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第2节 光合作用—光能的捕获和转换
第三章 细胞的中能量的转换和利用
第3课时 光合作用的过程
01
02
概述光合作用的的过程，形成比较、分析等科学思维方式和严谨的科学态度。
通过对光合作用的场所-叶绿体的学习，认同结构与功能相适应的观点。
通过前面的学习，我们知道绿色植物光合作用的场所在哪里？（从器官、细胞、细胞器水平分别回答）
叶绿体
类囊体
光合作用是绿色植物细胞中的叶绿体从________中捕获能量，并将这些能量在_____________转变为___________的过程中，转换并储存为糖分子中的_________的过程。
光能
叶绿体
CO2 + H2 O （CH2O)+ O2
糖
总反应可表示为：
太阳光
CO2和H2O
糖与O2
化学能
回顾旧知
什么是光合作用？
【设疑启思】光合作用需要光，然而是否每一步反应过程都需要有光呢？
【史料印证】资料1：瓦尔堡实验
布莱克曼在1905年提出光合作用分为依赖光的阶段和不依赖光的阶段。德国生化学家瓦尔堡为了检验布莱克的假说，用藻类进行闪光实验，在光能量相同的前提下，一种用连续照光135s，另一种光暗交替照射135s。
【设疑启思】若光合作用全程都需要光，则B组光合产物量应为多少？
光合作用分为光反应阶段和暗反应阶段。
【总结提升】光反应阶段发生在类囊体膜上，必须要在有光的条件下才能进行。
暗反应阶段又称为碳反应阶段，在叶绿体基质中进行。
【设疑启思】光合作用产生氧气，氧气中的氧是来自于H2O还是CO2 ？
1937年，英国剑桥大学的希尔将离体叶绿体加入草酸铁或其他氧化剂溶液，在抽去空气的条件下给予光照，发现叶绿体中有O2放出。
希尔反应：4Fe3+ + 2H2O→ 4Fe2+ + 4Ｈ+＋Ｏ2
【史料印证】资料2：希尔反应
【设疑启思】Fe3+作为电子受体，得到的电子是谁失去的？
H2O
【设疑启思】希尔的实验能否说明光合作用产生的氧气中的氧全部来自于水？
【史料印证】资料3：鲁宾和卡门的同位素标记实验
【演绎解惑】鲁宾和卡门通过同位素标记法，彻底将H2O和CO2区分开来。两组实验之间形成相互对照，最终证明光合作用释放的O2全部来自于H2O。
C18O2
光照射下的
小球藻悬液
H2O
O2
CO2
H218O
18O2
【演绎解惑】水的裂解: H2O → 2Ｈ+＋1/2Ｏ2 + 2e-
光
叶绿体
【设疑启思】光合作用的最终产物中有O2，但没有H+和电子，它们可能参与了什么反应？
【史料印证】资料4：阿尔农实验1
1954年，美国科学家阿尔农在给叶绿体照光时发现，当他向反应体系中供给ADP、Pi、NADP+时，体系中就会有ATP和NADPH的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的裂解相伴随。
【提出假说】NADP+ + H+ + 2e- → NADPH
【拓展资料】科学家发现叶绿体中存在NADP+（氧化型辅酶II）和NADPH（还原型辅酶II）。
【演绎解惑】
酶
NADPH合成： NADP+ + H+ + 2e- → NADPH。
【模拟活动】 观看小话剧《电子传递链》
酶
【演绎解惑】 ATP合成： ADP+Pi+ 能量 → ATP
《电子传递链》
请一组同学5-6名，到讲台前，模拟电子载体和电子传递过程，这组同学中，第一、二和最后一位同学模拟的分别是什么物质？
ADP＋Pi
ATP
电子传递体
水
e-
NADP+
e-
叶绿素
光
e-
【模拟电子传递链】
e-
H2O
NADPH
O2
ADP + Pi
ATP
运至线粒体供有氧呼吸使用，若有富余，也可运出细胞质膜供给其他细胞。
光反应阶段必须有光才能进行，光合色素吸收的光能一方面将H2O → O2和H+， H+与NADP+结合后形成NADPH，作为活泼还原剂的NADPH 既参与暗反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用；
另一方面，在相关酶的作用下，电子在传递过程中释放出能量供ADP + Pi → ATP。
这样，光能转化为电能再转化为为ATP和NADPH中活跃的化学能。
NADP+
光反应
【设疑启思】暗（碳）反应过程中，CO2通过一步步化学反应转化为糖类有机物。若想追踪碳元素在此过程中的的转移途径，可以采用什么方法进行研究？
【史料印证】资料6 卡尔文实验1
小球藻照光时间 带14C标记的化合物
30秒 多种化合物
5秒 C3、C5、C6
万分之一秒 90%的14C集中在C3中
【演绎解惑】根据标记化合物出现的时间，推断CO2转化为其他有机物的顺序是
卡尔文用小球藻做实验材料，通入14C标记的CO2进行培养。给予极短光照时间后，杀死小球藻，再用纸层析法分离不同化合物，分析放射性化合物的成分。
14CO2 14C3 14C5 + (14CH2O)
【设疑启思】卡尔文发现，通入14CO2后产生的第一个放射性化合物是C3。分析发现C3不是由3个CO2合成的，那么固定CO2的受体是什么？
【演绎解惑】 CO2的固定：
C5 + CO2 2C3
酶
【史料印证】资料7 卡尔文实验2
光照条件下当CO2浓度突然降低后，C5的含量迅速升高。
【拓展资料】卡尔文最初猜测CO2的起始受体是一种C2，这样的推论促使他拼命去寻找这种假定的化合物，但一无所获。
【提出假说】停止CO2供应，含量相比之前增加的化合物即为CO2受体。
+ CO2 C3 C5 + (CH2O)
【设疑启思】卡尔文发现，停止光照时C3无法被还原为糖，在细胞中不断累积。那么光反应为暗反应的C3的还原提供了哪些必要的条件？
【史料印证】资料8 阿尔农实验2
【演绎解惑】 C3 的还原：
阿尔农发现，只要供给ATP和NADPH，即使是在黑暗中叶绿体也能合成糖。
2C3 C5 + (CH2O)
酶
ATP、NADPH
【总结提升】光反应和暗反应紧密联系，物质和能量的转化密不可分。
在光反应生成的ATP和NADPH驱动了暗反应的进行，其活跃的化学能最终转化为有机物中稳定的化学能。
暗反应
ATP
CO2
三碳化合物C3
五碳化合物C5
有机物（CH2O）
C O 2 的 固 定
C 3 的 还 原
暗反应阶段不直接依赖光，在叶绿体基质中完成。CO2经过一系列反应生成糖类：
绿叶吸收的CO2，首先与C5结合，生成C3；C3接受ATP和NADPH 释放的能量，并且被NADPH 还原，一些C3逐渐被转化为糖类，另一些又转变为C5。C5又可以继续去固定CO2。所以暗反应实际上是一个C3和C5的循环。
NADPH
光合 作用 光反应 暗反应
发生条件 H2O、光、光合色素、酶、ADP、Pi和NADP+ CO2、酶、ATP和NADPH
发生场所 ； ；
物质转化 水的裂解、NADPH合成、 ； CO2的固定、 ；
能量转化 光能→ →ATP和NADPH中活跃的化学能； ATP和NADPH中活跃的化学能→ ；
联 系 光反应为暗反应提供 ，暗反应为光反应供 。 【光反应与暗反应比较】
类囊体的薄膜上
叶绿体基质中
ATP的合成
C3的还原
电能
糖中稳定的化学能
NADPH和ATP
ADP、Pi、NADP+
自然界中还存在一些微生物，它们不能像绿色植物那样通过光合作用利用光能产生糖，而是通过氧化外界环境中的无机物获得的化学能来合成有机物。这种制造有机物的方式，称为化能合成作用。
例子：硝化细菌、硫细菌和铁细菌
2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+能量
2HNO2+O2→2HNO3+能量
思考：生物只能通过光合作用制造有机物吗？
CO2+H2O +能量→（CH2O）+O2
基质
类囊体
CO2
糖类
C5
(五碳化合物)
CO2的固定
2C3
(三碳化合物)
C3的还原
H2O
酶
Pi ＋ADP
ATP
光反应
暗反应
色素
多种酶
O2
NADPH
NADP+
（一）
基本过程
1.下列关于探究光合作用原理实验的叙述,错误的是(　　)
A.恩格尔曼利用水绵和好氧细菌为材料,证明光合作用的场所是叶绿体
B.希尔证明离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解,产生氧气
C.鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2,证明光合作用产生的氧来自水
D.阿尔农发现水的光解过程产生ATP
D
2.下图为探究光合作用中氧气来源的实验示意图,图中A物质和B物质的相对分子质量之比是(　　)
A. 1∶2　　　　　　
B. 2∶1
C. 8∶9
D. 9∶8
C
3.如图为叶绿体结构与功能示意图,下列说法正确的是(　　)
A.结构A中的能量变化是光能转变为
NADPH和ATP中活跃的化学能
B.供给14CO2,放射性出现的顺序为CO2→C5→甲→C3
C.结构A释放的O2可进入线粒体中,参与有氧呼吸第二阶段的反应
D.如果突然停止CO2的供应,短时间内C3的含量将会增加
A

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