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5.4 光合作用与能量转化
第5章 细胞的能量供应和应用
生物学（新人教版）
分子与细胞
光合作用与能量转化
第一课时：
光能
绿叶中通过什么物质捕获并转化光能呢？
细胞的化学能
地球上最重要的化学反应？
玉米（白化苗）
玉米（正常苗）
白化苗由于不能形成叶绿素，无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
捕获光能的色素
正常幼苗能进行光合作用制造有机养料
白化苗不能进行光合作用，无法制造有机养料
这说明光合作用需要色素去捕获光能。
1.为什么有些植物的叶片不是绿色的
2.为什么有些植物的叶片在不同时期颜色不同呢？
呈绿色是因为叶子中含色素，到了秋天叶子变黄，说明所含的色素很可能不止一种。
提取原理
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇（或丙酮）中，用无水乙醇提取色素。
纸层析法：绿叶中色素在层析液(汽油)中的溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散速度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢。
分离原理
（一）实验：绿叶中色素的提取和分离
一、捕获光能的色素
1.实验原理
1.提取绿叶中的色素
2.制备滤纸条
3.画滤液细线
4.分离绿叶中的色素
5.观察和记录
四、方法步骤
剪碎
加药品
研磨
过滤
无水乙醇：
提取色素
二氧化硅：
有助于研磨充分
碳酸钙：
防止研磨中色素被破坏
防止溶剂挥发，充分溶解色素
迅速、充分研磨：
单层尼龙布
试管口塞紧
1.提取绿叶中的色素
试管口加棉花防挥发
2.制备滤纸条
铅笔线
画铅笔细线
取经干燥处理的滤纸，将滤纸剪成长6cm，宽1cm的滤纸条，剪去一端的两角，在距离剪角端1cm处用铅笔画一条横线
剪去两角的目的是使层析液扩散均匀同时到达滤液细线
③画滤液细线
滤液细线
画滤液细线
要求：
细直齐
干燥后重复1—2次
防止色素带重叠而影响分离效果
积累更多的色素
④分离绿叶中的色素
要求：层析液不能没及滤液线
插滤纸条
层析液
培养皿
★培养皿加盖防挥发
防止色素溶解于层析液中而无法分离
⑤观察和记录
排序越上面，说明该色素在层析液的溶解度越 扩散速率越 。色素带越宽，说明该色素含量越 。
高
快
多
胡黄ab
①从色素带的位置可知各种色素在层析液中溶解度的高低依次是：胡萝卜素﹥叶黄素﹥叶绿素a﹥叶绿素b。
②从色素带的宽度可知各种色素的含量一般是：叶绿素a ﹥叶绿素b ﹥叶黄素﹥胡萝卜素。
结果分析
实验注意事项
1、无水乙醇和层析液都是（ ）的有机溶剂，所以研磨要快，收集的滤液要用棉塞塞住，层析时要加盖，尽量减少有机溶剂的挥发。
2、滤纸条一端剪去两个角是因为滤纸条边缘扩散快，中间扩散慢，（ ）
易挥发且有一定毒性
保证使滤液能同步到达滤液细线
3、滤液细线细、直、齐是（ ）
4、重复画滤液细线2-3次，是为了（ ）
5、层析时不要让滤液细线触及层析液，防止色素( )中而无法分离
防止色素带重叠而影响分离效果
积累更多的色素
溶解于层析液
★二、说明色素的种类和功能
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
叶绿素a (蓝绿色)
叶绿素b（黄绿色）
叶绿素
3 /4
类胡萝卜素
1 /4
功能：吸收、传递和转化光能
捕获光能的色素
绿叶中色素的作用
绿叶中的
色素提取液
图：自然光通过三棱镜
图：自然光经过色素提取液后通过三棱镜
现象：光屏出现明显的色光带
现象：色光带变暗，
且蓝紫光和红光大部分被吸收
绿叶中的色素能吸收光能，且主要吸收蓝紫光和红光。
叶绿素主要吸收蓝紫光和红光；
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
吸收光能的百分比
0
波长
50
100
叶绿素a
叶绿素b
图：叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱
类胡萝卜素
1.正常银杏的叶为什么呈绿色？
叶绿体中叶绿素的含量多，且对绿光吸收量最少，绿光被反射出来，所以呈绿色；
2、秋季为什么变黄了？
秋季，叶片的叶绿素分子在低温下被破坏，而类胡萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。
色素的功能
叶绿体色素具有吸收光能、
传递光能、转化光能的作用
这些捕获光能的色素存在于细胞中的什么部位呢？
叶绿体结构模式图
外膜
内膜
基粒
基质
每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成。这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的四种色素就分布在类囊体的薄膜上。
而每个基粒都含有两个以上的类囊体，多者可达100个以上。叶绿体内有如此多的基粒和类囊体，极大地扩大了受光面积。
二、叶绿体的结构和功能
1.叶绿体结构
色素分布：
类囊体薄膜上
酶分布：
类囊体薄膜和基质
现象：
分析：
在没有空气的黑暗环境中，用极细的光束照射水绵
好氧细菌只集中在被光线照射的叶绿体附近。
光线照射部位进行光合作用产生了氧气。
恩格尔曼的实验
叶绿体的功能
螺旋带状叶绿体
在没有空气的光亮环境中
现象：
分析：
产生氧气的部位是叶绿体。
好氧细菌集中在叶绿体所有受光部位。
结论：
氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所
选材好。
水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；
用好氧细菌可确定释放氧气多的部位。
设计妙。
没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；
用极细的光束照射，叶绿体上可分为有光照和无光照的部位，相当于一组对照实验。
恩格尔曼实验的巧妙之处
叶绿体是进行光合作用的场所，它内部的巨大膜表面上，不仅分布着许多吸收光能的色素分子，还有许多进行光合作用所必需的酶。
叶绿体的功能
叶
绿
体
含光合色素
所以说叶绿体是进行光合作用的结构基础。
位于类囊体薄膜上
含光合酶
位于类囊体薄膜上
（少量）
位于基质中
（大量）
总结
P101
叶绿素
类胡萝卜素
叶绿素a(蓝绿色)
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
（吸收红光和蓝紫光）
（吸收蓝紫光）
含量约占3/4
含量约占1/4
叶绿体是进行光合作用的场所，它内部的巨大膜表面上，不仅分布着许多吸收光能的色素分子，还有许多进行光合作用所必需的酶。
课堂小结
例1、如图表示新鲜菠菜叶中四种色素的相对含量及在滤纸条上的分离的情况，以下说法正确的是（　　）
A.四种色素都溶解在层析液中，乙色素的溶解度最大
B.丙、丁两种色素主要吸收蓝紫光和红光
C.菠菜发黄的原因是色素甲、乙的含量减少
D.水稻在开花时节，叶片中色素含量是（甲+乙）＜（丙+丁）
C
下列关于叶绿体的描述，正确的是（ ）
A．叶绿体中的类胡萝卜素主要吸收红光和蓝紫光
B．光学显微镜可以观察到类囊体
C．叶绿体外表的双层膜上具有叶绿素和酶
D．基粒由类囊体堆叠而成
【典型例题】
D
光合作用的原理和应用
第二课时：
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。
原料：二氧化碳 水
产物：糖类 氧气
场所：叶绿体
条件：光 , 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 + H2 O （CH2O)+ O2
人们是如何发现光合作用过程的呢？
阅读课本P102，解决讨论题1/2/3
绿藻
绿藻
H218O
H2O
C18O2
CO2
H2O
H218O
O2
18O2
（一）
（二）
1839 美国科学家 鲁宾、卡门
结论：光合作用释放的氧气来自水。
同位素标记法
2、光合作用的过程
划分依据:反应过程是否需要光能
光反应阶段
叶绿体中
的光合色素
光能
H2O
水在光下分解
O2
H+
ADP+Pi
酶
ATP
光、酶、色素
类囊体的薄膜上
条件：
场所：
H2O
光
酶
H+
+
O2
物质
ADP+Pi
+
光能
酶
ATP
能量
光能
ATP中活跃化学能
过程：
NADP++H+
酶
NADPH
NADP++H+
酶
NADPH
CO2
C5
固
定
2C3
NADPH
供氢
酶
(CH2O)
糖类
场所：
条件：
叶绿体基质
多种酶
多种酶
参加催化
过程：
CO2+ C5
酶
2C3
酶
(CH2O)+C5
[H] ATP
ATP
酶
ADP+Pi +能量
物
质
能量
ATP中活跃的化学能 糖类中稳定的化学能
酶
ATP
供能
ADP+Pi
暗反应阶段
卡尔文循环
光反应阶段
（叶绿体类囊体薄膜）
暗反应阶段
（叶绿体基质）
光能
叶绿体
中的色素
18O2
ATP
水在光下分解
酶
C18O2
2C3
C5
（CH218O）
多种酶
参加催化
固
定
供氢
ADP+Pi
供能
还
原
[H]
H218O
光合作用
总反应式：
CO2+H2O
叶绿体
光能
(CH2O)+O2
讨论：条件变化时，各种物质合成量的动态变化。
条件 C3 C5 [H]和ATP (CH2O)合成量
停止光照，CO2不变
突然光照，CO2不变
光照不变停止CO2供应
光照不变，CO2增加
增加
减少
减少或没有
减少或没有
减少
增加
增加
增加
减少
增加
减少或没有
增加
增加
减少
减少
增加
光反应阶段与暗反应阶段的比较
项目 光反应阶段 暗反应阶段
区 别 场所
条件
物质变化
能量转化
类囊体的薄膜上
叶绿体的基质中
需光、色素和酶
ATP、CO2\NADPH,需多种酶
光能转变为ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能转化为糖类等有机物中稳定的化学能
水的光解：2H2O 光 4[H]+O2
光
ADP+Pi ATP
酶
CO2的固定：CO2+C5 2C3
C3的还原：2C3 （CH2O）
[H]，ATP
酶
ATP ADP+Pi
酶
联 系 1.光反应是暗反应的基础，为暗反应提供[H]和ATP
2.暗反应是光反应的继续，为光反应提供合成ATP的原料ADP和Pi
3.两者相互独立又同时进行，相互制约又密切联系
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
三、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
自养生物：能够直接把从外界环境摄取的无机物转变成为自身的组成物质，并储存了能量的一类生物
（四）、化能合成作用
异养生物：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，并储存了能量的一类生物
——氧化某些无机物所释放的能量来制造有机物
例如：硝化细菌
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2
能量
（四）、化能合成作用
同步P113
项目 光合作用 化能合成作用
能量来源 光能 氧化无机物释放的能量
代表生物 绿色植物 硝化细菌
相同点 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 来源 去路
[H] 光合作用
有氧呼吸
ATP 光合作用
有氧呼吸
有机物分解
水的光解
用于暗反应C3的还原
与O2结合生成水
ADP+Pi+光能
ATP
用于C3的还原，转换成
有机物中稳定的化学能
有机物分解
释放的能量
用于各种需能的
生命活动
光合作用与细胞呼吸过程中【H]和ATP 的来源、去路的比较
只用于自身物质合成，不用于生命活动
例1、 光合作用过程中，消耗ATP和产生ATP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
例2、科学家用14C标记二氧化碳，发现碳原子在一般植物体内光合作用中的转移途径是（ ）
A．二氧化碳→叶绿素→葡萄糖
B．二氧化碳→ATP→葡萄糖
C．二氧化碳→五碳化合物→葡萄糖
D．二氧化碳→三碳化合物→葡萄糖
D
光合作用原理的应用
第三课时：
新疆哈密瓜以“甜”著称。
新疆哈密瓜为什么那么甜？
光合作用的过程
思考：1、影响光合作用的因素有哪些？
2、如何表示“光合作用强度”？
影响光合作用强度的因素：
内因：色素的含量、酶的数量和活性
外因：光照强度、CO2浓度、温度、水分、矿质元素等
光合作用强度（光合速率）的表示方法：
用单位时间内反应物的“消耗量”或生成物的“产生量”表示
多因子对光合速率的影响的分析思路
①曲线分析：
P点：限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随着该因子的不断加强，光合速率不断提高。
Q点：横坐标所表示的因子不再影响光合速率，要想提高光合速率，可适当提高图中的其他因子。
★光照强度是影响光合作用的主要因素。_
1、实验流程
打出小圆形叶片(30片)：用打孔器在生长旺盛的绿叶上
打出(直径＝1cm)
↓
抽出叶片内气体：用注射器(内有清水、小圆形叶片)
抽出叶片内气体(O2等)
↓
将小圆形叶片放入黑暗处盛有清水的 烧杯中 ，不同光强照射
　　↓
对照实验及结果：小圆形 叶片浮上来
探究：光照强度对光合作用的影响
1．探究光照强度对光合作用强度的影响
(1)分析实验中叶片下沉和进行光照后叶片又上浮的原因：
①叶片下沉的原因：________________________。
②光照后上浮的原因：_____________________________。
(2)实验中观察的指标(因变量)：
____________________________。
探究点一　光照强度对光合作用的影响
叶片中的气体被抽出
叶片通过光合作用产生了氧气
单位时间内叶片浮起的数量
项目烧杯 小圆形叶片 加富含CO2的清水 光照强度 叶片浮起数量
甲 10片 20mL 强 多
乙 10片 20mL 中 中
丙 10片 20mL 弱 少
(2)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(小圆形叶片中产生的O2多，浮起的多)。
3.实验结果和结论
（1）实验结果
光合作用速率表示方法：
通常以一定时间内CO2等原料的消耗或O2、（CH2O）等产物的生成数量来表示。
光合作用的强度：
可以通过一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量地表示。
由于测量时的实际情况，光合作用速率又分为净光合速率和真正光合速率。
光合作用与细胞呼吸之间的气体变化
下列为叶肉细胞内线粒体与叶绿体之间的气体变化图示，据图判断生理过程。
图①：表示黑暗中，只进行细胞呼吸；
图②：表示细胞呼吸速率＞光合作用速率；
图③：表示细胞呼吸速率＝光合作用速率；
图④：表示细胞呼吸速率＜光合作用速率。
1.光照强度
真正光合速率=净光合速率+呼吸速率
影响光合作用强度的因素
A点：只进行呼吸作用
B点：光合=呼吸（光补偿点）
C点：光合作用达到最大
AB段：光合<呼吸
BC段：光合>呼吸
阴生植物的光补偿点、光饱和点 小于 阳生植物
(1)光补偿点与光饱和点的移动规律
应用：控制好光的强度
措施：
①大棚种植阴雨天应补充光照，把光强控制在光饱和点，至少要在光补偿点之上；
②根据阳生植物和阴生植物对光照的不同要求，控制光照强弱。如间作套种时农作物的种类搭配、林带树种的搭配等。
★大棚中适当增加CO2浓度提高作物光合作用。
曲线分析：
CO2浓度很低时，绿色植物不能进行光合作用，A进行光合作用所需CO2的最低浓度 。
B点：CO2饱和点
A点：CO2补偿点（光合速率和呼吸速率相等时的CO2浓度）
2.CO2浓度
真
正
光
合
速
率
CO2浓度
A
B
应用：温室栽培时适当提高CO2的浓度
措施：
①多施有机肥或农家肥；
②大田生产“正其行，通其风”，即为提高CO2浓度、增加产量；
③释放一定量的干冰或给植物浇碳酸饮料(施NH4HCO3)。
3、温度——影响酶的活性
①光合作用是在 的催化下
的，温度直接影响 ；
②B点表示：
；
③BC段表示：
；
酶的活性
酶
此温度条件下，光合速率最高
超过最适温度，光合速率随温度升高而下降
应用：白天适当升温提高光合速率
夜晚适当降温降低呼吸速率
★缺水时气孔关闭，影响CO2进入叶肉细胞，使光合速率下降。
4.水
含水量
1、光合作用的原料；
2、植物体内各种生化
反应的介质；
3、影响气孔的开闭。
OA段：在一定范围内，水
越充足，光合作用速率越快
光合作用强度
O
时间：盛夏
A
7 10 12 14 18
A点的含义是：温度过高，气孔关闭， CO2供应不足光合速率下降
4.矿质元素
合理施肥可促进叶片面积增大，提高酶的合成率，提高光合作用速率。
N：酶及ATP的重要组分
P：磷脂、ATP的重要组分；维持叶绿体膜的正常结构和功能
Mg：叶绿素的重要组分
K：既使茎秆健壮抗倒伏，同时又促进淀粉的形成
和向储存器官（块茎）的运输。
1．光合作用与有氧呼吸的联系
探究点二　光合作用和细胞呼吸的关系
2、真正光合作用速率=表观光合速率+呼吸速率
真正（有机物制造量、氧气消耗量、二氧化碳产生量）
表观（有机物积累量、氧气吸收量、二氧化碳释放量）
有机物积累量=光合作用制造量-呼吸作用消耗量
3.绿色植物24 h内有机物的“制造”、“消耗”与积累
①积累有机物时间段： 段。
②制造有机物时间段： 段。
③消耗有机物时间段： 段。
④一天中有机物积累最多的时间点： 点。
CE
BF
OG
E
(2)光合作用和有氧呼吸分别在哪个阶段产生ATP？分别有什么用途？
(1)光合作用和有氧呼吸过程中都产生[H]，它们的来源和用途分别是怎样的？
解答　光合作用过程产生的[H]来自水，用于暗反应过程中C3的还原；有氧呼吸的第一、二阶段产生[H]，来自葡萄糖和水，用于第三阶段与O2结合成水。
解答　光合作用的光反应阶段产生ATP，用于暗反应阶段C3的还原；有氧呼吸的三个阶段都产生ATP，用于各项生命活动。
2、通过实验测得一片叶子在不同光照条件下CO2吸收和释放的情况如下图所示。乙图中所示细胞发生的情况与甲图中A点、AB段、B点、BC段依次相符的一项是(　　)
A.①②③④ B.③①②④ C.④②③① D.②①③④
D
3．利用装置图法测定植物光合速率与呼吸速率
(1)装置中溶液的作用：在测细胞呼吸速率时，NaOH溶液可_____________________；在测净光合速率时，NaHCO3溶液可____________，保证了容器内CO2浓度的恒定。
吸收容器中的CO2
提供CO2
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