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(共28张PPT)
第4节 光合作用与能量转化
第2课时　光合作用的原理
通过对光合作用探索历程的学习，认识到科学是在实验和探索中前进的。
掌握光合作用的光反应和暗反应过程以及二者的关系。
运用结构与功能观、物质和能量观，理解光合作用过程。
一、探索光合作用原理的部分实验
【阅读书本P101-102的内容，构建探索光合作用原理科学史的时间轴】
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
该过程总是与水的光解相伴
一、探索光合作用原理的部分实验
1
光合作用的概念及反应式
概念：指绿色植物通过________，利用光能，把______________转化成储存着能量的有机物，并且释放出_______的过程。
反应式：
叶绿体
二氧化碳和水
氧气
场所
条件
产物
原料
CO2+H2O* (CH2O)+O2*
叶绿体
光能
光合作用释放的氧气是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
我们先来分析科学家做过的一些实验。
产物
一、探索光合作用原理的部分实验
资料1：1937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O2。
2
光合作用原理的探索实验
探讨一　光合作用中O2产生的探索
一、探索光合作用原理的部分实验
资料1：1937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O2。
(1)根据资料1，尝试补充完整希尔的实验表达式。
O2
H2O
光照叶绿体
Fe3+
得电子
Fe2+
一、探索光合作用原理的部分实验
资料1：1937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O2。
(2)希尔实验可以证明O2来自H2O ，能否确定O2全部来自H2O ？
不能，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。
一、探索光合作用原理的部分实验
资料1：1937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O2。
(3)若要证明O2全部来自H2O或CO2，可采用什么方法？
可以采用同位素示踪法，用18O分别标记H2O和CO2进行实验。
一、探索光合作用原理的部分实验
资料2　1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源，他们用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：
对比实验
一、探索光合作用原理的部分实验
资料3：1954年，美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系供给ADP、Pi时，体系中就会有ATP的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
光照条件下，水光解的同时，ADP和Pi合成ATP。
(6)尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
H2 O O2 ＋NADPH ＋能量
光能
叶绿体
ADP ＋ Pi ＋ ATP
(5)根据资料3中实验，你可以得出什么结论？
探讨二　光合作用中能量的转化
阿尔农实验1：
一、探索光合作用原理的部分实验
阿尔农实验2：
光
NADPH
ATP
1954年，美国科学家阿尔农的离体叶绿体实验过程及结果：
组别 条件 过程 现象
1 黑暗 提供CO2，NADPH、ATP 产生(CH2O)
2 黑暗 提供CO2，不提供NADPH、ATP 不产生(CH2O)
3 光照 提供CO2，不提供NADPH、ATP 产生(CH2O)
一、探索光合作用原理的部分实验
资料4　光合作用的产物除了O2，还有糖类等有机物。20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻作实验材料，利用同位素示踪法追踪了CO2中C的转移路径。
①向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，14C分布于多种化合物中，有C3、C5、C6等化合物。
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)。
③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。
探讨三　光合作用中有机物产生
（1）请据此大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径。
1.研究碳的转移途径
一、探索光合作用原理的部分实验
资料4　光合作用的产物除了O2，还有糖类等有机物。20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻作实验材料，利用同位素示踪法追踪了CO2中C的转移路径。
①向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，14C分布于多种化合物中，有C3、C5、C6等化合物。
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)。
③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。
探讨三　光合作用中有机物产生
1.研究碳的转移途径
（2）如果要探究CO2转化成的第一个产物是什么，请说出可能的实验思路。
不断缩短光照时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO2转化成的第一个产物。
一、探索光合作用原理的部分实验
探讨三　光合作用中有机物产生
根据卡尔文的两个实验推测C3与C5之间的关系。
C3与C5之间是相互循环的
C5
2C3
还原的C3
CO2
（CH2O）
多种酶
C5
C3
资料5　卡尔文又通过实验发现如果光照下突然中断 CO2 供应，C3急剧减少而 C5增加。
2.探索C5和C3的关系
1．希尔从细胞中分离出叶绿体，并发现在没有CO2时，给予叶绿体光照，就能放出O2，同时使电子受体还原。希尔反应是H2O＋氧化态电子受体→还原态电子受体＋1/2O2。在希尔反应的基础上，阿尔农又发现在光下的叶绿体，不供给CO2时，既积累NADPH也积累ATP；进一步实验，撤去光照，供给CO2，发现NADPH和ATP被消耗，并产生有机物。下列关于希尔反应和阿尔农发现的叙述不正确的是(　　)
A．光合作用释放的O2来自水而不是CO2
B．NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体薄膜上
C．希尔反应与CO2合成有机物的过程是两个过程
D．光合作用的需光过程为CO2合成有机物提供ATP和NADPH
【对点练习】
B
一、探索光合作用原理的部分实验
【对点练习】
2．1941年，鲁宾和卡门为了研究光合作用产生的氧气是否来自水，设计了如图A的装置，得到了图B所示的氧气中18O百分比的三个实验结果。下列叙述正确的是(　　)
C
一、探索光合作用原理的部分实验
A．该实验的自变量为18O标记的反应物类型
B．该装置加NaHCO3溶液的目的是保持溶液pH的稳定
C．实验中阀门1必须打开用于收集试管中产生的气体，阀门2要保持关闭
D．科学家可根据在水与氧气中18O的百分比的一致性就得出“氧气来自水”的结论
二、光合作用的原理
【阅读书本P103-104的内容，思考下列问题】
1. 光反应阶段和暗反应阶段反应所需条件、进行场所
2. 光反应阶段和暗反应阶段发生了什么物质变化？尝试把反应式写出
3. 光反应阶段和暗反应阶段分别由什么能转化成了什么能？
二、光合作用的原理
光合作用过程的示意图
根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应)两个阶段。
二、光合作用的原理
Pi＋ADP
ATP
(1) ①水的光解：
2H2O 4H＋ + O2 + 4e-
光能
(2) 合成 ATP ：
ADP＋Pi＋能量（光能) ATP
酶
光能→ NADPH和ATP中活跃的化学能
(物质变化)
2.能量变化：
② 合成 NADPH ：
+
氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)
还原型辅酶Ⅱ(NADPH)
色素
NADP＋＋ H＋＋2e- NADPH
酶
酶
H2O
O2
H+
1.叶绿体中色素吸收光能后有以下两个用途：
(储存能量
同时作为还原剂参与暗反应)
（一）光反应阶段:
光、色素、酶
叶绿体内的类囊体薄膜上
场所：
条件：
二、光合作用的原理
（一）光反应阶段:
光反应过程
二、光合作用的原理
1946年美国的卡尔文用小球藻（绿藻）研究了植物在进行光合作用时CO2转化为糖的路线。
给小球藻提供一定量的14C标记的CO2, 供其光合作用，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。在5秒钟光照后，检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6).
C的转移途径是：
CO2
C3
(CH2O)
C5
卡尔文循环（同位素标记法）
5.4.2光合作用的原理和应用完整（共37张PPT）
二、光合作用的原理
C5
CO2
2C3
NADPH
供氢
酶
(CH2O)
[糖类]
还原
酶
ATP
ADP+Pi
NADPH
（二）暗反应阶段
(1) CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
(2) C3的还原：
ATP
叶绿体的基质中
NADPH和ATP中活跃的化学能 → 有机物中稳定的化学能
2C3 (CH2O)糖类 + C5
酶
NADPH 、ATP、酶
场所：
条件：
2.物质变化
3.能量变化：
NADP+
ADP+Pi
1
二、光合作用的原理
小结：光反应和暗反应区别和联系
光反应阶段 暗反应阶段（碳反应）
场所
条件
物质变化
能量变化
联系
叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光、色素、酶
多种酶
2H2O →O2+4NADPH
ADP+Pi+能量→ATP
光能→ATP、NADPH中的化学能
ATP、NADPH中的化学能→糖类中的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH
暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料
2C3
CO2+C5→2C3
NADPH
(CH2O) +C5
ATP
项目
过程
（二）暗反应阶段
二、光合作用的原理
光能
H2O
CO2
还
原
（CH2O）
叶绿体 色素
供氢
多种酶催化
暗反应（叶绿体基质）
2C3
C5
固定
ADP+Pi
ATP
酶
水在光下
分解
O2、H+
NADPH
NADP+
光反应（叶绿体类囊体薄膜）
（三）光合作用过程
酶
供能
思考讨论：叶绿体处不同条件下，有关量的动态变化
条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O)
光照减弱
CO2供应不变
光照不变
CO2供应减少
增加
减少
增加
减少
减少
减少
减少
增加
二、光合作用的原理
1.概念：
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
能量
（四）化能合成作用（P106）
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。
自养生物：
包括：光能自养生物(绿色植物、蓝细菌）和化能自养生物(硝化细菌）
以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。
异养生物:
如人、动物、真菌及大多数的细菌。
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
二、光合作用的原理
1、光反应的场所是：__________________
2、暗反应的场所是：______________
3、光反应中的能量变化：_____________________________
4、暗反应中的能量变化：_____________________________
5、NADPH的中文名称是________________。
6、暗反应还被称为：___________、___________。
7、暗反应可被分为：___________、____________，两个阶段。
8、光反应为暗反应提供了_______________________。
9、暗反应为光反应提供了_______________________。
类囊体薄膜（基粒，有色素和酶）
叶绿体基质（有酶）
光能→ATP NADPH中活跃化学能
ATP NADPH中活跃化学能→有机物中稳定化学能
还原型辅酶Ⅱ
碳反应
卡尔文循环
CO2的固定
C3的还原
NADPH和ATP
ADP和Pi、NADP+
3．上海世博会E区是“世博零碳馆”。整个小区只使用可再生资源产生的能源，不需要向大气排放CO2。如图为某绿色植物细胞中部分物质转化过程示意图(a～g表示物质，①～③表示反应过程)。下列有关叙述不正确的是(　　)
A．“零碳馆”植物吸收的CO2与g结合生成C3
B．物质b和d分别为ATP和NADPH
C．突然停止“零碳馆”的光照，短时间内d和f均减少
D．过程②和过程③均发生在叶绿体基质中
【对点练习】
C
二、光合作用的原理
【对点练习】
4．恩格尔曼利用需氧细菌和水绵为材料，探究叶绿体的功能。下列有关恩格尔曼实验的叙述，错误的是(　　)
A．水绵具有螺旋带状叶绿体，便于实验观察
B．恩格尔曼的实验直接证明叶绿体吸收光能用于光合作用放氧
C．将载有水绵和需氧细菌的临时装片放在充满空气的小室内，进行实验
D．用透过三棱镜的光照射临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域
C
二、光合作用的原理课时分层训练(二十)　光合作用的原理
知识点1　探索光合作用原理的部分实验
1．下列关于光合作用发现史的叙述错误的是(　　)
A．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
B．希尔反应证明了光合作用中氧气来源于水的光解，所以说希尔反应就是光合作用的光反应
C．科学家阿尔农发现在光照下，叶绿体可合成ATP，并发现该过程总是与水的光解相伴随
D．卡尔文同位素示踪技术探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中的碳的途径
B　[希尔反应只包括水的光解过程，不包括ATP的合成过程，所以希尔反应不是光反应。]
2．1941年，科学家鲁宾和卡门利用某种植物，采用同位素示踪法进行了如下两组实验：第一组：O＋CO2→某种植物→18O2；第二组：→某种植物→O2。下列有关叙述正确的是(　　)
A．实验结果说明植物光合作用释放的氧气全部来自水
B．两组实验中只需要一组就可以证明预期的结论
C．设计该实验的目的在于证明植物光合作用会释放氧气
D．为了排除光照的影响，该实验要在黑暗条件下进行
A　[由实验结果可知，植物光合作用释放的氧气全部来自水，A正确；两组实验通过对比才能得出“光合作用释放的氧气全部来自水，而不是来自CO2”这一结论，B错误；设计该实验的目的是证明光合作用释放的氧气中的氧来自水还是来自CO2，C错误；植物在光下才能进行光合作用，所以该实验不能在黑暗条件下进行，D错误。]
知识点2　光合作用的原理
3．绿色植物光合作用需要水，下列关于水在光下分解的叙述正确的是(　　)
A．发生在叶绿体基质中
B．产物为氢气和氧气
C．所需能量来自ATP
D．需要光合色素参与
D　[水在光下分解属于光反应阶段中的物质变化之一，其发生的场所是在叶绿体类囊体薄膜上；其分解的产物是NADPH和O2；所需能量来自光能；需要光合色素吸收、传递和转换光能。]
4．在叶绿体中，ATP和ADP的运动方向是(　　)
A．ATP和ADP同时由类囊体向叶绿体基质运动
B．ATP和ADP同时由叶绿体基质向类囊体运动
C．ATP由类囊体向叶绿体基质运动，ADP的运动方向则相反
D．ADP由类囊体向叶绿体基质运动，ATP的运动方向则相反
C　[在叶绿体中，ATP在类囊体的薄膜上产生，在叶绿体基质中被消耗产生ADP，而ADP的转运方向则与ATP相反。]
5．下图表示光合作用图解，请据图回答问题：
(1)请填写字母所代表的物质
a．________　b．________　c．________
d．________　e．________　f．________
g．________　h．________　i．________
j．________
(2)由“c”经暗反应形成“d”可以分成________和________两个阶段。
(3)如果用同位素3H标记参与光合作用的水，并追踪3H，它最可能的途径是________(用图中字母表示)。如果用含14C的CO2追踪光合作用过程中碳原子的转移途径，则14C首先出现在________。
(4)能同时为暗反应提供还原剂和能量的物质是________。
(5)j形成d需要____________________提供的能量，________作还原剂且需________的参与。
(6)如果将此植物由光照充足的条件下移至阴暗处，则在叶绿体中的NADPH含量将________。
答案：(1)H2O　O2　CO2　(CH2O)　NADPH　ATP　ADP　NADP＋　C5　C3　(2)CO2的固定　C3的还原　(3)a→e→d　C3(j)　(4)NADPH(e)　(5)ATP(f)和NADPH(e)　NADPH(e)　多种酶　(6)下降
6．鲁宾和卡门用O和CO2作为原料进行光合作用实验，下列符合实验结果的是(　　)
A．释放的氧气全是O2
B．释放的氧气一部分是O2，一部分是18O2
C．释放的氧气全是18O2
D．释放的氧气大部分是O2，少部分是18O2
C　[鲁宾和卡门用O和CO2作为原料进行光合作用实验，其目的是探究光合作用释放出的O2的来源，通过放射性检测，光合作用产生的O2全部来源于水，C符合题意。]
7．在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列叙述正确的是(　　)
A．Rubisco存在于细胞质基质中
B．激活Rubisco需要黑暗条件
C．Rubisco催化CO2固定需要ATP
D．Rubisco催化C5和CO2结合
D　[由“唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco”可知，Rubisco是与暗反应有关的酶，暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的，故Rubisco存在于叶绿体的基质中，Rubisco催化C5和CO2结合，A错误，D正确；暗反应的进行不直接依赖光，故激活Rubisco不一定需要黑暗条件，B错误；在暗反应阶段，CO2的固定不消耗NADPH和ATP，C错误。]
8．将从菠菜叶绿体中分离出的某种结构“X”，用磷脂分子包裹形成“油包水液滴”结构，并在其中加入足量NADP＋、ADP等物质，给予其一定的光照，检测到有气泡放出。根据实验现象推测，结构“X”为叶绿体结构的(　　)
A．①　　 B．②　　 C．③　　 D．④
D　[结构“X”能够产生氧气，所以可进行光反应，光反应的场所是类囊体薄膜(基粒)，图中①为叶绿体外膜、②为叶绿体内膜、③为叶绿体基质、④为基粒。故选D。]
9．绿色植物叶肉细胞的光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，在光合作用过程中，若突然停止光照，则短时间内有关物质的以下变化，正确的是(　　)
A．C3升高，C5下降
B．ATP升高，NADPH下降
C．ADP升高，C3下降
D．NADPH下降，C5上升
A　[正在进行光合作用的叶肉细胞突然停止光照，光反应阶段的产物ATP和NADPH都会下降，而C3由于ATP和NADPH的减少而还原速率下降，从而造成C3含量升高，同时C5生成减少，而CO2固定还可以进行一段时间，因此C5下降。]
10．甲图表示光合作用部分过程的图解，乙图表示改变光照后，与光合作用有关的五碳化合物和三碳化合物在细胞内含量的变化曲线，请据图回答下列问题：
(1)甲图中A表示的物质是________，它是由______________产生的，其作用主要是________________________________________________
____________________________________________________________。
(2)甲图中ATP形成所需的能量最终来自____________。若用放射性同位素14C标记CO2，则14C最终进入的物质是________。
(3)乙图中曲线a表示的化合物是________，在无光照时，其含量迅速上升的原因是__________________________________________________
____________________________________________________________。
(4)曲线b表示的化合物是________，在无光照时，其含量下降的原因是____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________。
解析：(1)光反应为暗反应提供的物质是NADPH和ATP，由此可确定A是NADPH，NADPH是由H2O分解后经一系列过程产生的，其作用主要是用于三碳化合物的还原。(2)光反应中，光能转化为活跃的化学能储存于ATP中，14CO2的同化途径为14CO2→14C3(即三碳化合物)→(14CH2O)。(3)(4)题干中已明确a、b表示三碳化合物和五碳化合物的含量变化，光照停止后，光反应停止，NADPH和ATP含量下降，三碳化合物的还原减弱直至停止，而CO2的固定仍在进行，因此三碳化合物含量相对升高，五碳化合物的含量相对下降，即a表示三碳化合物，b表示五碳化合物。
答案：(1)NADPH　水在光下分解　用于三碳化合物的还原　(2)光能　(CH2O)　(3)三碳化合物　CO2与五碳化合物结合生成三碳化合物，而三碳化合物不能被还原　(4)五碳化合物　五碳化合物与CO2结合生成三碳化合物，而三碳化合物不能被还原为五碳化合物
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