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第4节 光合作用和能量转化
（第2课时）
第5章 细胞的能量供应和利用
能概述光合作用原理的探索历程。
能建构光合作用的光反应和暗反应的过程，说出其中的物质变化和能量变化。
能说出光合作用的光反应和暗反应的区别与联系。
“空气变馒头”
喝西北风管饱要成真啦！
自然界中的植物通过光合作用合成淀粉等有机物，其过程非常繁琐，具体是怎样的呢？
光合作用
1.概念
2.反应式
CO2 + H2O
（CH2O) + O2
光能
叶绿体
（CH2O）表示糖类，光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。
叶绿体如何将光能转换成化学能的呢？
注
绿色植物通过_______，利用______，将_______________转化成__________________，并且释放出_______的过程。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
储存着能量的有机物
氧气
水
有机物
CO2
O2
一、光合作用的概念和反应式
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。
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。
CO2
O2 释放
C+ H2O
糖(CH2O)
多个缩合
甲醛
【初步判断】氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。
二、光合作用的原理
资料1：1937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O2。
【任务①】 探索光合作用原理的部分实验，分析实验结果：
铁盐等氧化剂
O2
只有H2O
没有CO2
离体的叶绿体悬浮液
希尔反应
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。
4Fe3+ + 2H2O
4Fe2+ + 4H+ + O2
光能
叶绿体
（HILL REACTION）
讨论1：希尔的实验说明水的光解产生氧气，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？
实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素转移。
讨论2：希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
不能。
能够说明。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H2O，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。
光合作用生成的O2中的氧元素到底来自H2O还是CO2？如何设计实验进行探究？
【任务①】 探索光合作用原理的部分实验，分析实验结果：
资料2：1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源，他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2，然后进行了两组实验：
甲组
乙组
18O
H218O
C18O2
C18O2
H2O
O2
H218O
CO2
18O2
讨论3：
①甲组和乙组实验形成一组什么实验？
②本实验可得出什么结论？
对比实验
光合作用释放的氧全部来自水，不来源于CO2
【任务①】 探索光合作用原理的部分实验，分析实验结果：
资料3：1954年，美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系供给ADP、Pi时，体系中就会有ATP的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
讨论4：尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
ATP的合成场所 类囊体
H2O
光能
叶绿体
O2 + H+ + 能量
合成条件 需光（酶）
ADP + Pi
ATP
讨论5：上述三个实验共同表明了什么？
光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。　
任务②：自主阅读P103-104，从场所、条件、物质能量变化角度分析光合作用
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 … …
联系 … 光合作用过程的示意图
根据是否需要光能，光合作用分为 和 两个阶段。
光反应
暗反应
（碳反应）
尝试叙述光合作用的光反应过程
1.光反应阶段
H2O
光解
O2
ATP
ADP+Pi
NADP+ + H+
NADPH
酶
光反应阶段
类囊体薄膜
相关信息
水分解为氧和H+的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递，可用于NADP+与H+结合形成NADPH。
NADP+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
类囊体薄膜上的色素分子
可见光
H2O
O2
H+
光解
ADP+Pi
ATP
酶
酶
NADPH
NADP+
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
ATP、NADPH中活跃的化学能
叶绿体类囊体薄膜
光、色素、多种酶
①场所：
②条件：
③物质转化：
④能量转化:
光反应阶段图解
暗反应是如何将二氧化碳转变成糖类的呢？
20世纪40年代·美国科学家卡尔文等
20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M. Calvin, 1911—1997）等用小球藻做了这样的实验：
【情境1】 向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物，有三碳化合物（C3）、五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)。
注
小球藻是一种单细胞的绿藻
如何确定二氧化碳中的C先转移到C3、C5和C6中的哪个化合物呢？
缩短反应时间
【情境2】 反应进行到5秒光照时，卡尔文等检测到同时含有放射性的C5化合物和C6化合物。缩短工作时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中在一种C3化合物上。
1.大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径。
20世纪40年代·美国科学家卡尔文等
20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M. Calvin, 1911—1997）等用小球藻做了这样的实验：
CO2
(CH2O)
C3
C5
【情境2】 反应进行到5秒光照时，卡尔文等检测到同时含有放射性的C5化合物和C6化合物。缩短工作时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中在一种C3化合物上。
2.CO2与什么物质结合形成C3
实验发现，在光照条件下，突然降低CO2的浓度，C3和C5含量有如右图变化：
结论：CO2与C5结合形成C3化合物
1%CO2
0.003%CO2
时间（分）
C3
C5
0
1
2
3
4
5
6
无CO2
化合物质
光合作用吸收的二氧化碳与C5结合形成C3，C3经过一系列变化，转化为糖类的同时又形成C5。这些C5又参与C3的形成。这样，C5到C3再到C5的循环，可以源源不断进行下去。所以暗反应也称为卡尔文循环（碳循环）。
上述资料表明
这一阶段光合作用的相关化学反应，有光无光都能进行，所以这个阶段叫做暗反应阶段。
暗反应阶段
2.暗反应阶段
完善光合作用的示意图
H2O
光解
O2
ATP
ADP+Pi
NADP+ + H+
NADPH
酶
光反应阶段
类囊体薄膜
多种酶参加反应
固定
还原
CO2
C5
2C3
(CH2O)
暗反应阶段
叶绿体基质
暗反应阶段图解
NADPH
NADP+
酶
酶
ATP
ADP+Pi
C5
2C3
(CH2O)
糖类
CO2
CO2的固定
C3的还原
多种酶
2.暗反应阶段
叶绿体基质
CO2的固定：
C3的还原：
CO2 + C5 2C3
酶
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
类囊体薄膜上的色素分子
可见光
H2O
O2
H+
光解
ADP+Pi
ATP
酶
酶
NADPH
NADP+
酶
酶
C5
2C3
(CH2O)
糖类
CO2
CO2的固定
C3的还原
多种酶
光反应阶段
（类囊体薄膜）
暗反应阶段
（叶绿体基质）
3.光合作用元素转移
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
H的转移
C的转移
O的转移
H2O
NADPH
(CH2O )
CO2
C3
(CH2O )
CO2
C3
(CH2O )H2O
O2
4.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
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 。 叶绿体的类囊体薄膜上
叶绿体基质中
需要光、色素、与光反应有关的酶
需要与暗反应有关的酶
光能转化为ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中的化学能
光
ADP + Pi + 能量 → ATP
水的光解
H2O → H+ + O2
合成NADPH
NADP+ + H+ + e → NADPH
合成ATP
酶
CO2的固定
CO2 + C5 → 2C3
酶
C3的还原
C3 （CH2O）
酶
ATP、NADPH
NADPH和ATP
NADP+、ADP+Pi
无法进行
也不能进行
否，光反应必须在光下进行；暗反应是有光和无光都可以进行。
不能，因为没有光，光反应无法进行，不能为暗反应提供所需的ATP和[H]
不能，因为没有二氧化碳暗反应无法进行，也就不能为光反应提供ADP和Pi、NDDP+，即便是有光，光反应也无法进行。
1
光反应与暗反应是否一个在光下进行，一个在暗处进行？
3
白天放在无二氧化碳的密闭玻璃罩内的植物长期进行光反应、暗反应吗？为什么？
2
夜晚植物能进行光反应、暗反应吗？为什么？
正常进行光合作用的植物，突然停止光照后，C3、C5、[H] 、ATP含量如何变化？若突然停止CO2的供应呢？
条件 停止光照CO2供应不变 突然光照 CO2供应不变 光照不变 停止CO2供应 光照不变
增加CO2供应
C3
C5
ATP
NADPH
增加
减少
减少
减少
减少
增加
增加
增加
减少
增加
增加
增加
增加
减少
减少
减少
5.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
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？
2. 过程:
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）
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
三、化能合成作用
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
B
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

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