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(共56张PPT)
5.4 光合作用与能量转化
第1课时：捕获光能的色素与结构
第2课时：光合作用的过程
第3课时：影响光合作用的因素及其应用
第5课时：拓展：光呼吸与C3、C4、CAM植物
第4课时：光合与呼吸综合
光合作用
细胞呼吸
能量
ATP
酶
物质代谢
有机物
分解
有机物
合成
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
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
试剂 原理
提取 ________ 绿叶中的色素溶于 ，而不溶于水
分离 _______ 各种色素在 中的 不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得 ，反之则慢
(1)实验原理
无水乙醇
层析液
有机溶剂
层析液
溶解度
快
一、捕获光能的色素
1.探究：绿叶中色素的提取与分离
提取色素要注意什么？
1. 破碎细胞及叶绿体，使色素充分释放。
2. 保证色素的结构和活性不被破坏。
3. 使色素溶解于试剂中。
(2)实验步骤
二氧化硅
碳酸钙
扩散均匀、整齐
单层尼龙布（滤纸会吸收色素）
管口加棉塞（防止乙醇挥发和色素氧化）
干燥的定性滤纸
避免层析液在边缘扩散过快（边缘效应），使其同步到达细线
将滤纸剪成能放入试管中的滤纸条
在滤纸条一端剪去两角
在距去角一端1 cm处用铅笔画一条细的横线
铅笔线
剪两角
画滤液细线
将滤液倒入培养皿，用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀画出一条细线。等滤液干后再画一到两次。
为了积累更多的色素，使分离后的色素带更明显
★要求：细、直、齐 ；重复2—3次
(2)实验步骤
二氧化硅
碳酸钙
扩散均匀、整齐
单层尼龙布（滤纸会吸收色素）
管口加棉塞（防止乙醇挥发和色素氧化）
结果分析：
①色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有
_____色素。
②色素带的宽窄与色素含量有关，色素带越宽说明此
种色素含量 。色素带最宽的是 ，最窄的
是 ，叶绿素b的色素带比叶黄素的稍宽。
③色素带扩散速度与 有关，扩散速度越快说明溶解度越 。
④相邻两条色素带之间距离最远的是 ，最近的是____
_____________。
四种
越多
叶绿素a
胡萝卜素
溶解度
高
胡萝卜素和叶黄素
叶绿
素a和叶绿素b
色素种类 颜色 吸收光谱
________ 类胡萝卜素(含量约占1/4) 橙黄色 主要吸收___
_____
叶黄素 _____
________ 叶绿素(含量约占3/4) 蓝绿色 主要吸收___
___________
叶绿素b ______
(3)实验结果分析
胡萝卜素
蓝
紫光
叶绿素a
蓝
紫光和红光
黄色
黄绿色
含量最多
含量最少
2.色素的种类
叶绿素溶液
叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
类胡萝卜素溶液
红橙黄绿青蓝紫
2.叶绿体中的色素及色素的吸收光谱
叶绿素b
叶绿素a
由图可以看出：
(1)叶绿体中的色素只吸收_______，而对红外光和紫外光等不吸收。
(2)叶绿素对_____________
的吸收量大，类胡萝卜素对________的吸收量大，对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。
可见光
红光和蓝紫光
蓝紫光
源于必修1 P99“图5－12”“旁栏思考”
(1)从叶绿素吸收光谱图可知：叶绿素a在红光部分的吸收带较叶绿素b偏向长波方面，且吸收光谱带比叶绿素b宽，叶绿素b在蓝紫光部分的吸收光谱带比叶绿素a (填“宽”或“窄”)。
(2)研究表明：在遮光条件下，以蓝紫光为主的散光占比增加。请预测：在适当遮光的条件下叶片(比如同一植物底层叶片)中叶绿素a/b ，弱光下的吸光能力 ，有利于提高植物的捕光能力，是对弱光环境的一种适应。
宽
降低
增强
3.色素的功能
吸收、传递和转化光能
具有转化光能是少数的叶绿素a。
因此，没有叶绿素a的植物不能进行光合作用。
3.色素的功能
吸收、传递和转化光能
实验出现异常现象的原因分析
归纳总结
异常现象 原因分析
收集到的滤液绿色过浅 ①未加二氧化硅，研磨不充分；
②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少；
③一次加入大量的无水乙醇，提取液浓度太低(正确做法：分次加入少量无水乙醇)；
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏
实验出现异常现象的原因分析
归纳总结
滤纸条色素带重叠 ①滤液细线不直；
②滤液细线过粗
滤纸条无色素带 ①忘记画滤液细线；
②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中
(3)植物工厂里为什么不用发绿光的光源？
提示　这种波长的光被光合色素吸收的最少，因此不能用于光合作用中合成有机物。
1.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？
提示　这与光能的捕获有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光，藻类本身的颜色是它们“反射”的光。
2.温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充什么颜色的光源？
提示　最好选用无色透明的玻璃或塑料薄膜，因为它可以使各种颜色的光通过；补充光源可选择红光或蓝紫光，因为这种颜色的光植物光合作用吸收利用较多，更有利于植物进行光合作用。
拓展 提升科学思维
A B
补：
叶绿素的分子结构
C、H、O、N、Mg
C、H
叶黄素：C、H、O
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
分布：
形态：
绿色植物中，能进行光合作用的细胞。
扁平的球形或椭球形。
结构：
双层膜
基粒：
外膜
内膜
功能:
“养料制造车间”、“能量转换站”
基质：含有少量的DNA、RNA、核糖体、酶
半自主细胞器
1、叶绿体的结构和功能
由多个类囊体堆叠而成，有光合作用相关的酶和色素
进行光合作用的场所
水绵
黑藻
2、叶绿体功能的实验验证
恩格尔曼的第一个实验

表述实验过程及结果，分析实验结论？
叶绿体可通过吸收光能进行光合作用并释放氧气
恩格尔曼的第一个实验
1.实验材料为什么选择水绵和好氧细菌？
2.为何要除去小室中原有的空气？
3.在黑暗中用极细光束照射水绵有何巧妙之处？

4.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下？
1.恩格尔曼实验设计的巧妙之处
(1)实验材料用 ，水绵的叶绿体呈 分布，便于观察，用需氧细菌可确定 的部位。
(2)没有空气的黑暗环境排除了 的干扰。
(3)用极细的光束照射，叶绿体上可分为 和 的部位，相当于一组对比实验。
(4)临时装片局部曝光与完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。
拓展 提升科学思维
水绵和需氧细菌
螺旋带状
释放氧气
氧气和光
有光照
无光照
恩格尔曼进一步实验
光
三棱镜
临时装片
好氧细菌
水绵
好氧细菌
恩格尔曼的第二个实验
1.叶绿体的结构和功能
(1)叶绿体立体结构
光合色素分布于 上。光合作
用的酶分布于______________________
________。
(2)叶绿体的功能：进行光合作用的场所。
(3)叶绿体中色素的功能： 、 、 光能。
归纳 夯实必备知识
外膜
内膜
类囊体
基质
基粒
类囊体薄膜
叶绿体基质、基粒(或类
囊体膜)
吸收
传递
转化
2.叶绿体功能的实验验证
(1)资料1：(必修1 P100)
①实验者：德国科学家 。
②实验结论
a.叶绿体能 用于光合作用放 。
b.叶绿体主要吸收 。
恩格尔曼
吸收光能
氧
红光和蓝紫光
(2)资料2(必修1 P101)：在叶绿体的类囊体膜上和基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。
该资料说明光合作用的有关生化反应在 中进行。
(3)总结：在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的______
___，在 中，还有许多进行光合作用所必需的酶。 是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
叶绿体
色素分
子
类囊体膜上和叶绿体基质
色素和酶
2.一般植物的叶片在春夏季节为绿色，而在秋季呈现黄色。出现这一现象的原因是什么？
提示　春夏季节叶片中的叶绿素含量较多，叶绿素对绿光吸收较少，绿光大部分被反射出来，所以叶片会呈现绿色。而到了秋季，叶片中主要是类胡萝卜素，故而呈现黄色。
影响叶绿素合成的三大因素
叶绿素不稳定，易分解
C B
三、光合作用的过程
1、光合作用的概念
(1)光合作用的概念：绿色植物通过 ，利用 ，将____________
转化成储存着能量的 ，并且释放出 的过程。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
三、光合作用的过程
2、探索光合作用原理的部分实验
年份 科学家 发现
19世纪末 — 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
1928 — 发现 对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过_________转化成糖
甲醛
光合作用
材料：离体叶绿体
处理：给离体叶绿体悬浮液加入氧化剂，
不通入CO2；给予光照
结果：叶绿体有O2释放。
叶绿体中H2O光解产生氧气。
推测：
1937年 希尔实验
思考：
1、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？
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？
实验思路：用同位素标记来研究物质的去路
材料：小球藻
处理：用18O分别标记CO2和H2O，给予光照。
1941年 鲁宾和卡门实验
光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2。
结果：A为O2，B为18O2；
结论：
1937 英国植物学家希尔 发现 ，即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
1941 美国科学家鲁宾和卡门 用 的方法，研究了光合作用中氧气来源于H2O：
H218O＋CO2→植物→18O2；
H2O＋C18O2→植物→O2
1954 美国科学家______ 发现在光照下，叶绿体可合成 。1957年，他发现该过程总是与 相伴随
希尔反应
同位素示踪
阿尔农
ATP
水的光解
实验思路：同位素标记14CO2，研究物质转化过程
材料：小球藻
处理：光照、提供14CO2；不同时间杀死小球藻，鉴定放射性物质。
卡尔文实验
CO2 C3 C6
C5
结果：先出现14C3，最后出现14C5、14C6
结论：
三碳化合物
其他中间产物
5秒后
60秒后
(3)源于必修1 P104正文拓展：光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s，发现放射性代谢产物减少到12种，想要探究CO2转化成的第一个产物，可能的实验思路是___________________________
__________________________________________________________________________________________________。
不断缩短光照时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物，该物质即为CO2转化成的第一个产物
3、光合作用的过程
第1阶段：光反应
1、场所：
类囊体薄膜
2、物质变化：
说明
NADP+：氧化型辅酶Ⅱ
NADPH：还原型辅酶Ⅱ
3、能量变化：
光能→(NADPH和ATP中)活跃化学能
①水的光解：2H2O
O2+4H+
光
色素、酶
②ATP的合成：ADP+Pi+能量 → ATP
酶
③NADPH的合成：NADP+ +H+ → NADPH
酶
3、光合作用的过程
第2阶段：暗反应
1、场所：
叶绿体基质
2、物质变化：
①CO2的固定：
②C3的还原：
3、能量变化：
(NADPH和ATP中)活跃化学能→有机物中稳定化学能
NADPH为C3还原提供还原剂和能量。
3、光合作用的过程
光反应
还 原
O2
H2O
NADPH
ATP
ADP+Pi
NADP+
C3
C5
暗反应
固 定
多种酶参加催化
类囊体膜上的色素
光能
CO2
（CH2O）
光反应和暗反应联系：
光反应生成的ATP和NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP+。
项目 光反应 暗反应
过程模型
实质 光能转换为化学能，并放出O2 同化CO2形成有机物
时间 ，以微秒计 较_____
3.光合作用的过程
短促
缓慢
条件 色素、光、酶、水、ADP、NADP＋、Pi，必须有光 多种酶、ATP、NADPH、CO2、C5，有无光均可
场所 在叶绿体内的 上进行 在叶绿体 中进行
物质转化 ①水的光解：___________________； ②ATP的合成：__________________ ___________； ③NADPH的合成： ①CO2的固定：
__________________；
②C3的还原：
注：NADPH为C3还原提供还原剂和能量。
类囊体薄膜
基质
ADP＋Pi＋能量
能量转化 光能→___________________________ ATP和NADPH中活跃的化学能→________________
_______
关系 在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体薄膜上的色素捕获后，将水分解为________等，形成 ，于是光能转化成________________________；______________驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分
ATP和NADPH中活跃的化学能
有机物中稳定的
化学能
O2和H＋
ATP和NADPH
ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH
(1)源于必修1 P104“相关信息”：___是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸，___是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)。
(2)源于必修1 P104“相关信息”：光合作用的产物有一部分是_____，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入 ，再通过韧皮部运输到植株各处。
C3
C5
淀粉
筛管
请分析光照强度减弱后，叶绿体内的C5、C3、[H]和ATP的含量如何变化？
请分析CO2浓度下降后，叶绿体内的C5、C3、[H]和ATP的含量如何变化？
4、环境改变时光合作用各物质含量的变化
4.环境改变时光合作用各物质含量的变化
(1)“过程法”分析各物质变化
右图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：
(2)模型法表示C3和C5等物质含量变化
项目 光合作用 化能合成作用
条件 光、色素、酶 酶
原料 CO2和H2O等无机物
产物 等有机物
能量来源 _____ 某些无机物氧化时释放的能量
生物种类 绿色植物、蓝细菌等 、硫细菌等
(4)源于必修1 P106“小字部分”：光合作用和化能合成作用的比较
糖类
光能
硝化细菌
1.图示模拟的是光合作用的什么过程？人工合成淀粉过程和自然光合作用下关于二氧化碳的固定是否相同，为什么？
提示　暗反应；不相同；人工合成淀粉过程中二氧化碳固定还原成了更容易溶于水的甲醇等一碳化合物，而自然光合作用下二氧化碳固定合成的是三碳化合物。
2.图中显示CO2还原需要人工提供的能量来自__________。植物叶肉细胞中碳的还原所需要能量由______________提供。
3.在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，人工合成淀粉过程中糖类的积累量等于植物吗？为什么？
提示　不等于；因为人工合成淀粉过程中没有呼吸作用消耗糖类。
H2、ATP
NADPH、ATP
4.从生态环境的角度阐述人工合成淀粉的意义。
提示　有助于避免使用农药和化肥对环境等负面影响；从实现碳中和角度来说可以直接减少空气中的CO2等。
AD
DB
②___________________ _____ 对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③___________________ _____________ 称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
减少叶片差异造成的
误差
叶绿素定量测定(或测
定叶绿素含量)
实验步骤的目的 简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，并用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组 ①____________________________________
在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮

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