【课件】光合作用和能量转化+课件高一上学期生物人教版必修1

第5章

细胞的能量供应和利用第4节

光合作用与能量转化本节聚焦捕获光能的色素和结构光合作用的原理光合作用原理的应用【问题探讨】影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。二氧化碳浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？植物工厂在自然界，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”。那么，植物捕获光能需要依靠的物质和结构是什么呢？H2OCO2C6H12O6O2绿色植物能够捕获光能一、捕获光能的色素和结构

叶片作为高等植物进行光合作用的主要器官，通常都是绿色的，说明其中有绿色的色素。

白化苗不能进行光合作用，无法制造有机养料。待种子中储存的营养成分耗尽就会死亡。光能的捕获与叶片中的色素有关植物的叶片中含有哪些色素呢？怎样提取这些色素呢？自主学习：观看视频，并思考以下几个问题1.色素提取和分离的原理分别是什么？2.研磨过程中加入无水乙醇、SiO2、CaCO3的作用是什么？3.将滤液收集到试管中后，为什么要用棉塞将试管口塞严？4.滤纸条一端为什么要剪去两角？5.画滤液细线时应注意什么？6.为什么不能让滤液细线触及层析液？严？【探究实践】绿叶中色素的提取和分离(一)色素的提取1.实验原理:绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂___________中。无水乙醇2.材料用具【探究实践】绿叶中色素的提取和分离实验材料：新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）实验仪器：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。实验试剂：无水乙醇(也可用体积分数为95％的乙醇加入适量的无水碳酸钠代替）、二氧化硅和碳酸钙。3.实验方法绿叶二氧化硅和碳酸钙无水乙醇单层尼龙布棉塞4.实验结果：得到多种光合色素的混合液(一)色素的提取3.实验方法绿叶二氧化硅和碳酸钙无水乙醇单层尼龙布棉塞SiO2：有助于研磨充分CaCO3：防止研磨中色素被破坏迅速：防止溶剂挥发充分：充分释放溶解色素棉塞：防止乙醇挥发、色素氧化无水乙醇：溶解色素，多次少量加入不能用纱布或滤纸代替：易吸附色素新鲜幼嫩的绿叶：中色素含量高，实验效果明显。4.实验结果：得到多种光合色素的混合液(一)色素的提取3.实验方法绿叶二氧化硅和碳酸钙无水乙醇单层尼龙布棉塞4.实验结果：得到多种光合色素的混合液色素提取液颜色过浅的原因：①使用放置数天的菠菜叶，滤液中叶绿素的含量太少；②没有加二氧化硅，研磨不充分，色素未能充分提取出来；③一次性加入大量的无水乙醇；④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。(一)色素的提取(二)色素的分离层析液溶解度扩散更快各种色素在_________中的________不同；溶解度高的随层析液在滤纸条上的__________,反之则慢。1.实验原理：2.分离色素的方法：纸层析法3.步骤：避免层析液在边缘扩散过快(边缘效应)，使其同步到达细线①将干燥的定性滤纸剪成能放入烧杯中的滤纸条②在滤纸条一端剪去两角:③在距去角一端1cm处用铅笔画一条细的横线铅笔线剪两角(1)制备滤纸条滤纸的边缘扩散的更快防止色素带不整齐(二)色素的分离层析液溶解度扩散更快各种色素在_________中的________不同；溶解度高的随层析液在滤纸条上的__________,反之则慢。1.实验原理：2.分离色素的方法：纸层析法3.步骤：(2)画滤液细线将滤液倒入培养皿，用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀画出一条细线。等滤液干后再画一到两次。为了积累更多的色素，使分离后的色素带更明显。★要求：细、直、齐；重复2—3次使色素带不重叠、平整、不弯曲1cm层析液原理：溶解度高的色素随层析液在滤纸上扩散得快;反之，则慢。(二)色素的分离层析液溶解度扩散更快各种色素在_________中的________不同；溶解度高的随层析液在滤纸条上的__________,反之则慢。1.实验原理：2.分离色素的方法：纸层析法3.步骤：(3)分离滤液中的色素将滤纸条有滤液细线的一端插入层析液。1、为何滤液细线不能触及层析液？2、为何要盖上培养皿？防止色素溶解在层析液中防止层析液挥发，因其易挥发且有毒层析液培养皿滤液细线

层析液①滤纸上有几条色素带？②不同的色素带分别对应哪些色素？③从上而下的排序说明了什么？4条④不同条带的宽窄说明了什么？含量不同（a>b>黄>胡）溶解度不同（胡>黄>a>b）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）(二)色素的分离4.分离结果：滤纸条未见色素带的原因？①忘记画滤液细线；划滤液细线的次数太少，滤纸条上的色素含量少；②滤液细线接触到层析液，使得色素溶解于层析液中；如果在圆形滤纸的中央点开始，对叶绿体的色素进行层析，会看到什么现象？会出现四个同心圆的色素带，从外往里依次为：胡萝卜素（橙黄）、叶黄素（黄）、叶绿素a（蓝绿）、叶绿素b（黄绿）叶绿素类胡萝卜素（含量约3/4）（含量约1/4）叶绿素a（蓝绿色）含量最多叶绿素b（黄绿色）胡萝卜素（橙黄色）扩散速度最快叶黄素（黄色）叶绿素过程操作内容操作目的提取色素材料叶片要新鲜、深绿使滤液中色素含量高试剂二氧化硅利于绿叶的充分研磨碳酸钙防止研磨过程中色素被破坏无水乙醇溶解色素关键步骤研磨要迅速、充分提取较多色素、防止溶剂挥发盛滤液的试管口加棉塞防止溶剂挥发用单层尼龙纱布过滤而不用滤纸防止色素吸附在滤纸上分离色素试剂层析液分离色素关键步骤滤纸条的一端剪去两角防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快滤液细线重复画若干次，且要求细、直、齐使分离的色素带清晰滤液细线不能触及层析液防止色素溶解到层析液中实验中的材料试剂及操作目的光是一种电磁波；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.图：自然光通过三棱镜图：自然光经过色素提取液后通过三棱镜绿叶中色素的作用：吸收可见光现象：色光带变暗，且蓝紫光和红光大部分被吸收1.色素的吸收光谱一、捕获光能的色素和结构实验结果表明：叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光，这4种色素吸收的光波长有差别，但是都可以用于光合作用。图5-12叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱1.色素的吸收光谱2.色素的功能：吸收、传递和转换光能3.影响叶绿素合成的因素：正常韭菜韭黄(1)光照：(2)温度：光是叶绿素合成的必要条件，植物在黑暗条件会发生黄化现象低温抑制叶绿素合成；破坏已有叶绿素分子(3)矿质元素：(N、Mg：叶绿素的组分；Fe、Cu、Mn、Zn：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？而有的叶片为什么呈红色？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。秋天降温时，植物体为适应寒冷，体内积累较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素逐渐降解，叶子呈现红色来一场叶片内部的探索(2)结构外表：①_______内部②_____：含有少量的DNA和RNA③______：由_______堆叠而成(3)功能：进行__________的场所双层膜基质基粒类囊体光合作用(4)物质基础思考：类囊体堆叠成基粒有什么意义呢？决定外膜内膜基粒基质类囊体类囊体薄膜上色素分布：酶分布：类囊体薄膜上和叶绿体基质中1g菠菜叶片中的类囊体总面积竟有60m2左右类囊体堆叠形成基粒，极大地扩展了受光面积(1)形态：一般呈

。扁平的椭球形或球形4.叶绿体的结构适于进行光合作用叶绿体除吸收光能外，还有什么功能呢？【思考讨论】叶绿体的功能资料1恩格尔曼的实验1水绵需氧细菌极细光束照射完全曝光黑暗无空气需氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位好氧细菌分布于叶绿体所有受光部位【思考讨论】叶绿体的功能集中分布在叶绿体被光束照射到的部位分布在叶绿体所有受光部位叶绿体吸收光能，进行光合作用，释放氧气讨论2在选材、实验设计上有何巧妙之处？资料1恩格尔曼的实验1讨论1恩格尔曼此实验的结论是？黑暗无空气的设计，排除了氧气和光的干扰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。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。1.选材：（1）水绵：细长的螺旋带状叶绿体，易于观察现象（2）好氧细菌：准确显示出氧气产生的部位2.设计：【思考讨论】叶绿体的功能资料1恩格尔曼的实验2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。讨论4综上所述，你认为叶绿体有何功能？叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧（P101）好氧细菌水绵好氧细菌讨论3大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？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。【思考讨论】叶绿体的功能资料2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。光合作用的场所是叶绿体叶绿体能吸收光能用于光合作用释放氧气恩格尔曼的实验其他实验证据（如有机物的合成部位在叶绿体）不能说明说明说明1954年科学家才确认光合作用全过程均发生在叶绿体课堂小结19世纪末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。CO2O2C+H2O甲醛(CH2O)→糖→1928年科学界普遍认为，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。初步判断：氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验实验结论：【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验叶绿体中H2O的光解产生O2实验一：希尔反应离体的叶绿体悬浮液像这样，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。离体叶绿体铁盐(或其他氧化剂)2H2O4H++O2

+4e-光照希尔反应：材料：离体叶绿体处理：离体叶绿体悬浮液+氧化剂，不通入CO2，给予光照结果：叶绿体释放了O2O2H+离体的叶绿体悬浮液讨论1

希尔实验中加入铁盐的作用是什么？作为氧化剂，结合H2O分解产生的H+和e-4Fe3++2H2O4Fe2++4H++O2

光能离体叶绿体讨论2

叶绿体内参与光合作用的氧化剂是什么？P103NADP+酶H++e-+NADPHNADPH的合成：实验一：希尔反应能够说明。悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2，说明水的光解是一个相对独立的反应阶段。不能说明。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。讨论1

能否说明光合作用产生的O2中的O元素全部都来自H2O？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？思考：光合作用生成的O2中的O元素到底来自H2O还是CO2？如何设计实验？同位素示踪法实验一：希尔反应实验结论：【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验光照射下的小球藻悬浮液CO2H2OC18O2H218O18O2O2甲组乙组鲁宾(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的来源。光合作用产生的O2来自于H2O，不来源于CO2实验二：鲁宾和卡门实验对比实验相互对照【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验实验三：阿尔农实验11954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。光照、ADP、PiATP、O2水光解实验结论：光照下，水光解同时ADP和Pi合成ATP材料：离体叶绿体处理：供给ADP、Pi，给予光照结果：叶绿体生成ATP，同时水光解产生了氧气【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验实验四：卡尔文实验1实验思路：同位素标记14CO2，研究C的转移路径材料：小球藻处理：光照、提供14CO2；不同时间(几十秒、几秒内、1秒以内)把小球藻放入煮沸的酒精中，立刻杀死小球藻再用纸层析法分离产物，最后鉴定放射性物质结果：先出现14C3，最后出现14C5和14C6这说明C的转移路径：CO2C3C5C6实验结论：光合产物中有机物的碳来自CO2【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验实验四：卡尔文实验11961年12月10日获第61届诺贝尔化学奖其他中间产物5秒后60秒后资料4

光合作用的产物除了O2，还有糖类等有机物。20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻作实验材料，利用同位素示踪法追踪了CO2中C的转移路径。（1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，14C分布于多种化合物中，有C3、C5、C6等化合物。

（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)。（3）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。三碳化合物多种产物1秒内30秒后请据此大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径。CO2→C3

→C6C5活动2建构概念-暗反应C5C3【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验实验五：卡尔文实验2实验现象：光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少，C5增加；突然停止光照，C3急剧升高，C5降低；CO2+C5C3谁是底物，谁是生成物？实验结论：C3和C5之间是相互循环的卡尔文实验1C的转移路径：CO2C3C5C6【思考讨论】探索光合作用原理的部分实验实验六：阿尔农实验21954年，美国科学家阿尔农的离体叶绿体实验过程及结果：组别条件过程现象1黑暗提供CO2，NADPH、ATP产生(CH2O)2黑暗提供CO2，不提供NADPH、ATP不产生(CH2O)3光照提供CO2，不提供NADPH、ATP产生(CH2O)实验结论：CO2转化成(CH2O)需要_____反应提供_________和______光NADPHATP1.光合作用的概念：2.光合反应总反应式：6CO2＋12H2O

C6H12O6＋6O2+6H2O光能叶绿体二、光合作用的原理和应用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。注：（CH2O）表示糖类，光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖.(P104)叶绿体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？二、光合作用的原理和应用类囊体腔叶绿体基质类囊体膜上的一系列物质变化过程3.ATP特点：(1)ATP不稳定：末端磷酸基团具有较高的转移势能(2)ATP水解的过程是释放能量的过程：1molATP水解释放的能量高达30.54kJ；水解时释放能量在20.92kJ/mol以上的化合物叫高能化合物。ATP是一种高能磷酸化合物酶腺嘌呤核糖磷酸基团ATPADP+Pi酶O2NADP++H+H2O光解光反应阶段类囊体薄膜NADPH3.光合作用的过程光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行光反应阶段二、光合作用的原理和应用光、色素、酶、H2O类囊体薄膜ADP＋Pi＋能量ATP酶②条件：①场所：水的光解：ATP的合成：③物质变化：NADPH的形成：④能量转变：H2O+½O2光色素2H+光能转变为NADPH和ATP中活跃的化学能NADP++H++2e-NADPH酶3.光合作用的过程二、光合作用的原理和应用(1)光反应阶段2C3CO2（CH2O）多种酶参加反应固定暗反应阶段叶绿体基质还原C5光合作用第二个阶段的化学反应，有光没有光都能进行暗光反应阶段卡尔文循环3.光合作用的过程二、光合作用的原理和应用叶绿体基质酶、NADPH、ATP、二氧化碳CO2的固定：C3的还原：ATP、NADPH中的化学能→有机物中的化学能ADP+PiATPNADP+能量C52C3多种酶(CH2O)糖类CO2固定还原酶NADPH酶能量②条件：①场所：③物质变化：④能量转变：（2）暗反应阶段CO2＋C52C3酶2C3酶ATP、NADPH(CH2O)C53.光合作用的过程二、光合作用的原理和应用O22C3CO2C5NADPHATPADP+PiNADP+光反应暗反应H20必须有光有无光都可（类囊体的薄膜）（叶绿体基质）3.光合作用的过程二、光合作用的原理和应用光反应阶段暗反应阶段区别反应场所反应速度反应条件物质变化能量变化联系叶绿体的类囊体薄膜上叶绿体基质中需要光、色素、与光反应有关的酶有光或无光均可、CO2、ATP、NADPH、多种酶光能→为ATP和NADPH中活跃的化学能ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能①水的光解：H2O2H++½O2+2e-②合成NADPH：NADP++H++2e-→NADPH③合成ATP：ADP+Pi+能量

ATP光酶①CO2的固定：CO2+C52C3酶③C5的再生：C3C5②C3还原：C3（CH2O）酶ATP、NADPH

酶ATP、NADPH光反应和暗反应的区别和联系①光反应为暗反应提供还原剂(NADPH)和能量(NADPH和ATP)②碳反应为光反应提供NADP+、ADP、Pi较快较缓慢①H的转移：H2O→NADPH→(CH2O)+H2O

②C的转移：CO2→C3→（CH2O）③O的转移：CO2→C3→(CH2O)+H2OH2O→O2

6CO2+12H2O光能叶绿体C6H12O6+6H2O+6O2CO2＋H2O

(CH2O)＋O2光能叶绿体二、光合作用的原理和应用4.光合作用中元素的转移条件光照由强到弱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NADPH和ATP的含量（CH2O）的合成量条件骤变对光合作用中各物质(短时间内)的影响增加减少减少减少减少增加增加增加减少增加增加减少增加减少减少增加条件光照由强到弱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NADPH和ATP的含量（CH2O）的合成量增加减少减少减少减少增加增加增加减少增加增加减少增加减少减少增加条件光照由强到弱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NADPH和ATP的含量（CH2O）的合成量增加减少减少减少减少增加增加增加减少增加增加减少增加减少减少增加二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响1.实验原理：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。

叶片含有空气，上浮抽气叶片下沉叶片上浮光合作用产生O2O2充满细胞间隙2.材料用具：打孔器、5WLED台灯、米尺、烧杯、绿叶等二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响3.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片二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响(2)将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响(3)将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存，小圆形叶片全部沉到水底二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响(4)取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）5.向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，分别置于强、中、弱光下二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响5.分组实验：分别将10片叶圆片投入3只盛20mLNaHCO3的小烧杯中

并调整40W台灯距离（10、20、30cm）吸收热量，排除干扰盛水玻璃柱的用处？二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响

项目烧杯小圆形叶片加富含CO2的清水光照强度叶片浮起数量110片20mL强多210片20mL中中310片20mL弱少在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。实验结论二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响4.实验结果：二、光合作用的原理和应用【探究实践】探究环境因素对光合作用强度的影响自变量光照强弱因变量光合作用强度无关变量要求相同且适宜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温度等用中间的盛水玻璃柱吸收热量排除干扰三、化能