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5.4.2 光合作用的原理
目
标
CONTENTS
通过构建光合作用模型，从物质与能量观的角度，阐明光合作用过程中物质变化与能量变化的过程，说明光合作用的原理，形成结构与功能相适应、物质与能量相互依存的观点。
通过对光反应与暗反应过程的比较归纳，理清光反应与暗反应的区别与联系，说明光合作用的意义。
通过对探索光合作用原理相关实验的资料分析，构建光合作用的概念模型。
01
02
03
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：
注：（CH2O）表示糖类，
光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖。(P104)
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
一、光合作用
叶绿体是如何将光能转化为化学能？
又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？？
光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
19世纪末，科学界认为，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。
资料一
不能通过光合作用实现
自主阅读：阅读课本P102思考 .讨论，标注出每个实验的关键语句。
二、探究光合作用原理的部分实验
资料二：希尔反应
1937年，英国植物学家希尔发现，在离体的叶绿体的悬浮液（有H2O没有CO2）加入含有铁盐或其他氧化剂，给予光照会释放出氧气。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。
1/2 O2↑
2H+
离体的叶绿体
悬浮液
资料二：希尔反应
1937年，英国植物学家希尔发现，在离体的叶绿体的悬浮液（有H2O没有CO2）加入含有铁盐或其他氧化剂，给予光照会释放出氧气。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。
1、希尔实验说明水的光解产生氧气，是否说明光合作用产生的氧气
中的氧元素全部来自水？
2、希尔的实验能否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应
不能说明，该实验未排除叶绿体中其它物质的干扰，
也未直接观察到氧元素的转移。
能说明，悬浮液中无合成糖的必需原料CO2，说明水的光解并非必需与糖的合成相关联。暗示希尔反应是一个相对独立的阶段。
资料三、鲁宾和卡门
希尔的实验中没有直接观察到氧元素的转移，那么，如何观察元素的转移？我们有没有学过什么科学方法可以做到这一点呢？
同位素标记法
现在我们要研究的是氧原子在光合作用过程中的转移过程，应该用什么同位素来标记什么物质？如何设置对照？
一组用18O标记二氧化碳，水不做标记；
另一组用 18O 标记水，二氧化碳不做标记。
资料三、鲁宾和卡门
鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。
CO2
H218O
光照射下的小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
讨论3：分析鲁宾和卡门做的实验得出什么结论？
光合作用释放的O2中的氧元素全部来源于H2O，而并不来源于CO2
资料三、鲁宾和卡门
鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。
CO2
H218O
光照射下的小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
延伸思考2：该实验有对照组吗？满足对照原则吗？
无单独对照组
实验组相互对照（对比实验）
延伸思考1：如何判断实验结果是释放的18O2还是O2？
通过检测相对分子质量判断：O2（32）、18O2（36）
注意：不能通过检测放射性判断：18O是无放射性的同位素
资料四、阿尔农
讨论4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
H2O 1/2 O2 + 2H+ + 能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
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。
光照
ATP
水
光解
O2
19世纪末
甲醛→糖
1928年
甲醛对植物有毒
不能通过光合作用转化成糖
1937年
希尔反应
水的光解产生氧气
1941年
鲁宾和卡门
同位素标记法光合作用氧气来自于水
1954年
阿尔农
光照下叶绿体合成ATP
该过程总与水的光解相伴
1
上述实验表明：
1.光合作用释放的氧气中的氧元素来自水2.氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的　
总结
三、光合作用的过程
光合作用过程复杂，包括一系列化学反应。依据是否需要光能分为：
光反应阶段
暗反应阶段
光合作用第一个阶段
必须有光才能进行
光合作用第二个阶段，又称“碳反应阶段”
有没有光都能进行(P104)
O2
结合图5—14，3min阅读P103光反应过程，在课本找到答案并标注：
1.光反应的场所是什么？
2.进行光反应需要什么条件？
3.光反应过程中有什么物质变化
（请用方程式的方式表示）
4.光反应过程中有什么能量变化？
5.完成右图，并上台展示
6.光反应的各种产物有何去向？
光能
叶绿体中的色素
H2O
水 在 光 下 分 解
ADP+Pi
ATP
NADP+
NADPH
H+
酶
酶
三、光合作用的过程--光反应阶段
光、色素、酶
类囊体的薄膜上
水的光解：
H2O 1/2O2 +2H++ 2e-
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋能量（光能） ATP+H2O
酶
光能 ATP和NADPH中活跃的化学能
场所：
条件：
物质变化
能量变化
NADPH的合成：H++NADP+ +2e- NADPH
酶
NADPH:还原性辅酶II（光合）；NADH:还原性辅酶I（呼吸）
三、光合作用的过程--光反应阶段
光反应的各种产物有何去向？
:直接以分子形式释放出叶绿体
参与该细胞有氧呼吸第三阶段
或释放到外界
：为暗反应提供活泼的还原剂及部分能量
：为暗反应提供能量
三、光合作用的过程--光反应阶段
O2
光能
叶绿体中的色素
H2O
水 在 光 下 分 解
ADP+Pi
ATP
NADP+
NADPH
H+
酶
酶
O2
H+
CO2是如何转变为糖类的呢？
卡尔文等用小球藻做试验研究：
用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径称为卡尔文循环（暗反应阶段）
在1961年获得
诺贝尔化学奖
（放射性）同位素标记法
CO2转化成有机物过程中，
C的转移途径是：
场所：
条件：
叶绿体基质
酶、NADPH 、ATP、二氧化碳
物质变化
CO2的固定：
C3的还原：
能量变化
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
注意：C3是指3-磷酸甘油酸；C5是指RuBP
CO2＋C5 2C3
酶
三、光合作用的过程--暗反应阶段
ATP
2C3 (CH2O)+C5
酶
NADPH
NADP+
ADP+Pi
三、光合作用的过程--暗反应阶段
暗反应的各种产物有何去向？
为光反应ATP合成提供原料
为光反应NADPH合成提供原料
又参与CO2固定
细胞呼吸消耗
储藏器官储存、建造植物体
1.NADPH和ATP的移动途径是什么？
2.NADP+和ADP的移动途径呢？
3.NADPH的作用？
从类囊体薄膜到叶绿体基质。
从叶绿体基质到类囊体薄膜。
①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量
①H的转移：
H2O → NADPH → (CH2O )
②C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
③O的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
H2O → O2
6CO2+12H2O
光能
叶绿体
C6H12O6+6H2O+6O2
光合作用中元素的转移:
思考.讨论
背诵并画出光合作用过程图解
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
酶
可见光
光反应
暗反应
类囊体薄膜
叶绿体基质
光反应阶段 暗反应阶段
条件
场所
物质变化
能量变化
联系 光、色素、酶
不需光、酶、NADPH、ATP
叶绿体类囊体薄膜
叶绿体基质中
水的光解； ATP、NADPH的生成
CO2的固定； C3的还原
光能→ATP和NADPH活跃化学能
活跃化学能→有机物中稳定化学能
光反应是暗反应的基础，为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+ 。
光反应与暗反应的比较
思考.讨论
思考.讨论
请分析光下的植物突然降低光照后，短时间内其体内的ATP、NADPH、C3和C5
的含量如何变化？为什么？
光照
减弱
光反应减弱
ATP、DNAPH↓
C3 还原受阻
CO2固定不变
C3消耗减少，合成不变
C5合成减少，消耗不变
C3↑
C5↓
光照
增强
光反应增强
ATP、DNAPH↑
C3 还原加快
CO2固定不变
C3消耗增加，合成不变
C5合成增加，消耗不变
C3↓
C5↑
思考.讨论
假如白天突然减少CO2的供应，短时间内其体内的ATP、NADPH、C3和C5的含量
如何变化？
CO2 减少
暗反应减弱
CO2固定减弱
C3 还原不变
C3合成减少，消耗不变
C5消耗减少，合成不变
C3↓
C5↑
C3 还原减弱
光反应不变
ATP、NADPH消耗减少，合成不变
ATP、DNAPH↑
总结
条件 C3 C5 NADPH ATP (CH2O)
合成量
光照减弱，CO2不变
光照增强，CO2不变
光照不变，CO2减少
光照不变，CO2增加
增加
减少
减少
减少
减少
增加
增加
增加
减少
增加
减少
增加
增加
减少
减少
增加
当外界条件（如光照/CO2）突然发生变化时，短时间内各种物质含量的变化：
减少
增加
增加
减少
C5、NADPH、ATP变化一致
C3与C5/NADPH/ATP变化相反
对光合作用有利合成增加
反之减少
合作探究
因为光反应为暗反应提供的NADPH、ATP是有限的。
[问题1]为什么暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行？
【问题2】叶肉细胞产生ATP的场所有哪些？光合作用和细胞呼吸产生的ATP在用途上有什么不同？
①细胞质基质、线粒体、叶绿体；
②光反应产生的ATP只用于暗反应C3的还原，细胞呼吸产生的ATP用于其他各项生命活动；
光合作用的表达式：
意义：①把无机物合成为有机物，生物界中有机物的来源；
②将光能转换成化学能，为生命世界的生命活动提供了能量来源；
③维持大气中氧气和二氧化碳的平衡
④对生物的进化具有重要作用
在自然界中，除了光合作用以外，还有其他制造有机物的方式吗？
三、光合作用的过程
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
2NH3 +3O2 2HNO2 +2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3 +能量
硝化细菌
6CO2+6H2O C6H12O6+ 6O2
放能
电子显微镜下的一种硝化细菌（放大5000倍）
同：把二氧化碳和水合成有机物
异：利用的能量不同（光能、化学能）
光合作用和化能合成作用的异同
自养生物
四、化能合成作用
光合作用与能量转化
光合作用
概念
反应式
探究历程
硝化细菌
光合作用原理
过程
光反应：类囊体薄膜
暗反应：叶绿体基质
化能合成作用
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
课堂小结：
练习与应用
一、概念检测
1.依据光合作用的基本原理，判断下列相关表述是否正确。
(1)光合作用释放的氧气中的氧元素来自水。（ ）
(2)光反应只能在光照条件下进行，暗反应只能在黑暗条件下进行。（ ）
(3)影响光反应的因素不会影响暗反应。（ ）
√
×
×
练习与应用
一、概念检测
2.如果用含有14C的CO2来追踪光合作用中碳原子的转移途径，则是（ ）
A.CO2 → 叶绿体 → ADP
B.CO2 → 叶绿体 → ATP
C.CO2 → 乙醇 → 糖类
D.CO2 → 三碳化合物 → 糖类
D
练习与应用
一、概念检测
3.根据光合作用的基本过程填充下图。
叶绿体中
的色素
ATP
NADPH
ADP+Pi
2C3
C5
NADP+
O2

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