备课素材：光呼吸的危害与意义-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

光呼吸的危害与意义 先看一道试题： 在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/O2比值低时，C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。 光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题： (1)反应①是______过程。 (2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是______和______。 (3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株（WT），得到转基因株系1和2，测定净光合速率，结果如图2、图3。图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自______和______（填生理过程）。7—10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异，原因是______。据图3中的数据______（填“能”或“不能”）计算出株系1的总光合速率，理由是______________________。 (4)结合上述结果分析，选择转基因株系1进行种植，产量可能更具优势，判断的依据是______。 【解析】（1）在光合作用的暗反应过程中，CO2在特定酶的作用下，与C5结合形成2个C3，这个过程称为CO2的固定，故反应①是CO2的固定过程 （2）有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜，有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH，合成少量ATP，第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和NADH，合成少量ATP，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质和线粒体基质。 （3）由图可知，在线粒体中进行光呼吸的过程中，也会产生CO2，因此植物光合作用CO2的来源除了外界环境外，还可来自光呼吸和细胞呼吸作用。净光合速率=总光合速率-呼吸速率-光呼吸速率，7-10时，随着光照强度的增强，与WT相比，株系1、株系2因转基因，增强了总光合速率，降低了光呼吸强度。总光合速率=净光合速率+细胞呼吸速率+光呼吸速率，随着CO2浓度增强，光合速率增加，光呼吸速率减弱，图3中有净光合速率，该参数已知，当CO2浓度为0时，不能进行光合作用，只能进行细胞呼吸，此时净光合速率是负值，取正后相当于细胞呼吸速率，图3曲线虽然没有与纵轴相交，但稍微延长即可见其与纵轴将交于-10点，因此呼吸速率也可以大致确定，但公式中最后一项参数光呼吸速率随CO2的变化未知，导致总光合速率无法计算。 （4）由图2、图3可知，与株系2和WT相比，转基因株系1的净光合速率最大。因此选择转基因株系1种植，产量可能更具优势。 【答案】（1）CO2的固定 （2）细胞质基质   线粒体基质      （3）光呼吸      呼吸作用      净光合速率=总光合速率-呼吸速率-光呼吸速率，7-10时，随着光强度的增加，与WT相比，株系1，株系2因转基因，增强了总光合速率，降低了光呼吸强度        不能       总光合速率=净光合速率+细胞呼吸速率+光呼吸速率，在图3中，能看到净光合速率和细胞呼吸速率，但无法得知光呼吸速率   （4）与株系2和WT相比，转基因株系1的净光合速率最大 此题考了“光呼吸”。 那么，什么是光呼吸？ 光呼吸是指所有能进行光合作用的细胞（该处“细胞”包括原核生物和真核生物，但并非所有这些细胞都能运行完整的光呼吸）在光照和高氧低二氧化碳的情况下发生的一个生化过程。 它是光合作用一个损耗能量的副反应。过程中氧气被消耗，并且会生成二氧化碳。光呼吸约抵消30%的光合作用。因此降低光呼吸被认为是提高光合作用效能的途径之一。但是人们后来发现，光呼吸有着很重要的细胞保护作用。 光呼吸的条件：（1）光照   （2）高O2低CO2 1、RuBP羧化酶（Rubisco酶）： 即1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶，它是光合作用过程中CO2固定的一种关键酶。催化RuBP（1,5-二磷酸核酮糖，即C5化合物）和CO2结合，最终生成2分子PGA（3-磷酸甘油酸，即C3化合物） RuBP羧化酶是一种双功能酶，它既催化CO2的固定（C5+CO2→2C3），进行光合作用，同时又催化C5的加氧反应（C5+O2→C3+C2）进行光呼吸。其催化反应的方向决定于CO2/O2比值。比值增大，CO2的固定反应增强，进行光合作用；比值减小，加氧反应增强，进入光呼吸途径。 Rubisco催化RuBP与O2结合形成1分子 PGA(C3)和1分子磷酸乙醇酸(C2)，其中PGA进入卡尔文循环，而磷酸乙醇酸脱去磷酸基团形成乙醇酸，乙醇酸离开叶绿体，进行光呼吸。 2、光呼吸的场所： 叶绿体、过氧化物酶体、线粒体 3、卡尔文循环和光呼吸的过程 光合碳循环中催化 CO2固定的核酮糖－1,5－二磷酸羧化酶同时具有加氧酶的功能，催化 RuBP 的加氧反应，生成磷酸乙醇酸和 3－磷酸甘油酸(PGA)，磷酸乙醇酸被磷酸酯酶分解生成乙醇酸，后者在乙醇酸氧化酶催化下氧化成乙醛酸；乙醛酸经转氨反应变为甘氨酸后，由两分子甘氨酸生成丝氨酸、CO2和 NH3各一分子。这便是光呼吸的释放 CO2的反应。丝氨酸以后转变为羟基丙酮酸， 再被还原及磷酸化成为 PGA，后者又进入光合碳循环。 光呼吸过程C5中碳元素的转移途径：C5→乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→CO2 4、光呼吸与细胞呼吸的比较 5、光呼吸的危害 首先，光呼吸消耗掉暗反应的底物C5，导致光合作用减弱，农作物产量降低。 其次，光呼吸过程中消耗了 ATP 和 NADPH，即造成了能量的损耗。 6、光呼吸的意义 （1）防止强光对叶绿体的破坏。强光时，由于光反应速率大于暗反应速率， 因此，叶肉细胞中会积累 ATP和NADPH，这些物质积累会产生自由基，尤其是超氧阴离子，这些自由基能损伤叶绿体，而强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的 ATP 和 NADPH，从而减轻对叶绿体的伤害。 （2）回收碳元素。2 分子的C2形成1 分子的C3和CO2，那 1 分子C3通过光呼吸过程又返回到卡尔文循环中，不至于全部流失掉。即通过光呼吸回收了 3/4 的碳元素。 （3）消除有毒物质的积累。如乙醇酸的积累。 学科网（北京）股份有限公司 $$