5.4 捕获光能的色素和结构-人教版2019高中生物学必修1教学课件(共41张PPT)

(共41张PPT)
第4节 光合作用与能量转化　
第5章 细胞的能量供应和利用
生物
一 捕获光能的色素和结构
学习目标
1.通过进行“绿叶中色素的提取和分离”实验，掌握色素提取和分离的原理及操作步骤，能够分析实验结果并解释色素带宽窄、位置差异的原因。（科学探究）
2.通过分析色素的吸收光谱，理解光合色素的功能，能够解释叶片呈现绿色的原因及不同光质对植物生长的影响。（生命观念）
3.通过讨论叶绿体的结构特点及恩格尔曼实验的设计思路及结论，理解叶绿体适于光合作用的结构基础，评价实验设计的巧妙之处，并运用批判性思维分析实验现象与结论的关系。（科学思维）
学习重难点
重点：
1.绿叶中色素的提取和分离实验。
2.叶绿体色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。
难点：绿叶中色素的提取和分离实验。
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
（1）避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用低而造成减产。
（2）人工光源的强度和不同色光是可以调整的，可根据植
物生长情况调节，使产量达到最大。
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等？
这些因素会影响植物光合作用的强度（生长），通过控制以便植物达到最佳生长状态。
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。
导入新课
问题思考
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
导入新课
问题思考
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。
白化苗
正常苗
白化苗由于不能形成叶绿素，无法进行光合作用，待种子中储存的养分耗尽就会死亡。
夏天的银杏和秋天的银杏
植物叶片在不同时期颜色不同，这与叶片中的色素有关。
植物叶片中含有哪些色素？怎样提取、分离这些色素呢？
导入新课
问题思考
绿叶中色素的提取和分离
新课讲授
探究一
1.实验原理
实验 原理 试剂 方法
提取 萃取法
分离
提取试剂：可以用体积分数95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替无水乙醇；
层析液(由20份在60~90℃下分馏出来的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成。
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
阅读教材P98~99，了解实验操作并完成学案上的任务。
绿叶中的色素溶于有机溶剂，而不溶于水
无水乙醇
各种色素在层析液中的溶解度不同，在滤纸上扩散速度不同
溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢
层析液
纸层析法
2.实验步骤
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
2.实验步骤
剪碎
＋CaCO3
＋无水乙醇
研磨
色素滤液
（1）提取绿叶中的色素
防止色素被破坏
有助于研磨充分
溶解色素
单层尼龙布（不用滤纸）
过滤
＋SiO2
滤纸会吸附色素
试管口加棉花
防止酒精挥发和色素的氧化
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
避免层析液在边缘扩散过快，使分离出的色素带平齐。
滤液细线
要求：
剪去两角的目的？
积累更多色素，使色素分离效果更明显
细、直、齐 重复2~3次
2.实验步骤
（2）制备滤纸条
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
干燥的定性滤纸
1cm铅笔细线
剪两角
（3）画滤液细线
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
2.实验步骤
（3）分离色素—纸层析法
将适量层析液倒入小烧杯（试管）中，将滤纸条轻轻插入层析液中，随后用培养皿盖住烧杯口（或棉塞塞紧试管口）。
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。
注意： 。
滤液细线不能触及层析液
3.实验结果
——黄绿色（叶绿素b）
——蓝绿色（叶绿素a）
——黄 色（叶 黄 素）
——橙黄色（胡萝卜素）
（溶解度最高）
叶绿素
(3/4)
类胡萝卜素
(1/4)
绿叶中的色素
胡
黄
a
b
排序越上面，说明该色素在层析液的溶解度越 ，扩散速率越 ，色素带越宽，说明该色素含量越 。
高
快
多
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
4.异常现象分析
①滤纸条上色素带颜色过浅：
②滤纸条看不到色素带：
d.画滤液细线次数过少。
b.滤液细线触及层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。
a.未加入二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出来；
b.称取绿叶过少或加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小；
c.未加入碳酸钙或加入过少，部分色素分子被破坏；
a.忘记画滤液细线；
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
4.异常现象分析
③色素带不整齐：
a.画滤液细线时，细线没有做到细且直，使色素带彼此重叠；
④纸条最下面的两条色素带颜色较浅：
a.未加碳酸钙或加入量过少，叶绿素被破坏；
b.滤纸条一端两角剪得不对称；
c.滤纸没有干燥处理。
b.取材叶片不新鲜,或为“黄叶”，叶绿素的含量较少。
【跟踪训练1】下图表示某同学做“绿叶中色素的提取和分离”实验的改进装置，下列叙述错误的是（ ）
A．应向培养皿中倒入层析液
B．应将滤液滴在a处，而不能滴在b处
C．实验结果应是得到四个不同颜色的同心圆（近似圆形）
D．实验得到的若干个同心圆中，最小的一个圆呈橙黄色
新课讲授
[探究一]绿叶中色素的提取和分离
D
这4种色素对光的吸收有差别吗？
四个同心圆的色素带，从外往里依次为 。
思考:
胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b
色素的吸收光谱
新课讲授
探究二
新课讲授
[探究二] 色素的吸收光谱
阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
分别让不同颜色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光谱。
类胡萝卜素溶液
叶绿素溶液
结论：叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
新课讲授
[探究二] 色素的吸收光谱
①叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
（叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同）
（与叶绿素a相比，叶绿素b吸收光谱范围更窄）
②类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
可见光波长：400~760nm
学科交叉：一般叶绿体中的色素只吸收 ，而对红外光和紫外光等不吸收。
可见光
类胡萝卜素
叶绿素b
叶绿素a
吸收、传递（四种色素）、转化光能（只有少数特殊状态的叶绿素a）
光合色素的功能：
叶绿素a:C55H72O5N4Mg
叶绿素b:C55H70O6N4Mg
胡萝卜素：C40H56
叶黄素：C40H56O2
新课讲授
[探究二] 色素的吸收光谱
（1）为什么植物叶片在春夏翠绿，而深秋则金黄呢？
寒冷时，叶绿素分子易被破坏，类胡萝卜素较稳定，显示出类胡萝卜素的颜色，叶子变黄。
色素对绿光吸收最少，绿光被反射回来。
叶片中叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素。
与生活的联系
秋天降温时，植物体为适应寒冷，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素（液泡/水溶性），而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶子呈现红色。
新课讲授
影响叶绿素合成的因素：
（1）光照
（2）温度
(3)矿质元素
通过影响酶的活性来影响叶绿素的合成，
低温下，叶绿素易被破坏。
铁元素、镁元素、氮元素
铁元素通过影响与叶绿素合成有关的酶来影响叶绿素的合成；
镁元素是叶绿素的组成成分，缺镁将无法合成叶绿素。
新课讲授
与生活的联系
影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
总结：植物色素
比较项目 光合色素 细胞液色素
存在部位 叶绿体 液泡
溶解性 脂溶性 水溶性
代表种类 类胡萝卜素和叶绿素 花青素
颜色 橙黄、黄、绿 红、蓝、紫
颜色变化 不随pH改变变化颜色 随pH改变变化颜色
红苋菜：炒菜菜汤出色，因为是水溶性的花青素。
胡萝卜：炒菜菜汤不出色，因为是脂溶性的胡萝卜素。
与生活的联系
新课讲授
与生活的联系
（2）植物工厂里为什么不用发绿光的光源？阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应选择什么颜色(“蓝紫光和红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源？请结合色素光谱解释。
因为这种波长的光几乎不能被光合色素吸收，不能用于光合作用中合成有机物。
大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光；
选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。
选无色透明的塑料薄膜，为了让各种波长的太阳光都穿过塑料薄膜，即让植物吸收更多的光能。
（3）冬季时，为了增加蔬菜的产量，应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？
新课讲授
科研人员发现了一种色素缺失的豌豆变异植株，提取其色素并进行了纸层析分离，结果见下图（图中序号代表正常植株的色带位置）。下列关于该变异植株的描述，正确的是（ ）
A.缺失叶绿素b，植株对蓝紫光、红光吸收的能力减弱
B.缺失胡萝卜素，植株对蓝紫光吸收的能力减弱
C.缺失叶绿素a，植株对红光吸收的能力减弱
D.缺失叶黄素，植株对蓝紫光吸收的能力减弱
新课讲授
【跟踪训练2】
D
这些色素分布于细胞中什么部位呢？
电镜照片
光镜照片
叶绿体的结构适于进行光合作用
新课讲授
探究三
[探究三]叶绿体的结构适于进行光合作用
分布：
主要分布在绿色植物的叶肉细胞
(1)结构
外表：
内部
由类囊体堆叠而成
↓决定
(2)功能：进行____________的场所。
双层膜
基质
基粒
光合作用
(3)物质基础
在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的_________。在_____________上和______________中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
色素分子
类囊体膜
叶绿体基质
新课讲授
如何证明呢？
1.叶绿体的结构与功能
2.叶绿体的功能及其验证实验
螺旋带状叶绿体
（1）实验者：德国科学家恩格尔曼。
（2）实验过程及现象
新课讲授
[探究三]叶绿体的结构适于进行光合作用
恩格尔曼的实验一
新课讲授
[探究三]叶绿体的结构适于进行光合作用
2.叶绿体的功能及其验证实验
水绵
+
需氧
细菌
无空气
黑暗中，用极细光束照射水绵
完全暴露在光下
需氧细菌只集中分布在叶绿体被光束照射到的部位
需氧细菌分布在叶绿体所有受光的部位
实验过程及现象
实验1结论：
叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
新课讲授
[探究三]叶绿体的结构适于进行光合作用
2.叶绿体的功能及其验证实验
1.用极细的光束投射，叶绿体上分为获得光照部位和无光照部位，形成对照
2.完全暴露在光下和局部光照(黑暗条件下)形成对照实验，再次验证实验结果。
材料选择妙
变量控制妙
对照设计妙
1.水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察。
2.需氧细菌可确定释放氧气多的部位。
自变量的设计：有无光照、光照的部位。
因变量的观测：通过检测需氧细菌的分布，准确地判断出释放氧气的部位。无关变量控制：没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。
新课讲授
[探究三]叶绿体的结构适于进行光合作用
2.叶绿体的功能及其验证实验
新课讲授
[探究三]叶绿体的结构适于进行光合作用
2.叶绿体的功能及其验证实验
恩格尔曼的实验二
恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，结果见下图：
实验2结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用，释放氧气。
最终结论：叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。
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，适于需氧细菌在此区域分布。
新课讲授
迁移应用：如果要验证线粒体在呼吸作用中的功能，你是否可以借鉴恩格尔曼的思路？试设计思路。
思路：取等量酵母菌培养液分别加入两只洁净的试管中，一组不作处理，另一组加入呼吸抑制剂；向两组培养液中加入好氧细菌，混匀后静置。显微镜下观察细菌分布。
预期结果：正常细胞组细菌远离细胞；抑制剂组细菌聚集在细胞周围。
分析：正常细胞线粒体消耗O2，周围低氧，好氧细菌远离细胞；加入呼吸抑制剂，O2未被消耗，好氧细菌聚集在细胞周围。
【练习1】某生物兴趣小组对教材中色素提取和分离的实验步骤进行了改进，采用水浴法提取叶绿体中的色素，主要操作如下图所示。下列叙述错误的是( 　)
A．加入碳酸钙的作用是防止色素被破坏
B．可以用蒸馏水代替无水乙醇提取叶绿体中的色素
C．水浴加热，用玻璃棒搅拌可加快色素的溶解
D．用纸层析法分离色素时，画好的滤液细线不能触及层析液
当堂训练
B
叶绿体中的色素易溶于无水乙醇等有机溶剂，不溶于水，不能用蒸馏水代替无水乙醇提取叶绿体中的色素。
【练习2】图甲是叶绿体结构示意图，图乙是叶绿体中色素的分离结果(①～④ 代表叶绿体结构，A～D代表4种色素)，下列相关叙述错误的是(　　)
B
当堂训练
A. A是在溶剂中溶解度最高的色素
B．利用无水乙醇提取和分离色素的原理是色素溶于无水乙醇
C．若用黄化叶片做色素提取实验，C和D色素带较窄
D．②的结构极大地扩展了叶绿体的受光面积
色素易溶于有机溶剂，故可用无水乙醇提取色素，因色素在层析液中的溶解度不同，故分离色素用的是层析液。
【练习3】为探究叶绿体吸收光能后是否有氧气产生，某学者设计了以下实验：制作载有水绵和需氧细菌的临时装片，用极细光束照射水绵，同时放在显微镜下观察。下列关于该实验的分析，错误的是（ ）
A
当堂训练
A. 在光束照射到水绵之前，应该加三棱镜将混合光分解成连续光谱
B. 临时装片应放置在没有空气的黑暗环境中
C. 需氧细菌起指示作用
D. 水绵的带状叶绿体有利于设置对照实验
本实验的目的是验证叶绿体在光照下能够产生氧气，而与光的种类没有关系，不需要用三棱镜将混合光分解成连续光谱。
【练习4】（不定项）下图甲是叶绿体结构模式图，图乙是从图甲中取出的部分结构放大图。下列相关叙述正确的是( )
BC
当堂训练
A. 图甲中生物膜的面积主要靠内膜向内折叠成嵴而增大
B. 图乙所示的结构来自图甲中的③
C. 液泡中也有色素，但不能进行光合作用
D. ATP的合成场所只有叶绿体
细胞质基质、线粒体、叶绿体
类囊体堆叠成基粒
当堂训练
【练习5】叶绿体在细胞内位置和分布受到的动态调控称为叶绿体定位。研究结果显示，化学处理破坏细胞内的微丝骨架后，叶绿体的定位出现异常。在拟南芥的叶肉细胞中存在一种CHUPI的微丝结合蛋白为叶绿体正常定位所必需的，编码该蛋白的基因缺失突变后，叶绿体呈现定位异常。据此推测，CHUPI可能是叶绿体与微丝骨架之间实现连接的重要蛋白，在以微丝骨架为依托的叶绿体定位过程中发挥重要作用。用较强或较弱强度的光照射拟南芥叶片，叶肉细胞中叶绿体会呈现出不同的位置和朝向。光照较弱时，叶绿体汇集到细胞顶面，如下图左；光照强度很高时，叶绿体会移动到细胞侧面，如下图右。
当堂训练
请回答下列问题。
(1)拟南芥叶肉细胞通常呈现绿色，与 上分布着捕获光能的色素有关，这些色素可分为两类，含量最高的一类是 。
(2)光照由弱变强，叶绿体出现如上图所示的位置变化，在该变化过程中，发挥重要作用的物质和结构分别是 ，这种位置变化的意义是 。
(3)某同学采摘一些拟南芥的叶片，一段时间后发现有部分叶片已变黄。他认为这可能是由于叶片中某些色素降解，或者是某些色素含量增加所造成的。根据所学知识，请设计实验验证以上观点。(写出实验思路)
取等量的已变黄的叶片和尚未变黄的叶片为实验材料，在相同条件下，进行叶绿体色素的提取和分离实验，测定并记录实验结果，比较这两种叶片的各种色素的组成及含量，滤纸条上色素带的宽窄代表的是色素含量的多少。
类囊体薄膜
叶绿素
CHUPI、微丝骨架
弱光时，叶绿体的定位可以吸收更多的光，保证光合作用的进行；强光时，叶绿体的定位可减小叶绿体的受光面积，避免强光造成叶片灼伤
课堂小结
谢谢大家