5.4光合作用与能量转化第2课时课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

光合作用的原理 【学习目标】 1.掌握光合作用的概念和化学反应式。 2.探讨分析光合作用原理的部分实验。 3.阐述光反应和暗反应的过程。 一、光合作用的原理和应用 绿色植物通过 ，利用 ，将 转化成 ，并且释放出 的过程。 1.光合作用概念： 叶绿体 光能 二氧化碳和水 储存着能量的有机物 氧气 CO2 + H2O （CH2O)+O2 光能 叶绿体 3.反应式： 光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？ 叶绿体是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？ 2.光合作用的实质： 合成有机物，储存能量 (CH2O)表示糖类 12H2O+6CO2 C6H1206+6O2+6H2O 叶绿体 光能 19世纪末 甲醛→糖 1928年 甲醛对植物有毒 不能通过光合作用转化成糖 1937年 希尔反应 水的光解产生氧气 1941年 鲁宾和卡门 同位素标记法光合作用氧气来自于水 1954年 阿尔农 光照下叶绿体合成ATP 总是与水的光解相伴 二、探索光合作用原理的部分实验 3 二、探索光合作用原理的部分实验 1.19世纪，60年代 科学家总结出光合作用的反应式。 CO2 + H2O （CH2O）+O2 光能 叶绿体 CO2 O2 C + H2O 甲醛 多个缩合 糖类 很多年来，人们一直以为： 甲醛→糖 2. 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。 应该注意到光合作用反应式中所有的反应物和产物都含有氧，而上面反应式并没有指出释放的O2是来自CO2还是H2O。 很多年来，人们一直以为光能将CO2分解成O2和C，C与H2O结合成（CH2O） 4 3.1937年，希尔 1937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H2O，没有CO2)，在光照下 可以释放出氧气。 二、探索光合作用原理的部分实验 3.希尔反应 4Fe3+ （或其他氧化剂）+ 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2 光能 叶绿体 （1）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。 （2）希尔反应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。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。。 希尔进一步研究证实，植物光合作用的光反应是氧分子的产生，而不是二氧化碳的还原，氧的产生是由于叶绿体以草酸铁作受氢体所致，其机理与完整细胞光合放氧过程相一致。 6 4.1941年，鲁宾和卡门 O2全部来自于H2O吗？ 相互对照，自变量为标记物质(H218O与C18O2)，因变量为O2的相对分子质量不同。（同位素标记方法）（对比实验的方法） 鲁宾和卡门的实验说明 光合作用释放的氧来自于水。 二、探索光合作用原理的部分实验 5.1954年，阿尔农 1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验：在给叶绿体光照时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi等物质时，体系中就会有ATP出现。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 H2O O2 + 2H+ + 能量 光照 叶绿体 ADP+Pi ATP ATP的合成与希尔反应的关系 二、探索光合作用原理的部分实验 三、光合作用的过程 CO2 (CH2O) 2C3 C5 固定 还原 H2O O2 ATP NADPH NADP+ ADP+Pi 光反应阶段 暗反应阶段 多种酶 参加催化 (CH2O) 根据是否需要光能， 将光合作用分为光反应和暗反应（碳反应）两个阶段。 三、光合作用的过程 类囊体薄膜上 的色素分子 可见光 ADP+Pi ATP H2O O2 NADP+ 酶 吸收 光解 H+ NADPH 酶 氧化型辅酶Ⅱ 还原型辅酶Ⅱ 条件： 光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP+ 场所： 类囊体薄膜上 主要产物： O2、ATP、NADPH 三、光合作用的过程 光合作用第一阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。 物质转化 水的光解： ATP的合成： H2O O2+ H++ e- 光 NADPH的合成： 光能 能量转变 ATP、NADPH中活跃的化学能 ADP + Pi + 能量 ATP + H2O 酶 NADP+ + H+ + e- NADPH 酶 三、光合作用的过程 C5 NADPH ADP + Pi （CH2O） ATP 多种酶 参加催化 酶 CO2 还原 固定 酶 供能 淀粉、蔗糖 NADP+ 卡尔文循环 叶绿体的基质中 NADPH 、ATP、酶、 CO2 场所： 条件： 2C3 三、光合作用的过程 CO2的固定： CO2＋C5 2C3 酶 C3的还原： ATP ADP+Pi ATP、NADPH中活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能 2C3 (CH2O)+C5 酶 物质变化 能量变化: NADP+ NADPH 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，不直接依赖光。 三、光合作用的过程 暗反应的各种产物有何去向？ 为光反应ATP合成提供原料 为光反应NADPH合成提供原料 又参与CO2固定 在叶绿体基质中合成，并暂时储存在叶绿体基质，然后水解成葡萄糖转运到细胞质 最终是在细胞质中合成 细胞呼吸消耗、储藏 器官储存、建造植物体 叶绿体 中的色素 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 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 ATP、NADPH中活跃的化学能 →有机物中稳定的化学能 酶 三、光合作用的过程 15 叶绿体 中的色素 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 光反应 暗反应 NADP+ NADPH 酶 物质联系 光反应为暗反应提供NADPH和ATP， 暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+。 三、光合作用的过程 16 光反应和暗反应的区别与联系 光反应阶段 暗反应阶段 条件 场所 物质变化 能量转化 联系 光、色素、酶、 有光无光均可、酶 叶绿体类囊体薄膜 叶绿体基质中 水的光解； ATP、NADPH的合成 CO2的固定； C3的还原；ATP、NADPH的分解 ATP和 NADPH 中活跃的化学能 光能 ATP和NADPH 中活跃的化学能 有机物中 稳定的化学能 ①物质联系：光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+ 。 ②能量联系：光反应阶段产生的NADPH和ATP中活跃的化学能转化为暗反应阶段储存在有机物中稳定的化学能。 1.NADPH和ATP的移动途径是什么？ 从类囊体薄膜到叶绿体基质。 2.NADP+和ADP的移动途径呢？ 从叶绿体基质到类囊体薄膜。 3. NADPH的作用是什么？ ①活泼的还原剂； ②储存部分能量供暗反应阶段利用。 总之，光反应是暗反应所需物质和能量的准备阶段， 暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段。 习题巩固 18 1.光系统Ⅱ进行水的光解，产生氧气和H＋和自由电子(e－)， 光系统Ⅰ主要是介导NADPH的产生。 拓展：光系统及电子传递链 19 2.类囊体膜两侧的质子浓度(电化学)梯度主要靠以下途径建立 ①电子传递过程中释放能量，利用这部分能量将质子(H＋)逆浓度 从类囊体的基质侧泵入囊腔侧。 ②光系统Ⅱ在类囊体的 囊腔侧进行的水的光解 产生质子(H＋)。 ③在类囊体的基质侧H＋ 和NADP＋形成NADPH。 20 3.类囊体膜对质子是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。 21 四、光合作用的意义 1.制造有机物，为自身及异养生物提供营养物质。 2.转化并储存太阳的光能，为生命活动提供能量。 3.为有氧呼吸的生物提供氧气； 维持大气中O2和CO2的平衡，从而缓解温室效应。 光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。 4.形成臭氧（O3），吸收紫外线，保护地球生物。 5.对生物的进化有重要的作用。（为好氧生物的出现提供了氧气） 22 五、光合作用中元素的转移 1.若有机物为(CH2O) 2.若有机物为C6H12O6 CO2 + H2O 光能 叶绿体 （CH2O）+ O2 6CO2 + 12H2O 光能 叶绿体 C6H12O6+ 6O2+6H2O 23 1964年，卡尔文 1964年以后，美国科学家卡尔文用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。 放射性同位素标记法。 结论：光合产物中有机物的碳来自CO2 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。P103　 NADPH 1.3H的转移 2.14C的转移 3.18O的转移： 3H2O (C3H2O ) 光反应 暗反应 （14CH2O） 14CO2 CO2的固定 14C3 C3的还原 （CH218O） 18O2 H218O 光反应 C18O2 C3 CO2的固定 C3的还原 必修1 P104“相关信息”： 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)。 五、光合作用中元素的转移 拓展：光合作用与细胞呼吸的综合 26 （一）光合作用和细胞呼吸中各种元素的去向 1.C元素 27 （一）光合作用和细胞呼吸中各种元素的去向 2.H元素 28 3.O元素 根据高中所学的代谢过程，CO2中的氧元素无法进入H2O和O2。 其实，CO2可以通过某些代谢过程将氧元素转移到H2O，然后通过光反应转移到O2。 （一）光合作用和细胞呼吸中各种元素的去向 （二）光合作用和有氧呼吸的能量联系 光能 ATP、NADPH中活跃的化学能 （CH2O）中稳定的化学能 NADH中活跃的化学能 热能散失 光反应电能 暗反应 有氧呼吸 Ⅰ、Ⅱ ATP中 活跃的化学能 细胞中各项生命活动 机械能、化学能、光能、电能等 各种形式的能 有氧呼吸 Ⅲ 30 六、环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 1.“来源－去路”法 CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O） 光照减弱 光照增强 减少 减少 减少 减少 增加 增加 增加 增加 31 1.“来源－去路”法 光照不变 C3 C5 （CH2O） NADPH、ATP CO2浓度减少 CO2浓度增加 增加 增加 增加 增加 减少 减少 减少 减少 32 2.模型法 ①图1中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ②图2中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ③图3中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ④图4中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C3 C5、NADPH、ATP 六、环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 化能合成作用 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的合成作用。例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 硝化细菌 2HNO2+O2 2HNO3+能量 硝化细菌 6CO2+6H2O+能量 C6H12O6+ 6O2 讨论：进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？ 异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。 自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。 $$