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第 5 课时 捕获光能的色素和结构及光合作用的原理
课标要求 1.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。2.活动：提取和分离绿叶中的色素。
考点一 捕获光能的色素
1．绿叶中色素的提取和分离
(1)实验原理
试剂 原理
提取 绿叶中的色素溶于 ，而不溶于水
各种色素在 中的 不同，溶解度高的随层析液在
分离
滤纸上扩散得 ，反之则慢
(2)实验步骤
(3)实验结果分析
色素种类 颜色 吸收光谱
类胡萝卜素(含量约占1/4) 橙黄色 主要吸收_______叶黄素
蓝绿色
叶绿素(含量约占3/4) 主要吸收________
叶绿素b
结果分析：
①色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有________色素。
②色素带的宽窄与色素含量有关，色素带越宽说明此种色素含量________。色素带最宽的是
____________，最窄的是________________，叶绿素b的色素带比叶黄素的稍宽。
③色素带扩散速度与________有关，扩散速度越快说明溶解度越________。
④相邻两条色素带之间距离最远的是__________________，最近的是______________。
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________，而对红外光和紫外光等不吸收。
(2)叶绿素对________________的吸收量大，类胡萝卜素对________的吸收量大，对其他波
段的光并非不吸收，只是吸收量较少。
源于必修1 P “图5－12”“旁栏思考”
99
(1)从叶绿素吸收光谱图可知：叶绿素a在红光部分的吸收带较叶绿素b偏向长波方面，且吸
收光谱带比叶绿素b宽，叶绿素b在蓝紫光部分的吸收光谱带比叶绿素a________(填“宽”
或“窄”)。
(2)研究表明：在遮光条件下，以蓝紫光为主的散光占比增加。请预测：在适当遮光的条件
下叶片(比如同一植物底层叶片)中叶绿素a/b________，弱光下的吸光能力________，有利
于提高植物的捕光能力，是对弱光环境的一种适应。
(3)植物工厂里为什么不用发绿光的光源？
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________1．海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致
依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗？
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
2．温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充什么颜色的光源？
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
1．下列关于植物细胞中光合色素的说法，正确的是( )
A．光合色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上
B．Mg是构成叶绿素所必需的微量元素
C．叶绿素对绿光吸收最多，所以叶片呈绿色
D．用纸层析法分离色素时，含量多的色素在滤纸上扩散快
2．(2020·江苏，6)采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验，下列叙述错误
的是( )
A．提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂
B．研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏
C．研磨时添加石英砂有助于色素提取
D．画滤液细线时应尽量减少样液扩散
归纳总结 实验出现异常现象的原因分析
异常现象 原因分析
①未加二氧化硅，研磨不充分；
②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少；
收集到的滤
③一次加入大量的无水乙醇，提取液浓度太低(正确做法：分次加
液绿色过浅
入少量无水乙醇)；
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏
滤纸条色 ①滤液细线不直；
素带重叠 ②滤液细线过粗
①忘记画滤液细线；
滤纸条无
②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
色素带
中考点二 叶绿体的结构和功能
1．叶绿体的结构和功能
(1)叶绿体立体结构
光合色素分布于________________上。光合作用的酶分布于________________________。
(2)叶绿体的功能：进行光合作用的场所。
(3)叶绿体中色素的功能：________、________、________光能。
2．叶绿体功能的实验验证
(1)资料1：(必修1 P )
100
①实验者：德国科学家________________。
②实验结论
a．叶绿体能________用于光合作用放________。
b．叶绿体主要吸收______________________________________________。
(2)资料2(必修1 P )：在叶绿体的类囊体膜上和基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。
101
该资料说明光合作用的有关生化反应在________中进行。
(3)总结：在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的________________，在
________________________________ 中 ， 还 有 许 多 进 行 光 合 作 用 所 必 需 的 酶 。
______________是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
1．恩格尔曼实验设计的巧妙之处
(1)实验材料用__________________________，水绵的叶绿体呈________________分布，便
于观察，用需氧细菌可确定__________________的部位。
(2)没有空气的黑暗环境排除了____________的干扰。
(3)用极细的光束照射，叶绿体上可分为______和________的部位，相当于一组对比实验。
(4)临时装片局部曝光与完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。
2．一般植物的叶片在春夏季节为绿色，而在秋季呈现黄色。出现这一现象的原因是什么？
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3．下列关于叶绿体的叙述，正确的是( )
A．叶绿体的外膜、内膜极大地扩展了受光面积
B．类囊体薄膜中的酶可催化CO 的固定和还原
2
C．类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光
D．叶绿体基质中NADP＋能形成NADPH
4．光合作用的原理是很多科学家通过实验发现的，光合作用探索历程中的部分经典实验的
分析及拓展如图1、2所示。下列相关叙述正确的是( )
A．图1所示实验的目的是探究光合产物中O 的来源，其中乙组为对照组
2
B．卡尔文探究暗反应的过程与图1所示的实验均采用了同位素示踪法
C．图2所示实验中需氧细菌主要分布于接受光照的水绵细胞各个部位
D．图2所示实验需要把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在含有空气的黑暗环境中
考点三 光合作用的原理
1．探索光合作用原理的部分实验
年份 科学家 发现
普遍认为，在光合作用中，CO 分子的C和O被
2
19世纪末 — 分开，O 被释放，C与HO结合成甲醛，然后甲
2 2
醛分子缩合成糖
发现 对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过
1928 —
________转化成糖
发现 ，即离体叶绿体在适当条件下发生
1937 英国植物学家希尔
水的光解、产生氧气的化学反应
用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气来
1941 美国科学家鲁宾和卡门 源于HO：
2
H18O＋CO→植物→18O；
2 2 2HO＋C18O→植物→O
2 2 2
发现在光照下，叶绿体可合成 。1957年，
1954 美国科学家______
他发现该过程总是与 相伴随
2.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________，将________________转化成
储存着能量的________，并且释放出________的过程。
(2)反应式：CO＋HO――→(CHO)＋O
2 2 2 2
3．光合作用的过程
项目 光反应 暗反应
过程模型
实质 光能转换为化学能，并放出O 同化CO 形成有机物
2 2
时间 ，以微秒计 较_____
色素、光、酶、水、ADP、NADP＋、 多 种 酶 、 ATP 、 NADPH 、
条件
Pi，必须有光 CO、C ，有无光均可
2 5
场所 在叶绿体内的 上进行 在叶绿体 中进行
①CO 的固定：
①水的光解： 2
__________________；
_______________________；
②C 的还原：
②ATP的合成： 3
物质转化
________________________；
③NADPH的合成：
注：NADPH 为 C 还原提供还
3
NADP＋＋H＋――→NADPH
原剂和能量。
ATP和NADPH中活跃的化学能
能量转化 光能→______________________
→_____________________
在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体薄膜上的色素捕获后，将水分解为
_________ 等 ， 形 成 ， 于 是 光 能 转 化 成
关系 __________________；____________驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，
将CO 转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量转
2
化与物质变化密不可分
(1)源于必修1 P “相关信息”：________是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸，________
104是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)。
(2)源于必修1 P “相关信息”：光合作用的产物有一部分是________，还有一部分是蔗糖。
104
蔗糖可以进入________，再通过韧皮部运输到植株各处。
(3)源于必修1 P 正文拓展：光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO ，一定时间后杀死小
104 2
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CO 转化成的第一个产物，可
2
能 的 实 验 思 路 是
___________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
(4)源于必修1 P “小字部分”：光合作用和化能合成作用的比较
106
项目 光合作用 化能合成作用
条件 光、色素、酶 酶
原料 CO 和HO等无机物
2 2
产物 等有机物
能量来源 某些无机物氧化时释放的能量
生物种类 绿色植物、蓝细菌等 、硫细菌等
4.环境改变时光合作用各物质含量的变化
(1)“过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO 的固定，Ⅲ表示C 的还原，当外界条件(如光照、CO)突
2 3 2
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C 和C 等物质含量变化
3 55．光合作用的意义
太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。________________是唯一能
够捕获和转化光能的生物学途径。
“二氧化碳人工合成淀粉”入选2021年度中国生命科学十大进展，中科院研究人员受
到了自然光合作用的启发，在太阳能分解水的技术上，开发出了高效的化学催化剂，再利用
“光能→电能→化学能”的能量转变方式，将二氧化碳固定还原成了更容易溶于水的甲醇等
一碳化合物(C )。在这个步骤中，光能的能量转化效率超过10%，远超自然光合作用的能量
1
利用效率(2%)。完整的人造淀粉合成代谢路线(ASAP)如图所示：
1．图示模拟的是光合作用的什么过程？人工合成淀粉过程和自然光合作用下关于二氧化碳
的固定是否相同，为什么？
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
2．图中显示CO 还原需要人工提供的能量来自________________。植物叶肉细胞中碳的还
2
原所需要能量由________________提供。
3．在与植物光合作用固定的CO 量相等的情况下，人工合成淀粉过程中糖类的积累量等于
2
植物吗？为什么？
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
4．从生态环境的角度阐述人工合成淀粉的意义。
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________5．(2023·河北张家口高三模拟)1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究
了光合作用中产生的氧气的来源，实验部分过程及结果如右图所示。下列叙述正确的是(
)
A．18O不具有放射性，是稳定的同位素，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H18O换成HO，CO 换成C18O，其余不变
2 2 2 2
C．该实验的预期结论是光合作用产生的O 中的氧部分来自水
2
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
6．科学家在我国腾冲热泉中分离得到硫细菌，这些细菌通过氧化硫化物和还原 CO 来制造
2
有机物。下列关于硫细菌的叙述，错误的是( )
A．硫细菌和硝化细菌的同化作用类型均为自养型
B．硫细菌能利用化学能将CO 和水合成糖类
2
C．硫细菌拟核中含有环状DNA
D．硫细菌的生物膜系统实现细胞的区室化和功能专一化
1．(2019·江苏，17)如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果，样品分别为新鲜菠菜叶和
一种蓝细菌经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是( )
A．研磨时加入CaCO 过量会破坏叶绿素
3
B．层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液
C．在敞开的烧杯中进行层析时，需通风操作
D．实验验证了该种蓝细菌没有叶绿素b
2．(2019·海南，9)下列关于高等植物光合作用的叙述，错误的是( )
A．光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能
B．红光照射时，胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素a
C．光反应中，将光能转变为化学能需要有ADP的参与D．红光照射时，叶绿素b吸收的光能可用于光合作用
3．(2021·江苏，20)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图表示叶肉细胞中部分代谢
途径，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”，请据图回答下列问题：
(1)叶绿体在___________上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是____________。
(2)光合作用时，CO 与C 结合产生三碳化合物，继而还原成三碳糖(C )，为维持光合作用持
2 5 3
续进行，部分新合成的C 必须用于再生________；运到细胞质基质中的C 可合成蔗糖，运
3 3
出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了__________个CO 分子。
2
(3)在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酸乙酸/苹果
酸穿梭可有效地将光照产生的__________中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为
________中的化学能。
(4)为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法是：
取培养10～14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物
进入叶片。光照培养后，测定并计算光合放氧速率(单位为μmolO·mg－1chl·h－1，chl为叶绿
2
素)。请完成下表。
实验步骤的目的 简要操作过程
寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 浓度母液，并用丙酮稀释成不同药物浓
度，用于加入水中
①__________________________________
设置寡霉素为单一变量的对照组
________
②__________________________________
对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
____________
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③__________________________________ 称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取
____________ 上清液测定
4.(2020·江苏·27)大豆与根瘤菌是互利共生关系，下图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的
代谢、运输途径，请据图回答下列问题：(1)在叶绿体中，光合色素分布在____________上；在酶催化下直接参与CO 固定的化学物
2
质是HO和________。
2
(2)上图所示的代谢途径中，催化固定 CO 形成 3－磷酸甘油酸(PGA)的酶在
2
________________中，PGA还原成磷酸丙糖(TP)运出叶绿体后合成蔗糖，催化TP合成蔗糖
的酶存在于____________。
(3)根瘤菌固氮产生的NH 可用于氨基酸的合成，氨基酸合成蛋白质时，通过脱水缩合形成
3
____________键。
(4)CO 和N 的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来自________；根瘤中
2 2
合成ATP的能量主要源于________的分解。
(5)蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物，与葡萄糖相比，以蔗糖作为运输物质的优
点是____________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
1．判断关于捕获光能的色素和结构的叙述
(1)叶片在640～660 nm波长光下释放O 是由叶绿素参与光合作用引起的( )
2
(2)用纸层析法分离色素后得到的色素带的宽度，反映了色素在层析液中溶解度的大小( )
(3)实验中对研磨液过滤时，采用滤纸过滤，实验效果更好( )
(4)叶绿体中类囊体堆叠可以增大CO 固定和C 还原场所的面积( )
2 3
(5)散布在细胞质基质中的叶绿体，其形态和分布是静止不动的( )
2．判断关于光合作用的过程的叙述
(1)植物细胞产生的O 只能来自光合作用( )
2
(2)希尔反应与CO 合成有机物的过程是两个过程( )
2
(3)鲁宾和卡门设计对比实验证明了光合作用释放的氧气来自水( )
(4)阿尔农发现光合作用中叶绿体合成ATP总是与水的光解相伴随( )
(5)C是组成糖类的基本元素，在光合作用中C从CO 开始先后经C 、C 最后形成糖类( )
2 3 5
(6)光合作用暗反应阶段既不消耗HО也不产生HO ( )
2 2
(7)硝化细菌可将环境中的NH 氧化释放的能量直接用于自身各项生命活动( )
3
3．填空默写(1)(必修 1 P )绿叶中的色素有 4 种，它们可以归为两大类：________(含量约占 3/4)和
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__________( 含 量 约 占 1/4) ， 其 中 前 者 包 含 ________________( 蓝 绿 色 ) 和
________________(黄绿色)。后者包含________________(橙黄色)和________(黄色)。
(2)(必修1 P )叶绿素a和叶绿素b主要吸收________________，胡萝卜素和叶黄素主要吸收
99
________。
(3)(必修1 P )叶绿体是________________的场所。在它内部巨大的膜表面上，分布着许多
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吸收光能的________________，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必
需的________。
(4)请根据光合作用的基本过程，填充下图：
(5)请写出光合作用的反应式(产物为C H O)：______________________________。
6 12 6
