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(共38张PPT)
细胞的能量供应和利用
第5章
第4节 光合作用与能量转化
本节聚焦
植物依靠哪些色素捕获光能？
叶绿体的结构有哪些适于进行光合作用的特点？
可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而减产。 人工光源的强度和不同色光是可以调控的，以使蔬菜产量达到最大。
二氧化碳浓度，营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。
【问题探讨】
1. 靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
一、捕获光能的色素和结构
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。绿色植物通过什么物质捕获并转化光能呢？
正常苗
白化苗
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
光合作用与细胞中的色素有关！
实验：绿叶中色素的提取和分离
提取色素的原理：
绿叶中的色素易溶于有机溶剂无水乙醇中。
分离色素的原理：
实验原理:
目的：验证叶绿体色素的种类和颜色
（分离方法：纸层析法）
（提取方法：溶解法）
各种色素在_____ 中的______不同,溶解度高的 随层析液在滤纸条上的__________,反之则慢。
层析液
溶解度
扩散得快
1、提取绿叶中的色素
（1）称取绿叶5克，剪碎，放入研钵中。
方法步骤:
（2）加入少许二氧化硅 、碳酸钙，
再加入10mL无水乙醇（少量、分次加入），
进行迅速、充分的研磨
二氧化硫——有助于研磨得充分
碳酸钙——可防止研磨中色素被破坏
无水乙醇——溶解色素
防止乙醇过度挥发，充分溶解色素
（3）过滤：将研磨液迅速倒入玻璃漏斗（基部放置单层尼龙布 ），收集绿色滤液，及时用棉塞将试管口封严。
防止乙醇挥发和 色素氧化
滤纸会吸收大量的滤液，得不到足量的滤液。
铅笔线
2、制备滤纸条
将干燥的定性滤纸剪成略小于试管长与直径的滤纸条，将一端剪去两角，并在距这一端1cm处用铅笔画一条细的横线。
防止层析液在滤纸条的边缘扩散过快而使形成的色素带不整齐。
剪去两角的原因？
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀画出一条细线，待滤液干后，再画1-2次。
目的：使分离出的色素带更清晰分明
3、画滤液细线
细、直、匀
使分离出的色素带平整、不重叠
滤液细线
画滤液细线
4、分离绿叶中的色素
取适量层析液倒入小烧杯中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻插入层析液中，用培养皿盖住。
层析液 石油醚、丙酮和苯的混合液
培养皿
目的：防止层析液挥发，因其易挥发且有毒。
注：
滤液细线不能触及层析液
防止色素溶解到层析液中
叶绿素
类胡萝卜素
（含量约3/4）
（含量约1/4）
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）
绿叶中的色素
讨论：滤纸条上有几条不同颜色的色带？其排序怎样？宽窄如何？这说明了什么？
（一）捕获光能的色素
实验结果：
四种色素对光的吸收有什么差别？
叶绿素溶液
叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光
三棱镜
胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光
三棱镜
类胡萝卜素溶液
色素的作用：吸收、传递、转化光能
叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光
0
波长
吸收光能的百分比
50
100
叶绿素a
叶绿素b
类胡萝卜素
各种色素的吸收光谱
一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光； 光是一种电磁波； 可见光的波长是400-760nm；不同波长的光，颜色不同。
学科交叉
有些蔬菜大棚用红色或蓝色的塑料薄膜代替普通塑料薄膜，有的温室内悬挂发红色或蓝色光的灯管。
可提高光合作用强度。
旁栏思考：
绿色光源发绿色光，这种波长的光几乎不能被光合色素吸收，因此无法用于光合作用制造有机物。
植物工厂为什么不用发绿光的光源？
夜晚火龙果基地开起了灯
这些捕捉光能的色素存在于细胞中什么部位？
资料1：1881年，恩格尔曼的实验
黑暗 无空气
好氧菌只集中在叶绿体被光束照射到的地方
好氧菌集中在叶绿体所有受光部位
完全曝光
极细光束照射
极细光 束
P101讨论1.恩格尔曼证明:氧是由 释放出来的，
是光合作用的场所。
叶绿体
叶绿体
P101讨论2.恩格尔曼实验在设计上有何巧妙之处？
（1）水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。
（3）“没有空气的黑暗环境”的目的：
（4）“极细的光束照射”的目的：
（2）好氧细菌可确定释放O2多的部位。
（5）临时装片曝露在光下的实验：
排除O2和光的干扰。
叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验。
再次验证了实验结果。
P101讨论3.第二个实验大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区？
叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。
P101讨论4.综合上述资料，叶绿体的功能：
P101讨论
进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。
而且，在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子。
【知识总结】
恩格尔曼的实验一
恩格尔曼的实验二
资料2：
在类囊体薄膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
总结:这是叶绿体能进行光合作用的结构基础。
色素　 酶
分布：
主要分布在绿色植物的叶肉细胞
形态：
一般呈扁平的椭球形或球形
结构：
外膜
内膜
基粒：
由类囊体堆叠而成，类囊体薄膜上含有色素和酶
基质：
含多种光合作用所必需的酶
透明，有利于光线的透过
叶绿体是进行光合作用的场所。它内部的巨大膜表面上，不仅分布这许多吸收光能的色素分子，还有许多进行光合作用所必须的酶。
(1)结构
外表：①_______
内部
②_____
③______：由_________堆叠而成
↓决定
(2)功能：进行____________的场所。
双层膜 透明有利于光线的透过
基质
基粒
类囊体
光合作用
(3)物质基础
在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的_________。
在_____________上和______________中，还有 许多进行光合作用所必需的 。
色素分子
类囊体膜
叶绿体基质
带着蓝藻去火星
（二）捕获光能的结构
1.叶绿体的结构
划课本 P100-101
酶
2.下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是（ ）
A.所有植物细胞中都含有4中色素
B.有些植物细胞的液泡中也含有色素
C.叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能
D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类
1.基于对叶绿体的结构和功能的理解，判断下列相关表述是否正确
（1）叶绿体只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。 （ ）
（2）叶绿体类囊体上有巨大膜面积，利于吸收光能。 （ ）
（3）植物绿叶之所以呈绿色，因为叶片中叶绿体吸收了绿光。 （ ）
A
捕获光能的色素和结构
练习与应用（P101）
2、光合作用的反应式：
CO2 + H2O
光能叶绿体
（CH2O） + O2
糖类
二、光合作用的原理和应用
1、概念：绿色植物通过 ______ ，利用 ____ ， 把 ______ 和 _______ 转化成储存着能量的 ________，并且释放出 _______ 的过程。
氧气
叶绿体
光能
CO2
H2O
有机物
（1）原料与产物分别是什么？ （2）场所是哪里？反应需要什么条件？ （3）该反应中物质和能量的变化是怎样的？
P102思考·讨论 探究光合作用原理的部分实验
资料1 对光合作用的早期推测
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。
CO2
O2 释放
C+ H2O
甲醛
多个
缩合
糖(CH2O)
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。
O2
H+
资料2 光反应的研究——希尔反应
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。
讨论2：希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
能。没有合成糖的另一种必需原料CO2，因此，该实验说明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。
讨论1：希尔反应是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧全部都来自水？
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。
同位素标记法研究:用18O做示踪原子，探究光合作用的O2来源。
C18O2
CO2
H2O
H218O
光照下的
球藻悬液
O2
18O2
第一组
第二组
H2O和CO2被同位素18O分别标记
H2 18O和C18O2
讨论3：结论：
光合作用释放的O2全部来自 ，而并不来源于CO2。
资料3 光反应的研究——鲁宾和卡门实验
H2O
资料4 光反应的研究——阿尔农实验
1954年，美国科学家阿尔农发现，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。
结论：
光合作用释放的O2全部来自H2O，在光照下，叶绿体可合成ATP。
P103讨论4：

20世纪40年代，美国的卡尔文等用小球藻做实验：
用14C标记的14CO2供小球藻进行光合作用实验，最终探明：
14CO2
(14CH2O)
资料5 暗反应的研究——卡尔文循环
光合作用释放的氧气来自于水的分解，有机物又是怎样合成的？
同位素标记法研究:用14C做示踪原子，追踪放射性14C的去向。
CO2中的C在光合作用中转化成有机物(CH2O)的中C。
3.光合作用过程:
光合作用分为哪几个阶段？分类依据是什么？
（2）每个阶段反应的条件、场所、物质变化、能量变化如何？
光合作用
光反应
暗反应（碳反应）
划分依据:是否需要光能
有光才进行
有无光都可进行
H2O O2
合成ATP
CO2 (CH2O)
光解
光反应阶段
条件：
类囊体膜上的色素
光能
H2O
水在光下分解
O2
H+
场所：
类囊体的薄膜上
H2O
光
O2
+
H+
ADP+Pi
+
能量
酶
ATP
能量转化:
光能
ATP、NADPH中活跃的化学能
ADP+Pi
酶
ATP
光、色素、酶
产物：
O2、NADPH、ATP
水的光解：
ATP的合成：
物质转化:
NADPH的合成：
H+ + NADP+ NADPH
酶
NADP+
NADPH
酶
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
必背
暗反应阶段 （卡尔文循环）
co2
C5
固
定
2c3
(CH2O)
场所：
条件：
叶绿体基质中
多种酶
物质转化：
能量转化：
ATP、NADPH中活跃的化学能 有机物中稳定的化学能
还 原
酶
供能
ADP+Pi
有光无光都可以，多种酶等
CO2的固定：
C3的还原：
产物：
（CH2O）、ADP、Pi、NADP+
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
CO2＋C5 2C3
酶
ATP
NADP+
酶
NADPH
必背
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 →叶绿素 → ADP
B.CO2 → 叶绿体 → ATP
C.CO2 → 乙醇→ 糖类
D.CO2 → 三碳化合物 → 糖类
D
P106 练习与应用
光反应阶段
暗反应阶段
类囊体薄膜
叶绿体基质
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。
①若有机物为(CH2O)：
②（计算用）若有机物为C6H12O6：
光合作用的过程
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
类囊体膜上的色素
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
O2
H+
NADPH
NADP+
ADP+Pi
ATP
C3
C5
P106：根据光合作用的基本过程的填图
光反应是暗反应的基础，光反应为暗反应的进行提供NADPH和ATP；
暗反应是光反应的继续；暗反应为光反应的进行提供合成ATP的原料ADP和Pi以及NADP+。
P104思考 讨论 光反应与暗反应的区别与联系
光反应阶段 暗反应阶段
区别 反应场所
反应条件
物质变化
能量变化
叶绿体的类囊体薄膜上
叶绿体基质中
光、色素、与光反应有关的酶
与暗反应有关的酶
光能转化为ATP、NADPH中活跃的化学能
ATP、NADPH中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能
①水的光解：H2O O2+ H+
②NADPH的合成：NADP++H+ → NADPH
③ATP的合成：ADP+Pi+能量 → ATP
光
色素
酶
①CO2的固定：CO2+C5 2C3
酶
②C3还原：2C3 （CH2O）+ C5
酶
ATP、NADPH
反应阶段
酶
P104联系：
光反应
NADPH、ATP
暗反应
ADP、Pi、NADP+
光合作用实质：合成有机物，储存能量。
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。
4.光合作用的意义 P104
O2
CH2O
H2O
CO2
太阳能
类囊体
叶绿体基质
光合作用 有氧呼吸
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
联系 比较光合作用、呼吸作用
光、色素、酶、H2O和CO2
叶绿体
细胞质基质、线粒体
O2、酶、H2O、C6H12O6
无机物转变成有机物
有机物氧化分解成无机物
ATP、NADPH中活跃的化学能
光能
有机物中稳定的化学能
葡萄糖等有机物中稳定的化学能
ATP中活跃的化学能和热能
合成有机物，储存能量
分解有机物，释放能量
光合作用为呼吸作用提供物质（有机物、O2）；
呼吸作用为光合作用提供原料（CO2）
P106 化能合成作用:
能够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 2C6H12O6+ 6O2
能量
讨论：进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？
异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
自养生物：能利用环境中的无机物合成有机物来维持自身的生命活动。
农业中松土可使硝化细菌在O2充足条件下将更多的NH3转化成NO3-或NO2-，提高肥效。
例如：硝化细菌、铁细菌、硫细菌等少数种类的细菌。

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