的情况下，闪光照射的光合作用合成有机物的量与连续光照下的光合作用合成有机物的量__________(填“相同”或“不相同”)，理由是_________________________________________________________________________________________________________________________________________。
提示：(1)NADP＋、ADP、Pi
(2)不相同 闪光照射，暗反应更能充分利用光反应提供的NADPH和ATP
考向1 光合作用的过程及拓展
1．(链接人教版必修1 P103图5-14)“稻米流脂粟米白，公私仓廪俱丰实。”每年的丰收季，水稻等多种农作物开始收获，如图是水稻叶肉细胞的叶绿体内进行光合作用合成有机物的过程。下列相关叙述错误的是( )
A．光反应阶段中水被分解为H＋和物质甲，物质甲通过叶绿体膜的方式为自由扩散
B．物质丙中包括NADPH和ATP，其中NADPH是还原型辅酶Ⅱ，它与呼吸作用中的还原型辅酶不是同一种酶
C．丁和戊是光合作用中暗反应阶段的物质，两种物质的转化被称为卡尔文循环
D．暗反应阶段有没有光都能进行，夜间没有光反应但仍能进行暗反应
√
D [光反应阶段是水的光解，水在光作用下被分解为氧和H＋继续参与反应，氧直接以分子的形式排出，气体的运输方式一般是自由扩散，A正确；光合作用中的辅酶为NADPH，呼吸作用中的辅酶为NADH，两者不是同一种物质，B正确；暗反应阶段是三碳化合物与五碳化合物的相互转化，其间五碳化合物与二氧化碳结合形成两个三碳化合物，部分三碳化合物转化为有机物，部分三碳化合物转化为五碳化合物继续参与循环，这个循环是卡尔文循环，C正确；暗反应有没有光都能进行，但是夜间没有光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应也不能长期进行，D错误。]
2．(链接人教版必修1 P103图5-14)下图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析，下列叙述错误的是( )
A．水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过4层膜
B．NADP＋与电子(e－)和质子(H＋)结合形成NADPH
C．产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D．电子(e－)的有序传递是完成光能转换的重要环节
√
A [O2在叶绿体类囊体的薄膜产生，在线粒体内膜被利用，故叶绿体产生的O2被线粒体利用至少需要穿过叶绿体的3层膜(包括类囊体膜和叶绿体的内外膜)和线粒体的2层膜，共5层生物膜，A错误；据图分析，NADP＋与e－和H＋结合形成NADPH，B正确；根据图中的信息，光反应产生的ATP可用于暗反应、色素合成和核酸代谢等一些消耗能量的反应，C正确；电子传递释放的能量用于H＋的逆浓度梯度运输，使类囊体腔内维持高浓度的H＋，H＋由类囊体腔顺浓度梯度运输至叶绿体基质，驱动ATP的合成，电子有序传递保证了ATP和NADPH的合成，是完成光能转换的重要环节，D正确。]
考向2 光合作用中物质变化的分析
3．(链接人教版必修1 P104思考·讨论、正文)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化，下列相关说法正确的是( )
A．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C．突然将红光改为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D．突然将绿光改为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
√
B [突然中断CO2供应，使暗反应中CO2的固定减少，而C3还原仍在进行，因此会暂时导致C3减少，C5增多，即会引起叶绿体基质中C5/C3的值增大，A错误；突然中断CO2供应使C3减少，因此C3还原利用的ATP减少，导致ATP积累增多，而ADP含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大，B正确；由于光合色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收较少，突然将红光改变为绿光，会导致光反应产生的ATP和NADPH减少，这将使暗反应中C3的还原减弱，导致C5减少，C3增多，因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大，C错误；突然将绿光改为红光会导致光反应吸收的光能增加，光反应产生的ATP和NADPH增加，而ADP相对含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大，D错误。]
考向3 人工光合系统
4．(链接人教版必修1 P104正文)我国科学家模拟植物光合作用，设计了一条利用二氧化碳合成淀粉的绿色新型人工体系(ASAP)，流程如图所示。据图判断下列相关叙述错误的是( )
A．图中由CO2经甲醇到C3的过程类似于光合作用中CO2的固定过程
B．图示的ASAP过程与植物细胞中的暗反应一样能循环进行
C．与植物细胞固定等量的CO2相比，该体系积累的淀粉更多
D．该体系有助于减少农药、化肥等对环境造成的负面影响
√
B [图中由CO2经甲醇到C3的过程类似于光合作用中CO2的固定过程，A正确。图示的ASAP过程不能循环进行，B错误。固定CO2的量相等时，植物光合作用、ASAP两种途径合成淀粉的量相同，而植物有呼吸作用消耗糖类，ASAP途径没有呼吸作用这一过程消耗糖类，因此与植物细胞固定等量的CO2相比，该体系积累的淀粉更多，C正确。在能量供给充足的条件下，该人工体系对土地、淡水的依赖程度较低，可节约耕地和淡水资源；此外该体系不需要农药、化肥等，有助于减少农药、化肥等对环境造成的负面影响，D正确。]
体验真题 感悟高考 · 有章可循
1．(2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体，PSⅡ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ，通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是( )
A．叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B．Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C．弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，不利于对光能的捕获
D．PSⅡ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2
√
C [叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ与PSⅡ分离减少，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强，A正确；Mg2+是叶绿素的组成成分，其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少，导致对光能的捕获减弱，B正确；弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，增强对光能的捕获，C错误；PSⅡ光复合体能吸收光能，并分解水，水的光解产生H＋、电子和O2，D正确。]
2．(2023·天津卷)下图是某绿藻适应水生环境，提高光合效率的机制图。光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成。下列叙述错误的是( )
A．物质X通过提高有氧呼吸水平促进进入细胞质基质
利用通道蛋白从细胞质基质进入叶绿体基质
C．水光解产生的H＋提高类囊体腔CO2水平，促进CO2进入叶绿体基质
D．光反应通过确保暗反应的CO2的供应帮助该绿藻适应水生环境
√
B [光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成，因此物质X可通过提高有氧呼吸水平促进进入细胞质基质，A正确；进入叶绿体基质也需要线粒体产生的ATP供能，属于主动运输，通道蛋白只能参与协助扩散，B错误；据图可知，光反应中水光解产生的H＋促进进入类囊体，并与在类囊体腔内反应产生CO2，因此能提高类囊体腔CO2水平，C正确；据图可知，光反应生成的物质X(O2)促进线粒体的有氧呼吸，产生更多的ATP，有利于进入叶绿体基质，产生CO2，保证了暗反应的CO2供应，D正确。]
3．(2024·安徽卷)为探究基因OsNAC对光合作用的影响，研究人员在相同条件下种植某品种水稻的野生型(WT)、OsNAC 敲除突变体(KO)及 OsNAC 过量表达株(OE)，测定了灌浆期旗叶(位于植株最顶端)净光合速率和叶绿素含量，结果见下表。回答下列问题：
净光合速率(μmol·m-2·s-1) 叶绿素含量(mg·g-1)
WT 24.0 4.0
KO 20.3 3.2
OE 27.7 4.6
(1)旗叶从外界吸收1分子 CO2与核酮糖-1，5-二磷酸结合，在特定酶作用下形成2分子3-磷酸甘油酸；在有关酶的作用下，3-磷酸甘油酸接受____________________释放的能量并被还原，随后在叶绿体基质中转化为______________________________________。
(2)与WT相比，实验组KO与OE的设置分别采用了自变量控制中的____________、____________(填科学方法)。
ATP 和 NADPH
核酮糖-1，5-二磷酸(C5)和糖类等有机物
减法原理
加法原理
(3)据表可知，OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率________。为进一步探究该基因的功能，研究人员测定了旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的相对表达量、蔗糖含量及单株产量，结果如图：
增大
结合图表，分析OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率发生相应变化的原因：①____________________________________________________________________________________________________________；
②____________________________________________________________________________________________________________________________________。
与 WT 组相比，OE组叶绿素含量较高，增加了对光能
与 WT 组相比，OE组旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的表达量较高，可以及时将更多的光合产物(蔗糖)向外运出，从而促进旗叶的光合作用速率
的吸收、传递和转换，光反应增强，促进旗叶光合作用
[解析] (1)在光合作用的暗反应阶段，CO2被固定后形成2分子3-磷酸甘油酸(C3)，在有关酶的催化作用下，接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。随后在叶绿体基质中转化为核酮糖-1，5-二磷酸(C5)和糖类等有机物。(2)与某品种水稻的野生型(WT)相比，实验组KO为OsNAC 敲除突变体，其设置采用了自变量控制中的减法原理；实验组OE 为 OsNAC 过量表达株，其设置采用了自变量控制中的加法原理。
(3)题图和表中信息显示：OE组的净光合速率、叶绿素含量、旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的相对表达量、单株产量都明显高于WT 组和KO组，OE组蔗糖含量却低于WT 组和KO组，说明OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率增大，究其原因有①与WT组相比，OE组叶绿素含量较高，增加了对光能的吸收、传递和转换，光反应增强，促进旗叶光合作用；②与 WT 组相比，OE组旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的表达量较高，可以及时将更多的光合产物(蔗糖)向外运出，从而促进旗叶的光合作用速率。
1．(2024·河北张家口模拟)如图是某植物细胞进行光合作用的过程，下列有关叙述正确的是( )
课时数智作业(十一) 光合作用的原理
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．光合作用产物Ⅱ中的O部分来自水
B．物质Ⅰ在暗反应中可充当还原剂，但不能供能
C．若外界中物质Ⅲ浓度适当升高，物质Ⅰ的含量会暂时降低
D．给植物提供O，一段时间后放射性会出现在O2中
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
√
C [光合作用产物Ⅱ为光反应阶段水光解产生的O2，其中的O全部来自水，A错误；物质Ⅰ为NADPH，可以在暗反应中充当还原剂，也能为暗反应供能，B错误；若外界中物质Ⅲ(CO2)浓度升高，C3合成增多，C3转化成有机物时会消耗更多的物质Ⅰ(NADPH)，而光反应强度暂时不变，因此物质Ⅰ的含量会暂时下降，C正确；18O 属于稳定同位素，18O2不具有放射性，D错误。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
2．(2024·辽宁沈阳名校联考)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。下列有关说法正确的是( )
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．甲为叶绿体，乙为细胞质基质
B．a、b、c依次为O2、NADPH、ADP
C．该过程合成的ATP大部分运出叶绿体外，用于绿色植物的各种生命活动
D．适宜条件下，当外界CO2含量升高时，a的产生速率会增加
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
D [据图分析，甲处进行了水的光解，为类囊体薄膜，乙为叶绿体基质，A错误；a为水光解的产物O2，b为类囊体薄膜上合成的NADPH，c为ATP合成所需的ADP和Pi，B错误；光合作用过程中合成的ATP，会被叶绿体自身消耗，用于光合作用的暗反应，还原三碳化合物，C错误；当外界CO2 含量升高时，暗反应速率加快，光反应速率也会加快，a(O2)的释放速率加快，D正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
3．(2024·江苏盐城模拟)下图所示生理过程中，P680和P700表示两种特殊状态的叶绿素a，M表示某种生物膜，其中乙侧的H＋浓度远高于甲侧，在该浓度差中储存着一种势能，该势能是此处形成ATP的前提。据图分析，下列说法正确的是( )
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．乙侧的H＋完全来自甲侧
B．生物膜M属于叶绿体内膜
C．CF0和CF1与催化ATP的合成、转运H＋有关，很可能是蛋白质
D．该场所产生的NADPH和ATP将参与暗反应中的CO2的固定
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
C [根据光反应阶段的物质变化可知，乙侧的H＋除来自甲侧，还来自乙侧的水的光解过程，A错误；叶绿素存在于叶绿体的类囊体薄膜上，即膜M为(叶绿体)类囊体(薄)膜，其不属于叶绿体内膜，B错误；CF0和CF1是复杂的蛋白质，其在图中所示生理过程中的作用是催化ATP的合成、转运H＋，C正确；该场所产生的NADPH和ATP将参与暗反应中的三碳化合物的还原过程，D错误。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
4．(2024·广东广州模拟)植物接受过多光照会对叶绿体造成损害，因此植物需要“非光化学淬灭”(NPQ)的机制来保护自身，在NPQ的作用下多余的光能会以热能的形式散失。该机制的启动和关闭特点如图所示。下列叙述错误的是( )
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．NPQ直接作用于光合作用中的光反应阶段
B．状态②时通过NPQ避免叶绿体受创
C．叶绿体中ATP的合成量下降可能导致NPQ机制打开
D．状态①②③时，植物仍在进行光合作用
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
C [由题中信息“在NPQ的作用下多余的光能会以热能的形式散失”，可以得出NPQ直接作用于光合作用中的光反应阶段，A正确；植物接受过多光照会对叶绿体造成损害，因此植物需要“非光化学淬灭”(NPQ)的机制来保护自身，状态②时通过NPQ避免叶绿体受创，B正确；叶绿体中ATP的合成量下降，光反应减弱，色素吸收的光能减少，可能导致NPQ机制关闭，C错误；状态①②③时，植物仍在进行光合作用，D正确。]
c
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
5．(2025·湖南桃源县一中月考)磷酸丙糖是卡尔文循环最先产生的糖。磷酸丙糖转运体(TPT)是叶绿体膜上的一种反向共转运蛋白，将磷酸丙糖从叶绿体运出的同时，将无机磷酸(Pi)运入叶绿体。当细胞质基质中Pi浓度高时，磷酸丙糖通过TPT运出叶绿体，合成蔗糖；当细胞质基质中Pi浓度低时，磷酸丙糖就滞留在叶绿体中，合成淀粉暂时储存。下列说法错误的是( )
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．在叶肉细胞叶绿体中，蔗糖和淀粉的合成存在竞争性关系
B．晚上磷酸丙糖合成受阻，TPT转运效率降低
C．大田种植甘蔗时，可适当施加磷肥提高甘蔗蔗糖含量
D．滞留在叶绿体中的磷酸丙糖合成淀粉储存，可以避免渗透压升高造成膜结构损伤
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A [磷酸丙糖可以在叶绿体基质中合成淀粉，也可以在TPT作用下转运至细胞质基质合成蔗糖，A错误；晚上不能进行光合作用产生磷酸丙糖，TPT转运效率降低，B正确；甘蔗种植过程中增施磷肥后，有利于磷酸丙糖的输出，在细胞质基质中合成蔗糖，C正确；滞留在叶绿体中的磷酸丙糖合成淀粉储存，可以降低渗透压，避免造成膜结构损伤，D正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
6．(2024·福建宁德期末)我国科学家利用化学催化剂与生物催化剂相结合的方式，依据植物光合作用原理构建人工光合系统，往系统中添加NADPH等必备的物质，将大气中的CO2合成了淀粉。该人工光合系统的工作流程如下图所示，其中①～⑤代表具体过程。
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
下列相关分析，正确的是( )
A．①～⑤中相当于植物光反应过程的是②
B．③相当于CO2的固定过程，需要添加C5
C．④所添加的NADPH的作用是提供还原剂
D．使用生物酶的原因可能是生物酶降低活化能的作用更显著
√
题号
1
3
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2
4
6
8
7
D [植物光反应过程为光合色素吸收、传递、转化光能用于水的光解和ATP的合成，图中①为太阳能电池吸收光能，②为水电解形成O2和H2，因此①～⑤中相当于植物光反应过程的是①②，A错误；③为CO2和H2在无机催化剂催化下形成甲醛，进而单碳缩合形成三碳化合物，相当于CO2的固定过程，不需要添加C5，B错误；④过程类似于光合作用中C3合成C6的过程，光合作用中该过程为C3的还原，需要ATP和NADPH，其中ATP提供能量，NADPH提供能量和还原剂，C错误；酶降低活化能的作用更显著，因此催化效率更高，D正确。]
题号
1
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6
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7
7．(2024·山东菏泽期末)科研人员对绿色植物光暗转换过程中的适应机制进行研究。测定绿色植物由黑暗到光照的过程中CO2吸收速率(μmol·m-2·s-1)和光反应相对速率(μmol·m-2·s-1)的变化，结果如下图。下列叙述正确的是( )
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
A．黑暗时植株的CO2吸收速率为－0.1 μmol·m-2·s-1，与线粒体内膜产生CO2有关
B．由黑暗转变为光照条件后，叶肉细胞中NADPH和ATP的量会一直增加
C．光照0～0.5 min光反应相对速率下降，与暗反应激活延迟造成NADPH和ATP积累有关
D．光照2 min后，光反应和暗反应速率均稳定，暗反应速率大于光反应速率
√
题号
1
3
5
2
4
6
8
7
C [黑暗时植株的CO2吸收速率为－0.1 μmol·m-2·s-1，说明植株的呼吸作用速率为0.1 μmol·m-2·s-1，与线粒体基质中产生CO2有关，A错误；光反应为暗反应提供NADPH和ATP，据图可知，正常情况下0.5 min后暗反应被激活，CO2吸收增多，而图中0～0.5 min，光反应速率降低，原因是暗反应未被激活，出现该现象的原因是暗反应激活延迟造成光反应产生的NADPH和ATP积累，导致光反应被抑制，故叶肉细胞中NADPH和ATP的量不会一直增加，B错误，C正确；由图可知，光照2 min后，光反应和暗反应速率均稳定，暗反应速率约为0.25，光反应速率约为0.7，D错误。]
题号
1
3
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2
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6
8
7
8．(14分)(2024·广东惠州期末)水稻是我国重要的粮食作物之一，开展水稻高产攻关是促进粮食高产优产、筑牢粮食安全根基的关键举措。科研团队通过在水稻中过量表达OSA1蛋白，显著提高了水稻的产量，其作用机制如下图所示。请回答下列问题。
题号
1
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题号
1
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7
(1)水稻叶肉细胞通过分布于_________________上的光合色素，将光能转化为活跃的化学能，该阶段产生的_________________为光合作用的暗反应阶段提供物质和能量。
(2)水稻叶片保卫细胞细胞膜表面的OSA1 蛋白受光照诱导后活性提高，其催化和运输功能增强，将H＋大量运输到细胞外建立质子梯度，促进K＋通过_____________方式进入保卫细胞，导致细胞_____________，从而促进气孔打开。
题号
1
3
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2
4
6
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7
叶绿体类囊体薄膜
ATP、NADPH
主动运输
吸水膨胀
(3)研究者推测提高细胞内OSA1 蛋白含量能够提高水稻的光合产量，在光照和黑暗条件下进行实验，结果如下图。
题号
1
3
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2
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7
注：气孔导度代表气孔开放程度；OSA1 1组、2组、3组均高表达OSA1蛋白。
实验结果_____________(填“支持”或“不支持”)推测，理由是_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
题号
1
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支持
在光照下使用OSA1可显著提高气孔导度和CO2吸收速率，暗反应速率增强，暗反应可为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，光反应速率提高，最终使得光合速率提高(4分)
[解析] (1)光合色素存在于叶绿体的类囊体薄膜上。光反应阶段产生的ATP可为暗反应提供能量，NADPH既可为暗反应提供能量，又可做还原剂。(2)由图可知，OSA1蛋白能将H＋从细胞质基质运输至细胞外，水稻叶片保卫细胞质膜上OSA1蛋白受光诱导后活性提高，其催化和运输功能增强，将H＋大量运输到细胞外建立质子梯度，从而促进K＋进入保卫细胞。据此推测，K＋进入保卫细胞的方式是主动运输，其动力是H＋浓度差(电化学势能)。K＋进入保卫细胞使保卫细胞的渗透压升高，保卫细胞会吸水膨胀，进而导致气孔打开。
题号
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3
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7
(3)该实验的自变量是光照条件和OSA1蛋白含量，因变量是气孔导度和CO2吸收速率。由图可知，在光照下使用OSA1可显著提高气孔导度和CO2吸收速率。气孔导度和CO2吸收速率升高，暗反应速率增强，暗反应可为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，光反应速率提高，最终使得光合速率提高。
题号
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(教师用书独具)
1．如图为某陆生植物体内碳流动示意图。据图分析，下列叙述不正确的是( )
A．过程①需要消耗光反应提供的ATP和NADPH
B．叶肉细胞中的卡尔文循环发生在叶绿体基质
C．叶肉细胞中会发生由单糖合成二糖或多糖的过程
D．④受阻时，②③的进行能缓解丙糖磷酸积累对卡尔文循环的抑制
√
A [过程①表示CO2的固定，CO2的固定不消耗光反应提供的ATP和NADPH，消耗ATP和NADPH的是C3的还原过程。]
2．(2024·广东汕头三模)如图所示，将草酸铁(含Fe3+)加入含有离体叶绿体的溶液中，除去空气并给予适宜的光照后，溶液颜色发生变化并产生氧气。在相同条件下，不添加草酸铁时，则不产生氧气。下列有关论述正确的是( )
A．可通过差速离心法提取叶绿体并置于蒸馏水中保存
B．相较于蓝紫光，绿光照射使叶绿体释放氧气量更大
C．颜色变化是由于Fe3+被还原，Fe3+相当于叶绿体基质内的NADH
D．实验说明叶绿体中氧气的产生过程与糖类的合成过程相对独立
√
D [可通过差速离心法提取叶绿体但是不能置于蒸馏水中保存，否则会吸水涨破，A错误；相较于绿光，蓝紫光吸收量大，用蓝紫光照射使叶绿体释放氧气量更大，B错误；NADH是呼吸作用中的还原剂，颜色变化是由于Fe3+被还原，Fe3+不是还原剂，C错误；实验中除去了空气，无CO2，但仍有O2产生，说明O2的产生和糖类合成是两个相对独立的过程，D正确。]
3．(2024·广东实验中学检测)植物进行光合作用时，CO2与C5结合后被RuBP羧化酶(Rubisco)催化生成1分子不稳定的C6化合物，并立即分解为2分子C3化合物。Rubisco在催化反应前必须被激活，CO2可与Rubisco的活性中心结合使其与Mg2+结合而被活化，光照时叶绿体基质中的H＋和Mg2+浓度升高也可调节Rubisco的活性。下列相关分析错误的是( )
A．CO2既是Rubisco的底物，又是活性调节物质，降低CO2浓度短时间内可使C5含量增多
B．适当增强光照时，叶绿体基质中Rubisco活性增强，催化C3合成速率加快
C．激活的Rubisco催化合成不稳定C6的过程需光反应提供ATP和NADPH
D．对正常进行光合作用的植物停止光照后，C3的消耗速率将会降低
√
C [CO2与C5结合后能被Rubisco催化，而且CO2可与Rubisco的活性中心结合使其与Mg2+结合而被活化，故CO2既是Rubisco的底物，又是活性调节物质。降低CO2浓度会使CO2固定速率减慢，消耗的C5减少，而短时间内C3还原生成C5的速率不变，故C5含量会增多，A正确。增强光照时叶绿体基质中的H＋浓度升高使Rubisco的活性增强，进而对CO2与C5结合后的催化效率更高，生成C6化合物更快， C3合成速率加快，B正确。激活的Rubisco催化合成不稳定C6的过程不需光反应提供ATP和NADPH，NADPH、ATP用于暗反应阶段C3的还原过程，C错误。对正常进行光合作用的植物停止光照后，光反应停止，无NADPH、ATP生成，暗反应速率降低，C3的消耗速率将会降低，D正确。]
4．(2024·湖南九校联考)叶绿体进行能量转换依靠光系统(指光合色素与各种蛋白质结合形成的大型复合物，包括PSⅠ和PSⅡ)将光能转换为电能。光系统产生的高能电子沿光合电子传递链依次传递促使NADPH的形成，同时驱动膜内的质子泵在膜两侧建立H＋梯度，进而驱动ATP的合成。
注：类囊体膜上主要有光系统Ⅰ(PSⅠ)、光系统Ⅱ(PSⅡ)、细胞色素b6f蛋白复合体和ATP合成酶复合体四类蛋白复合体，参与光能吸收、传递和转化，电子传递，H＋输送及ATP合成等过程。
据图回答下列问题：
(1)光反应过程中，ATP的形成与光系统______ (填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅰ和Ⅱ”)发挥作用产生的H＋浓度梯度有关。
(2)叶绿素a(P680和P700)接受光的照射后被激发，释放势能高的电子，电子的最终供体(供给电子的物质)是______。 通过光合电子传递链，光能最终转化为____________________中的化学能。
Ⅱ
水
ATP和NADPH
(3)图中ATP合成酶的作用是_______________________________________；线粒体中存在类似于ATP合成酶的膜是______________。据图分析，增加膜两侧的H＋浓度差的生理过程有___________________________________________________________________________ (共3点)。
催化ATP的合成，协助H＋跨膜运输
线粒体内膜
水的光解产生H＋、PQ蛋白将H＋从A侧运输到B侧、合成NADPH消耗H＋
(4)除草剂二溴百里香醌(DBMIB)是质体醌(PQ)的类似物，可充当PQ的电子受体。DBMIB能够和细胞色素b6f特异性结合，阻止光合电子传递到细胞色素b6f。若用该除草剂处理无内外膜的叶绿体，会导致ATP含量显著下降，其原因可能是__________________________________________________________________________________________________。
二溴百里香醌(DBMIB)阻断电子传递，会抑制水光解产生H＋，使膜内外H＋的浓度差减小甚至消失
[解析] (1)光反应过程中，PSⅡ发生H2O的光解，使B侧H＋浓度增加，产生的e－通过电子传递体，再通过PSⅠ传到A侧，最终将电能变为NADPH中的活跃化学能。(2)叶绿素a接受光的照射后被激发，在PSⅡ发生H2O的光解，释放势能高的电子，电子的最终供体是H2O，最终受体是ATP和NADPH，因此，通过光合电子传递链，光能最终转化为ATP和NADPH中的化学能。
(3)图中ATP合成酶的作用是催化ATP的合成，协助H＋跨膜运输。线粒体中存在类似于ATP合成酶的膜是线粒体内膜。据图分析，增加膜两侧的H＋浓度差的生理过程有水的光解产生H＋、PQ蛋白将H＋从A侧运输到B侧、合成NADPH消耗H＋。(4)除草剂二溴百里香醌(DBMIB)是质体醌(PQ)的类似物，可充当PQ的电子受体。DBMIB能够和细胞色素b6f特异性结合，阻止光合电子传递到细胞色素b6f。则DBMIB会抑制水光解产生H＋，使膜内外H＋的浓度差减小甚至消失，故若用该除草剂处理无内外膜的叶绿体，会导致ATP含量显著下降。
谢 谢 ！第11讲 光合作用的原理
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。
考点1 光合作用原理的探索
一、探索光合作用原理的部分实验
1.19世纪末，科学界普遍认为：在光合作用中CO2分子中的C与H2O结合成__________，然后甲醛分子缩合成糖。
2.1928年：甲醛不能通过光合作用转化成________。
3.1937年，英国希尔：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生__________。该反应称作____________。
4.1941年，美国鲁宾和卡门：用____________的方法，研究了光合作用中__________的来源(如图所示)，该实验证明了光合作用产生的氧气全部来自__________，而不是来自__________。
该实验中两组试管互为对照，自变量为18O的标记物，因变量为小球藻释放的O2的标记情况，光照、温度、小球藻的数量和生活状况等无关变量均需要保持相同且适宜。
5．1954年，美国阿尔农：在光照下，叶绿体可合成______________；1957年，他发现这一过程总是与____________相伴随。
6．20世纪40年代，美国卡尔文：利用____________________法，用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪________________，最终探明了CO2中的碳转化为有机物的途径。
(人教版必修1 P103思考·讨论T4)尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
二、光合作用的概念和反应式
1．光合作用的概念
光合作用是指绿色植物通过____________，利用________，将__________转化成储存着能量的__________，并且释放出________的过程。
2．光合作用的化学反应式
_____________________________________________________________________。
1．希尔实验证明了水的光解和糖的合成不是同一个化学反应。 ( )
2．鲁宾和卡门实验和卡尔文实验都采用了放射性同位素标记法。 ( )
3．叶绿体中合成ATP和水光解是独立进行的。 ( )
1．某同学以菠菜的绿叶为材料，制备了完整叶绿体悬浮液，并均分为两组，进行如下实验：
组别 加入物质 条件 实验现象
A组 DCPIP溶液 适宜温度和光照等条件 产生气泡，DCPIP溶液变为无色
B组 适量磷酸、NaHCO3等 (CH2O)/C3比值增高
(注：DCPIP氧化态为蓝紫色，被还原后为无色。)
(1)A组气泡中成分是 ，DCPIP溶液由蓝紫色变无色的原因是
。
(2)B组(CH2O)/C3比值增高的原因是
。
2．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30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s，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是什么，实验思路是
。
探索光合作用原理的实验
1．(链接人教版必修1 P102－103思考·讨论)下列关于探究光合作用原理实验的叙述，错误的是( )
A．恩格尔曼利用水绵和需氧细菌为材料，证明光合作用的场所是叶绿体
B．希尔证明离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气
C．鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，证明光合作用产生的氧来自水
D．美国科学家阿尔农发现光合作用中水的光解伴随着ATP的消耗
2．(链接人教版必修1 P104正文)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(0.5 s、3 s、10 s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，实验结果如下图。下列相关分析不正确的是( )
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2 光合作用的原理
一、光合作用的过程
1．图解光合作用的过程
2．比较光反应与暗反应阶段
光反应 暗反应
场所 类囊体的薄膜 叶绿体基质
条件 ____________、酶、H2O、ADP、Pi、 酶、CO2、C5、_______、____________等
物质变化 ①水的光解：2H2OO2＋4H＋＋4e－ ②ATP的合成： ADP＋Pi＋能量ATP ③还原型辅酶Ⅱ的形成： NADP＋＋H＋＋2e－NADPH ①CO2的固定： CO2＋C52C3 ②C3的还原： 2C3 (CH2O)＋C5
能量变化 光能―→__________和__________中活跃的化学能 ________和________中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学能
联系 光反应为暗反应提供________和________，暗反应为光反应提供________________
[深化拓展]
“过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，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：
二、光合作用的意义
1．光合作用产生的有机物除供植物体自身利用外，还为____________生物提供食物。
2．光能通过驱动光合作用而驱动__________的运转。
1．(人教版必修1 P103相关信息)水分解为氧和H＋的同时，被叶绿体夺去两个________，经传递，可用于________与______结合形成NADPH。
2．(人教版必修1 P104相关信息)C3是指三碳化合物——________________，C5是指五碳化合物——______________________。
3．(人教版必修1 P104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。
三、光合作用和化能合成作用的比较
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 光能 ______________________________________
生物种类 绿色植物、蓝细菌等 ____________、硫细菌等
[深化拓展]
1．连续光照和间隔光照下的有机物合成量
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物的积累量要多。
2．光反应中的光系统和电子传递链
(1)镶嵌在类囊体膜上的光合色素分子有序地排列在一起，它们能够捕获光能，将光能传递给位于反应中心的色素分子，该色素分子被激发，释放出一个高能电子。失去电子的色素分子有很强的夺电子能力，它们从水分子中夺取电子，使水分解成H＋和O2。
(2)色素分子失去的电子被类囊体膜上的特殊蛋白质捕获，这些蛋白质利用电子携带的能量将H＋从叶绿体基质泵入类囊体腔，并最终把电子传递给了NADP＋，NADP＋获得电子后与H＋结合，生成NADPH。
(3)类囊体膜上镶嵌有ATP合酶，类囊体腔中的H＋顺浓度梯度经ATP合酶进入叶绿体基质，推动了ATP的生成。
1．植物在夜晚不能进行光反应，只能进行暗反应。 ( )
2．只提供光照，不提供CO2，植物可独立进行光反应。 ( )
3．光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体的薄膜。 ( )
4．暗反应中CO2可接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。
( )
5.14CO2中14C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)。 ( )
1．光合作用的暗反应阶段主要包括：C5和CO2结合生成C3，C3经一系列变化生成糖类和C5。为确定光合作用暗反应阶段哪个反应间接依赖光，科学家利用小球藻进行实验，结果如图所示。
(1)利用热酒精处理小球藻能终止细胞内的化学反应。欲探究14CO2中14C的转移路径，给小球藻提供14CO2后，对小球藻的处理是
。
(2)暗反应阶段间接依赖光照的反应是 ，做出此判断的依据是
。
2．科研人员向离体叶绿体悬浮液中加入适量NaHCO3溶液和必要物质，在适宜条件下进行闪光实验。结果如下图：
(1)叶绿体悬浮液中加入的必要物质有
。
(2)据图推测，光照总时间和实验时间相同的情况下，闪光照射的光合作用合成有机物的量与连续光照下的光合作用合成有机物的量 (填“相同”或“不相同”)，理由是
。
光合作用的过程及拓展
1．(链接人教版必修1 P103图5 14)“稻米流脂粟米白，公私仓廪俱丰实。”每年的丰收季，水稻等多种农作物开始收获，如图是水稻叶肉细胞的叶绿体内进行光合作用合成有机物的过程。下列相关叙述错误的是( )
A．光反应阶段中水被分解为H＋和物质甲，物质甲通过叶绿体膜的方式为自由扩散
B．物质丙中包括NADPH和ATP，其中NADPH是还原型辅酶Ⅱ，它与呼吸作用中的还原型辅酶不是同一种酶
C．丁和戊是光合作用中暗反应阶段的物质，两种物质的转化被称为卡尔文循环
D．暗反应阶段有没有光都能进行，夜间没有光反应但仍能进行暗反应
2．(链接人教版必修1 P103图5 14)下图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析，下列叙述错误的是( )
A．水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过4层膜
B．NADP＋与电子(e－)和质子(H＋)结合形成NADPH
C．产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D．电子(e－)的有序传递是完成光能转换的重要环节
光合作用中物质变化的分析
3．(链接人教版必修1 P104思考·讨论、正文)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化，下列相关说法正确的是( )
A．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C．突然将红光改为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D．突然将绿光改为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
人工光合系统
4．(链接人教版必修1 P104正文)我国科学家模拟植物光合作用，设计了一条利用二氧化碳合成淀粉的绿色新型人工体系(ASAP)，流程如图所示。据图判断下列相关叙述错误的是( )
A．图中由CO2经甲醇到C3的过程类似于光合作用中CO2的固定过程
B．图示的ASAP过程与植物细胞中的暗反应一样能循环进行
C．与植物细胞固定等量的CO2相比，该体系积累的淀粉更多
D．该体系有助于减少农药、化肥等对环境造成的负面影响
1．(2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体，PSⅡ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ，通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是( )
A．叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强
B．Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱
C．弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，不利于对光能的捕获
D．PSⅡ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2
2．(2023·天津卷)下图是某绿藻适应水生环境，提高光合效率的机制图。光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成。下列叙述错误的是( )
A．物质X通过提高有氧呼吸水平促进进入细胞质基质
利用通道蛋白从细胞质基质进入叶绿体基质
C．水光解产生的H＋提高类囊体腔CO2水平，促进CO2进入叶绿体基质
D．光反应通过确保暗反应的CO2的供应帮助该绿藻适应水生环境
3．(2024·安徽卷)为探究基因OsNAC对光合作用的影响，研究人员在相同条件下种植某品种水稻的野生型(WT)、OsNAC 敲除突变体(KO)及 OsNAC 过量表达株(OE)，测定了灌浆期旗叶(位于植株最顶端)净光合速率和叶绿素含量，结果见下表。回答下列问题：
净光合速率(μmol·m-2·s-1) 叶绿素含量(mg·g-1)
WT 24.0 4.0
KO 20.3 3.2
OE 27.7 4.6
(1)旗叶从外界吸收1分子 CO2与核酮糖 1，5 二磷酸结合，在特定酶作用下形成2分子3 磷酸甘油酸；在有关酶的作用下，3 磷酸甘油酸接受____________________释放的能量并被还原，随后在叶绿体基质中转化为_____________________________________________________________________。
(2)与WT相比，实验组KO与OE的设置分别采用了自变量控制中的____________、____________(填科学方法)。
(3)据表可知，OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率________。为进一步探究该基因的功能，研究人员测定了旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的相对表达量、蔗糖含量及单株产量，结果如图：
结合图表，分析OsNAC过量表达会使旗叶净光合速率发生相应变化的原因：①___________________________________________________________________
_____________________________________________________________________；
②___________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
[夯实必备知识]自主诊断
考点1
一、1．甲醛 2．糖 3．氧气 希尔反应 4．同位素示踪 氧气 H2O CO2 5．ATP 水的光解
6．放射性同位素标记 放射性14C的去向
二、1．叶绿体 光能 二氧化碳和水 有机物 氧气 2．CO2＋H2O(CH2O)＋O2
考点2
一、1．H2O O2 光反应 NADPH ADP＋Pi CO2 2C3 C5 (CH2O) 暗反应 2．光、色素 ATP NADPH ATP NADPH ATP NADPH NADPH ATP NADP＋、ADP和Pi
二、1．所有异养 2．生命世界
三、糖类 某些无机物氧化时所释放的能量 硝化细菌
第11讲 光合作用的原理
考点1
教材隐性知识
提示：H2OO2＋H＋＋能量
↓
ADP＋Pi―→ATP
澄清概念
1．√
2．×提示：鲁宾和卡门实验中所用的18O是稳定性同位素，不是放射性同位素。
3．×提示：叶绿体中合成ATP和水光解是密切联系的。
达成学科素养
1．提示：(1)O2 光反应阶段产生的NADPH使DCPIP还原(DCPIP被光反应产生的NADPH还原)
(2)磷酸有利于光反应阶段中ATP的形成，进而促进暗反应中C3的还原形成(CH2O)
2．提示：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
评价迁移应用
1．D [恩格尔曼的实验通过观察需氧细菌在水绵表面的分布，直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧，A正确；希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，在光照下可释放氧气，说明离体叶绿体在适当条件下能进行水的光解，产生氧气，B正确；鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法，用18O分别标记两组实验中的H2O和CO2，证明光合作用产生的O2中的O全部来自H2O，C正确；阿尔农发现在光照下，叶绿体可以合成ATP，且这一过程伴随着水的光解，类似于光反应过程，D错误。]
2．D [细胞中原有的物质不含14C，用14C标记CO2可排除细胞中原有物质的干扰，A正确；热乙醇可以杀死细胞，用热乙醇处理的目的是停止光合作用的进行，以检测杀死细胞时，其光合作用进行的程度，B正确；放射性最先在3 磷酸甘油酸中出现，推测暗反应的初产物可能是3 磷酸甘油酸，C正确；该实验可通过放射性物质出现的先后顺序来推测暗反应的过程，D错误。]
考点2
教材隐性知识
1．提示：电子 NADP＋ H＋
2．提示：3 磷酸甘油酸 核酮糖 1，5 二磷酸(RuBP)
3．提示：淀粉 筛管
澄清概念
1．×提示：没有光反应提供的NADPH和ATP，暗反应不能进行。
2．×提示：在暗反应不能进行时，因缺少ADP、Pi和NADP＋，光反应也会停止。
3．×提示：ATP在类囊体的薄膜上产生，移动方向是从类囊体的薄膜到叶绿体基质。
4．×提示：暗反应中，CO2不能直接被NADPH还原，必须经过CO2的固定形成C3，再在有关酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH 释放的能量，并且被NADPH还原。
5．×提示：14CO2中14C的转移途径为14CO2→。
达成学科素养
1．提示：(1)每间隔一段时间，用热酒精终止暗反应进程，提取并鉴定含14C的物质
(2)C3经一系列变化生成糖类和C5 当反应条件由光照变为黑暗时，C3含量升高而C5及各种中间产物的含量下降，说明C3的还原与光照条件有关
2．提示：(1)NADP＋、ADP、Pi
(2)不相同 闪光照射，暗反应更能充分利用光反应提供的NADPH和ATP
评价迁移应用
1．D [光反应阶段是水的光解，水在光作用下被分解为氧和H＋继续参与反应，氧直接以分子的形式排出，气体的运输方式一般是自由扩散，A正确；光合作用中的辅酶为NADPH，呼吸作用中的辅酶为NADH，两者不是同一种物质，B正确；暗反应阶段是三碳化合物与五碳化合物的相互转化，其间五碳化合物与二氧化碳结合形成两个三碳化合物，部分三碳化合物转化为有机物，部分三碳化合物转化为五碳化合物继续参与循环，这个循环是卡尔文循环，C正确；暗反应有没有光都能进行，但是夜间没有光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应也不能长期进行，D错误。]
2．A [O2在叶绿体类囊体的薄膜产生，在线粒体内膜被利用，故叶绿体产生的O2被线粒体利用至少需要穿过叶绿体的3层膜(包括类囊体膜和叶绿体的内外膜)和线粒体的2层膜，共5层生物膜，A错误；据图分析，NADP＋与e－和H＋结合形成NADPH，B正确；根据图中的信息，光反应产生的ATP可用于暗反应、色素合成和核酸代谢等一些消耗能量的反应，C正确；电子传递释放的能量用于H＋的逆浓度梯度运输，使类囊体腔内维持高浓度的H＋，H＋由类囊体腔顺浓度梯度运输至叶绿体基质，驱动ATP的合成，电子有序传递保证了ATP和NADPH的合成，是完成光能转换的重要环节，D正确。]
3．B [突然中断CO2供应，使暗反应中CO2的固定减少，而C3还原仍在进行，因此会暂时导致C3减少，C5增多，即会引起叶绿体基质中C5/C3的值增大，A错误；突然中断CO2供应使C3减少，因此C3还原利用的ATP减少，导致ATP积累增多，而ADP含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大，B正确；由于光合色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收较少，突然将红光改变为绿光，会导致光反应产生的ATP和NADPH减少，这将使暗反应中C3的还原减弱，导致C5减少，C3增多，因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大，C错误；突然将绿光改为红光会导致光反应吸收的光能增加，光反应产生的ATP和NADPH增加，而ADP相对含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大，D错误。]
4．B [图中由CO2经甲醇到C3的过程类似于光合作用中CO2的固定过程，A正确。图示的ASAP过程不能循环进行，B错误。固定CO2的量相等时，植物光合作用、ASAP两种途径合成淀粉的量相同，而植物有呼吸作用消耗糖类，ASAP途径没有呼吸作用这一过程消耗糖类，因此与植物细胞固定等量的CO2相比，该体系积累的淀粉更多，C正确。在能量供给充足的条件下，该人工体系对土地、淡水的依赖程度较低，可节约耕地和淡水资源；此外该体系不需要农药、化肥等，有助于减少农药、化肥等对环境造成的负面影响，D正确。]
体验真题
1．C [叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ与PSⅡ分离减少，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强，A正确；Mg2+是叶绿素的组成成分，其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少，导致对光能的捕获减弱，B正确；弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，增强对光能的捕获，C错误；PSⅡ光复合体能吸收光能，并分解水，水的光解产生H＋、电子和O2，D正确。]
2．B [光反应产生的物质X可进入线粒体促进ATP合成，因此物质X可通过提高有氧呼吸水平促进进入细胞质基质，A正确；进入叶绿体基质也需要线粒体产生的ATP供能，属于主动运输，通道蛋白只能参与协助扩散，B错误；据图可知，光反应中水光解产生的H＋促进进入类囊体，并与在类囊体腔内反应产生CO2，因此能提高类囊体腔CO2水平，C正确；据图可知，光反应生成的物质X(O2)促进线粒体的有氧呼吸，产生更多的ATP，有利于进入叶绿体基质，产生CO2，保证了暗反应的CO2供应，D正确。]
3．(1)ATP 和 NADPH 核酮糖 1，5 二磷酸(C5)和糖类等有机物 (2)减法原理 加法原理 (3)增大 与 WT 组相比，OE组叶绿素含量较高，增加了对光能的吸收、传递和转换，光反应增强，促进旗叶光合作用 与 WT 组相比，OE组旗叶中编码蔗糖转运蛋白基因的表达量较高，可以及时将更多的光合产物(蔗糖)向外运出，从而促进旗叶的光合作用速率
11 / 11课时数智作业(十一) 光合作用的原理
1．(2024·河北张家口模拟)如图是某植物细胞进行光合作用的过程，下列有关叙述正确的是( )
A．光合作用产物Ⅱ中的O部分来自水
B．物质Ⅰ在暗反应中可充当还原剂，但不能供能
C．若外界中物质Ⅲ浓度适当升高，物质Ⅰ的含量会暂时降低
D．给植物提供H182O，一段时间后放射性会出现在O2中
2．(2024·辽宁沈阳名校联考)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。下列有关说法正确的是( )
A．甲为叶绿体，乙为细胞质基质
B．a、b、c依次为O2、NADPH、ADP
C．该过程合成的ATP大部分运出叶绿体外，用于绿色植物的各种生命活动
D．适宜条件下，当外界CO2含量升高时，a的产生速率会增加
3．(2024·江苏盐城模拟)下图所示生理过程中，P680和P700表示两种特殊状态的叶绿素a，M表示某种生物膜，其中乙侧的H＋浓度远高于甲侧，在该浓度差中储存着一种势能，该势能是此处形成ATP的前提。据图分析，下列说法正确的是( )
A．乙侧的H＋完全来自甲侧
B．生物膜M属于叶绿体内膜
C．CF0和CF1与催化ATP的合成、转运H＋有关，很可能是蛋白质
D．该场所产生的NADPH和ATP将参与暗反应中的CO2的固定
4．(2024·广东广州模拟)植物接受过多光照会对叶绿体造成损害，因此植物需要“非光化学淬灭”(NPQ)的机制来保护自身，在NPQ的作用下多余的光能会以热能的形式散失。该机制的启动和关闭特点如图所示。下列叙述错误的是( )
A．NPQ直接作用于光合作用中的光反应阶段
B．状态②时通过NPQ避免叶绿体受创
C．叶绿体中ATP的合成量下降可能导致NPQ机制打开
D．状态①②③时，植物仍在进行光合作用
5．(2025·湖南桃源县一中月考)磷酸丙糖是卡尔文循环最先产生的糖。磷酸丙糖转运体(TPT)是叶绿体膜上的一种反向共转运蛋白，将磷酸丙糖从叶绿体运出的同时，将无机磷酸(Pi)运入叶绿体。当细胞质基质中Pi浓度高时，磷酸丙糖通过TPT运出叶绿体，合成蔗糖；当细胞质基质中Pi浓度低时，磷酸丙糖就滞留在叶绿体中，合成淀粉暂时储存。下列说法错误的是( )
A．在叶肉细胞叶绿体中，蔗糖和淀粉的合成存在竞争性关系
B．晚上磷酸丙糖合成受阻，TPT转运效率降低
C．大田种植甘蔗时，可适当施加磷肥提高甘蔗蔗糖含量
D．滞留在叶绿体中的磷酸丙糖合成淀粉储存，可以避免渗透压升高造成膜结构损伤
6．(2024·福建宁德期末)我国科学家利用化学催化剂与生物催化剂相结合的方式，依据植物光合作用原理构建人工光合系统，往系统中添加NADPH等必备的物质，将大气中的CO2合成了淀粉。该人工光合系统的工作流程如下图所示，其中①～⑤代表具体过程。
下列相关分析，正确的是( )
A．①～⑤中相当于植物光反应过程的是②
B．③相当于CO2的固定过程，需要添加C5
C．④所添加的NADPH的作用是提供还原剂
D．使用生物酶的原因可能是生物酶降低活化能的作用更显著
7．(2024·山东菏泽期末)科研人员对绿色植物光暗转换过程中的适应机制进行研究。测定绿色植物由黑暗到光照的过程中CO2吸收速率(μmol·m-2·s-1)和光反应相对速率(μmol·m-2·s-1)的变化，结果如下图。下列叙述正确的是( )
A．黑暗时植株的CO2吸收速率为－0.1 μmol·m-2·s-1，与线粒体内膜产生CO2有关
B．由黑暗转变为光照条件后，叶肉细胞中NADPH和ATP的量会一直增加
C．光照0～0.5 min光反应相对速率下降，与暗反应激活延迟造成NADPH和ATP积累有关
D．光照2 min后，光反应和暗反应速率均稳定，暗反应速率大于光反应速率
8．(14分)(2024·广东惠州期末)水稻是我国重要的粮食作物之一，开展水稻高产攻关是促进粮食高产优产、筑牢粮食安全根基的关键举措。科研团队通过在水稻中过量表达OSA1蛋白，显著提高了水稻的产量，其作用机制如下图所示。请回答下列问题。
(1)水稻叶肉细胞通过分布于_________________上的光合色素，将光能转化为活跃的化学能，该阶段产生的_________________为光合作用的暗反应阶段提供物质和能量。
(2)水稻叶片保卫细胞细胞膜表面的OSA1 蛋白受光照诱导后活性提高，其催化和运输功能增强，将H＋大量运输到细胞外建立质子梯度，促进K＋通过_____________方式进入保卫细胞，导致细胞_____________，从而促进气孔打开。
(3)研究者推测提高细胞内OSA1 蛋白含量能够提高水稻的光合产量，在光照和黑暗条件下进行实验，结果如下图。
注：气孔导度代表气孔开放程度；OSA1 1组、2组、3组均高表达OSA1蛋白。
实验结果_____________(填“支持”或“不支持”)推测，理由是_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
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课时数智作业(十一)
1．C [光合作用产物Ⅱ为光反应阶段水光解产生的O2，其中的O全部来自水，A错误；物质Ⅰ为NADPH，可以在暗反应中充当还原剂，也能为暗反应供能，B错误；若外界中物质Ⅲ(CO2)浓度升高，C3合成增多，C3转化成有机物时会消耗更多的物质Ⅰ(NADPH)，而光反应强度暂时不变，因此物质Ⅰ的含量会暂时下降，C正确；18O 属于稳定同位素，18O2不具有放射性，D错误。]
2．D [据图分析，甲处进行了水的光解，为类囊体薄膜，乙为叶绿体基质，A错误；a为水光解的产物O2 ，b为类囊体薄膜上合成的NADPH，c为ATP合成所需的ADP和Pi，B错误；光合作用过程中合成的ATP，会被叶绿体自身消耗，用于光合作用的暗反应，还原三碳化合物，C错误；当外界CO2 含量升高时，暗反应速率加快，光反应速率也会加快， a(O2)的释放速率加快，D正确。]
3．C [根据光反应阶段的物质变化可知，乙侧的H＋除来自甲侧，还来自乙侧的水的光解过程，A错误；叶绿素存在于叶绿体的类囊体薄膜上，即膜M为(叶绿体)类囊体(薄)膜，其不属于叶绿体内膜，B错误；CF0和CF1是复杂的蛋白质，其在图中所示生理过程中的作用是催化ATP的合成、转运H＋，C正确；该场所产生的NADPH和ATP将参与暗反应中的三碳化合物的还原过程，D错误。]
4．C [由题中信息“在NPQ的作用下多余的光能会以热能的形式散失”，可以得出NPQ直接作用于光合作用中的光反应阶段，A正确；植物接受过多光照会对叶绿体造成损害，因此植物需要“非光化学淬灭”(NPQ)的机制来保护自身，状态②时通过NPQ避免叶绿体受创，B正确；叶绿体中ATP的合成量下降，光反应减弱，色素吸收的光能减少，可能导致NPQ机制关闭，C错误；状态①②③时，植物仍在进行光合作用，D正确。]
5．A [磷酸丙糖可以在叶绿体基质中合成淀粉，也可以在TPT作用下转运至细胞质基质合成蔗糖，A错误；晚上不能进行光合作用产生磷酸丙糖，TPT转运效率降低，B正确；甘蔗种植过程中增施磷肥后，有利于磷酸丙糖的输出，在细胞质基质中合成蔗糖，C正确；滞留在叶绿体中的磷酸丙糖合成淀粉储存，可以降低渗透压，避免造成膜结构损伤，D正确。]
6．D [植物光反应过程为光合色素吸收、传递、转化光能用于水的光解和ATP的合成，图中①为太阳能电池吸收光能，②为水电解形成O2和H2，因此①～⑤中相当于植物光反应过程的是①②，A错误；③为CO2和H2在无机催化剂催化下形成甲醛，进而单碳缩合形成三碳化合物，相当于CO2的固定过程，不需要添加C5，B错误；④过程类似于光合作用中C3合成C6的过程，光合作用中该过程为C3的还原，需要ATP和NADPH，其中ATP提供能量，NADPH提供能量和还原剂，C错误；酶降低活化能的作用更显著，因此催化效率更高，D正确。]
7．C [黑暗时植株的CO2吸收速率为－0.1 μmol·m-2·s-1，说明植株的呼吸作用速率为0.1 μmol·m-2·s-1，与线粒体基质中产生CO2有关，A错误；光反应为暗反应提供NADPH和ATP，据图可知，正常情况下0.5 min后暗反应被激活，CO2吸收增多，而图中0～0.5 min，光反应速率降低，原因是暗反应未被激活，出现该现象的原因是暗反应激活延迟造成光反应产生的NADPH和ATP积累，导致光反应被抑制，故叶肉细胞中NADPH和ATP的量不会一直增加，B错误，C正确；由图可知，光照2 min后，光反应和暗反应速率均稳定，暗反应速率约为0.25，光反应速率约为0.7，D错误。]
8．(除标注外，每空2分，共14分)(1)叶绿体类囊体薄膜 ATP、NADPH (2)主动运输 吸水膨胀 (3)支持 在光照下使用OSA1可显著提高气孔导度和CO2吸收速率，暗反应速率增强，暗反应可为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，光反应速率提高，最终使得光合速率提高(4分)
1/5
