内容正文:
In order for plants to grow, they need inputs of carbon dioxide, water and energy. The chemical process by which plants use these resources to manufactured glue cos the building blocks of plants is called photosynthesis. In the process, oxygen gas is produced as a by product. The energy for photo syntheses originates in the sun and arrives at the earth as sunlight. This light has both a wave and a particle nature. The particles or photons are the smallest units of light photons isolated along a path, which is measured as wave links the light emitted from the sun contains photons in a wide spectrum of wavelength called the electronic magnetic spectrum. Photo synthetic organisms use only a small portion of the electronic magnetic spectrum called visible light. Photosynthetic organisms contained pigments that facilitate the capture of wavelengths of light in the visible light range, the color of the pigment comes from the wavelength of light. Reflected plants appear Green because they reflect yellow and Green wavelength of light. Red and blue wave links of light are absorbed by these pigments and provide the energy that is used for photosynthesis. Within uc rioted photo synthetic organisms, also known as photo auto trophy. The chemical reactions of photo synthesis occur within plant cells in specialized structures known as clore plates. Photosynthesis consists of two sets of reactions, the light dependent reactions and the calvin cycle. Within the choral place are small dislike structures called pilates ds, which are surrounded by a fluid field space called the drama. The reactions that synthesize glue cose the calvin cycle occur in the stroma. The light dependent reactions occur in the philology IT is here that conversion of light energy to chemical energy is initiated in most photosynthetic organisms. Codes contain pairs of photo system called photo system one and photo system two that work intending m to produce the energy that will later be used in the stroma to manufactured sugars. The photo systems of the pilots ID consist of a network of accessory pigment molecules and chlorophyll legumes that absorb the photons of light within the pigment t molecules. The absorbed the light energy excites electrons to a higher state. Photo systems will channel the exit energy gathered by the pig men molecules to a reaction center chloric molecule, which will then pass the electrons to a series of proteins located on the pilot membrane. Photons of light strike photo systems one and two. Simultaneously, we will examine what happens with the photo striking photo system two. First, the energized electrons are passed from the reaction center of photo system to to an electron transport chain. The electrons lost by photo system, too, are replaced by a process called photo lisa, which involves the oxidation of a water molecule producing free electronic and oxygen gas. While this oxygen gas is a byproduct of photosynthesis, IT is an important input to the cellular respiring pathways. As electrons passed through the electron transport chain, the energy from the electron is used to pump hydrogen en irons from the strong to the ilog, creating a concentration gradient. This gradient powers of protein called ATP sync, which fast four relates ADP to form ATP, the low energy electron's leaving photo system two are shuttle to photo system one. Within photo system one, low energy electrons are reenergized and are passed through an electron transport chain where they are used to reduce the electron Carrier NADP plus to NADPH. When the choral place is receiving a steady supply of photons, NADPH and atp molecules are rapidly being provided to the meta lic pathways in the strong. Therefore, the atp and NADPH form during the light dependent reactions are used in the drama to fuel the calvin cycle react. The kelvin cycle consists of a series of reactions that reduce carbon dioxide to produce the carbon hydrate glass, a high three fast fit. The cycle consists of three steps, the first of which is carbon fixation. In this step, carbon dioxide is attached to regulate one, five, this fos fate, resulting in a six carbon molecule that splits into two, three carbon molecules. The second step is a sequence of reactions using electrons from N, A, D, P, H and some of the atp to reduce carbon dioxide. In the final step, repulse one five is fast fate is regenerated for every three terms of the cycle. Five molecules of glaser dehy three fast fade are used to reform three molecules of rebellion. One five is fast fate. The remaining glass to hide three fast fit is then used to make glucose fati assets, or glass aral. IT takes two molecules of glass around to hide three fast fate to make one molecule of glue cos fast fate. Thus, the calvin cycle has to run six times to produce one molecule of glue cos. These molecules can remove their fast fate and add fructose to form suse, the molecule plants used, used to transport carbo hydrate throughout their system glue cose fast fate is also the starting molecule for the syntheses of start and saloo plants produce sugars to use as storage molecules and structural components for their own benefit by utilizing the energy of the sun, along with input of water and carbon dioxide, plants act as blue coast factories. Photo synthetic organisms are the primary producers of glucose on the planet. They also produce oxygen gas as a byproduct and thus serve as the foundation of life, providing food and oxygen for the complex food webs on both land and in the oceans.
第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转换
第2课时 光合作用的原理
人教版2019必修1·分子与细胞
情境导入
观看视频
叶绿体捕获光能后,如何将二氧化碳和水转化为糖类,并且释放出氧气呢?
学习目标
课标要求 素养目标
概念2 细胞的生存需要能量和营养物质,并通过分裂实现增殖
2.2 细胞的功能绝大多数基于化学反应,这些反应发生在细胞的特定区域
2.2.3说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获光能,这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中,转换并储存为糖分子中的化学能 1. 通过对光合作用原理的学习,形成物质与能量的生命观念。
2.通过构建光合作用光合作用的过程模型图,提高建构模型的科学探究能力。
3.通过对光反应与暗反应的学习,认同两个阶段既有区别又有联系养成分类归纳与比较的科学思维方式。
4.能够根据学习光合作用原理的理论知识是指导生产实践的基础,培养学生具备解决生产和生活问题的担当和思维能力。
学习重难点
【学习重点】
(1)分析科学史阐明光合作用的原理通过科学史寻找证据、分析讨论、归纳概括光反应、暗反应过程;
(2)说出光合作用原理中的物质和能量变化。
【学习难点】
(1)阐明光合作用的原理和实质。
(2)光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。
知识目录
01
光合作用的原理
02
影响光合作用强度的因素
03
光合作用原理的应用
新知探究
一、光合作用的原理
1.光合作用的概念
指绿色植物通过 ,利用光能,把 转化成储存着能量的有机物,并且释放出 的过程。
叶绿体
二氧化碳和水
氧气
CO2+H2O
光能
叶绿体
糖类(CH2O) +O2
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?
❓️
新知探究
一、光合作用的原理
光合作用原理的探索——探究光合作用氧气的产生
活动1
【资料1】1937年,英国植物学家希尔发现,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O2。
2.希尔实验可以证明氧气来自水,能否确定氧气全部来自水?
不能,希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解,产生氧气。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。
思考讨论问题:
1.根据资料1,尝试补充完整希尔的实验表达式。
O2
H+
H2O
光照叶绿体
Fe3+
得电子
Fe2+
新知探究
一、光合作用的原理
光合作用原理的探索——探究光合作用氧气的产生
活动1
思考讨论问题:
3.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?
新知探究
一、光合作用的原理
光合作用原理的探索——探究光合作用氧气的产生
活动1
能够说明。希尔反应是叶绿体离体状况下完成的,因此,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。
4.若要证明氧气全部来自水或二氧化碳,可采用什么方法?
可以采用同位素标记法,用18O分别标记H2O和CO2进行实验。
A、B物质分别为O2、18O2,二者的相对分子质量之比为32∶36=8∶9。
新知探究
一、光合作用的原理
光合作用原理的探索——探究光合作用氧气的产生
活动1
【资料2】1941年,美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源,他们用18O分别标记H2O和CO2,使它们分别变成H218O和C18O2,然后进行了两组实验:
CO2
18O2
光照射下的小球藻悬液
O2
C18O2
H2O
H218O
5.图中A物质和B物质的相对分子质量之比是多少?
图中A、B物质是氧气,均来自反应物中的H2O。
实验结论:光合作用释放的氧气中的氧元素全部来自 水。
水
新知探究
一、光合作用的原理
光合作用原理的探索——探究光合作用氧气的产生
活动1
【资料3】1954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。
光照条件下,水光解的同时,ADP和Pi合成ATP。
7.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
H2 O O2 +NADPH +能量
光能
叶绿体
ADP + Pi + ATP
6.根据资料3中实验,你可以得出什么结论?
新知探究
一、光合作用的原理
2.光合作用的光反应阶段
场 所
条 件
物质变化
能量变化
光、色素、酶、水等
类囊体薄膜
水的光解:
ATP的合成:
NADPH的合成:
H2O
光
色素
O2 + H+ + e-
ADP + Pi + 能量
酶
ATP + H2O
酶
NADP+ + H+ + e-
NADPH
ATP、NADPH中活跃的化学能
光能
产 物
O2、ATP、NADPH中活跃的化学能
【相关信息】水分解为氧和H+,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。
绿叶体中的色素
可见光
吸收
H2O
O2
光解
NADP+
NADPH
酶
ADP+Pi
ATP
酶
H+
新知探究
一、光合作用的原理
光合作用原理的探索——探究光合作用有机物的产生
活动2
【资料4】美国的卡尔文用小球藻进行实验,将其装在一个透明的密闭容器中,他向密闭容器中通入14CO2,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中。经9年左右的时间,他终于弄清了光合作用中暗反应的碳循环途径。
1.请用符号和箭头表示碳的转移途径。
2.如果要探究CO2转化成的第一个产物是什么,请说出可能的实验思路。
不断缩短光照时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO2转化成的第一个产物。
14CO2
→14C3
↗14C6
↘14C5
叶绿体
基质
新知探究
一、光合作用的原理
3.光合作用的暗反应阶段
产 所
条 件
物质变化
能量变化
有光无光都进行(但要有光反应产物ATP和NADPH)、CO2、C5、酶等
叶绿体基质
CO2固定:
C3的还原:
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
CO2+C5
酶
2C3
2C3
酶
ATP、NADPH
(CH2O)+C5
C5
2C3
NADPH
ATP
(CH2O)
CO2
固定
卡尔文循环
还
原
C5
2C3
(CH2O)
→葡萄糖
淀粉
↑
CO2
固定
叶绿体
基质
卡尔文循环
还
原
→蔗糖
(CH2O)
细胞质基质
新知探究
一、光合作用的原理
绿叶体中的色素
可见光
吸收
H2O
O2
光解
NADP+
NADPH
酶
ADP+Pi
ATP
酶
H+
类囊体薄膜
【相关信息】光合作用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。
新知探究
一、光合作用的原理
探究光反应与暗反应的关系
活动3
C5
2C3
(CH2O)
CO2
固定
叶绿体基质
卡尔文循环
还
原
绿叶体中的色素
可见光
吸收
H2O
O2
光解
NADP+
NADPH
酶
ADP+Pi
ATP
酶
H+
类囊体薄膜
光反应
暗反应
光反应与暗反应的关系:
①光反应为暗反应提供ATP和NADPH;
②暗反应为光反应提供NADP+、ADP和Pi;
③光反应停止后,暗反应很快也会停止。
新知探究
一、光合作用的原理
探究光反应与暗反应的关系
活动3
阶段 光反应阶段 暗反应阶段
条件
产所
物质变化
能量变化
联系
光、色素、酶
不需光、酶、NADPH、ATP
叶绿体类囊体薄膜
叶绿体基质中
①水的光解;
②ATP、NADPH的生成
①CO2的固定; ②C3的还原
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能
①光反应是暗反应的基础,为暗反应提供NADPH和ATP;
②暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+ 。
ATP、NADPH中活跃化学能→有机物中稳定的化学能
条件 停止光照
CO2供应不变 突然光照CO2供应不变 光照不变
停止CO2供应 光照不变
增加CO2供应
C3
C5
ATP
NADPH
(CH2O)
新知探究
一、光合作用的原理
探究光反应与暗反应的关系
活动3
结合光合作用过程图解,分析条件改变时,C3、C5、ATP、NADPH、(CH2O)含量变化。
减少
增加
减少
减少
减少
增加
减少
增加
增加
减少
减少
减少
增加
减少
减少
增加
增加
增加
增加
增加
新知探究
一、光合作用的原理
观看视频
光合作用的过程
新知探究
一、光合作用的原理
[补充提醒]
①叶绿体中光合色素吸收的光能,一方面用于H2O分解产生氧和NADPH;一方面用于ATP的合成。
②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,NADPH既可作还原剂,又可为暗反应提供能量。
③供氢:NADPH。
④供能:ATP和NADPH。
新知探究
一、光合作用的原理
4.化能合成作用
化能合成生物: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,如硝化细菌。
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:无机物转变成为有机物。
2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2NH3+3O2
2HNO2+O2
2HNO3+能量
硝化细菌
能量
CO2+H2O
(CH2O)+ O2
化能合成作用:
新知探究
课堂小结
C5
2C3
(CH2O)
→葡萄糖
淀粉
↑
CO2
固定
叶绿体
基质
卡尔文循环
还
原
→蔗糖
(CH2O)
细胞质基质
绿叶体中的色素
可见光
吸收
H2O
O2
光解
NADP+
NADPH
酶
ADP+Pi
ATP
酶
H+
类囊体薄膜
新知探究
随堂检测
1.光合作用的科学研究经历了漫长的探索过程,众多科学家作出了重要贡献。下列说法错误的是( )
A.希尔反应能说明植物光合作用中水的光解和糖类的合成不是同一个化学反应
B.卡尔文根据实验结果推测出CO2中C的转移途径为CO2→C3→(CH2O)→C5
C.鲁宾和卡门用同位素示踪的方法发现了光合作用中氧气来自水
D.阿尔农发现在光照下,叶绿体可合成ATP,并发现该过程总与水的光解相伴
【解析】卡尔文为研究光合作用中碳的去向,在充足的光照条件下向小球藻的培养液中通入14C标记的CO2,每隔一定时间取样,并提取样品中的标记化合物,浓缩后再点样用双向纸层析法使标记化合物分离,卡尔文根据上述实验结果推测出CO2中C的转移途径为CO2→C3→(CH2O),B错误
B
新知探究
随堂检测
2.如图为某植物光合作用示意图。下列说法正确的是( )
A.①表示O2,②表示还原型辅酶Ⅱ(NADPH),④表示CO2
B.增加光照强度或升高温度,C3的含量都一定减少
C.突然停止光照,光反应和暗反应立即停止
D.叶绿素呈绿色,是因为它大量吸收红光和蓝紫光,
而几乎不吸收绿光
【解析】A、据图分析,类囊体膜上的光合色素吸收光能,将水光解,产生NADPH与氧气,①表示O2,③表示还原型辅酶Ⅱ(NADPH),②表示ATP;光合作用的暗反应阶段,场所是叶绿体基质,CO2被C5固定形成C3,④表示CO2,A错误;B、增加光照强度,短时间内C3的生成速率不变,而光反应产生的ATP、NADPH增多,C3被NADPH、ATP还原为(CH2O)速率加快,因此C3的含量减少;如果在最适温度时升高温度,则C3的含量不一定减少,B错误;C、突然停止光照,黑暗条件下,光反应停止,NADPH和ATP不再产生,暗反应将逐渐停止,C错误;D、由于叶绿素大量吸收红光和蓝紫光,而几乎不吸收绿光,故叶绿素呈绿色,D正确。
B
新知探究
随堂检测
【解析】A、据图分析,类囊体膜上的光合色素吸收光能,将水光解,产生NADPH与氧气,①表示O2,③表示还原型辅酶Ⅱ(NADPH),②表示ATP;光合作用的暗反应阶段,场所是叶绿体基质,CO2被C5固定形成C3,④表示CO2,A错误;
B、增加光照强度,短时间内C3的生成速率不变,而光反应产生的ATP、NADPH增多,C3被NADPH、ATP还原为(CH2O)速率加快,因此C3的含量减少;如果在最适温度时升高温度,则C3的含量不一定减少,B错误;
C、突然停止光照,黑暗条件下,光反应停止,NADPH和ATP不再产生,暗反应将逐渐停止,C错误;
D、由于叶绿素大量吸收红光和蓝紫光,而几乎不吸收绿光,故叶绿素呈绿色,D正确。
新知探究
随堂检测
3.正常生长的绿藻,照光培养一段时间后,用黑布迅速将培养瓶罩上,此后绿藻细胞的叶绿体内发生的变化是( )
A.O2的产生停止 B.CO2的固定加快
C.ATP/ADP比值上升 D.NADPH/NADP+比值上升
A
【解析】正常生长的绿藻,照光培养一段时间后,用黑布迅速将培养瓶罩上,光照减为0,O2的产生停止,NADPH和ATP减少,故ATP/ADP和 NADPH/NADP+比值下降,CO2的固定减慢,故A正确,BCD错误。
4.如图表示某植物叶片暗反应中C₃和C₅微摩尔浓度
的变化趋势,该植物在I阶段处于适宜环境条件下,
II阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO₂
浓度中的某一项。下列分析正确的是( )
A.图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATP
B.图中II阶段所改变的环境条件是降低了光照强度
C.图中II阶段甲上升是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累
D.图中II阶段光合速率最大时所需光照强度比I阶段低
新知探究
随堂检测
D
【解析】A、图中物质甲C5与二氧化碳结合形成乙C3,该过程只需要酶的催化,不需要消耗光反应提供的ATP和NADPH,A错误;
B、植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下,如果Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度,则ATP和NADPH产生量减少,那么C3增加,C5减少,与图形的走势不符合,B错误;
C、图中II阶段甲C5上升,乙C3下降,则改变的条件可能是降低CO₂浓度,进而导致C5消耗减少而表现为含量上升,同时C3生成减少而表现为含量下降,此时叶绿体中NADPH和ATP的积累是CO2浓度降低导致的结果,C错误;
D、Ⅱ阶段改变的条件主要影响暗反应的进行,即Ⅱ阶段的变化是由于二氧化碳浓度下降导致的,所以Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低,D正确。
5.如图是叶绿体中光合作用部分过程的简化示意图(①和②是可移动载体,e表示电子)。下列叙述错误的是( )
A.ATP生成所需的能量直接来源于脂双层两侧H+浓度差,最终来源于光能
B.可移动载体①②和复合物Ⅱ使脂双层两侧的H+浓度差变小
C.图示反应中,电子的最终供体是水,最终受体是NADP+
D.希尔反应中的氧化剂可以是NADP+、铁盐等
新知探究
随堂检测
B
【解析】据图可知,在可移动载体①②及复合物Ⅱ的作用下,H+由叶绿体基质进入到类囊体腔中,使得H+离子的浓度差变大,B错误;
新知探究
随堂检测
6.下图为高等绿色植物光合作用和细胞呼吸之
间关系的示意图,其中①~⑥代表不同物质。
回答下列问题。
(1)为研究该植物绿叶中色素的种类,需将提取
到的色素在滤纸上分离,色素分离依据的原理是
________________________________________。
(2)③代表的物质是_____,其产生的场所是
____________。植物通过光反应把太阳能转
变为活跃的化学能储存______________(填物质名称)中,通过暗反应把活跃的化学能转变为稳定的化学能储存于_____(填写图中标号)中。
(3)请用“→”和物质写出14CO2中的14C在光合作用中的转移途径:
(4)图中④→CO2的过程是细胞呼吸的___________阶段,该过程在_______________
中进行。
不同色素在层析液中溶解度不同,溶解度高的随层析液在滤纸上扩散的快,反之则慢
类囊体薄膜
ATP和NADPH
O2
④
14CO2→三碳化合物→糖类
第一和第二
细胞质基质和线粒体基质
ATP
合成酶
知识拓展
知识拓展
光合作用的光系统及电子传递链
如图为放大的类囊体薄膜结构的模式图。PSⅡ和PSⅠ是色素和一些蛋白形成的色素复合体,上面的色素可以吸收光能,分解水产生氧气、氢离子和电子,有的膜蛋白用来传递氢离子,造成膜两侧氢离子具有浓度差;有的膜蛋白传递电子给NADP+,在某种膜蛋白的催化下合成NADPH;还有的膜蛋白是ATP合成酶,利用膜两侧的氢离子浓度差催化合成ATP。同时,光能转变成的化学能就储存在了ATP和NADPH中。
30
知识拓展
知识拓展
光合作用的光系统及电子传递链
1.光系统Ⅱ进行水的光解,产生O2、
H+和自由电子(e-),电子(e-)经过
电子传递链传递,最终介导还原型
辅酶Ⅱ(NADPH)的产生。
2.类囊体薄膜两侧的质子浓度(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+)逆浓度梯度从叶绿体基质侧泵入类囊体腔侧;
②光系统Ⅱ在类囊体腔侧进行的水的光解产生质子(H+);
③在叶绿体基质侧H+和NADP+形成NADPH的过程消耗H+。通过以上途径建立了质子浓度(电化学)梯度。
3.类囊体薄膜对质子(H+)是高度不通透的,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梯度流出的能量来合成ATP。
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$这是光合作用在自然界中的具象化。在亚马逊雨林的核心位置,隐藏着一片未遭受到任何污染的水域,大自然用亿万年的时光孕育出了这片亚马逊雨林中最纯净、最奇特的水下世界。由于鲜有人类的涉足,这里一直保持着大自然原有的风貌,河水清澈见底,水中的各种绿色植物清晰可见,层层叠叠的绿色山丘在水中沐浴着阳光,仿佛打开了另一个平行世界的大门,如梦如幻,令人流连忘返。鱼儿在其间自由穿梭,无忧无虑地享受着这独属于他们的一切。当条件适合时,你还可以看到另一种更奇特的景象,随着太阳的逐渐升起,各种水草的生命活动也随之增强,光合作用也在这片水底有了具象化。当我们将视角不断拉近,就可以看到在整齐排列的植物细胞内部,一种叫做叶绿体的微小细胞结构会不断地向着光的方向蠕动。在这个过程中,它们会吸收自然界中的二氧化碳,用来合成生长所需要的糖分,同时释放出这个过程中所产生的副产物,地球上的各种动物生存所需要的氧气。到下午晚些时候,这些水草的光合作用就会到达顶峰。随着光合作用不断涌出的氧气,这里的河水也变得沸腾起来,一场水底生物的狂欢也仿佛到了开香槟的时刻,一个个大小不一的气泡在水中螺旋上升,宛如天女散花一般,将这场大自然的盛会推向高潮。大量释放的气泡增加了植物在水中的浮力,它的根部连带着其所复生的石块一起浮出水面,形成了这空中楼阁般的自然奇观,令人叹为观止。同时,这清澈的河水宛若大自然的恩赐,也滋养了岸边的农浮生。