1、光合作用与能量转化（二）光合作用与能量转化（二）绿色植物通过叶绿体，利用光能，把绿色植物通过叶绿体，利用光能，把COCO2 2和和H H2 2O O转化成储存能转化成储存能量的有机物，并释放出量的有机物，并释放出O O2 2的过程。的过程。一、光合作用的定义：一、光合作用的定义：CO2+H2O叶绿体光能(CH2O)+O2光合作用的总反应式：光合作用的总反应式：思考：思考：1 1、光合作用释放的氧气来自水还是二氧化碳？、光合作用释放的氧气来自水还是二氧化碳？2 2、叶绿体如何将光能转化为化学能？、叶绿体如何将光能转化为化学能？3 3、叶绿体又是如何将化学能储存在糖类等有机物中？、叶绿体又是如何将
2、化学能储存在糖类等有机物中？6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2光能光能叶绿体叶绿体 19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的分子的C和和O被分开，被分开，O2被释放，被释放，C与与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。CO2O2CCH2O甲醛甲醛H2O缩合（CH2O）1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通年，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。过光合作用转化成糖。二、探索光合作用原理的部分实验二、探索光合作用原理的部分实验 1937 19
3、37年，英国植物学家希尔（年，英国植物学家希尔（R.Hill)R.Hill)发现，在离体叶绿体的悬发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H H2 2O,O,没有没有COCO2 2),),在光照下可以释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化学反应称作希尔反应希尔反应。4Fe3+2H2O 4Fe2+4H+O2光光叶绿体叶绿体氧化剂或氧化剂或受氢体受氢体二、探索光合作用原理的部分实验二、探索光合作用原理的部分实验讨论讨论1.
4、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？氧气中的氧元素全部都来自水？不能说明。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不能说明。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。接观察到氧元素的转移。希尔反应：离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化希尔反应：离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应。
5、学反应。讨论讨论2.2.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？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H2OH2O，没有合成糖的另一种必需原料，没有合成糖的另一种必需原料CO2CO2，因此，该实验说明水的光，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。结论：水的光解产生氧气。氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反结论：水的光解产生氧气。
6、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。应，而是分阶段进行的。1941 1941年，美国科学家鲁宾（年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)S.Ruben)和卡门（和卡门（M.Kamen)M.Kamen)用用同位素示踪同位素示踪的方法，的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用研究了光合作用中氧气的来源。他们用1616O O的同位素的同位素1818O O分别标记分别标记H H2 2O O和和COCO2 2,使它们分别变使它们分别变成成H H2 21818O O和和C C1818O O2 2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H H2
7、2O O和和C C1818O O2 2，第二组给同种，第二组给同种植物提供植物提供H H2 21818O O和和COCO2 2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O O2 2,第二组第二组释放的都是释放的都是1818O O2 2。CO2H218O光照射下的光照射下的小球藻悬液小球藻悬液C18O2H2O18O2O2二、探索光合作用原理的部分实验二、探索光合作用原理的部分实验 1941 1941年，美国科学家鲁宾（年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)S.Ruben)和卡门（和卡门（M.Kamen)M.Kamen)用用同位素示踪同位素示踪的
8、方法，的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用研究了光合作用中氧气的来源。他们用1616O O的同位素的同位素1818O O分别标记分别标记H H2 2O O和和COCO2 2,使它们分别变使它们分别变成成H H2 21818O O和和C C1818O O2 2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H H2 2O O和和C C1818O O2 2，第二组给同种，第二组给同种植物提供植物提供H H2 21818O O和和COCO2 2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O O2 2,第二组第二
9、组释放的都是释放的都是1818O O2 2。讨论讨论3.3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？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COCO2 2。二、探索光合作用原理的部分实验二、探索光合作用原理的部分实验1954年，美国科学家阿尔农（D.Arnon)发现，在无CO2条件下，给叶绿体光照时，向反应体系中供给ADP、Pi、N NADP+时，体系中就会有ATP和NADPH的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。（水分解为（水分解为O O2 2和和H H+,同时叶
10、绿体被夺去两个电子，用于同时叶绿体被夺去两个电子，用于NADPNADP+与与H H+结合形成结合形成NADPHNADPH）。）。(N(NADP+H+2e-NADPH）讨论讨论4.4.尝试用示意图来表示尝试用示意图来表示ATPATP的合成与希尔反应的关系：的合成与希尔反应的关系：H2O O2+NADPH+能量能量 光照光照叶绿体叶绿体ADP+PiADP+Pi酶ATPATP二、探索光合作用原理的部分实验二、探索光合作用原理的部分实验 20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2 ，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，称为
11、称为卡尔文循环卡尔文循环。实验结果1：照光30s，14C分布在C3、C4、C5、C6等多种化合物中。思考：思考：如何确定如何确定COCO2 2中的中的C C首先转移到首先转移到C C3 3、C C4 4、C C5 5、C C6 6那种化合物中呢？那种化合物中呢？实验结果实验结果2 2：时间缩短到几分之一秒时，14C只集中在C3中。实验结果实验结果3 3：实验表明，在酶的作用下，CO2与植物本身存在C5形成C3，同时C3可还原成C5和（CH2O），该过程称作卡尔文循环。CO2+C5酶酶2C3 2C3 C5+(CH2O)酶酶二、探索光合作用原理的部分实验二、探索光合作用原理的部分实验卡尔文循环：卡
12、尔文循环：CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径C3是指是指三碳化合物三碳化合物-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸C5是指是指五碳化合物五碳化合物-核酮糖核酮糖-1，5-二磷酸（二磷酸（RuBP）1954年，美国科学家阿尔农发现，在黑暗条件下，只要供给ATP和NADPH，叶绿体就能将CO2转化为糖类，同时ATP和NADPH含量下降，ADP、Pi、DADP+含量上升。思考：思考：ATP和NADPH参与生成C5、C6的过程，思考光合作用过程中光能是经过怎样的转化储存到糖类中？2C3 C5+(CH2O)酶酶ATP、NADPHCOCO2 2C C5 5 2C 2
13、C3 3酶酶二、探索光合作用原理的部分实验二、探索光合作用原理的部分实验三、光合作用过程三、光合作用过程思考：光反应在白天可以进行吗？夜间呢？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？暗反应在白天可以进行吗？夜间呢？有光才能进行有光才能进行有光、无光都能进行有光、无光都能进行光反应阶段（光合作用第一阶段）光反应阶段（光合作用第一阶段）暗反应阶段（光合作用第二阶段）暗反应阶段（光合作用第二阶段）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。根据
14、糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。根据是否需要光能是否需要光能，光合作用过程可以概括地分为光合作用过程可以概括地分为光反应光反应和和暗反应暗反应两个阶段。两个阶段。类囊体薄膜上类囊体薄膜上的色素的色素分子分子可见光可见光ADP+PiADP+PiATPATPH H2 2O OO O2 2NADPNADP+酶酶吸收吸收光解光解光反应光反应H H+NADPHNADPH酶酶 光合作用第光合作用第一一个阶段的化学反应，个阶段的化学反应，_才能进行，这个阶段叫做光反应阶才能进行，这个阶段叫做光反应阶段，是在段，是在_上进行的；上进行的；条件条件 ：光、色素、酶光、色素、酶、水、水、ADPAD
15、P、PiPi、NADPNADP+场所：场所：物物质质转转化化水的光解：水的光解：ATPATP的合成：的合成：类囊体薄膜上类囊体薄膜上H H2 2O 1/2O 1/2O O2 2+2H+2H+2e+2e-光光色素色素ADP+Pi+ADP+Pi+能量能量 ATP ATP酶酶光能光能能量转变：能量转变：ATPATP、NADPHNADPH中活跃的化学能中活跃的化学能NADPHNADPH的合成：的合成：NADPNADP+H+H+2e+2e-NADPHNADPH酶酶（一）光反应阶段（一）光反应阶段必须有光必须有光类囊体薄膜类囊体薄膜ADP+PiADP+PiATPATPNADPNADP+能能量量C C5 5
16、2C2C3 3多种多种酶酶(CH(CH2 2O O)糖类糖类COCO2 2固定固定还原还原酶酶暗反应暗反应NADPHNADPH酶酶能能量量暗反应也称作暗反应也称作_._.卡尔文循环卡尔文循环条件：条件：有没有光都可以，需多种酶、有没有光都可以，需多种酶、COCO2 2、ATPATP、NADPHNADPH场所：场所：叶绿体基质中叶绿体基质中物物质质转转化化COCO2 2的固定：的固定：COCO2 2C C5 5 2C 2C3 3酶酶C3C3的还原：的还原：ATPATP、NADPHNADPH中中活跃的化学能活跃的化学能2C2C3 3 (CH(CH2 2O)+CO)+C5 5酶酶ATPATP、NAD
17、PHNADPH能量转变：能量转变：糖类中稳定糖类中稳定的化学能的化学能（二）暗反应阶段（二）暗反应阶段 光合作用第二个阶段的化学反应，光合作用第二个阶段的化学反应，_都能进行，这个阶段叫做暗反应阶都能进行，这个阶段叫做暗反应阶段，是在段，是在_中进行的；中进行的；有没有光有没有光叶绿体基质叶绿体基质类囊体薄膜上类囊体薄膜上的色素的色素分子分子可见光可见光ADP+PiADP+PiATPATPH H2 2O OO O2 2NADPNADP+酶酶吸收吸收光解光解能能量量C C5 52C2C3 3多种多种酶酶(CH(CH2 2O O)糖类糖类COCO2 2固定固定还原还原酶酶光反应光反应暗反应暗反应
18、光合作用的过程光合作用的过程H H+NADPHNADPH酶酶酶酶能能量量光合作用光反应产生的光合作用光反应产生的ATPATP只用于暗反应阶段，不能用于其他生命活动，其他生只用于暗反应阶段，不能用于其他生命活动，其他生命活动所需命活动所需ATPATP只能来自细胞呼吸只能来自细胞呼吸1 1、NADPHNADPH和和ATPATP的移动途径是什么？的移动途径是什么？从类囊体薄膜到叶绿体基质；从类囊体薄膜到叶绿体基质；2 2、NADP+NADP+和和ADPADP的移动途径呢？的移动途径呢？从叶绿体基质到类囊体薄膜；从叶绿体基质到类囊体薄膜；3 3、NADPHNADPH的作用？的作用？.活泼的还原剂；活泼
19、的还原剂；.储存部分能量供暗反应阶段利用；储存部分能量供暗反应阶段利用；思考与讨论思考与讨论4 4、光合作用中元素的转移光合作用中元素的转移H H的转移：的转移：H H2 2O O NADPHNADPH (CH(CH2 2O)O)C C的转移：的转移：COCO2 2 C C3 3（CHCH2 2O O）O O的转移：的转移：COCO2 2 C C3 3 （CHCH2 2O O）H H2 2O OO O2 2 6CO6CO2 2+12H+12H2 2O O光能光能叶绿体叶绿体C C6 6H H1212O O6 6+6H+6H2 2O+6OO+6O2 25 5、光照、光照和和COCO2 2浓度变化
20、对植物细胞内浓度变化对植物细胞内C C3 3、C C5 5、NADPHNADPH、ATPATP和和O O2 2及及(CH(CH2 2O)O)含量的影响含量的影响光照光照由由强变弱强变弱COCO2 2供应不变供应不变光反应减弱光反应减弱NADPHNADPH减少、减少、ATPATP减减少、少、O O2 2产生量减少产生量减少暗反应暗反应C C3 3还原减弱还原减弱COCO2 2固定仍在正常进行固定仍在正常进行C C3 3含量上升含量上升C C5 5含量下降含量下降（CHCH2 2O O）合成合成量相对减少量相对减少光照由弱变强光照由弱变强COCO2 2供应不变供应不变光反应增强光反应增强NADPH
21、NADPH增多、增多、ATPATP增增多、多、O O2 2产生量增多产生量增多暗反应暗反应C C3 3还原增强还原增强COCO2 2固定仍在正常进行固定仍在正常进行C C5 5含量上升含量上升C C3 3含量下降含量下降（CHCH2 2O O）合成合成量量相对增多相对增多5 5、光照、光照和和COCO2 2浓度变化对植物细胞内浓度变化对植物细胞内C C3 3、C C5 5、NADPHNADPH、ATPATP和和O O2 2及及(CH(CH2 2O)O)含量的影响含量的影响光照不变光照不变减少减少COCO2 2供应供应COCO2 2固定减弱固定减弱C C3 3还原仍正常进行还原仍正常进行暗反应暗
22、反应C C3 3含量下降含量下降C C5 5含量上升含量上升NADPHNADPH相对相对增加、增加、ATPATP相相对对增加、增加、O O2 2产生量减少产生量减少（CHCH2 2O O）合成合成量量相对减少相对减少5 5、光照、光照和和COCO2 2浓度变化对植物细胞内浓度变化对植物细胞内C C3 3、C C5 5、NADPHNADPH、ATPATP和和O O2 2及及(CH(CH2 2O)O)含量的影响含量的影响光照不变光照不变增加增加COCO2 2供应供应COCO2 2固定增强固定增强C C3 3还原仍正常进行还原仍正常进行暗反应暗反应C C3 3含量上升含量上升C C5 5含量下降含量
23、下降NADPHNADPH相对减少、相对减少、ATPATP相相对减少、对减少、O O2 2产生产生量增多量增多（CHCH2 2O O）合成合成量相对增多量相对增多5 5、光照、光照和和COCO2 2浓度变化对植物细胞内浓度变化对植物细胞内C C3 3、C C5 5、NADPHNADPH、ATPATP和和O O2 2及及(CH(CH2 2O)O)含量的影响含量的影响(1)(1)以上各物质的变化是相对含量的变化以上各物质的变化是相对含量的变化，且，且是在条件改是在条件改变后的短时间内发生变后的短时间内发生的。的。注意事项：注意事项：(2)(2)在以上各物质的含量变化中：在以上各物质的含量变化中：C
24、C3 3和和C C5 5含量的变化是相含量的变化是相反的，即反的，即C C3 3增加，则增加，则C C5 5减少；减少；NADPHNADPH和和ATPATP的含量变化是的含量变化是一致的，都增加，或都减少。一致的，都增加，或都减少。光反应和暗反应的比较光反应和暗反应的比较光反应光反应暗反应暗反应区区别别所需条件所需条件进行场所进行场所物质变化物质变化能量转化能量转化联联系系物质变化物质变化上的联系上的联系能量转化能量转化上的联系上的联系必须有光必须有光有光或无光均可有光或无光均可类囊体薄膜类囊体薄膜叶绿体基质叶绿体基质水光解为水光解为O O2 2和和H H+;ATP;ATP和和NADPHNAD
25、PH的合成的合成COCO2 2的固定；的固定；C C3 3的还原；的还原；ATPATP和和NADPHNADPH的分解的分解光能转化为光能转化为ATPATP和和NADPHNADPH中的化学能中的化学能ATPATP和和NADPHNADPH中的化学能转化为中的化学能转化为有机物中稳定的化学能有机物中稳定的化学能光能光能ATPATP和和NADPHNADPH中的化学能中的化学能有机物中稳定的化学能有机物中稳定的化学能光反应为暗反应提供光反应为暗反应提供ATPATP和和NADPH;NADPH;暗反应为光反应提供了暗反应为光反应提供了ADPADP、PiPi、NADP+NADP+四、化能合成作用四、化能合成作
26、用1 1、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。只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。例如人、动物、真菌及大多数的细菌。例如人、动物、真菌及大多数的细菌。2 2、自养生物：自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。以无机物转变成为自身的组成物质。光能自养生物：光能自养生物：以光为能源，以以光为能源，以COCO2 2和和H H2 2O O（无机物）为原料合成（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如：绿糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如：绿色植物。色植物。化能自养生物：化能自养生物：利用环境中某些无机物氧化时
27、释放的能量将利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将COCO2 2和和H H2 2O O（无机物）合成糖类（有机物）。例如：硝化细菌。（无机物）合成糖类（有机物）。例如：硝化细菌。在自然界中，除了光合作用，还有另外一种制造有机物的方式。少数在自然界中，除了光合作用，还有另外一种制造有机物的方式。少数种类的细菌，细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但是却能种类的细菌，细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但是却能利用体外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环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物。我们把这种方式。我们把这种方式称为称为化能合成作用化能合成作用。例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量能量硝化细菌硝化细菌2HNO2+O2 2HNO3+能量能量硝化细菌硝化细菌6H2O+6CO2 C6H12O6+6O2能量能量硝化细菌硝化细菌硝化细菌硝化细菌同化作用同化作用异化作用异化作用需氧型需氧型厌氧型厌氧型酵母菌酵母菌的异化作用属于兼性厌氧型的异化作用属于兼性厌氧型自养型自养型异养型异养型光能自养型光能自养型化能自养型化能自养型兼性厌氧型兼性厌氧型新新陈陈代代谢谢类类型型
