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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
——光合作用的原理和应用
捕获光能的色素：
捕获光能的结构：
叶绿体吸收光能用于光合作用释放氧气
一、捕获光能的色素和结构
二、光合作用
1、光合作用的概念：
绿色植物通过 ，利用 ，把 ____________转化成储存着能量的 ，并且释放 的过程。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
光合作用的实质：
合成有机物，储存能量
呼吸作用的实质：
分解有机物，释放能量
CO2
+
H2O
（CH2O）
O2
+
光能
叶绿体
6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2
二、光合作用
2、探索光合作用原理：
19世纪末
CO2
O2
C + H2O
甲醛
→
→
糖
(CH2O)
1928年
甲醛不能通过光合作用转化成糖，甲醛对植物有毒。
初步判断：
氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。
基本否定了光合作用中的O2来源于CO2的猜测。
二、光合作用
2、探索光合作用原理：
1937年
英国植物学家希尔发现，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O2。
（有H2O，无CO2）
铁盐
光照
离体叶绿体在适当条件下发生水的光解产生氧气的化学反应称作希尔反应。
【思考】1.为使离体的叶绿体保持活性，对悬浮液的要求是？
等渗溶液
2.希尔反应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？
3.希尔的实验是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CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。氧气产生和糖类合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。
1941年
美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源，他们用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：
实验结论：
氧气中的氧元素全部来自于H2O
二、光合作用
1954年
美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi 和 NADP＋（辅酶Ⅱ）时,会有 ATP和 NADPH （还原型辅酶Ⅱ）产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
尝试用反应式来表示ATP、NADPH的合成与希尔反应的关系：
二、光合作用
H2O → 1/2O2 ＋2H+＋2e
光
NADP＋＋H+＋2e→NADPH
ADP＋Pi＋能量→ATP
阿尔农实验说明：水的光解伴随着ATP和NADPH的生成。 能可以转化
成 能储藏在直接能源物质 中， 可以作为氢受体。
光
活跃的化学
ATP
NADP＋
二、光合作用
光反应
暗反应（碳反应）
光合作用
划分依据：反应过程是否需要光能
ADP＋Pi
ATP
光反应过程详解：
H2O→1/2O2 ＋2H+＋2e
光
2e＋NADP＋＋H+→NADPH
ADP＋Pi+能量→ATP
光反应过程详解：
二、光合作用
1.光反应阶段
场所：
叶绿体内的类囊体薄膜上
条件：
光、色素、酶
物质变化：
光合色素吸收光能
①水的光解：
②合成 ATP：
H2O O2 + 2H+ + 2e
光能
酶
1
2
NADP+＋H+＋2e NADPH
酶
光能
ADP + Pi ATP
酶
能量变化：
光能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能
二、光合作用
1.光反应阶段
类囊体薄膜
的色素分子
二、光合作用
1.光反应阶段
可见光
吸收
H2O
光解
O2
H+、 e-
NADP+
NADPH
ADP+Pi
ATP
二、光合作用
2.暗反应阶段
【补充实验】 阿尔农继续用离体叶绿体做实验，在黑暗条件下,只要供给CO2、ATP和NADPH（[H]） ，叶绿体就能将CO2转变为糖，同时ATP和[H] 含量急剧下降。
实验说明：
ATP和NADPH（[H]）被用于 的过程。
CO2转变为糖
二、光合作用
2.暗反应阶段
1946年卡尔文实验
卡尔文供给小球藻持续的光照和CO2，使其光合作用稳定。然后，在短时间内加入放射性同位素标记的14CO2，追踪检测产物的放射性。
技术：同位素标记法
二、光合作用
2.暗反应阶段
光照处理30秒后,检测到带14C的产物是C3、C5和（CH2O）。
1946年卡尔文实验
【思考】如何确定放射性首先出现在哪种化合物中？
缩短光照时间，当检测到的化合物只有一种时，该化合物就是第一个产物。
在5秒钟的光照后,14C出现在C5和（CH2O）中。
将光照时间缩短0.5s时发现,小球藻细胞中含14C的产物只有C3。
写出CO2中C的转移途径：
CO2
C3
C5
（CH2O）
二、光合作用
2.暗反应阶段
1946年卡尔文实验
卡尔文在用小球藻做实验时发现：如果光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少而C5量增加；突然停止光照，C3浓度急速升高而C5的浓度急速降低。
C5
2C3
CO2
（CH2O）
多种酶
说明：
C3与C5之间是 的。
相互循环
卡尔文循环
二、光合作用
2.暗反应阶段
场所：
叶绿体基质
条件：
ATP和NADPH、酶等
物质变化：
① CO2的固定:
CO2 + C5 2C3
酶
② C3的还原：
ATP+NADPH
2C3 C5 +（CH2O）
酶
能量变化：
ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
二、光合作用
2.暗反应阶段
固 定
CO2
C5
C3
还 原
（CH2O）
ATP
ADP+Pi
NADPH
NADP+
ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
二、光合作用
光合作用全过程：
类囊体薄膜
上的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
光反应
暗反应
NADP+
NADPH
酶
类囊体薄膜
叶绿体基质
可见光
H2O
O2
酶
酶
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
二、光合作用
光合作用全过程：
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
酶
可见光
H2O
O2
酶
酶
1.NADPH和ATP的移动途径是什么？
2.NADP+和ADP的移动途径呢？
3.NADPH的作用？
从类囊体薄膜到叶绿体基质。
从叶绿体基质到类囊体薄膜。
①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量
二、光合作用
光反应 暗反应
区别 是否需光
发生场所
物质变化
能量变化
联系 光反应与暗反应的区别与联系
必须有光
有光或无光均可
类囊体膜
叶绿体基质
水光解为O2和H+,
并生成ATP和NADPH
CO2的固定、C3的还原，以及ATP和NADPH的分解
光能→ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH中的化学能→有机物中稳定化学能
①光反应为暗反应提供ATP和NADPH，而暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+。
②光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃化学能转化为稳定化学能。

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