第16讲 光合作用的原理
[课标要求]
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。
考点一 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 ,利用光能,将 转化成储存着能量的有机物,并且释放出 的过程。
(2)反应式: 。
2.探索光合作用原理的部分经典实验
3.光合作用的过程
(1)填写图中序号所代表的物质或结构。
① ;② ;③ ;④ ;Ⅰ 。
(2)光反应与暗反应的比较。
4.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
区 别 能量来源
代表生物 绿色植物
相同点 都能将 等无机物合成有机物
1.判断正误
(1)(必修1 P103~104黑体字)光反应必须在光照下进行,暗反应必须在暗处进行。( )
(2)(必修1 P103图514)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,在合适的条件下可完成暗反应过程。( )
(3)(必修1 P104正文)光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。( )
(4)(必修1 P104相关信息)光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处。( )
2.规范表达
(1)(必修1 P102思考·讨论拓展)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,理由是 。
(2)(必修1 P103图514拓展)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法长时间正常进行的原因是
。
1.光合作用反应式中元素去向分析
(1)H:3H2ONADP3H(C3H2O)
(2)C:14CO214C3(14CH2O)
(3)O:H218O18O2。
2.分析环境改变时光合作用各物质含量的变化
(1)“来源—去路”法分析各物质含量的变化。
如图中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。
注:“”表示下降,“”表示上升。
(2)“模型法”表示C3、C5等物质的量的变化。
3.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(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的频率越高有机物积累量越多。原因分析如下:
A组:先光照后黑暗 B组:光暗交替
B组暗处理频度较高,在其全时段,暗反应几乎未停止且强度基本不变,B组处理相当于A组光合作用时间的2倍
(3)应用:人工补光时,可适当采用“光暗交替”策略,这样,在提高光合产量的情况下,可大量节省能源成本。
能力1 围绕光合作用的过程,考查物质与能量观
1.(2024·广东广州模拟)羟基乙酸可作为合成多种有机物的原料。研究人员构建了一种非天然的酶催化CO2固定新途径(CETCH循环),高效地将CO2转化为羟基乙酸,并利用该途径研制出能合成羟基乙酸的人造叶绿体(如图)。下列分析错误的是( )
[A] 人造叶绿体内的水既作为多种物质的溶剂,还参与相关代谢
[B] 为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能
[C] 图中的CETCH循环需要NADP+、ADP和Pi作为直接原料
[D] 若人造叶绿体得到广泛应用,一定程度上可抵消碳排放的影响
2.(2024·广东江门月考)磷酸丙糖不仅是光合作用中最先产生的糖,也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。如图为某植物光合作用产物的合成与运输示意图。下列相关说法错误的是( )
[A] a表示的物质是ATP,它也可以在叶绿体基质中合成
[B] 在细胞质基质中会发生合成蔗糖的过程
[C] 磷酸丙糖是暗反应产物,在叶绿体基质中合成淀粉
[D] 若图中表示的磷酸转运器活性受抑制,会导致光合速率下降
能力2 围绕光合作用过程中物质含量的变化分析,考查科学思维
3.(2024·重庆质检)如图为某植物叶肉细胞光合作用示意图,图中①②③④表示相关物质。现有甲、乙两植株,甲叶色正常,乙为叶色黄化的突变植株,叶绿素含量明显少于甲。将甲、乙植株置于正常光照、温度、CO2浓度等条件相同的环境中,下列相关分析正确的是( )
[A] 被光合色素吸收的光能全部用于③合成ATP
[B] 只有接受ATP释放的能量,C3才可被NADPH还原
[C] 如果突然增加光照强度,则短时间内②含量减少,③的含量增加
[D] 如果突然增加光照强度,甲的叶肉细胞C3减少,乙的叶肉细胞④含量减少
4.(2024·福建厦门模拟)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的值减小
[C] 突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
[D] 突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
考点二 光合作用和细胞呼吸的关系
1.光合作用与细胞呼吸的区别
2.光合作用与有氧呼吸的联系
(1)物质转化。
(2)能量变化。
3.光合作用与有氧呼吸中有关的NADPH、NADH、ATP的来源与去路
1.判断正误
(1)(必修1 P103正文拓展)叶绿体产生的O2可进入线粒体被直接利用,线粒体产生的H2O可进入叶绿体被直接利用。( )
(2)(必修1 P103正文)进入叶绿体的CO2能被NADPH直接还原,植物体的净光合速率长期为零时会导致植物体停止生长。( )
(3)(必修1 P105旁栏思考)光合作用与细胞呼吸总是同时进行的。( )
(4)(必修1 P106拓展应用1)温室大棚可以利用控制光照强度、温度的方式,如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等提高绿色植物光合作用强度。( )
(5)(必修1 P106拓展应用2)给密闭玻璃瓶中的植物幼苗提供适宜的水、无机盐、光照强度、温度等条件,幼苗可以长时间正常生长发育。( )
2.规范表达
(1)(必修1 P105正文拓展)土壤板结,会导致植物光合速率下降,其原因是
。
(2)(必修1 P93图59与P103图514拓展)如图表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。
①图中a、b、c、d代表的依次是哪种物质 [H]代表的物质是什么
②Ⅰ、Ⅱ代表反应过程,Ⅲ代表细胞质基质,Ⅳ代表线粒体,则ATP合成发生在哪些过程或结构中(用图中字母表示)
③Ⅲ中的丙酮酸可以转化成酒精,出现这种情况的原因是什么
能力3 围绕光合作用和细胞呼吸的过程关系,考查生命观念
5.(2024·湖北宜昌模拟)如图是表示植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图,下列有关叙述正确的是( )
[A] 图中b、c、e、f代表的物质依次是O2、ATP、NADH、C5
[B] ①~⑤代表的反应过程中,②发生的场所是叶绿体内膜
[C] ①~⑤代表的反应过程中,ATP合成只发生在①过程和⑤过程中
[D] ③中产生的丙酮酸可以在根细胞缺氧条件下转化成酒精
6.(2024·山西大同模拟)如图是叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体的代谢简图,下列相关叙述错误的是( )
[A] 细胞①处于黑暗环境中,该细胞单位时间释放的CO2量即呼吸速率
[B] 细胞②没有与外界发生O2和CO2的交换,可断定此时叶肉细胞光合速率等于呼吸
速率
[C] 细胞③处在较强光照条件下,细胞光合作用所利用的CO2量为N1与N2的和
[D] 分析细胞④可得出,此时的光照强度较弱且N1小于M2
考向一 从生命观念和科学探究的角度,考查光合作用的过程
1.(2023·湖北卷,8)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
考向二 从科学思维的角度,考查光合作用与细胞呼吸的关系
2.(2023·湖北卷,11)高温是制约世界粮食安全的因素之一,高温往往使植物叶片变黄、变褐。研究发现平均气温每升高1 ℃,水稻、小麦等作物减产3%~8%。关于高温下作物减产的原因,下列叙述错误的是( )
[A] 呼吸作用变强,消耗大量养分
[B] 光合作用强度减弱,有机物合成减少
[C] 蒸腾作用增强,植物易失水发生萎蔫
[D] 叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少
3.(2024·甘肃卷,17)类胡萝卜素不仅参与光合作用,还是一些植物激素的合成前体。研究者发现了某作物的一种胎萌突变体,其种子大部分为黄色,少部分呈白色,白色种子未完全成熟即可在母体上萌发。经鉴定,白色种子为某基因的纯合突变体。在正常光照
(400 μmol·m-2·s-1)下,纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失。将野生型和纯合突变体种子在黑暗中萌发后转移到正常光和弱光(1 μmol·m-2·s-1)下培养一周,提取并测定叶片叶绿素和类胡萝卜素含量,结果如图所示。回答下列问题。
(1)提取叶片中叶绿素和类胡萝卜素常使用的溶剂是 ,加入少许碳酸钙可以 。
(2)野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高,其原因是
。
(3)正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子,因为
。
(4)现已知此突变体与类胡萝卜素合成有关,本研究中支持此结论的证据有:①纯合突变体种子为白色;② 。
(5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷,X最可能是 。若以上推断合理,则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量,但不影响纯合突变体中X的含量。为检验上述假设,请完成下面的实验设计:
①植物培养和处理:取野生型和纯合突变体种子,萌发后在
条件下培养一周,然后将野生型植株均分为A、B两组,将突变体植株均分为C、D两组,A、C组为对照,B、D组干旱处理4小时。
②测量指标:每组取3~5株植物的叶片,在显微镜下观察、测量并记录各组的 。
③预期结果: 。
热点情境4 光系统及电子传递链
[情境链接]
1.光系统Ⅱ进行水的光解,产生氧气、H+和电子(e-),光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。
2.电子(e-)经过电子传递链:质体醌→细胞色素b6f复合体→质体蓝素→光系统Ⅰ→铁氧还蛋白→NADPH。
3.电子传递过程是高电势到低电势,因此,电子传递过程中释放能量,质体醌利用这部分能量将质子(H+)逆浓度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧,从而建立了质子浓度(电化学)梯度。当然,光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H+)以及在类囊体的基质侧H+和NADP+形成NADPH的过程,为建立质子浓度(电化学)梯度也有所贡献。
4.类囊体膜对质子是高度不通透的,因此,类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出,而ATP合成酶利用质子浓度梯度形成的势能合成ATP。
[典型例题]
(2024·河南许昌期末)如图表示植物叶肉细胞叶绿体的类囊体膜上发生的部分代谢过程,其中运输H+的载体蛋白有两种类型,从而实现H+在膜两侧间的穿梭。下列分析错误的是( )
[A] 图中过程产生了O2、ATP和NADPH等
[B] H+可由叶绿体基质进入类囊体腔,该过程属于主动运输,但消耗的能量不是由ATP提供的
[C] 通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同
[D] 据图分析,O2产生后扩散到细胞外共需要穿过3层生物膜
图示情境分析
[迁移应用]
1.(2025·广东深圳期中)图a为叶绿体的结构示意图,图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。
回答下列问题。
(1)图b表示图a中的 结构,膜上发生的光反应过程将水分解成O2、H+和e-,光能转化成电能,最终转化为 和ATP中活跃的化学能。若CO2浓度降低,暗反应速率减慢,叶绿体中电子受体NADP+减少,则图b中电子传递速率会 (填“加快”或“减慢”)。
(2)为研究叶绿体的完整性与光反应的关系,研究人员用物理、化学方法制备了4种结构完整性不同的叶绿体,在离体条件下进行实验,用Fecy或DCIP替代NADP+为电子受体,以相对放氧量表示光反应速率,实验结果如表所示。
实验项目 相对值 叶绿体类型 实验一:以Fecy为电子受体时的放氧量 实验二:以DCIP为电子受体时的放氧量
叶绿体A: 双层膜结 构完整 100 100
叶绿体B: 双层膜局 部受损, 类囊体略 有损伤 167.0 106.7
叶绿体C: 双层膜瓦 解,类囊 体松散但 未断裂 425.1 471.1
叶绿体D: 所有膜结 构解体破 裂成颗粒 或片段 281.3 109.6
注:Fecy具有亲水性,DCIP具有亲脂性。
据此分析:
①叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明,叶绿体双层膜对以 (填“Fecy”或“DCIP”)为电子受体的光反应有明显阻碍作用。得出该结论的推理过程是 。
②该实验中,光反应速率最高的是叶绿体C,表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条件下,更有利于 , 从而提高光反应速率。
③以DCIP为电子受体进行实验,发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值分别为1、0.66、0.58和0.41。结合图b对实验结果进行解释
。
2.(2024·云南昭通模拟)如图为类囊体薄膜上发生的光反应示意图,PSⅠ和PSⅡ分别是光系统Ⅰ和光系统Ⅱ,是叶绿素和蛋白质构成的复合体,能吸收利用光能进行电子的传递。PQ、Cytbf、PC是传递电子的蛋白质,其中PQ在传递电子的同时能将H+运输到类囊体腔中。图中实线为电子的传递过程,虚线为H+的运输过程。ATP合酶由CF0和CF1两部分组成,在进行H+顺浓度梯度运输的同时催化ATP的合成。请回答下列问题。
(1)分析图中电子传递的整个过程可知,最初提供电子的物质为 ,最终接受电子的物质为 。
(2)光反应产生的氧气被用于有氧呼吸,且在 (场所)被消耗。图中用于暗反应的物质是 。
(3)合成ATP依赖于类囊体薄膜两侧的H+浓度差,图中使膜两侧H+浓度差增加的过程有
(答出三点)。
(4)由图可见,光反应是一个比较复杂的过程,完成了光能转变成 能,进而转变成 能的过程。
第16讲 光合作用的原理
考点一 光合作用的原理
必备知识·梳理
1.(1)叶绿体 二氧化碳和水 氧气 (2)CO2+H2O(CH2O)+O2
2.叶绿体 叶绿体 O2 H2O ATP CO2
3.(1)O2 ATP NADPH C5 光反应 (2)有光、无光均可
类囊体薄膜 叶绿体基质 水光解为O2和H+ C3的还原 ATP NADPH 有机物中的化学能
4.光能 无机物氧化释放的能量 硝化细菌 CO2和H2O
深挖教材
1.(1)× 光反应必须在光照下进行,但暗反应并非必须在黑暗中进行。
(2)√ (3)√
(4)× 蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处,淀粉不能进入筛管。
2.(1)水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参与反应,而糖的合成需要碳的参与 (2)暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,光照停止使光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间;但随后暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行
关键能力·提升
能力1
1.C 人造叶绿体内的水可以作为多种物质的溶剂,同时水还参与光合作用的光反应过程;为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能,保证光反应的持续进行;题图中的CETCH循环需要利用CO2、NADPH、ATP作为直接原料;人造叶绿体可利用CO2,若其得到广泛应用,则一定程度上可抵消碳排放的影响。
2.A 题图中a是光反应为暗反应提供的物质,a表示NADPH和ATP,在叶绿体类囊体薄膜上合成;磷酸转运器活性受抑制,不能将磷酸丙糖运出叶绿体,也不能将磷酸运入叶绿体,造成叶绿体中光合产物积累和缺少磷酸,导致光合速率降低。
能力2
3.B 光合作用过程中光合色素吸收的光能有两方面的用途,一方面引起水的光解并促进H+与NADP+结合形成NADPH,另一方面参与ATP合成;在光合作用暗反应阶段,C3的还原只有接受ATP释放的能量才可完成;题图中②表示NADP+,若突然增加光照强度,光反应增强,则短时间内②含量减少,③为ADP和磷酸,增加光照强度后短时间内③的含量也会减少;若突然增加光照强度,则甲、乙两植株光合作用光反应均增强,所以C3均减少,题图中④(C5)均增加。
4.D 突然中断CO2供应导致CO2的固定速率降低,叶绿体中C5含量增多、C3含量减少,进而使ATP和NADPH含量增多,所以C5/C3的值增大,ATP/ADP的值增大;突然将红光改变为绿光后光能利用率降低,ATP和NADPH含量减少,进而使C3含量增多、C5含量减少,C3/C5的值增大;突然将绿光改变为红光后光能利用率提高,ATP和NADPH含量增多,ATP/ADP的值增大。
考点二 光合作用和细胞呼吸的关系
必备知识·梳理
1.细胞质基质 光下 ATP
深挖教材
1.(1)√
(2)× 进入叶绿体的CO2先要与C5结合形成C3,才能被NADPH还原,净光合作用速率长期为零,即植物没有有机物积累,无法给植物提供营养,导致植物体停止生长。
(3)× 光合作用在有光的条件下进行,而呼吸作用每时每刻都在进行。
(4)√
(5)× 随着植物的生长,土壤中的水分会减少,土壤中的无机盐含量下降,玻璃瓶中CO2含量减少等,因此幼苗不可以长时间正常生长发育。
2.(1)土壤板结缺氧,根细胞有氧呼吸受到抑制,供给根细胞用于营养物质吸收的能量减少,使光合色素和相关酶的合成减少,因此光合速率减弱
(2)①O2、NADP+、ADP+Pi、C5。NADH。
②Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。
③在缺氧条件下进行无氧呼吸。
关键能力·提升
能力3
5.D 题图中b、c、e、f代表的物质依次是O2、ATP、NADPH、C5;②表示暗反应过程,发生的场所是叶绿体基质;由题可知①②分别代表光合作用的光反应阶段和暗反应阶段,③④⑤分别代表有氧呼吸的三个阶段,光反应阶段和有氧呼吸的三个阶段均能产生ATP,因此①~⑤代表的反应过程中,ATP合成发生在①③④⑤过程中;根细胞无氧呼吸可产生酒精和CO2,因此③中产生的丙酮酸可以在根细胞缺氧条件下转化成酒精。
6.D 结合题图可知,细胞①中仅线粒体中有气体的消耗和生成,故细胞①处于黑暗环境中,此时该细胞单位时间内释放的CO2量可表示呼吸速率;细胞②没有与外界进行气体交换,可断定此时叶肉细胞光合速率与呼吸速率相等;细胞③需要从外界环境吸收CO2,并向细胞外释放O2,说明此时细胞处在较强光照条件下,细胞所利用的CO2包括细胞呼吸产生的(N2)和从环境中吸收的(N1);细胞④中,线粒体利用的O2除来自叶绿体外,还要从细胞外吸收,说明此时细胞呼吸强度大于光合作用强度,此时光照强度可能较弱,细胞进行有氧呼吸和光合作用的过程中,O2的净消耗量(吸收量)M2与CO2的净生成量N1相等。
研练真题·感悟高考
考向一
1.C 由题可知,LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化,叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,LHCⅡ与PSⅡ分离减少,会使PSⅡ光复合体对光能的捕获增强;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;由题图可知,弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,有利于对光能的捕获;PSⅡ光复合体含有光合色素,在光反应中能吸收光能,并分解水,水的光解产生H+、电子和O2。
考向二
2.D 高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADPH和ATP减少,NADH是在呼吸作用中产生的。
3.【答案】 (1)无水乙醇 防止研磨中色素被破坏
(2)叶绿素的形成需要光照,正常光下更有利于叶绿素的形成
(3)纯合突变体叶片中的叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低,光合作用极弱,无法满足植株生长对有机物的需求
(4)与野生型相比,纯合突变体叶片中类胡萝卜素含量极低(几乎为零)
(5)脱落酸 弱光及其他条件适宜且相同 气孔开度(或气孔大小) B组气孔开度小于A组,C、D组气孔开度基本相同,且大于A、B组
【解析】 (1)叶片中的叶绿素和类胡萝卜素都能溶解在有机溶剂中,所以常使用无水乙醇提取。加入少许碳酸钙可以防止研磨中色素被破坏。(2)叶绿素的形成需要光照,正常光下更有利于叶绿素的形成,所以野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高。(3)在正常光照(400 μmol·m-2·s-1)下,纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失,叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低,分别为0.3和 0.1,说明纯合突变体的光合作用极弱,无法满足植株生长对有机物的需求,使得植株难以生长,因此正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子。(4)由题图可知,与野生型相比,纯合突变体叶片中类胡萝卜素含量极低(几乎为零),说明此突变体与类胡萝卜素合成有关。(5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷,白色种子未完全成熟即可在母体上萌发,由于脱落酸具有抑制种子萌发的作用,据此可推知,X最可能是脱落酸。若以上推断合理,则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量,但不影响纯合突变体中X的含量。因此,该实验的自变量是植株的种类和培养条件,因变量是气孔开度(或气孔大小),而在实验过程中对植株的生长有影响的无关变量应控制相同且适宜;弱光下,纯合突变体能产生叶绿素,且与野生型的叶绿素含量相近,应选择弱光培养。据此,依据实验设计遵循的对照原则和单一变量原则以及题干中给出的不完善的实验设计,可推知实验设计及预期结果(见答案)。
热点情境4 光系统及电子传递链
【典型例题】
D 题图所示过程为光合作用的光反应阶段,发生在类囊体薄膜上,该过程产生了O2、ATP和NADPH等;题图中H+由类囊体腔内至叶绿体基质,在H+的顺浓度梯度的推动下促进了ATP的合成,可知H+由叶绿体基质进入类囊体腔是逆浓度梯度进行的,属于主动运输,能量来源于电子传递;通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同,H+进入类囊体腔是逆浓度进入的,属于主动运输,而从类囊体腔转运出去是通过协助扩散完成的;O2在类囊体腔中产生,首先需要穿过类囊体膜到达叶绿体基质中,再穿过叶绿体的两层膜结构到达细胞质基质中,再穿过细胞膜到达细胞外,该过程穿过了4层生物膜。
【迁移应用】
1.【答案】 (1)类囊体膜 NADPH 减慢
(2)①Fecy 叶绿体的双层膜局部受损后,以Fecy为电子受体时的放氧量增加的比例比以DCIP为电子受体时的放氧量增加的比例大 ②类囊体膜上的色素吸收、传递和转化光能 ③膜结构破坏得越严重,H+在膜两侧的浓度差越小,ATP的产生效率就越低
【解析】 (1)题图b显示的是光反应的过程,光反应的场所是类囊体的薄膜,由此可推测题图b是题图a中的类囊体膜。由题图b可知,光能转化为电能,电能最终转化为NADPH和ATP中活跃的化学能。CO2浓度降低,暗反应速率减慢,进而使光反应速率减慢,所以推测题图b电子传递速率会减慢。(2)①叶绿体的双层膜局部受损后,以Fecy为电子受体时的放氧量增加的比例比以DCIP为电子受体时的放氧量增加的比例大,所以叶绿体双层膜对Fecy为电子受体的光反应的阻碍作用更明显。②双层膜瓦解、类囊体松散但未断裂的条件下,更有利于类囊体膜上的色素吸收、传递和转化光能,提高水的光解速率,从而提高光反应速率。③叶绿体双层膜结构被破坏得越严重,H+在膜两侧的浓度差越小,ATP的产生效率就越低。
2.【答案】 (1)水 NADP+
(2)线粒体内膜 ATP和NADPH
(3)水的光解产生H+;PQ主动运输H+;合成NADPH消耗H+
(4)电 化学
【解析】 (1)根据题图所示,水光解后产生氧气、H+和电子,故最初提供电子的物质为水;水光解后电子将NADP+还原为NADPH,故最终接受电子的物质为NADP+。(2)有氧呼吸中的氧气参与有氧呼吸的第三阶段,即光反应产生的氧气在线粒体内膜被利用;光反应产生的NADPH和ATP可用于暗反应C3的还原,故题图中用于暗反应的物质是ATP和NADPH。(3)题图中水光解产生H+,使类囊体腔内H+浓度升高;H+在类囊体薄膜上与NADP+结合形成NADPH使类囊体腔外的H+浓度降低,同时还可以通过PQ运回到类囊体腔内,这样就保持了类囊体薄膜两侧的H+浓度差。(4)由题图可见,光反应是一个比较复杂的过程,首先完成光能转变成电能,进而电能转变成化学能的过程。(共111张PPT)
第16讲
光合作用的原理
[课标要求]
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。
光合作用的原理
考点一
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 ,利用光能,将 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
CO2+H2O (CH2O)+O2
2.探索光合作用原理的部分经典实验
叶绿体
叶绿体
O2
H2O
ATP
CO2
3.光合作用的过程
(1)填写图中序号所代表的物质或结构。
① ;② ;③ ;④ ;Ⅰ 。
O2
ATP
NADPH
C5
光反应
(2)光反应与暗反应的比较。
有光、无光均可
类囊体薄膜
叶绿体基质
水光解为O2
C3的还原
ATP
NADPH
有机物中
的化学能
和H+
4.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
区 别 能量来源
代表生物 绿色植物
相同点 都能将 等无机物合成有机物
光能
无机物氧化释放的能量
硝化细菌
CO2和H2O
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P103～104黑体字)光反应必须在光照下进行,暗反应必须在暗处进行。( )
×
【提示】 光反应必须在光照下进行,但暗反应并非必须在黑暗中进行。
(2)(必修1 P103图5-14)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,在合适的条件下可完成暗反应过程。( )
√
(3)(必修1 P104正文)光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。( )
√
(4)(必修1 P104相关信息)光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处。( )
×
【提示】 蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处,淀粉不能进入筛管。
2.规范表达
(1)(必修1 P102思考·讨论拓展)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,理由是
。
水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳
参与反应,而糖的合成需要碳的参与
(2)(必修1 P103图5-14拓展)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法长时间正常进行的原因是
。
暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和
NADPH,光照停止使光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗
反应持续进行一段时间;但随后暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行
1.光合作用反应式中元素去向分析
2.分析环境改变时光合作用各物质含量的变化
(1)“来源—去路”法分析各物质含量的变化。
如图中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。
(2)“模型法”表示C3、C5等物质的量的变化。
3.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(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的频率越高有机物积累量越多。原因分析如下:
A组:先光照后黑暗 B组:光暗交替
B组暗处理频度较高,在其全时段,暗反应几乎未停止且强度基本不变,B组处理相当于A组光合作用时间的2倍
(3)应用:人工补光时,可适当采用“光暗交替”策略,这样,在提高光合产量的情况下,可大量节省能源成本。
能力1 围绕光合作用的过程,考查物质与能量观
1.(2024·广东广州模拟)羟基乙酸可作为合成多种有机物的原料。研究人员构建了一种非天然的酶催化CO2固定新途径(CETCH循环),高效地将CO2转化为羟基乙酸,并利用该途径研制出能合成羟基乙酸的人造叶绿体(如图)。下列分析错误的是( )
[A] 人造叶绿体内的水既作为多种物质的溶剂,还参与相关代谢
[B] 为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能
[C] 图中的CETCH循环需要NADP+、ADP和Pi作为直接原料
[D] 若人造叶绿体得到广泛应用,一定程度上可抵消碳排放的影响
C
【解析】 人造叶绿体内的水可以作为多种物质的溶剂,同时水还参与光合作用的光反应过程;为了使人造叶绿体持续地运作,需要源源不断地输入光能,保证光反应的持续进行;题图中的CETCH循环需要利用CO2、NADPH、ATP作为直接原料;人造叶绿体可利用CO2,若其得到广泛应用,则一定程度上可抵消碳排放的影响。
2.(2024·广东江门月考)磷酸丙糖不仅是光合作用中最先产生的糖,也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。如图为某植物光合作用产物的合成与运输示意图。下列相关说法错误的是( )
[A] a表示的物质是ATP,它也可以在叶绿体基质中合成
[B] 在细胞质基质中会发生合成蔗糖的过程
[C] 磷酸丙糖是暗反应产物,在叶绿体基质中合成淀粉
[D] 若图中表示的磷酸转运器活性受抑制,会导致光合速率下降
A
【解析】 题图中a是光反应为暗反应提供的物质,a表示NADPH和ATP,在叶绿体类囊体薄膜上合成;磷酸转运器活性受抑制,不能将磷酸丙糖运出叶绿体,也不能将磷酸运入叶绿体,造成叶绿体中光合产物积累和缺少磷酸,导致光合速率降低。
能力2 围绕光合作用过程中物质含量的变化分析,考查科学思维
3.(2024·重庆质检)如图为某植物叶肉细胞光合作用示意图,图中①②③④表示相关物质。现有甲、乙两植株,甲叶色正常,乙为叶色黄化的突变植株,叶绿素含量明显少于甲。将甲、乙植株置于正常光照、温度、CO2浓度等条件相同的环境中,下列相关分析正确的是( )
[A] 被光合色素吸收的光能全部用于③合成ATP
[B] 只有接受ATP释放的能量,C3才可被NADPH还原
[C] 如果突然增加光照强度,则短时间内②含量减少,③的含量增加
[D] 如果突然增加光照强度,甲的叶肉细胞C3减少,乙的叶肉细胞④含量减少
B
【解析】 光合作用过程中光合色素吸收的光能有两方面的用途,一方面引起水的光解并促进H+与NADP+结合形成NADPH,另一方面参与ATP合成;在光合作用暗反应阶段,C3的还原只有接受ATP释放的能量才可完成;题图中②表示NADP+,若突然增加光照强度,光反应增强,则短时间内②含量减少,③为ADP和磷酸,增加光照强度后短时间内③的含量也会减少;若突然增加光照强度,则甲、乙两植株光合作用光反应均增强,所以C3均减少,题图中④(C5)均增加。
4.(2024·福建厦门模拟)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的值减小
[C] 突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
[D] 突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
D
【解析】 突然中断CO2供应导致CO2的固定速率降低,叶绿体中C5含量增多、C3含量减少,进而使ATP和NADPH含量增多,所以C5/C3的值增大,
ATP/ADP的值增大;突然将红光改变为绿光后光能利用率降低,ATP和NADPH含量减少,进而使C3含量增多、C5含量减少,C3/C5的值增大;突然将绿光改变为红光后光能利用率提高,ATP和NADPH含量增多,ATP/ADP的值增大。
考点二
光合作用和细胞呼吸的关系
1.光合作用与细胞呼吸的区别
细胞质
基质
光下
ATP
2.光合作用与有氧呼吸的联系
(1)物质转化。
(2)能量变化。
3.光合作用与有氧呼吸中有关的NADPH、NADH、ATP的来源与去路
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P103正文拓展)叶绿体产生的O2可进入线粒体被直接利用,线粒体产生的H2O可进入叶绿体被直接利用。( )
(2)(必修1 P103正文)进入叶绿体的CO2能被NADPH直接还原,植物体的净光合速率长期为零时会导致植物体停止生长。( )
√
×
【提示】 进入叶绿体的CO2先要与C5结合形成C3,才能被NADPH还原,净光合作用速率长期为零,即植物没有有机物积累,无法给植物提供营养,导致植物体停止生长。
(3)(必修1 P105旁栏思考)光合作用与细胞呼吸总是同时进行的。( )
×
【提示】 光合作用在有光的条件下进行,而呼吸作用每时每刻都在进行。
(4)(必修1 P106拓展应用1)温室大棚可以利用控制光照强度、温度的方式,如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等提高绿色植物光合作用强度。( )
√
(5)(必修1 P106拓展应用2)给密闭玻璃瓶中的植物幼苗提供适宜的水、无机盐、光照强度、温度等条件,幼苗可以长时间正常生长发育。( )
×
【提示】 随着植物的生长,土壤中的水分会减少,土壤中的无机盐含量下降,玻璃瓶中CO2含量减少等,因此幼苗不可以长时间正常生长发育。
2.规范表达
(1)(必修1 P105正文拓展)土壤板结,会导致植物光合速率下降,其原因是
。
土壤板结缺氧,根细胞有氧呼吸受到抑制,供给根细胞用于营养物质吸收的
能量减少,使光合色素和相关酶的合成减少,因此光合速率减弱
(2)(必修1 P93图5-9与P103图5-14拓展)如图表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。
①图中a、b、c、d代表的依次是哪种物质 [H]代表的物质是什么
【提示】 O2、NADP+、ADP+Pi、C5。NADH。
②Ⅰ、Ⅱ代表反应过程,Ⅲ代表细胞质基质,Ⅳ代表线粒体,则ATP合成发生在哪些过程或结构中(用图中字母表示)
③Ⅲ中的丙酮酸可以转化成酒精,出现这种情况的原因是什么
【提示】 Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。
【提示】 在缺氧条件下进行无氧呼吸。
能力3 围绕光合作用和细胞呼吸的过程关系,考查生命观念
5.(2024·湖北宜昌模拟)如图是表示植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图,下列有关叙述正确的是( )
[A] 图中b、c、e、f代表的物质依次是O2、ATP、NADH、C5
[B] ①～⑤代表的反应过程中,②发生的场所是叶绿体内膜
[C] ①～⑤代表的反应过程中,ATP合成只发生在①过程和⑤过程中
[D] ③中产生的丙酮酸可以在根细胞缺氧条件下转化成酒精
D
【解析】 题图中b、c、e、f代表的物质依次是O2、ATP、NADPH、C5;②表示暗反应过程,发生的场所是叶绿体基质;由题可知①②分别代表光合作用的光反应阶段和暗反应阶段,③④⑤分别代表有氧呼吸的三个阶段,光反应阶段和有氧呼吸的三个阶段均能产生ATP,因此①～⑤代表的反应过程中,ATP合成发生在①③④⑤过程中;根细胞无氧呼吸可产生酒精和CO2,因此③中产生的丙酮酸可以在根细胞缺氧条件下转化成酒精。
6.(2024·山西大同模拟)如图是叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体的代谢简图,下列相关叙述错误的是( )
[A] 细胞①处于黑暗环境中,该细胞单位时间释放的CO2量即呼吸速率
[B] 细胞②没有与外界发生O2和CO2的交换,可断定此时叶肉细胞光合速率等于呼吸速率
[C] 细胞③处在较强光照条件下,细胞光合作用所利用的CO2量为N1与N2的和
[D] 分析细胞④可得出,此时的光照强度较弱且N1小于M2
D
【解析】 结合题图可知,细胞①中仅线粒体中有气体的消耗和生成,故细胞①处于黑暗环境中,此时该细胞单位时间内释放的CO2量可表示呼吸速率;细胞②没有与外界进行气体交换,可断定此时叶肉细胞光合速率与呼吸速率相等;细胞③需要从外界环境吸收CO2,并向细胞外释放O2,说明此时细胞处在较强光照条件下,细胞所利用的CO2包括细胞呼吸产生的(N2)和从环境中吸收的(N1);细胞④中,线粒体利用的O2除来自叶绿体外,还要从细胞外吸收,说明此时细胞呼吸强度大于光合作用强度,此时光照强度可能较弱,细胞进行有氧呼吸和光合作用的过程中,O2的净消耗量(吸收量)M2与CO2的净生成量N1相等。
考向一 从生命观念和科学探究的角度,考查光合作用的过程
1.(2023·湖北卷,8)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
研练真题·感悟高考
C
【解析】 由题可知,LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化,叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,LHCⅡ与PSⅡ分离减少,会使PSⅡ光复合体对光能的捕获增强;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;由题图可知,弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,有利于对光能的捕获;PSⅡ光复合体含有光合色素,在光反应中能吸收光能,并分解水,水的光解产生H+、电子和O2。
考向二 从科学思维的角度,考查光合作用与细胞呼吸的关系
2.(2023·湖北卷,11)高温是制约世界粮食安全的因素之一,高温往往使植物叶片变黄、变褐。研究发现平均气温每升高1 ℃,水稻、小麦等作物减产3%～8%。关于高温下作物减产的原因,下列叙述错误的是( )
[A] 呼吸作用变强,消耗大量养分
[B] 光合作用强度减弱,有机物合成减少
[C] 蒸腾作用增强,植物易失水发生萎蔫
[D] 叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少
D
【解析】 高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADPH和ATP减少,
NADH是在呼吸作用中产生的。
3.(2024·甘肃卷,17)类胡萝卜素不仅参与光合作用,还是一些植物激素的合成前体。研究者发现了某作物的一种胎萌突变体,其种子大部分为黄色,少部分呈白色,白色种子未完全成熟即可在母体上萌发。经鉴定,白色种子为某基因的纯合突变体。在正常光照(400 μmol·m-2·s-1)下,纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失。将野生型和纯合突变体种子在黑暗中萌发后转移到正常光和弱光(1 μmol·m-2·s-1)下培养一周,提取并测定叶片叶绿素和类胡萝卜素含量,结果如图所示。回答下列问题。
(1)提取叶片中叶绿素和类胡萝卜素常使用的溶剂是 ,加入少许碳酸钙可以 。
无水乙醇
防止研磨中色素被破坏
【解析】 (1)叶片中的叶绿素和类胡萝卜素都能溶解在有机溶剂中,所以常使用无水乙醇提取。加入少许碳酸钙可以防止研磨中色素被破坏。
(2)野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高,其原因是
。
叶绿素的
形成需要光照,正常光下更有利于叶绿素的形成
【解析】 (2)叶绿素的形成需要光照,正常光下更有利于叶绿素的形成,所以野生型植株叶片叶绿素含量在正常光下比弱光下高。
(3)正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子,因为
。
纯合突变体叶片
中的叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低,光合作用极弱,无法满足植株生长对有机物的需求
【解析】 (3)在正常光照(400 μmol·m-2·s-1)下,纯合突变体叶片中叶绿体发育异常、类囊体消失,叶绿素和类胡萝卜素的相对含量都极低,分别为0.3和 0.1,说明纯合突变体的光合作用极弱,无法满足植株生长对有机物的需求,使得植株难以生长,因此正常光照条件下种植纯合突变体将无法获得种子。
(4)现已知此突变体与类胡萝卜素合成有关,本研究中支持此结论的证据有:①纯合突变体种子为白色;②
。
与野生型相比,纯合突变体叶片中类胡萝卜素
含量极低(几乎为零)
【解析】 (4)由题图可知,与野生型相比,纯合突变体叶片中类胡萝卜素含量极低(几乎为零),说明此突变体与类胡萝卜素合成有关。
(5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷,X最可能是 。若以上推断合理,则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量,但不影响纯合突变体中X的含量。为检验上述假设,请完成下面的实验设计:
①植物培养和处理:取野生型和纯合突变体种子,萌发后在 条件下培养一周,然后将野生型植株均分为A、B两组,将突变体植株均分为C、D两组,A、C组为对照,B、D组干旱处理4小时。
②测量指标:每组取3～5株植物的叶片,在显微镜下观察、测量并记录各组的
。
③预期结果: 。
脱落酸
弱光及其他条件适宜且相同
气孔开度
(或气孔大小)
B组气孔开度小于A组,C、D组气孔开度基本相同,且大于A、B组
【解析】 (5)纯合突变体中可能存在某种植物激素X的合成缺陷,白色种子未完全成熟即可在母体上萌发,由于脱落酸具有抑制种子萌发的作用,据此可推知,X最可能是脱落酸。若以上推断合理,则干旱处理能够提高野生型中激素X的含量,但不影响纯合突变体中X的含量。因此,该实验的自变量是植株的种类和培养条件,因变量是气孔开度(或气孔大小),而在实验过程中对植株的生长有影响的无关变量应控制相同且适宜;弱光下,纯合突变体能产生叶绿素,且与野生型的叶绿素含量相近,应选择弱光培养。据此,依据实验设计遵循的对照原则和单一变量原则以及题干中给出的不完善的实验设计,可推知实验设计及预期结果(见答案)。
热点情境4
光系统及电子传递链
[情境链接]
1.光系统Ⅱ进行水的光解,产生氧气、H+和电子(e-),光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。
3.电子传递过程是高电势到低电势,因此,电子传递过程中释放能量,质体醌利用这部分能量将质子(H+)逆浓度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧,从而建立了质子浓度(电化学)梯度。当然,光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H+)以及在类囊体的基质侧H+和NADP+形成NADPH的过程,为建立质子浓度(电化学)梯度也有所贡献。
4.类囊体膜对质子是高度不通透的,因此,类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出,而ATP合成酶利用质子浓度梯度形成的势能合成ATP。
[典型例题]
(2024·河南许昌期末)如图表示植物叶肉细胞叶绿体的类囊体膜上发生的部分代谢过程,其中运输H+的载体蛋白有两种类型,从而实现H+在膜两侧间的穿梭。下列分析错误的是( )
D
[A] 图中过程产生了O2、ATP和NADPH等
[B] H+可由叶绿体基质进入类囊体腔,该过程属于主动运输,但消耗的能量不是由ATP提供的
[C] 通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同
[D] 据图分析,O2产生后扩散到细胞外共需要穿过3层生物膜
【解析】 题图所示过程为光合作用的光反应阶段,发生在类囊体薄膜上,该过程产生了O2、ATP和NADPH等;题图中H+由类囊体腔内至叶绿体基质,在H+的顺浓度梯度的推动下促进了ATP的合成,可知H+由叶绿体基质进入类囊体腔是逆浓度梯度进行的,属于主动运输,能量来源于电子传递;通过类囊体膜转运H+的两种机制不相同,H+进入类囊体腔是逆浓度进入的,属于主动运输,而从类囊体腔转运出去是通过协助扩散完成的;O2在类囊体腔中产生,首先需要穿过类囊体膜到达叶绿体基质中,再穿过叶绿体的两层膜结构到达细胞质基质中,再穿过细胞膜到达细胞外,该过程穿过了4层生物膜。
思维建模
图示情境分析
[迁移应用]
1.(2025·广东深圳期中)图a为叶绿体的结构示意图,图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。
回答下列问题。
(1)图b表示图a中的 结构,膜上发生的光反应过程将水分解成O2、H+和e-,光能转化成电能,最终转化为 和ATP中活跃的化学能。若CO2浓度降低,暗反应速率减慢,叶绿体中电子受体NADP+减少,则图b中电子传递速率会 (填“加快”或“减慢”)。
类囊体膜
NADPH
减慢
【解析】 (1)题图b显示的是光反应的过程,光反应的场所是类囊体的薄膜,由此可推测题图b是题图a中的类囊体膜。由题图b可知,光能转化为电能,电能最终转化为NADPH和ATP中活跃的化学能。CO2浓度降低,暗反应速率减慢,进而使光反应速率减慢,所以推测题图b电子传递速率会减慢。
(2)为研究叶绿体的完整性与光反应的关系,研究人员用物理、化学方法制备了4种结构完整性不同的叶绿体,在离体条件下进行实验,用Fecy或DCIP替代NADP+为电子受体,以相对放氧量表示光反应速率,实验结果如表所示。
实验项目 相对值 叶绿体类型 实验一:以Fecy为电子受体时的放氧量 实验二:以DCIP为电子受体时的放氧量
叶绿体A:双层膜结构完整 100 100
叶绿体B:双层膜局部受损,类囊体略有损伤 167.0 106.7
叶绿体C:双层膜瓦解,类囊体松散但未断裂 425.1 471.1
叶绿体D:所有膜结构解体破裂成颗粒或片段 281.3 109.6
注:Fecy具有亲水性,DCIP具有亲脂性。
据此分析:
①叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明,叶绿体双层膜对以 (填“Fecy”或“DCIP”)为电子受体的光反应有明显阻碍作用。得出该结论的推理过程是
。
Fecy
叶绿体的双层膜局部受损后,以Fecy为电子受体时的放氧量增加的
比例比以DCIP为电子受体时的放氧量增加的比例大
【解析】 (2)①叶绿体的双层膜局部受损后,以Fecy为电子受体时的放氧量增加的比例比以DCIP为电子受体时的放氧量增加的比例大,所以叶绿体双层膜对Fecy为电子受体的光反应的阻碍作用更明显。
②该实验中,光反应速率最高的是叶绿体C,表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条件下,更有利于 ,
从而提高光反应速率。
类囊体膜上的色素吸收、传递和转化光能
【解析】 ②双层膜瓦解、类囊体松散但未断裂的条件下,更有利于类囊体膜上的色素吸收、传递和转化光能,提高水的光解速率,从而提高光反应速率。
③以DCIP为电子受体进行实验,发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值分别为1、0.66、0.58和0.41。结合图b对实验结果进行解释
。
膜结构破坏得越严重,H+在膜两侧的浓度差越小,ATP的产生效率就越低
【解析】 ③叶绿体双层膜结构被破坏得越严重,H+在膜两侧的浓度差越小,
ATP的产生效率就越低。
2.(2024·云南昭通模拟)如图为类囊体薄膜上发生的光反应示意图,PSⅠ和PSⅡ分别是光系统Ⅰ和光系统Ⅱ,是叶绿素和蛋白质构成的复合体,能吸收利用光能进行电子的传递。PQ、Cytbf、PC是传递电子的蛋白质,其中PQ在传递电子的同时能将H+运输到类囊体腔中。图中实线为电子的传递过程,虚线为H+的运输过程。ATP合酶由CF0和CF1两部分组成,在进行H+顺浓度梯度运输的同时催化ATP的合成。请回答下列问题。
(1)分析图中电子传递的整个过程可知,最初提供电子的物质为 ,最终接受电子的物质为 。
水
NADP+
【解析】 (1)根据题图所示,水光解后产生氧气、H+和电子,故最初提供电子的物质为水;水光解后电子将NADP+还原为NADPH,故最终接受电子的物质为NADP+。
(2)光反应产生的氧气被用于有氧呼吸,且在 (场所)被消耗。图中用于暗反应的物质是 。
线粒体内膜
ATP和NADPH
【解析】 (2)有氧呼吸中的氧气参与有氧呼吸的第三阶段,即光反应产生的氧气在线粒体内膜被利用;光反应产生的NADPH和ATP可用于暗反应C3的还原,故题图中用于暗反应的物质是ATP和NADPH。
(3)合成ATP依赖于类囊体薄膜两侧的H+浓度差,图中使膜两侧H+浓度差增加的过程有 (答出三点)。
水的光解产生H+;PQ主动运输H+;合成NADPH消耗H+
【解析】 (3)题图中水光解产生H+,使类囊体腔内H+浓度升高;H+在类囊体薄膜上与NADP+结合形成NADPH使类囊体腔外的H+浓度降低,同时还可以通过PQ运回到类囊体腔内,这样就保持了类囊体薄膜两侧的H+浓度差。
(4)由图可见,光反应是一个比较复杂的过程,完成了光能转变成 能,进而转变成 能的过程。
电
化学
【解析】 (4)由题图可见,光反应是一个比较复杂的过程,首先完成光能转变成电能,进而电能转变成化学能的过程。
(时间:30分钟 满分:58分)
基础强化练
选择题:1～8题,每题2分。
1.(光合作用的过程|2024·广州统考)如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。下列有关分析错误的是( )
[A] 图中a为O2,可释放部分到空气中
[B] 图中b为NADPH,外界CO2浓度升高时,b的含量暂时升高
[C] 该过程消耗的NADP+和c来自叶绿体基质
[D] 该过程将光能转化为化学能储存在b和ATP中
B
【解析】 题图中b是在NADP+、H+和e-参与下形成的NADPH,当外界CO2浓度升高时,暗反应中生成的C3增多,则消耗的NADPH增多,导致NADPH的含量暂时降低。
2.(暗反应的过程|2024·郑州模拟)如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解,其中a、b、c、d表示四种化合物,①②表示两个生理过程,下列叙述错误的是( )
[A] 突然增加CO2浓度,叶肉细胞内化合物a将会减少
[B] 突然增强光照,叶肉细胞内化合物b将增加
[C] 化合物c有较强的还原性
[D] 化合物d是储存着能量的有机物
B
【解析】 化合物a表示C5,突然增加CO2浓度,CO2的固定加快,消耗的C5增多,但短时间内C3还原不变,产生C5的速率不变,故叶肉细胞内化合物a将会减少;化合物b表示C3,突然增强光照,光反应加快,C3的还原过程加快,短时间内C3的来源不变,最终导致C3的含量减少;化合物c表示NADPH,具有较强的还原性;化合物d为糖类,是储存着能量的有机物。
3.(鲁宾和卡门实验|2024·武汉模拟)1941年,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具有放射性,是不稳定的同位素,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O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中的氧全部来自水
[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
C
【解析】 18O不具有放射性,是稳定的同位素;另一组实验及结果图应为将O换成H2O、CO2换成C18O2、18O2换成O2,其余不变;该实验的预期结论是光合作用产生的O2中的氧全部来自水;小球藻是真核生物,具有完整的叶绿体,含有叶绿素和类胡萝卜素。
4.(光合作用和细胞呼吸的过程联系|2024·茂名模拟)光合作用和细胞呼吸是植物体的两个重要生理活动,下列关于植物光合作用和细胞呼吸的叙述错误的是( )
[A] 适宜的光照下,叶肉细胞的细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成
[B] 无氧呼吸释放的能量大部分以热能的形式散失,其余储存在ATP中
[C] 用O培养小球藻,一段时间后可在其产生的糖类和氧气中检测到18O
[D] 研究马铃薯块茎细胞消耗O2量和生成CO2量的比值可确定呼吸方式
D
【解析】 适宜的光照下,光合作用速率大于呼吸作用速率,细胞进行有氧呼吸,则叶肉细胞的细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成。无氧呼吸释放的能量大部分以热能的形式散失,其余储存在ATP中。用O培养小球藻,在叶绿体中进行光合作用,进行水的光解形成O2和NADPH,则最先检测到含有18O的产物是O2;O参与呼吸作用,18O转移到CO2中,C18O2再参与光合作用,18O转移到糖类中。马铃薯块茎进行无氧呼吸不消耗O2,也不产生CO2,有氧呼吸消耗的O2量和产生的CO2量相等,所以不能通过研究马铃薯块茎细胞消耗O2量和生成CO2量的比值来确定呼吸方式。
5.(蓝细菌CO2的浓缩机制|2025·信阳月考)蓝细菌细胞能通过产生的一组特殊蛋白质将CO2浓缩在Rubisco酶(固定CO2的关键酶)周围。下列有关叙述错误的是( )
[A] Rubisco酶是在蓝细菌的核糖体上合成的
[B] 蓝细菌细胞中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中
[C] 蓝细菌的CO2浓缩机制是自然选择的结果
[D] 蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco酶相同
D
【解析】 Rubisco酶是蛋白质,是在蓝细菌细胞内的核糖体上合成的;蓝细菌是原核生物,细胞中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中;蓝细菌的CO2浓缩机制是自然选择的结果,有利于利用空气中的碳源;酶具有专一性,蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco酶不同,后者用于CO2的固定。
6.(光合磷酸化|2024·武汉期中)叶绿体在光下把ADP和Pi合成ATP的过程称为光合磷酸化。为探究形成ATP的直接能量来源,科学家在黑暗中进行了如下实验。图中“平衡”的目的是让类囊体内部的pH和外界缓冲溶液pH相同。下列相关叙述正确的是( )
[A] 黑暗中培养瓶内只发生呼吸作用
[B] 该实验不需要提供充足的CO2
[C] 形成ATP的直接能量来源由ADP和Pi提供
[D] 在叶绿体中合成ATP需要酸性环境
B
【解析】 本实验只有叶绿体的类囊体,故在黑暗中培养瓶内不发生呼吸作用(无线粒体,也无细胞质基质);该实验探究形成ATP的直接能量来源(模拟光反应过程合成ATP过程),而CO2参与的是暗反应,该实验不需要提供充足的CO2;依题意和图示分析可知,将类囊体置于pH为4的缓冲溶液中,当类囊体内部的pH和外界溶液相同时(即pH=4),再将类囊体转移至pH为8的缓冲溶液中并立即加入ADP和Pi,则有ATP生成,但当类囊体内部的pH和外界溶液相同时,再加入ADP和Pi,则没有ATP生成,可见,叶绿体中合成ATP需要营造成类囊体两侧pH不同,在叶绿体中合成ATP不一定需要酸性环境,形成ATP的直接能量来源由H+浓度差提供。
7.(磷酸调节光合作用终产物的分配|2024·襄阳模拟)淀粉和蔗糖是叶肉细胞光合作用的两种主要终产物,Pi在二者分配过程中起到了重要调节作用,其过程如图所示。下列叙述正确的是( )
[A] 磷是生物膜的重要组分,中心体和核糖体不含磷
[B] CO2形成三碳糖磷酸的过程中,NADPH不供能,只作为还原剂
[C] 若光照骤减,核酮糖-1,5-二磷酸的含量变化短时间内为减少
[D] 若抑制磷酸转运器的功能,卡尔文循环会马上停止
C
【解析】 磷脂构成生物膜的基本支架,中心体由蛋白质组成,不含磷元素,核糖体由蛋白质和RNA组成,含磷元素;CO2形成三碳糖磷酸的过程中需要NADPH,NADPH既作还原剂又提供部分能量;若光照骤减,光反应产生的ATP和NADPH会减少,C3还原过程减慢,而C5的消耗不变,导致核酮糖-1,5-二磷酸(C5)的含量短时间内减少;若抑制磷酸转运器的功能,会导致叶绿体内Pi下降,进而影响卡尔文循环,但卡尔文循环不会马上停止。
8.(光合作用和呼吸作用的能量转化|2024·亳州期中)如图表示绿色植物体内与光合作用和呼吸作用有关的能量转化过程,图中①②③④表示生理过程,a、b、c、d表示不同物质。下列有关叙述错误的是( )
[A] 图中③进行的场所是叶绿体类囊体薄膜
[B] 洋葱鳞片叶外表皮细胞内能进行②④过程
[C] 通过①过程将物质a中的能量转移至物质b中
[D] 为植物提供18O标记的O2,最先在c中出现18O
C
【解析】 题图中③表示光合作用光反应阶段,进行的场所是叶绿体类囊体薄膜;洋葱鳞片叶外表皮细胞内能进行②有氧呼吸第一和第二阶段、④有氧呼吸第三阶段;a代表CO2,通过①光合作用暗反应过程将NADPH和ATP中的能量转移至物质b糖类中;为植物提供18O标记的O2,通过有氧呼吸第三阶段,最先在c(水)中出现18O。
选择题:9～12题,每题4分。
9.(人工光合细胞|2024·齐齐哈尔三模)我国科研团队制造了由能量模块、生物催化模块和辅因子三部分组成的人工光合细胞。典型的光合作用过程始于能量模块的光捕获,为能量丰富的辅因子提供电子,这些辅因子为生物催化模块提供能量。下列叙述错误的是
( )
[A] 能量模块可实现光能到化学能的转化
[B] 生物催化模块中包含催化色素吸收光能、CO2固定及C3还原的多种酶
[C] 富含能量的辅因子可为生物催化模块供能,典型的辅因子有NADPH等
[D] 与正常细胞相比,人工光合细胞因没有呼吸消耗而能积累更多的有机物
A
能力提升练
【解析】 典型的光合作用过程始于能量模块的光捕获,即能量模块仅可实现对光能的捕获,并没有将光能转化为化学能;细胞进行生命活动(光合作用)离不开酶的催化,据此推测生物催化模块中存在催化色素吸收光能、CO2固定及C3还原的多种酶;光合作用的光反应阶段为暗反应阶段提供ATP和NADPH,由此可知,富含能量的辅因子可为生物催化模块供能,典型的辅因子有NADPH等;植物细胞进行呼吸作用会消耗有机物,与正常细胞相比,人工光合细胞因没有呼吸消耗而能积累更多的有机物。
10.(暗反应过程|2024·衡阳模拟)光合作用暗反应过程中,CO2与RuBP在Rubisco酶的催化下生成3-磷酸甘油酸(PGA)。但是当O2浓度较高时,O2与CO2竞争性结合RuBP,O2与RuBP反应后生成磷酸乙醇酸(PG),最终释放CO2,该过程称为光呼吸(其过程如图所示)。正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,CO2释放量突然增加,称为“二氧化碳的猝发”。下列说法正确的是( )
[A] 光呼吸现象的发生取决于CO2和O2浓度的比例
[B] 光照过强导致气孔关闭,若植物呼吸强度不变,则CO2的产生量减少
[C] 若突然停止光照,PG的生成量会减少
[D] O2与RuBP反应的过程必须在光下进行
A
【解析】 由题意“当O2浓度较高时,O2与CO2竞争性结合RuBP”可知,光呼吸现象的发生取决于CO2和O2浓度的比例;光照过强导致气孔关闭,CO2供应不足,O2与RuBP反应后释放CO2,若此时植物呼吸强度不变,则CO2的产生量增多;正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,产生的[H]和ATP减少,则C3含量增加,进而RuBP与CO2结合减少,O2结合RuBP的概率增加,故磷酸乙醇酸(PG)的生成量增加;O2与RuBP反应发生在光合作用暗反应过程中,在无光的条件下也能进行。
11.(光合作用的过程|2024·沈阳模拟)如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( )
B
12.(线粒体和叶绿体膜结构上的能量代谢|2024·南阳模拟)如图为某植物叶肉细胞中与细胞能量代谢有关的两种膜结构及其所发生的部分生理过程。下列相关叙述正确的是( )
[A] 图1和图2分别为线粒体和叶绿体的内膜
[B] 两种膜产生的ATP可用于生物的各项生命活动
[C] 当图2膜两侧的H+浓度梯度突然消失时,短时间内C3/C5会增加
[D] 当叶肉细胞中两种膜结构消耗与产生的O2量相等时,该植物体的净光合速率等于零
C
【解析】 图1生物膜上[H]与O2结合生成了水,属于有氧呼吸第三阶段,因此该生物膜为线粒体内膜,图2生物膜吸收了光能,生成了O2,属于光合作用的光反应阶段,因此该生物膜为叶绿体的类囊体薄膜;类囊体薄膜产生的ATP通常只能用于暗反应阶段三碳化合物的还原;当图2膜两侧的H+浓度梯度突然消失时,ATP合成会受阻,保持其他条件不变,这样C3的还原将减慢,则短时间内C3量增加,C5量减少,因此两者的比值会增加;若两种膜结构消耗与产生的O2量相等时,则叶肉细胞的净光合速率等于零,但是植物体还有一大部分细胞不能进行光合作用,所以植物体的净光合速率小于零。
13.(12分)(光合作用的过程|2024·沧州一模)如图是绿色植物光合作用的过程示意图,A～G代表物质,反应Ⅰ、Ⅱ为光合作用的两个阶段。已知图中PSBS是一种类囊体膜蛋白,类囊体腔内的H+浓度改变后,被激活的PSBS能抑制电子在类囊体膜上的传递,最终将过量的光能转换成热能释放。回答下列问题。
(1)绿色植物通过光合作用,将叶绿体中色素吸收的光能最终转化为 (填能量形式)储存在图中的 (填字母)中。
化学能
F
【解析】 (1)由题可知,A为O2,B为ADP+Pi,C为ATP,D为NADP+,E为NADPH,
F为糖类等有机物,G为CO2。光合作用包括光反应和暗反应过程,该过程中光能最终被转化为化学能储存在F(糖类等有机物)中。
(2)反应Ⅱ发生的场所是 。光照充足时对大棚中的作物使用CO2发生器,短时间内叶肉细胞中C5的含量将 (填“升高”或“下降”)。
叶绿体基质
下降
【解析】 (2)暗反应在叶绿体基质中进行;CO2是暗反应的原料,光照充足时大棚使用CO2发生器后,CO2的浓度升高,C5的消耗速率增加,合成速率不变,故短时间内C5的含量下降。
(3)H+通过Z蛋白外流的同时促进了ATP的合成,因此Z蛋白的功能有
,B为 。
运输
(H+)和催化(ATP合成)
ADP和Pi
【解析】 (3)H+通过Z蛋白外流的同时促进了ATP的合成,因此Z蛋白能够作为载体蛋白运输H+,并作为ATP合成酶催化ATP合成,B是ADP和Pi。
(4)据图分析,光照过强会导致类囊体腔内pH (填“升高”或“下降”),该刺激激活PSBS后,可避免叶绿体结构被破坏;但光合作用产生的有机物会减少,原因是
。
下降
被激活的PSBS能抑制电子在类囊体膜上的传递,水的光解被抑制,
导致NADPH和ATP合成量下降,C3的还原减少,所以光合作用产生的有机物减少
【解析】 (4)据题图分析,光照过强会导致水光解量增加,产生的H+增加,类囊体腔内pH下降;类囊体腔内的H+浓度改变会激活PSBS,导致电子在类囊体膜上的传递受到抑制,水的光解被抑制,NADPH和ATP合成量下降,C3的还原减少,因此光合作用产生的有机物会减少。
14.(14分)(卡尔文循环|2024·六安模拟)卡尔文及其同事以小球藻为实验材料,采用同位素标记法得出了卡尔文循环,并获得了1961年的诺贝尔化学奖。据图回答下列问题。
(1)卡尔文用14CO2供小球藻进行光合作用,5 s后在五碳化合物和六碳化合物中检测到放射性,当缩短时间至几分之一秒时,三碳化合物中检测到放射性,由此可知14C的转移路径是 ,30 s后许多有机化合物中均检测到放射性。可见,在该实验中卡尔文是通过控制 来探究CO2中碳原子转移路径的。
CO2→C3→(CH2O)+C5
反应时间
【解析】 (1)卡尔文用14C标记的CO2作为原料,探究暗反应的过程,所以不断缩短光照时间(反应时间),是为了确定被14C标记的化合物出现的先后顺序,当缩短时间至几分之一秒时,三碳化合物中检测到放射性,由光合作用的暗反应过程可知14C参与光合作用暗反应阶段的转移路径是CO2→C3→(CH2O)+C5。
(2)根据图一卡尔文循环过程可知,3-磷酸甘油酸转化为RuBP时需要
参与反应,其分解产物将参与 过程。
ATP、NADPH
光反应
【解析】 (2)由图一可知,3-磷酸甘油酸需要ATP、NADPH参与反应,才能转化为RuBP,其分解产物为ADP、Pi、NADP+,ADP、Pi、NADP+在光合作用的光反应阶段重新生成ATP、NADPH,即其分解产物将参与光反应过程。
(3)在卡尔文循环中,5-磷酸核酮糖激酶(PRK)等四种酶协调配合共同调节暗反应,四种酶的半胱氨酸残基之间均具有二硫键。当二硫键被硫氧还蛋白还原酶还原成巯基时,酶被活化;而当半胱氨酸残基之间的巯基被重新氧化形成二硫键时,酶则失去活性。据图二分析,四种酶发挥活性需要有 、
等条件以及 的间接调控。
适宜的温度
适宜的pH
光
【解析】 (3)影响酶活性的因素主要是温度和pH,即四种酶发挥活性需要适宜的温度和pH等条件。由题意“5-磷酸核酮糖激酶(PRK)等四种酶协调配合共同调节暗反应,四种酶的半胱氨酸残基之间均具有二硫键。当二硫键被硫氧还蛋白还原酶还原成巯基时,酶被活化;而当半胱氨酸残基之间的巯基被重新氧化形成二硫键时,酶则失去活性”,由题图可知,硫氧还蛋白还原酶是否被激活与光有关,因此四种酶发挥活性还需要光的间接调控。第16讲 光合作用的原理
(时间:30分钟 满分:58分)
基础强化练
选择题:1~8题,每题2分。
1.(光合作用的过程|2024·广州统考)如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。下列有关分析错误的是( )
[A] 图中a为O2,可释放部分到空气中
[B] 图中b为NADPH,外界CO2浓度升高时,b的含量暂时升高
[C] 该过程消耗的NADP+和c来自叶绿体基质
[D] 该过程将光能转化为化学能储存在b和ATP中
2.(暗反应的过程|2024·郑州模拟)如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解,其中a、b、c、d表示四种化合物,①②表示两个生理过程,下列叙述错误的是( )
[A] 突然增加CO2浓度,叶肉细胞内化合物a将会减少
[B] 突然增强光照,叶肉细胞内化合物b将增加
[C] 化合物c有较强的还原性
[D] 化合物d是储存着能量的有机物
3.(鲁宾和卡门实验|2024·武汉模拟)1941年,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具有放射性,是不稳定的同位素,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O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中的氧全部来自水
[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
4.(光合作用和细胞呼吸的过程联系|2024·茂名模拟)光合作用和细胞呼吸是植物体的两个重要生理活动,下列关于植物光合作用和细胞呼吸的叙述错误的是( )
[A] 适宜的光照下,叶肉细胞的细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成
[B] 无氧呼吸释放的能量大部分以热能的形式散失,其余储存在ATP中
[C] 用O培养小球藻,一段时间后可在其产生的糖类和氧气中检测到18O
[D] 研究马铃薯块茎细胞消耗O2量和生成CO2量的比值可确定呼吸方式
5.(蓝细菌CO2的浓缩机制|2025·信阳月考)蓝细菌细胞能通过产生的一组特殊蛋白质将CO2浓缩在Rubisco酶(固定CO2的关键酶)周围。下列有关叙述错误的是( )
[A] Rubisco酶是在蓝细菌的核糖体上合成的
[B] 蓝细菌细胞中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中
[C] 蓝细菌的CO2浓缩机制是自然选择的结果
[D] 蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco酶相同
6.(光合磷酸化|2024·武汉期中)叶绿体在光下把ADP和Pi合成ATP的过程称为光合磷酸化。为探究形成ATP的直接能量来源,科学家在黑暗中进行了如下实验。图中“平衡”的目的是让类囊体内部的pH和外界缓冲溶液pH相同。下列相关叙述正确的是( )
[A] 黑暗中培养瓶内只发生呼吸作用
[B] 该实验不需要提供充足的CO2
[C] 形成ATP的直接能量来源由ADP和Pi提供
[D] 在叶绿体中合成ATP需要酸性环境
7.(磷酸调节光合作用终产物的分配|2024·襄阳模拟)淀粉和蔗糖是叶肉细胞光合作用的两种主要终产物,Pi在二者分配过程中起到了重要调节作用,其过程如图所示。下列叙述正确的是( )
[A] 磷是生物膜的重要组分,中心体和核糖体不含磷
[B] CO2形成三碳糖磷酸的过程中,NADPH不供能,只作为还原剂
[C] 若光照骤减,核酮糖1,5二磷酸的含量变化短时间内为减少
[D] 若抑制磷酸转运器的功能,卡尔文循环会马上停止
8.(光合作用和呼吸作用的能量转化|2024·亳州期中)如图表示绿色植物体内与光合作用和呼吸作用有关的能量转化过程,图中①②③④表示生理过程,a、b、c、d表示不同物质。下列有关叙述错误的是( )
[A] 图中③进行的场所是叶绿体类囊体薄膜
[B] 洋葱鳞片叶外表皮细胞内能进行②④过程
[C] 通过①过程将物质a中的能量转移至物质b中
[D] 为植物提供18O标记的O2,最先在c中出现18O
能力提升练
选择题:9~12题,每题4分。
9.(人工光合细胞|2024·齐齐哈尔三模)我国科研团队制造了由能量模块、生物催化模块和辅因子三部分组成的人工光合细胞。典型的光合作用过程始于能量模块的光捕获,为能量丰富的辅因子提供电子,这些辅因子为生物催化模块提供能量。下列叙述错误的是( )
[A] 能量模块可实现光能到化学能的转化
[B] 生物催化模块中包含催化色素吸收光能、CO2固定及C3还原的多种酶
[C] 富含能量的辅因子可为生物催化模块供能,典型的辅因子有NADPH等
[D] 与正常细胞相比,人工光合细胞因没有呼吸消耗而能积累更多的有机物
10.(暗反应过程|2024·衡阳模拟)光合作用暗反应过程中,CO2与RuBP在Rubisco酶的催化下生成3磷酸甘油酸(PGA)。但是当O2浓度较高时,O2与CO2竞争性结合RuBP,O2与RuBP反应后生成磷酸乙醇酸(PG),最终释放CO2,该过程称为光呼吸(其过程如图所示)。正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,CO2释放量突然增加,称为“二氧化碳的猝发”。下列说法正确的是( )
[A] 光呼吸现象的发生取决于CO2和O2浓度的比例
[B] 光照过强导致气孔关闭,若植物呼吸强度不变,则CO2的产生量减少
[C] 若突然停止光照,PG的生成量会减少
[D] O2与RuBP反应的过程必须在光下进行
11.(光合作用的过程|2024·沈阳模拟)如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HC进入细胞质基质
[B] HC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供应,帮助该绿藻适应水生环境
12.(线粒体和叶绿体膜结构上的能量代谢|2024·南阳模拟)如图为某植物叶肉细胞中与细胞能量代谢有关的两种膜结构及其所发生的部分生理过程。下列相关叙述正确的是( )
[A] 图1和图2分别为线粒体和叶绿体的内膜
[B] 两种膜产生的ATP可用于生物的各项生命活动
[C] 当图2膜两侧的H+浓度梯度突然消失时,短时间内C3/C5会增加
[D] 当叶肉细胞中两种膜结构消耗与产生的O2量相等时,该植物体的净光合速率等于零
13.(12分)(光合作用的过程|2024·沧州一模)如图是绿色植物光合作用的过程示意图,A~G代表物质,反应Ⅰ、Ⅱ为光合作用的两个阶段。已知图中PSBS是一种类囊体膜蛋白,类囊体腔内的H+浓度改变后,被激活的PSBS能抑制电子在类囊体膜上的传递,最终将过量的光能转换成热能释放。回答下列问题。
(1)绿色植物通过光合作用,将叶绿体中色素吸收的光能最终转化为 (填能量形式)储存在图中的 (填字母)中。
(2)反应Ⅱ发生的场所是 。光照充足时对大棚中的作物使用CO2发生器,短时间内叶肉细胞中C5的含量将 (填“升高”或“下降”)。
(3)H+通过Z蛋白外流的同时促进了ATP的合成,因此Z蛋白的功能有 ,
B为 。
(4)据图分析,光照过强会导致类囊体腔内pH (填“升高”或“下降”),该刺激激活PSBS后,可避免叶绿体结构被破坏;但光合作用产生的有机物会减少,原因是
。
14.(14分)(卡尔文循环|2024·六安模拟)卡尔文及其同事以小球藻为实验材料,采用同位素标记法得出了卡尔文循环,并获得了1961年的诺贝尔化学奖。据图回答下列问题。
(1)卡尔文用14CO2供小球藻进行光合作用,5 s后在五碳化合物和六碳化合物中检测到放射性,当缩短时间至几分之一秒时,三碳化合物中检测到放射性,由此可知14C的转移路径是 ,30 s后许多有机化合物中均检测到放射性。可见,在该实验中卡尔文是通过控制 来探究CO2中碳原子转移路径的。
(2)根据图一卡尔文循环过程可知,3磷酸甘油酸转化为RuBP时需要 参与反应,其分解产物将参与 过程。
(3)在卡尔文循环中,5磷酸核酮糖激酶(PRK)等四种酶协调配合共同调节暗反应,四种酶的半胱氨酸残基之间均具有二硫键。当二硫键被硫氧还蛋白还原酶还原成巯基时,酶被活化;而当半胱氨酸残基之间的巯基被重新氧化形成二硫键时,酶则失去活性。据图二分析,四种酶发挥活性需要有 、 等条件以及 的间接调控。
第16讲 光合作用的原理
1.B 题图中b是在NADP+、H+和e-参与下形成的NADPH,当外界CO2浓度升高时,暗反应中生成的C3增多,则消耗的NADPH增多,导致NADPH的含量暂时降低。
2.B 化合物a表示C5,突然增加CO2浓度,CO2的固定加快,消耗的C5增多,但短时间内C3还原不变,产生C5的速率不变,故叶肉细胞内化合物a将会减少;化合物b表示C3,突然增强光照,光反应加快,C3的还原过程加快,短时间内C3的来源不变,最终导致C3的含量减少;化合物c表示NADPH,具有较强的还原性;化合物d为糖类,是储存着能量的有机物。
3.C 18O不具有放射性,是稳定的同位素;另一组实验及结果图应为将O换成H2O、CO2换成C18O2、18O2换成O2,其余不变;该实验的预期结论是光合作用产生的O2中的氧全部来自水;小球藻是真核生物,具有完整的叶绿体,含有叶绿素和类胡萝卜素。
4.D 适宜的光照下,光合作用速率大于呼吸作用速率,细胞进行有氧呼吸,则叶肉细胞的细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成。无氧呼吸释放的能量大部分以热能的形式散失,其余储存在ATP中。用O培养小球藻,在叶绿体中进行光合作用,进行水的光解形成O2和NADPH,则最先检测到含有18O的产物是O2;O参与呼吸作用,18O转移到CO2中,C18O2再参与光合作用,18O转移到糖类中。马铃薯块茎进行无氧呼吸不消耗O2,也不产生CO2,有氧呼吸消耗的O2量和产生的CO2量相等,所以不能通过研究马铃薯块茎细胞消耗O2量和生成CO2量的比值来确定呼吸方式。
5.D Rubisco酶是蛋白质,是在蓝细菌细胞内的核糖体上合成的;蓝细菌是原核生物,细胞中含有DNA和RNA,其DNA主要位于拟核中;蓝细菌的CO2浓缩机制是自然选择的结果,有利于利用空气中的碳源;酶具有专一性,蓝细菌中催化H2O光解的酶与Rubisco酶不同,后者用于CO2的固定。
6.B 本实验只有叶绿体的类囊体,故在黑暗中培养瓶内不发生呼吸作用(无线粒体,也无细胞质基质);该实验探究形成ATP的直接能量来源(模拟光反应过程合成ATP过程),而CO2参与的是暗反应,该实验不需要提供充足的CO2;依题意和图示分析可知,将类囊体置于pH为4的缓冲溶液中,当类囊体内部的pH和外界溶液相同时(即pH=4),再将类囊体转移至pH为8的缓冲溶液中并立即加入ADP和Pi,则有ATP生成,但当类囊体内部的pH和外界溶液相同时,再加入ADP和Pi,则没有ATP生成,可见,叶绿体中合成ATP需要营造成类囊体两侧pH不同,在叶绿体中合成ATP不一定需要酸性环境,形成ATP的直接能量来源由H+浓度差提供。
7.C 磷脂构成生物膜的基本支架,中心体由蛋白质组成,不含磷元素,核糖体由蛋白质和RNA组成,含磷元素;CO2形成三碳糖磷酸的过程中需要NADPH,NADPH既作还原剂又提供部分能量;若光照骤减,光反应产生的ATP和NADPH会减少,C3还原过程减慢,而C5的消耗不变,导致核酮糖1,5二磷酸(C5)的含量短时间内减少;若抑制磷酸转运器的功能,会导致叶绿体内Pi下降,进而影响卡尔文循环,但卡尔文循环不会马上停止。
8.C 题图中③表示光合作用光反应阶段,进行的场所是叶绿体类囊体薄膜;洋葱鳞片叶外表皮细胞内能进行②有氧呼吸第一和第二阶段、④有氧呼吸第三阶段;a代表CO2,通过①光合作用暗反应过程将NADPH和ATP中的能量转移至物质b糖类中;为植物提供18O标记的O2,通过有氧呼吸第三阶段,最先在c(水)中出现18O。
9.A 典型的光合作用过程始于能量模块的光捕获,即能量模块仅可实现对光能的捕获,并没有将光能转化为化学能;细胞进行生命活动(光合作用)离不开酶的催化,据此推测生物催化模块中存在催化色素吸收光能、CO2固定及C3还原的多种酶;光合作用的光反应阶段为暗反应阶段提供ATP和NADPH,由此可知,富含能量的辅因子可为生物催化模块供能,典型的辅因子有NADPH等;植物细胞进行呼吸作用会消耗有机物,与正常细胞相比,人工光合细胞因没有呼吸消耗而能积累更多的有机物。
10.A 由题意“当O2浓度较高时,O2与CO2竞争性结合RuBP”可知,光呼吸现象的发生取决于CO2和O2浓度的比例;光照过强导致气孔关闭,CO2供应不足,O2与RuBP反应后释放CO2,若此时植物呼吸强度不变,则CO2的产生量增多;正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,产生的[H]和ATP减少,则C3含量增加,进而RuBP与CO2结合减少,O2结合RuBP的概率增加,故磷酸乙醇酸(PG)的生成量增加;O2与RuBP反应发生在光合作用暗反应过程中,在无光的条件下也能进行。
11.B 绿藻通过光反应一方面影响呼吸作用的ATP供应进而影响HC的运输,另一方面影响类囊体中CO2的供给,最终实现CO2的浓缩,促进暗反应,提高光合速率,从而更好地适应环境。据题图分析,HC从胞外进入细胞质基质需要ATP,是主动运输的过程,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HC进入细胞质基质;据题图分析,HC从细胞质基质进入叶绿体基质需要ATP,是主动运输的过程,主动运输需要载体蛋白的协助,而不是通道蛋白;据题图可知,水光解产生的H+能够促进HC从叶绿体基质进入类囊体腔,并与HC在类囊体腔内反应产生CO2,因此能提高类囊体腔CO2水平,增大类囊体腔内外CO2浓度差,促进CO2自由扩散进入叶绿体基质;综上所述,光反应产生的物质X促进HC进入细胞质基质,水光解产生的H+提高类囊体腔CO2水平,因此光反应通过确保暗反应的CO2供应,帮助该绿藻适应水生环境。
12.C 图1生物膜上[H]与O2结合生成了水,属于有氧呼吸第三阶段,因此该生物膜为线粒体内膜,图2生物膜吸收了光能,生成了O2,属于光合作用的光反应阶段,因此该生物膜为叶绿体的类囊体薄膜;类囊体薄膜产生的ATP通常只能用于暗反应阶段三碳化合物的还原;当图2膜两侧的H+浓度梯度突然消失时,ATP合成会受阻,保持其他条件不变,这样C3的还原将减慢,则短时间内C3量增加,C5量减少,因此两者的比值会增加;若两种膜结构消耗与产生的O2量相等时,则叶肉细胞的净光合速率等于零,但是植物体还有一大部分细胞不能进行光合作用,所以植物体的净光合速率小于零。
13.【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)化学能 F (2)叶绿体基质 下降
(3)运输(H+)和催化(ATP合成)(2分) ADP和Pi
(4)下降 被激活的PSBS能抑制电子在类囊体膜上的传递,水的光解被抑制,导致NADPH和ATP合成量下降,C3的还原减少,所以光合作用产生的有机物减少(4分)
【解析】 (1)由题可知,A为O2,B为ADP+Pi,C为ATP,D为NADP+,E为NADPH,F为糖类等有机物,G为CO2。光合作用包括光反应和暗反应过程,该过程中光能最终被转化为化学能储存在F(糖类等有机物)中。(2)暗反应在叶绿体基质中进行;CO2是暗反应的原料,光照充足时大棚使用CO2发生器后,CO2的浓度升高,C5的消耗速率增加,合成速率不变,故短时间内C5的含量下降。(3)H+通过Z蛋白外流的同时促进了ATP的合成,因此Z蛋白能够作为载体蛋白运输H+,并作为ATP合成酶催化ATP合成,B是ADP和Pi。(4)据题图分析,光照过强会导致水光解量增加,产生的H+增加,类囊体腔内pH下降;类囊体腔内的H+浓度改变会激活PSBS,导致电子在类囊体膜上的传递受到抑制,水的光解被抑制,NADPH和ATP合成量下降,C3的还原减少,因此光合作用产生的有机物会减少。
14.【答案】 (每空2分)
(1)CO2→C3→(CH2O)+C5 反应时间
(2)ATP、NADPH 光反应
(3)适宜的温度 适宜的pH 光
【解析】 (1)卡尔文用14C标记的CO2作为原料,探究暗反应的过程,所以不断缩短光照时间(反应时间),是为了确定被14C标记的化合物出现的先后顺序,当缩短时间至几分之一秒时,三碳化合物中检测到放射性,由光合作用的暗反应过程可知14C参与光合作用暗反应阶段的转移路径是CO2→C3→(CH2O)+C5。(2)由图一可知,3磷酸甘油酸需要ATP、NADPH参与反应,才能转化为RuBP,其分解产物为ADP、Pi、NADP+,ADP、Pi、NADP+在光合作用的光反应阶段重新生成ATP、NADPH,即其分解产物将参与光反应过程。(3)影响酶活性的因素主要是温度和pH,即四种酶发挥活性需要适宜的温度和pH等条件。由题意“5磷酸核酮糖激酶(PRK)等四种酶协调配合共同调节暗反应,四种酶的半胱氨酸残基之间均具有二硫键。当二硫键被硫氧还蛋白还原酶还原成巯基时,酶被活化;而当半胱氨酸残基之间的巯基被重新氧化形成二硫键时,酶则失去活性”,由题图可知,硫氧还蛋白还原酶是否被激活与光有关,因此四种酶发挥活性还需要光的间接调控。
