浙科版高中生物必修1分子与细胞第三章细胞的代谢课时PPT课件

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第五节　光合作用将光能转化为化学能素养导学内容梳理随堂检测概念突破素养导学内容梳理1.光合作用在叶绿体中进行(1)光合作用的概念和总反应式①概念:光合作用指绿色植物(和蓝细菌)以二氧化碳和水为原料,利用 合成糖类等有机物,并且释放 的过程。光能氧气(2)叶绿体的结构与功能①结构模式图碳反应决定基粒③功能:进行 的场所。光合作用(3)光合色素的提取与分离①实验原理a.提取色素:光合色素是一类 物质,可以利用脂溶剂将它们从叶绿体中提取出来,本实验采用 进行提取。b.分离叶绿体中色素:各种色素在 中的溶解度不同, 高的随层析液在滤纸上扩散的速度快,反之则速度 ,因而色素会随着层析液在滤纸上扩散而分离开。脂溶性95%的酒精层析液溶解度慢②实验步骤a.叶片处理:将新鲜菠菜叶放入 的烘箱中烘干;粉碎后取2 g干粉放入研钵中,加入少许 和碳酸钙,再加入2～3 mL ;充分、迅速研磨成 。 40～50 ℃二氧化硅95%的酒精匀浆b.匀浆过滤。c.制备滤纸条:将一张预先 的定性滤纸剪成长 10 cm、宽1 cm的滤纸条,再将滤纸条一端剪去两角,并在距这一端底部1 cm处用 画一条细的横线。d.点样:用毛细吸管吸取少量滤液,沿 画的横线均匀地画出一条细而直的滤液细线。待 再画一次,共画3～4次。e.分离叶绿体中的色素:注意滤纸上的滤液细线要高于 液面。f.观察实验结果。干燥过铅笔铅笔滤液干后层析液2.光反应将光能转化为化学能,并产生氧气(1)场所:叶绿体 —光合膜中。类囊体膜(2)物质变化①水光解:水在光下裂解为 和O2。H+、 e- ③NADPH合成: 将NADP+还原为NADPH。3.碳反应将二氧化碳还原成糖(1)场所:叶绿体 中。H+和e-基质(2)物质变化①CO2被固定:1个CO2分子和 结合→形成1个六碳分子→分解成2个 。②三碳酸被还原:三碳酸分子接受来自NADPH的 和来自ATP的能量→被还原成 (CO2分子进入卡尔文循环后形成的第一个糖)。③再生五碳糖:三碳糖形成后,卡尔文循环中的许多反应,都是为了 . ,以保证此循环不断进行。(3)能量变化ATP和NADPH中的化学能转变为 中的化学能,三碳糖作为原料用于淀粉、 和 的合成,但大部分三碳糖被运至 外,转变成 供植物体所有细胞利用。五碳糖三碳酸分子氢三碳糖再生五碳糖糖分子蛋白质脂质叶绿体蔗糖4.光合作用受环境因素的影响(1)光合速率(又称光合强度)①含义: 的植物(如一定的叶面积)在 内进行的光合作用(如释放多少氧气、消耗多少二氧化碳)。②表示方法:产生氧气量/单位时间或 /单位时间。③表观光合速率:光照条件下测得的CO2吸收量是植物从 吸收的CO2总量。④真正光合速率:光照条件下,植物从 吸收的CO2量, 细胞呼吸释放的CO2的量。一定量单位时间消耗二氧化碳量 外界环境外界环境中加上(2)环境因素对光合速率的影响增加最适加快下降加快1%概念突破概念一　光合作用在叶绿体中进行[概念情境]以下为人们对光合作用探索历程中的经典实验。资料1:1864年,德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时,然后把此叶片一半遮光,另一半曝光。经过一段时间后,用碘蒸气处理叶片,成功地证明绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。资料2:20世纪40年代,美国科学家鲁宾和卡门利用氧的同位素18O,分别标记水和二氧化碳,使它们分别成为O和C18O2,然后进行如图所示的两组光合作用实验(容器中为一种低等绿色植物——小球藻悬液,将容器置于光照条件下)。资料3:1881年,德国科学家恩格尔曼用水绵进行了光合作用的实验:把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境里,然后用极细的光束照射水绵,通过显微镜观察发现,需氧细菌向叶绿体被光束照射到的部位集中;如果上述临时装片完全暴露在光下,需氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围。请根据资料中的信息,思考以下问题。(1)资料1中,萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时,目的是什么?最终他会检测到怎样的实验结果?提示:将绿色叶片放在暗处几小时的目的是将叶片中原有的淀粉消耗掉,排除原有淀粉对实验结果的影响。萨克斯通过实验发现遮光的一半叶片不变蓝,曝光的一半叶片变蓝。(2)资料2中,采用的研究方法是什么?该实验可以证明什么?提示:同位素示踪法。该实验证明光合作用过程中释放的氧气中的氧原子来自反应物H2O而不是CO2。(3)资料3中,恩格尔曼的实验说明光合作用的场所是什么?需氧细菌聚集的原因是什么?提示:叶绿体。在光的照射下,叶绿体通过光合作用释放O2,需氧细菌聚集在叶绿体周围获取O2。(4)若提取叶绿体中的色素,你认为应选用什么材料比较合适?提示:选择新鲜的绿色叶片,如新鲜的菠菜叶。突破点1 光合作用的概述[典例1] 下列关于光合作用的叙述,哪一项不正确(　 　)A.把二氧化碳和水转变成有机物B.把光能转变成化学能C.全过程都必须在光下进行D.有氧气放出C解析:光合作用通常是指绿色植物通过叶绿体利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并释放出氧气的过程;光合作用吸收光能,并将其转化成化学能储存在有机物中;光合作用的光反应必须在光下进行,但碳反应在有光无光条件下都能进行;光合作用吸收二氧化碳,释放出氧气。[技巧总结] “一·二·三·四”法巧记光合作用基本知识突破点2 光合色素的提取与分离[典例2] 下列有关利用菠菜叶进行叶绿体中色素的提取和分离实验的叙述中,正确的是(　 　)A.研磨后要及时加入碳酸钙以防止叶绿素被破坏B.此实验可确定叶绿体中色素的种类和细胞中各种色素的颜色C.从新鲜的菠菜叶中提取到的滤液在光照下是无法进行光反应的D.胡萝卜素在滤纸条的最上方,是因为其在提取液中的溶解度最高C解析:利用菠菜叶进行叶绿体中色素的提取和分离实验,研磨前就要加入碳酸钙以防止叶绿素被破坏;此实验只能确定叶绿体中色素的种类和颜色,不能确定液泡中色素的颜色;从新鲜的菠菜叶中提取到的滤液在光照下是无法进行光反应的,因为没有相应的膜结构;胡萝卜素在滤纸条的最上方,是因为其在层析液中的溶解度最高。(1)叶绿体色素的种类、颜色及吸收光谱知识储备(2)实验中的注意事项及操作目的概念二　光反应将光能转化为化学能,并产生氧气[概念情境]某兴趣小组用某植物及其分离的叶绿体进行下列实验:实验1:先将叶绿体浸泡在pH为4的培养液中,使类囊体空腔中的pH为4,然后将此叶绿体迅速转移到pH为8的培养液中,遮光一段时间,测得培养液中有ATP合成。实验2:将类囊体浸泡在pH为7的培养液中,使类囊体空腔中的pH为7,光照一段时间。测得培养液中有ATP合成。请思考并回答以下问题。(1)实验1中,叶绿体为什么在黑暗条件下能够生成ATP?提示:叶绿体浸泡在pH为4的培养液中,类囊体中的pH下降,H+浓度升高,将其置于pH为8的培养液中,即外界溶液中H+浓度低,类囊体与外界产生H+浓度差,促进ADP合成ATP。(2)若出现实验1的结果,培养液中应至少含有什么成分?提示:培养液中应至少含有酶、ADP、Pi等成分。(3)实验2中,为什么未进行培养液的转移,也可生成ATP?提示:光照促使类囊体发生光反应,造成类囊体中H+浓度升高,形成类囊体与外界的H+浓度差,促使ATP合成。(4)实验1与实验2是否均有氧气产生?试分析原因。提示:实验1无氧气产生,因为实验1中仅是通过将类囊体置于不同pH溶液中,构建类囊体与外界的H+浓度差,促使ATP合成,未进行完整的光反应过程;实验2中,进行了光反应过程,能够检测到氧气的产生。突破点 光反应的过程及能量变化[典例] 如图所示为光合作用的部分代谢过程,图中A、B、M分别表示三种物质,请回答下列问题。解析:(1)光合色素存在于题图中的类囊体膜中,其中呈黄色、橙色、红色的色素合称为类胡萝卜素。(2)题图中水裂解产生O2、H+、e-。据图分析,膜蛋白具有控制物质进出和催化功能。(3)题图中M代表NADP+,NADPH和ATP分别为碳反应中三碳酸的还原提供了氢和能量。(1)光合色素存在于图中的　　　　 上,其中呈黄色、橙色、红色的色素合称为　　　　 　　。 (2)图中水裂解产生　　　 　。据图分析,膜蛋白具有　　　　　功能。 (3)图中M代表　　　 　　　,NADPH和ATP分别为碳反应中三碳酸的还原提供了　　　　　　。 答案:(1)类囊体膜　类胡萝卜素　(2)O2、H+、e-　控制物体进出和催化 (3)NADP+　氢和能量[概念误区] 对光反应认识的3个误区(1)光合作用中光反应和碳反应不是独立的,而是息息相关的两个过程,没有光反应,碳反应无法长时间进行;同时碳反应也会影响光反应。(2)光合作用的场所在真核生物体中一定为叶绿体,在原核生物体中为细胞膜。(3)光合作用过程中,ATP提供能量,NADPH既是氢的载体,又提供氢。概念三　碳反应将二氧化碳还原成糖[概念情境]思考以下2个问题。(1)在无光条件下,碳反应能否长期进行?提示:不能。因为在无光条件下,光反应不能进行,当光反应的产物ATP和NADPH不能满足碳反应的需求时,碳反应将停止。(2)分析光反应、碳反应的过程。若突然停止光照,短时间内叶绿体中三碳酸和五碳糖的相对含量会发生怎样的变化?提示:突然停止光照,NADPH和ATP不再产生,三碳酸还原减弱直至停止,但CO2的固定仍在进行,故三碳酸含量升高,五碳糖含量下降。突破点1 碳反应的过程及能量变化[典例1] 卡尔文用以14C标记的14CO2供小球藻进行光合作用,最终探明了CO2中的碳在光合作用中的转化过程,即卡尔文循环,如图所示。下列说法错误的是(　 　)A.图示过程将光能转变成ATP中活跃的化学能B.图示中的a为光反应产生的ATP和NADPHC.14CO2中的碳原子经光合作用转移到b物质中D.卡尔文循环发生在小球藻的叶绿体基质中A解析:图示过程将ATP中活跃的化学能转变为稳定的化学能储存在有机物中,光反应阶段将光能转变成ATP中活跃的化学能;图示中的a是光反应产生的ATP和 NADPH,为碳反应提供能量和还原剂;14CO2中的碳原子经光合作用转移到b物质中,即14CO2→14C3→(14CH2O);卡尔文循环发生在小球藻的叶绿体基质中。解析:(1)据题图分析可知,Ⅰ表示叶绿体的类囊体,类囊体膜上含有与光合作用有关的色素,这些色素中叶绿素a和叶绿素b含有镁元素。突破点2 光反应与碳反应综合比较[典例2] 如图是光合作用中光反应和碳反应的示意图,Ⅰ、Ⅱ表示叶绿体内的结构,①、②、③、④表示物质。请回答下列问题。(1)Ⅰ的名称是　　　　　　,其膜上含镁的色素有　　　　　　　　。 答案:(1)类囊体(基粒)　叶绿素a和叶绿素b解析:(2)在光照下,光反应中水裂解为O2、H+和e-(电子),①NADP+ 被还原为②NADPH。碳反应中②NADPH将三碳酸还原为④三碳糖,该过程中伴随着化学能的储存。(2)在光照下,水裂解为O2、　　　　　　　　,①被还原为②　　　　。卡尔文循环中②将三碳酸还原为④　　　　,此过程中还伴随着　　　 　的储存。 (3)在供给C18O2较短时间后,除糖类物质以外,另一种光合产物　　　　中也应当能够检测到18O。 答案:(2)H+和e-(电子)　NADPH　三碳糖　化学能 (3)H2O光反应和碳反应的比较知识储备突破点3 外界因素改变,光反应与碳反应中物质含量变化[典例3] 如图表示光强度和CO2浓度对某植物光合速率的影响。下列有关叙述错误的是(　 　)A.曲线中a点转向b点时,叶绿体中三碳酸浓度降低B.曲线中d点转向b点时,叶绿体中五碳糖浓度升高C.ab段影响光合速率的主要因素是光强度D.bc段影响光合速率的限制性因素可能是温度等其他条件B解析:曲线中a点转向b点时,光强度增强,光反应产生的NADPH和ATP增加,促进碳反应中的三碳酸的还原,叶绿体中三碳酸浓度降低;曲线中d点转向b点时,CO2浓度增加,CO2用于碳反应中和五碳糖固定生成三碳酸,因此叶绿体中五碳糖浓度降低,三碳酸浓度增加;ab段光合速率未达到最高点,主要受横坐标光照强度影响;bc段影响光合速率的限制性因素可能是温度等其他条件,与横坐标所示的影响因素无关。外界环境因素改变时,光合作用相关物质变化情况(1)当CO2供应不变,光强度发生变化时知识储备(2)当光强度不变,CO2供应发生变化时概念四　光合作用受环境因素的影响[概念情境]为了探究环境因素对光合作用强度的影响,某兴趣小组按如下步骤进行了实验:①取长势一致的菠菜绿叶,用打孔器打出30个直径为 1 cm 的圆形叶片(避开大的叶脉)。②取3只小烧杯并编号,分别加入20 mL适宜浓度的NaHCO3溶液,向3只小烧杯中各放入10片圆形叶片,观察到叶片均浮在液面上。③将3只小烧杯中的圆形叶片取出,用真空泵抽去叶肉细胞间隙中的气体后放回小烧杯中,观察到叶片均下沉到烧杯底部。④将3只小烧杯分别放到距离台灯(40W)10 cm、20 cm、30 cm处,观察并记录同一时间内3只小烧杯中圆形叶片上浮的情况。请思考以下问题。(1)本实验中该兴趣小组欲探究何种因素对光合速率的影响?提示:光强度。烧杯与台灯的距离体现了光强度对叶片光合速率的影响。(2)在实验的步骤②中,向小烧杯中加入20 mL适宜浓度的NaHCO3溶液的目的是什么?提示:维持装置中的CO2浓度的恒定。(3)步骤③为何将圆形叶片中的气体抽出?提示:防止圆形叶片中含有的气体干扰实验结果。(4)本实验中该兴趣小组选择以“小烧杯中圆形叶片上浮的情况”作为因变量的观察指标,你认为可行吗?请说出原因。提示:可行。原因是圆形叶片进行光合作用,产生氧气,使叶片浮起。(5)若该小组在原有实验的基础上再增加分别距离台灯40 cm、50 cm、60 cm的3个实验组,其他条件不变,重复上述步骤,你认为会出现什么结果?若在某个距离下,达到光补偿点,那圆形叶片又有什么表现?提示:随着小烧杯与台灯距离的增加,圆形叶片上浮的数量减少。达到光补偿点,即圆形叶片的光合速率等于呼吸速率,该组的圆形叶片均不上浮。突破点1 表观光合速率与真正光合速率的分析[典例1] 以测定的CO2吸收量与释放量为指标,研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响,结果如图所示。下列分析正确的是(　 　)A.光照相同时间,35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃时相等B.光照相同时间,在20 ℃条件下植物积累的有机物的量最多C.光合作用的最适温度是25 ℃D.光照相同时间,35 ℃时与30 ℃时植物生长速率相等A解析:光合作用制造的有机物的量=净光合作用量+呼吸作用量,因此题图中35 ℃与30 ℃时光合作用制造的有机物的量相等,都是6.5 mg·h-1;光照相同时间,25 ℃时植物积累的有机物的量最多;25 ℃、30 ℃、35 ℃时植物光合作用制造的有机物的量分别为6 mg·h-1、6.5 mg·h-1、6.5 mg·h-1,故光合作用的最适温度介于30 ℃到35 ℃之间;光照相同时间,植物的生长速率取决于植物的净光合速率,由题图可知,30 ℃时植物生长速率大于35 ℃时。真正光合速率和表观光合速率分析(1)真正光合速率和表观光合速率的曲线表述真正光合速率和表观光合速率的曲线相互平行,两者的差值是呼吸速率。知识储备表观光合速率+呼吸速率=真正光合速率。(2)光合速率变化曲线中各点的含义①A点,光强度为0,此时植物没有光合作用,只有细胞呼吸,A点在y轴上的绝对值就是呼吸速率。②B点,光合速率等于呼吸速率。B点在x轴上的值就是光补偿点。光补偿点是真正光合速率等于呼吸速率时的光强度。如果植物长期处于B点,没有有机物积累,则植物不能生长。③A～B点之间,植物理论上不需要从外界吸收CO2,因为细胞呼吸产生的CO2足够满足光合作用对CO2的需求。C点在x轴上的值(D点)就是光饱和点。光强度增加到光饱和点以后,光合速率不再随光强度的增加而增加。④任何一点如E点在y轴上的值是表观光合速率,呼吸速率是曲线与y轴交点即A点的绝对值,真正光合速率是E点与A点在y轴上的绝对值之和。(3)表观光合速率、真正光合速率及呼吸速率的常见表示方法突破点2 影响光合速率的环境因素[典例2] 如图分别表示两个自变量对光合速率的影响情况,除各图中所示因素外,其他因素均控制在最适范围。下列分析不正确的是(　 　)A.甲图中a点的内在限制因素可能是叶绿体中酶的数量或色素的数量不足B.乙图中d点与c点相比,相同时间内叶肉细胞中三碳糖与五碳糖的生成量都多C.丙图中,随着温度的升高,曲线走势将稳定不变D.图中M、N点的限制因素是光强度,P点的限制因素是温度C解析:从甲图中可以看出,a点之后随着光强度的增加,光合速率不变,此时限制光合速率增加的内部因素可能是酶的数量或色素的数量不足;乙图中d点与c点相比,光强度增加,光反应产生的ATP和NADPH增加,因此相同时间内叶肉细胞中三碳糖与五碳糖的生成量都多;丙图中,随着温度的升高,曲线走势有可能下降,因为超过最适温度,酶的活性降低甚至失活;图中M、N点的限制因素是光强度,P点的限制因素是温度。综合分析各种因素对光合速率的影响(1)单因素对光合速率的影响①光强度对光合速率的影响在其他条件都适宜的情况下,在一定范围内,光合速率随光强度增加而增加。当光强度达到某一值时,光合速率不再随光强度增加而增加,这种现象叫光饱和现象。达到光饱和时的最低光强度为光饱和点。形成光饱和的主要原因是光合速率受到碳反应所需的CO2浓度的限制,其次也可能是受到色素或酶等内部因素的限制。知识储备②温度对光合速率的影响光合作用有一个最适温度,光合作用有关酶的最适温度往往比呼吸有关酶的最适温度要低。如温带植物光合酶的最适温度为25 ℃左右,而呼吸酶的最适温度为30 ℃左右。当温度过高时,光合酶的活性下降,气孔关闭,类囊体膜结构遭到破坏。③CO2浓度对光合速率的影响空气中CO2含量一般为330 mg/L左右(约0.03%),与植物光合作用所需最适浓度(约1 000 mg/L,约 0.1%)相差太远。所以,提高CO2浓度会使光合速率明显增加。(2)多因素对光合速率的影响曲线解读:P点:限制光合速率的因素为横坐标所表示的因素,随着该因素的不断加强,光合速率不断提高。Q点:横坐标所表示的因素不再影响光合速率,要想提高光合速率,可适当提高图中的其他因素。突破点3 探究环境因素对光合速率的影响[典例3] 利用如图所示的实验装置进行与光合作用有关的实验,一定量的金鱼藻和一定量的碳酸氢钠溶液,下列叙述正确的是(　 　)A.试管中收集的气体量代表了光合作用产生的氧气量B.在光下,如果有气泡产生,可说明光合作用产生氧气C.为了探究二氧化碳浓度对光合作用的影响,可以用不同浓度的碳酸氢钠溶液进行实验D.为了探究光强度对光合作用的影响,用一套装置慢慢向光源靠近,观察气泡产生速率的变化C解析:试管中收集的气体量代表了净光合作用产生的氧气量,即光合作用氧气产生量和呼吸作用氧气消耗量的差值;如果光照在光补偿点以下,可放出CO2也会产生气泡;为了探究二氧化碳浓度对光合作用的影响,自变量为二氧化碳浓度,因此可以用不同浓度的碳酸氢钠溶液进行实验;为了探究光强度对光合作用的影响,应该选用多套装置设置不同的距离,观察气泡产生的速率。探究环境因素对光合作用影响的变量设置及检测知识储备突破点4 密闭容器中的气体变化分析[典例4] 某生物研究小组在密闭恒温玻璃温室内进行植物栽培实验,连续48h测定温室内CO2浓度及植物CO2吸收速率,得到如图所示曲线(整个过程呼吸速率恒定),据图分析正确的是(　 　)CA.图中植物呼吸速率与光合速率相等的时间点有3个B.绿色植物吸收CO2速率达到最大的时刻是第45hC.实验过程中的前24h比后24h的平均光强度低D.实验全过程中叶肉细胞内产生ATP的场所是线粒体和叶绿体解析:题图中下方曲线是在恒温密闭环境中测得的二氧化碳吸收速率,当吸收速率为零时,表示植物不从外界吸收二氧化碳,此时光合作用所需的所有二氧化碳全由呼吸作用提供,即此时呼吸速率与光合速率相等。根据图解可知,呼吸速率与光合速率相等的点有4个,分别在第6、18、30、42h;据曲线分析,CO2吸收速率最大时对应的时间是第36h;由曲线图可知,前24h比后24h的平均CO2吸收速率低,因此前24h比后24h的平均光强度低;实验全过程中叶肉细胞内产生ATP的场所包括细胞溶胶、线粒体和叶绿体。密闭容器中气体变化分析知识储备说明:此类图示中,曲线拐点表示光合速率=呼吸速率,如图1中的d、e点和图2中的f、g点;纵轴为CO2含量时,终点高于起点(N>M),有机物的消耗大于制造,反之(NM),有机物的制造大于消耗,植株能够生长,反之(N