第五章 細胞的能量供應和利用 第4節(jié)能量之源 光與光合作用 第1課時光合作用的探究歷程 過程及色素 新舊脈絡 學習目標1 說出葉綠體的結構和功能 重點 2 說出色素的種類及功能 3 提取和分離綠葉中色素 難點 4 描述光合作用的過程 重點 5 說出光合作用的概念 6 闡述光合作用中物質和能量的變化 難點 7 體驗科學探究的方法和技術 核心概念提取色素分離色素葉綠體吸收光譜光合作用光反應階段暗反應階段同位素標記法 基礎知識 一 光合作用的探究歷程1 1864年 德國的薩克斯的實驗證實了光合作用的產物有 2 1939年 美國的魯賓和卡門利用 證明了 3 20世紀40年代 美國的卡爾文 利用 技術最終探明了 在光合作用中轉化成 的途徑 淀粉 同位素標記法 光合作用釋放的氧氣來自水 放射性同位素標記 CO2 有機物中碳 二 綠葉中色素的提取和分離 有機溶劑 無水乙醇 層析液中的溶解度 快 慢 5g 少許SiO2和CaCO3 再加入10ml無水乙醇 單層尼龍布 棉塞 減去兩角 去角一端1cm 毛細吸管 待濾液干后 一兩次 濾液細線 三 色素的含量和種類 橙黃色 葉黃素 藍紫光 葉綠素a 藍綠色 葉綠素b 紅光和 藍紫光 四 葉綠體的結構和功能1 葉綠體的結構 外膜 內膜 基粒 淚囊體 基質 色素和酶 酶 DNA和RNA 2 葉綠體的功能 進行 的場所 3 恩格爾曼的實驗實驗設計 把載有水綿和好氧細菌的臨時裝片放在沒有空氣的黑暗中 然后用極細的光束照射水綿 之后再將臨時裝片暴露在光下 實驗現象 極細的光束照射 細菌 完全暴露在光下 細菌 實驗結論 葉綠體是 氧氣是葉綠體釋放的 五 光合作用的過程及應用1 光反應 1 場所 葉綠體的 上 光合作用 只向葉綠體被光束照射到的部位集中 分布在葉綠體所有受光的部位 光合作用的場所 類囊體薄膜 2 條件 色素 酶等 3 物質變化 將水分解為 將ADP和Pi合成ATP 4 能量變化 光能轉變?yōu)?2 暗反應 1 場所 葉綠體的 中 2 條件 酶 H ATP 3 物質變化 a CO2的固定 C5 CO2 b C3的還原 C3 H ATP 4 能量變化 ATP中活躍的化學能轉變?yōu)?光照 H 和O2 活躍的化學能 基質 2C3 C6H12O6 有機物中穩(wěn)定的化學能 1 夏季的樹葉多為綠的海洋 到了深秋時節(jié)更有 看萬山紅遍 層林盡染 的美景 試從生物學角度分析其原因 提示 春夏時節(jié)葉綠素所占比例大 故葉子為綠色 而到了深秋葉綠素大量分解 類胡蘿卜素含量相對增加 故葉子為黃色或橙黃色 2 植物能進行光合作用制造有機物 有位同學就想 如果人能像綠色植物一樣 豈不是不用吃飯了嗎 如果該同學的想法能實現 你認為人體細胞應具備什么樣的結構 提示 細胞質中有葉綠體 3 在大棚種植時一般選用哪種顏色的薄膜 為什么 提示 一般選用無色透明的薄膜 因為能夠透過各種單色光 1 植物呈現綠色是由于葉綠素能有效地吸收綠光 2 葉綠素a和葉綠素b主要吸收紅光和藍紫光 3 利用紙層析法可分離出4種葉綠體色素 4 葉綠體中的色素主要分布在類囊體腔內 5 光合作用過程中光反應是暗反應進行的前提 判斷題 課內探究 1 探究歷程 知識點1光合作用的探究歷程 2 從光合作用的探究歷程可知 1 普利斯特利的實驗的優(yōu)點和不足 2 薩克斯實驗的成功之處 方法的成功 a 設置了對照實驗 自變量為光照 因變量是葉片顏色的變化 b 實驗的關鍵是饑餓處理 使葉片中的營養(yǎng)物質消耗掉 避免了對實驗結果的干擾 認識上的成功 本實驗在證明光合作用的產物是淀粉的同時 還證明了光照是光合作用的必要條件 3 魯賓和卡門實驗 巧妙之處 兩組實驗相互對照直觀地表現出氧氣是來自于水的光解 而不是來自于二氧化碳中的氧 自變量為被標記的C18O2和HO 因變量是O2的放射性 知識貼士自身對照 相互對照不能認為薩克斯實驗和魯賓及卡門實驗的對照設計方法相同 其中薩克斯實驗的對照方式為自身對照 一半曝光與另一半遮光 而魯賓和卡門實驗的對照方式為相互對照 通過標記不同的物質 HO與C18O2 如圖表示德國科學家薩克斯做的實驗 在葉片照光24h后 經脫色 漂洗并用碘液處理后 結果被錫箔遮蓋的部分呈棕色 而不被錫箔遮蓋的部分呈藍色 本實驗說明 光合作用需要CO2 光合作用需要光 光合作用需要葉綠素 光合作用放出氧 光合作用制造淀粉A B C D C 解析 將葉片照光24h后 葉片曝光部分進行光合作用 經脫色 漂洗后用碘液處理變藍 說明有淀粉生成 應選 用錫箔遮蓋的部分因沒有照光 不能進行光合作用 未產生淀粉 用碘液處理不變藍 說明光合作用需要光 還應選 變式訓練1 下圖是恩格爾曼的實驗示意圖 下列有關敘述正確的是 A 實驗先進行 黑暗 處理 主要目的是消耗細胞中原有的淀粉B 極細的光束照射是為了避免對水綿葉綠體造成灼傷C 實驗設置了一次對照D 實驗可證明葉綠體是光合作用的場所 D 解析 圖示的實驗中 先進行 黑暗 處理 目的是防止光的干擾 極細的光束照射是為了使葉綠體上分為有光照和無光照的部位 相當于一組對照實驗 實驗還進行了黑暗 局部光照 和完全光照對照實驗 共設置了兩次對照實驗 該實驗證明了葉綠體是光合作用的場所 知識點2綠葉中色素的提取和分離 2 實驗步驟 3 有關色素帶的分析 1 從色素帶的位置可知道各種色素在層析液中溶解度的高低依次為 胡蘿卜素 葉黃素 葉綠素a 葉綠素b 記憶口訣 胡黃ab 2 從色素帶的寬度可知各種色素的含量一般情況下為 葉綠素a 葉綠素b 葉黃素 胡蘿卜素 3 在濾紙條上距離最近的兩條色素帶是葉綠素a與葉綠素b 距離最遠的相鄰的兩條色素帶是胡蘿卜素和葉黃素 4 綠葉中的色素對光的吸收特點 1 綠葉中的色素只吸收可見光 對紅外光和紫外光等不吸收 2 葉綠素對紅光和藍紫光的吸收量大 類胡蘿卜素對藍紫光的吸收量大 對其他可見光并非不吸收 只是吸收量較少 知識貼士實驗中的注意事項加入無水乙醇后 要進行迅速 充分的研磨 迅速研磨可以防止溶劑揮發(fā) 充分研磨是為了使更多的色素溶解在溶劑中 否則提取的色素量減少 過濾時 不能用濾紙 要用單層尼龍布 或脫脂棉 因為濾紙可以吸附色素 降低濾液中色素的含量 使實驗效果不明顯 在做 綠葉中色素的提取和分離 實驗時 甲 乙 丙 丁四位同學對相關試劑 藥品的使用情況如下表所示 表示使用 表示未使用 其余操作均正常 他們所得到的實驗結果依次應為圖中的 B 解析 無水乙醇用于溶解綠葉中的色素 甲同學未加無水乙醇 其濾紙條上應無色素帶 CaCO3能夠防止研磨時色素被破壞 丙同學未加CaCO3 其濾紙條上葉綠素a 葉綠素b對應的色素帶應較窄 SiO2能夠使研磨更充分 丁同學未加SiO2 其濾紙條上的四條色素帶均應較窄 乙同學操作正確 其濾紙條上的色素帶應是正常的 如圖 所示 變式訓練2 關于葉綠素的敘述 錯誤的是 A 葉綠素a和葉綠素b都含有鎂元素B 被葉綠素吸收的光可用于光合作用C 葉綠素a和葉綠素b在紅光區(qū)的吸收峰值不同D 植物呈現綠色是由于葉綠素能有效地吸收綠光 解析 葉綠素a和葉綠素b所含化學元素的種類相同 都由C H O N Mg組成 A項正確 葉綠素吸收的光能通過光合作用轉變?yōu)閮Υ嬖谟袡C物中的化學能 B項正確 葉綠素a在紅光區(qū)的吸收峰值約為660nm 葉綠素b在紅光區(qū)的吸收峰值約為640nm C項正確 綠葉中的色素對綠光的吸收極少 絕大多數綠光被反射出來 葉片中又含有大量的葉綠素 因此一般情況下植物呈現綠色 D項錯誤 D 1 葉綠體的結構及功能 1 結構 雙層膜 分為內膜和外膜 其主要功能是控制物質進出葉綠體 知識點3葉綠體的結構和功能 基粒 由囊狀結構堆疊而成 這些囊狀結構稱為類囊體 吸收光能的四種色素就分布在類囊體的薄膜上 基質 在基粒與基粒之間充滿基質 基質中含有與光合作用有關的酶 2 功能 葉綠體內的基粒和類囊體擴展了受光面積 含有許多吸收光能的色素分子和光合作用所必需的酶 因此葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所 3 實驗設計巧妙之處 實驗材料選擇水綿和好氧細菌 水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀 便于觀察 用好氧細菌可確定釋放氧氣的部位 沒有空氣的黑暗環(huán)境 排除了氧氣和光的干擾 用極細的光束點狀投射 葉綠體上可分為獲得光照和無光照的部位 相當于一組對照實驗 進行黑暗 局部光照 和完全暴露在光下的對照實驗 明確實驗結果完全是由光照引起的等 知識貼士 光合作用的酶分布在類囊體的薄膜上和基質中 但光合色素只分布在類囊體的薄膜上 葉綠體以囊狀結構堆疊成基粒的方式增大膜面積 而線粒體以內膜向內腔折疊形成嵴的方式增大膜面積 下列關于葉綠體的描述 錯誤的是 A 基粒由類囊體堆疊而成B 葉綠體被膜由雙層膜組成C 暗反應發(fā)生在類囊體薄膜上D 類囊體薄膜上具有葉綠素和酶 解析 葉綠體是雙層膜結構的細胞器 其中許多類囊體像圓餅一樣疊在一起 形成基粒 類囊體上有許多與光合作用有關的色素和酶 在暗反應中 CO2的固定和C3的還原在葉綠體基質中進行 C 易錯提醒 與葉綠體有關的幾點注意事項 1 與光合作用有關的酶分布在類囊體的薄膜上和基質中 但光合色素只分布在類囊體的薄膜上 2 葉綠體以囊狀結構堆疊成基粒的方式增大膜面積 而線粒體以內膜向內折疊形成嵴的方式增大膜面積 3 葉綠體基粒是由類囊體堆疊而成 每個基粒含2 100個類囊體 基粒之間不是孤立的 它們可通過薄膜相連 變式訓練3 葉綠體是植物進行光合作用的場所 下列關于葉綠體結構與功能的敘述 正確的是 A 葉綠體中的色素主要分布在類囊體腔內B 吸收光能和四種色素分布在葉綠體基質中C 葉綠體內膜折疊成基粒D 光合作用的產物 淀粉是在基質中合成的 解析 色素分布在類囊體藻膜上 基粒是由類囊體藻膜堆疊形成的 D 1 光合作用的過程圖解 1 光反應過程 知識點4光合作用的過程 2 暗反應過程 2 光反應和暗反應的比較 1 區(qū)別 2 聯(lián)系 光反應為暗反應提供 H ATP 暗反應為光反應提供ADP和Pi 如圖所示 有關光合作用過程的四點提醒 1 葉綠體的內膜既不參與光反應 也不參與暗反應 2 光反應階段為暗反應提供ATP H ATP從類囊體薄膜移向葉綠體基質 而暗反應則為光反應提供ADP和Pi ADP從葉綠體基質移向類囊體薄膜 3 光反應階段必須是在有光條件下進行 而暗反應階段有光無光都能進行 但需光反應提供的 H 和ATP 故暗反應不能長期在無光環(huán)境中進行 4 在自然條件下 光反應階段和暗反應階段同時進行 不分先后 如圖為葉綠體結構與功能示意圖 下列說法錯誤的是 A 結構A中的能量變化是光能轉變?yōu)锳TP中的化學能B 供給14CO2 放射性出現的順序為CO2 C3 甲C 結構A釋放的O2可進入線粒體中D 如果突然停止CO2的供應 短時間內C3的含量將會增加 D 解析 結構A為類囊體薄膜 分布有與光反應有關的酶 能把光能轉換為ATP中活躍的化學能 從暗反應的過程可以看出 供給14CO2 放射性出現的順序為CO2 C3 甲 光合作用產生的O2可進入線粒體 被細胞呼吸所利用 在光合作用中 CO2首先被C5固定形成C3 如果突然停止CO2的供應 則C3的生成量減少 而其消耗量不變 因此短時間內C3的含量將會減少 知識貼士 不同的條件下葉綠體內各種物質的動態(tài)變化規(guī)律說明 以上各物質含量的變化是在外界條件改變后的短時間內發(fā)生的 且是相對含量的變化 變式訓練4 為研究棉花去棉鈴 果實 后對葉片光合作用的影響 研究者選取至少具有10個棉鈴的植株 去除不同比例棉鈴 3天后測定葉片的CO2固定速率以及蔗糖和淀粉含量 結果如圖所示 1 光合作用暗反應利用光反應產生的ATP和 在 中將CO2轉化為C3 進而形成淀粉和蔗糖 2 由圖甲可知 隨著去除棉鈴百分率的提高 葉片光合速率 本實驗中對照組 空白對照組 植株的CO2固定速率相對值是 3 由圖乙可知 去除棉鈴后 植株葉片中 增加 已知葉片光合產物會被運到棉鈴等器官并被利用 因此去除棉鈴后 葉片光合產物利用量減少 降低 進而在葉片中積累 4 綜合上述結果可推測 葉片中光合產物的積累會 光合作用 H NADPH 葉綠體基質 逐漸下降 28 淀粉和蔗糖含量 輸出量 抑制 5 一種驗證上述推測的方法為 去除植株上的棉鈴并對部分葉片遮光處理 使遮光葉片成為需要光合產物輸入的器官 檢測 葉片的光合產物含量和光合速率 與只去除棉鈴植株的葉片相比 若檢測結果是 則支持上述推測 解析 1 光合作用光反應可為暗反應提供 H NADPH 和ATP 并在葉綠體基質中將CO2轉化為C3 進而形成淀粉和蔗糖 2 由圖甲信息可知 隨去除棉鈴百分率的提高 葉片固定CO2能力明顯降低 對照組 未摘除棉鈴 植株CO2固定速率的相對值應為 去除棉鈴百分率為0 時的CO2固定值 即28 未遮光 光合產物含量下降 光合速率上升 3 由圖乙可知 去除棉鈴后 植株葉片中淀粉和蔗糖含量增加 由題干信息可知 葉片光合產物被運到棉鈴等器官并被利用 故除去棉鈴后 葉片光合產物輸出量降低 從而導致相應產物在葉片中積累 4 綜合圖甲 乙中的相關信息可知 葉片中光合產物積累將使CO2固定速率明顯降低 即抑制光合作用 5 該驗證實驗中 推測若去除植株上的棉鈴 使遮光葉片成為需要光合產物輸入的器官 則未遮光葉片光合產物會不斷轉運至遮光葉片中 從而導致未遮光葉片中蔗糖和淀粉含量下降 進而解除產物積累對光合速率的抑制 因此 檢測未遮光葉片的光合產物含量和光合速率 若與只去除棉鈴植株的葉片相比 檢測結果為光合產物含量下降 光合速率上升 則可支持相關推測