5.4 光合作用和能量转化课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

生物学（新人教版）分子与细胞第五章细胞的能量供应和利用第4节光合作用与能量转化

Biology问题探讨你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。1、靠人工光源生产蔬菜有什么好处？2、为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？？正常玉米植株（绿色）和白化玉米植株（白色）一、捕获光能的色素和结构白化苗叶片不含绿色色素，不能进行光合作用，无法制造有机养料，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。正常幼苗叶片含绿色色素，能进行光合作用制造有机养料这说明叶片中的色素可能与光能的捕获有关绿叶中究竟有哪些色素？下面我们通过实验来探究绿叶中色素的提取和分离2.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。1.实验原理

提取原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。

分离原理：绿叶中的色素都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同，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开。纸层析法3.实验材料用具新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）无水乙醇（也可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替）、层析液（由20份在60~90℃下分馏出来的石油醚、两份丙酮和1份苯混合而成）（可用93号汽油代替），二氧化硅（二氧化硅可使研磨更充分），碳酸钙（碳酸钙防止研磨中色素被破坏）。干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管，剪刀，药匙，量筒(10mL)，天平等。4.方法步骤（一）提取绿叶中的色素绿叶二氧化硅和碳酸钙无水乙醇单层尼龙布棉塞思考讨论一、实验材料1.实验中能否选择白菜叶片作为实验材料？叶片能否用清水浸泡？2.为什么用无水乙醇而不用水作提取液？用丙酮可以吗？（1）不能，应选取新鲜绿色的叶片，绿叶中色素含量较高。（2）绿叶不要用清水浸泡，会使细胞吸水，使提取液中色素的浓度降低，影响实验效果。色素是有机物，能溶于有机溶剂（如无水乙醇），但不溶于水。可以用丙酮代替，但丙酮有一定的毒性。二、实验操作要领1.研磨时加无水乙醇不应一次加入，应分多次加入的原因是什么？2.加入二氧化硅和碳酸钙的目的是什么？3.加入无水乙醇的目的是什么？4.迅速、充分研磨的目的是什么？不应一次性加入，为保证提取效果，应分多次加入。二氧化硅有助于研磨得充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。溶解（提取）色素。迅速：防止乙醇挥发和色素的破坏充分：叶绿体能够被充分被破坏，使得色素能充分被释放出来。5.为什么用单层尼龙布过滤研磨液，而不用滤纸？因为滤纸会吸附色素6.用棉塞将试管口塞紧防止乙醇挥发和色素氧化7.为什么过滤？滤液中含有叶脉和二氧化硅等。①制备滤纸条（二）分离绿叶中的色素1.干燥的过滤纸？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。铅笔线画铅笔细线其透性好，吸收滤液较多同时使层析液在滤纸条上扩散速度快。2.滤纸条一端剪去两角的目的是什么防止色素在滤纸条边缘扩散太快，出现弧形带，保证在滤纸上均匀扩散，使分离出的色素带平齐。②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，在横线处按压均匀的细线）。待滤液干后，再重画一到两次。3.滤液细线的划线要求？细、直、齐。使分离出的色素带严整不重叠。4.为什么滤液细线要重复画一到两次？增加色素浓度，使分离出的色素带明显。③分离绿叶中的色素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。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。5.层析时，为什么不能让滤液细线触及层析液？滤液细线触及层析液会使纸条上的色素会溶解于层析液中，使实验失败。6.烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞层析液易挥发且有毒。④观察和记录观察试管内滤纸条上出现了几条色素带，以及每条色素带的颜色和宽窄。将实验结果记录下来。胡萝卜素（橙黄色）叶黄素（黄色）叶绿素a（蓝绿色）叶绿素b（黄绿色）滤液中的色素类胡萝卜素叶绿素胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b(占1/4)(占3/4)（橙黄色）（黄色）（蓝绿色）（黄绿色）7.滤纸条上色素带的位置说明什么问题？色素带的宽窄说明什么问题？

滤纸条上色素带的位置说明：4种色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸条上扩散的快慢不同。排序越上面，说明该色素在层析液的溶解度越高，扩散速率越快。

色素带的宽窄说明：色素含量不同。色素带越宽，色素的含量越高。叶绿体中的色素功能：吸收、传递（四种色素）、转化光能（只有少数特殊状态的叶绿素a）实验：绿叶中色素的提取和分离1.若最终得到的色素带颜色浅，不清晰，原因可能有哪些？2.若最终得到的色素带重叠，不整齐，原因可能有哪些？3.若最终没得到色素带，原因可能有哪些？4.滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素的色素带的原因？①滤纸条一端两角剪得不对称；②滤液细线画得不够细、直、齐；③没经过干燥处理。①未加无水乙醇；③层析液触及滤液细线①未加二氧化硅或研磨不充分，色素未充分提取出来；

②一次加入大量的无水乙醇，导致提取液的浓度太低；③使用放置数天的绿叶或绿叶用量少，滤液中色素含量太少；④未加碳酸钙或加入过少,色素分子被破坏。⑤画滤液细线时没重复①未加碳酸钙，导致叶绿素被破坏；

②所用叶片为黄叶。异常结果分析不同色素对光的吸收差异光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760nm；不同波长的光，颜色不同；波长小于400nm的光是紫外光；波长大于760nm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；A.叶绿素主要吸收红光和蓝紫光；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，不吸收红光。B.叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同。C.叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收；绿叶中的色素对其他波长的光吸收量很少（尤其是绿光）。光合色素的吸收光谱分析滤液中色素对不同的单色光吸收有什么差异？思考：影响色素合成的因素光照温度矿质元素1.光照光是叶绿体发育和叶绿素合成必不可少的条件。植物在缺光条件下影响叶绿素形成而使叶子发黄的现象，称为黄化现象正常韭菜韭黄

2.温度

最适温度是20~30℃，最低温度约为2~4℃，最高温度为40℃左右。

温度过高或过低均降低合成速率，加速叶绿素降解。

秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与低温抑制叶绿素形成有关。4.水（了解）植物缺水会抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时，叶绿素的合成减慢，降解加速，所以干旱时叶片呈黄褐色。3.矿质元素：氮、镁：叶绿素的组分；

铁、铜、锰、锌：叶绿素酶促合成的辅因子。分析：为什么植物春夏叶子翠绿?而深秋则叶片金黄呢？由于叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素，而使类胡罗卜素的颜色被掩盖，只显示出叶绿素的绿色。低温使叶绿素大量破坏，而使类胡萝卜素的颜色显示出来。当温度低于7℃时，树叶中会生成花青素。1.温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？2.叶片呈绿色的原因？秋天叶片变黄的原因？3.枫叶秋天变红色的原因？思考讨论叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射出来；叶片中叶绿素的含量远远大于类胡萝卜素的含量，类胡萝卜素的颜色被叶绿素掩盖了。寒冷时，叶绿素分子易被破坏，类胡萝卜素较稳定，显示出类胡萝卜素的颜色，叶子变黄。秋天降温时，植物体为适应寒冷，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶子呈现红色。选白色或无色透明的塑料薄膜；大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光。

分布：主要分布在绿色植物的叶肉细胞

形态：一般呈扁平的椭球形或球形

功能：光合作用的场所。

结构：外膜内膜基粒由两个以上的类囊体堆叠而成，类囊体薄膜上含色素和酶基质含有与光合作用有关的酶、少量DNA、RNA，核糖体等二、叶绿体的结构适于进行光合作用1.叶绿体结构2.叶绿体的功能（1）恩格尔曼的第一个实验

1881年，德国科学家恩格尔曼用水绵进行有关实验。把水绵和需氧细菌的临时装片放在无空气空间内。在黑暗中用极细光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中。若在光亮条件，则细菌分布在叶绿体所有受光部位。

极细光束

均匀光照结论：叶绿体光合作用释放氧气，叶绿体是进行光合作用的场所（2）恩格尔曼的第二个实验

用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧型细菌聚集在红光和蓝紫光区域。

（3）在类囊体膜上和叶绿体基质中含有多种进行光合作用所必

需的酶。结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光水绵黑藻仔细观察，水绵的叶绿体有什么特殊之处？0.5秒延迟符，无意义，可删除.（1）为什么选用水绵和好氧细菌作为实验材料？

水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。好氧细菌可确定释放O2的部位。(2)为什么选用黑暗并且没有空气的环境？

选用黑暗并且没有空气的环境，可排除光线和氧的干扰。(3)恩格尔曼第一个实验的结论是什么？

氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。(4)恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？①选材：a.水绵具有细长的螺旋带状叶绿体，易于观察现象。

b.好氧细菌的利用，准确显示出氧气产生的部位。②设计：黑暗无空气的设计，排除了氧气和光的干扰。 ③极细的光束照射：叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验。④进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，从而明确实验结果完全是光照引起的。

（5）在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？

这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。（6）综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？

叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。3.叶绿体的结构适于进行光合作用（1）叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着大量光合色素；（2）类囊体膜上和叶绿体基质中，有许多与光合作用有关的酶；（3）叶绿体的结构与光合作用高度适应。色素

酶光合作用的原理和应用（第二课时）01光合作用的原理一、探究光合作用原理的部分实验资料1：19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。资料2：1937年，英国植物学家希尔：化学反应式：

像这样，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。一、探究光合作用原理的部分实验结论：光合作用释放的氧全部来自水。同种植物CO2H2O资料3：1941年，鲁宾、卡门实验同位素标记法C18O2H218O18O2O2甲组乙组一、探究光合作用原理的部分实验资料4：1946年开始，美国的卡尔文等用放射性同位素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。结论：光合产物中有机物的碳来自CO2。一、探究光合作用原理的部分实验资料5：1954年，美国科学家阿尔农(D.Arnon)发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。光照ATP水光解尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系？一、探究光合作用原理的部分实验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？

不能说明。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，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的合成不是同一个化学反应？

希尔反应底物是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。3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？

光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2。4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。二、光合作用的概念CO2+H2O叶绿体光能（CH2O）+O2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。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。三、光合作用的过程光合作用过程的示意图C3是指三碳化合物---3-磷酸甘油酸C5是指五碳化合物---核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）叶绿体中的色素C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原光反应暗反应NADP+NADPH光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能酶类囊体薄膜叶绿体基质可见光1.NADPH和ATP的移动途径是什么？2.NADP+和ADP的移动途径呢？3.NADPH的作用？从类囊体薄膜到叶绿体基质。从叶绿体基质到类囊体薄膜。①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量三、光合作用的过程光反应与暗反应的比较反应阶段反应部位反应条件物质变化能量变化产物联系光合作用实质光反应暗反应类囊体薄膜上叶绿体基质必须有光、光合色素、酶有光或无光均可，多种酶光能→ATP和NADPH中活跃的化学能ATP和NADPH中活跃的化学能→稳定的化学能NADPH、ATP、O2ADP、Pi、（CH2O）、C5、NADP+、光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来笔记四、条件骤变对光合作用中各物质的影响叶绿体中的色素C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原NADP+NADPH酶可见光CO2浓度不变NADPH、ATP

C3C5

（CH2O）光照减弱减少增加减少减少光照增强增加减少增加增加1、请总结分析的方法？2、C3、C5含量变化有什么特点？四、条件骤变对光合作用中各物质的影响叶绿体中的色素C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原NADP+NADPH酶可见光光照不变NADPH、ATPC3C5

（CH2O）CO2浓度减少增加减少增加减少CO2浓度增加减少增加减少增加02光合作用的应用一、影响光合作用的因素1.概念：植物在

内通过光合作用制造

的量。（通常用光合速率表示）糖类单位时间光合作用的强度CO2＋H2O

（CH2O）＋O

2光能叶绿体2.表示方法单位时间内光合作用产生有机物的量单位时间内光合作用消耗CO2的量单位时间内光合作用放出O2的量CO2的浓度CO2＋H2O

（CH2O）＋O

2光能叶绿体H2O光：光照强度、光质、光照时间矿质元素（N、Mg是合成叶绿素的原料）外因：内因：酶的种类、数量色素的种类、含量植物自身因素（遗传特性、叶龄、叶面积指数等）温度影响光合作用的因素光合作用的影响因素影响光合作用强度的因素CO2浓度水分光光质光照强度光照时间光照面积酶色素温度矿质元素气孔开闭情况

叶片含有空气，上浮抽气叶片下沉；O2充满细胞间隙，叶片上浮。根据单位时间小圆形叶片浮起的数量的多少，探究光照强度与光合作用强度的关系。光合作用产生O2实验原理二、探究环境因素对光合作用的影响实验目的：探究光照强度对光合作用的影响自变量：光照强弱因变量：光合作用强度检测方法相同时间小圆形叶片浮起的数量控制方法不同瓦数的灯或相同瓦数台灯离实验装置的距离注射器的作用：实验材料：圆形小叶片排出圆形小叶片中的气体二、探究环境因素对光合作用的影响笔记方法步骤：1）打孔：用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片2）将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出二、探究环境因素对光合作用的影响3）将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存