資源簡介

5.4.1捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)學(xué)案
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.闡明“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)的原理與方法。
2.說出植物捕獲光能的色素的種類和作用。
3.說明葉綠體適于進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】
1．說出葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能。(重點(diǎn))
2．說出綠葉中色素的種類和作用。(重點(diǎn))
3．理解實(shí)驗(yàn)“綠葉中色素的提取和分離”的實(shí)驗(yàn)原理和方法。(重難點(diǎn))
【預(yù)習(xí)新知】
捕獲光能的色素
1．綠葉中色素的功能和合成
(1)功能：色素可以吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能。
(2)影響葉綠素合成的因素
葉綠素的合成易受光照、溫度和礦質(zhì)元素等因素影響。
①光照：光是影響葉綠素合成的主要因素，一般植物在黑暗中不能合成葉綠素，因而黑暗條件下葉片發(fā)黃。
②溫度：溫度可影響與葉綠素合成有關(guān)的酶的活性，進(jìn)而影響葉綠素的合成。低溫時(shí)，葉綠素分子易被破壞，葉片發(fā)黃。
③礦質(zhì)元素：葉綠素中含N、Mg等元素，若缺少這些元素，將導(dǎo)致葉綠素?zé)o法合成，老葉先變黃。另外，F(xiàn)e是葉綠素合成過程中某些酶的輔助成分，缺Fe也將導(dǎo)致葉綠素合成受阻，幼葉先變黃。
2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果——有關(guān)色素帶的分析
(1)從色素帶的位置可知，各種色素在層析液中溶解度的高低依次為：胡蘿卜素>葉黃素>葉綠素a>葉綠素b。(記憶口訣：胡、黃、a、b)
(2)從色素帶的寬度可知，各種色素的含量一般情況下為：葉綠素a>葉綠素b>葉黃素>胡蘿卜素。
3．注意事項(xiàng)及原因分析
過程 注意事項(xiàng) 原因分析
提取色素 選新鮮綠色的葉片 使濾液中色素含量高
研磨時(shí)加無水乙醇 溶解色素
加少量SiO2和CaCO3 研磨充分和保護(hù)色素
迅速、充分研磨 減少乙醇揮發(fā)，充分溶解色素
盛放濾液的試管口加棉塞 減少乙醇揮發(fā)和色素氧化
分離色素 濾紙預(yù)先干燥處理 使層析液在濾紙上快速擴(kuò)散
濾液細(xì)線要直、細(xì)、勻 使分離出的色素帶平整不重疊
濾液細(xì)線干燥后再重畫一到兩次 使分離出的色素帶清晰分明
濾液細(xì)線不觸及層析液 防止色素直接溶解到層析液中
葉綠體的結(jié)構(gòu)適于進(jìn)行光合作用
1．葉綠體中色素的吸收光譜
色素種類 吸收光 吸收光譜圖示
葉綠素(含量約占3/4) 葉綠素a (藍(lán)綠色) 吸收紅光和藍(lán)紫光
葉綠素b (黃綠色) 吸收紅光和藍(lán)紫光
類胡蘿卜素(含量約占1/4) 胡蘿卜素(橙黃色) 吸收藍(lán)紫光
葉黃素(黃色) 吸收藍(lán)紫光
2.葉綠體的結(jié)構(gòu)及功能
(1)結(jié)構(gòu)：
①雙層膜：分為內(nèi)膜和外膜，其主要功能是控制物質(zhì)進(jìn)出葉綠體。
②基粒：由囊狀結(jié)構(gòu)堆疊而成，這些囊狀結(jié)構(gòu)稱為類囊體。吸收光能的四種色素就分布在類囊體的薄膜上。
③基質(zhì)：在基粒與基粒之間充滿基質(zhì)，基質(zhì)中含有與光合作用有關(guān)的酶。
(2)功能：
葉綠體內(nèi)的基粒和類囊體擴(kuò)展了受光面積，含有許多吸收光能的色素分子和光合作用所必需的酶，因此葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所。
3．葉綠體功能的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
(1)實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象：
(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
①葉綠體是進(jìn)行光合作用的場所。
②O2是由葉綠體釋放的。
(3)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙之處：
①實(shí)驗(yàn)材料選擇水綿和好氧細(xì)菌：水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察；用好氧細(xì)菌可確定釋放氧氣的部位。
②沒有空氣的黑暗環(huán)境：排除了氧氣和光的干擾。
③用極細(xì)的光束點(diǎn)狀投射：葉綠體上可分為獲得光照和無光照的部位，相當(dāng)于一組對照實(shí)驗(yàn)。
④進(jìn)行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的對照實(shí)驗(yàn)：明確實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全是由光照引起的。
【易錯(cuò)提示】
綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)的異常現(xiàn)象分析
（1）收集到的濾液綠色過淺的原因分析：
①未加石英砂（二氧化硅），研磨不充分。
②使用放置數(shù)天的菠菜葉，濾液色素（葉綠素）太少。
③一次加入大量的無水乙醇，提取濃度太低。
④未加碳酸鈣或加入過少，色素分子被破壞。
（2）濾紙條色素帶重疊：濾液細(xì)線畫得過粗。
（3）濾紙條看不見色素帶：
①忘記畫濾液細(xì)線。
②濾液細(xì)線接觸到層析液，且時(shí)間較長，色素全部溶解到層析液中。
【鞏固訓(xùn)練】
1.采用新鮮菠菜葉片開展“葉綠體色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)，下列敘述正確的是( )
A.應(yīng)在研磨葉片后添加適量CaCO3防止葉綠素被破壞
B.添加石英砂、加快研磨速度和延長研磨時(shí)間均有助于充分提取色素
C.分離色素時(shí)需沿鉛筆細(xì)線在濾紙條上畫一條細(xì)而直的濾液細(xì)線
D.濾紙條上會出現(xiàn)四條顏色、粗細(xì)不同的色素帶，黃綠色的條帶最粗
2.下列對“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)描述錯(cuò)誤的是( )
A.研磨葉片時(shí)加二氧化硅的目的是使研磨更加充分
B.隨層析液在濾紙條上擴(kuò)散速度最快的色素是胡蘿卜素
C.最寬的一條色素帶中的色素主要吸收藍(lán)紫光
D.實(shí)驗(yàn)應(yīng)在通風(fēng)條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用肥皂將手洗干凈
3.用一定濃度的NaHSO3溶液噴灑到小麥的葉片上，短期內(nèi)檢測到葉綠體中C3的含量下降，C5的含量上升。NaHSO3溶液的作用可能是( )
A.促進(jìn)葉綠體中CO2的固定 B.抑制葉綠體中C3的還原
C.促進(jìn)葉綠體中ATP的合成 D.抑制葉綠體中有機(jī)物的輸出
4.下列有關(guān)生物體內(nèi)生理過程的敘述，錯(cuò)誤的是( )
A.水綿細(xì)胞內(nèi)CO2的固定發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中
B.人體細(xì)胞內(nèi)DNA分子復(fù)制可發(fā)生在線粒體中
C.硝化細(xì)菌內(nèi)[H]與O2結(jié)合發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上
D.人體細(xì)胞內(nèi)丙酮酸分解成酒精的過程發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中
5.回答下列有關(guān)光合作用的問題：
為證明光照是光合作用必需的，某興趣小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果如下表所示：
組別 材料設(shè)置 條件 實(shí)驗(yàn)前BTB溶液顏色 實(shí)驗(yàn)后BTB溶液顏色
A 無葉圓片 有光 黃綠色 黃綠色
B 有葉圓片 遮光 黃綠色 黃色
C 有葉圓片 有光 黃綠色 淡藍(lán)色
注：BTB是一種酸堿指示劑，在堿性溶液中呈藍(lán)色，在酸性溶液中呈黃色，在中性溶液中基本仍呈淡藍(lán)色
(1)本實(shí)驗(yàn)的對照組是表中的________組，因變量的檢測指標(biāo)是________。C瓶中溶液變?yōu)榈{(lán)色，說明__________。
(2)測量從某植物葉片分離得到葉綠體的光合速率，該速率__________(填“大于”、“等于”或“小于”)測得的該植物葉片的光合速率，理由是_____________。
(3)某興趣小組探究光照對葉綠體中G酶活性的影響，將正常生長的盆栽花生在暗處放置24h后，再給予光照和黑暗處理，并定時(shí)剪取葉片測定葉綠體中G酶活性。(說明：G酶是GAP脫氫酶的簡稱，是光合作用碳反應(yīng)中唯一能利用NADPH還原三碳酸分子的酶)
①下列能反映G酶活性的是___________。
A.單位時(shí)間內(nèi)ATP的生成速率 B.單位時(shí)間內(nèi)NADPH的氧化速率
C.單位時(shí)間內(nèi)RuBP的再生速率 D.單位時(shí)間內(nèi)CO2的固定速率
②構(gòu)建體外測定葉綠體中G酶活性的反應(yīng)體系，除了相關(guān)酶、緩沖物質(zhì)與酶保護(hù)劑外，還需要下列的物質(zhì)和條件中的___________(多選)。
A.適宜的溫度 B.NADPH C.三碳酸分子 D.RuBP
③學(xué)習(xí)小組發(fā)現(xiàn)葉綠體中G酶在光照條件下活性較高，在黑暗條件下G酶活性較低。據(jù)此提出一項(xiàng)提高大棚栽培作物產(chǎn)量的合理措施是___________。
參考答案
1.答案：C
解析：A、為防止葉綠素被破壞，應(yīng)在研磨葉片時(shí)加入CaCO3，A錯(cuò)誤;B、由于無水乙醇具有揮發(fā)性，加入石英砂進(jìn)行研磨時(shí)應(yīng)迅速，B錯(cuò)誤;C、先在距離濾紙條底部1cm處用鉛筆畫一條細(xì)的橫線，分離色素時(shí)需沿鉛筆細(xì)線在濾紙條上畫一條細(xì)而直的濾液細(xì)線，C正確;D、濾紙條上會出現(xiàn)四條顏色、粗細(xì)不同的色素帶，藍(lán)綠色的條帶即葉綠素a最粗，因?yàn)槿~綠素a含量最多，D錯(cuò)誤。
2.答案：C
解析：A、研磨葉片時(shí)加二氧化硅的目的是使研磨得充分，A正確；
B、胡蘿卜素在層析液中溶解度最大，隨層析液在濾紙條上擴(kuò)散速度最快，B正確；
C、最寬的一條色素帶是葉綠素a，主要吸收藍(lán)紫光和紅光，C錯(cuò)誤；
D、由于層析液中含有對人體有毒的物質(zhì)，因此，實(shí)驗(yàn)應(yīng)在通風(fēng)條件下進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用肥皂將手洗干凈，D正確。
故選C。
3.答案：C
解析：若NaHSO3溶液促進(jìn)葉綠體中CO2的固定，則CO2被C5固定形成的C3增加，則消耗的C5增加，故C5的含量將減少，C3的含量將增加；若NaHSO3溶液抑制葉綠體中C3的還原，則被還原的C3減少，生成的C5減少，而CO2被C5固定形成C3的過程不變，故C3的含量將增加，C5的含量將減少；若NaHSO3溶液促進(jìn)葉綠體中ATP的合成，則被還原的C3增多，消耗的C3增加，生成的C5增多，而CO2被C5固定形成C3的過程不變，故C3的含量將減少，C5的含量將增加；若NaHSO3溶液抑制葉綠體中有機(jī)物的輸出，意味著暗反應(yīng)中C3的還原過程變慢，生產(chǎn)的C5減少，而CO2被C5固定形成C3的過程不變，故C3的含量將增加，C5的含量將減少。故C正確。
4.答案：ACD
解析：A、水綿細(xì)胞內(nèi)CO2的固定發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中，A錯(cuò)誤;B、線粒體中含有DNA，其中的DNA可以復(fù)制，B正確;C、硝化細(xì)菌是原核生物，無線粒體，C錯(cuò)誤;D、人體細(xì)胞內(nèi)丙酮酸分解不生成酒精，會生成乳酸，D錯(cuò)誤。
5.答案：(1)A、B；pH(或BTB溶液顏色)；葉圓片在光下進(jìn)行光合作用，吸收CO2使pH升高
(2)大于；測得的葉片光合速率等于葉綠體光合速率減去葉片的呼吸速率
(3)B；ABC；延長光照時(shí)間
解析：(1)本實(shí)驗(yàn)中A組無葉圓片，可排除環(huán)境變化對溶液顏色的影響，B組無光照，與C組對照可說明光的作用，二者均屬于對照組，通過觀察溶液顏色變化判斷葉片是否進(jìn)行光合作用，則因變量的檢測指標(biāo)是pH(或BTB溶液顏色)。C瓶中葉圓片是在光下處理，實(shí)驗(yàn)后BTB溶液顏色為淡藍(lán)色，溶液在中性溶液中呈淡藍(lán)色，說明葉圓片在光下進(jìn)行光合作用，吸收CO2使pH升高。
(2)葉綠體的光合速率代表植物的實(shí)際光合速率，測得的該植物葉片的光合速率是該植物的凈光合速率，等于葉綠體光合速率減去葉片的呼吸速率，所以葉綠體光合速率大于測得的該植物葉片的光合速率。
(3)①A、單位時(shí)間內(nèi)ATP的生成速率可代表光反應(yīng)速率，不能反映G酶活性，A錯(cuò)誤;B、G酶是是光合作用碳反應(yīng)中唯一能利用NADPH還原三碳酸分子的酶，單位時(shí)間內(nèi)NADPH的氧化速率能反映G酶活性，B正確;C、NADPH還原三碳酸分子生成三碳糖后，部分三碳糖再生為RuBP，單位時(shí)間內(nèi)RuBP的再生速率不能反映G酶活性，C錯(cuò)誤;D、CO2的固定不消耗NADPH，單位時(shí)間內(nèi)CO2的固定速率不能反映G酶活性，D錯(cuò)誤。故選B。
②G酶參與碳反應(yīng)中NADPH還原，因此G酶發(fā)揮作用需要光反應(yīng)提供NADPH，需要底物三碳酸分子和適宜的溫度，與RuBP沒有直接關(guān)系，故選ABC。
③葉綠體中G酶在光照條件下活性較高，在黑暗條件下G酶活性較低，據(jù)此可延長光照時(shí)間，充分發(fā)揮G酶的作用，提高大棚栽培作物產(chǎn)量。

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