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第5章 细胞的能量供应和利用
5.4 光合作用与能量转化
第二部分 光合作用的原理用
学习目标：
1.掌握光合作用的概念、反应式、实质、探索历程（希尔、鲁宾和卡门、卡尔文、阿尔农实验）
2.重点掌握光反应和暗反应的场所、条件、物质变化、能量变化和联系
绿色植物通过 ，利用 ，将 转化成 ，并且释放出 的过程。
1.概念：
叶绿体
光能
二氧化碳和水
储存着能量的有机物
氧气
2.反应式：
3.实质：
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
思考：
1.叶绿体是如何将光能转化为化学能？
2.又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？
3.光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
合成有机物，储存能量
光合作用
资料1：19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。
3.探索光合作用原理的部分实验
资料2：希尔反应
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
1.什么是希尔反应？
2.基于以上材料，尝试补充完整希尔实验表达式什么？
O2
H+
H2O
光照、离体叶绿体
铁盐Fe3+
（或其他氧化剂）
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(Fe3+)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。
离体的叶绿体悬浮液
3.希尔实验说明水的光解产生氧气，能否确定氧气中的氧元素全部来自水？
不能，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。
4.希尔的实验是否说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应？
能够说明，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2的碳元素
实验思路：用同位素标记法来研究O2的来源
材料：小球藻，一种单细胞的绿藻
处理：用18O分别标记CO2和H2O，给予光照
光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2。
结果：
结论：
对比实验
资料3：鲁宾和卡门的实验
A为O2，B为18O2
资料4： 20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻（小球藻是一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：
用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。
(同位素标记法、放射自显影技术）
光照下，水光解，同时ADP和Pi合成ATP。
资料5：阿尔农的发现
H2O O2+NADPH+能量
ADP+Pi ATP
光照
叶绿体
尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系？
结论：
1954年，美国科学家阿尔农发现，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。
光照、光合色素、与光反应有关的酶
叶绿体的类囊体薄膜
水的光解：
H2O 1/2O2 +2e-+2H+
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋光能 ATP
酶
①场所：
②条件：
③物质变化
④能量变化
光能转化为NADPH、ATP活跃的化学能
NADP+ +H++2e- NADPH
（1）光反应阶段
NADPH的合成:
酶
光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。
4.光合作用的过程
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
ATP
ADP+Pi
酶
O2
NADP+
H2O
光解
光反应阶段
类囊体薄膜
NADPH
太阳能
CO2
光合作用第二个阶段中的化学反应， 光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。
暗反应阶段的化学反应是在 中进行的。在这一阶段，CO2被利用，经过一系列的反应后生成 。
CO2是如何转变成糖类的呢
（2）暗反应阶段
有没有
叶绿体的基质
糖类
（2）暗反应阶段
①场 所：
叶绿体基质
②条 件：
多种酶、CO2
暗反应示意图
14CO2→14C3→(14CH2O)和14C5
葡萄糖、淀粉在叶绿体基质中合成
蔗糖在细胞质基质中合成，进入筛管，再通过韧皮部运输到植物各处
植物光合作用也可合成蛋白质、脂质等有机物
多种酶催化
③物质变化：
④能量变化：
CO2的固定：CO2+C5 →2C3
酶
C3的还原：2C3 C5+(CH2O)
酶
ATP、NADPH
ATP和NADPH中的活跃化学能→有机物中稳定的化学能
注：C3是指3-磷酸甘油酸；C5是指核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）
ATP和NADPH的水解
结合课本，说出暗反应阶段的物质变化、能量变化。
ATP
ADP+Pi
酶
O2
NADP++H+
H2O
光解
光反应阶段
类囊体薄膜
NADPH
暗反应阶段
2C3
CO2
（CH2O）
多种酶
参加反应
固定
叶绿体基质
还原
C5
光合作用的过程
可见光
供能
供氢、供能
P103 构建光合作用过程的模型
P106光合作用图解
O2
ATP
NADPH
NADP＋
ADP＋Pi
2C3
C5
叶绿体的类囊体薄膜
叶绿体基质
可见光
供能
供氢、供能
NADPH作用：
1.做还原剂，参与C3的还原(供氢）
2.为暗反应提供能量
光合色素
光反应阶段 暗反应阶段（卡尔文循环）
场所
条件
物质变化
能量变化
联系 叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光、色素、酶
有光无光都可，多种酶
光能→ATP、NADPH中活跃的
化学能
ATP、NADPH中活跃的化学能→
有机物中稳定的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH；暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料。二者相互依存，相互制约
H2O 1/2O2+2H++2e-
光
→
NADP++H++2e-→NADPH
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
→
CO2+C5 →2C3
酶
2C3 C5+(CH2O)
酶
ATP、NADPH
比较
酶
5.分析：
光照强度减弱和CO2供应减少后，短时间内，叶绿体内的C5、C3、有机物、NADPH和ATP的含量如何变化？
来源---去路法分析物质含量变化
有机物↓
有机物↓
【环境因素骤变对物质变化的模型分析】
物
质含
量
时间
强光照
C3
NADPH、ATP、
C5、(CH2O)合成量
弱光照
CO2浓度不变：光照强度改变
物
质含
量
时间
CO2缺乏
C3、(CH2O)
C5、NADPH、ATP
CO2充足
光照强度不变：CO2浓度改变
【环境因素骤变对物质变化的模型分析】
概念
光合作用的原理的探索
光反应
暗反应
反应式
希尔
鲁宾和卡门
阿尔农
卡尔文
水的光解
NADPH合成
ATP合成
CO2 的固定
C3 的还原
CO2+H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
光合作用的过程
光合作用
总结

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