资源简介

(共56张PPT)
第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
在自然界，万物生长离不开太阳，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。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
白化苗
正常苗
正常幼苗能进行光合作用制造有机养料
白化苗不能进行光合作用，无法制造有机养料
推论:
光能的捕获与叶片颜色有关
分析，提出假设：
光能的捕获需要绿叶所含的色素
在玉米栽培中，有时可以看到叶片中不含绿色色素的白化苗（如图）
绿叶中究竟有哪些色素呢？
一、捕获光能的色素和结构
1．捕获光能的色素
绿叶中色素的提取和分离
提取原理
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，用无水乙醇提取色素。
任务：阅读教材中提取色素的实验步骤，思考下列问题
1、色素提取时所用的试剂或药品分别有什么作用？2、研磨时应注意什么？为什么？
剪碎
加药品
研磨
过滤
无水乙醇：
二氧化硅：
碳酸钙：
防止溶剂挥发，充分溶解色素
迅速、充分研磨：
单层尼龙布
试管口塞紧：
试管口加棉花防挥发
提取色素
有助于研磨充分
防止研磨中色素被破坏
实验步骤
绿叶中色素的提取和分离
菠菜叶放置24-36小时
防止水分过多影响提取效果
绿叶中色素的提取和分离
分离原理
纸层析法：绿叶中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得快，反之则慢。
任务：阅读教材中分离色素的实验步骤，思考下列问题
1、制备滤纸条时，为什么要一端要剪去两角？
2、画滤液细线时要求细直齐，为什么？待滤液细线干了之后，再画1-2次，为什么？
3、将滤纸条插入层析液中时，需要注意不要将滤液细线触及层析液，为什么？
铅笔线
画铅笔细线
剪去两角的目的是防止两侧色素扩散过快，色素带不整齐
绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
滤液细线
画滤液细线
要求：细直齐
干燥后重复1—2次
防止色素带重叠而影响分离效果
积累更多的色素
绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
插滤纸条
层析液
培养皿
培养皿加盖防挥发
要求：层析液不能没及滤液线
防止色素溶解于层析液中而无法分离
绿叶中色素的提取和分离
探究：请各小组按照下列要求，完成实验操作，观察并对比实验结果
1组：研磨时不加SiO2；2组：研磨时不加CaCO3；3组：用蒸馏水代替无水乙醇进行提取；4组：制备滤纸条不剪去两角；5组：滤液细线画的粗且弯曲；6组：滤液细线触及层析液；其余小组：严格按照实验步骤进行实验
1、色素带宽窄不一说明了什么？
2、色素带位置的高低不一说明了什么？
思考：
①各种色素的含量一般是：叶绿素a ﹥叶绿素b ﹥叶黄素﹥胡萝卜素。
②各种色素在层析液中溶解度的高低依次是：胡萝卜素﹥叶黄素﹥叶绿素a﹥叶绿素b。
实验结果
绿叶中色素的提取和分离
橙黄色
黄 色
蓝绿色
黄绿色
思考·讨论
1.已知色素存在于叶片的叶绿体中，提取色素时要破碎细胞及叶绿体，使色素充分释放。在酸性条件下，叶绿素分子卟啉环中的镁离子可以被氢离子取代，导致叶绿素被破坏，试分析色素提取时加入碳酸钙的作用是什么？
2.过滤时漏斗基部的尼龙布能否用滤纸替代？原因是什么？
　色素提取时，研磨叶片会导致液泡中的有机酸释放，破坏叶绿素，碳酸钙可以中和酸性物质，保护叶绿素。
不能用滤纸替代。因为滤纸的吸附性强，会导致滤液中色素的浓度过低。
3.某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，请结合实验步骤分析可能的原因有哪些？
思考·讨论
(1)未加入二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出来；
(2)称取绿叶过少或加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小；
(3)未加入碳酸钙或加入过少，部分色素分子被破坏。
类胡萝卜素
（含量约1/4）
胡萝卜素
胡萝卜素主要有α、β、γ三种形式，其中最为重要的为β-胡萝卜素。它是自然界中最普遍存在也是最稳定的天然色素。它是一种最常见的维生素A补充剂。维生素A对于人体视觉发育至关重要。
叶黄素
叶黄素在蔬菜、水果、花卉等植物中广泛存在，也是存在于人眼视网膜黄斑区的主要色素。人类等哺乳动物不能自行合成叶黄素，外来食物是唯一的叶黄素摄入来源。
组成元素为C、H、O
组成元素为C、H
知识拓展
韭黄，同属于韭菜的一种，韭黄是韭菜通过培土，遮光等在黑暗环境中软化栽培后产生的黄化韭菜。
知识拓展
叶绿素
1、组成元素：
C、H、O、N、Mg
秋天叶片变黄
2、影响叶绿素合成的三大因素
光照
温度
必需元素
自然光通过三棱镜
现象：光屏出现明显的色光带
自然光经过色素提取液后通过三棱镜
现象：色光带变暗，
且蓝紫光和红光大部分被吸收
绿叶中的色素能吸收光能，且主要吸收蓝紫光和红光。
捕获光能的色素
捕获光能的色素
叶绿素a和叶绿素b：主要吸收蓝紫光和红光
胡萝卜素和叶黄素：主要吸收蓝紫光
1.正常银杏的叶为什么呈绿色？秋季为什么变黄了？
2、冬季时，为了增加蔬菜的产量，应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？
3、试分析植物工厂中，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，选择蓝紫光和红光的照明灯为蔬菜补充光源的原因。
正常叶片中叶绿素的含量多，且对绿光吸收量最少，绿光被反射出来，所以呈绿色；秋季叶片的叶绿素分子在低温下被破坏，而类胡萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。
无色，因为太阳光由七色光组成，所以用无色的大棚塑料薄膜，植物可以获得更多的光能。
思考·讨论
应选择蓝紫光和红光。因为在照明灯功率相同的情况下，选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。
1817年，两位法国科学家首次从植物中分离出叶绿素，当时并不清楚叶绿素在植物细胞中的分布情况
1865年，德国植物学家萨克斯研究叶绿素在光合作用中的功能时，发现叶绿素并非普遍分布在植物的整个细胞中，而是集中在一个更小的结构里，后来人们称之为叶绿体。
2．叶绿体的结构适于进行光合作用
内膜
基粒
类囊体
基质
吸收光能的4种色素分布在类囊体薄膜上
增大了受光面积
增大了膜面积，类囊体薄膜上分布着光合作用有关的酶
有光合作用有关的酶
捕获光能的结构
外膜
极细的光束
黑暗，无空气
完全曝光
无空气
水绵
好氧细菌
极细光束照射
完全曝光
黑暗 无空气
好氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位
好氧细菌分布于叶绿体所有受光部位
1、恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
捕获光能的结构
排除光线和氧的干扰
极细的光束
黑暗，无空气
捕获光能的结构
完全曝光
无空气
2、恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
实验材料选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，用好氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比试验；临时装片暴露在光照下的实验再一次验证了实验结果，等等。
3、在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
捕获光能的结构
好氧细菌
水绵
好氧细菌
这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。
叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。（它内部的巨大膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，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酶。）
叶绿体的功能
练习与应用
1.基于对叶绿体的结构和功能的理解，判断下列相关表述是否正确。
（1）叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。（ ）
（2）叶绿体的类囊体上有巨大的膜面积，有利于充分吸收光能。（ ）
（3）植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光。（ ）
2.下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是（ ）
A.所有植物细胞中都含有4种色素
B.有些植物细胞的液泡中也含有色素
C.叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能
D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类
A
√
х
х
3、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？
有关。不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光所形成的，即红藻反射出红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多，即到达深水层的光线是短波长的光，因此，吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方。
4、与传统的生产方式相比，植物工厂生产蔬菜等食物有哪些优势？又面临哪些困难？你对植物工厂的发展前景持什么观点？
与传统的生产方式相比，植物工厂生产蔬菜可以精确控制植物的生长周期、生长环境、上市时间等，但同时面临技术难度大、操控要求高、需要掌握各种不同蔬菜的生理特性等问题。
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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。
二、光合作用的原理和应用
资料1：1913年，德国的威尔斯泰特对叶绿素分子进行了研究。在阐明了它的化学性质之后，研究了叶绿素与光合作用的关系。他发现：在光下，叶绿素的含量较高时，CO2转化为糖类的反应速率较快。
该资料说明了什么？
1、光合作用的原理
叶绿素(分布于类囊体膜上)在光合作用中有重要作用。
资料2：1937年，英国剑桥大学的希尔用离体的叶绿体做实验。他将离体的叶绿体加到具有H受体的水溶液中，在无CO2的条件下给予光照，发现叶绿体中有O2放出。
1、分析材料中的希尔反应，发生了什么化学反应，写出反应式？
2、根据希尔反应，推测水的光解发生的场所？
3、希尔反应能否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
H2O → O2+[H]
酶
类囊体薄膜
能说明，因为缺乏碳元素（CO2）
资料3：1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2。然后进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2,第二组给同种植物提供H218O和CO2。其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。
请分析鲁宾和卡门的实验可以得出的实验结论？
氧气中的O来源于水
O2
18O2
1、分析阿尔农的实验，发生了什么化学反应，写出反应式？
2、根据阿尔农的实验，推测ATP合成的反应发生的场所？
3、根据上述三则材料分析，经过以上反应的发生，光能的去向？
类囊体薄膜
ATP和[H]
资料4：1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验。在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi和H受体时，体系中就会有ATP和[H]产生。
ADP+Pi+能量 → ATP
酶
H2O → O2+[H]
酶
叶绿体光反应阶段能发生哪些反应？能量如何转变？
模型构建
构建光反应阶段的物质变化与能量转换模型
相关信息：
水分解为氧和H+ 的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递，可用于NADP+与H+ 结合形成NADPH。
叶绿体中
的光合色素
光能
H2O
水在光下分解
O2
NADPH
ADP+Pi
酶
ATP
光、酶、色素
类囊体的薄膜上
条件：
场所：
H2O+NADP+
光
酶
NADPH
+
O2
物质
ADP+Pi
+
光能
酶
ATP
能量
光能
ATP、NADPH中活跃化学能
过程：
光反应阶段
ATP和NADPH参与CO2生成糖类物质的反应
资料4：1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体继续做实验。在黑暗条件下，只要供给了ATP和[H]，叶绿体就能将CO2转变为糖。
根据实验现象分析，光反应阶段产生的ATP和NADPH的作用？
资料5：1946年，美国的马尔文·卡尔文等科学家将小球藻放置在含有14C标记的14CO2密封容器，培养相当短的时间之后，将小球藻浸入热的乙醇中杀死细胞，然后将提取分离各种化合物，追踪放射性14C的去路。把光照时间缩短为几分之一秒时，3-磷酸甘油酸(C3)占全部放射性的90％。5秒钟光照后卡尔文等同时检测到了含有放射性的C5（核酮糖-1，5-二磷酸，RuBP）和葡萄糖。
请根据实验现象，用箭头和化合物依次表示出CO2中的C在叶绿体中的转移过程。
CO2 C3 C5
（CH2O)
资料6：卡尔文及其同事们在实验过程中发现，在有光照和CO2供应的条件下，C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。但是，当改变其中一个实验条件后，二者的浓度迅速出现了规律性的变化：停止CO2供应时，C3的浓度急速降低，C5的浓度急速升高；停止光照时，C3的浓度急速升高，C5的浓度急速降低。
影响C3 转化成C5和（CH2O）
1、推测二氧化碳进入叶绿体后的第一个受体是什么物质？
2、光反应的ATP和NADPH可能作用于糖的合成哪一步反应？
C5
资料7：用温和方法分离得到的叶绿体结构完整，这样的叶绿体能够完成整个光合作用，包括CO2的固定和糖类的生成。用剧烈方法分离得到的叶绿体含有很少或者根本没有叶绿体基质。这样的叶绿体能在光下产生O2、ATP、[H]、但是不能固定CO2。
根据实验现象分析CO2转化成糖类的反应的发生场所？
叶绿体基质
叶绿体暗反应阶段能发生哪些反应？能量如何转变？
模型构建
构建暗反应阶段的物质变化与能量转换模型
C5
固
定
NADPH
还原剂、供能
酶
(CH2O)
糖类
场所：
条件：
叶绿体基质
多种酶
多种酶
参加催化
还 原
过程：
CO2+ C5
酶
2C3
酶
(CH2O)+C5
NADPH ATP
ATP
酶
ADP+Pi +能量
物质
能量
NADPH、ATP中活跃的化学能 糖类中稳定的化学能
酶
ATP
供能
ADP+Pi
卡尔文循环
CO2
2C3
光反应阶段 暗反应阶段
进行部位
条件
物质 变化
能量变化
联系 列表归纳和比较光反应和暗反应，找找两者的区别和联系：
光反应阶段 暗反应阶段
进行部位
条件
物质 变化
能量变化
联系 类囊体的薄膜
叶绿体基质中
光、色素和酶
不需要光，需要多种酶
光能转换成ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH中的化学能变成糖类中的化学能
光反应为暗反应提供
H2O+NADP+→NADPH+O2
ADP+Pi → ATP
CO2的固定CO2+C5 →2C3
C5
C3的还原2C3 （CH2O）
ADP、Pi和NADP+
暗反应为光反应提供
NADPH和ATP
酶
ATP NADPH
思考·讨论
1.光下的植物突然停止光照后，NADPH、ATP、C5化合物和C3化合物的含量如何变化？
2、光下的植物突然停止CO2的供应后，NADPH、ATP、C5化合物和C3化合物的含量如何变化？
NADPH、ATP降低 C5降低 C3升高
C5升高 C3降低 NADPH、ATP升高
思考·讨论
3.分析ATP、NADPH、ADP、NADP+等物质在叶绿体中移动的方向？
4、叶肉细胞产生ATP的场所有哪些？光合作用和细胞呼吸产生的ATP在用途上有什么不同？
ATP和NADPH：从叶绿体的类囊体薄膜 叶绿体基质；
ADP和NADP+：从叶绿体基质 类囊体薄膜。
细胞质基质、线粒体、叶绿体
光合作用产生的ATP只用于暗反应C3 的还原，细胞呼吸产生的ATP用于其他各项生命活动。
2、光合作用原理的应用
光合作用强度
1、概念：P105
2、表示方法：
3、影响因素：
单位时间内产生有机物的量、吸收CO2的量、释放O2的量
光照强度、二氧化碳浓度、温度、
水分、矿质元素、光质、光照时间
酶的数量、色素的含量、C5的含量等
内因：
外因：
与植物自身的遗传特性有关。如阳生植物和阴生植物
植物叶片的叶龄、叶面积指数
探究光照强弱对光合作用强度的影响
叶片含有空气，上浮
抽气
叶片 ；
O2充满细胞间隙，叶片 。
光合作用
实验原理：
下沉
上浮
产生O2
（1）自变量：
光照强弱
（2）因变量：
光合作用强度
（3）无关变量：
要求相同且适宜，温度、叶圆片数量、时间等
相同时间小圆形叶片浮起的数量
控制方法：不同瓦数的台灯
或相同瓦数台灯离实验装置的距离
阅读教材P105
探究光照强弱对光合作用强度的影响
用中间的盛水玻璃柱吸收热量排除干扰
实验过程：
实验结论：光合作用的强度受光照强度的影响，在一定光照强度范围内，随光照强度升高光合作用速率逐渐增强。
光照强度
光合速率
0
光照强度
P
夏季晴天一天时间
O
光合作用强度
13
11
A
B
C
D
E
9 10
15 16 17
14
光照强度
应用：白天：适当增强光照
阴雨天：适当补光
合理密植，间作套种
P点限制因素：CO2浓度，温度，色素含量、酶数量等
12
光合午休：夏季晴天的中午气温高，植物为防止蒸腾失水而关闭气孔，CO2吸收减少，进而降低光合速率。
CO2浓度
光合速率
0
CO2浓度
A
B
A点：
AB段：
B点：
进行光合作用所需CO2的最低浓度
在一定范围内，随C02浓度的提高，植物的光合速率加快
表示C02的饱和点，CO2超过该浓度，光合速率达到最大不再提高。
应用：
（2）温室栽培，晴天适当增加CO2浓度
（1）合理密植使农田通风良好。 “正其行，通其风”
H2O
含水量
光合作用的原料；
植物体内各种生化反应的介质；
影响气孔的开闭。
应用：根据作物需水规律合理灌溉；预防干旱、洪涝
OA段：在一定范围内，水
越充足，光合作用速率越快
缺水
气孔关闭
进入叶片CO2减少
暗反应减慢，光合作用下降
三、化能合成作用
能够利用体外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合成作用
1、概念
例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+6H2O C6H12O6+ 6O2
能量
相同 不同（物质） 实例
异养 生物
自养 生物
都能合成物质储存能量
无机物
↓
有机物
人、动物、真菌、大多数细菌
有机物
↓
有机物
绿色植物、硝化细菌、硫细菌、铁细菌等
异养生物与自养生物比较
1.依据光合作用的基本原理，判断下列相关表述是否正确。
（1）光合作用释放的氧气中的氧元素来自水。（ ）
（2）光反应只能在光照条件下进行，暗反应只能在黑暗条件下进行。（ ）
（3）影响光反应的因素不会影响暗反应。（ ）
√
х
х
2.如果用含有14C的CO2来追踪光合作用中碳原子的转移途径，则是（ ）
A.CO2→叶绿素→ADP B.CO2→叶绿体→ATP
C.CO2→乙醇→糖类 D.CO2→三碳化合物→糖类
练习与应用
D
3.根据光合作用的基本过程填充下图。
光
H2O
B
A
C
D
E+Pi
F
G
CO2
J
H
I
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_____部位，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
[H]
基质
作为还原剂和能源物质，还原C3
ATP
光能
光反应
[H](或NADPH)和ATP
色素
C5化合物
C3化合物
糖类
暗反应
4.下图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答问题。
（1）7——10时的光合作用强度不断增强的原因是 。
光照强度逐渐增强
（2）10——12时左右的光合作用强度明显减弱的原因是 .
。
此时温度很高，防止蒸腾失水，导致气孔大量关闭，CO2无法进入叶片组织，致使光合作用暗反应受到限制
（3）14——17时的光合作用强度不断下降的原因是 。
光照强度不断减弱
（4）从图中可以看出，限制光合左右的因素有 。
光照强度、温度等
（5）依据本题提供的信息，提出提高绿色植物光合作用强度的一些措施。
根据本题信息，可以利用温室大棚控制光照强度、温度的方式，如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等，提高绿色植物光合作用强度。
5、如图为光合作用示意图。下列说法错误的是（ ）
a．①表示o2，③表示还原型辅酶ⅱ，④表示co2
b．暗反应中，co2首先与c5结合生成c3，然后被还原（ch2o）
c．黑暗条件下，光反应停止，暗反应将持续不断地进行下去
d．增加光照强度或降低co2浓度，c3的含量都将减少
C
6．下图表示氢元素的转移途径，其中①②表示植物叶肉细胞光合作用的有关途径，③④表示细胞呼吸过程中的有关途径。下列相关叙述正确的是（ ）
A．途径①产生的NADPH和途径③产生的[H]是同种物质
B．途径①③在生物膜上进行，途径②④在基质中进行
C．途径①②③④都发生了能量的转化
D．光合作用的原料H2O中的氧原子可以依次经过途径①②③④转移到细胞呼吸的产物H2O中
H2O→
C
①
NADPH→
②
（CH2O）→
③
[H] →H 2O
④
7．如图表示光合作用与呼吸作用过程中物质变化的关系。下列说法错误的是（　）
A．提供给绿色植物各项生命活动所需能量最多的过程是5
B．具有细胞结构的生物都能进行细胞呼吸，且都能进行的过程是3
C．过程1、3和4产生的NADPH和[H]都能与氧结合生成水
D．过程2需要多种酶的参与，且需ATP供能
C

展开更多......

收起↑