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第2节 光合作用——光能的捕获和转换
第2课时 绿色植物光合作用的过程
为了提高空气质量,人们常常在客厅或者卧室等处摆放一些花卉等绿色植物。
绿色植物是如何更新周围
环境中空气的呢?
对生活中的生物学现象进行观察并提出问题,体现了科学探究的核心素养。
新疆种植的哈密瓜为什么比较甜?
对生活中的生物学现象进行观察并提出问题,体现了科学探究的核心素养。
说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,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.能初步用结构和功能观说明叶绿体是光合作用的场所。(生命观念)
2.用物质和能量观,阐明光合作用过程。(生命观念)
3.分析归纳,比较光反应和暗反应。(科学思维)
体会课堂探究的乐趣,
汲取新知识的营养,
让我们一起 吧!
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课
堂
1.证明实验
(1)实验过程:1937年前后,英国科学家希尔在研磨绿叶后制取__________,并向悬液中加入______,然后给予光照后观察。
(2)实验现象:①Fe3+被还原为________。
②离体的叶绿体____________。
(3)实验结论:一定程度上证明了______________________。
(4)该实验意义:使光合作用的研究从____________水平进入到了________________水平。
一、叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所
草酸铁
Fe2+
释放出了O2
叶绿体悬液
光合作用在叶绿体中进行
器官(叶片)
细胞器(叶绿体)
2.在普通光学显微镜下,叶绿体是______观察到的细胞器。
3.光照强度对叶肉细胞中叶绿体分布的影响
(1)细胞内的叶绿体一般分布在________与____之间的细胞质中。
(2)在光照较弱的情况下,叶绿体会汇集到________,以最大限度地吸收光能,保证______的光合作用。
(3)当光照强度很高时,叶绿体会移动到________,以避免强光的伤害。
最容易
细胞质膜
液泡
细胞顶面
高效率
细胞侧面
【例1】下列关于参与光合作用的叶绿体说法,正确的是( )
A.1937年前后,英国科学家希尔的实验使光合作用的研究从器官水平进入了细胞器水平
B.当光照强度很高时,叶绿体会移动到细胞顶面
C.叶绿体中的色素分布在基质中
D.光合作用需要的酶只分布在叶绿体基质中
A
当光照强度很高时,叶绿体会移动到细胞侧面,以避免强光的伤害,B错误;叶绿体中的色素分布在类囊体膜上,C错误;类囊体膜上和叶绿体基质中都有,D错误。
二、光合作用过程
1.光反应
(1)场所:__________________(________和与光反应有关的酶就分布在__________)。
(2)条件:________________等。
叶绿体的类囊体膜上
光合色素
类囊体膜上
光、光合色素和酶
(3)过程:
①在类囊体膜上,______等光合色素________。
②水裂解释放O2,并将电子传递给某些______________。
③电子传递:光合色素吸收光能,使某些__________分子(接受了最初由________传递而来的电子)受到激发________,电子在不同的物质(__________)之间传递。
叶绿素
吸收光能
基态叶绿素分子
基态叶绿素
水的裂解
释放电子
电子传递体
④ATP和NADPH的形成:__________(____________)接受电子被还原成_________(____________,常表示为_____,在暗反应阶段发挥作用) ,能量也由光能转换为____,再由____转换为化学能,储存在______和__________中。
⑤在光反应中,________________,______________,电子传递,ATP和NADPH的形成是____________,共同完成光反应,即将______最终转换为______并产生O2。
NADP+
还原型辅酶Ⅱ
NADPH
还原型辅酶Ⅱ
[H]
电能
电能
ATP
NADPH
光合色素吸收光能
水裂解释放O2
耦合在一起的
太阳能
化学能
2.暗反应
(1)场所:__________。
(2)发现者:______及其研究团队。
(3)条件:_________________________等。
叶绿体基质
卡尔文
CO2、ATP、NADPH和酶
(4)过程:
①暗反应又称为__________,简单地说,__________就是将____、______和__________转变为________(一种三碳糖)的复杂生化反应。
②CO2的固定:绿叶细胞从外界吸收的______进入叶绿体基质,与细胞中的一种__________(C5)结合,形成两个__________(C3)。
卡尔文循环
卡尔文循环
CO2
ATP
NADPH
磷酸丙糖
CO2
五碳化合物
三碳化合物
③C3的还原:在______的催化下,____接受光反应阶段提供的
____和____,经过一系列________,部分转变为____,另一部分又
形成____,继续参与____________。
④暗反应是由__催化的一系列复杂的________。在这一过程中,
将光反应过程中形成的___________中的化学能,转化为储存于
________________。
有关酶
C3
物质
能量
生化反应
糖类
C5
CO2的固定
酶
生化反应
ATP和[H]
糖分子中的化学能
1.在无光条件下,暗反应能否长期进行?
提示:不能。因为无光条件下,光反应不能进行,光反应的产物ATP和[H]减少,不能满足暗反应的需求,暗反应终将停止。
2.若暗反应停止,光反应能否持续进行?
提示:不能,若暗反应停止,光反应产生的ATP和[H]积累过多,将抑制光反应的进行。
3.科学研究表明,光合作用的产物除糖类和O2外,还有蛋白质和脂肪等。如何用实验证明这种观点?
提示:用14C标记参加光合作用的CO2,测定含14C的产物中是否有蛋白质、脂肪等。
对生活中的生物学现象进行观察并提出问题,体现了科学探究的核心素养。
3.光合作用过程示意图
(1)图中Ⅰ为______阶段,Ⅱ为______阶段,二者不仅同时进行,而且__________,共同完成光合作用过程。
(2)叶绿体中的光合色素吸收太阳能,将________________,形成了______________________________。
光反应
暗反应
耦合在一起
光能转换为化学能
推动CO2和H2O合成糖的动力
4.光合作用
(1)概念:光合作用是绿色植物细胞中的______从太阳光中________,
并将这些能量在______________转变为________的过程中,__________
为糖分子中______的过程。
(2)总反应式
__________________________________。
叶绿体
捕获能量
CO2和H2O
糖与O2
转换并储存
化学能
(3)意义
①光合作用是一项复杂的________过程,也是一个______转变为______的重要途径。
②光合作用对地球表面的________、大气组成、________乃至所有生物的____,人类的生产和生活都有至关重要的意义。
能量转换
无机物
有机物
生态面貌
生物进化
生存
5.化能合成作用
(1)概念:通过____外界环境中的______获得的______来合成______,这种制造有机物的方式,称为化能合成作用。
(2)生物类型:自然界中的一些微生物,如土壤中的________、硫细菌和______等。
(3)意义:对维持地球上的________和__________、流动也具有一定的作用。
氧化
无机物
化学能
有机物
硝化细菌
铁细菌
物质循环
能量的转换
【归纳提升】1.光反应和暗反应区别和联系
光反应阶段 暗反应阶段(碳反应)
场所
条件
物质变化
能量变化
联系
项目
叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光、色素、酶
多种酶
2H2O →O2+4NADPH
ADP+Pi+能量→ATP
光能→ATP、NADPH中的化学能
ATP、NADPH中的化学能→糖类中的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH
暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料
2C3
CO2+C5→2C3
NADPH
(CH2O) +C5
ATP
过程
对光反应和暗反应的区别和联系进行归纳与概括,体现了科学思维的核心素养。
讨论: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
光能
H2O
CO2
还
原
(CH2O)
叶绿体 色素
供氢
酶
供能
多种酶参加催化
2C3
C5
固定
ADP+Pi
ATP
酶
水在光下分解
O2
NADPH
NADP+
C5、NADPH、ATP变化一致,C3、C5相反。
对改变某一条件光合作用中各物质的变化进行分析归纳,体现了科学思维的核心素养。
【归纳提升】2.光合作用过程中的物质变化
(1)光合作用过程中C、O元素转移途径
①H2O 光反应
18O2
NADPH 暗反应 (CH2O)+ H2O
②14CO2 固定
14C3 (14CH2O)
14C3 14C5
对光合作用过程中元素的转移进行分析归纳,体现了科学思维的核心素养。
(2)叶绿体中[H]、ATP、ADP和Pi的运动方向
①[H]和ATP:类囊体膜→叶绿体基质。
②ADP和Pi:叶绿体基质→类囊体膜。
【归纳提升】3.光合作用和化能合成作用的异同
项目 光合作用 化能合成作用
不同点 生物类型 绿色植物和光合细菌 硝化细菌等
能量来源 光能 体外物质氧化释放的化学能
相同点 代谢类型 自养需氧型
物质变化 将无机物转化为储存能量的有机物
对光合作用和化能合成作用的异同点进行比较,体现了科学思维的核心素养。
【例2】下图表示植物光合作用的一个阶段,下列各项叙述中正确的是( )
A.该反应的场所是类囊体的薄膜
B.C3生成C6H12O6需要[H]、ATP和多种酶
C.提高温度一定能促进C6H12O6的生成
D.无光条件有利于暗反应进行
图示过程为暗反应的过程,它发生在叶绿体的基质中,C3的还原过程需要光反应为之提供ATP、[H],所以在有光状态下反应进行更为有利,而且此过程中需要酶的参与,温度会影响酶的活性,温度越适宜反应越快。
B
物质变化
能量变化
反应场所
光合作用过程
光反应
暗反应
光能
活跃的化学能
CO2+C5→C3
C3→(CH2O)+C5
水→O2+NADPH
ADP+Pi→ATP
依 据
1. 如图表示绿色植物光合作用部分过程的图解,下列分析错误的是( )
A.该过程不需要光,发生的场所为叶绿体基质
B.细胞呼吸过程中也产生物质A,同样具有还原C3的作用
C.CO2中碳原子的转移途径是CO2→C3→糖类、C5
D.突然降低二氧化碳浓度,短时间内C5的含量上升
B
该过程是光合作用的暗反应阶段,不需要光,发生的场所为叶绿体基质,A正确;细胞呼吸中产生的[H]实际上是还原型辅酶I(NADH),光合作用中产生的[H]实际上是还原型辅酶Ⅱ(NADPH),故细胞呼吸和光合作用都能产生[H]不是同一种物质,B错误;暗反应中CO2首先被C5固定生成C3,C3再被还原生成(CH2O)和C5,故CO2转移途径是:CO2→C3→(CH2O)、C5,C正确;突然降低二氧化碳浓度,C5的消耗量降低,而C5的合成量不变,所以C5的含量迅速升高,D正确。
2.科学家研究光合作用时进行了以下实验:在某种绿藻培养液中通入14CO2,在给予不同的光照时间后,从培养液中提取并分析放射性物质。预测实验结果是 ( )
A.在一定时间内光照时间越长,产生的放射性物质的种类越多
B.光照时间越长,固定产生的三碳化合物浓度越高
C.无论光照时间长短,放射性物质都不会分布在线粒体中
D.只要给予光照,放射性就会出现在[H]中
A
通入的14CO2在暗反应过程中先被固定形成14C3,再被还原形(14CH2O),(14CH2O)再被转化为其他种类的有机物,因此光合作用之后产生的放射性物质的种类会增多;随光照时间延长,在CO2固定产生C3的同时,C3也在不断地被消耗,最终处于动态平衡,因此固定产生的三碳化合物不会越来越多;CO2中放射性物质经光合作用进入(CH2O),再经细胞呼吸进入丙酮酸,可以进入线粒体;光照时间过短,放射性物质不会出现在[H]中。
3. 在适宜反应条件下,用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后,突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质,组合正确的是( )
A.红光,ATP下降 B.红光,未被还原的C3上升
C.绿光,[H]下降 D.绿光,C5上升
C
叶绿体中的色素主要吸收利用的可见光是红光和蓝紫光等,吸收的绿光很少,因此与同等强度的白光相比,红光下植物光合效率更高,而绿光下则光合效率非常低。叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光等可见光,吸收的绿光很少。将白光改为光照强度相同的红光,光反应增强,叶绿体内产生的ATP和[H]增多,C3的还原增加,导致未被还原的C3减少,故A、B错误;将白光改为光照强度相同的绿光,光反应减弱,叶绿体内产生的ATP和[H]减少,C3的还原量降低,导致C5减少, 故C正确,D错误。
4.研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是( )
A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素
A
乙醇酸是在光合作用暗反应阶段产生的,暗反应场所在叶绿体基质中,所以产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质,A正确;该反应体系中能进行光合作用整个过程,不断消耗的物质有CO2和H2O,B错误;类囊体产生的ATP参与C3的还原,产生的O2用于呼吸作用或释放到周围环境中,C错误;该体系含有类囊体,而类囊体的薄膜上含有光合作用色素,D错误。
5.生活在干旱地区的一些植物 (如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2,吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题:
(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有_____________________________。
光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和_______________释放的CO2。
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止___________, 又能保证____________正常进行。
细胞质基质、线粒体、叶绿体
呼吸作用
水分过度散失
光合作用
昨天是已经走过的,明天是即将走过的,唯有今天正在走过……