資源簡介

第5章 細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用
第4節(jié) 光合作用與能量轉(zhuǎn)化
二 光合作用的原理和應(yīng)用
第1課時(shí) 光合作用的原理
素養(yǎng)導(dǎo)引
1.生命觀念:運(yùn)用物質(zhì)與能量觀,說出光合作用過程中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化過程。
2.科學(xué)思維:采用分析與綜合的方法,說出光反應(yīng)和暗反應(yīng)的區(qū)別與聯(lián)系。
3.科學(xué)探究:分析光合作用發(fā)現(xiàn)歷程,認(rèn)同科學(xué)探究的基本思路和方法。
一、光合作用的概念及探索歷程
1.光合作用概念:
(1)場(chǎng)所:綠色植物的葉綠體。
(2)原料:CO2和H2O。
(3)能量來源:光能。
(4)產(chǎn)物:(CH2O)和O2。
2.光合作用探索歷程的經(jīng)典實(shí)驗(yàn):
希爾實(shí)驗(yàn) 證明離體葉綠體在適當(dāng)條件下發(fā)生水的光解產(chǎn)生氧氣
魯賓和卡門的實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)光合作用中O2來源于_水_
阿爾農(nóng)實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)光照下葉綠體可合成_ATP且該過程總和水的光解相聯(lián)系
卡爾文實(shí)驗(yàn) 探明_CO2_中的碳轉(zhuǎn)化成_有機(jī)物中的碳的途徑
　[思考]　魯賓、卡門和卡爾文實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的共同的科學(xué)方法是什么
提示:同位素示蹤法。
二、光合作用的過程
1.填寫階段名稱及序號(hào)代表的物質(zhì):
Ⅰ光反應(yīng);Ⅱ暗反應(yīng);
①O2; ②ATP;③NADPH;④C5; ⑤C3。
2.圖示Ⅰ階段——光反應(yīng)階段:在類囊體的薄膜上進(jìn)行。
葉綠體中色素吸收的光能有兩方面用途:
(1)將水分解為氧和H+,H+與NADP+結(jié)合形成NADPH。
(2)使ADP與Pi反應(yīng)形成ATP。
3.圖示Ⅱ階段——暗反應(yīng)階段:在葉綠體的基質(zhì)中進(jìn)行。
(1)CO2的固定:CO2與C5結(jié)合,形成C3。
(2)C3的還原:
去向1:轉(zhuǎn)化為糖類;
去向2:形成C5,繼續(xù)參與暗反應(yīng)。
4.光合作用的反應(yīng)式:
CO2+H2O(CH2O)+O2
公園是城市的綠色氧吧,人們喜歡在公園里鍛煉呼吸新鮮空氣。結(jié)合所學(xué)知識(shí)判斷:
1.公園里的植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所都是葉綠體。 (√)
2.公園空氣清新是因?yàn)橹参锓倍?進(jìn)行光合作用釋放氧氣,更新空氣。 (√)
3.公園里比較涼爽濕潤,這與植物進(jìn)行光合作用有關(guān)。 (×)
分析:公園里比較涼爽濕潤,這與植物進(jìn)行蒸騰作用有關(guān)。
學(xué)習(xí)任務(wù)一:光合作用的過程及相關(guān)物質(zhì)和能量的變化
1.光反應(yīng)和暗反應(yīng)的關(guān)系:
(1)區(qū)別:
項(xiàng)目 光反應(yīng) 暗反應(yīng)
場(chǎng)所 類囊體薄膜 葉綠體基質(zhì)
條件 光、色素等 多種酶等
物質(zhì)變化 ①水的光解②NADPH、ATP的合成 ①CO2的固定②C3的還原
能量變化 光能→ATP、NADPH中活躍的化學(xué)能 ATP、NADPH中活躍的化學(xué)能→有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能
(2)聯(lián)系:
①光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供2種重要物質(zhì):NADPH和ATP,其中NADPH既作為還原劑,又可提供能量。
②暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供3種物質(zhì):ADP、Pi和NADP+。
　[思考探究]　葉綠體中NADPH和ADP的移動(dòng)方向分別是怎樣的
提示:NADPH從類囊體薄膜移向葉綠體基質(zhì),ADP從葉綠體基質(zhì)移向類囊體薄膜。
2.光合作用中C、H、O的轉(zhuǎn)移途徑:
(1)H:3H2ONADP3H(C3H2O)
(2)C:14CO214C3(14CH2O)
(3)O: H218O18O2;
C18O2C3(C H218O)
[思考探究]　在下列反應(yīng)式中用箭頭標(biāo)出反應(yīng)物中C、H、O元素的去向。
CO2+H2O(CH2O)+O2
提示:
【深化探究】
用具有放射性的同位素14C標(biāo)記CO2中的C,短時(shí)間內(nèi)能在光合作用的哪些物質(zhì)中檢測(cè)到14C
提示:在C3、C5和(CH2O)中均能檢測(cè)到14C。
【學(xué)習(xí)加點(diǎn)料】
　思維易錯(cuò):試分析突然降低光照強(qiáng)度對(duì)光反應(yīng)和暗反應(yīng)的影響。
提示:突然降低光照強(qiáng)度、光反應(yīng)減弱,光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH減少,從而使暗反應(yīng)也減弱。
　(2021·廣東選擇考)在高等植物光合作用的卡爾文循環(huán)①中,唯一催化CO2固定形成C3的酶②被稱為Rubisco。下列敘述正確的是 (　　)
A.Rubisco存在于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中
B.激活Rubisco需要黑暗條件
C.Rubisco催化CO2固定需要ATP
D.Rubisco催化C5和CO2結(jié)合
[解題思維]
提取關(guān)鍵點(diǎn) ①卡爾文循環(huán);②唯一催化CO2固定形成C3的酶
轉(zhuǎn)化知識(shí)點(diǎn) 暗反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所、條件、物質(zhì)和能量的變化
排除障礙點(diǎn) 激活Rubisco就是暗反應(yīng)發(fā)生的條件,有光和無光條件下均可發(fā)生
【解析】選D。本題以CO2固定中的酶Rubisco為載體,主要考查光合作用的暗反應(yīng)。根據(jù)題意可知,C5和CO2形成C3的反應(yīng)是在葉綠體基質(zhì)中發(fā)生的,A錯(cuò)誤;根據(jù)題意只知道Rubisco的作用,并不清楚Rubisco激活的條件,其實(shí)Rubisco是需要光激活的,B錯(cuò)誤;CO2的固定過程不需要ATP提供能量,C3的還原才需要ATP提供能量,C錯(cuò)誤;Rubisco催化C5和CO2形成C3,D正確。
　[借題發(fā)揮]　當(dāng)光反應(yīng)的產(chǎn)物和CO2充足時(shí),在黑暗條件下,暗反應(yīng)進(jìn)行的速度也比光照條件下慢,請(qǐng)依據(jù)題干信息Rubisco提出一種可能的原因。
提示:在黑暗條件下,Rubisco降低活化能的效果降低。(Rubisco的激活需要光)
1.(2022·丹東高一檢測(cè))光合作用過程中,能量流動(dòng)的正確途徑是 (　　)
A.葉綠素→陽光→ 氫和氧
B.陽光→葉綠素→ADP →(CH2O)
C.葉綠素→陽光→ADP →C5
D.陽光→葉綠素→ATP →(CH2O)
【解析】選D。在光反應(yīng)的過程中,色素吸收了光能,用于水的光解和ATP的合成,這樣光能就轉(zhuǎn)化成ATP和NADPH中的化學(xué)能;然后NADPH和ATP用于暗反應(yīng),還原C3,這樣化學(xué)能轉(zhuǎn)變成有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能,故選D。
2.(2022·哈爾濱高一檢測(cè))如圖表示光合作用的過程,其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的兩個(gè)階段,a、b 表示相關(guān)物質(zhì)。下列敘述正確的是 (　　)
A.物質(zhì) a 表示 NADPH
B.物質(zhì) b 表示 C3
C.階段Ⅰ表示暗反應(yīng)
D.階段Ⅱ表示光反應(yīng)
【解析】選A。光反應(yīng)中,水的光解產(chǎn)生O2和NADPH,因此物質(zhì)a表示NADPH,A正確;在光反應(yīng)階段,ADP+Pi+能量ATP,因此圖中b表示ATP,B錯(cuò)誤;圖中階段Ⅰ可以發(fā)生水的光解,屬于光合作用的光反應(yīng)階段,C錯(cuò)誤;圖中階段Ⅱ能夠發(fā)生CO2的固定,并且生成糖類等有機(jī)物,屬于光合作用的暗反應(yīng)階段,D錯(cuò)誤。
【方法規(guī)律】
光合作用過程的“一、二、三、四”
學(xué)習(xí)任務(wù)二:環(huán)境改變時(shí)光合作用中相關(guān)物質(zhì)含量的變化分析
1.光合作用中相關(guān)物質(zhì)變化關(guān)系:
(1)圖解:
(2)方法應(yīng)用舉例:
①條件:CO2供應(yīng)正常、光照停止。
②設(shè)問:細(xì)胞中C3含量如何變化
③分析:
C3消耗量:光照停止→ATP、NADPH含量減少→C3的消耗量減少
C3生成量:CO2供應(yīng)正?！鶦3的生成量不變
④結(jié)論:C3含量增加。
2.環(huán)境改變引起的相關(guān)物質(zhì)含量變化的規(guī)律:
條件 光照強(qiáng)度變化 CO2濃度變化
變?nèi)?變強(qiáng) 減少 增多
C3含量 增加 減少 減少 增加
C5含量 減少 增加 增加 減少
NADPH、ATP含量 減少 增加 增加 減少
　[思考探究]　正常進(jìn)行光合作用的葉片,如果在a點(diǎn)時(shí)突然停止CO2供應(yīng),請(qǐng)?jiān)谙铝凶鴺?biāo)圖中畫出a點(diǎn)后NADPH含量變化趨勢(shì)。
提示:
【拓展歸納】
“模型法”分析物質(zhì)含量變化
(1)光照強(qiáng)度不變,CO2含量突然減少:
(2)CO2含量不變,光照強(qiáng)度減弱:
【學(xué)習(xí)加點(diǎn)料】
　光照條件適宜,其他環(huán)境條件不變,當(dāng)綠色植物光合作用達(dá)到穩(wěn)定時(shí),葉綠體中C3和C5的含量相同嗎
提示:不相同。由于在暗反應(yīng)過程中,1個(gè)CO2與1個(gè)C5結(jié)合生成2個(gè)C3,因此光照條件下綠色植物光合作用達(dá)到穩(wěn)定時(shí),葉綠體中C3的含量比C5高。
　(2022·蘇州高一檢測(cè))將單細(xì)胞綠藻置于25 ℃、適宜的光照及充足的CO2條件下培養(yǎng),經(jīng)過一段時(shí)間后,突然停止光照①,發(fā)現(xiàn)綠藻體內(nèi)的C3的含量突然上升②,原因是 (　　)
A.暗反應(yīng)停止,不能形成NADPH和ATP
B.暗反應(yīng)仍進(jìn)行,C3繼續(xù)大量形成C5
C.光反應(yīng)仍進(jìn)行,形成NADPH和ATP,促進(jìn)了C3的形成并得到積累
D.光反應(yīng)停止,不能形成NADPH和ATP,C3還原減慢,積累了C3
[解題思維]
提取關(guān)鍵點(diǎn) ①突然停止光照②C3的含量突然上升
轉(zhuǎn)化知識(shí)點(diǎn) 光反應(yīng)必須在光照條件下進(jìn)行,但暗反應(yīng)有沒有光都能進(jìn)行
排除障礙點(diǎn) 不能正確分析突然停止光照產(chǎn)生的影響:停止光照→ATP和NADPH不能形成→C3的還原減慢→C3積累
【解析】選D。突然停止光照,光反應(yīng)停止,無法產(chǎn)生NADPH和ATP,短時(shí)間內(nèi)暗反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,CO2和C5結(jié)合生成C3,C3的還原減弱,導(dǎo)致C5含量減少,C3含量有所增加, A、B、C錯(cuò)誤,D正確;
　[借題發(fā)揮]　C3被NADPH還原后會(huì)轉(zhuǎn)變成哪些有機(jī)物
提示:C5和(CH2O)。
1.在CO2濃度降低時(shí),短時(shí)間內(nèi)葉綠體內(nèi)C5和C3的比值會(huì) (　　)
A.不變 B.變小
C.變大 D.無法判斷
【解析】選C。突然降低CO2濃度,CO2固定減弱,C5→C3減少,而C3的還原過程不變,所以C5增多,C3減少,因此短時(shí)間內(nèi)葉綠體內(nèi)C5和C3的比值會(huì)變大。
2.夏季晴朗中午,某植物出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象,即氣孔關(guān)閉。此時(shí)葉肉細(xì)胞內(nèi) (　　)
A.C3含量上升
B.葉綠體基質(zhì)中ADP含量增加
C.有機(jī)物積累速率明顯下降
D.光反應(yīng)產(chǎn)物不能滿足暗反應(yīng)的需求
【解析】選C。氣孔關(guān)閉,CO2濃度下降,CO2的固定減慢,C3含量下降;暗反應(yīng)減慢,葉綠體基質(zhì)中ADP含量減少,有機(jī)物積累速率明顯下降。但是光照較強(qiáng),光反應(yīng)產(chǎn)物可以滿足暗反應(yīng)的需求。
學(xué)習(xí)任務(wù)三:光合作用和有氧呼吸
1.區(qū)別:
項(xiàng)目 光合作用 有氧呼吸
場(chǎng)所 葉綠體 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體
條件 只在光下進(jìn)行 時(shí)刻都能進(jìn)行
物質(zhì)變化 無機(jī)物合成有機(jī)物 有機(jī)物被分解成無機(jī)物
能量變化 光能→穩(wěn)定的化學(xué)能 穩(wěn)定的化學(xué)能→熱能、ATP中活躍的化學(xué)能
2.聯(lián)系:
(1)物質(zhì)聯(lián)系:光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物和O2能供給有氧呼吸,有氧呼吸產(chǎn)生的CO2可供光合作用利用。
(2)能量來源:光合作用和有氧呼吸能量的最終來源是光能。
　(2021·福州高一檢測(cè))如圖表示甘藍(lán)葉肉細(xì)胞內(nèi)C3和葡萄糖的相互轉(zhuǎn)化過程。下列敘述錯(cuò)誤的是 (　　)
C3葡萄糖
A.①過程發(fā)生在葉綠體基質(zhì),②過程發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)
B.①過程有光無光都可發(fā)生,②過程的發(fā)生需要 O2
C.①②過程可以發(fā)生在同一個(gè)細(xì)胞中
D.圖中消耗ATP和產(chǎn)生ATP的過程分別是①和②。
[解題思維]
提取關(guān)鍵點(diǎn) 題圖①為光合作用中C3的還原;題圖②為細(xì)胞呼吸的第一階段
轉(zhuǎn)化知識(shí)點(diǎn) C3還原的場(chǎng)所、條件;細(xì)胞呼吸第一階段的場(chǎng)所和條件
排除障礙點(diǎn) ①發(fā)生在葉綠體基質(zhì),不需光照;②發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì),不需要O2
【解析】選B。①表示C3還原生成糖類的過程,發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中,②表示葡萄糖分解成丙酮酸的過程,發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中,①②過程可以發(fā)生在同一個(gè)細(xì)胞中,A、C正確;①表示三碳化合物還原生成糖類的過程,有光無光都可以發(fā)生,②表示葡萄糖分解成丙酮酸的過程,有氧無氧都可以進(jìn)行,B錯(cuò)誤;①C3還原生成糖類,需要消耗光反應(yīng)提供的ATP,②葡萄糖分解成丙酮酸的過程中產(chǎn)生ATP,D正確。
【拓展歸納】
產(chǎn)生或消耗ATP的過程
場(chǎng)所 產(chǎn)生或消耗ATP的過程
細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) ①有氧呼吸第一階段產(chǎn)生ATP、無氧呼吸產(chǎn)生ATP;②許多生化反應(yīng)的進(jìn)行消耗ATP
葉綠體 ①光反應(yīng)產(chǎn)生ATP;②暗反應(yīng)消耗ATP
線粒體 ①有氧呼吸第二、三階段產(chǎn)生ATP;②自身蛋白質(zhì)等物質(zhì)合成消耗ATP
　(2022·北海高一檢測(cè))光合作用過程中產(chǎn)生的NADPH和細(xì)胞呼吸過程中產(chǎn)生的[H],分別用于 (　　)
A.還原O2和CO2 B.氧化O2和CO2
C.還原C3和O2 D.氧化CO2和O2
【解析】選C。光合作用過程中,光反應(yīng)階段產(chǎn)生的NADPH用于暗反應(yīng)還原C3,細(xì)胞呼吸包括有氧呼吸和無氧呼吸,有氧呼吸過程中產(chǎn)生的[H]用于與O2結(jié)合生成水,C項(xiàng)正確。
光合作用與光呼吸
　　　綠色植物的葉肉細(xì)胞在光照充足、CO2濃度高的環(huán)境中進(jìn)行正常光合作用,若是處于光照充足、O2濃度高而CO2濃度低的環(huán)境中,則可以進(jìn)行光呼吸。正常光合作用和光呼吸的簡要過程如圖所示(虛線方框內(nèi)為光呼吸)。
探究:
(1)光合作用中卡爾文循環(huán)發(fā)生的場(chǎng)所是________________。葉肉細(xì)胞中完成光呼吸相關(guān)反應(yīng)的場(chǎng)所是__________________。
(2)葉肉細(xì)胞既能進(jìn)行光呼吸,也能進(jìn)行有氧呼吸,請(qǐng)據(jù)圖概括出光呼吸和有氧呼吸在物質(zhì)代謝方面的相同點(diǎn)(答出三點(diǎn))_________________________________。
【解析】(1)卡爾文循環(huán)屬于光合作用的暗反應(yīng)階段,發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中;圖示虛框內(nèi)表示該植物的光呼吸過程,其加氧反應(yīng)發(fā)生在葉綠體中,生成CO2的過程發(fā)生在線粒體中。
(2)據(jù)圖分析可知,光呼吸與有氧呼吸相似,都需要消耗O2,且都能將有機(jī)物氧化分解產(chǎn)生CO2。
答案:(1)葉綠體基質(zhì)　葉綠體和線粒體　(2)都需要消耗O2;都有有機(jī)物分解;都能產(chǎn)生CO2
情境載體 情境類型為生活、學(xué)習(xí)和實(shí)踐情境,突出與生活的聯(lián)系
關(guān)鍵能力↓圖文轉(zhuǎn)化 ①高濃度CO2:羧化酶在葉綠體基質(zhì)中催化C5生成C3;C3參與卡爾文循環(huán)
②高濃度O2:羧化酶在葉綠體中催化C5產(chǎn)生C3和C2,C3參與卡爾文循環(huán),C2進(jìn)入線粒體中進(jìn)行光呼吸產(chǎn)生CO2
學(xué)科素養(yǎng) 培養(yǎng)生命觀念中的結(jié)構(gòu)與功能觀、科學(xué)思維中的分析與比較等素養(yǎng)
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