资源简介

(共20张PPT)
细胞的能量供应和利用
5.4 光合作用与能量转化
（二）光合作用的原理
光合作用原理的探索
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。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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
CO2
C
O2
分开
H2O
甲醛：CH2O
结合
光合作用是如何进行的？氧气是如何产生的？
光合作用原理的探索
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill)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。像这样，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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论1.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。希尔反应是叶绿体离体状况下完成的，悬浮液中有H2O,没有合成糖的另一种必须原料——CO2，因此，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。
说明：_____________________________________________
O2的产生可以与 CO2的固定分开
光合作用原理的探索
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill)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。像这样，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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论2.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的氧元素全部都来自水？
不能，反应体系中可以还存在其他氧元素供体。
如何证明光合作用产生的氧气中氧元素的来源？
光合作用原理的探索
1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素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：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2,第二组释放的都是18O2。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
CO2
H218O
光照射下的
小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
光合作用原理的探索
1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素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：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2,第二组释放的都是18O2。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
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。
光合作用原理的探索
1954年，美国科学家阿尔农（D.Arnon)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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
光照
水
氧气
ADP+Pi
ATP
光合作用原理的探索
1. 叶绿体中的电子受体的发现
H2O
O2
NADPH + H+
2
2
+
光照
2
+
NADP+
叶绿体
水是电子供体，NADP+是最终的电子受体
20世纪50年代中期，科学家发现叶绿体中具有天然的电子受体 NADP+，在光照下NADP+得到电子和H+，生成NADPH。
探索光合作用原理补充实验
光合作用原理的探索
1966年，美国科学家雅根多夫在黑暗条件下将叶绿体置于pH为4的缓冲液中15 s后，再将叶绿体转移至含有ADP和Pi、pH为8的缓冲液中，此时类囊体膜内侧pH为4，外侧pH为8，随后类囊体膜两侧这一 pH 梯度逐渐减小，同时还伴随有 ATP 的生成。
pH=4
pH=7
pH=4
pH=4
pH=8
pH=8
pH=7
pH=8
pH=4
黑暗
15s
移至新
缓冲液中
2. 叶绿体产生ATP的机制
光合作用原理的探索
1966年，美国科学家雅根多夫在黑暗条件下将叶绿体置于pH为4的缓冲液中15 s后，再将叶绿体转移至含有ADP和Pi、pH为8的缓冲液中，此时类囊体膜内侧pH为4，外侧pH为8，随后类囊体膜两侧这一 pH 梯度逐渐减小，同时还伴随有 ATP 的生成。
2. 叶绿体产生ATP的机制
pH=8
pH=8
pH=4
pH=4
pH=4
pH=4
pH=4
pH=4
pH=8
pH=4
H+
ADP+Pi
ATP
说明：叶绿体中ATP生成的直接驱动力是______________
H+浓度梯度
这与有氧呼吸中_____________ ATP的生成机制相似。
线粒体内膜上
光合作用的过程
2H2O
O2
4H+
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
NADPH
+ NADP+
e-
ATP
ADP+Pi
类囊体膜
类囊体腔
光
光
光系统Ⅰ
光系统Ⅱ
ATP合酶
1.光反应阶段
H+
光合作用的过程
叶绿体中光合色素吸收的光能，有以下两方面用途。
1.光反应阶段
①将水分解为_____和______，_____直接以_________的形式释放出去，____与
________________(NADP+)结合，形成_________________(NADPH)。NADPH作为活泼的__________，参与暗反应阶段的化学反应，同时也_______________
供暗反应阶段利用；
氧
H+
氧分子
氧
H+
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
还原剂
储存部分能量
②在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。这样，光能就转化为储存在ATP中的化学能。这些ATP将参与第二个阶段合成有机物的化学反应
光合作用的过程
叶绿体中光合色素吸收的光能，有以下两方面用途。
1.光反应阶段
光合色素吸收光能
H2O
O2
+
+ NADP+
NADPH
作为还原剂
储存能量
ADP + Pi
ATP
储存能量
第二阶段：暗反应
光合作用的过程
ATP
ADP+Pi
酶
2C3
CO2
（CH2O）
多种酶参加反应
固定
O2
NADPH
H2O
光解
光反应阶段
类囊体薄膜
暗反应阶段
叶绿体基质
还原
NADP+
光合作用的过程
2.暗反应阶段
20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻(一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过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。
同位素标记法研究CO2转化为有机物的途径
14CO2
14C3
14C5
+ (14CH2O)
光合作用的过程
① CO2的固定：
绿叶通过气孔从外界吸收的CO2，在特定酶的作用下，与C5(一种五碳化合物)结合，这个过程称作CO2的固定。
2.暗反应阶段
暗反应的过程
②C3的还原：
一分子的CO2被固定后，很快形成两个C3分子。在有关酶的催化作用下，C3接受___________________释放的能量，并且被___________还原。
一些___________________________，在酶的作用下经过一系列的反应转化为
_____。另一些_________________________，经过一系列变化，又形成C5。这些C5又可以参与CO2的固定。这样，暗反应阶段就形成从C5到C3再到C5的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作卡尔文循环。
ATP和NADPH
NADPH
接受能量并被还原的C3
接受能量并被还原的C3
糖类
光合作用的过程
14CO2
14C5
214C3
(14CH2O)
2.暗反应阶段
卡尔文循环
NADPH
ATP
CO2的固定
C3的还原
3-磷酸甘油酸
核酮糖-1,5-二磷酸 (RuBP)
光反应与暗反应的区别与联系
光反应 暗反应
场所
条件
物质变化
能量变化
类囊体膜
叶绿体基质
2H2O → O2 + 4H+ +4e-
H+ + e- +NADP+ → NADPH
ADP + Pi → ATP
CO2+C5→2C3
2C3→C5+(CH2O)
ATP→ADP+Pi
NADP+→NADPH
光、色素、酶
多种酶
光能→(NADPH和ATP中)活跃化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能→糖类等有机物中稳定化学能
1.光反应与暗反应的比较
光合作用的过程
2.光反应与暗反应的联系
NADPH
NADP+
ADP+Pi
ATP
CO2
H2O
O2
C5
2C3
(CH2O)
光反应阶段
暗反应阶段
①光反应为暗反应提供ATP和NADPH
光反应与暗反应之间
相互制约，相互影响
②暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+
NADPH与ATP是联系光反应和暗反应的纽带
光合作用的过程
光合作用与呼吸作用
光合作用 呼吸作用
代谢类型
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
同化作用
异化作用
叶绿体
光能→化学能
细胞质基质及线粒体
酶
光、色素、酶
无机物→有机物
有机物→无机物
化学能→ATP+放能
合成有机物、储存能量
分解有机物、释放能量

展开更多......

收起↑