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第4节 光合作用与能量转化
第5章 细胞的能量供应和利用
二、光合作用的原理和应用
光合作用的概念
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着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
原料：二氧化碳 水
产物：有机物（主要是糖类） 氧气
场所：叶绿体
条件：光 , 多种酶
（1）光合作用的原料、产物、场所、条件是什么？
（2）你能用一个化学反应式表示出来吗
光能
叶绿体
CO2 + H2 O （CH2O)+ O2
实验一：希尔反应
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。
不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移。
1、希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？
讨论
2、希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料——CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。
讨论
3、光合作用释放的O2到底来自H2O ，还是CO2呢？还是二者兼而有之？
实验二：鲁宾和卡门实验
研究方法：同位素标记法
1.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于H2O ，而并不来源于CO2。
讨论
第一组
第二组
实验二：阿尔农实验
1954年，美国科学家阿尔农（D.Arnon）发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
讨论
1.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
H2O O2+NADPH +能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
第一阶段：光反应：必须有光才能进行。
第二阶段：暗反应：有没有光都可以进行。
划分依据：反应过程是否需要光能
（碳反应）
1.光反应阶段
光、色素、酶
类囊体薄膜上
水的光解：
H2O H++O2
光能
H++NADP+
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋能量 ATP
酶
条件：
场所：
物质变化：
能量变化：
光能转变为活跃的化学能储存在ATP和NADPH中。
NADPH：供还原剂、供能
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
光反应
H+
NADPH
ADP+Pi
2.暗反应阶段
美国科学家卡尔文等用小球藻做试验研究：用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径称为卡尔文循环。
在1961年获得诺贝尔化学奖
CO2是如何转变为糖类的呢？
2.暗反应阶段
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
ATP、NADPH
条件：
场所：
物质变化：
能量变化：
叶绿体基质中
酶、NADPH 、ATP
ATP、NADPH中活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能
2C3 (CH2O) ＋C5
酶
卡尔文循环：
CO2 → C3 → (CH2O)
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
暗反应
NADPH
酶
能量
（类囊体薄膜上）
（叶绿体基质中）
光能
活跃的化学能
有机物中
稳定的化学能
光合作用的过程
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
暗反应
酶
能量
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
光反应
H+
NADPH
ADP+Pi
联系 光反应阶段
暗反应阶段
条件
场所
物质变化
能量变化
光、色素、酶
酶、ATP、NADPH
类囊体薄膜上
叶绿体基质中
水的光解；ATP的合成
CO2的固定；C3的还原
ATP、NADPH中活跃化学能
光能
ATP、NADPH中活跃化学能
有机物中
稳定化学能
光反应是暗反应的基础，为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供NADP+和ADP、Pi
光反应和暗反应的区别与联系
整个光合作用过程中的物质 变化和能量变化分别是什么？
物质变化：
无机物
能量变化：
光能
转变
转变
光合作用的实质：合成有机物，储存能量。
有机物
糖类等有机物中的化学能
9
1______；2____；3____；4____；5________；6______；7_______；8___________；9_________。
分析光合作用过程图，写出数字代表的含义。
类囊体
水
O2
ATP
NADPH
NADP+
CO2
C3
糖类（CH2O）
4 的转移途径是_________________________
类囊体薄膜到叶绿体基质
CO2
C3
（CH2O）
CO2中C的转移途径：
光合作用中的原子转移途径：
产物O2中O的来源：
H2O
O2
H2O
NADPH
（CH2O）
H2O中H转移途径：
CO2＋H2O （CH2O）＋O2
光能
叶绿体
H+
分析叶绿体中C3、C5、NADPH、ATP、(CH2O)的动态变化
正常进行光合作用的植物，突然停止光照后，C3、C5、NADPH 、ATP 含量如何变化？
若突然停止CO2的供应呢？
C3↑ C5 ↓ NADPH ↓ATP↓
C3 ↓ C5 ↑ NADPH ↑ ATP ↑
思考：
条件 首先变化物质 随后变化物质
光照增强 CO2供应不变
光照减弱 CO2供应不变
光照不变 CO2供应增加
光照不变 CO2供应减弱
NADPH、ATP增加
C3减少/C5增加/ (CH2O)增加
NADPH、ATP减少
C3增加/C5减少/ (CH2O)减少
C5减少/C3增加/ (CH2O)增加
C5增加/C3减少/ (CH2O)减少
NADPH、ATP减少
NADPH、ATP增加
分析叶绿体中C3、C5、NADPH、ATP、(CH2O)的动态变化
变化条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O) 模型
CO2供应不变 光照 强→弱 ↑ ↓ ↓ ↓
光照 弱→强 ↓ ↑ ↑ ↑
光照不变 CO2充 足→不足 ↓ ↑ ↑ ↓
CO2不 足→充足 ↑ ↓ ↓ ↑
外界条件改变时，物质的变化：
（二）光合作用原理的应用
光合作用强度：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
光能
CO2+H2O
叶绿体
（CH2O）+O2
表示方法：1、单位时间内光合作用制造有机物的量
2、单位时间内光合作用固定CO2的量
3、单位时间内光合作用产生O2的量
光（光照强度、光质、时间长短）；
水分、CO2浓度；
无机营养（Mg2+等）、病虫害；
温度；
影响因素：
内因（植物自身因素） ：
叶龄、叶面积指数、植物种类、不同生长阶段、
色素含量和酶的数量和活性
*外因（环境因素）：
能量供应：
原料：
叶绿体的形成和结构：
影响酶活性：
(1)光照强度
①关键点：
A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸; 释放量表示
此时的细胞呼吸强度
B点细胞呼吸释放的CO2量=光合作用吸收的CO2量
此时的光照强度称为光补偿点;
C点时达到了光饱和点，此时光照强度增加，光合作用强度不再增加。
②关键线段：AB段光合作用的强度 细胞呼吸的强度；
BC段光合作用的强度 细胞呼吸的强度。
<
>
影响因素
光照强度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
光照强度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
思考：若此图为阳生植物的图，那么阴生植物的A、B、C、D点怎么移动？图像又是什么样子的？
↑
A点：
B点：
C点：
←
↙
D点：
←

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