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5.4 光合作用与能量转化
第2课时 光合作用的原理与应用
光合作用
概念：光合作用使指绿色植物通过 ，利用 ，把 ，转化成储存着能量的 ，并释放出 的过程
叶绿体
光能
CO2和H20
有机物
O2
物质变化：
能量变化：
无机物→有机物
光能→有机物的化学能
实质：合成有机物，储存能量
反应式：
（注：（CH2O）表示糖类）
自主阅读：阅读课本P102思考 .讨论，完成资料后的4个讨论：
1、希尔的实验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？为什么？
2、希尔的实验能否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？为什么？
3、分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
4、尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系
探究光合作用原理的部分实验
探究光合作用原理的部分实验
1、19世纪末（甲醛→糖）
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
2、1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用
甲醛不能通过光合作用转化成糖
→初步判断：O2中的O来自CO2的可能性较小，较可能来源于H2O
探究光合作用原理的部分实验
3、希尔反应
2H+
1/2 O2↑
讨论1：希尔反应是否说明植物光合作用产生的O2中的O全部都来自H2O？为什么？
不能
反应体系中可能还存在其他氧元素供体。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生O2的化学反应
探究光合作用原理的部分实验
3、希尔反应
2H+
1/2 O2↑
讨论2：希尔的实验能否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
能。因为悬浮液中没有合成糖类的必需原料——CO2，说明未进行糖类合成（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）
：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生O2的化学反应
探究光合作用原理的部分实验
3、希尔反应
2H+
1/2 O2↑
延伸思考1：写出水的光解反应式？
：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生O2的化学反应
H2O→1/2O2 ＋2H+＋2e
光
P103右侧
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
NADP＋＋H+＋2e→NADPH
探究光合作用原理的部分实验
3、希尔反应
2H+
1/2 O2↑
：离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生O2的化学反应
延伸思考2：若要探究O2中O的来源（CO2 or H2O），可用什么方法？
同位素标记法
16O / 18O
用哪一种同位素？
探究光合作用原理的部分实验
4、鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。
CO2
H218O
光照射下的小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
讨论3：分析鲁宾和卡门做的实验得出什么结论？
光合作用释放的O2中的氧元素全部来源于H2O，而并不来源于CO2
探究光合作用原理的部分实验
4、鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。
CO2
H218O
光照射下的小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
延伸思考2：该实验有对照组吗？满足对照原则吗？
实验组相互对照（对比实验）
延伸思考1：如何判断实验结果是释放的18O2还是O2？
通过检测相对分子质量判断：O2（32）、18O2（36）
注意：不能通过检测放射性判断：18O2是无放射性的同位素
探究光合作用原理的部分实验
5、 阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP
且这一过程总是与水的光解相伴随
讨论4：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
19世纪末
甲醛→糖
1928年
甲醛对植物有毒
不能通过光合作用转化成糖
1937年
希尔反应
水的光解产生氧气
1941年
鲁宾和卡门
同位素标记法光合作用氧气来自于水
1954年
阿尔农
光照下叶绿体合成ATP
该过程总与水的光解相伴
1
上述实验表明：
1.光合作用释放的氧气中的氧元素来自水2.氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的　
总结
光合作用的过程
光合作用过程复杂，包括一系列化学反应。依据是否需要光能分为：
光反应阶段
暗反应阶段
光合作用第一个阶段
必须有光才能进行
光合作用第二个阶段，又称“碳反应阶段”
有无光都能进行
O2
光合作用的过程——光反应
结合图5-14，3min阅读P103光反应过程，在课本找到答案并标注：
1.光反应的场所是什么？
2.进行光反应需要什么条件？
3.光反应过程中有什么物质变化
（请用方程式的方式表示）
4.光反应过程中有什么能量变化？
5.小组合作完成右图，并上台展示
6.光反应的各种产物有何去向？
光能
叶绿体中的色素
H2O
水 在 光 下 分 解
ADP+Pi
ATP
NADP+
NADPH
H+
酶
酶
O2
H+
光合作用的过程——光反应
条件：外界条件：
内部条件：
场所：
物质变化：
能量变化：
类囊体薄膜上
水的光解：
H2O 2H＋ ＋1/2O2 + 2e-
光能
NADPH的合成：
NADP+ + H+ + 2e- NADPH
酶
ATP的合成：
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
光能
ATP、NADPH中活跃的化学能
光
色素、酶
光合作用的过程——光反应
光反应的各种产物有何去向？
：直接以分子形式释放出叶绿体
参与该细胞有氧呼吸第三阶段
或释放到外界
：为暗反应提供活泼的还原剂及部分能量
：为暗反应提供能量
CO2是如何转变为糖类的呢？
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（暗反应阶段）
在1961年获得
诺贝尔化学奖
（放射性）同位素标记法
现象1：
向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物，有三碳化合物（C3）、五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)
试分析卡尔文实验现象
思考1：该实验现象可说明什么？
CO2中的C会转移到C3、C5和C6中
思考2：如何确定CO2中的C先转移到C3、C5和C6中的哪个化合物呢？
缩短反应时间
现象2：
反应进行到5秒光照时，卡尔文等检测到同时含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)
试分析卡尔文实验现象
思考3：结合上述现象大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径
现象3：
缩短光照时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中在一种三碳化合物（C3）
CO2
C3
(CH2O)
C5
结合图5-14，3min阅读P104暗反应过程，在课本找到答案并标注：
1.暗反应的场所是什么？
2.进行暗反应需要什么条件？
3.暗反应过程中有什么物质变化
（请用方程式的方式表示）
4.暗反应过程中有什么能量变化？
5.小组合作完成右图，并上台展示
6.暗反应的各种产物有何去向？
2C3
CO2
固
定
C5
多种酶
参加催化
(CH2O)
还
原
ADP+Pi
ATP
供能
（气孔）
NADP+
NADPH
供氢、供能
光合作用的过程——暗反应
光合作用的过程——暗反应
条件：外界条件：
内部条件：
场所：
物质变化：
能量变化：
叶绿体基质
不需要光照，需要CO2
多种酶、NADPH、ATP
CO2的固定：
C3 的还原：
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
CO2＋C5 2C3
酶
ATP的水解：
ATP ADP + Pi + 能量
酶
NADPH的分解：
NADPH NADP+ + H+ + 2e-
酶
ATP和NADPH中的活跃化学能→有机物中稳定的化学能
光合作用的过程——暗反应
暗反应的各种产物有何去向？
为光反应ATP合成提供原料
为光反应NADPH合成提供原料
又参与CO2固定
在叶绿体基质中合成，并暂时储存在叶绿体基质，然后水解成葡萄糖转运到细胞质
最终是在细胞质中合成
细胞呼吸消耗
储藏器官储存、建造植物体
小结：光反应与暗反应的比较
反应阶段
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
光反应
暗反应
类囊体薄膜上
叶绿体基质
必须有光、光合色素、酶
有光或无光均可，多种酶
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能→稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
ADP、Pi 、NADP+、C5、（CH2O ）
产物去向
NADPH：为C3还原提供还原剂和能量
ATP：为C3还原提供能量
O2：直接从叶绿体释放
ADP、Pi：
NADP+：
C5：
（CH2O ）：
为光反应ATP合成提供原料
为光反应NADPH合成提供原料
又参与CO2固定
细胞呼吸消耗、储藏器官储存
光能
叶绿体中的色素
2C3
CO2
固
定
C5
多种酶
参加催化
(CH2O)
还
原
H2O
O2
水 在 光 下 分 解
ADP+Pi
ATP
供能
（气孔）
NADP+
NADPH
供氢、供能
H+
填一填：将光反应和暗反应作为一个整体画一个模式图
下图是光合作用过程图解，A—J表示物质，H、I表示生理过程请分析后回答下列问题：
①图中A是______,B是_______,它来自于______的分解。
②图中C是____ ，它被传递到叶绿体的_____，用于_________ 。
③图中D是____，在叶绿体中合成D所需的能量来自______。
④图中G__________,F是____________,J是________。
⑤图中的H表示_______， I表示________，H为I提供__________。
Ｏ2
水
NADPH
基质
还原C3，作还原剂并提供能量
ATP
光能
光反应
DNAPH和ATP
色素
C5化合物
C3化合物
糖类
暗反应
练一练
想一想：结合光合作用过程图，思考讨论以下问题：
思考1：光反应和暗反应在物质变化和能量转化方面存在什么联系？
光反应为暗反应提供NADPH和ATP
暗反应为光反应提供NADP＋、ADP和Pi
光反应为暗反应提供活跃化学能
暗反应将活跃化学能转化为稳定化学能
P104思考.讨论2
想一想：结合光合作用过程图，思考讨论以下问题：
思考2：光反应能在无CO2的环境中长期进行吗？暗反应能在无光的环境中长期进行吗？
均不能
暗反应受阻，光反应因产物ATP、DNDPH积累,缺乏ADP、Pi、DNAP+等也不能进行
没有光反应，暗反应缺乏DANPH、ATP等无法长时间进行
注意：光反应和暗反应紧密联系，能量转化和物质变化密不可分！！
想一想：结合光合作用过程图，思考讨论以下问题：
思考3：光合作用过程中ATP和NADPH的移动途径？ADP、Pi、NADP+的移动途径？
ATP、NADPH：
ADP、Pi、NADP+：
类囊体薄膜→叶绿体基质
叶绿体基质→类囊体薄膜
想一想：结合光合作用过程图，思考讨论以下问题：
思考4：光合作用过程中各元素的转移途径分别为？并在反应式中标注出来
H的转移：
H2O → NADPH→(CH2O)
C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
O的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
H2O → O2
想一想：结合光合作用过程图，思考讨论以下问题：
思考5：请分析光下的植物突然降低光照后，短时间内其体内的ATP、NADPH、C3和C5
的含量如何变化？为什么？
光照
减弱
光反应减弱
ATP、DNAPH↓
C3 还原受阻
CO2固定不变
C3消耗减少，合成不变
C5合成减少，消耗不变
C3↑
C5↓
光照
增强
光反应增强
ATP、DNAPH↑
C3 还原加快
CO2固定不变
C3消耗增加，合成不变
C5合成增加，消耗不变
C3↓
C5↑
想一想：结合光合作用过程图，思考讨论以下问题：
思考6：假如白天突然减少CO2的供应，短时间内其体内的ATP、NADPH、C3和C5的含量
如何变化？
CO2 减少
暗反应减弱
CO2固定减弱
C3 还原不变
C3合成减少，消耗不变
C5消耗减少，合成不变
C3↓
C5↑
C3 还原减弱
光反应不变
ATP、NADPH消耗减少，合成不变
ATP、DNAPH↑
条件 C3 C5 NADPH ATP (CH2O)
合成量
光照减弱，CO2不变
光照增强，CO2不变
光照不变，CO2减少
光照不变，CO2增加
增加
减少
减少
减少
减少
增加
增加
增加
减少
增加
减少
增加
增加
减少
减少
增加
小结：
当外界条件（如光照/CO2）突然发生变化时，短时间内各种物质含量的变化：
减少
增加
增加
减少
C5、NADPH、ATP变化一致
C3与C5/NADPH/ATP变化相反
对光合作用有利合成增加
反之减少
原因：正常情况下，1molCO2和1molC5结合形成2molC3，因此当暗反应速率达到稳定时，C3的分子数是C5的2倍
【误区警示】
以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化，而非长时间。；但保持条件不变经一段时间重新到达平衡后，仍为C3 含量高于C5
为什么？
变式题：
光合作用处于稳定状态的植物，在箭头处突然改变某个条件（降低光照或降低CO2浓度），其结果如图变化，则改变的某个条件是？为什么
a
b
分析：1.a表示C3化合物，b表示C5化合物
2.C3增加，C5减少原因：
降低光照
/增加CO2浓度
3.C3减少，C5增加原因：
C3
C5
C3
C5
降低CO2浓度
/增加光照
降低光照
降低CO2浓度
/增加CO2浓度
/增加光照
NADPH
“模型法”表示C3、C5、NADPH和ATP的含量变化
小结：光合作用的原理/过程
1.光反应/暗反应的发生场所、条件、物质变化、能量转化、产物去向
2.光反应与暗反应在物质变化和能量转化上的联系
3.光合作用过程ATP、NADPH、ADP、Pi、NADP+的转移途径
4.光合作用过程C、H、O元素的转移途径
5.环境条件（光照/CO2）突然改变，短时间内ATP、NADPH、C3、C5含量变化
ADP＋PiATP类囊体腔特殊状态的叶绿素a水e光子H+浓度差e2e＋NADP＋＋H+→NADPHADP＋Pi→ATPH2O→1/2O2＋2H+＋2e光知识拓展：光反应具体过程ADP＋Pi→ATPH2O→O2＋2H+＋2e 光光反应的物质变化：光反应的能量变化：光能电能H+势能NADPH和ATP中活跃的化学能NADP＋＋H+＋2e→NADPH知识拓展：光反应具体过程韧皮部（筛管）植株各处知识拓展：暗反应具体过程rubisco（核酮糖二磷酸羧化酶）核酮糖1，5—二磷酸（RuBP)3—磷酸甘油酸暗反应的物质变化CO2的固定：C3的还原：CO2＋C5→2C3酶2C3＋ATP＋NADPH→3-磷酸甘油醛酶葡萄糖→淀粉蔗糖知识拓展：暗反应具体过程暗反应的物质变化暗反应的能量变化CO2的固定：C3的还原：CO2＋C5→2C3酶2C3＋ATP＋NADPH→（CH2O)酶ATP和NADPH中的化学能糖类等稳定化合物中的化学能知识拓展：暗反应具体过程化能合成作用P106
定义：自然界中的某些细菌，利用环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的过程。
2NH3+3O2
硝化细菌
2HNO2+2H2O+能量
2HNO2+O2
硝化细菌
2HNO3 + 能量
CO2+H2O
硝化细菌
（CH2O）+O2
实例：硝化细菌（利用NH3氧化成HNO3过程释放的能量来合成有机物）
光合作用和化能合成作用的异同处：
相同处：
不同处：
都是将无机物转化成有机物，并储存能量
能量来源不同
光合作用：
化能合成作用：
光能
无机物氧化时释放的化学能
光能自养生物：绿色植物、蓝藻、光合细菌等
化能自养生物：硝化细菌、铁细菌、硫细菌
自养生物
异养生物：人、动物、真菌及大多数的细菌
同化作用
异化作用
需氧型：人、动物、醋酸菌等
厌氧型：破伤风芽孢杆菌、乳酸菌、蛔虫等
兼性厌氧型：酵母菌
代
谢
类
型

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