第2单元第9讲 光合作用的色素场所和过程.docx
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第2单元第9讲光合作用的色素场所和过程
考纲要求
1.光合作用的概念、阶段、场所和产物[必考（b）、加试（b）]。
2.色素的种类、颜色和吸收光谱[必考（a）、加试（a）]。
3.光反应和碳反应的过程[必考（b）、加试（b）]。
4.活动：
光合色素的提取与分离[必考（b）、加试（b）]。
考点一 光合色素和叶绿体的结构
1．叶绿体的结构与功能
（1）结构模式图
（2）结构
↓决定
（3）功能：
进行光合作用的场所。
2．叶绿体中的色素及色素的吸收光谱
由图可以看出：
（1）叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收。
（2）叶绿素对红光和蓝紫光的吸收量大，类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大，对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。
思考诊断
1．热图解读：
完善叶绿体的结构与光合作用过程
观察上面的叶绿体结构示意图，完成下列问题：
（1）①为外膜，②为内膜。
（2）③为基粒，是由许多类囊体堆叠而成的，其膜可称为光合膜。
④为液态的叶绿体基质，含有许多酶。
2．为什么叶片一般呈现绿色？
提示 因为叶绿素对绿光吸收很少，绿光被反射出来，所以叶片呈现绿色。
题型一 色素的种类、颜色和吸收光谱
1．如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。
据图判断，以下说法不正确的是（ ）
A．由图可知，类胡萝卜素主要吸收400～500nm波长的光
B．用450nm波长的光比600nm波长的光更有利于提高光合作用强度
C．由550nm波长的光转为670nm波长的光后，叶绿体中三碳酸分子的量增加
D．土壤中缺乏镁时，植物对420～470nm波长的光的利用量显著减少
答案 C
解析 类胡萝卜素主要吸收400～500nm波长的光，A正确；据图可知，用450nm波长的光比600nm波长的光更有利于提高光合作用强度，B正确；由550nm波长的光转为670nm波长的光后，色素吸收光能增强，光反应增强，三碳酸分子还原加速，叶绿体中三碳酸分子的量将减少，C项错误；叶绿素b主要吸收420～470nm波长的光，缺镁时叶绿素合成减少，所以此波段的光的利用量显著减少，D正确。
2．（2016·宁波期末联考）下表是在适宜条件下测得某植物叶绿体中色素吸收光能的情况，下列分析错误的是（ ）
波长（nm）
400
450
500
550
600
670
700
吸收光能
百分比（%）
叶绿素a
40
68
5
15
16
40
16
全部色素
75
93
50
35
45
75
35
A.O2的释放速率变化与全部色素吸收光能百分比的变化基本一致
B．由550nm波长的光转为670nm波长的光时，叶绿体中三碳酸分子的量会增加
C．该植物缺乏镁时，叶绿素a吸收的光能百分比的减少幅度更大
D．环境温度降低，该植物对光能的利用能力将降低
答案 B
解析 植物光合作用吸收光能，发生水的光解产生O2，因此O2的释放速率变化与全部色素吸收光能百分比的变化基本一致，A项正确；由550nm波长的光转为670nm波长的光时，植物吸收的光能增加，光反应加快，为碳反应提供的NADPH和ATP增加，三碳酸分子的还原速率加快，叶绿体中三碳酸分子的含量减少，B项错误；镁是叶绿素的重要构成成分，植物缺乏镁时，叶绿素a含量降低，吸收的光能百分比的减少幅度更大，C项正确；表中实验数据是在最适温度条件下所得的实验结果，因此环境温度降低，该植物对光能的利用能力将降低，D项正确。
归纳提升
影响叶绿素合成的因素
（1）光照：
光是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗环境中不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
（2）温度：
温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成。
低温时，叶绿素分子易被破坏，而类胡萝卜素分子较为稳定，使叶片变黄。
（3）必需元素：
叶绿素中含N、Mg等必需元素，缺乏N、Mg将导致叶绿素无法合成，叶片变黄。
题型二 叶绿体的结构
3．如图是在电子显微镜下观察到的高等植物叶绿体结构模式图，下列有关叙述错误的是（ ）
A．①和②均为选择透性膜
B．③上分布有与光反应有关的色素和酶
C．在③上形成的产物NADPH和ATP进入④中为碳反应提供物质和能量
D．④中进行的反应使ATP进入糖类等有机物中
答案 D
解析 ①和②分别表示叶绿体的外膜和内膜，为生物膜，具有选择透性；③为基粒，其上分布着光反应所需的色素和酶；光反应的产物NADPH和ATP进入④叶绿体基质中，为碳反应提供还原剂氢和能源物质ATP；ATP水解后将活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能，而非直接将ATP转移到有机物中。
4．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（ ）
A．甲中生物膜的面积主要靠内膜向内折叠成嵴而增大
B．图乙所示的结构来自图甲中的③
C．③中的所有色素分子都可以吸收红光和蓝紫光
D．图甲是光合作用的基本单位，蓝细菌可以进行光合作用的原因是具有图甲结构
答案 B
解析 图甲中的①②③和④分别是叶绿体外膜、内膜、基粒和基质，乙所示的膜结构来自图甲中的③。
叶绿体扩大膜面积主要靠片层结构中的类囊体膜。
③中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。
叶绿体是进行光合作用的基本单位，蓝细菌是原核细胞，除核糖体外，无其他细胞器，其能进行光合作用的原因是有藻蓝素和叶绿素。
考点二 光合作用的概念及其过程
1．光合作用的概念和反应式
（1）光合作用指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把CO2和H2O转化成贮存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
（2）总反应式：
6CO2＋12H2O
C6H12O6＋6H2O＋6O2。
2．光合作用的过程
Ⅰ.光反应
（1）条件：
叶绿体色素、酶、光和水。
（2）场所：
叶绿体类囊体膜。
（3）产物：
NADPH、ATP、O2。
（4）物质转变
①水在光下裂解为H＋、O2和电子。
②水中的氢（H＋＋e－）在光下将NADP＋还原为NADPH。
（5）能量转变：
光能被吸收并转化为ATP和NADPH中的化学能。
Ⅱ.碳反应
（1）条件：
多种酶、ATP、NADPH。
（2）场所：
叶绿体基质。
（3）产物：
三碳糖。
（4）主要变化
①CO2的固定：
CO2＋RuBP―→2三碳酸分子。
②三碳酸分子的还原：
三碳酸分子接受NADPH中的氢和ATP中的磷酸基团及能量，被还原成三碳糖，这是碳反应形成的产物。
③RuBP的再生
每3个CO2分子进入卡尔文循环就形成6分子的三碳酸分子，后者都被还原为三碳糖，其中5个三碳糖分子在循环中再生为RuBP，另一个三碳糖分子则离开卡尔文循环，或在叶绿体内合成淀粉、蛋白质或脂质，或运出叶绿体，转变成蔗糖。
思考诊断
1．写出光合作用的总反应式及各元素的去向
提示
2．光反应与碳反应的区别与联系
项目
光反应
碳反应
条件
需色素、光、酶
不需色素和光，需要多种酶
场所
叶绿体的类囊体膜
叶绿体基质
物质
转化
①水光解：
H2O
2H＋＋2e－＋
O2；
②ATP和NADPH的合成：
ADP＋Pi＋光能
ATP；NADP＋＋H＋＋e－
NADPH
①CO2的固定：
CO2＋RuBP
2三碳酸分子
②三碳酸分子的还原：
三碳酸分子
三碳糖
③RuBP的再生和其他有机物的形成：
能量
转换
光能→活跃的化学能，并贮存在ATP和NADPH中
ATP和NADPH中的活跃化学能→有机物中稳定的化学能
3.光照和CO2浓度变化对光合作用物质变化的影响
变化条件
三碳酸分子
RuBP
NADPH和ATP
三碳糖
CO2供
应不变
光照
强→弱
增加
减少
减少
减少
光照
弱→强
减少
增加
增加
增加
光照
不变
CO2充
足→不足
减少
增加
增加
减少
CO2不
足→充足
增加
减少
减少
增加
题型一 光反应和碳反应的过程
1．下图表示光合作用的碳反应过程。
下列叙述错误的是（ ）
A．①是3－磷酸甘油酸
B．②和③在类囊体膜上产生
C．⑤是核酮糖二磷酸
D．⑥可在叶绿体内转变为氨基酸
答案 C
解析 图中①为3－磷酸甘油酸（三碳酸分子），②为ATP，③为NADPH，④为NADP＋，⑤为三碳糖。
2.如图为大豆叶片光合作用碳反应阶段的示意图。
下列叙述正确的是（ ）
A．CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为三碳酸分子中的化学能
B．CO2可直接被NADPH还原，再经过一系列的变化形成糖类
C．被还原的三碳酸分子在相关酶的催化作用下，可再形成RuBP
D．光强度由强变弱时，短时间内RuBP含量会升高
答案 C
解析 ATP中的能量转化到有机物中，成为稳定的化学能的过程，不参与CO2的固定，A项错误；在碳反应中，绿叶通过气孔从外界吸收进来的二氧化碳，不能直接被还原。
它首先与RuBP结合，形成三碳酸分子，三碳酸分子接受ATP释放的能量并被NADPH还原，再经一系列变化形成糖类，另一部分形成RuBP，B项错误；三碳酸分子被NADPH还原后可再形成RuBP，此过程中需要酶参与，C项正确；光强度由强变弱时，会造成NADPH和ATP在短时间内减少，RuBP的合成速率下降，而其分解速率不变，所以RuBP的含量会下降，D项错误。
题型二 条件骤变对光合作用物质含量变化的影响
3．（2016·宁波模拟）离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时，如果突然中断CO2气体的供应，短时间内叶绿体中3－磷酸甘油酸、RuBP及ATP相对含量的变化是（ ）
A．上升、下降、上升B．上升、下降、下降
C．下降、上升、下降D．下降、上升、上升
答案 D
解析 二氧化碳含量的改变直接影响的是碳反应中二氧化碳的固定过程，二氧化碳含量由高到低时，二氧化碳的固定过程变弱，该反应的反应物RuBP消耗减少，剩余的RuBP相对增多；生成物3－磷酸甘油酸减少，由于3－磷酸甘油酸的化合物减少，则又影响了3－磷酸甘油酸的还原，使得3－磷酸甘油酸的还原反应减弱，则消耗的NADPH和ATP量减少，所以NADPH和ATP剩余的量增多，所以突然中断CO2气体的供应，短时间内叶绿体中3－磷酸甘油酸的含量减少、RuBP的含量增多、ATP的含量增多。
4．（2014·新课标Ⅰ，2）正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是（ ）
A．O2的产生停止
B．CO2的固定加快
C．ATP/ADP比值下降
D．NADPH/NADP＋比值下降
答案 B
解析 正常生长的绿藻，照光培养一段时间，说明绿藻可以正常进行光合作用，用黑布遮光后，改变了绿藻光合作用的条件，此时光合作用的光反应停止，光反应的产物O2、ATP和NADPH停止产生，所以A、C、D项所叙述现象会发生；光照停止后，碳反应中3磷酸甘油酸还原受影响，RuBP减少，CO2的固定减慢，B项所叙述现象不会发生。
考点三 活动：
光合色素的提取与分离
1．实验原理
2．实验步骤
实验中的注意事项及操作目的
实验过程
操作过程
操作目的
提
取
色
素
①
选取新鲜绿色的叶片
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2～3mL95%的乙醇
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
盛放滤液的小试管口加棉塞
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
防止色素直接溶解到烧杯内的层析液中
问题探究
（1）分析滤纸条上色素带宽窄不同的原因。
提示 不同种类的色素在绿叶中的含量不同，含量多的色素带宽，反之色素带窄。
（2）分析并比较各种色素的含量及其在层析液中的溶解度的大小。
提示 ①色素含量：
叶绿素a＞叶绿素b＞叶黄素＞胡萝卜素。
②溶解度大小：
胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b。
（3）收集到的滤液绿色过浅的原因有哪些？
提示 ①未加二氧化硅（石英砂），研磨不充分。
②使用放置数天的菠菜叶，滤液中色素（叶绿素）太少。
③一次加入大量的95%的乙醇，提取浓度太低（正确做法：
分次加入少量95%的乙醇提取色素）。
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。
（4）滤纸条色素带重叠的原因是什么？
提示 滤纸条上的滤液细线未画成一条细线（或重复次数少）。
（5）滤纸条上得不到色素带的原因是什么？
提示 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。
题型一 实验基础
1.（2016·杭州七校联考）关于如图所示光合色素的提取与分离的实验结果，叙述正确的是（ ）
A．距滤液细线最近的色素带中不含镁元素
B．距滤液细线最远的色素带，主要吸收红光和蓝紫光
C．若实验过程中未添加碳酸钙，则离滤液细线较远的两条色素带会变窄
D．颜色为橙黄色的色素带中的色素在层析液中的溶解度最大
答案 D
解析 距滤液细线最近的色素带为叶绿素b，它与叶绿素a均含Mg2＋；距滤液细线最远的色素带为胡萝卜素，它主要吸收蓝紫光；碳酸钙主要保护的是叶绿素，故研磨时未加碳酸钙时可导致叶绿素含量变小，其相应色素带距滤液细线较近。
2．在做“光合色素的提取与分离”实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示（“＋”表示使用，“－”表示未使用），其余操作均正常，他们所得到的实验结果依次应为（ ）
试剂
甲
乙
丙
丁
95%的乙醇
－
＋
＋
＋
水
＋
－
－
－
CaCO3
＋
＋
－
＋
SiO2
＋
＋
＋
－
A．①②③④B．②④①③
C．④②③①D．③②①④
答案 B
解析 解答本题首先要知道表格中各种试剂的作用，然后再分析每位同学所加的试剂。
其中乙同学操作完全正确，其他同学与该同学进行对比，分析缺少的试剂并根据该试剂的作用分析可能出现的实验结果。
95%的乙醇为提取剂，色素提取过程不需要水，若加入水会使色素提取液颜色变浅；SiO2的作用是使研磨更充分；CaCO3能保护叶绿素分子。
甲同学由于没有加入提取剂95%的乙醇，所以提取液中不会出现色素，色素分离的结果是②；乙同学操作正确，色素分离后得到四条正常的色素带，与④情况相符；丙同学由于未加CaCO3，所以叶绿素含量减少，所得到的色素带中两条叶绿素带比正常的色素带要窄，对应①；丁同学由于未加SiO2，导致叶片研磨不充分，最终导致各种色素的含量均减少，对应③。
题型二 实验应用
3．如图表示某同学做“光合色素的提取与分离”实验的改进装置。
下列相关叙述错误的是（ ）
A．应向培养皿中倒入层析液
B．应将滤液滴在a处，而不能滴在b处
C．实验结果应是得到四个不同颜色的同心圆
D．实验得到的若干个同心圆中，最小的一个圆呈蓝绿色
答案 D
解析 层析液应倒入培养皿中，A正确；滤液应滴在a处，不能滴在b处，否则，色素全被溶解到层析液中，B正确；实验结果是得到四个不同颜色的同心圆，从外向内依次是橙黄色、黄色、蓝绿色、黄绿色，所以，最小的一个圆呈黄绿色，C正确、D错误。
4．中国的饮食讲究“色香味”，颜色会影响消费。
小李同学拟研发“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
―→
―→
―→
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：
（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）小李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。
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）对人体无害的有机溶剂（食用酒精） 叶绿素溶于有机溶剂和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
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，可利用教材实验的纸层析法。
做模拟 练预测
1．（2016·温州8月选考模拟）植物缺少哪一种无机盐，会明显影响光合作用对红光的吸收（ ）
A．碘B．镁C．钙D．氯
答案 B
解析 镁是合成叶绿素的原料，叶绿素的主要吸收光谱为蓝紫光和红光。
2．下列关于光合膜与光合色素的说法，正确的是（ ）
A．原核生物细胞中没有光合膜
B．含有光合色素的生物膜有类囊体膜、质膜和液泡膜
C．Mg是组成光合色素的必需元素
D．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
答案 D
解析 原核生物细胞中也有光合膜；质膜、液泡膜中不含光合色素；Mg是叶绿素的必需元素，胡萝卜素、叶黄素中不含Mg。
3．（2015·嘉兴期中）没有在光合作用碳反应中被消耗的物质是（ ）
A．NADPH和ATPB．CO2
C．酶D．三碳酸分子
答案 C
4．根据下面光合作用图解，判断下列说法正确的是（ ）
A．⑤过程发生于叶绿体基质中
B．⑥过程发生于叶绿体类囊体膜上
C．图示①～④依次为NADPH、ATP、CO2、三碳糖
D．②不仅用于还原三碳酸分子，还可促进③与RuBP的结合
答案 C
解析 根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥分别表示NADPH、ATP、CO2、三碳糖、光反应和碳反应。
光反应发生在叶绿体的类囊体膜上，碳反应发生在叶绿体的基质中。
三碳酸分子的还原过程中需要ATP，CO2固定过程中不需要ATP。
5．（2016·浙江4月选考）叶绿体中的色素、蛋白质等在某种膜上的分布及部分反应的示意图如下。
请回答下列问题：
（1）该膜是____________膜，其上含有色素和催化光反应的________。
光反应中，色素吸收的光能转换为ATP等物质中的________________。
（2）光反应的产物除图中所示的物质外，还有电子和________。
ATP为碳反应提供了能量和________。
（3）分离新鲜菠菜叶片中的光合色素时，应注意滤纸条上的滤液细线要高于________的液面。
滤纸条上最宽色素带中所含的色素是________。
答案
（1）类囊体 酶 化学能
（2）NADPH 磷酸基团
（3）层析液 叶绿素a
解析
（1）光反应的场所为叶绿体的类囊体膜，类囊体膜上含有各种光合色素和光反应所需的酶；色素吸收的光能通过光反应过程转移至ATP、NADPH等物质中以化学能形式贮存。
（2）光反应的产物包括O2、H＋、电子、ATP和NADPH等；ATP除为碳反应供能外，还可以在三碳酸分子被还原生成三碳糖的过程中提供磷酸基团。
（3）滤液细线不能浸没在层析液中，以免细线上所含的色素溶解在层析液中而无法沿着滤纸条向上扩散，从而无法分离形成不同的色素带；色素含量越多则色素带越宽，叶绿体中含量最多的色素为叶绿素a。
课时训练
一、选择题
[学考必做·演练]
1．（2016·湖州六校高二月考）对绿色植物光合作用最有效的一组光是（ ）
A．红光和蓝绿光B．黄光和蓝紫光
C．红光和橙光D．红光和蓝紫光
答案 D
解析 叶绿体类囊体膜上含有吸收光能的四种色素，其中叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光；胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
因此，对绿色植物光合作用最有效的一组光是红光和蓝紫光。
2．某班学生完成对新鲜菠菜叶进行光合色素的提取与分离实验时，由于各组操作不同，出现了以下四种不同的层析结果。
下列分析错误的是（ ）
A．甲可能是因为研磨时未加入SiO2
B．乙可能是因为研磨时未加入CaCO3
C．丙可能误用蒸馏水做提取液和层析液
D．丁是正确操作得到的理想结果
答案 D
解析 在光合色素的提取和分离实验中，SiO2可使菠菜叶研磨充分，CaCO3可防止叶绿素受到破坏，未加入SiO2和CaCO3时，会发生甲、乙图示的现象，A、B正确；丙图中色素含量基本为零，可能是误用蒸馏水做提取液和层析液的结果，C正确；丁图显示含量最高的是叶黄素，实际上正常绿色叶片中叶绿素a和叶绿素b含量多，D错误。
3．将可见光通过三棱镜后照射到绿色植物叶片的某种色素提取液上，可获得该吸收光谱（图中的数字表示光的波长，单位为nm，暗带表示溶液吸收该波长的光后形成的光谱）。
则该色素是（ ）
A．类胡萝卜素B．叶黄素
C．胡萝卜素D．叶绿素a
答案 D
解析 叶绿体中的色素包括叶绿素和类胡萝卜素。
其中，叶绿素包括叶绿素a和叶绿素b，主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素，主要吸收蓝紫光。
从图中可以看出，该色素主要吸收了红光和蓝紫光，所以该色素为叶绿素a。
4．（2016·杭州一模）植物叶肉细胞的部分代谢过程如图所示。
下列叙述正确的是（ ）
A．图中H＋通过主动转运从类囊体膜内运到膜外
B．通常，在光强
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