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第4节 光合作用与能量转化
（第2课时）光合作用的原理
高中生物学
第五章 细胞的能量供应和利用
目录
课堂小结
04
课堂练习
情境导入
02
03
素养目标
01
05
探究新知
一、探索光合作用原理的实验
二、光合作用的过程
三、化能合成作用
学习目标 核心素养
1.建构光合作用的光反应和暗反应的过程及影响因素模型。
2.通过对光合作用过程的认识，建立生物学的物质观和能量观。 1.通过对探索光合作用原理相关实验的资料分析，能够阐明光合作用的过程，认识到光合作用过程中的物质与能量变化。
（生命观念，科学探究）
2. 通过对光反应与暗反应过程的比较归纳，及对光合作用过程的总结，领悟科学探究方法，体会人类对光合作用的认识是逐步的、不断发展的；
（科学思维、社会责任）
素养目标
叶绿体
二氧化碳和水
氧气
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。
一、探索光合作用原理的实验
光合作用的概念及反应式
1
1.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。
6CO2+12H2O* C6H12O6+6H2O+6O2*
叶绿体
光能
光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖，都是糖类，可使用（CH2O）表示糖类。
CO2
O2
C + H2O
甲醛
多个缩合
糖类
很多年来，人们一直以为：
甲醛→糖
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类。
一、探索光合作用原理的实验
光合作用原理的部分探索历程
2
初步判断：
氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。
19世纪末
1928年
1937年
希尔反应
结果：叶绿体有O2释放
推测：叶绿体中水的光解产生了氧气。
离体的叶绿体悬浮液（有H2O，没有CO2）
铁盐
（或其他氧化剂）
O2
1.希尔的实验是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？
不能，没有排除叶绿体中其他物质干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
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，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。
一、探索光合作用原理的实验
光合作用原理的部分探索历程
2
结合水分解产生的电子
1941年
鲁宾和卡门实验
结论：光合作用产生的O2来自 。
同位素标记法
③指标：检测相对分子质量判断：O2（32）、18O2（36）
二者的相对分子质量之比为32∶36＝8∶9。
②不能通过检测放射性判断。18O2是无放射性的同位素
一、探索光合作用原理的实验
光合作用原理的部分探索历程
2
①对比实验：
两组都是实验组。
水　
1954年
阿尔农实验
1957年
叶绿体合成ATP的过程，总是与水的光解相伴随。
光照下，叶绿体可合成ATP。
发现：
H2O O2 + NADPH+ 能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
一、探索光合作用原理的实验
光合作用原理的部分探索历程
2
即在光下叶绿体内同时进行两个反应。
光照
ATP
水
光解
结论：光照下，水光解同时ADP和Pi合成ATP。
光合作用过程的示意图
根据 ，这些化学反应可以概括地分为 和 （现在也称为碳反应)两个阶段。
二、光合作用的过程
光合作用过程
是否需要光能
光反应
暗反应
暗反应
光反应
1.光反应阶段
水的光解：
ATP的合成：
2H2O O2 + 4H+ + 4e-
光
色素
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
NADPH的合成：
NADP+ + H+ + 2e- NADPH
酶
光能
②条件：
①场所：
③物质转化：
⑤能量转化:
④产物：
ATP、NADPH中活跃的化学能
光合作用第一阶段的化学反应， 才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。
类囊体上的光合色素
光能
ADP + Pi
酶
ATP
O2
H+、e-
水在光下分解
H2O
NADP+
NADPH
二、光合作用的过程
光反应阶段
必须有光
叶绿体类囊体薄膜
光、色素、多种酶
O2、NADPH、ATP
1
。
①在C3的还原中作还原剂；
②为C3的还原提供能量
ATP主要用于暗反应,也参与叶绿体中生物大分子核酸、蛋白质的合成。
NADP+：氧化型辅酶Ⅱ
NADPH：还原型辅酶Ⅱ
1. 光系统Ⅱ进行水的光解，产生O2和H＋和自由电子(e－)，光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。
H+浓度差
2e＋NADP＋＋H+→NADPH
ADP＋Pi→ATP
特殊状态的叶绿素a
水
e－
光子
e－
二、光合作用的过程
光系统及电子传递链
拓展
①电子供体： ,电子受体是 。
②ATP合酶作用： 。
H2O
NADP＋
转运质子并催化ATP合成
2.暗反应阶段：
光合作用第二阶段的化学反应， ，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在 中进行的。在这一阶段，CO2被利用，经过一系列反应后生成糖类。
思考：CO2是如何转变为糖类的呢？
二、光合作用的过程
暗反应阶段
2
不直接依赖光
叶绿体基质
美国科学家卡尔文用14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C的去向，称为卡尔文循环。
二、光合作用的过程
暗反应阶段
2
卡尔文实验
请据此大致描述CO2转化成有机物过程中，
C的转移途径。
14CO2 → 14C3 →（14CH2O）
→
14C5
方法：（放射性）同位素标记法
杀死细胞，使细胞停止代谢，以便检测生成的含14C标记的化合物种类。
NADPH
ADP + Pi
(CH2O)
ATP
多种酶
参加催化
酶
CO2
还原
固定
供能
叶绿体基质
CO2的固定：
C3的还原：
CO2 + C5 2C3
酶
NADP+
2.暗反应（碳反应）
①场所：
②条件：
③物质变化：
④能量变化：
ATP、NADPH中活跃的化学能
有机物中稳定的化学能
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
ATP→ ADP+Pi
NADPH→NADP+
酶、NADPH、ATP
卡尔文循环
供氢
酶
二、光合作用的过程
暗反应阶段
2
C5
核酮糖-1,5-二磷酸
RuBP
2C3
3-磷酸-甘油酸
叶绿体
中的色素
可见光
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
光反应
暗反应
NADP+
NADPH
酶
二、光合作用的过程
能量变化： 光能→ATP和NADPH中活跃化学能
物质联系： ①光反应阶段为暗反应阶段提供 ，
②暗反应阶段为光反应阶段提供 原料。
ATP 和 NADPH
ADP、Pi和NADP+
思考:暗反应能在无光的环境中长期进行吗？
不能，因光反应无法进行，缺乏光反应提供的ATP 和 NADPH。
项目 光反应 暗反应
区别 场所
条件
和原料
物质
变化
能量
转化
联系 ①光反应为暗反应提供 ，暗反应为光反应提供 。
②没有光反应，则暗反应 ，没有暗反应，光反应 。
①水的光解：
①CO2的固定：
②C3的还原：
类囊体薄膜上
叶绿体基质
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
活跃的化学能→（CH2O）中稳定的化学能
NADPH和ATP
NADP+、ADP+Pi
无法进行
也不能进行
光、色素、酶
有光无光都可，多种酶
酶
光反应
暗反应
二、光合作用的过程
光反应和暗反应的比较
3
NADPH
1.3H的转移
2.14C的转移
3.18O的转移：
3H2O
(C3H2O )
光反应
暗反应
（14CH2O）+14C5
14CO2
CO2的固定
14C3
C3的还原
（CH218O）
18O2
H218O
光反应
C18O2
C3
CO2的固定
C3的还原
二、光合作用的过程
光合作用中元素的转移
4
思考：叶绿体处于不同条件下，C3、C5、NADPH、ATP含量的动态变化
1.CO2供应不变，停止光照
光反应停止→
NADPH和ATP减少→
C3还原减慢→
C3增多，C5减少
2.CO2供应停止，光照不变
CO2固定停止→
C3减少，C5增加→
C3还原减慢→
NADPH和ATP增加
二、光合作用的过程
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
5
条件变化 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O)
光照变强，
CO2供应不变
光照不变，
CO2供应减少
①C3和C5的变化 ；
②C5、NADPH、ATP的变化 ；
相反
一致
增多
减少
增多
增多
减少
增多
增多
减少
二、光合作用的过程
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
5
（1）过程分析法
2.“模型法”表示C3和C5的含量变化
C3起始值高于C5（约是其2倍）
①图1中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
②图2中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
③图3中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
④图4中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。
二、光合作用的过程
环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
5
C5、NADPH、ATP
C3
C3
C5、NADPH、ATP
C5、NADPH、ATP
C3
C3
C5、NADPH、ATP
C5、NADPH、ATP
C3
C3
C5、NADPH、ATP
C3
C5、NADPH、ATP
C3
C5、NADPH、ATP
磷酸转运器的活性受抑制：磷酸丙糖不能被运出，
①叶绿体基质内磷酸丙糖浓度增加，抑制暗反应
②淀粉积累，光合作用减弱
③从叶绿体外转运进的磷酸减少，抑制光反应；
二、光合作用的过程
光合作用产物运输
6
光合作用的产物有一部分是_____，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入 ，再通过韧皮部运输到植株各处。
淀粉
筛管
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3 + 能量
6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2
能量
3.进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
以无机物转变成为自身的组成物质。
（能够进行光合作用或者化能合成作用的生物）
自养生物：
异养生物：
4.光合作用和化能合成作用的异同
1.概念:
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）
三 、化能合成作用
化能合成作用
1
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。
硝化细菌
硫细菌
铁细菌等少数种类的细菌
课堂小结
1. 下列关于探索光合作用原理的实验的叙述，错误的是（　　）
A. 恩格尔曼的水绵实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
B. 希尔的实验证明了光合作用产生的氧气中的氧元素来自水
C. 鲁宾和卡门采用同位素示踪的方法探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的
D. 阿尔农发现在光照下叶绿体合成ATP的过程总是与水的光解相伴随
课堂练习
B
鲁宾和卡门采用同位素示踪的方法分别标记二氧化碳 和水中的氧进行实验，通过检测产生的氧气的相对质量，证明光合作用释放的O2来自水。
2. 如图为绿色植物光合作用过程示意图（图中a～g为物质，
①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示）。
有关叙述不正确的是（　　）
A. ②、③将光能转变成了活跃的化学能
B. 其他条件不变，g的量瞬时减少，短时内d、f增加
C. 将H2O物质用18O标记，一段时间后在CO2中可检测到18O
D. ④、⑤、⑥过程都发生在叶绿体基质中
课堂练习
B
g为二氧化碳，d代表ADP，f为NADP＋，若CO2的量瞬时减少，CO2被C5固定形成C3的量减少，C3的还原减慢，ATP和NADPH的消耗减少，剩余量增多，短时内ADP、NADP＋减少

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