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第4节 光合作用与能量转化(第2课时)
第5章 细胞的能量供应和利用
原料：二氧化碳 水
产物：有机物(糖类) 氧气
场所：叶绿体
条件：光能 多种酶
（1）光合作用的原料、产物、场所、条件是什么？
（2）你能用一个化学反应式表示出来吗
光能
叶绿体
CO2 + H2O （CH2O)+ O2
1. 光合作用的概念
光合作用是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。
人们是如何发现光合作用过程的呢？
二. 光合作用的原理和应用
19世纪末，科学家普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。
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。
1937年，希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液（悬浮液中有H2O，没有CO2）中加入铁盐或其他氧化剂，在光照下可以释放出氧气。
2. 光合作用的探究历程
希尔反应：
离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应。
绿藻
绿藻
H218O
H2O
C18O2
CO2
H2O
H218O
O2
18O2
（一）
（二）
1941年 美国科学家 鲁宾、卡门
结论：光合作用释放的氧气来自水。
同位素示踪法探究的问题：
①3H标记亮氨酸--探究分泌蛋白的合成、加工、运输与分泌过程。
②18O标记H218O---探究光合作用产生的O2的来源。
③14C标记14CO2----探究光合作用中CO2中碳转化成有机物的过程。
光照射下的
小球藻悬液
相互对照
同位素标记法（P51）
思路：用放射性同位素标记来研究物质的去路
20世纪40年代，科学家开始用放射性同位素14C来研究光合作用。
卡尔文
卡尔文循环
1954年，美国科学家阿尔农发现，光照下，叶绿体可以合成ATP。
1957年，他发现这一过程总与水的光解相伴随。
光合作用释放的O2来自H2O
在光照下，叶绿体可合成ATP。
上述实验表明：
1.希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中氧元素全部都来自水？
不能说明，希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气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。
2.希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料——CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。
划分依据:反应过程是否需要光能
光反应
暗反应（碳反应）
3.光合作用过程
两个阶段
光合作用总反应式:
6CO2＋12H2O → C6H12O6＋6O2＋6H2O
CO2 + H2 O
（CH2O)+ O2
叶绿体
光能
光能
叶绿体
3.光合作用过程
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
光反应过程
H+
NADPH
酶
(1)光反应阶段
条件：
光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP+
场所：
类囊体薄膜上
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
H+
NADPH
酶
(1)光反应阶段
物质转化
水的光解:
ATP的合成:
H2O O2+H+
光
色素
ADP+Pi+能量 ATP+H2O
酶
NADPH的合成:
NADP++H++2e- NADPH
酶
光能
能量转变:
ATP和NADPH中活跃的化学能
主要产物:
O2、ATP、NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
（3）30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
弄清了CO2转化成有机物过程：
CO2
C3
(CH2O)
C5
卡尔文循环
1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了CO2转化为糖的途径：向反应体系中充入一定量的14CO2,给予光照
（1）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中。
（2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6).
称为卡尔文循环
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
暗反应过程
NADPH
酶
能量
(2)暗反应阶段
（卡尔文循环）
条件：
有没有光都可以，需多种酶、CO2、ATP、NADPH
场所：
叶绿体基质中
物质转化
CO2的固定:
C3的还原:
CO2＋C5 2C3
酶
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
ATP、NADPH中活跃的化学能
能量转变:
糖类中稳定的化学能
产物:
（CH2O）、ADP 、Pi、NADP+
说明: C3是三碳化合物，即3-磷酸甘油酸；
C5是五碳化合物，即核酮糖-1，5-二磷酸；
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
光反应
暗反应
光合作用的过程
H+
NADPH
酶
酶
能量
场所：类囊体薄膜
场所：叶绿体基质
NADPH和ATP的移动途径是？
从类囊体薄膜到叶绿体基质；
NADP+和ADP、Pi的呢？
从叶绿体基质到类囊体薄膜；
NADPH的作用？
1.活泼的还原剂；2.储存部分能量供暗反应阶段利用；
条件骤变时物质含量的变化
CO2浓度不变 光反应 NADPH ATP C3 C5 (CH2O)
光照减弱
光照增强
H2O
CO2
NADPH
O2
酶
多种酶
ADP+ Pi
ATP
C5
2C3
（CH2O）
H2O
水的光解
形成ATP
CO2的固定
C3的还原
积累、增加
消耗、减少
NADPH
条件骤变时物质含量的变化
光照不变 暗反应 C3 C5 [H] ATP (CH2O)
CO2浓度减少
CO2浓度增加
H2O
CO2
NADPH
O2
酶
多种酶
ADP+ Pi
ATP
C5
2C3
（CH2O）
H2O
水的光解
形成ATP
CO2的固定
C3的还原
积累、增加
消耗、减少
光照不变，停止CO2供应
暗反应
C3含量下降
C5含量上升
NADPH、ATP增加
O2产量减少
仍可进行
：CO2 + C5 → 2C3
酶
停止
2C3 +NADPH (CH2O)+C5
酶
ATP
光反应停止
H2O →2 NADPH + 1/2O2
+
Pi
+
光能
ATP
酶
ADP
没有暗反应光反应也不能进行
2C3 +NADPH (CH2O)+C5
停止光照，CO2供应不变
光反应停止
NADPH、ATP、O2产生减少
暗反应
仍正常进行
停止
C3含量上升
C5含量下降
(CH2O)合成量减少
H2O →2 NADPH+ 1/2O2
+
Pi
+
光能
ATP
酶
ADP
酶
ATP
：CO2 + C5 → 2C3
酶
暗反应停止
没有光反应就没有暗反应
NADPH
4. 反应式(写出反应式并标出元素的去向)
(1)若有机物为(CH2O):
(2)若有机物为C6H12O6:
5. 碳原子的转移途径：
14CO2
14C3
（14CH2O）
C5
氧原子的转移途径：
C18O2
C3
（CH218O）
C5
18O2
H218O
能量的转移途径：
光能
ATP和NADPH中活跃的化学能
(CH2O)中稳定的化学能
H的转移：
H2O → NADPH → (CH2O )
反应阶段
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
两阶段相同点 光合作用实质 联 系 光反应
暗反应
叶绿体类囊体的薄膜上
叶绿体基质
叶绿体色素、酶、光能
酶
H2O NADPH +O2
酶
ADP+Pi+能量 ATP
酶
CO2被固定C3被还原形成糖类
等有机物
光能→活跃的化学能
活跃的化学能→稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
ADP、Pi、(CH2O)、C5
都包括物质变化和能量变化
把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来
光反应与暗反应的比较
ATP → ADP+Pi+能量
酶
光反应
暗反应
暗反应
光反应
NADPH、ATP
ADP、Pi
整个光合作用过程中的物质 变化和能量变化分别是什么？
物质变化：
无机物
能量变化：
光能
转变
转变
光合作用的实质：合成有机物，储存能量。
有机物
糖类等有机物中的化学能
特别说明：光合作用的产物除糖类和氧外，还有氨基酸、脂肪等有机物
6. 光合作用的意义
①把无机物合成有机物，不仅是自身的营养物质,而且是人和动物的食物来源.
②将光能转换成化学能，贮存在有机物中，提供了生命活动的能量来源.
③维持了大气成分的基本稳定
【检测】(2020·陕西商洛丹凤中学高三月考)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化，说法正确的是(　　)A.突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值减少B.突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增加C.突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值增加D.突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值减少
B
1.新陈代谢的定义: 。
2.同化作用的定义:
3.异化作用的定义：
生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质，并且储存能量的变化过程。
生物体能够把自身的一部分组成物质加以分解，释放出其中的能量，并且把分解的终产物排出体外的变化过程。
细胞内全部化学反应的总称
三. 化能合成作用
自养型：能够直接把从外界环境摄取的无机物转变成为自身组成物质，并储存能量一类生物
同
化
作
用
类型
异养型：不能直接利用无机物制成有机物，只能把从外界摄取的现成的有机物转变成自身的组成物质，并储存能量的一类生物
例如：人、动物、真菌、大多数细菌
光能自养型：
化能自养型：
自养型
如：植物、蓝藻、光合细菌
硝化细菌、硫细菌、铁细菌
——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
例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌
化能合成作用
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
CO2+H2O （CH2O）+O2
能量
酶
异化作用类型
需氧型
厌氧型
兼性厌氧型
同化作用类型：
新陈代谢类型：同化作用类型+异化作用类型
自养型
异养型
自养需氧型
异养需氧型
异养厌氧型
异养兼性厌氧型
【检测】光合作用的过程可分为光反应和暗反应两个阶段，下列说法正确的是（ ）
A.叶绿体类囊体膜上进行光反应和暗反应
B.叶绿体类囊体膜上进行暗反应，不进行光反应
C.叶绿体基质中可进行光反应和暗反应
D.叶绿体基质中进行暗反应,不进行光反应
D
【检测】光合作用过程中，产生ADP和消耗ADP的 部位在叶绿体中依次为 ( )
①外膜 ②内膜 ③基质 ④类囊体膜
A. ③② B. ③④
C. ①② D. ④③
B
【检测】光合作用过程的正确顺序是（　 ）
①二氧化碳的固定 ②氧气的释放 ③叶绿素吸收光能④水的光解⑤三碳化合物被还原
A.④③②⑤① B.④②③⑤①
C. ③②④①⑤ D.③④②①⑤
D
B
【检测】在暗反应中，固定二氧化碳的物质是（　 ）
Ａ. 三碳化合物　Ｂ. 五碳化合物 Ｃ.［Ｈ］　Ｄ. 氧气　
【检测】某科学家用含有14C的CO2来追踪光合作用中的C原子，14C的转移途径是（ ）
A.CO2 叶绿体 ATP
B.CO2 叶绿素 ATP
C.CO2 乙醇 糖类
D.CO2 三碳化合物 糖类
D
【检测】在其他条件适宜的情况下，在供试植物正常进行光合作用时，突然停止光照，并在黑暗中立即开始连续取样分析，在短时间内叶绿体中C3和C5含量的变化是( )
A. C3和C5都迅速减少
B. C3和C5都迅速增加
C. C3迅速增加， C5迅速减少
D. C3迅速减少， C5迅速增加
C
CO2固定过程减慢， C3形成量减少;而C3的还原过程仍在进行。
【检测】下图是改变CO2浓度后与光合作用有关的 C5和C3在细胞内的变化曲线，请回答：
（3）光照强度和CO2浓度的变化均影响光合作用的速度，
但前者主要影响光合作用的 ，后者主要影响光合
作用的 。
（1）曲线a表示的化合物是 ，曲线b表示的化合物
是 ；
（2）在CO2浓度降低时，曲线a表示的化合物的含量迅速下降的原是
光反应
暗反应
C5
C3
【检测】根据下图生物体新陈代谢的图解回答有关问题:
(1)写出图中数字所代表的各项生理过程的名称:
①_________，②___________，③________，
④________。
(2)能进行①或②的生物属于_____型生物，
如_________和_________。
光合作用
化能合成作用
无氧呼吸
有氧呼吸
自养
绿色植物
硝化细菌
①光合速率的表示方法：
6CO2＋12H2O C6H12O6＋6O 2+6H2O
光能
叶绿体
四.影响光合作用的因素及实践应用
固定CO2的量
制造或产生有机物（糖类）量
产生O2的量
单位时间内光合作用
1. 影响光合速率的因素
简单地说，就是指植物在__________内通过光合作用__________的数量，也叫光合速率；
单位时间
制造糖类
②影响光合作用的因素有哪些？
CO2的浓度
H2O
光: 光照强度、光质、光照时间
温度
矿质元素（Mg合成叶绿素）
外因:
内因:
酶的种类、数量
色素的含量
叶龄不同
探究光照强弱对光合作用强度的影响
一. 实验原理
自变量:
光照强度
因变量:
光合作用强度
检测方法:
无关变量:
如温度、CO2等，要求相同且适宜
控制方法:
相同瓦数台灯离实验装置的距离
控制方法:
如温度，用中间的盛水玻璃柱吸收热量排除干扰
①.观察同一时间内装置中叶片浮起的数量，
或②.观察不同光照强度下浮起相同数量叶片所需的时间，
叶片中含有空气，放入水中会上浮 →→→→叶片下沉→→→→→O2充满细胞间隙，叶片上浮。
抽气
光合作用产生O2
根据单位时间内圆形叶片上浮的数量，间接判断光合作用强弱。
二. 方法步骤:
1.打孔: 用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片。（避开叶的主脉）
2. 将圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清水，待排出注射器内残留空气后，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出。这一步骤可重复几次。
3.将内部气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。这样的叶片因为细胞间隙充满了水，所以全都沉到水底。
避免光合作用产生O2，使叶片上浮
4.取3只小烧杯，分别倒入20 mL富含二氧化碳的清水(事先可用口通过玻璃管向清水内吹气)。
5.分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片，然后分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照(3盏40W台灯分别向3个实验装置照射，光照强弱可通过调节台灯与实验装置间的距离来决定)。
冷光源
光源会产生热量，导致温度不同，所以为了保证单一变量，应该加一个盛水玻璃柱，排除温度对实验结果的影响。
甲
乙
丙
叶片浮起数量多
叶片浮起数量中
叶片浮起数量少
强
中
弱
探究光照强弱对光合作用强度的影响
实验结论: 在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。
实验原理
让白光透过不同颜色的玻璃纸，与玻璃纸相同颜色的光才能通过，获得不同颜色（光质）的光。
变式：探究不同光质对光合作用强度的影响
根据同一时间内烧杯内小叶圆片上浮数量的差异，从而判断不同光质对光合作用强度的影响。上浮的数量越多，表明光合作用强度越大，反之则小。
其余操作方法同上。
分别用不同颜色的光（光质）去照射叶片。
编 号 1组 2组 3组 4组 5组
光 质 （自变量） 白光 紫光 蓝光 绿光 红光
对照组 实验组 光合作 用强度 （因变量） 以小圆叶 片浮起数 量为指标 第1次 10 8 4 0 10
第2次 10 8 3 0 9
第3次 10 9 3 0 9
第4次 10 8 2 0 9
第5次 10 8 3 0 9
平均值 10 8.2 3 0 9.2
某同学的实验结果（表格记录）
小圆叶片浮起数量/片
不同光质的光
白光
紫光
蓝光
绿光
红光
0
2
4
6
8
10
10
8.2
3
0
9.2
不同光质对菠菜小圆叶片浮起数量的影响
实验结果转化为柱形坐标图
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
只有呼吸作用，无光合作用
光合作用<呼吸作用
光合作用=呼吸作用
光合作用>呼吸作用
植物在进行光合作用的同时，还会进行呼吸作用。我们观测到的光合作用指标，如O2的释放量，是植物光合作用实际产生的总O2量吗？
线粒体
叶绿体
O2
释放O2
（可以测得）
叶肉细胞
光合作用产生的O2=释放到空气中的O2+呼吸作用消耗的O2
CO2
释放CO2 （可以测得）
净光合速率:
总光合速率:
O2的释放量
CO2的吸收量
有机物的积累、增加量
O2产生、制造量
CO2固定、同化、消耗量
有机物制造、产生、合成量
O2消耗量
CO2产生量
有机物消耗量
(表观光合速率)
呼吸速率:
有机物制造量 = 有机物积累量 + 呼吸有机物消耗量
总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率
O2产生量 = O2释放量 + 呼吸O2消耗量
CO2固定量 = CO2吸收量 + 呼吸CO2产生量
类型:
真正/实际/总光合（速率）=呼吸（速率）+ 净光合（速率）
测 量
计 算
速率 CO2 O2 糖类
实际/总/真正光合 固定、消耗、 产生 制造、生成
表观/净 （光下测量植物体） 吸收 释放 积累
呼吸 （黑暗中测量） 释放/产生 吸收 消耗
净光合（速率）=总光合（速率）— 呼吸（速率）
速率 表观/净（光下测量植物体) 实际/总/真正光合 呼吸
（黑暗中测量）
糖类 积累 制造、生成 消耗
CO2 吸收 固定 释放、产生
O2 释放 产生 吸收

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