2027届高三生物人教版一轮复习课件 命题情境2　光系统、光呼吸、C4途径、CAM途径等

该高中生物学高考复习课件聚焦“细胞的能量供应和利用”模块，覆盖光系统、光呼吸、C₄/CAM途径等核心考点，依据高考评价体系分析近三年山东、黑吉辽、湖南卷真题，明确图表分析、实验设计等高频考查题型，构建系统的考点梳理与题型归纳体系。 课件亮点在于“真题引领+素养渗透”策略，如2025山东卷光系统题结合水的光解与电子传递，培养物质与能量观，2023湖南卷C4途径题通过酶活性比较训练科学思维，情境练中同位素标记实验设计提升探究实践能力。助力学生掌握答题技巧，教师可据此高效开展针对性复习。

第三单元　细胞的能量供应和利用 命题情境2　光系统、光呼吸、C4途径、CAM途径等 模块一 分子与细胞 2027高考生物一轮总复习 1 目录 情境一　光系统 情境二　光呼吸 情境三　C4途径、CAM途径 情境练2 1 情境一　光系统 1 【典题引领1】　(2025·山东卷节选)高光强环境下，植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤，引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长，其部分光合过程如图所示。 注　 表示电子的传递路径；Y、Z表示光合色素分子。 1 (2)据图分析，生成NADPH所需的电子源自________。采用同位素示踪法可追踪物质的去向，用含3H2O的溶液培养该绿藻一段时间后，以其光合产物葡萄糖为原料进行有氧呼吸时，能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、______________，离心收集绿藻并重新放入含O的培养液中，在适宜光照条件下继续培养，绿藻产生的带18O标记的气体有______________________________________。 水的光解 丙酮酸、[H] 氧气(或O2)和二氧化碳(CO2) 1 解析：(2)据图分析，水在光下分解为O2和H＋，同时产生的电子经传递，可用于NADP＋与H＋结合形成NADPH。3H2O被植物细胞吸收后参与光合作用，生成H12O6。在有氧呼吸的第一阶段，H12O6在细胞质基质中被分解成含有3H的丙酮酸，产生少量的[3H]；在有氧呼吸的第二阶段，丙酮酸与3H2O在线粒体基质中被彻底分解生成CO2和[3H]；在线粒体内膜上完成有氧呼吸的第三阶段，[3H]与O2结合生成3H2O，并释放大量的能量。可见，用含3H2O的溶液培养该绿藻，一段时间后，能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、丙酮酸、[H]。培养液中O被绿藻吸收后，在光合作用的光反应阶段被分解产生18O2；在有氧呼吸的第二阶段，O与丙酮酸被彻底分解为C18O2和[H]，即产生的带18O标记的气体有O2和CO2。 1 (3)据图分析，通过途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机制分别为_____________________________________________________ ______________________________________________________。 途径①：消耗过剩电子并消除H2O2，减轻H2O2对光合系统的损伤。途径②：过剩光能以热能形式散失 1 解析：(3)据图分析，途径①通过将过剩的电子传递给O2，生成过氧化物(如H2O2)，进而这些过氧化物被活性氧清除系统(如过氧化氢酶等)清除，从而防止活性氧对光合系统的损伤；途径②将叶绿体吸收的过剩光能转化为热能散失，减少电子的释放，产生的活性氧减少，从而防止对光合系统造成损伤。 1 光系统的机理 植物光合作用的光系统及电子传递链如图： 知识拓展 1 (1)光系统Ⅰ(PSⅠ)主要介导NADPH的产生。 (2)光系统Ⅱ(PSⅡ)进行水的光解，产生O2、H＋和自由电子(e－)。 (3)电子(e－)经过电子传递链：质体醌(PQ)→细胞色素b6f复合体→质体蓝素→光系统Ⅰ(PSⅠ)→铁氧还蛋白(Fd)→NADPH。 (4)电子传递过程是由高电势到低电势，因此，电子传递过程中释放能量，质体醌(PQ)利用这部分能量将H＋逆浓度梯度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧，从而建立了H＋浓度梯度。光系统Ⅱ(PSⅡ)在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生H＋以及在类囊体的基质侧进行的H＋和NADP＋形成NADPH的过程，为建立H＋浓度梯度也有所贡献。 1 (5)类囊体膜对H＋是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度H＋只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用H＋顺浓度梯度流出的能量来合成ATP。 1 情境二　光呼吸 1 【典题引领2】　(2024·黑吉辽卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/O2的值低时，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。 图1 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。 CO2的固定 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。 1 (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__________。 细胞质基质 解析：(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。 线粒体基质 1 (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__________________________________________ _______________________________________________________________________________。 有氧呼吸 光呼吸 株系1和2转入了改变光呼吸的相关基因，7～10时，随着光照强度的增加，株系1和2的光呼吸低于WT，净光合速率比WT更高 1 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_________________________________________________________________________________________________。 不能 总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，由图示不能得出株系1的呼吸速率，故不能计算出其总光合速率 1 解析：(3)光呼吸过程可以产生CO2，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的光呼吸速率低于WT的光呼吸速率，故株系1和2的净光合速率较大。总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，根据图3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。 1 (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__________________________________________________ _____________________。 相同光照强度和CO2浓度下株系1的净光合速率较高，积累的有机物较多 解析：(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和WT相比，株系1的净光合速率较高，积累的有机物较多，产量更具优势。 1 光呼吸 (1)光呼吸过程图解 知识拓展 注　PGA(C3)，PG(C2)，RuBP(C5)。 1 (2)光呼吸产生的原因 ①内因：Rubisco是一种多功能酶，具有催化羧化反应(C5＋CO2→2C3)和加氧反应(C5＋O2→C3＋C2)两种功能。 ②外因：高O2环境下，光呼吸会明显加强，而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。 (3)光呼吸的生理意义 ①不利影响：光呼吸消耗暗反应的底物C5，导致光合作用减弱，农作物产量降低。 ②有利影响：消除代谢产物乙醇酸对细胞的不利影响；防止强光对光合结构的破坏。 1 (4)光呼吸与细胞呼吸的区别 项目 光呼吸 细胞呼吸 底物 乙醇酸 糖、脂肪、蛋白质 发生部位 叶绿体、过氧化物 酶体、线粒体 细胞质基质、 线粒体 反应条件 光照 有无光照均可 能量 消耗能量(消耗 ATP和NADPH) 产生能量 共同点 消耗氧气，放出二氧化碳 1 情境三　C4途径、CAM途径 1 【典题引领3】　(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， 1 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 (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。 3－磷酸甘油醛 蔗糖 韧皮部(或输导组织) 1 解析：(1)玉米和水稻的卡尔文循环过程相同，分析题图可知，玉米卡尔文循环中第一个光合还原产物是3－磷酸甘油醛。3－磷酸甘油醛跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成蔗糖；光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖，蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部(或输导组织)长距离运输到植株其他组织器官。 1 (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角度分析，原因是_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ (答出三点即可)。 高于 ①在干旱、高光照强度环境下，水稻关闭大部分气孔，CO2的吸收减少，而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力更大，提高了玉米固定CO2的能力，可以为暗反应提供足够的CO2；②水稻中的Rubisco酶在CO2吸收减少时，催化RuBP与O2反应进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO2减少，而玉米的光呼吸较弱甚至没有；③玉米的光合产物可以通过维管束鞘细胞及时转移，从而提高光合速率 1 解析：(2)在干旱、高光照强度环境下，为减少蒸腾作用，水稻关闭大部分气孔，部分气孔关闭会导致水稻吸收CO2的量减少，光合作用减弱，而玉米为C4植物，根据题中信息可知，PEPC酶对CO2的Km为7 μmol·L－1，Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L－1，则PEPC酶对CO2的固定能力较强，在CO2浓度较低时，能够固定较多的CO2，有利于光合作用的进行；结合(1)中分析可知，玉米的光合产物能通过维管束鞘及时转移，从而提高光合速率；又知水稻中的Rubisco酶在CO2吸收减少时，可催化RuBP与O2反应进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO2减少，而玉米的光呼吸较弱甚至没有。综上可知，在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。 1 (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)。 ①光合色素含量的限制；②与光合作用有关的酶的含量和活性的限制；③受到ATP、NADPH等物质的限制 1 解析：(3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻后，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，原因可能是受光合色素含量的限制、受与光合作用有关的酶的含量和活性的限制及受ATP、NADPH等物质的限制等。 1 1．C4途径 (1)C4途径过程图解 知识拓展 (2)C4途径的意义：固定CO2的酶(PEP羧化酶)对CO2有很强的亲和力，可把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。 1 (3)C3和C4植物光合途径的比较 项目 C3植物 C4植物 CO2受体 RuBP(C5) C3、RuBP(C5) CO2固定后的产物 C3 C3、C4 CO2固定场所 叶肉细胞叶绿体 叶肉细胞细胞质基质、维管束鞘细胞叶绿体 光反应场所 叶肉细胞叶绿体基粒 叶肉细胞叶绿体基粒 暗反应场所 叶肉细胞叶绿体基质 维管束鞘细胞叶绿体基质 1 2.CAM途径 (1)CAM途径过程图解 注　PEP为磷酸烯醇式丙酮酸。 1 (2)CAM途径的意义 ①白天：气孔关闭，减少蒸腾作用，保持植物体内水分并分解苹果酸产生CO2进行光合作用。 ②夜晚：气孔开放，吸收光合作用所需的CO2，使植物适应高温、干旱环境。 1 情境练2 1 一、选择题(每小题5分，共10分) 1．(2025·广东广州模拟)在光合作用的光反应中，叶绿素吸收的光能会被转化成电子进行传递。电子从光系统Ⅱ(PSⅡ)转移到光系统Ⅰ(PSⅠ)，最终生成NADPH。除此之外，PSⅡ还负责光合生物中水的光依赖性氧化，同时释放氧气和质子(H＋)，质子可以推动ATP合成，过程如图所示。下列相关叙述错误的是(　　) C 返回 01 02 03 04 情境练　 2 A．PSⅡ具有吸收、利用光能，并进行电子传递的作用 B．破坏PSⅡ会影响光反应中O2的释放和ATP的合成 C．若降低B侧的H＋浓度，则有利于光反应过程中产生ATP D．通过光合电子传递链，光能可转化到NADPH和ATP中 返回 01 02 03 04 情境练　 2 解析：据图可知，类囊体薄膜上的PSⅡ具有吸收、利用光能，并进行电子传递的作用，A正确；由题意可知，PSⅡ负责光合作用过程中水的光解，同时释放O2和质子(H＋)，质子可以推动ATP合成，因此破坏PSⅡ会影响该过程中O2的释放和ATP的合成，B正确；降低B侧的H＋浓度会减小类囊体膜两侧H＋浓度差，不利于H＋顺浓度梯度运输到膜外，不利于ATP的合成，C错误；叶绿素接受光的照射后被激发，在PSⅡ中发生H2O的光解，释放势能高的e－，通过光合电子传递链，光能最终转化为ATP和NADPH中的化学能，D正确。 返回 01 02 03 04 情境练　 2 2．(2026·湖南长沙模拟)景天科植物起源于南非并分布于全球几乎所有的干旱环境，景天科植物的CAM途径是一种特殊代谢方式：气孔打开时，PEP与外界进入的CO2反应生成草酰乙酸(OAA)，并进一步被还原成苹果酸；气孔关闭时，苹果酸又可分解释放CO2，释放出的CO2可进入叶绿体参与卡尔文循环。图示为CAM代谢 途径示意图，下列叙述不正确的是 (　　) C 返回 01 02 03 04 情境练　 2 A．景天科植物CAM途径发生的场所是细胞质基质 B．景天科植物CO2固定的场所是细胞质基质、叶绿体基质 C．甲发生在白天，乙发生在夜晚 D．景天科植物原产地夏季夜晚酶A活性高，酶B活性低 返回 01 02 03 04 情境练　 2 解析：由题干可知，CAM途径是在气孔开放时，PEP与外界进入的CO2反应生成草酰乙酸(OAA)，并进一步被还原成苹果酸，该过程发生在细胞质基质，A正确。景天科植物CO2固定的场所是细胞质基质、叶绿体基质，B正确。甲过程表示气孔开放时，PEP与外界进入的CO2反应生成草酰乙酸(OAA)，并进一步被还原成苹果酸，发生在夜晚；乙过程表示气孔关闭时，苹果酸可分解释放CO2，释放出的CO2可进入叶绿体参与卡尔文循环，发生在白天，C错误。景天科植物在夜晚气孔开放，吸收CO2合成苹果酸，因此甲过程比较旺盛，酶A活性高，酶B活性低，D正确。 返回 01 02 03 04 情境练　 2 二、非选择题(共20分) 3．(10分)(2025·江西新余模拟)光呼吸是指光照下绿色植物的叶肉细胞吸收O2释放CO2的过程，Rubisco是参与光呼吸的主要酶，它既能识别CO2，也能识别O2，其催化方向取决于CO2和O2的浓度，作用机理如图所示。请回答下列问题： 返回 01 02 03 04 情境练　 2 (1)据图分析，光呼吸发生的环境因素是__________________，光呼吸对植物体的意义是__________________________________________________ _________________________________________。 光照强和氧气浓度高 消耗过多的ATP和NADPH，防止对植物造成毒害， 同时产生较多CO2，提高光合作用效率 返回 01 02 03 04 情境练　 2 解析：(1)根据图示可以看出，当O2浓度与CO2浓度比值高时，Rubisco酶可催化光呼吸过程，说明此时光照强和氧气浓度高。光合作用较强时，产生的ATP和NADPH较多，在细胞中积累，对植物细胞有毒害作用，也抑制光合作用；植物进行光呼吸，可以消耗多余的ATP和NADPH，防止对植物造成毒害，同时产生CO2供光合作用利用，解决了CO2供应不足的问题，从而提高了光合作用效率。 返回 01 02 03 04 情境练　 2 (2)暗反应过程中，CO2中碳原子的转移途径是__________________(用箭头连接)，为探究光呼吸的产物与场所，请结合鲁宾和卡门的实验思路，以若干玉米叶片为材料，利用同位素标记法设计 实验，验证上述图示过程光呼吸的终产物和场 所并简要写出实验方案。 实验方案：________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 CO2→C3→糖类 将若干玉米叶片随机均分为甲、乙 两组。将甲组玉米叶片置于光照较强和C18O2浓度较高的环境中培养一段时间，检测18O出现的场所及物质；将乙组叶片置于光照较强和18O2浓度较高的环境中培养一段时间，检测18O出现的场所及物质 返回 01 02 03 04 情境练　 2 解析：(2)暗反应过程中，CO2中碳原子的转移途径是CO2→C3→糖类。该实验的设计思路是光呼吸与光合作用发生的条件不同，所以自变量为高氧环境和高CO2环境，较强的光照、温度等为无关变量，分别用18O标记CO2和O2，一段时间后检测18O出现的场所及物质即可。具体过程见答案。 返回 01 02 03 04 情境练　 2 4．(10分)(2026·河北石家庄模拟)科学家在研究原产热带和亚热带植物时，发现部分植物的光合作用还存在C4途径，而地球上多数植物的光合作用只有C3途径。如图是玉米的光合作用途径(含C4、C3途径)和花生的光合作用途径(只有C3途径)。回答下列问题： 返回 01 02 03 04 情境练　 2 (1)结合上图，PEPC酶能催化叶肉细胞周围的CO2和_______生成C4酸，C4酸进入维管束鞘细胞再分解为CO2供暗反应利用，由此可见，玉米和花生的C3途径分别发生在__________________细胞。 C3酸 维管束鞘细胞、叶肉 返回 01 02 03 04 情境练　 2 解析：(1)由图可知，PEPC酶能催化叶肉细胞周围的CO2和C3酸生成C4酸，C4酸进入维管束鞘细胞再分解为CO2供暗反应利用，由图可知，玉米的C3途径发生在维管束鞘细胞，花生的C3途径发生在叶肉细胞。 返回 01 02 03 04 情境练　 2 (2)叶绿体在__________上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是__________________，吸收的可见光主要是____________，光反应阶段的产物是_________________________(答出三点即可)。 类囊体薄膜 叶绿素、类胡萝卜素 红光和蓝紫光 O2、NADPH和ATP 返回 01 02 03 04 情境练　 2 解析：(2)吸收光能的光合色素包括叶绿素和类胡萝卜素，分布在类囊体薄膜上，因此在叶绿体的类囊体薄膜上将光能转化为化学能。光合色素吸收的可见光主要是红光和蓝紫光。光反应包括水的光解和ATP的合成，其产物包括O2、NADPH和ATP。 返回 01 02 03 04 情境练　 2 (3)研究表明，PEPC酶与CO2的亲和力比Rubisco酶与CO2的亲和力高60多倍，由此推测，在晴朗夏季的中午，玉米的净光合速率可能____(填“高于”“等于”或“低于”)花生的净光合速率，原因是_________________ ______________________________________________________________________________________________________________________。 高于 玉米为C4植物，细胞中有与CO2亲和力强的PEPC酶，在晴朗夏季的中午，叶片气孔开度下降时，玉米能利用较低浓度的CO2进行光合作用 返回 01 02 03 04 情境练　 2 解析：(3)由图可知，在玉米叶肉细胞中含有PEPC酶，该酶与CO2亲和力较强，因此玉米的叶肉细胞可以在较低CO2浓度的条件下，通过PEPC酶固定CO2，然后泵入维管束鞘细胞中利用，使维管束鞘细胞积累较高浓度的CO2。在晴朗夏季的中午，叶片气孔开度下降时，玉米作为C4植物，能利用较低浓度的CO2进行光合作用，使玉米光合作用速率基本不受影响，而花生属于C3植物，当气孔部分关闭后，胞间CO2浓度降低，导致光合速率降低，所以玉米净光合作用速率高于花生。 返回 01 02 03 04 情境练　 2 本课结束 模块一 分子与细胞 1 $