5.4 光合作用与能量转化（第2课时）- 【易备课】2024-2025学年高一生物同步备课实用课件（人教版2019必修1）

第4节 光合作用与能量转化 贺老师 第3章 细胞的基本结构 1 (1)概念：指绿色植物通过 ，利用光能，把 转化成储存着能量的 ，并且释放出 的过程。   (2)反应式： 。 叶绿体 二氧化碳和水 氧气 场 所 条 件 产 物 原 料 CO2+H2O (CH2O)+O2 叶绿体 光能 1 光合作用的概念及反应式 有机物 1、叶绿体如何将光能转化为储存在糖类中的化学能（能量转化情况）？ 2、光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？ 糖类 1、叶绿体如何将光能转化为化学能？2、光合作用如何将化学能储存在糖类等有机物中的？3、光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？ 2 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。 CO2 O2 C + H2O 甲醛 (CH2O) 初步判断： 氧来自 的可能性较小，较可能来源于 。 资料2：1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用 甲醛不能通过光合作用转化成糖 2 探索光合作用原理的部分实验 CO2 H2O 3 资料3：1937年，英国科学家希尔。 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氧气。 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。 O2 H+ 离体的叶绿体 悬浮液 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，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。 讨论1. 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？ 出去二氧化碳，水能生成氧气吗 4 思考：如何追踪O的转移？用什么方法？如何设计实验进行探究？ 同位素标记法 p51 用16O的同位素18O 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。 讨论2. 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？ 希尔反应: 5 CO2 H218O C18O2 H2O 18O2 O2 讨论3：分析鲁宾和卡门做的实验得出什么结论？ 光合作用释放的O2中的氧元素全部来源于H2O，而并不来源于CO2 2 探索光合作用原理的部分实验 光照射下的小球藻悬浮液 资料4：1941年 美国鲁宾和卡门实验（同位素标记法） 6 延伸思考2：该实验有对照组吗？满足对照原则吗？ 无单独对照组 实验组相互对照（对比实验） 延伸思考1：如何检测试管中释放的是18O2还是O2？ 通过检测相对分子质量判断：O2（32）、18O2（36） 注意：不能通过检测放射性判断：18O2是无放射性的同位素 2 探索光合作用原理的部分实验 资料4：1941年 美国鲁宾和卡门实验（同位素标记法） CO2 H218O C18O2 H2O 18O2 O2 光照射下的小球藻悬浮液 7 尝试利用原子守恒定律和氧化还原等化学知识，写出该实验涉及到的物质变化 ADP＋Pi＋能量→ATP NADP＋＋H+＋2e-→NADPH H2O→½O2 ＋2H+＋ 光 2 探索光合作用原理的部分实验 资料5： 1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验：向反应体系中加入ADP、Pi和NADP+等物质，发现有ATP、NADPH生成。 1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 2e- 反应体系内无H+，与NADP+反应 继续探索，在有光照、无CO2的条件下，向反应体系中加入ADP、Pi和NADP+等物质，发现有ATP、NADPH和O2生成。期待有H+的出现，然而惊奇的是，只发现ATP和NADPH（还原型辅酶Ⅱ）的痕迹。 8 1 光反应阶段 H2O 类囊体膜 酶 Pi ＋ADP ATP 光、色素、酶 叶绿体内的类囊体薄膜上 水的光解： H2O O2 +H++e- 光能 ATP的合成： ADP＋Pi ＋能量（光能） ATP 酶 光能 ATP、NADPH中活跃的化学能 场所： 条件： 物质变化 能量变化 H+ NADPH的合成： H++NADP+ +2e- NADPH NADP+ + NADPH 氧化型辅酶Ⅱ 还原型辅酶Ⅱ 色素 光反应的三个反应如何进行呢 9 CO2是如何转变为糖类（CH2O）的呢？ （放射性）同位素标记法 思考1：该实验现象可说明什么？ CO2中的C会转移到C3、C5和C6中 思考2：如何确定CO2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 现象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，即糖类) 资料6 卡尔文实验 是哪种物质在循环 10 现象2：缩短光照时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中在一种三碳化合物（C3） 思考：结合上述现象大致描述CO2转化成有机物过程中C的转移途径 现象3：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五碳化合物（C5）和六碳糖(C6，即糖类) CO2 C3 (CH2O) C5 现象4：如果光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少而C5量增加； 突然停止光照，C3浓度急速升高而C5的浓度急速降低。 思考：卡尔文认为碳反应存在一个物质循环过程，哪种物质在循环利用？ CO2与什么物质反应生成C3？ ATP NADPH 时间越短，出现越早 CO2与_____反应生成C3 卡尔文认为碳反应存在一个物质循环过程，哪种物质在循环利用？ C5及时反应物，也是产物，在循环利用 ATP和NADPH作用于二氧化碳的固定还是C3的还原 11 2C3 C5 NADPH ADP + Pi （CH2O） ATP 酶 CO2 还原 固定 卡尔文循环 CO2的固定： CO2＋C5 2C3 酶 C3的还原： ATP ADP+Pi 叶绿体的基质中 2C3 (CH2O)+C5 酶 NADPH 、ATP、酶 场所： 条件： 物质变化 能量变化: NADP+ NADPH 2 暗反应阶段 酶 NADP+ ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能 12 ATP NADPH ADP+Pi NADP+ C3 C5 O2 课本p106 1.NADPH和ATP的移动途径是什么？ 类囊体薄膜→叶绿体基质 ①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量 2.NADPH的作用？ 13 思考5：请分析光下的植物突然降低光照后/减少CO2 ，短时间内其体内的ATP、NADPH、C3和C5的含量如何变化？为什么？ 光照 减弱 光反应减弱 ATP、DNAPH↓ C3 还原受阻 CO2固定不变 C3消耗减少，合成不变 C5合成减少，消耗不变 C3↑ C5↓ CO2 减少 暗反应减弱 CO2固定减弱 C3 还原不变 C3合成减少，消耗不变 C5消耗减少，合成不变 C3↓ C5↑ C3 还原减弱 光反应不变 ATP、NADPH消耗减少，合成不变 ATP、DNAPH↑ 14 光反应阶段 暗反应阶段 条件 场所 物质变化 能量变化 光、色素、酶 不需光、酶、NADPH、ATP 叶绿体类囊体薄膜 叶绿体基质中 水的光解； ATP、NADPH的生成 CO2的固定； C3的还原 活跃化学能 光能 活跃化学能 有机物中稳 定化学能 联系 3 光反应与暗反应的比较 光反应 NADPH、ATP 暗反应 ADP、Pi、NADP+ 15 光合作用 有氧呼吸 场所 条件 物质 变化 能量 变化 实质 联系 C6H12O6等有机物稳定的化学能 比较光合作用、呼吸作用 光、色素、酶、H2O和CO2 叶绿体 细胞质基质、线粒体 O2、酶、H2O、C6H12O6 无机物转变成有机物 有机物氧化分解成无机物 ATP、NADPH中活跃化学能 光能 糖类等有机物中稳定化学能 ATP中活 跃化学能和热能 合成有机物，储存能量 分解有机物，释放能量 光合作用为呼吸作用提供物质（有机物、O2） 呼吸作用为光合作用提供原料（CO2） 16 17 18 阿尔农实验2： 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) （3）结论：CO2转化成(CH2O)需要_____反应提供_________和______ 。 光 NADPH ATP 19 “能进行光合作用的动物”——叶羊 20 原因：正常情况下，1molCO2和1molC5结合形成2molC3，因此当暗反应速率达到稳定时，C3的分子数是C5的2倍 【误区警示】 以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化，而非长时间。保持条件不变经一段时间重新到达平衡后，仍为C3 含量高于C5 为什么？ 21 划分依据:反应过程是否需要光能 光反应（光合作用第一阶段） 暗反应（光合作用第二阶段），又称碳反应 思考： 光反应在白天可以进行吗？夜间呢？ 暗反应在白天可以进行吗？夜间呢？ 有光才能反应 有光、无光都能反应 1.光合作用过程 22 反应阶段 反应部位 反应条件 物质变化 能量变化 产 物 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、O2 ADP、Pi 、NADP+、C5、（CH2O ） 产物去向 NADPH：为C3还原提供还原剂和能量 ATP：为C3还原提供能量 O2：直接从叶绿体释放 ADP、Pi： NADP+： C5： （CH2O ）： 又参与CO2固定 23 思考6：假如白天突然减少CO2的供应，短时间内其体内的ATP、NADPH、C3和C5的含量 如何变化？ CO2 减少 暗反应减弱 CO2固定减弱 C3 还原不变 C3合成减少，消耗不变 C5消耗减少，合成不变 C3↓ C5↑ C3 还原减弱 光反应不变 ATP、NADPH消耗减少，合成不变 ATP、DNAPH↑ 24 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 2C6H12O6+ 6O2 能量 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。 25 光合作用和化能合成作用的异同处： 相同处： 不同处： 都是将无机物转化成有机物，并储存能量 能量来源不同 光合作用： 化能合成作用： 光能 无机物氧化时释放的化学能 光能自养生物：绿色植物、蓝藻、光合细菌等 化能自养生物：硝化细菌、铁细菌、硫细菌 自养生物 异养生物：人、动物、真菌及大多数的细菌 同化作用 异化作用 需氧型：人、动物、醋酸菌等 厌氧型：破伤风芽孢杆菌、乳酸菌、蛔虫等 兼性厌氧型：酵母菌 代 谢 类 型 26 以下备用 27 现象2：缩短光照时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中在一种三碳化合物（C3） 思考：结合上述现象大致描述CO2转化成有机物过程中C的转移途径 现象3：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五碳化合物（C5）和六碳糖(C6，即糖类) CO2 C3 (CH2O) C5 现象4：如果光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少而C5量增加； 思考：卡尔文认为碳反应存在一个物质循环过程，哪种物质在循环利用？ CO2与什么物质反应生成C3？ 时间越短，出现越早 CO2与_____反应生成C3 卡尔文认为碳反应存在一个物质循环过程，哪种物质在循环利用？ C5及时反应物，也是产物，在循环利用 28 资料6 阿尔农实验二 材料：离体叶绿体 处理：①黑暗条件，只加入CO2，无糖类生成， ②加入ATP、NADPH、CO2 结果：①中离体叶绿体中无糖类生成，②中离体叶绿体中有糖类生成 结论： 29 30 31 讨论：1.叶绿体处不同条件下，C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化? 条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O) 停止光照 CO2供应不变 光照不变 停止CO2供应 增加 减少 增加 减少 减少 减少 减少 增加 色素分子 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 NADP+ NADPH t 浓度 0 1 2 － － C5 C3 t 浓度 0 1 2 － － C3 C5 32 ①条件： 光、 光合色素、 酶 ②场所： ③物质变化： 水的光解： ATP的合成： 叶绿体类囊体薄膜上 光能 ⑤能量转变： NADPH、ATP中活跃的化学能 ④产物： O2、NADPH、ATP H2O H++O2+电子（e-） 光 ADP＋Pi +光能 ATP 酶 （1）光反应阶段 1.光合作用过程 NADPH的合成： NADP++H++电子（e-）→NADPH 酶 33 ADP+Pi ATP NADP+ 能量 C5 2C3 多种酶 (CH2O)糖类 CO2 固定 还原 酶 NADPH 酶 能量 条件： 场所： 叶绿体基质中 有光无光都可以，多种酶等 CO2的固定： C3的还原： 2C3 (CH2O)+C5 酶 ATP、NADPH 有机物中的化学能 CO2＋C5 2C3 酶 物质转化 ATP、NADPH中的化学能 能量转化： 二 暗反应阶段 C5：核酮糖-1 ,5-二磷酸，即RuBP C3：3-磷酸甘油酸 34 ADP＋Pi ATP 类囊体腔 35 特殊状态的叶绿素a 水 e 光子 H+浓度差 e 2e＋NADP＋＋H+→NADPH ADP＋Pi→ATP H2O→1/2O2 ＋2H+＋2e 光 知识拓展：光反应具体过程 36 ADP＋Pi→ATP H2O→O2＋2H+＋2e 光 光反应的物质变化： 光反应的能量变化： 光能 电能 H+势能 NADPH 和 ATP中 活跃的化学能 NADP＋＋H+＋2e→NADPH 知识拓展：光反应具体过程 37 韧皮部（筛管） 植株各处 知识拓展：暗反应具体过程 rubisco（核酮糖二磷酸羧化酶） 核酮糖1，5—二磷酸（RuBP) 3—磷酸甘油酸 38 暗反应的物质变化 CO2的固定： C3的还原： CO2＋C5 → 2C3 酶 2C3 ＋ATP＋NADPH → 3-磷酸甘油醛 酶 葡萄糖→淀粉 蔗糖 知识拓展：暗反应具体过程 39 暗反应的物质变化 暗反应的能量变化 CO2的固定： C3的还原： CO2＋C5 → 2C3 酶 2C3 ＋ATP＋NADPH → （CH2O) 酶 ATP和NADPH中的化学能 糖类等稳定化合物中的化学能 知识拓展：暗反应具体过程 EVCapture4.1.9软件录制 Lavf57.25.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn $$