热点一细胞代谢与农业生产 05 C4途径、景天酸途径、光呼吸，光合产物的运输- 决胜2024年高考生物复习热点串讲与精练

05 CO2浓缩、固定和光呼吸 知识点一 CO2浓缩 【命题情境】 在蓝藻中，当细胞从高CO2条件转移到低CO2条件下时，它们诱导形成高光合无机碳亲和力。 光合作用速率与CO2浓度之间的关系通常是正相关的，也就是说，在一定范围内，随着环境中的二氧化碳浓度升高，植物的光合速率也会相应增加。这是因为CO2是光合作用暗反应（Calvin循环）阶段的直接原料，用于合成有机物。当更多的CO2供应充足时，植物能够更高效地固定碳，并通过光反应产生的ATP和NADPH转化为葡萄糖等有机物质。 在光合固碳过程中，藻类（包括海洋藻类和淡水藻类）像陆地高等植物一样以CO2为Rubisco的羧化底物。虽然CO2的分压在水中与在大气相比没有明显差别，但是水环境与陆地环境有很大差别，水环境中CO2的扩散速率比在空气中慢104倍。因此，水生浮游植物的光合作用更易受CO2的可利用性限制。在藻类普遍存在CO2的浓缩机制。CO2浓缩机制是藻类细胞在低CO2浓度下有效进行光合作用的一种机制。这种机制涉及到几种蛋白质，如无机碳的运输载体，碳酸酐酶（CA）。碳酸酐酶的功能是催化CO2和HCO3-之间的相互转化，它是无机碳浓缩机制的重要组成部分，在光合无机碳的固定方面发挥着重要作用。当外界CO2浓度较低时，胞外CA酶加速外面的HCO3-向CO2转化，CO2被运输进入细胞后，胞质CA酶又催化CO2向HCO3-转化。 研究表明，当CO2浓度很高时，CA酶活性降低甚至消失，HCO3-的运输能力降低；当生长在低CO2环境时，细胞对无机碳的亲和力增强，而且会诱导产生CO2浓缩机制适应低浓度CO2环境。 【知识链接】 蓝细菌的CO2浓缩机制示意图 ①细胞外的HCO3-通过主动运输方式进入蓝藻细胞。 ②在细胞内HCO3-受碳酸酐酶催化脱水释放CO2。 ③羧化部位CO2浓度升高。 ④浓度升高的CO2活化Rubisco酶，固定CO2。 特别提醒 【CO2浓缩热点链接】 蓝细菌中特有的羧体是一个高度特化的结构，其外部由一层蛋白鞘包被，蛋白鞘具有阻止CO2扩散的功能。鞘体的主要成分是碳酸酐酶（CA）和Rubisco，羧体的主要功能是把CA位点与Rubisco位点紧密结合在一起，通过CA催化细胞内HCO3-转化为CO2，提高Rubisco位点的CO2浓度，从而提高CO2的固定效率。 藻类作为水生生态系统的初级生产者，其初级生产量直接影响水生生态系统的结构和功能。蓝细菌水华和蓝细菌毒素已成为世界性环境问题，蓝细菌水华所带来的主要危害之一是藻毒素的产生。 【高考真题链接】 1. （2021·辽宁卷，22）早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3．5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390μmol·mol-1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisco所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题： (1)真核细胞叶绿体中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成 ，进而被还原生成糖类，此过程发生在 中。 (2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO3-两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程，图中HCO3-浓度最高的场所是 （填“细胞外”或“细胞质基质”或“叶绿体”），可为图示过程提供ATP的生理过程有 。 (3)某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程见图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）可将HCO3-转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisco附近的CO2浓度。 ①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力 （填“高于”或“低于”或“等于”）Rubisco。 ②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是 。图中由Pyr转变为PEP的过程属于 （填“吸能反应”或“放能反应”）。 ③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用 技术。 (4)通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有 。 A．改造植物的HCO3-转运蛋白基因，增强HCO3-的运输能力 B．改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成 C．改造植物的Rubisco基因，增强CO2固定能力 D．将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物 知识点二