第5章

細胞的能量供應(yīng)和利用第4節(jié)

光合作用與能量轉(zhuǎn)換第1課時

捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)問題探討

植物工廠在人工精密控制光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養(yǎng)液成分等條件下，生產(chǎn)蔬菜和其他植物。有的植物工廠完全靠LED燈等人工光源，其中常見的是紅色、藍色和白色的光源。討論：1.靠人工光源生產(chǎn)蔬菜有什么好處？2.為什么要控制二氧化碳濃度、營養(yǎng)液成分和溫度等條件？要解決以上問題，就要通過《光合作用與能量轉(zhuǎn)化》這章節(jié)的學(xué)習(xí)！

生物體的主要能源物質(zhì)是糖類，細胞中的主要能源物質(zhì)是葡萄糖，植物特有的儲能物質(zhì)是淀粉，動物特有的儲能物質(zhì)是糖原，生物體的直接的能源物質(zhì)是ATP，生物體能量的最終來源是太陽能。在自然界中，萬物生長靠太陽，光合作用是唯一能夠捕獲和轉(zhuǎn)化光能的生物學(xué)途徑。那么，植物光合作用捕獲光能要依靠哪些特定的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)呢？一、捕獲光能的色素事實推論:光能的捕獲與葉片顏色有關(guān)提出假設(shè)：光能的捕獲需要綠葉所含的色素

白化苗無法進行光合作用，待種子中貯存的養(yǎng)分耗盡就會死亡。

正常幼苗進行光合作用，制造有機養(yǎng)料。

思考：綠葉中究竟有哪些色素呢？它們分別是什么顏色呢？各種色素在綠葉中的含量相同嗎？【探究·實踐】綠葉中色素的提取和分離一、捕獲光能的色素（一）實驗原理1.提取色素的原理

根據(jù)化學(xué)中相似相溶的原理，綠葉中的色素是有機物，易溶于有機溶劑。綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑無水乙醇中，所以，可以用無水乙醇（或95%的乙醇加入適量無水碳酸鈉）提取綠葉中的色素。其他有機溶劑如丙酮也可以用來提取綠葉中的色素，但丙酮有毒。2.分離綠葉中的色素（1）.分離色素的原理不同色素在層析液中的溶解度不同。溶解度高的色素，在濾紙上隨層析液的擴散速度快；溶解度低的色素，在濾紙上隨層析液的擴散速度慢。層析液=20石油醚＋2丙酮＋1苯的混合液一、捕獲光能的色素（2）.分離色素的方法：

層析法是利用待分離物質(zhì)中不同組分的某些理化性質(zhì)的差異而建立起來的一種分離技術(shù)。紙層析法

為什么不能用層析液提取色素，無水乙醇分離色素？

層析液對不同色素的溶解度差異較大，但整體溶解能力較弱，無法像無水乙醇那樣高效溶解所有色素；層析液成分（如石油醚和苯）毒性較大、易揮發(fā)，操作時可能產(chǎn)生健康風(fēng)險，且不適合用于保存提取后的色素；實驗步驟要求先用提取液充分溶解色素，再用層析液分離，如果直接用層析液提取，雜質(zhì)干擾多，色素濃度低，可能導(dǎo)致分離效果不理想。?

無水乙醇對不同色素的溶解度相似，缺乏分離所需的溶解度差異，因此無法通過擴散實現(xiàn)色素分層；如果用乙醇作為層析液，色素會溶解其中但無法在濾紙上形成清晰的色素帶，因為擴散速度差異不足。?一、捕獲光能的色素（二）目的要求1.進行綠葉中色素的提取和分離。2.探究綠葉中有幾種色素。（三）材料用具見課本P98.步驟方法原因取材稱取5g新鮮綠葉①新鮮綠色的葉片中色素含量高，從而使濾液中色素含量較高，實驗效果明顯。研磨剪碎，放入研缽中，再向研缽中加入少許二氧化硅和碳酸鈣粉及5～10mL無水乙醇，進行迅速、充分的研磨①加入少許二氧化硅：有助于研磨得充分②加入碳酸鈣：防止研磨過程中色素被破壞③加入無水乙醇：溶解、提取色素④葉綠素不穩(wěn)定，易被破壞，因此研磨要迅速、充分，以保證提取較多的色素。過濾將研磨液迅速倒入基部墊有單層尼龍布的玻璃漏斗中進行過濾。將濾液收集到試管中，及時用棉塞塞緊試管口①單層尼龍布：過濾葉脈、葉渣及二氧化硅等②塞緊試管口：防止無水乙醇揮發(fā)和色素氧化一、捕獲光能的色素（四）實驗步驟:提取色素一、捕獲光能的色素（四）實驗步驟：提取色素一、捕獲光能的色素問題1：已知色素存在于葉片的葉綠體中，提取色素時要破碎細胞及葉綠體，使色素充分釋放。在酸性條件下，葉綠素分子卟啉環(huán)中的鎂離子可以被氫離子取代，導(dǎo)致葉綠素被破壞，試分析色素提取時加入碳酸鈣的作用是什么？

色素提取時，研磨葉片會導(dǎo)致液泡中的有機酸釋放，破壞葉綠素，碳酸鈣可以中和酸性物質(zhì)，保護葉綠素。問題2：研磨時應(yīng)注意什么？原因是什么？研磨時要迅速、充分。這樣可以保證色素釋放得更加充分且揮發(fā)量少。問題3：過濾時漏斗基部的尼龍布能否用濾紙?zhí)娲?？原因是什么？不能用濾紙?zhí)娲?。因為濾紙的吸附性強，會導(dǎo)致濾液中色素的濃度過低。一、捕獲光能的色素問題5：某實驗小組得到的色素提取液顏色過淺，請結(jié)合實驗步驟分析可能的原因有哪些？(1)未加入二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出來；(2)稱取綠葉過少或加入的無水乙醇過多，色素溶液濃度??；(3)未加入碳酸鈣或加入過少，部分色素分子被破壞；(4)研磨不充分或研磨速度太慢，乙醇揮發(fā)，色素未能充分提取出來問題4：色素提取時所用試劑及作用？二氧化硅——有助于研磨得更充分；碳酸鈣——防止研磨中色素被破壞；無水乙醇——溶解、提取色素。步驟方法原因制備濾紙條①干燥的濾紙：透性好、吸收濾液多②剪去兩角：防止色素隨層析液在邊緣擴散過快，使層析液同步到達濾液細線，隨后形成的色素帶整齊、平行畫濾液細線用毛細吸管吸取少量濾液，沿鉛筆線均勻地畫出一條直的濾液細線，待濾液干后再重復(fù)畫一兩次①畫得細、直、齊：防止色素帶重疊而影響分離效果②畫兩三次：積累更多的色素，使分離后的色素帶明顯分離色素將適量的層析液倒入試管中，將濾紙條（有濾液細線的一端朝下）輕輕插入層析液中，隨后用棉塞塞緊試管口①層析液不能觸及濾液細線：防止色素溶解于層析液中而無法分離②塞緊試管口：防止層析液中的成分揮發(fā)1cm鉛筆線剪去兩角一、捕獲光能的色素（四）實驗步驟：分離色素一、捕獲光能的色素（四）實驗步驟：分離色素一、捕獲光能的色素問題1：制備濾紙條時為什么要減去兩角？問題2：濾液細線的劃線原則是什么？待濾液干后，再重畫一到兩次的目的是什么？

減少邊緣效應(yīng)，使濾液同時到達濾液細線，防止層析液在濾紙條的邊緣處擴散過快。

畫濾液細線的原則是細、直、齊，保證色素均勻分布；待濾液干后，再重畫一到兩次可以增加濾液細線中色素的含量。問題3：為何濾液細線不能觸及層析液？

防止色素溶解在層析液中。胡蘿卜素葉黃素葉綠素a葉綠素b（橙黃色）（黃色）（藍綠色）（黃綠色）類胡蘿卜素（含量約占1/4）葉綠素（含量約占3/4）綠葉中光合色素的種類一、捕獲光能的色素（五）實驗結(jié)果1/122/123/169/16色素種類色素顏色色素含量色素帶寬度溶解度擴散速度胡蘿卜素橙黃色最少最窄最高最快葉黃素黃色較少較窄較高較快葉綠素a藍綠色最多最寬較低較慢葉綠素b黃綠色較多較寬最低最慢上下葉綠素由C、H、O、N、Mg構(gòu)成，不穩(wěn)定，低溫易分解，葉綠素合成需要光。類胡蘿卜素不含Mg，比較穩(wěn)定，合成不需要光。光合色素都可以吸收、傳遞光能，只有少數(shù)葉綠素a可以轉(zhuǎn)化光能。一、捕獲光能的色素（五）實驗結(jié)果實驗異常現(xiàn)象的分析：一次劃線后，沒等干后再劃線等造成濾液線不能達到細、直、齊的要求，使色素擴散不一致造成的。1.濾紙條色素帶重疊：2.濾紙條看不到色素帶：a.忘記畫濾液細線。b.濾液細線接觸到層析液，色素全部溶解到層析液中。3.濾紙條只正常呈現(xiàn)胡蘿卜素、葉黃素色素帶，葉綠素的色素帶偏窄：提取色素時忘記加碳酸鈣導(dǎo)致葉綠素被破壞或所用葉片為“黃葉”。一、捕獲光能的色素（五）實驗結(jié)果4.濾紙條上4條色素帶都比正常的窄：濾液線中色素總量偏少a.畫濾液細線沒有重復(fù)畫。b.提取色素時忘記加碳酸鈣或無水乙醇加過多。圓形濾紙打孔色素提取液筆帽濾液細線棉線(燈芯)蘸取蓋穿過中間孔蓋層析液結(jié)果橙黃色黃色藍綠色黃綠色避免了濾液細線觸及層析液123465層析色素分離的其他方法一、捕獲光能的色素問題：秋天大多數(shù)葉片會變黃，韭黃種植在黑暗條件下，試分析哪些因素會影響葉綠素的合成？光照、溫度、Mg2+等因素影響葉綠素的合成。一、捕獲光能的色素花青素，是自然界一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素。水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物質(zhì)大部分與之有關(guān)。在植物細胞液泡不同PH條件下，花青素使花瓣、葉片等呈現(xiàn)五彩繽紛的顏色。一、捕獲光能的色素光合色素與細胞液色素的比較比較項目光合色素細胞液色素存在部位葉綠體液泡溶解性脂溶性水溶性代表種類類胡蘿卜素和葉綠素花青素顏色橙黃、黃、綠紅、藍、紫顏色變化不隨pH改變變化顏色隨pH改變變化顏色紅莧菜：炒菜菜湯出色，因為是水溶性的花青素。胡蘿卜：炒菜菜湯不出色，因為是脂溶性的胡蘿卜素。一、捕獲光能的色素1.采用新鮮菠菜葉片開展“葉綠體色素的提取和分離”實驗，下列敘述錯誤的是（

）A．提取葉綠體色素時可用無水乙醇作為溶劑B．研磨時加入CaO可以防止葉綠素被氧化破壞C．研磨時添加石英砂有助于色素提取D．畫濾液細線時應(yīng)盡量減少樣液擴散隨堂檢測B【解析】A、綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑無水乙醇中，因而可以用無水乙醇提取綠葉中的色素，A正確；B、研磨時需要加入碳酸鈣（CaCO3），可防止研磨時色素被破壞，B錯誤；C、研磨時加入少許石英砂（SiO2）有助于充分研磨，利于破碎細胞使色素釋放，C正確；D、畫濾液細線時應(yīng)盡量減少濾液擴散，要求細、直、齊，才有利于色素均勻地分離，D正確。2.在做“綠葉中色素的提取和分離”實驗時，甲、乙、丙、丁四位同學(xué)對相關(guān)試劑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(jié)果依次應(yīng)為圖中的（） A.①②③④

B.②④①③C.④②③①

D.③②①④【解析】無水乙醇用于溶解綠葉中的色素，甲同學(xué)未加無水乙醇，其濾紙條上應(yīng)無色素帶，對應(yīng)②。乙同學(xué)操作正確，其濾紙條上的色素帶應(yīng)是正常的，對應(yīng)④。碳酸鈣能夠防止研磨時色素被破壞，丙同學(xué)未加碳酸鈣，其濾紙條上葉綠素a、葉綠素b對應(yīng)的色素帶應(yīng)較窄，對應(yīng)①。二氧化硅能夠使研磨更充分，丁同學(xué)未加二氧化硅，其濾紙條上的四條色素帶均應(yīng)較窄，對應(yīng)③?！敬鸢浮緽 B一、捕獲光能的色素

【資料1】當(dāng)陽光穿過三棱鏡時，陽光會被分散成不同顏色的光帶。陽光是由不同波長的光組合成的復(fù)合光，在穿過三棱鏡時，不同波長的光被分散開，形成不同顏色的光帶，稱為光譜。

【資料2】光是一種電磁波，分為可見光和不可見光?？梢姽獾牟ㄩL是400~760nm。不同波長的光，顏色不同。

一般情況下，光合作用能利用的光都是可見光。不同波長的光，顏色不同一、捕獲光能的色素

【資料3】科學(xué)家分別用不同顏色的光照射色素溶液，得到色素溶液的吸收光譜。結(jié)果：藍紫光和紅光色帶很暗。結(jié)果：藍紫光色帶很暗。葉綠素提取液類胡蘿卜素提取液一、捕獲光能的色素

實驗結(jié)果表明：①葉綠素a和葉綠素b主要吸收紅光和藍紫光；②葉綠素a和葉綠素b的吸收峰值不同；③類胡蘿卜素主要吸收藍紫光。綠葉中的色素的功能：吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能。一、捕獲光能的色素【思考·討論】1.溫室或大棚種蔬菜時，應(yīng)該選紅色、藍色還是無色的大棚塑料薄膜？為什么？

應(yīng)選無色的大棚塑料薄膜。因為太陽光由七色光組成，所以用無色的大棚塑料薄膜，植物可以獲得更多的光能。2.陰天時，為了增加蔬菜的產(chǎn)量，在功率相同的情況下，應(yīng)選擇什么顏色(“藍紫光和紅光”或“白光”)的照明燈為蔬菜補充光源？為什么？

應(yīng)選擇藍紫光和紅光。因為在照明燈功率相同的情況下，選用藍紫光和紅光的照明燈補充光源，植物利用光能的效率更高。一、捕獲光能的色素【思考·討論】3.葉片呈綠色的原因？秋天葉片變黃的原因？

葉子呈綠色的是因為葉片體內(nèi)含有葉綠素，葉綠素吸收紅光和藍紫光，幾乎不吸收綠光，反射綠光，因此呈現(xiàn)綠色。

秋天時，葉綠素降解，同時楓葉液泡內(nèi)的花青素在酸性環(huán)境下變紅，使葉片顯現(xiàn)出紅色。4.楓葉秋天變紅色的原因？

秋天時，天氣逐漸變涼，葉片內(nèi)的葉綠素受到天氣的影響，葉綠素逐漸被分解。使葉片呈現(xiàn)出黃色。隨堂檢測3.如圖是綠色植物光合作用過程中葉綠素和類胡蘿卜素的吸收光譜圖。據(jù)圖分析下列敘述正確的是（

）DA．c為類胡蘿卜素，它在紅光區(qū)吸收的光能可用于光反應(yīng)中ATP的合成B．葉綠素主要吸收藍紫光和紅光，而不吸收綠光，綠光被反射出來，所以葉片呈綠色C．可根據(jù)綠葉中的色素在層析液中的溶解度不同來提取色素D．胡蘿卜素在層析液中的溶解度最大，葉綠素b在層析液中的溶解度最小二、葉綠體的結(jié)構(gòu)適于光合作用外膜內(nèi)膜基?；|(zhì)由類囊體堆疊形成的，類囊體薄膜上，分布著許多吸收光能的色素分子和與光合作用有關(guān)的酶。含有與光合作用有關(guān)的酶、少量的DNA和RNA,少量核糖體?；ｎ惸殷w

葉綠體含有眾多的基粒和類囊體,極大地擴展了生物膜面積，體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)與功能”相適應(yīng)的生命觀念。1.葉綠體的結(jié)構(gòu)2.探究葉綠體的功能二、葉綠體的結(jié)構(gòu)適于光合作用資料：1881年德國科學(xué)家恩格爾曼的實驗實驗一：細菌只向葉綠體被光束照射到的部位集中細菌分布在葉綠體所有受光的部位

水綿為多細胞絲狀結(jié)構(gòu)個體，葉綠體呈帶狀，有真正的細胞核，含有葉綠素可進行光合作用。極細光束照射黑暗無空氣完全暴露在光下需氧細菌水綿二、葉綠體的結(jié)構(gòu)適于光合作用

分析葉綠體的功能：1.實驗選擇水綿和需氧細菌作為實驗材料的優(yōu)點：水綿的葉綠體呈___________分布，便于觀察；用需氧細菌可確定

的部位。2.為何要除去小室中原有的空氣？螺旋帶狀釋放氧氣多

選用沒有空氣的環(huán)境，可排除空氣中氧氣的干擾。3.在黑暗中用極細的光束照射水綿有何巧妙之處？

用極細的光束照射，使葉綠體形成有光和無光部位，相當(dāng)于一組對比實驗。4.為何把載有水綿的臨時裝片又暴露于光下？

和黑暗條件下用極細的光束照射進行對照，進一步明確實驗結(jié)果完全是由光照射到葉綠體引起的。2.探究葉綠體的功能二、葉綠體的結(jié)構(gòu)適于光合作用實驗二：

這是因為水綿葉綠體上的光合色素主要吸收紅光和藍紫光，在此波長光的照射下，葉綠體會釋放氧氣，適于需氧細菌在此區(qū)域分布。5.為什么大量的需氧細菌聚集在紅光和藍紫光區(qū)域呢？6.綜合上述分析，你認為葉綠體具有什么功能？

葉綠體