第3单元 高频聚焦3 光呼吸、C4植物和CAM植物的特殊代谢类型(课件PPT)-【精讲精练】2026年高考生物一轮复习（人教版 单选）

第三单元　细胞的能量供应和利用 高频聚焦3　光呼吸、C4植物和CAM植物的特殊代谢类型 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 谢谢观看 返回目录 高考总复习·生物学 1 第三单元　细胞的能量供应和利用 1．CO2固定的三种途径 不同的植物，暗反应的过程不一样，而且叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境适应的结果。3种类型是因CO2的固定这一过程的不同而划分的。 (1)C3途径：C3途径是碳同化的基本途径，也称为卡尔文循环，可合成糖类淀粉等多种有机物。C3途径和CAM途径都只起固定CO2的作用，最终还是通过C3途径合成光合产物等。 通过C3途径固定CO2的植物称为C3植物，C3类植物属于高光呼吸植物类型，光合速率较低，其种类多，分布广，多生长于暖湿条件下，如大多数树木、粮食类植物、烟草等。 (2)C4植物：通过C4途径固定CO2的植物称为C4植物，它们主要是那些生活在干旱热带地区的植物。在这种环境中，植物若长时间开放气孔吸收CO2，会导致水分通过蒸腾作用过快散失。所以，植物只能短时间开放气孔，CO2的摄入量必然少，植物必须利用这少量的CO2进行光合作用，合成自身生长所需的物质。C4植物两次固定是在空间上分开：在叶肉细胞内固定CO2，在维管束鞘细胞中同化CO2。 (3)CAM途径(景天科酸代谢)：CAM途径指生长在热带或亚热带干旱及半干旱地区的一些肉质植物所具有的一种光合固定CO2的附加途径。具有这种途径的植物称为CAM植物。该途径的特点是：CAM植物气孔只有晚上开放，将CO2生成苹果酸等进行固定，白天气孔关闭，苹果酸等则由液泡转入叶绿体中再释放CO2，再通过卡尔文循环转变成糖。这是植物对干旱环境的适应。 CAM植物两次固定是在时间上分开，在晚上固定CO2，在白天同化CO2。 (4)蓝细菌的CO2浓缩机制及其光合作用场所分析 因为CO2和O2具有化学相似性，通过Rubisco催化的固碳反应对O2高度敏感。然而，大气中O2含量远远超过CO2。为适应大气环境，自然界进化出CO2浓缩机制，即通过在细胞内积累形成高浓度CO2来提高Rubisco的固碳效率，可能我们最熟悉的是题目中常做的C4植物，但其实很多原核生物也存在这种机制，如蓝细菌中的羧酶体就可以实现CO2浓缩。 羧酶体内部包裹胞内大部分Rubisco，外围是一层选择渗透性蛋白外壳。这种外壳即能阻止O2进入，又能阻止CO2逸出，即在最小化光呼吸的前提下提高了Rubisco周围CO2浓度。另外，外壳必须对HCOeq \o\al(－,3)具有渗透性，并能透过Rubisco的底物(RuBP)和产物(3－PGA，三碳酸)。除Rubisco外，羧酶体中还有少量碳酸酐酶(CA)，碳酸酐酶催化HCOeq \o\al(－,3)转变为CO2。碳酸酐酶是羧酶体内以HCOeq \o\al(－,3)进行光合可利用CO2的最基本酶。这种羧酶体将Rubisco和碳酸酐酶包裹在半透性外壳中，又提高了Rubisco周围CO2的浓度。 注：羧化体就是羧酶体，具有半透明蛋白质外壳，可限制气体扩散。 因此羧酶体浓缩CO2的机制概括为：细胞吸收的HCOeq \o\al(－,3)以及CO2进化后转换成的HCOeq \o\al(－,3)都可以选择性的通过羧酶体的蛋白质外壳进入羧酶体中，然后在羧酶体经碳酸酐酶催化转变为CO2，由于羧酶体既能阻止O2进入，又能阻止CO2逸出，所以羧酶体内CO2浓度很高且无氧气竞争，在羧酶体内在Rubisco的催化下和RuBP反应形成三碳酸(3－PGA)，完成CO2的固定。羧酶体中产生的三碳酸(3－PGA)最终会排出羧酶体外进入细胞质基质后再进行卡尔文循环。 综上所述：蓝细菌的光合膜(大学教材又叫光合片层或类囊体)上有光合色素和电子传递链，是光反应的场所，而暗反应中的CO2的固定则是在羧酶体中进行，三碳酸(C3)的还原和RuBP(C5)的再生是在细胞质基质中进行。 2．光呼吸 光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低CO2情况下发生的一个生化过程。它是光合作用损耗能量的一个副反应。在黑暗条件下，呼吸过程能不断转换形成ATP，并把自由能释放出来，以供根系的吸收功能、有机物质的合成与运转功能以及各种物质代谢反应等功能的需要，从而促进生命活动的顺利进行。绿色植物在光照条件下的呼吸方式特点是呼吸基质在被分解转化过程中虽也放出CO2，但不能产生ATP，从而使光合产物被白白地耗费掉。所以光呼吸越强，光合生产率相对越低。 光呼吸不是一个纯粹消耗能量的过程，其功能是：①在光呼吸时细胞线粒体中进行甘氨酸转变为丝氨酸反应时能形成ATP；②光呼吸可以将光合作用的副产品磷酸乙醇酸和乙醇酸转变为碳水化合物；③在水分亏缺及高光照条件下，叶片气孔关闭，光呼吸释放的CO2能被再固定，可保护光合作用的反应中心，以免被强光所破坏。 1．蓝细菌能通过其产生的一组特殊蛋白质将CO2浓缩在Rubisco(固定CO2的关键酶)周围。下列有关叙述错误的是(　　) A．Rubisco是在蓝细菌的核糖体上合成的 B．激活Rubisco不需要黑暗条件 C．蓝细菌中的叶绿素和类胡萝卜素位于类囊体膜上 D．蓝细菌的CO2浓缩机制有利于其适应低CO2浓度环境 解析　Rubisco酶的化学成分是蛋白质，而核糖体是合成蛋白质的场所，据此可知，在蓝细菌细胞内Rubisco酶是在核糖体上合成的，A正确；暗反应有光无光都能进行，该酶作用于二氧化碳的固定过程，因此激活Rubisco不需要黑暗条件，B正确；蓝细菌含有叶绿素和藻蓝素，没有叶绿体也没有类胡萝卜素，C错误；蓝细菌的CO2浓缩机制便于蓝细菌细胞对二氧化碳的吸收，有利于其适应低CO2浓度环境，D正确。 答案　C 2．(2024·广东模拟)甘蔗、玉米是常见的C4植物，C4植物的叶片具有特殊的花环结构，其叶肉细胞中的叶绿体有类囊体但没有Rubisco，而维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有Rubisco。C4植物的光合作用过程如图所示。已知PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco，下列叙述错误的是(　　) A．维管束鞘细胞可以通过卡尔文循环制造糖类 B．叶肉细胞可以通过光反应产生ATP和NADPH C．甘蔗、玉米等C4植物具有较低的CO2补偿点 D．甘蔗、玉米等C4植物具有明显的光合午休现象 解析　卡尔文循环属于暗反应过程，维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有Rubisco，维管束鞘细胞可以通过卡尔文循环制造糖类，A正确；叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，类囊体薄膜上含有光合色素，因此叶肉细胞可以通过光反应产生ATP和NADPH，B正确；PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco，在CO2浓度较低时，PEP羧化酶仍可催化CO2固定，CO2与某种C3结合成C4，C4从叶肉细胞运输至维管束鞘细胞，又释放出CO2，因此对低浓度CO2具有富集作用，所以甘蔗、玉米等C4植物具有较低的CO2补偿点，一般没有光合午休现象，C正确，D错误。 答案　D 3．(2024·黄山模拟)景天科植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。据图分析，下列叙述错误的是(　　) A．景天科植物固定CO2的物质分布在叶肉细胞的叶绿体基质和细胞质基质中 B．在外界0.01% CO2的浓度条件下，叶肉细胞叶绿体内的C3的含量比C5的含量高 C．将该种植物置于黑暗密闭装置内，装置中CO2的变化速率不能表示呼吸速率 D．干旱条件下，白天该种植物正常进行光合作用固定的CO2来源于苹果酸分解 解析　由图可知：景天科植物固定CO2的物质有磷酸烯醇式丙酮酸和C5，分别分布在细胞质基质和叶绿体基质中，A正确；在外界0.01% CO2的浓度条件下，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2和线粒体进行有氧呼吸释放的CO2可用于进行正常光合作用，叶肉细胞叶绿体内的C3的含量比C5的含量高，B正确；这种植物在黑暗条件下进行呼吸作用产生CO2的同时也吸收CO2用于合成苹果酸，因此装置中CO2的变化速率不能表示呼吸速率，C正确；根据题图可知，干旱条件下，白天气孔关闭，该种植物进行光合作用固定的CO2来源于苹果酸的分解和线粒体进行有氧呼吸释放的CO2，D错误。 答案　D 4．(2024·黄冈模拟)光呼吸是植物利用光能，吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶基因(GLO、CAT、GCL、TSR)导入水稻叶绿体，创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路)，如图虚线所示。据图分析，下列推测正确的是(　　) A．光呼吸时C5与O2的结合发生在线粒体内膜上 B．在光呼吸中有ATP和NADPH的生成和消耗 C．有GCGT支路的转基因植物发生了基因突变 D．GCGT支路可以降低碳损失从而提高光合效率 解析　卡尔文循环的场所为叶绿体基质，图中光呼吸代谢支路利用卡尔文循环中的C5，故C5和O2的结合发生叶绿体基质中，A错误；GCGT支路中，甘油酸转化为PGA过程中有ATP的消耗，在乙醛酸转化为甘油酸过程中有NADH的消耗，故由GCGT支路分析可知，该过程有ATP和NADPH的消耗但没有ATP和NADPH的生成，B错误；转基因属于基因重组，而非基因突变，C错误；光呼吸代谢支路(GCGT支路)可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环，有利于降低光呼吸消耗从而提高光合速率，D正确。 答案　D 5．(2024·吉林卷)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。 在叶绿体中：C5＋CO2eq \o(――→,\s\up17(酶R))2C3① C5＋O2eq \o(――→,\s\up17(酶R))C3＋C2② 在线粒体中：2C2＋NAD＋eq \o(――→,\s\up17(酶))C3＋CO2＋NADH＋H＋③ 注：C2表示不同种类的二碳化合物，C3也类似。 图1 图2 图3 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)反应①C5和CO2在酶R的作用下生成C3，是CO2的固定过程。(2)有氧呼吸的第一阶段和第二阶段产生NADH，场所分别为细胞质基质和线粒体基质。(3)由图1可知，光呼吸过程也可以产生CO2；结合教材知识可知，有氧呼吸第二阶段也可以产生CO2，故图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自光呼吸和有氧呼吸。根据题中信息“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”推测，7—10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异是株系1和2与WT的光呼吸速率存在差异导致的，再结合题干信息“光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上 是消耗能量的过程”推测，7—10时，随着光照强度的增加，株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，从而导致株系1和2的净光合速率增强。总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，根据图3横坐标为CO2浓度无法推出株系1的呼吸速率，故据图3中的数据不能计算出株系1的总光合速率。(4)由图2和图3可以看出，在相同光照强度和CO2浓度下，与株系2相比，株系1的净光合速率较高，积累的有机物较多，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)有氧呼吸　光呼吸　7—10时，随着光照强度的增加，株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程　不能　总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，呼吸速率为光照强度为0时，CO2的释放速率，图3的横坐标为CO2浓度，无法得出呼吸速率 (4)相同光照强度和CO2浓度下，株系1的净光合速率较高，积累有机物较多 6．(2023·湖南卷)如图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L－1(Km越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7 μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环。回答下列问题： (1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是________________(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成________(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过________长距离运输到其他组织器官。 (2)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度________(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是__________________ ________________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。 (3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是___________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________________________________(答出三点即可)。 解析　(1)玉米的光合作用过程与水稻相比，虽然CO2的来源不同，但其卡尔文循环的过程是相同的，结合水稻的卡尔文循环图解，可以看出CO2固定的直接产物是3－磷酸甘油酸，然后直接被还原成3－磷酸甘油醛。3－磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉，在叶绿体外被转化成蔗糖，蔗糖是植物长距离运输的主要糖类，蔗糖通过筛管长距离运输到其他组织器官。(2)干旱、高光强时会导致植物气孔关闭，吸收的CO2减少，而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸；且玉米能将叶绿体内的光合产物通过维管组织及时转移出细胞。因此在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。 (3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞，只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度，而植物的光合作用强度受到很多因素的影响；在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高，可能是水稻的酶活性达到最大，对CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物质含量的限制，也可能是因为蓝细菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用机制有所不同。 答案　(1)3－磷酸甘油醛　蔗糖　筛管 (2)高于　高光照条件下玉米可以将光合产物及时转移；玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通过PEPC酶生成C4，使维管束鞘内的CO2浓度高于外界环境，抑制玉米的光呼吸 (3)酶的活性达到最大，对CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物质含量的限制；原核生物和真核生物光合作用机制有所不同(合理即可) $$