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第16讲 光合作用与能量转化
考点一 绿叶中色素的提取和分离
一、【实验】绿叶中色素的提取和分离
1．提取绿叶中的色素原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂 无水乙醇 ( 体积分数 100 %
酒精 )中。
2．分离绿叶中的色素原理：不同色素在 层析液 中的溶解度不同， 溶解度高 的随
层析液在滤纸上扩散的快，反之则慢，这样，色素就会随着 层析液 在滤纸上的扩散而
分离开。
3.分离方法： 纸层析法 。
4.实验流程
步骤 操作要点 说明
①无水乙醇：作为 提取液 ，可溶解绿叶
提取 研磨 中的色素
色素 ②SiO： 使研磨更充分
2
过滤 研磨后用单层尼龙布过滤 ③CaCO：防止研磨时 叶绿素 受到破坏
3
剪去两角的滤纸条一端1 cm 剪去两角以保证色素在滤纸上扩散 均
制备滤纸条
处用铅笔画一条细线 匀、整齐 ，否则会形成弧形色素带
①滤液细线要 细、直
用毛细吸管吸取色素滤液，沿
②干燥后重复画一两次， 使滤液细线既
画滤液细线 铅笔线均匀画一条滤液细线，
有较多的色素，又使各色素扩散的起点相
待滤液干后再画一两次
同
将适量层析液倒入试管→插入
色素分离
滤纸条→棉塞塞紧试管口
色素 色素 扩散
色素种类 溶解度
颜色 含量 速度
实验结 a . 胡萝卜素 橙黄色 最少 最高 最快
果分析 b . 叶黄素 黄色 较少 较高 较快
c . 叶绿素 a 蓝绿色 最多 较低 较慢
d . 叶绿素 b 黄绿色 较多 最低 最慢
5.实验中的注意事项及操作目的
过程 注意事项 操作目的
选新鲜绿色的叶片 使滤液中色素含量高
提取
研磨时加无水乙醇 溶解色素
色素
加少量SiO 和CaCO 研磨充分和保护色素
2 3迅速、充分研磨 防止乙醇挥发 ， 充分溶解色素
盛放滤液的试管管口加棉塞 防止乙醇挥发和色素氧化
滤纸预先干燥处理 使层析液在滤纸上快速扩散
滤液细线要细、齐、直 使分离出的色素带平整不重叠
分离
增加色素量；使分离出的色素
色素 滤液细线干燥后再画一两次
带清晰分明
滤液细线不触及层析液 防止色素直接溶解到层析液中
6.提取和分离现象异常原因分析
（1）收集到的滤液绿色过浅原因：
①未加 Si O ，研磨不充分；
2
②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)含量 较低 ；
③一次加入大量的 无水乙醇 ，提取浓度太低；
（2）滤纸条看不见色素带原因：
①忘记画 滤液细线 ；
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中。
考点二 绿叶中色素的种类及叶绿体的结构和功能
1．色素的种类及吸收光谱
叶绿素(占 3/ 4 ) 类胡萝卜素(占 1/ 4 )
种类
叶绿素 a 叶绿素 b 胡萝卜素 叶黄素
颜色 蓝绿色 黄绿色 橙黄色 黄色
吸收光谱 主要吸收蓝紫光和红光 主要吸收蓝紫光
2. 捕获光能的结构
（1）光合作用的场所是 叶绿体 。叶绿体增大膜面积方式： 类囊体堆叠形成基粒
。
（2）吸收光能的四种色素分布在 类囊体薄膜 上；与光合作用有关的酶分布在
类囊体薄膜 上和 叶绿体基质 中。
3. 探索光合作用原理的部分实验
科学家 实验过程及现象 实验结论
在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或 光合作用释放的 O 中的氧元素来自
2
希尔 其他氧化剂(悬浮液中有水，没有二 水；氧气的产生和糖类的合成不是(填
氧化碳)，在光照下可以释放出 氧气 “是”或“不是”)同一个化学反应
鲁宾和 HO＋CO→植物→ 1 8 O
2 2
光合作用释放的氧气来自 水
卡门 HO＋C18O→植物→O
2 2 2
在光照下，叶绿体可合成 ATP ，且
阿尔农 水的光解可合成 AT P
这一过程总是与 水的光解 相伴随
4. 光合作用的过程
（1）概念：光合作用是指绿色植物通过 叶绿体 ，利用 光能 ，把 二氧化碳和水
转化成储存能量的 有机物 ，并且释放出 氧气 的过程。（2）光合作用的过程：
（3）光反应与暗反应的比较
— 光反应 暗反应
场所 类囊体的薄膜上 叶绿体基质中
条件 需光 不需要光
HO――→H＋＋O＋能量；
2 2
物质 CO＋C ――→2C ；
2 5 3
NADP＋＋H＋＋能量→NADPH；
变化 2C ――→(CH O ) ＋C
3 2 5
ADP＋Pi＋能量――→ATP
能量 光能→ATP 和NADPH 中的活跃化学 ATP 和 NADPH 中的活跃化学能
变化 能 →(CH O ) 中的化学能
2
考点三 光合作用原理的应用
五、影响光合作用的因素
1.外界因素：二氧化碳浓度、土壤中水分的多少、光照的强弱、温度的高低、光的成分
等。
2.自身因素：色素含量的多少、酶含量、叶的表面积 。
3.光照强度与光合作用关系：
（1）A点表示只进行 呼吸作用 ，不进行 光合作用 。（2）AB段表示 呼吸速率 ，随光照强度增加，光合作用不断增强（光合 小于 呼吸）。
（3）B点表示 光补偿点 ，此时细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用（光合作用速率
等于 呼吸作用速率）。
（4）BC表示 净光合速率 ，随光照强度增加，光合作用不断增强（光合 大于 呼吸）。
（5）C点表示光 饱和点 。C点之后光照强度和二氧化碳浓度就不再是限制光合速率的
主要因素。
4.一天中光合速率变化曲线
（1）曲线AB段表明光合作用强度随光照增强而 增强 。
（2）对于C点光合作用强度减弱的解释是：由于中午 气温 过高， 蒸腾 作用过大，叶
片的气孔关闭，使光合作用原料之一的 二氧化碳 供应大量减少，以致 暗 反应阶段植
物体内的五碳化合物不能与之结合，使 C 的形成大为减少。
3
（3）DE段光合作用强度下降的原因是 光照强度减弱 ，以致光合作用 光 反应产生的
AT P 、 [H ] 减少，因而影响 暗 反应的进行。
【典型真题训练】
一、单选题
1．（2021·湖北·高考真题）在真核细胞中，由细胞膜、核膜以及各种细胞器膜等共同构成
生物膜系统。下列叙述错误的是（ ）
A．葡萄糖的有氧呼吸过程中，水的生成发生在线粒体外膜
B．细胞膜上参与主动运输的ATP酶是一种跨膜蛋白
C．溶酶体膜蛋白高度糖基化可保护自身不被酶水解
D．叶绿体的类囊体膜上分布着光合色素和蛋白质
【答案】A
【详解】
A、葡萄糖的有氧呼吸过程中，水的生成发生在有氧呼吸第三阶段，场所是线粒体内膜，A
错误；
B、真核细胞的细胞膜上参与主动运输的ATP酶是一种跨膜蛋白，该类蛋白发挥作用时可催
化ATP水解，为跨膜运输提供能量，B正确；
C、溶酶体内有多种水解酶，能溶解衰老、损伤的细胞器，溶酶体膜蛋白高度糖基化可保护
自身不被酶水解，C正确；D、叶绿体的类囊体膜是光反应的场所，其上分布着光合色素和蛋白质（酶等），利于反
应进行，D正确。
2．（2021·辽宁·高考真题）植物工厂是通过光调控和通风控温等措施进行精细管理的高效
农业生产系统，常采用无土栽培技术。下列有关叙述错误的是（ ）
A．可根据植物生长特点调控光的波长和光照强度
B．应保持培养液与植物根部细胞的细胞液浓度相同
C．合理控制昼夜温差有利于提高作物产量
D．适时通风可提高生产系统内的CO 浓度
2
【答案】B
【详解】
A、不同植物对光的波长和光照强度的需求不同，可可根据植物生长特点调控光的波长和
光照强度，A正确；
B、为保证植物的根能够正常吸收水分，该系统应控制培养液的浓度小于植物根部细胞的细
胞液浓度，B错误；
C、适当提高白天的温度可以促进光合作用的进行，让植物合成更多的有机物，而夜晚适当
降温则可以抑制其呼吸作用，使其少分解有机物，合理控制昼夜温差有利于提高作物产量，
C正确；
D、适时通风可提高生产系统内的CO 浓度，进而提高光合作用的速率，D正确。
2
3．（2021·北京·高考真题）将某种植物置于高温环境（HT）下生长一定时间后，测定HT
植株和生长在正常温度（CT）下的植株在不同温度下的光合速率，结果如图。由图不能得
出的结论是（ ）
A．两组植株的CO 吸收速率最大值接近
2
B．35℃时两组植株的真正（总）光合速率相等
C．50℃时HT植株能积累有机物而CT植株不能
D．HT植株表现出对高温环境的适应性
【答案】B
【详解】
A、由图可知，CT植株和HT植株的CO 吸收速率最大值基本一致，都接近于
2
3nmol••cm-2•s-1，A正确；
B、CO 吸收速率代表净光合速率，而总光合速率=净光合速率+呼吸速率。由图可知35℃时
2两组植株的净光合速率相等，但呼吸速率未知，故35℃时两组植株的真正（总）光合速率
无法比较，B错误；
C、由图可知，50℃时HT植株的净光合速率大于零，说明能积累有机物，而CT植株的净光
合速率不大于零，说明不能积累有机物，C正确；
D、由图可知，在较高的温度下HT植株的净光合速率仍大于零，能积累有机物进行生长发
育，体现了HT植株对高温环境较适应，D正确。
4．（2021·浙江·高考真题）渗透压降低对菠菜叶绿体光合作用的影响如图所示，图甲是不
同山梨醇浓度对叶绿体完整率和放氧率的影响，图乙是两种浓度的山梨醇对完整叶绿体
ATP 含量和放氧量的影响。CO 以HCO -形式提供，山梨醇为渗透压调节剂，0．33 mol·L-1
2 3
时叶绿体处于等渗状态。据图分析，下列叙述错误的是（ ）
A．与等渗相比，低渗对完整叶绿体 ATP合成影响不大，光合速率大小相似
B．渗透压不同、叶绿体完整率相似的条件下，放氧率差异较大
C．低渗条件下，即使叶绿体不破裂，卡尔文循环效率也下降D．破碎叶绿体占全部叶绿体比例越大，放氧率越低
【答案】A
【详解】
A、根据分析，由图甲可知，与等渗相比，低渗对完整叶绿体 ATP合成影响不大，但放氧
率较低，放氧率可以代表光合速率，故说明低渗条件下光合速率较低，A错误；
B、根据分析，由图乙可知，渗透压不同、叶绿体完整率相似的条件下，放氧率差异较大，
B正确；
C、由图甲可知，低渗条件下，即使叶绿体完整率没有明显降低的范围内，叶绿体放氧率仍
明显降低，即光反应速率下降，影响了暗反应，即卡尔文循环效率下降，C正确；
D、由图甲可以看出，低渗条件下叶绿体完整率越低，放氧率也越低，D正确。
5．（2021·湖南·高考真题）绿色植物的光合作用是在叶绿体内进行的一系列能量和物质转
化过程。下列叙述错误的是（ ）
A．弱光条件下植物没有O 的释放，说明未进行光合作用
2
B．在暗反应阶段，CO 不能直接被还原
2
C．在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗，叶片的光合速率会暂时下降
D．合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度
【答案】A
【详解】
A、弱光条件下植物没有氧气的释放，有可能是光合作用强度小于或等于呼吸作用强度，
光合作用产生的氧气被呼吸作用消耗完，此时植物虽然进行了光合作用，但是没有氧气的
释放，A错误；
B、二氧化碳性质不活泼，在暗反应阶段，一个二氧化碳分子被一个C 分子固定以后，很
5
快形成两个C 分子，在有关酶的催化作用下，C 接受ATP释放的能量并且被[H]还原，因此
3 3
二氧化碳不能直接被还原，B正确；
C、在禾谷类作物开花期减掉部分花穗，光合作用产物输出受阻，叶片的光合速率会暂时下
降，C正确；
D、合理密植可以充分利用光照，增施有机肥可以为植物提供矿质元素和二氧化碳，这些
措施均能提高农作物的光合作用强度，D正确；
6．（2021·广东·高考真题）在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO 固定形成
2
C 的酶被称为Rubisco。下列叙述正确的是（ ）
3
A．Rubisco存在于细胞质基质中
B．激活Rubisco需要黑暗条件
C．Rubisco催化CO 固定需要ATP
2
D．Rubisco催化C 和CO 结合
5 2
【答案】D
【详解】A、Rubisco参与植物光合作用过程中的暗反应，暗反应场所在叶绿体基质，故Rubisco存在
于叶绿体基质中，A错误；
B、暗反应在有光和无光条件下都可以进行，故参与暗反应的酶Rubisco的激活对光无要求，
B错误；
C、Rubisco催化CO 固定不需要ATP，C错误；
2
D、Rubisco催化二氧化碳的固定，即C 和CO 结合生成C 的过程，D正确。
5 2 3
7．（2021·广东·高考真题）与野生型拟南芥WT相比，突变体t1和t2在正常光照条件下，
叶绿体在叶肉细胞中的分布及位置不同（图a，示意图），造成叶绿体相对受光面积的不
同（图b），进而引起光合速率差异，但叶绿素含量及其它性状基本一致。在不考虑叶绿
体运动的前提下，下列叙述错误的是（ ）
A．t2比t1具有更高的光饱和点（光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度）
B．t1比t2具有更低的光补偿点（光合吸收CO 与呼吸释放CO 等量时的光照强度）
2 2
C．三者光合速率的高低与叶绿素的含量无关
D．三者光合速率的差异随光照强度的增加而变大
【答案】D
【详解】
A、图1可知，t 较多的叶绿体分布在光照下，t 较少的叶绿体分布在光照下，由此可推断，
1 2
t 比t 具有更高的光饱和点（光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度），A正确；
2 1
B、图1可知，t 较多的叶绿体分布在光照下，t 较少的叶绿体分布在光照下，由此可推断，
1 2
t 比t 具有更低的光补偿点（光合吸收CO 与呼吸释放CO 等量时的光照强度），B正确；
1 2 2 2
C、通过题干信息可知，三者的叶绿素含量及其它性状基本一致，由此推测，三者光合速率
的高低与叶绿素的含量无关，C正确；
D、三者光合速率的差异，在一定光照强度下，随光照强度的增加而变大，但是超过光的
饱和点，再增大光照强度三者光合速率的差异不再变化，D错误。
8．（2020·江苏·高考真题）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CaCO 可以防止叶绿素被氧化破坏
3
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
【答案】B
【详解】
A、绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，因而可以用无水乙醇提取绿叶中的色
素，A正确；
B、研磨时需要加入碳酸钙（CaCO ），可防止研磨时色素被破坏，B错误；
3
C、研磨时加入少许石英砂（SiO ）有助于充分研磨，利于破碎细胞使色素释放，C正确；
2
D、画滤液细线时应尽量减少滤液扩散，要求细、直、齐，才有利于色素均匀地分离，D正
确。
9．（2020·天津·高考真题）研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单
层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条
件下可实现连续的CO 固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是（ ）
2
A．产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B．该反应体系不断消耗的物质仅是CO
2
C．类囊体产生的ATP和O 参与CO 固定与还原
2 2
D．与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素
【答案】A
【详解】
A、乙醇酸是在光合作用暗反应产生的，暗反应场所在叶绿体基质中，所以产生乙醇酸的
场所相当于叶绿体基质，A正确；
B、该反应体系中能进行光合作用整个过程，不断消耗的物质有CO 和H O，B错误；
2 2
C、类囊体产生的ATP参与C 的还原，产生的O 用于呼吸作用或释放到周围环境中，C错
3 2
误；
D、该体系含有类囊体，而类囊体的薄膜上含有光合作用色素，D错误。
10．（2020·浙江·高考真题）将某植物叶片分离得到的叶绿体，分别置于含不同蔗糖浓度
的反应介质溶液中，测量其光合速率，结果如图所示。图中光合速率用单位时间内单位叶
绿素含量消耗的二氧化碳量表示。下列叙述正确的是（ ）
A．测得的该植物叶片的光合速率小于该叶片分离得到的叶绿体的光合速率
B．若分离的叶绿体中存在一定比例的破碎叶绿体，测得的光合速率与无破碎叶绿体的相比，光合速率偏大
C．若该植物较长时间处于遮阴环境，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B-C段对应
的关系相似
D．若该植物处于开花期，人为摘除花朵，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中A-B段
对应的关系相似
【答案】A
【详解】
A、测得植物叶片的光合速率是叶片的总光合速率减去叶片的呼吸速率，而分离得到的叶
绿体的光合速率，就是总光合速率，A正确；
B、破碎叶绿体，其叶绿素释放出来，被破坏， 导致消耗二氧化碳减少，测得的光合速率
与无破碎叶绿体的相比，光合速率偏小，B错误；
C、若该植物较长时间处于遮阴环境，光照不足，光反应减弱，影响碳反应速率，蔗糖合成
一直较少， C错误；
D、若该植物处于开花期，人为摘除花朵，叶片光合作用产生的蔗糖不能运到花瓣，在叶
片积累，光合速率下降，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B-C段对应的关系相似，
D错误。
二、解答题
11．（2021·江苏·高考真题）线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图示叶肉细胞中
部分代谢途径，虚线框内示“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 结合产生三碳酸，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，运出
3 3
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10~14d大麦苗，将其茎漫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，计算光合放氧速率（单位为µmolO2•mg-1chl•h-1，chl为
叶绿素）。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，配制高浓度母
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 液，并用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水
中
设置寡霉素为单一变量的对照组 ①_______________
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
称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液
③_______________
测定
【答案】
(1) 类囊体薄膜 叶绿素、类胡萝卜素
(2) C 12
5
(3) [H] ATP
(4) 在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮 减少叶片差异造成的误差 叶绿素
定量测定（或测定叶绿素含量）
【解析】
图示表示植物叶肉细胞光合作用的碳反应、蔗糖的合成以及呼吸作用过程的代谢途径，设
计实验研究线粒体对光合作用的影响。
(1)光合作用光反应场所为类囊体薄膜，将光能转变成化学能，参与该反应的光和色素是叶
绿素、类胡萝卜素。
(2)据题意在暗反应进行中为维持光合作用持续进行，部分新合成的C 可以转化为C 继续被
3 5
利用；一分子蔗糖含12个C原子，C 含有5个碳原子，据图固定1个CO 合成1个C ，应
5 2 3
为还要再生出C ，故需要12个CO 合成一分子蔗糖。
5 2
(3)NADPH起还原剂的作用，含有还原能，呼吸作用过程中能量释放用于合成ATP中的化学
能和热能。
(4)设计实验遵循单一变量原则，对照原则，等量原则，对照组为在水中加入相同体积不含
寡霉素丙酮溶液。对照组和各实验组均测定多个大麦叶片的原因是减少叶片差异造成的误
差。称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定其中叶绿素的含量。
