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第四节 光合作用与能量转化
高一生物学必修一
第五章 细胞的能量供应和利用
目标
01
02
03
色素提取于分离
科学设计提取和分离色素的实验步骤,注意每个操作步骤的规范性。(科学探究)
捕获光能的色素
简述绿叶中色素的种类及功能,说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量。(生命观念)
光合作用
叶绿体的结构尤其是基粒大大扩展了膜面积，与光合作用的功能相适应及在生产生活的运用。(社会责任）
一、捕获光能的色素
1、绿叶中色素的提取和分离
实验原理介绍：
提取原理：
提取方法：
分离原理：
分离方法：
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。
纸层析法
绿叶中色素在层析液(汽油)中的溶解度不同。
溶解度大，扩散速度快；溶解度小，扩散速度慢
实验原理
无水乙醇
一、捕获光能的色素
1、绿叶中色素的提取和分离
实验原理介绍：
（橙黄色）
（黄 色）
（蓝绿色）
（黄绿色)
类胡萝卜素
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素
叶绿素a
叶绿素b
（含量约3/4）
（含量约1/4）
形象记忆：胡黄ab向前走
一、捕获光能的色素
1、绿叶中色素的提取和分离
实验结果：
类胡萝卜素
（含量约1/4）
胡萝卜素
胡萝卜素主要有α、β、γ三种形式，其中最为重要的为β-胡萝卜素。它是自然界中最普遍存在也是最稳定的天然色素。它是一种最常见的维生素A补充剂。维生素A对于人体视觉发育至关重要。
叶黄素
叶黄素在蔬菜、水果、花卉等植物中广泛存在，也是存在于人眼视网膜黄斑区的主要色素。人类等哺乳动物不能自行合成叶黄素，外来食物是唯一的叶黄素摄入来源。
组成元素为C、H、O
组成元素为C、H
一、捕获光能的色素
1、绿叶中色素的提取和分离
类胡萝卜素
叶绿素
（含量约3/4）
1.组成元素：
C、H、O、N、Mg
2.影响叶绿素合成的三大因素
光照
温度
必需元素
韭黄，同属于韭菜的一种，韭黄是韭菜通过培土，遮光等在黑暗环境中软化栽培后产生的黄化韭菜。
秋天叶片变黄
柑橘缺镁，叶面黄化
一、捕获光能的色素
1、绿叶中色素的提取和分离
叶绿素
色素种类
色素含量
扩散速度
溶解度
类胡萝卜素
含量约1/4
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素
含量约3/4
叶绿素a
叶绿素b
最少
较少
最多
较多
最快
较快
较慢
最慢
最大
较大
较小
最小
绿叶中色素的种类
色素的功能：
吸收、传递、转化光能
问: 请小组合作分析以下异常情况原因：收集的滤液绿色过浅、滤纸条色素带重叠、滤纸条看不到色素带等。
一、捕获光能的色素
1、绿叶中色素的提取和分离
实验结果分析：
太阳光是由不同波长的光组合成的复合光，不同波长的光，颜色不同，可见光的波长是400-760nm；波长小于400nm的光是紫外光；波长大于760nm的光是红外光。
问: 四种光合色素吸收的是什么光？四种光合色素对光的吸收有什么差别吗？
一、捕获光能的色素
2、色素对光的吸收
色素溶液
三棱镜
光源
分光仪
观察到变暗处即是被色素吸收的光谱。
一、捕获光能的色素
观察色素吸收光谱
2、色素对光的吸收
叶绿素溶液
叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
色素提取液
四种色素对光的吸收
一、捕获光能的色素
2、色素对光的吸收
类胡萝卜素
色素提取液
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
四种色素对光的吸收
一、捕获光能的色素
2、色素对光的吸收
400
500
600
700
叶
绿
素
a
叶
绿
素
b
类胡萝卜素
问: 四种光合色素都可以传递和转化光能吗？
一、捕获光能的色素
2、色素对光的吸收
色素溶液
测定色素对不同波长光的吸收情况，而色素颜色由其反射的光所决定。
【结论】一般情况下，光合作用吸收的光是可见光。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。
三棱镜
结论：
照射水绵
好氧细菌聚集在红光和蓝紫光的区域
叶绿体主要吸收红光和蓝紫光
恩格尔曼实验一：
二、叶绿体的结构和功能
极 细 光 束
均匀光照
水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，用好氧细菌可以确定释放氧气多的部位。
没有空气的黑暗环境排出了氧气和光的干扰。
用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验。
问：实验材料为什么选择水绵和好氧细菌？
问: 为何要除去小室中原有的空气？
问: 在黑暗中用极细光束照射水绵有何巧妙之处？
问: 为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下？
临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果。
二、叶绿体的结构和功能
恩格尔曼实验二：
（1）叶绿体的形态(光镜下)
一般呈扁平的椭球形或球形。
（2）叶绿体的结构(电镜下)
(1)光合作用的酶分布在基粒的类囊体薄膜上和基质中。
(2)众多的基粒和类囊体，极大得扩展了受光面积，扩大色素和酶的附着位点。
（3）叶绿体的功能
进行光合作用的场所
内膜
DNA
基质
核糖体
类囊体
外膜
基粒
叶绿体结构与功能相适应：
问: 光合作用一定发生在叶绿体内吗？
问: 叶绿体适于进行光合作用的结构特点？
二、叶绿体的结构和功能
三、光合作用的原理和应用
【光合作用】是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把CO2和H2O转化成储存能量的有机物，并释放出O2的过程。
CO2＋H2O （CH2O）＋O2
光能
叶绿体
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
1）19世纪末 甲醛→糖
2）1928
CO2
O2
C
甲醛
(CH2O)
甲醛对植物有毒，且不能通过光合作用转化成糖
+ H2O
三、光合作用的原理和应用
回顾科学家探索物质变化过程和能量变化过程。
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）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。
3）1937，希尔
：离体叶绿体适当条件下可以产生O2
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
问：希尔的实验是否能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应
能说明，希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的,悬浮液中有水,没有合成糖的另一种必需原料——CO2,同时该实验也没有糖类生成，因此是两个反应。
暗示希尔反应和糖的合成是两个相对独立的反应阶段，因此光合作用分为光反应和暗反应（碳反应）两个阶段。
问：希尔反应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，反应体系中可能还存在其他氧元素物质供氧，也不能说明氧元素转移途径
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
CO2
H218O
18O2
C18O2
H2O
O2
光合作用释放的氧气来自水
绿色植物
（如小球藻）
4）1941 鲁宾和卡门
（同位素标记法）
CO2＋H2 O （CH2O）＋O2
光能
叶绿体
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
1954年：
ADP＋Pi→ATP
光
1957年：
NADP＋＋H+＋2e→NADPH
H2O → 1/2O2 ＋2H+＋2e
光
1958年：光反应发生在基粒
ADP＋Pi→ATP
1954年，阿尔农实验1（美国）
结论：光照下，水光解同时ADP和Pi合成ATP。
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
1958年后，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：离体叶绿体中有糖类生成
结论：黑暗条件下，CO2合成糖类需要ATP和NADPH。
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
20世纪40年代，卡尔文实验1
1、向藻类细胞光合作用的原料中加入14CO2
2、连续60s取样，将藻类细胞置于热酒精中
3、分离溶解物中的分子
4、进行放射性显影，以确定放射性的部位
5s取样时产生的放射性物质
60s取样时产生的放射性物质
再溶解，化学分析，表明是3-磷酸甘油酸（C3）
依次出现的放射性物质代表了暗反应过程中各种产物依次出现的顺序
其他中间产物
三碳化合物
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
实验结果
先出现14C3，最后出现14C5、14C6
CO2 C3 C6
C5
结论：
①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。
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).
③30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
20世纪40年代，卡尔文实验1
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
C5
2C3
还原的C3
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。
CO2
（CH2O）
结论：C3与C5之间是相互循环的。
多种酶
20世纪40年代，卡尔文实验2
三、光合作用的原理和应用
1、光合作用研究史
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。
光合作用过程的示意图
三、光合作用的原理和应用
2、光合作用阶段
ADP＋Pi
ATP
叶绿体中的色素
高能电子
水
e
e
光能
NADPH和ATP
电子
传递
→
类囊体腔
Hill实验中DCPIP代替NADP+接受电子
光反应过程详解
三、光合作用的原理和应用
3、光反应
ADP＋Pi→ATP
NADP＋＋H+＋2e→NADPH
类囊体腔
H2O→O2＋2H+＋2e
光
三、光合作用的原理和应用
3、光反应
光、色素、酶
类囊体薄膜
水的光解：
H2O O2 + H+
光
ATP的合成：
ADP＋Pi＋能量 ATP
酶
1.场所：
2.条件：
3.物质变化
4.能量变化:
光能 ATP和NADPH中活跃化学能
光能
类囊体薄膜上的色素
H2O
O2
H+
ATP
ADP+Pi
酶
（还原型辅酶Ⅱ）
NADP+
NADPH
酶
NADP+（氧化型辅酶Ⅱ）+ H+ NADPH
NADPH的合成：
三、光合作用的原理和应用
3、光反应
CO2的固定：
C3的还原：
C5：核酮糖-1 ,5-二磷酸，即RuBP
C3：三磷酸甘油酸
CO2＋C5→2C3
酶
C3 ＋ATP＋NADPH→3-磷酸甘油醛
酶
C5
糖类等
酶
暗反应过程
三、光合作用的原理和应用
4、暗反应
暗反应阶段
场所：叶绿体基质（提供酶、原料等）
物质变化
能量变化
CO2的固定：
C3的还原：
CO2＋C5→2C3
酶
2C3 ＋ATP＋NADPH→3-磷酸甘油醛
酶
ATP和NADPH中的化学能转变为糖类等稳定化合物中的化学能
说明：
C5再生也属于卡尔文循环（暗反应）。
三、光合作用的原理和应用
4、暗反应
H2O
O2
H+
NADP+
NADPH
ADP+Pi
ATP
CO2
2C3
C5
(CH2O）
光反应
暗反应
相关信息：葡萄糖、淀粉在叶绿体基质中合成；
蔗糖在细胞质基质中合成
蔗糖
筛管
植物各处
葡萄糖
淀粉
三、光合作用的原理和应用
5、光合作用原理
光能
类囊体薄膜上的色素
H2O
O2
H+
ATP
ADP+Pi
NADP+
NADPH
2C3
CO2
多种酶
固 定
还 原
(CH2O)
C5
糖类
暗反应
光反应
三、光合作用的原理和应用
5、光合作用原理
光反应 暗反应
场所
条件
物质变化
能量变化 联系 光、色素、酶
多种酶、NADPH、ATP
类囊体薄膜
叶绿体基质
ATP和NADPH中活跃化学能
光能
糖类中稳定化学能
光反应是暗反应的基础，为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+。
H2O H+ + O2
光
ADP＋Pi＋能量 ATP
酶
CO2＋C5 2C3
酶
2C3 (CH2O)+C5
酶、NADPH、ATP
NADP++ H+ NADPH
5、光合作用原理：光反应 Vs 暗反应
三、光合作用的原理和应用
①若有机物为(CH2O)：
②（计算用）若有机物为C6H12O6：
反应式
三、光合作用的原理和应用
5、光合作用原理
三、光合作用的原理和应用
5、光合作用原理
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
[H]和ATP的含量
三、光合作用的原理和应用
5、光合作用原理
影响因素：
温度、
CO2浓度、
光照强度、光质
水、无机盐
【光合作用强度】植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量
三、光合作用的原理和应用
6、光合作用强度
【化能合成作用】利用环境中无机物氧化时释放的能量制造有机物,如硝化细菌。
NH3 + O2 HNO2 + 能量
HNO2 +O2 HNO3 + 能量
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能自养生物：绿色植物、蓝藻
化能自养生物：硝化细菌
异养生物：动物、真菌及大多数的细菌。
三、光合作用的原理和应用
6、化能合成作用
光合作用 化能合成作用
本质 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 区 别 能量 光能 氧化无机物放出的＿＿＿
代表生物 绿色植物 硝化细菌等微生物
化学能
补充：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。
三、光合作用的原理和应用
7、光合作用和化能合成作用的比较
光合作用 呼吸作用
代谢类型
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
同化作用
异化作用
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+放能
合成有机物、储存能量
分解有机物、释放能量
三、光合作用的原理和应用
8、光合作用与呼吸作用
1、 植物工厂中利用的人工光源主要是红色、蓝紫色和白色的光源，为什么不用绿光？
选无色透明的塑料薄膜，为了让各种波长的太阳光都穿过塑料薄膜，即让植物吸收更多的光能；大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选红光和蓝紫光。
四、练习
2、为什么大多植物的叶片是绿色的？
正常叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量的比例为3∶1，且对绿光吸收最少，绿光被反射出来，所以正常叶片总是呈现绿色。
4、枫叶为什么是红色的？
秋天温度降低，叶绿素分子在低温下易被破坏，而类胡萝卜素较稳定，叶片显示出类胡萝卜素的颜色，叶片变黄。
3、为什么许多植物到了秋天叶子会变黄？
秋天时，低温和植物体内积累的可溶性糖有利于液泡中花青素的形成，花青素在酸性的叶肉细胞中变成红色，而叶绿素逐渐降解，叶片呈现红色。
四、练习
END

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