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5.4 光合作用与能量转化
二、 光合作用的原理和应用
O2
CH2O
H2O
CO2
太阳能
类囊体
叶绿体基质
一、光合作用的原理
（1）概念：
指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把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。
场所
能量来源
反应物
产物
（2）反应式：
CO2+H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
（3）实质：
合成有机物，储存能量
1. 光合作用
一、光合作用的原理
2. 探索光合作用原理的部分实验（思考·讨论 P102）
（1）19世纪末
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)n
甲醛 → 糖
①甲醛对植物有毒
②甲醛不能通过光合作用转化成糖
（2）1928年
缩合
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氧气。
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？
不能，反应体系中可能还存在其他氧元素供体。
1、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CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。
思考：
（3）光反应的研究--希尔反应
希尔反应：
离体叶绿体
铁盐(或其他氧化剂)
H2O
2H+
+ O2 + 2e-
光照
水的光解
（4）光反应的研究--鲁宾和卡门实验
同位素示踪法
结论：光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2。
（5）光反应的研究--阿尔农的实验
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NADP+(氧化性辅酶Ⅱ)时，体系中就会有ATP和NADPH产生（NADP+、H+和电子结合会形成NADPH）。
1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
H2O
光照
叶绿体
O2 + 2H+ + 2e-
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
NADP＋＋H+＋2e →NADPH
酶
叶绿体中分离出的类囊体
缓冲介质
充分平衡
转移类囊体
加入ADP和Pi
无光条件放置
A组
B组
B组
A组
类囊体膜内外的pH都为4
（6）光反应的研究--贾格道夫的实验
未检测到
检测到ATP
8
思考：
1、本实验的自变量是什么？因变量是什么？
类囊体膜两侧是否具有 H+ 浓度梯度；
（6）光反应的研究--贾格道夫的实验
是否生成 ATP
思考：
2、分析实验结果，可得出什么结论？
ATP合成与类囊体膜两侧的H+浓度梯度有关
（6）光反应的研究--贾格道夫的实验
思考：
3、在叶绿体内，类囊体膜通过__________（主动运输/协助扩散/自由扩散）的方式才能创造其两侧的 H+浓度差。
主动运输
（6）光反应的研究--贾格道夫的实验
ADP＋Pi
ATP
类囊体腔
叶绿体中的色素
水
e
光子
H+浓度差
e
2e＋NADP＋＋H+→NADPH
ADP＋Pi→ATP
H2O→1/2O2 ＋2H+＋2e
光
光合作用研究--光反应详解
光合作用研究--光反应详解
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光合作用研究--光反应详解
H2O→????????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中的化学能
NADP＋＋H+＋2e- →NADPH
酶
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
3. 光反应阶段
类囊体薄膜
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
H+
NADPH
酶
条件：
光、色素、多种酶
场所：
类囊体薄膜
物质转化
水的光解：
ATP的合成：
H2O ????????O2 + 2H+ +2 e-
?
光
色素
光能
能量转化:
ATP、NADPH中的化学能
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
NADPH的合成：
NADP+ + H+ +2 e- NADPH
酶
一、光合作用的原理
（7）暗反应的研究--卡尔文循环
给小球藻通14CO2在光下培养
杀死细胞
终止光合作用
提取溶液中的物质，用纸层析法使这些物质分离
放射性显影
确定放射性位置
光照60s取样时产生的放射性物质
思考：如何确定放射性首先出现在哪种化合物中？
缩短取样时间时产生的放射性物质
再溶解，化学分析，表明是3-磷酸甘油酸（C3）
（7）暗反应的研究--卡尔文循环
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光合作用研究--暗反应详解
韧皮部（筛管）
植株各处
光合作用研究--暗反应详解

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
光合作用研究--暗反应详解

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)+C5
酶
ATP和NADPH中的化学能
糖类等稳定化合物中的化学能
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
NADPH
酶
能量
CO2的固定：
CO2＋C5
酶
C3的还原：
ATP
ADP+Pi
叶绿体的基质中
糖类等有机物中
稳定的化学能
2C3
酶
NADPH 、ATP、酶
NADP+
NADPH
(CH2O)+C5
ATP、NADPH中
活跃的化学能
2C3
一部分是淀粉，
一部分是蔗糖
场 所：
条 件：
物质变化
能量转换：
相关信息
C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）
一、光合作用的原理
4. 暗反应阶段
自主构建模型
O2
2C3
CO2
C5
NADPH
ATP
ADP+Pi
NADP+
光反应
暗反应
H20

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