呼吸、光合作用回扣

细胞代谢回扣 【山东高考考点分布】 选择 非选择题 2020 T2：瓦堡效应：物质能量 变化、有氧无氧的比较； T3：黑藻叶实验：色素的提取 T21：人工光和系统：光反应、暗反应联系；总光合、净光合、呼吸的联系；光合午休 2021 T16:细胞中H2O和O2的产生和消耗 T12：酵母菌酿酒的过程 T21：光呼吸：场所、成因、光补偿点、最适浓度的判断 2022 T4：磷酸戊糖途径： NADPH和NADH的区别、 细胞呼吸中能量、 追踪物质转移的方法、 细胞呼吸的意义 T16：细胞呼吸的电子传递：结合图表中氧气和ATP的生成，判断电子传递、产热、葡萄糖的消耗程度、ATP的形成机理 T25：光抑制 1.色素的提取和分离实验 2.光反应和暗反应的联系、影响因素 3.光抑制的机理 2023 T4无氧呼吸过程中的丙酮酸产乳酸途径转换为丙酮酸产酒精途径，延缓细胞酸中毒 T17植株的非绿色器官在不同O2浓度下，单位时间内O2吸收量和CO2释放量的变化 T21以信息题形式考查了光抑制的原理及应用 1.实验自变量和因变量分析 2.强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱原因类分析 【相关考点总结】 一、实验：色素的提取和分离 ①试剂及原理：提取的试剂及原理、分离的试剂及原理；无水乙醇还可以用什么代替？层析液只含有一种液体成分吗？ ②实验步骤：二氧化硅、碳酸钙的作用、剪去两角的目的、 ③实验结果：色素的种类、含量、颜色、吸收光谱、溶解度大小比较 ④异常分析：色素带重叠的原因、色素带浅的原因、无色素带的原因 ⑤色素的功能、元素组成： ⑥解释叶片绿、秋天变黄、变红的原因 ⑦海水中藻类垂直分布的原因： ⑧影响叶绿素形成的因素： ⑨植物体中的色素类型、分布场所：光合色素--叶绿体类囊体薄膜、花青素--液泡 注意：光合色素不一定分布在叶绿体中，原核生物蓝细菌无叶绿体，但含有叶绿素和藻蓝素 ⑩适当遮光条件下，叶绿素会发生怎样的变化以适应遮光环境？ ---叶绿素含量会升高，有利于吸收更多的光，以适应遮光环境。 ---叶绿素a/叶绿素b的值会降低,因为遮阴环境中蓝光比例较大，叶绿素b比叶绿素a对蓝光的吸收峰值更高，以适应遮光环境。 ⑪用叶片的提取液测定叶绿素的吸收光谱时，不选用蓝紫光区最大吸收峰的波长测定该功能和色素，原因是：排除类胡萝卜素的干扰 二、科学史（读一遍了解即可，不要花大量时间） 1.恩格尔曼实验：P100思考.讨论 实验过程：①制作水绵和好氧细菌的临时装片，将其放置在没有空气的黑暗环境中，②用极细的光束照射水绵，③再通过显微镜进行观察， 实验结果:发现好氧细菌集中分布在叶绿体被光束照射到的部位。 ④如果把装片完全暴露在光照下，那么好氧细菌分布于叶绿体所有的受光部位。 实验结论：光合作用的场所位于叶绿体，且氧气是在叶绿体释放出来的。 2.希尔实验：P102思考.讨论---探究O2中O的来源 在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。 思考： ①希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？ 不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发⽣水的光解,产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰,也并没有直接观察到氧元素的转移。 ②希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是用一个化学反应，理由是？ 能；希尔反应将叶绿体置于悬浮液中完成，悬浮液中有水，没有合成糖类的必须原料CO2 ③希尔反应为何需要额外添加氧化剂？ 经过实际操作,获得的叶绿体可能已经破碎,其中NADP+可能遗失,导致破碎的叶绿体悬浮液中缺乏氧化剂。此外,反应体系中不提供CO,,暗反应不能进行,不能产生NADP* ,无法为光反应提供最终电子受体。因此,希尔反应中需加入氧化剂。 3.鲁宾和卡门实验---同位素标记技术 请你以小球藻为实验材料，利用同位素标记技术，设计实验证明光合作用产生的氧气中的氧全部来自于水，简要写出实验思路。 4.阿尔农实验：探究碳反应的条件 实验一：1954年，美国科学家阿尔农也利用离体的叶绿体悬浮液，放置在光照条件下并且无二氧化碳，向叶绿体悬浮液中供给ADP、Pi和NADP+时，会有ATP和NADPH产生，且有氧气产生 实验结论：光下，叶绿体合成ATP总是与水的光解相联系 上述实验共同证明了：水在叶绿体中当中可以发生光解，生成NADPH、ATP和氧气，并可以确定光能转换成了ATP和NADPH当中活跃的化学能。 实验二：阿尔农把离体的叶绿体悬浮液放置在无光照有二氧化碳的条件下，并且向叶绿体悬浮液中提供ATP和NADPH，仍然有糖类产生，并且ATP和NADPH减少。实验结论：水的光解过程生成的ATP和NADPH会供给碳反应，转换成储存在糖类当中的化学能。 5.米切尔、贾格道夫实验---探究ATP合成的化学渗透机制及证据 （1）化学渗透假说：1961年，米切尔提出光照引起水的裂解，释放的H+留在类囊体腔中。类囊体膜内侧H+浓度高于外侧，产生H+浓度差和电位差。当H+沿着浓度梯度返回膜外侧时，在ATP合成酶的催化下，驱动ADP和Pi合成ATP。 （2）贾格道夫实验：1963年，在黑暗条件下把离体的叶绿体类囊体置于pH=4的酸性溶液中平衡，让类囊体腔的pH下降至4。平衡后将类囊体转移到含有ADP和Pi的pH=8的缓冲溶液中，一段时间后有ATP产生。类囊体膜内外存在H+浓度差是类囊体合成ATP的直接动力。 实验结论：ATP合成的直接驱动力来自氢离子浓度梯度而非光照 例：NH4+能增加类囊体膜对H+的通透性，从而消除类囊体膜两侧的H+浓度差。若将NH4+注入叶绿体基质，下列过程中会被抑制的是__。（B） A.电子传递     B.ATP的合成   C.NADPH的合成   D.光能的吸收 6.卡尔文实验：放射性同位素标记法 ①如何设计实验，探究碳元素的转移路径： 答案：将带有14C标记的CO2通入到盛有小球藻的玻璃器皿中，给予充足的光照，每隔一 定时间取样，并立即杀死小球藻，提取产物分析，根据被14C标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。 ②如何设计实验，探究CO2转化生成的第一种物质 答案：光下用14CO2饲喂小球藻，每隔一定时间，杀死小球藻，提取产物分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物 ，该物质就是CO2转化生成的第一种物质 ③采用双向纸层析法的优点是什么？ 将第一次层析重叠或距离较近的物质通过第二次层析彻底分离 ④图中水槽中水的作用是什么？ 吸收热量，避免扁圆形烧瓶中温度发生变化对实验造成影响 ⑤乙醇快速煮沸的目的是什么？ 杀死小球藻，终止酶的作用，终止反应；溶解并提取有机物 ⑥与色素的提取和分离实验比较： 双向纸层析法；化合物在甲和乙层析液中的溶解度不同； ⑦卡尔文及其同事通过改变实验条件发现C5化合物呈现规律性变化： 答案：当停止CO2供应时，C3的浓度急速降低，C5的浓度急速升高；当恢复CO2供应时，C3的浓度急速升高，C5的浓度急速降低。 实验结论：CO2与C5反应生成C3； 7.基于瓦尔伯实验，探究光反应和碳反应的关系 1919年德国生物化学家瓦尔伯用藻类进行闪光试验，在光能量相同的前提下，一种用连续照光，另一种用闪光照射，中间隔一定暗期，发现后者光合效率是连续光下的200%～400%。 ①为什么光能量相同的前提下闪光的光合速率更快？ 交替光照下，暗反应能更充分消耗光反应产生的ATP和NADPH。 同时暗反应为光反应提供的NADP+、ADP、Pi也更多，所以光反应速率快，光合效率高。 一句话总结：随着光暗交替频率的增加，使光下产生的ATP和NADPH能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。 三、光合作用的过程 1.过程、场所、物质变化、能量变化、联系 注意：（1）唯一不需要酶催化的反应 色素吸收光能 （2）叶绿体中，NADPH、ATP、ADP的移动方向？ 从类囊体薄膜到叶绿体基质 从类囊体薄膜到叶绿体基质 从叶绿体基质到类囊体薄膜 （3）NADPH的作用？①活泼的还原剂；②储存部分能量供暗反应阶段利用 （4）光合作用的产物：不只是糖类，也有氨基酸、脂肪等 （5）既有水的分解也有水的生成 都是在光反应阶段 2.改变条件，C3、C5、NADPH、ATP在短暂时间内的变化： 分析思路：从来源和去路两个角度进行分析 例：减少CO2的供应，短暂时间内C3、 C5怎么变？原因是什么？ ①C3减少的原因：减少CO2的供应，CO2固定生成的C3减少，而C3还原消耗的C3不变，所以C3的含量减少 ②C5增多的原因：减少CO2的供应， CO2固定消耗的C5减少，而C3还原生成的C5不变，所以C5的含量增多 3.元素转移： 4.影响光合作用的外界因素及应用：内因+外因 5.计算--总光和=净光合+呼吸 总光合速率 O2产生速率 CO2固定(或消耗)速率 有机物产生(制造/生成/合成)速率 净光合速率 O2释放速率 CO2吸收速率 有机物积累速率 呼吸速率 黑暗中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率 ①明确曲线代表的意义 ②细心审题，找出关键词，明确是总光和、净光合还是呼吸 例：CO2的吸收代表净光合，CO2的固定代表总光合； ③牢记公式：明确是计算判断某个时刻的值、还是一昼夜的值 总光合=净光合+呼吸 一昼夜有机物的积累量=白天×净光合-晚上×呼吸； 一昼夜有机物的积累量=白天×总光合-24×呼吸； 计算时注意物质之间的换算关系： 6.水影响光合作用的曲线----高频考点：光合午休，本质是温度→水：蒸腾作用→气孔开放程度→CO2 原理:①水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质    ,如植物缺水导致萎蔫,使光合速率下降。②水分还能影响气孔的开放程度,间接影响CO2进入植物体内；③缺水还会引起光合产物输出受阻，导致光合速率下降。 课后习题P106： (1)7-10时的光合作用强度不断增强的原因是____________________________________________。 (2)10-12时左右的光合作用强度明显减弱的原因是 _______________________________________。 (3)14-17时的光合作用强度不断下降的原因是_____________________________________________。 (4)从图中可以看出，限制光合作用的因素有_______________________________________________。 (5)依据本题提供的信息，提出提高绿色植物光合作用强度的一些措施。 （6）BC段、DE段C3,C5的变化： 【答案】(1)光照强度逐渐增大 (2)此时温度很高，导致气孔大量关闭，CO2吸收减少，致使光合作用暗反应受到限制 (3)光照强度不断减弱 (4)光照强度、温度 (5)根据本题信息，可以利用温室大棚控制光照强度、温度的方式，如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等，提高绿色植物光合作用强度。 （6）BC段：C3下降,C5上升；DE段：C3上升,C5下降 7.矿质元素对光合作用的影响：考察：元素→化合物→结构→物质及结构作用、渗透作用 ①原理:矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分,缺乏会影响光合作用的进行。 1.缺N的影响：酶的含量减少，催化效率降低 色素的含量减少，吸收、传递转化光能的能力减弱，限制光反应的进行， ATP\NADPH合成减少，限制光反应的进行 2.缺P的影响：ATP\NADPH合成减少，限制光反应的进行 膜面积减少，减少色素和酶的附着位点，光合作用强度降低 3. 缺Mg的影响：缺Mg叶绿素合成减少，吸收、传递和转化光能的能力降低，光合作用强度降低 4.电子传递体的重要成分如PC中含Cu，Fe-S中心、Cytb、Cytf和Fd中都含Fe，放氧复合体不可缺少Mn2+和Cl-；K+和Ca2+调节气孔开闭；K和P促进光合产物的转化与运输等 ②曲线分析: 在一定浓度范围内,增大必需矿质元素的供应,可提高光合作用强度；但当超过一定浓度后,会因土壤溶液浓度过高,植物渗透失水而导致植物光合作用强度下降。 应用： ①合理施肥促进叶面积增大,提高酶合成速率,加快光合作用速率。 ②施用有机肥:有机肥被微生物分解后,既可补充CO2，又可提供各种矿质元素。 8.多因素对光合作用的影响:多条曲线，涉及多个自变量，明确最高点之前、之后的影响因素 规律：最高点之前，主要受横坐标的限制，最高点后，除了横坐标之外的限制因素 （4） 综合外因与内因分析问题，光反应和暗反应相互制约 例1：强光照射后短时间内，苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加，但氧气的产生速率继续增加。 苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加，可能的原因有?CO2供应不足；五碳化合物供应不足 氧气的产生速率继续增加的原因是? 强光照射后短时间内，光反应速率增强，水光解产生的氧气速率增强； 例2：增加环境中CO2浓度后，测得S2的光饱和点显著提高，原因可能是：在超过原光饱和点的光强下，S2的光反应产生了过剩的ATP和NADPH，增加环境中CO2浓度后，S2的光饱和点显著提高。 例3：增加环境中CO2浓度后，测得S3的光饱和点却没有显著改变，可能的原因是：S3在原光饱和点时，光反应已经基本饱和、暗反应已经基本饱和、光暗反应都已基本饱和 四、光合作用与细胞呼吸的关系及综合应用 1. 过程联系： 2.能量转化关系 3.结合O2浓度影响细胞呼吸的曲线分析： （1）O2浓度为C时，AB＝BC，此时有氧呼吸和无氧呼吸消耗的葡萄糖不是（填“是”或“不是”）一样多，理由是根据有氧呼吸和无氧呼吸的方程式可以看出，当有氧呼吸和无氧呼吸释放的CO2量相等时，二者消耗的葡萄糖之比是1∶3。 （2）在保存蔬菜、水果时，应选择R点对应的O2浓度，理由是此时总CO2释放量最少，有机物的损耗最少。 （3）低氧环境下，有机物消耗少的原因是在低氧条件下，无氧呼吸受到抑制，呼吸强度较弱，有氧呼吸因O2不足，呼吸强度也比较小，故总的CO2释放量少，呼吸强度弱。 4.“液滴移动法”探究细胞呼吸的方式 （1）实验设计 欲确认某生物的呼吸类型，应设置两套呼吸装置，如图所示（以发芽种子为例） （2）实验结果预测和结论 实验现象 结论 装置一液滴 装置二液滴 不动 不动 只进行产乳酸的无氧呼吸或种子已死亡 不动 右移 只进行产生酒精的无氧呼吸 左移 右移 进行有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸 左移 不动 只进行有氧呼吸或进行有氧呼吸和产乳酸的无氧呼吸 （3）误差校正：为使实验结果准确，除减少无关变量的干扰外，还应设置对照装置三。装置三与装置二相比，不同点是用“煮熟的种子”代替“发芽种子”，其余均相同。 提醒　若用绿色植物替代发芽种子，则整个装置必须遮光处理，否则植物组织的光合作用会干扰细胞呼吸的测定。 5.种子萌发时吸水和呼吸方式的变化曲线 （1）在种子萌发的第Ⅰ阶段，由于吸水（吸胀吸水），呼吸速率上升。 （2）在种子萌发的第Ⅱ阶段，细胞产生CO2的量要比消耗O2的量大得多，说明在此期间主要进行无氧呼吸。 （3）在胚根长出后，由于胚根突破种皮，增加了O2的进入量，种子以有氧呼吸为主，同时胚根大量吸水（渗透吸水）。 五、电子传递链： 是一系列电子载体按对电子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统。所有组成成分都嵌合于线粒体内膜或叶绿体类囊体膜或其他生物膜中,而且按顺序分段组成分离的复合物，在复合物内各载体成分的物理排列也符合电子流动的方向。 （1）光合电子传递链： 1.光系统（PS I、PSII分布在哪里？组成？功能？能量转化？ 分布：类囊体薄膜； 组成：色素和蛋白质分子 功能：吸收、传递、转换光能； 能量转化：将光能转化为电能再转化为ATP和NADPH中活跃的化学能 PSⅡ的作用：水的裂解 PSⅠ的作用：NADPH的合成 2.水光解的产物？电子最初供体和最终受体？为什么电子会按照顺序进行依次传递？为什么从光系统II不能直接传给光系统I？光反应最先失去电子的是水吗？ 电子的最初供体是水，H2O→O2+e-+H+; 最终受体是NADP+，NADP++e-+H+→NADPH 从光系统II到光系统I，电子载体对电子的亲和力越来越大 蛋白质要相互靠近才能传递，相邻蛋白质的结构要匹配才能进行电子传递。 水在光下分解时,是叶绿素吸收光能先失去电子,再从水中获得电子,而水因为失去电子分解为02和H+。 3.推动ATP生成的H+浓度差的来源？ ①类囊体腔侧的水光解产生H+； ②膜上的特殊蛋白将H+泵入类囊体腔； ③叶绿体基质侧NADPH生成消耗H+。 若问题是：H+浓度使如何维持的，只回答前两条即可 4.H+进入类囊体腔的运输方式？ 主动运输，由高能量的电子供能 5.H+通过ATP合酶出类囊体腔的运输方式是？ 协助扩散，顺浓度梯度（类囊体腔侧H+的浓度＞叶绿体基质中H+的浓度） 6.ATP合酶的功能？其由哪两部分组成？哪一部分疏水？哪一部分亲水？哪一部分具有催化功能？ 物质运输功能，催化功能；CF1和CF0；CF0疏水；CF1亲水，CF1具有催化功能 7.ATP合酶的分布的膜结构： 叶绿体类囊体薄膜、线粒体内膜、原核细胞细胞膜 8.氧气在哪里产生？进入同一细胞的线粒体被利用，需要穿过几层膜？ 类囊体腔 5 9.从进化上来看，为什么先经过光系统II，再经过光系统I？   这是因为光系统I先演化出来。最早的光合作用由于缺少光系统II，不产生O2和NADPH。 例：硫细菌进行光合作用时不会产生氧气，推测可能不具备光系统II 10.一般植物的PSⅡ：PSⅠ大约为1.5:1，这说明： 电子在沿类囊体膜传递过程中有溢出 11.若CO2浓度降低，电子传递速率会降低的原因：CO2浓度降低，暗反应减弱，消耗的NADPH减少，为光反应提供的NADP+减少，电子传递缺少受体，所以，电子传递速率会降低 （2）呼吸电子传递链  [H](NADH)在酶的催化下释放电子和H+，电子被镶嵌在线粒体内膜上的一系列特殊蛋白质捕获和传递，最终与02和H+结合生成了H20，而线粒体内膜上的这些特殊蛋白质则利用电子给予的能量将线粒体基质中的H+，泵入内膜和外膜的膜间隙，构建了跨膜的H+电化学梯度。最终，H+沿着线粒体内膜上ATP合酶内部的通道流回线粒体基质，推动了ATP的合成。 1.该反应发生的场所：线粒体内膜 2.电子最初供体和最终受体？ 电子的最初供体是NADH，NADH→NAD++e-+H+; 最终受体是O2，1/2O2+2e-+2H+→H20 3.蛋白质ⅠⅡⅢ中H+的运输方式？能量来源？所有的蛋白质都具有运输H+的功能吗? 主动运输，由高能量的电子供能；CoQ只有传递电子的作用，不能运输H+ 4.H+通过ATP合酶进入线粒体基质的运输方式是？ 协助扩散，顺浓度梯度（线粒体内外膜之间的间隙中H+的浓度＞线粒体基质中H+的浓度） 5.合成ATP的能量来源：H+浓度梯度产生的势能 6.ATP合酶的功能？其由哪两部分组成？哪一部分疏水？哪一部分亲水？哪一部分具有催化功能？ 物质运输功能，催化功能；CF1和CF0；CF0疏水；CF1亲水，CF1具有催化功能 7.能量转化？ 将NADH中的化学能转化为热能和ATP中的化学能； 8.AOX不合成ATP，接受电子后与氧生成水，导致的结果和意义？ 导致能量更多以热能形式散失，其意义利于开花时授粉、增强抗逆性 9.线粒体解偶联蛋白UCP可以消除阔膜两侧的浓度梯度，其结果和意义？ 阻碍有氧呼吸ATP的正常产生，使能量更多的以热能形式散失 例1：棕色脂肪细胞被激活时，解耦联蛋白UCP含量升高，能消除线粒体内膜两侧的跨膜质子（H+）浓度差，阻碍有氧呼吸ATP的正常产生，使得释放的能量中热能所占比例明显增大，以维持机体体温恒定。 例2：已知二硝基苯酚（DNP），其为脂溶性物质，可携带氢离子自由穿梭线粒体内膜，故破坏氢离子浓度梯度。即DNP可使H+进入线粒体基质时不经过ATP合酶。对细胞呼吸产能的影响？ ATP合成的能量来自H+浓度梯度产生的势能，DNP会使线粒体内外膜间隙中H+浓度降低，抑制ATP的合成，导致ATP合成减少；有氧呼吸释放的能量较多的用于产热 10.鱼藤酮会抑制NADH脱氢酶的活性，常作为农业害虫的杀虫剂。结合图示，鱼藤酮作为杀虫剂的具体机理是：抑制NADH脱氢酶的活性，使H+产生减少，降低线粒体外膜和内膜间隙之间的H+浓度，进而使ATP的合成减少，最终导致害虫因缺乏能量供应而死亡 例题（二模T3）细胞呼吸时，氧接受电子传递链传递的电子并与H⁺结合生成水。在此过程中，电子传递链的中间复合物会直接将电子传给氧形成自由基（ROS）。正常情况下，ROS可被超氧化物歧化酶（SOD）清除。下列说法错误的是（    ） 答案：B A．上述的电子传递链存在于真核细胞的线粒体内膜上 B．ROS攻击线粒体膜上的磷脂分子后会抑制自由基的产生 C．一般情况下，线粒体DNA发生突变的概率高于细胞核DNA D．功能受损的线粒体可能会启动自噬程序，避免在细胞内堆积 六：卡尔文循环的调节：磷酸转运器-蔗糖和淀粉合成的调节 ①叶绿体基质中的磷酸丙糖（TP）要转运到细胞质基质，必须与细胞质基质的无机磷酸（Pi）进行等量反向交换。 ②磷酸丙糖在细胞质基质中合成为蔗糖时，就释放出Pi使得细胞质基质内Pi浓度上升。Pi重新进入叶绿体交换出磷酸丙糖用于合成蔗糖，光合速率加快。 小结：磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡内，或从光合细胞中输出，经韧皮部装载长距离运输到其他部位。 思考： 1.当细胞质中蔗糖利用减慢、合成或输出受阻时，对光合作用的影响？三个角度全面回答问题 细胞质中蔗糖利用减慢、合成或输出受阻，由细胞质进入叶绿体基质的Pi减少， ①一方面导致光反应中ATP的合成减少，从而使卡尔文循环受到抑制 ②另一方面三碳糖磷酸外运减少，而在叶绿体基质中大量积累，抑制卡尔文循环的运行， ③过多的三碳糖磷酸将用于叶绿体基质内淀粉的合成。 2.在叶绿体里的淀粉合成和在胞质溶胶里的蔗糖合成呈竞争反应。 当胞质溶胶中Pi浓度低时，就限制丙糖磷酸从叶绿体运出，这就促进淀粉在叶绿体里形成。 当胞质溶胶中Pi浓度高时，叶绿体的丙糖磷酸与胞质溶胶的Pi交换，输出到胞质溶胶合成蔗糖。 3.若专一性抑制磷酸转运器， 叶绿体内淀粉合成增加的原因：磷酸转运器被抑制，磷酸丙糖从叶绿体输出受阻，在叶绿体基质中积累合成淀粉； 光合速率整体降低的原因：叶绿体中的淀粉大量积累不能及时运出，光合产物的积累抑制了光合作用的进行。 4.灌浆期施加磷肥的意义：①增加Pi的含量，在磷酸转运器的作用下，将Pi运入叶绿体的同时，将磷酸丙糖运出叶绿体合成蔗糖，有利于光反应和暗反应的进行，提高植物的光合作用。 ②用于物质的合成：例参与重要大分子有机物核酸的合成；也参与光合作用光反应中ATP、NADPH的合成 5.植物细胞合成的糖类以淀粉形式暂存的意义：淀粉分子量大，防止叶绿体吸水涨破。 6.与淀粉相比，以蔗糖作为运输物质的优点：蔗糖是是小分子，易溶于水 以蔗糖而不以葡萄糖运输的原因：非还原性糖，稳定性高；溶解度高；运输速率快； 7.淀粉白天多，晚上消失的原因：白天合成淀粉活跃，晚上淀粉水解 8.光合产物不会被全部运输到其他部分的原因：用于自身呼吸消耗和建造植物体的结构。 9.蔗糖在植物体的运输主要3个步骤： ①叶绿体中的同化产物外运至细胞质基质并转化为蔗糖； ②蔗糖从叶肉细胞运输到叶片细脉的筛分子-伴胞（SE-CC）复合体附近的质外体； ③蔗糖进入SE-CC复合体。蔗糖进入筛管后随集流运出源器官。 在筛管分子或伴胞的质膜中H+-ATP酶不断将H+泵到细胞外空间，细胞外空间中H+浓度较胞内高，形成了跨膜的电化学势差。当H+回流时，蔗糖/H+共向运输器可以利用H+的顺电化学势梯度的扩散，将质外体中的H和蔗糖共同转运至筛管分子内。 例（二模T3）植物体内多以蔗糖的形式长距离运输碳水化合物。下图为光合产物蔗糖从叶肉细胞扩散至韧皮薄壁细胞间隙，最终进入筛管-伴胞复合体（SE-CC）的过程，其中蔗糖浓度的变化可调节SU载体的数量。下列说法错误的是（  ） 答案：B       A．胞间连丝实现了相邻植物细胞间的物质运输 B．伴胞内的蔗糖浓度要低于韧皮薄壁细胞 C．蔗糖可作为信号分子起到调控自身运输的作用 D．使用ATP合成抑制剂会降低蔗糖进入SE-CC的速率 10.光合作用淀粉和蔗糖的积累与分流 ①过渡性淀粉：叶绿体基质淀粉在白天和黑夜间的变化很大，称为过渡性淀粉。 ②在白天，光合作用同化吸收的碳用于叶绿体中淀粉的形成，或者将其运输到细胞质中合成蔗糖，蔗糖随后被运输到植物的非光合作用部位。黑暗来临，CO2同化作用停止，叶绿体淀粉降解开始，被转化为蔗糖并输出，叶绿体淀粉含量大幅度下降。 ③过渡性淀粉的功能是： 一方面作为储存能源，夜间光合作用不能合成糖时，提供充足的碳水化合物； 另一方面过渡性储存物质可以保障光合作用进程快于白天蔗糖的利用。 七、特殊代谢途径： C4/CAM/光呼吸 一、C4途径：研究玉米的叶片结构发现，玉米的维管束鞘细胞和叶肉细胞紧密排列(如图1)。叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应，同时，CO2被整合到C4化合物中，随后C4化合物进入维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物(如图2)。PEP羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较强光合作用(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)能力，并且无光合午休现象。常见C4植物有玉米、甘蔗、高粱、苋菜等。 注：维管束主要作用是为植物体输导水分、无机盐和有机养料等。 1.结构特点：C4植物的维管束周围有两种不同类型的细胞：靠近维管束的内层细胞称为鞘细胞，围绕着鞘细胞的外层细胞是叶肉细胞。 2.过程：在叶肉细胞里一个CO2被一个含有三个碳原子的化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），经PEP羧化酶的作用固定后，首先形成含四个碳原子的有机酸（草酰乙酸），草酰乙酸被转变成其他的四碳酸（苹果酸和天冬氨酸）后通过胞间连丝运输到维管束鞘细胞，在维管束鞘细胞中被降解成CO2和丙酮酸。CO2在维管束鞘细胞中进入卡尔文循环，而丙酮酸会被再次合成磷酸烯醇式丙酮酸，此过程消耗ATP。 3.意义：PEP羧化酶对CO2的亲和力很强，具有把外界低浓度CO2浓缩到维管束鞘细胞中的作用。 在高温、强光、干旱和低CO2条件下，C4植物显示出高的光合效率。 思考： 1．C4植物光反应和CO2固定发生在哪些场所？ 提示：C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上，暗反应两次固定CO2，C4途径发生在：叶肉细胞的叶绿体内，C3途径（卡尔文循环）只在维管束鞘细胞中的叶绿体内。 固定CO2的物质：PEP/C5 循环利用的物质： PEP/C5 -----识图全面 2．科学家用含14C标记的CO2来追踪玉米光合作用中的碳原子的转移途径，请表示这种碳原子的转移途径。 提示：CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)。 3．与水稻、小麦等C3植物相比，C4植物的CO2的补偿点较________。高温、干旱时C4植物还能保持高效光合作用的原因是什么？ 提示：低　PEP羧化酶对CO2具有高亲和力，C4植物可利用低浓度的CO2进行光合作用。 4.C4植物比C3植物具有较强的光合作用的原因： ①结构原因： C4植物：叶肉细胞密接在维管束鞘的外侧成环状，组成 “花环型”结构：叶绿体数少且小，有基粒；维管束鞘薄壁细胞（在功能上特化为专职进行暗反应）：叶绿体较大，没有基粒；C3植物：叶肉细胞含有正常叶绿体；维管束鞘薄壁细胞：不含或含很少叶绿体 ②生理原因： a.C4植物PEPC(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)对CO2的亲和力大，外界低CO2浓度、干旱、气孔导度小时，光合速率更高。（光补偿点低） b.C4植物将CO2泵入维管束鞘细胞，增大了CO2/O2比率，改变了Rubisico的作用方向，降低了光呼吸。 c.C4植物暗反应在维管束鞘细胞中进行，有利于光合产物的就近运输，防止淀粉积累影响光合。 5.干旱会导致气孔开度减小，研究发现在同等程度干旱条件下，C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析，可能的原因是： 答案：C4植物的CO2补偿点低于C3植物，干旱条件下CO2吸收减少，胞间CO2浓度较低，C4植物受到影响较小 二、CAM途径：又景天科酸代谢途径 CAM途径：生长在热带干旱地区的一些肉质植物，具有的一种固定CO2的附加途径。 1.过程：在夜晚细胞中磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）作为CO2受体，在PEP羧化酶催化下，形成草酰乙酸，再还原成苹果酸，并贮于液泡中；白天苹果酸则由液泡转入叶绿体中进行脱羧释放CO2，再通过卡尔文循环转变成糖。 2.景天科进行光合作用所需的CO2的来源有：苹果酸经脱羧作用释放、呼吸作用产生 3.CO2的受体：PEP、C5 4.糖和PH变化：夜晚气孔开放，固定CO2产生有机酸，有机酸含量升高，而糖类含量下降。白天气孔关闭，有机酸脱羧释放CO2，有机酸含量下降，而糖类含量升高。 例：若以PH为检查指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。 实验思路：取干旱条件下生长的植物甲的叶片，分别在白天和夜间每隔一段时间测定叶肉细胞的PH。 实验结果，植物甲叶肉细胞PH在夜间逐渐降低，在白天逐渐升高。 5.CAM途径：从两个角度解释景天科植物植物的进化与适应性 ①多具肉质茎、叶，叶片表面有较厚的角质层，叶肉细胞有很大的液泡，从形态结构上对高温、干旱有很强的适应性。 ②这类植物在进化中还发展了特殊的碳固定代谢途径——景天酸代谢（CAM）途径。该途径具有两套羧化固定CO2的系统.CAM植物没有明显的维管束鞘细胞，两类酶都存在于叶肉细胞中，是通过酶活性的昼夜调节使羧化反应与CO2再固定分别在夜间和白天完成的。 6．CAM途径是对干旱环境的适应性意义；①维持光合作用外，②有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失。 7.从进化角度看，这种气孔开闭特点的形成是自然选择的结果。夜晚，该类植物吸收的不能合成葡萄糖的原因：没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH。 总结： 小注：PEP：磷酸烯醇式丙酮酸 PEP羧化酶：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 Rubisco：催化CO2与C5反应；催化O2与C5反应 PGA：C3 RuBP：C5 OAA：草酰乙酸 八、光呼吸 光呼吸是指叶肉细胞在光照和高氧低二氧化碳的情况下发生的一种吸收O2产生CO2的现象。光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中，Rubisco酶能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25%～30%，导致净光合速率下降。科学家在基因工程方面做出多种尝试，试求降低植物的光呼吸，促进植物成长。但是后来科学家发现，光呼吸可补充由于气孔部分关闭而造成的CO2不足问题,可消除多余的NADPH和ATP，减少细胞受损的可能，有其正面意义。（有数据表明，植物体在低浓度CO2情况下，叶绿体内NADPH／NADP+比值较高，会导致更多自由基生成，使叶绿体的结构和功能受到损伤。） 光呼吸：植物的绿色细胞在光照下，吸收O2、释放CO2的过程。 特点：CO2抑制光呼吸而促进光合作用，O2抑制光合作用而促进光呼吸。 1．由于光呼吸的存在，会降低植物体内有机物的积累速率,说明原因。Rubisco酶的催化方向取决于CO2与O2的浓度比，请推测说明具体的情况。 提示：在较强光照下，光呼吸加强，C5氧化分解加强，一部分C以CO2形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累；其次光合作用过程消耗了ATP和NADPH，造成能量的浪费。 当CO2与O2浓度比高时，Rubisco酶催化固定CO2反应加强；当CO2与O2浓度比低时，Rubisco酶催化光呼吸反应加强。 2．研究发现，光合产物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。生产实际中，常通过适当升高CO2浓度达到增产的目的，请分析并解释其原理。(从光合作用原理和Rubisco酶催化反应特点两个方面作答)。 提示：CO2浓度升高可促进光合作用暗反应的进行，进而提高光合作用强度，同时还可促进Rubisco酶催化更多的C5与CO2结合，减少C5与O2的结合，从而降低光呼吸速率。 3．已知光照过强时，植物吸收的过多光能无法被利用，一方面导致光反应相关结构被破坏，另一方面过高的NADPH/NADP＋比值会导致更多自由基生成，破坏叶绿体结构，最终导致植物光合作用强度下降，出现光抑制现象。解释植物在干旱天气和过强光照下，光呼吸的积极意义是什么？ 答案：①干旱天气，叶片缺水，气孔部分关闭，CO2吸收减少，低浓度CO2使得光呼吸增强； ②光呼吸消耗ATP、NADPH、O2等光反应产物，使植物可进一步利用光能，减少过剩光能引起的光反应结构损伤； ③光呼吸释放CO2，可防止气孔关闭导致的细胞间隙CO2浓度的过度降低，可加快暗反应消耗NADPH ,降低NADPH/NADP+比值，减少自由基生成 4. 植物体进行光合作用时，若光合速率大于呼吸速率时，光合作用固定的二氧化碳有来源： ①有氧呼吸产生的二氧化碳、 ②光呼吸产生的产生的二氧化碳 ③从空气中吸收的二氧化碳。 5.辨析并说出你的理由：在氧气和二氧化碳共存的大气中，光呼吸与光合作用同时进行，伴随发生，既相互抑制又相互促进。 答案：光合作用放氧可促进加氧反应，而光呼吸释放的二氧化碳又可作为光合作用的底物。 6.吸收氧气的场所：叶绿体与过氧化体 放出CO2的场所：线粒体 光呼吸的氧化底物：乙醇酸（C2） 7.光呼吸与暗呼吸的比较 8.光呼吸的应用： ①通过基因工程和转基因技术改变羧化/加氧酶本身结构或其作用环境，以提高其在光合作用方向上的专一性：例直接降低加氧酶活性；通过加入C4旁路相关酶提高羧化/加氧酶周围的二氧化碳浓度 ②添加某些化学制剂使其后续反应无法进行，从而达到抑制光呼吸的目的：例光呼吸抑制剂 9.请写出验证植物存在光呼吸现象的实验设计思路，并将预期实验结果绘制在给定的坐标系中。 答案：在适宜条件下先测定光照时吸收CO2速率，一段时间后对植物进行遮光(完全黑暗)处理，遮光后每10秒测定一次CO2释放速率，直到CO2释放速率不变。 九、人工光合系统 简单来说，首先将二氧化碳还原成甲醇(C1)，然后将甲醇转化为三碳化合物(C3)，再转化为六碳化合物(C6)，最后聚合成淀粉。ASAP途径合成的淀粉与天然淀粉在结构上是基本一致的。初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照上述流程，理论上立方米大小的生物反应器的淀粉年产量相当于中国五亩玉米田的淀粉年产量。这条路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能，也为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。 例1：（一模）人工光合系统是指通过人工方法模拟光合作用生成有机物的技术，图为一种将无机半导体与还原CO2的微生物催化剂相结合，利用太阳能高效还原CO2的人工光合系统。图中双极膜是特种离子交换膜，由一张阳膜和一张阴膜复合制成，可在直流电场的作用下，将复合层间的 H2O 解离为 H+和OH-。生物阴极引入了特定的功能微生物——嗜氢产甲烷菌，可将CO2转化为CH4进一步利用。 (1)从发挥的作用看，光阳极相当于叶绿体中的 。光阳极吸收光子并产生光生电子（e⁻）和“空穴”，“空穴”带 （填“正”或“负”） 电。 (2)生物阴极在人工光合系统中对 CO2起到了 的作用。自光照开始，整个系统的能量转换过程是 （用文字和箭头表示）。 (3)嗜氢产甲烷菌是专性厌氧菌，由此推测该系统中双极膜具有选择透过性，具体表现为 。 (4)该人工光合系统在生态学上的重要意义是 （答两点即可）。 答案：(1) 类囊体（基粒） 正 (2) 固定、还原 光能→电能→甲烷中的化学能 (3)只允许H+、OH-通过，不允许O2通过 (4)消耗CO2有利于减弱温室效应；制备清洁能源有利于减少空气污染 例2（二模16）葡萄糖氧化分解的第一阶段称为糖酵解，糖酵解产物丙酮酸的去向与生物的种类及生物体所处的环境条件密切相关。下图为丙酮酸进入线粒体，在酶的催化下生成乙酰辅酶A，参与柠檬酸循环的过程。下列说法错误的是（    ）    A．氨基酸可通过柠檬酸循环转化为脂肪 B．柠檬酸循环产生的NADH中的H只来源于有机物 C．柠檬酸循环不需要氧直接参与，因此该循环可在无氧条件进行 D．血糖浓度升高，脂肪细胞内乙酰辅酶A进入柠檬酸循环的比例下降 例3（二模21）在自然环境下，水稻的生长和发育过程往往会受到多种胁迫交叉作用。为探究干旱预处理后水稻响应高温胁迫的机制，研究人员以水稻品种“N22”为材料，设置水稻幼苗正常生长组（CK）、单一高温处理组（H）以及干旱-高温交叉处理组（DH）进行水培实验，实验处理及结果如下表所示。 (1)实验中常采用纸层析法分离叶绿素，该方法判断叶绿素a较叶绿素b含量更高的依据是 。相比对叶绿素a的影响，单一高温对叶绿素b的影响 （填“大”或“小”或“基本一致”）。 (2)表中DH组的实验处理“？”应为 。为保证实验结果的科学性，实验期间各组的 （答出两点即可）等实验条件应保持一致。 (3)据表分析，单一高温胁迫后，水稻幼苗的光合速率下降，可能原因有 （答出两点即可）。DH组的水稻幼苗各项光合参数较H组上升，该结果表明 。 答案：(1) 叶绿素a所在的色素条带颜色比叶绿素b的深，也比叶绿素b所在的色素条带宽 基本一致 (2) 昼/夜温度为38℃/30℃，添加PEG-6000的培养液，培养3d 光照强度、光照时间、CO2浓度 (3) 叶绿素总量降低，气孔导度下降，胞间CO2浓度下降 对水稻幼苗进行适当的干旱预处理，有利于提高水稻的耐热性 1 学科网（北京）股份有限公司 $$