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第4节 光合作用与能量转化
（第三课时）
深山和拥挤的地铁，你更喜欢待在哪里？为什么呢？
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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。
一
光合作用的原理
光能
CO2
+H2O
（CH2O）
+O2
叶绿体
叶绿体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？
代表糖类
6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O
光能
叶绿体
阅读课本102页思考·讨论，了解探究光合作用原理的部分实验。
二、探究光合作用原理的部分实验
19世纪末 氧气
甲醛→糖
1928年 甲醛不能通过光合作用转化成糖
甲醛对植物有毒
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
二、探究光合作用原理的部分实验
探索光合作用原理的部分实验
实验1：1937年希尔实验
材料：
处理：
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，在光照下进行
结果：
在光照条件下，叶绿体有O2释放。
（细胞器水平上）
叶绿体中H2O光解产生氧气。
推测：
离体叶绿体
（有H2O，无CO2）
Fe3+
Fe2+
探索光合作用原理的部分实验
问题1：希尔实验中的氧化剂起到什么作用？
NADP++2H++2e- NADPH+H+
结合H2O分解产生的2H+和2e-
问题2：叶绿体内参与光合作用的氧化剂是什么？
酶
讨论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吗？
不能说明，该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移仅说明离体的叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。
讨论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，希尔反应是在离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有水，没有合成糖类的必须原料--二氧化碳 ，因此，水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示希尔反应是相对独立的反应阶段
二、探究光合作用原理的部分实验
探索光合作用原理的部分实验
实验2：鲁宾和卡门实验
实验思路：
用放射性同位素标记法来研究物质的去路
材料：
小球藻
处理：
用18O分别标记CO2和H2O，给予光照。
探索光合作用原理的部分实验
实验2：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：
O2 O2
O2
18O2 18O2
18O2
18O2 18O2
18O2
O2 O2
O2 O2
处理：
用18O分别标记CO2和H2O，给予光照。
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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。
一
光合作用的原理
光能
CO2
+H2O
（CH2O）
+O2
叶绿体
光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
代表糖类
探索光合作用原理的部分实验
材料：
实验3：1954年阿尔农实验1
处理：
加入ADP、Pi，给予光照
结果：
叶绿体生成ATP，且同时水光解产生氧气
在叶绿体中，有光存在的情况下，叶绿体内同时进行两个反应“水的光解”“ATP的合成”
结论：
离体叶绿体
探索光合作用原理的部分实验
在叶绿体中，有光存在的情况下，叶绿体内同时进行两个反应“水的光解”“ATP的合成”
结论：
光照
水
氧气
ADP+Pi
ATP
探索光合作用原理的部分实验
讨论3．分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
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，而并不来源于二氧化碳。
H2O
光照
叶绿体
O2
+NADPH
+能量
ADP
+Pi
ATP
叶绿体完成了将光能转化为ATP中活跃的化学能
光反应阶段
H2O
类囊体薄膜
酶
Pi ＋ADP
ATP
H+
NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
O2
①光反应
光反应阶段：光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。
光、色素、酶
叶绿体内的类囊体薄膜上
1.水的光解：
H2O O2 +2H++2e-
光
3.ATP的合成：
ADP＋Pi＋能量（光能) ATP
光能→ATP与NADPH中的化学能
场所：
条件：
能量变化：
2.NADPH的合成：
酶
酶
H++NADP++2e- NADPH
物质变化
ATP只用于暗反应
①光反应
NADPH还原性辅酶Ⅱ，还原剂，参与暗反应，同时也储存部分能量供暗反应利用
小结
探究光合作用原理的部分实验总结
年代 科学家 结论
十九世纪末 / 甲醛→糖 甲醛对植物有毒
1928年 / 甲醛不能通过光合作用转化成糖
1937年 希尔 水的光解产生氧气
1941年 鲁宾和卡门 利用同位素示踪法确定，光合作用氧气来自于水
1954年 阿尔农 光照下叶绿体合成ATP
1957年 阿尔农 这一过程总是与水的光解相伴
小结
1
光合作用的原理
暗反应阶段
实验4：阿尔农实验2
材料：离体叶绿体
处理：供给ATP、NADPH和CO2，黑暗条件
结果：供给ATP、NADPH离体叶绿体中才有糖类生成
结论：
黑暗条件下，CO2合成糖类需要ATP和NADPH。
光反应阶段提供
1
光合作用的原理
实验5：卡尔文实验1
实验目的：
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，再纸层析分离，最后鉴定放射性物质。
暗反应阶段
探究CO2转化为糖的路线
1
光合作用的原理
实验5：卡尔文实验1
实验结果
暗反应阶段
（1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照60秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物（五碳化合物（C5）、六碳糖(C6)以及三碳化合物（C3）等）
（2）光照时间为5秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中
请尝试写出碳元素（C）的转移途径
1
光合作用的原理
实验5：卡尔文实验1
实验结果
暗反应阶段
CO2转化成有机物过程中，C的转移途径：
（1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照60秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物（五碳化合物（C5）、六碳糖(C6)以及三碳化合物（C3）等）
（2）光照时间为5秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中
1
光合作用的原理
暗反应阶段
卡尔文实验2：
实验现象：如果光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少而C5量增加；突然停止光照，C3浓度急速升高而C5的浓度急速降低。
结论：
C3与C5之间是相互循环的。
卡尔文循环
请补充下列途径：
卡尔文循环：CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径
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）
②暗反应/碳反应
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
NADPH
酶
暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。在这一阶段, CO2被利用，经过一系列的反应后生成糖类。
暗反应阶段:光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。
②暗反应/碳反应
光反应在白天可以进行吗？夜间呢？
暗反应在白天可以进行吗？夜间呢？
有光才能反应
有光、无光都能反应
①光反应（光合作用第一阶段）
②暗反应（光合作用第二阶段）又称 碳反应
划分依据: 反应过程是否需要光能
三、光合作用的过程
1.CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
2.C3的还原：
ATP
ADP+Pi
叶绿体的基质中
ATP与NADPH中的化学能→有机物中稳定的化学能
2C3 (CH2O)+C5
酶
有光无光都可，NADPH 、ATP、酶
场所：
条件：
物质变化
能量变化：
NADP+
NADPH
卡尔文循环
②暗反应/碳反应
小结
卡尔文循环
1
光合作用的原理
光合作用过程
类囊体
H2O
O2
CO2
卡尔文循环
（CH2O）
叶绿体
2C3
C5
ATP
NADPH
NADP+
ADP
+Pi
类囊体薄膜
叶绿体基质
外界条件突然改变，NADPH、C5、C3、ATP的含量如何变化？
暗反应
光反应
NADPH
ATP
条件 光照由强到弱，CO2供应不变 光照由弱到强，CO2供应不变 CO2供应由充足到不足，光照不变 CO2供应由不足到充足，光照不变
C3含量
C5含量
NADPH和ATP的含量
(CH2O)的合成量
减少
增加
减少
减少
增加
减少
增加
增加
减少
增加
增加
减少
增加
减少
减少
增加
来源去路法分析物质含量的变化
快速分析：CO2 直接促进C3，光照直接促进NADPH和 ATP，C5也跟随。
2、物质含量变化
C5、NADPH、ATP变化一致，C3、C5相反
理解
1
光合作用的原理
光反应 暗反应
所需条件
进行场所
物质变化
能量转化
光反应和暗反应的区别与联系
必须有光
有光无光都均可
类囊体薄膜
叶绿体基质
水光解为O2和H＋
ATP和NADPH的合成
CO2的固定；C3的还原；
ATP和NADPH的分解
光能转化为ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH的化学能转化为有机物中稳定的化学能
小结
1
光合作用的原理
光反应和暗反应的区别与联系
物质联系：
光反应生成的ATP和NADPH供暗反应的C3的还原，暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP+。
能量联系：
光反应将光能转化为活跃的化学能
（光反应为暗反应提供了活跃的化学能）
暗反应将活跃的化学能再转化为有机物中稳定的化学能。
小结
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
四、光合作用的意义
光通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转
理解
3.根据光合作用的基本过程填充下图。
NADPH
ADP+Pi
NADP+
C3
C5
O2
类囊体膜上的色素
光反应（类囊体薄膜）
暗反应（叶绿体基质）
ATP
①图中A是______,B是_______,它来自于______的光解。
②图中C是_______，它被传递到叶绿体的______部位，用于_______________。
③图中D是____，在叶绿体中合成D所需的能量来自______
④图中G________,F是__________,J是_____________
⑤图中的H表示_______， I表示________，H为I提供__________
光
H2O
B
A
C
D
E+Pi
F
G
CO2
J
H
I
Ｏ2
水
NADPH
基质
用作还原剂并提供能量，还原C3
ATP
光能
光反应
NADPH和ATP
色素
C5化合物
C3化合物
糖类（淀粉和蔗糖）
暗反应
同位素标记元素的转移途径
H：3H2O NADP3H (C 3H2O)
C：14CO2 14C3 (14CH2O)
O：
光反应
暗反应
CO2的固定
C3的还原
H218O
18O2
光反应
C18O2
CO2的固定
C3的还原
C3
(CH218O)
进阶考点
光合作用与呼吸作用
光合作用 呼吸作用
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
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+热能
合成有机物
储存能量
分解有机物
释放能量
小结
化能合成作用：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
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+6H2O C6H12O6+ 6O2
能量
五、化能合成作用
光能自养生物（如绿色植物、蓝细菌）
化能自养生物（如硝化细菌、铁细菌、硫细菌 等）
总结：
可以把无机物合成有机物的生物包括:
绿色植物、化能合成细菌、光合细菌
异养生物(人、动物、真菌、大部分细菌)
营养类型
自养生物
光能自养生物(绿色植物)
化能自养生物(硝化细菌、铁细菌、硫细菌)
利用环境中现成的有机物来维持生命活动。
利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。如硝化细菌。
六、营养类型
记（红色部分必记）
小结
（CH2O）+
O2
光合作用
概念
光合作用的原理的探索
希尔
鲁宾和卡门
阿尔农
卡尔文
光合作用的过程
光反应
水的光解
NADPH和ATP的形成
暗反应
CO2的固定
C3的还原
反应式
CO2+
H2O
光能
叶绿体

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