5.4光合作用与能量转化课件【知识精研+拓展延伸】高一上学期生物人教版必修1

第4节

光合作用与能量转化在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量。在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。

光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。因此，有人称光合作用是

“地球上最重要的化学反应”。无论是在植物工厂里，还是在自然界，

植物捕获

光能要依靠特定的物质和结构。色素捕

获

光

能的

色

素和

结

构正常的绿色玉米植株可以生长不含绿色色素的白化玉米苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。以上现象说明，叶片中的色素与光能的捕获有关。图5-

10

正常玉米植株(绿色)和白化玉米植株(白色)绿叶中究竟有哪些色素呢?探究

·

实践《绿

叶中色素的提

取与

分

离》实验目的

①

进行绿叶中色素的提取和分离②

探究绿叶中含有几种色素实验原理

①

提取色素的原理

95%乙醇+无水碳酸钠色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中

，所以可用无水乙醇提取色素。②

分离色素的原理

纸层析法

溶解度决定扩散速度不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在

滤纸上扩散得快，反之则慢，这样绿叶中的色素就会随着层

析液在滤纸上的扩散而分离开。分离色素

层析液(由20份60-90℃下分馏出来的

石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成)方法步骤提取绿叶中的色素称取、剪碎无水

绿叶

Caco,Sio,

乙醇研磨研钵5-10mL无水乙醇：

溶解色素少许SiO₂:

有助于研磨得充分少许CaCO₃:

防止研磨中色素

被破坏过滤方法步骤②

制备滤纸条将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径、长度略

小于试管长度的滤纸条，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1cm处用铅笔画一条细的横线。滤纸条为何要剪去两角?

防止色素带扩散不整齐。画滤液细线用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条

细线(也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横

线处按压出均匀的细线)。待滤液干后，再重画一到两次。方法步骤4

分离绿叶中的色素

纸层析法将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。

滤液细线注意：

不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。方法步骤5

观察与记录观察试管内滤纸条上出现几条色素带，

以及每条色素带的颜色和宽窄。将观察结果记录下来。实验结果色素带宽度代

表色素含量从上至下，胡黄ab色素

含量色素

种类溶解度扩散

速度决定实验结论叶绿素(含量约占3/4)绿叶中的色素类胡萝卜素(含量约占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)色素分离的其他方法从外至内

胡黄ab下列叙述中正确的是(

D

)A.加入少许二氧化硅可防止在研磨时叶绿体中的色素受到破坏

B.用无水乙醇将叶绿体中的色素进行分离C.滤纸条上的最上面色素带呈黄绿色D.

溶解度越高的色素随层析液在滤纸上扩散越快实验过程中，甲同学忘记加入二氧化硅和碳酸钙，乙同学忘记加入无

水乙醇，丙同学加的无水乙醇过多。请分析他们各自的实验结果。甲：研磨不充分，部分色素被破坏，滤液颜色浅，色素带较窄乙：提取不到色素，滤纸条上无色素带丙：滤液颜色浅，色素带较窄这4种色素对光的吸收有什么差别呢?阳光在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，

称为光谱。阳光光是一种电磁波。可见光的波长是400～760

nm。

不同波

长的光，颜色不同。波长小于400

nm的光是紫外光，波长大

于760

nm

的光是红外光。

一般

情况下，光合作用所利用的光

都是可见光。红外线

可见光红橙黄绿青蓝紫紫外线760nm400nm阳光阳光含色素

的滤液由图可知，色素主要吸

收蓝紫光和红光。红橙黄绿青蓝紫叶绿素a和叶绿素b主要

吸收蓝紫光和红光叶绿素除了吸收红光和蓝

紫光，其他可见光(如：

500nm波长的光)吸收吗?能，只是吸收量较少光是一种电磁波。可见光的波长是400～760

nm。

不同波

长的光，颜色不同。波长小于

400

nm的光是紫外光，波长大

于760

nm

的光是红外光。

一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。植物工厂为什么不用发绿光的光源?色素主要吸收蓝紫光和红光，

较少吸收绿光。类胡萝卜素(胡萝卜素

和叶黄素)

主要吸收蓝

紫光，

不吸收红光类胡萝卜素500

400

450

500

550

600

650

700

波长/nm吸收光能的百分比100这些色素存在于细胞中的什么部位呢?科学家在19世纪早期就从植物细胞中分离出叶绿素，但当时并不清楚色素在植物细胞

中的分布情况。后来，科学家才弄清楚，素并非遍布整个植物细胞，而是集中在一个更小的结构里，这个结构就是叶绿体。叶绿体中的色素：与光合作用有关

叶绿素和类胡萝卜素液泡中的色素：与花、果的颜色有关

花青素内膜类囊体基粒观察电子显微镜下的叶绿体结构(图5-

13),可以看到，

叶

绿

体

由双层膜包被，内

部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的吸收光能的4种色

素就分布在类囊体的薄膜上。基粒与基粒之间充满了基质。囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊外膜内膜亚显微结构

(电子显微镜)显微结构

(光学显微镜)每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上。叶绿体内有如此众多的基粒

和类囊体，极大地扩展了受光面积。

据计算，

1g

菠菜叶片中的类囊体的总面积竟有60m²

左右。内膜叶绿体的结构适于进行光合作用

类囊体基粒外膜内膜亚显微结构

(电子显微镜)1

、实验材料选择a

水绵

和b需氧细菌

_a的优点是叶绿体呈螺旋式带状，便于观察

b的优点是

可确定释放氧气的部位2、没有空气的黑暗环境排除了氧气和

光

干扰。实验结论：

氧气是叶绿体在

光下释放出来的。黑暗、极细

装置放

光束照射

在光下叶绿体除吸收光能外，还有什么功能呢?恩格尔曼实验2实验结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光释放氧气用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红

光和蓝紫光区域。恩格尔曼实验：直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。

之后研究发现：类囊体膜上和叶绿体基质中含有多种光合作用所结论：

叶绿体是光合作用的场所。叶绿体的功能原核生物没有叶绿体，能进行光合作用吗?有些原核生物含有光合色素和光合作用所需的酶，也可以进行光合作用。如：蓝细菌含有藻蓝素、叶绿素及相关酶。必需的酶光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，

将二氧化碳和

水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。这一过程可以用下面的化学反应式来概括，其中(CH₂O)

表示糖类。光合作用的原理叶绿体如何将光能转化为化学能?又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的?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。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类。探

索

光

合

作

用

原

理

的

部

分

实

验19世纪末释放H₂O1937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H₂0,

没有CO₂),

在光照下可以

释放出氧气。希尔

铁盐(或其他氧化剂)

水的反应

2H₂O

离体叶绿体光照

4H++O₂

光解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，反应体系中还可能存在其他氧元素供体。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。探索光合作用原理的部分实验CO₂→小球藻-

悬液1941年，美国科学家鲁宾

(S.Ruben)

和卡门(M.Kamen)

用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。

同位素标记鲁宾和卡门的实验说明植物光合作用产生的氧气全部都来自水。探

索

光

合

作

用

原

理

的

部

分

实

验小球藻

悬液第一组第二组CO₂→H₂O探

索

光

合

作

用

原

理

的

部

分

实

验⑤

1954年，美国科学阿尔农(D.Arnom)发现，在光照下，

叶绿体可合成ATP。1957

年，又发现这一过程总是与水的光解相伴随。上述实验表明，

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。实际上，光合作用的过程十分复杂，它

包括一系列化学反应。

根据是否需要光能，

这些化学反

应可以概括地分为光反应(light

reaction)

和暗反应

(darkreaction,

现在也称为碳反应，

carbon

reaction)两

个阶段。光反应阶段

光合作用第一个阶段的化学反应，必

须

有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在光反应场所

类囊体的薄膜上进行的。光合色素：叶绿素和类胡萝卜素叶绿体中光合色素吸收的光能，

有以下两方面用途。一是将水分解为氧和H],

氧直接以氧分子的形式释放出Ⅱ

(NADPH)

。

NADPH

作为活泼的还原剂参与暗反应阶段的化学反应，

同时也储存部分能

这里的[H]是一种十分

简化的表示方式。这一产生[H]的过程实际上是指氧化型

形成ATP

。这样，光能就转化为储有辅酶

I(NAD*)

转化成还

这些

ATP

将参与第二个阶段

合成有原型辅酶I(NADH)。去，H与氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)

结合，形成还原型辅酶二是在有关酶的催化作用下，提供能暗反应光反应场所：

类囊体薄膜条件：

光照、光合色素、酶水的光解：

H₂O

光

能

H++02物质变化：

NADPH的合成：NADP++H+—→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。能量转化：

光能

→

NADPH和ATP中的化学能作为还原剂储存部分能量用于暗反麽体膜NADPHATP的合成：ADP+Pi

+光能只用于暗反应NADPH→ATPADP+PiNADP+ATP酶H₂O₂O段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。在这一阶段，绿叶通过气孔从外界吸收的CO₂

,

在特定酶的作用下，与Cs(一种五碳化合物)结合，这个过程称作CO₂

的固定。

一分子的CO₂

被固定后，很快形成两个C₃

分子，

在有关酶

的催化作用下，

C3接受ATP和NADPH释放的能量，并且

被NADPH还原。

随后，

一些接受能量并被还原的C3

在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的C₃

,

经过一系列变化，

又形成Cs,

这些Cs又

可以参与CO₂

的固定。这样，暗反应阶段就形成从Cs到C₃

再到Cs

的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过

程也称作卡尔文循环。

暗

反

应

(

碳

反

应

)暗反应阶段

光合作用第二个阶段中的化学反应，

有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶能量转化：NADPH和ATP中的化学能→有机物中的化学能应光反应产生的ATP只用于暗反应中C₃的还原

H,O暗反应(碳反应)场所：

叶绿体的基质中C₃

是指三碳化合物

—

—3-磷酸甘油酸，

Cs是指五碳化

合物——核酮糖-1,5-二磷酸

(RuBP)。叶绿体基质(CH₂O)20ADP+Pi暗反应CO₂类囊体膜₂O光合作用的产物：葡萄糖、蔗糖、淀粉(CH₂O)

糖类光合作用的产物有一部分是淀粉，

还有一部分是蔗糖。

蔗糖可以进入筛管，再通过韧

皮部运输到植株各处。CO₂2C₃卡尔文循环叶绿体基质Cs淀粉葡萄糖(CH₂O)细胞质基质(CH₂O)→

蔗糖暗反应(碳反应)NADPHATP光反应与暗反应区别与联系光反应

联系：

①光反应为暗反应提供ATP和NADPHH₂O

CO₂

②暗反应为光反应提供ADP、Pi

和NADP+能量转化联系：

光能

→

NADPH和ATP中的化学能

→

有机物中的化学能处反应与暗反应之间紧密联系，相互制约

长期黑暗条件下能否进行暗反应?ADP+Pi

长期黑暗条件下，光反应无法为暗反应提供ATP和NADPH,

故不能进行类囊体膜

叶绿体基质

长期黑暗：暗反应无法进行O₂

(CH₂O)

先光照后短暂黑暗：暗反应阶段

光合作用第二个阶段中的化学反应，有

可以进行暗反应没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶变化反应物质暗叶绿体基质NADPH光反应

暗反应ADP+PiNADP+太阳能

H,O

CO₂类囊体(CH,O)基

粒比较项目光反应暗反应(也称

碳反应、卡尔文循环)反应场所类囊体薄膜叶绿体基质条件光照、色素、酶NADPH、ATP、酶物质变化水的光解光能H++(CO₂

的固定CO₂+C₅酶2CNADPH的合成：NADP++H+

NADPHC₃

的

还

原

：2C₃

NADPH、酶ATP

(CH₂O)+C

₅ATP的合成：

酶能量转化光能→NADPH和ATP中的化学能NADPH和ATP中的化学能→有机物中的化学能联系光反应和暗反应紧密联系、相互制约归纳比较光反应和暗反应ADP+Pi+光能

ATP或“减少”)光能水的光解：

H₂O

H++O₂NADPH的合成：NADP++H+—

NADPH

酶

ATPATP的合成：ADP+Pi+

光能酶CO₂的固定：CO₂+C₅

2C₃C₃的还原：

条件NADPH、ATPC₃

C₅

(CH₂O)光照不变，CO₂减少增加减少

增加

减少光照不变，CO₂增加减少增加

减少

增加光照增强，CO₂

不变增加减少

增加

增加光照减弱，CO₂不变减少增加

减少

减少外界条件变化时，

NADPH、ATP、C₃、C₅、(CH₂O)

的变化：

(填“增加”光合作用的强度(简单地说，就是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量

|),直接关系农作物的产

量，

研究影响光合作用强度的环境因素很有现实意义。根据光合作用的反应式可以知道，光合作用的原料——水、CO₂,

动力

—光能，

都是影响光合作用强度的因素。

因此，的因素。例如，

环境中CO,浓度，叶片气孔开闭情况，

都会因影响CO₂

的供应量而影响光合作用的进行。叶绿体是光合

作用的场所，影响叶绿体的形成和结构的因素，如无机营养、

病虫害，也会影响光合作用强度。此外，光合作用需要众多的酶参与，因此影响酶活性的因素(如温度),也是影响因子影响光合作用强度的因素只要影响到原料、能量的供应，都可能是影响光合作用强度光合作用强度：是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量

也可用单位时间内原料消耗或产物生成的数量来表示，如CO₂的固定量、

O₂的产生量)

水分影响气孔关闭光

能

温度无机营养(矿质元素)

光照、温度植物夏季午间为

了减少蒸腾作用，

气孔关闭，从外

界吸收的CO₂减少CO₂+

H₂O

叶绿体

(CH₂O)+O₂(色素、酶)影

响

光

合

作

用

强

度

的

因

素光照强度、光照时间、光质

(如红光、蓝光属不同光质)水分含量一

(反应物、反应介质)CO₂

浓度

①P点时，图1、2、3中限制光合速率的因素分别为照强度、温度、光照强度②Q点时，图1、2、3中限制光合速率的因素分别为温度、光照强度、CO₂浓度规律总结：光合速率未达到最大值时，限制光合

速率的因素为横坐标所代表因素；达到最大值之

后，限制光合速率的因素为横坐标之外其它因素。高浓度CO₂

中浓度CO₂

低浓度CO₂光照强度图3光合速率10℃光照强度高光强

中光强

低光强温度

图2光合速率图1具体措施有：阴雨天适当补充光照；植物工厂中适当提高光照强度。②提高CO₂浓度具体措施有：温室中投入干冰；大田中“正其行，通其风”;多施有机肥增产的手段本质上为：

增强

光合作用(制造有机物),减弱呼吸作用(消耗有机物)原因：有机肥中微

生物的呼吸作用强，

产生大量CO₂农业生产应用①提高光照强度干冰机农业生产应用③温度

影响光合作用相关酶的活性具体措施有：白天适当提高温度，夜间适当