2026届高三生物二轮复习微专题导学案光合作用与细胞呼吸相关新情境(二)——人工光合系统、C4途径、CAM途径、光呼吸

高三生物二轮微专题导学案 课程基本信息 学科 生物学 年级 高三年级 学期 第二学期 课题 光合作用与细胞呼吸相关新情境（二） 学习目标 1.概述C4植物、CAM植物固定CO2的过程，比较二者的异同。 2.结合情境，联系所学，解决问题。 学习活动 【活动一】建构人工光合系统模型 1.阅读资料，判断对错，并根据文字在空白处画出人工细胞示意图： 情境一　人工细胞 人工细胞是模拟天然细胞关键特征(如分隔结构、物质交换、代谢反应、信号响应等)的人工组装体，包括膜系统、内部功能组分及能量供应系统等。对于理解生命的奥秘具有重要意义，目前科学家已经人工合成了一种能够进行光合作用，将光能转化为化学能用于自身成分合成的简单细胞。该人工合成细胞由脂质膜包裹，内含蛋白质合成系统、含有ATP合酶和细菌视紫红质(一种光合色素)的膜结构、DNA等。 （1）该人工细胞可模拟完整的光合作用。 （ ） （2）DNA分子没有用处，可以不添加。 （ ） （3）细菌视紫红质可吸收、传递转化光能。 （ ） （4）理论上“人工细胞”可能具有更高的净光合效率。（ ） 2.阅读情境二，回答问题： 情境二　人工模拟光合作用 淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。但通过光合作用生产淀粉的过程存在能量利用效率低、生长周期长的特点。为解决粮食危机，科研人员建立了人工淀粉合成代谢途径(ASAP)，利用化学催化剂将高浓度CO2在高密度氢能作用下还原成一碳化合物(C1)，然后通过设计构建C1聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将一碳化合物聚合成三碳化合物(C3)，最后通过生物途径优化，将三碳化合物又聚合成六碳化合物(C6)，再进一步合成多碳化合物(Cn)。这条路线涉及11步核心生化反应，如图1所示，人工淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。 科研人员构建了一种利用非天然的酶催化二氧化碳固定的新途径CETCH循环(一种人工固碳方案)，其比自然界的卡尔文固碳循环效率更高。从菠菜叶中提取类囊体，并通过液滴微流控技术与CETCH循环的多种酶(来源于多种生物)结合，制备人造叶绿体，如图2所示。图中发光液滴充当一个人造叶绿体。在系统中经过一系列反应后CO2被固定成乙醛酸，乙醛酸进而被还原为工业原料乙醇酸。 （1）用文字和箭头表示人工淀粉合成途径中物质转换。 （2）人工合成淀粉的这些步骤与植物细胞内光合作用的物质变化不同的原因是什么？ （3）据图推测发光液滴含几层磷脂分子？在下方画出其排布示意图。 （4）CETCH循环途径中的乙醛酸相当于卡尔文循环中的_ _(填物质)，为乙醛酸还原充当还原剂的是__ __。 （5）若要利用该装置实现黑暗条件下持续生产，需要稳定提供的物质有_ _。若想人造叶绿体合成不同功能的有机物，则需要对人造叶绿体的__ __(填物质)进行调整。 （6）与传统农业生产相比，人工光合系统有什么优势？ 【活动二】探究生化反应新情境 1.阅读下面文字，在空白处提取并归纳信息。 光呼吸是植物细胞依赖光照，吸收O2并放出CO2的过程， 在叶绿体、过氧化物酶体及线粒体协同下完成。 Rubisco ( RuBP 羧化／加氧酶）是双功能酶，既可催化 RuBP ( C5 ）的羧化反应，又可催化 RuBP 的加氧反应。 当CO2与O2浓度比例高时， RuBP 与CO2反应生成2分子的C3。反之 RuBP 与O2反应生成1分子C3和1分子C2（乙醇酸）,后者经过一系列反应最终释放CO2。 2.长难句训练：阐明光呼吸对植物的影响 （1）不利影响 （2）有利影响 3.据图分析C4途径 玉米是经济价值较高的粮食作物，其光合作用既有C4途径又有C3途径，过程如图 (1)玉米叶片中固定CO2的物质有 ，为过程②提供能量的物质有 。 (2)图中PEP羧化酶对CO2具有较强亲和力，其意义是 。 (3)光合作用较强时，叶片细胞中淀粉合成的场所是 细胞的 。 4.剖析CAM植物固定CO2的途径 （1）CAM植物什么时间，通过什么结构吸收大气CO2？概述不同时间的CO2发生的物质转化及对应场所。 （2）据图分析淀粉含量、苹果酸含量、液泡PH值在白天和夜间的变化及原因。 （3）该类植物什么时候合成葡萄糖？若白天提高CO2浓度，光合速率会如何变化？ （4）该途径有助于植物适应什么样的环境？为什么？ 5.归纳提升 (1)C4植物和CAM植物在固定CO2上相似，如：叶肉细胞中都有__ __酶参与，需要__ __次羧化反应固定CO2。只是它们固定CO2与生成光合作用产物在时空上有差异：C4植物在__ __内固定CO2，在__ __中同化CO2；CAM植物则在__ _固定CO2，在__ __同化CO2。 (2)夜间仙人掌的卡尔文循环__ __(填“能”或“不能”)进行，这是因为__ ；白天，仙人掌叶绿体中卡尔文循环__ __(填“能”或“不能”)进行，这是因为__ __。 (3)PEP羧化酶活性较强，对CO2的亲和力强，达到了CO2浓缩效应，提高了__ __效率，推测C3植物、C4植物和CAM植物中，光呼吸较强的是__ __植物。 课堂学习检测 1.紫色硫细菌是一种光合细菌。如图为该细菌光复合系统参与代谢过程的简图。下列叙述正确的是 ( ) A.紫色硫细菌的光复合系统含有色素和蛋白质 B.光复合系统上氧化型辅酶Ⅰ转化成还原型辅酶Ⅰ C.图示过程在紫色硫细菌的类囊体薄膜上完成 D.紫色硫细菌能为其他生物提供氧气和有机物 2.玉米等C4植物通过光合作用C4途径，使其能在高温下保持产量。仙人掌等景天科植物则以光合作用CAM途径，助其在沙漠和其他缺水地区生存。研究表明，马齿苋的光合作用整合了C4途径和CAM途径，主要过程如下图。请回答下列问题： (1)C4途径和CAM途径中，CO2先经历C4途径，然后在RuBP羧化酶的作用下与_________结合，这个过程被称作CO2的固定，其发生的场所是____________________________。 (2)马齿苋的光合细胞有______________________，________细胞中的叶绿体只能进行暗反应，据图推测其原因是其缺少了______________(结构)。图中A表示的物质有__________________。 (3)图中①表示的结构是_____________，叶肉细胞和维管束鞘细胞间具有大量该结构的意义是____________________。 (4)研究发现，当水分充足时，马齿苋叶片中主要进行C4途径，而处于干旱环境时，可以进行C4途径和CAM途径，该调节机制使马齿苋即使在干旱环境下也可通过在夜间_____________，并且以___________的形式储存，为光合作用提供足够原料。说明马齿苋具有_______________________________________的优势。 拓展学习资源 1.比较蓝细菌、C4植物、CAM植物的光合作用 ​对比维度​ 蓝细菌​ C4 植物​ CAM 植物​ 结构基础​ 羧化体 + 光合片层​ 花环状叶肉细胞排列 液泡储酸结构​ 浓缩策略​ 主动转运 + 区域锁定 空间分隔（C4 泵）​ 时间分隔（夜间固碳） 关键酶特性​ Rubisco 局部高浓度激活 PEP 羧化酶高亲和力​ PEP 羧化酶夜间活性高 适应环境​ 低 CO₂水体​ 高温干旱强光​ 极端干旱​ 注意：（1）C4植物、CAM植物都对CO2进行了两次固定,不同的是C4植物两次固定CO2是空间上错开；CAM植物两次固定CO2是时间上错开。 （2）C3途径是碳同化的基本途径，C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用，最终还是通过C3途径合成有机物。 2.光合作用的原理 Ⅰ.光反应 (1)光合色素(PSⅡ和PSⅠ)的主要功能是吸收、传递、转化光能，其吸收的光能有两个方面的用途：一是将水分解产生氧和H＋，氧直接以氧分子的形式释放出去,H＋与氧化型辅酶Ⅱ(NADP＋)结合，形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)；二是在有关酶的作用下，提供能量促使ATP的合成。 (2)物质变化 ①2H2O―→O2＋4H＋＋4e－ ②NADP＋＋H＋＋2e－NADPH ③ADP＋Pi＋能量ATP 小结：　电子的最初供体是水，最终受体是NADP＋，电子传递的最终产物是NADPH。 (3)能量变化 在PSⅡ中，日光激发叶绿素中的电子由低能状态转化为高能状态，随后能量转移到ATP中。高能电子再转化为低能电子，进入PSⅠ，PSⅠ中的能量变化为光能→电能→NADPH中的化学能。 拓展: (1)质子浓度(电化学)梯度的建立 ①PSⅡ在类囊体的囊腔侧进行水的光解产生H＋； ②质子泵将一些H＋逆浓度梯度从基质泵入类囊体腔；③另一些H＋在基质中和NADP＋形成NADPH。 (2)合成ATP 类囊体膜的磷脂双分子层对质子高度不通透，因此类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度梯度流出释放的能量来合成ATP。 Ⅱ.暗反应 (1)物质变化 ①CO2固定：CO2＋C52C3 ②C3的还原和C5的再生：2C3(CH2O)＋C5 (2)光合产物的主要形式 光合作用旺盛时，很多植物合成的糖类通常会以淀粉的形式临时储存在叶绿体中，假如以大量可溶性糖的形式存在，则可能导致叶绿体吸水涨破。蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物，与葡萄糖相比，以蔗糖作为运输物质的优点是非还原糖性质较稳定。 1 学科网（北京）股份有限公司 $