【备考2024】高考生物一轮情境突破课3 二氧化碳固定、光呼吸、光系统及电子传递链(共29张PPT)

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3二氧化碳固定、光呼吸、光系统及电子传递链

高考生物重难点情境突破课

情境一

光系统及电子传递链

【命题情境】

光系统是由蛋白质和叶绿素等光合色素组成的复合物,具有吸收、传递和转化光能的作用,包括光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。

注:图中虚线表示该生理过程中电子(e-)的传递过程。

(1)光系统Ⅱ进行水的光解,产生O2和H+和自由电子(e-),光系统Ⅰ主要介导NADPH的产生。

(2)电子(e-)经过电子传递链:质体醌→细胞色素b6f复合体→质体蓝素→光系统Ⅰ→铁氧还蛋白→NADPH。

(3)电子传递过程是高电势到低电势(光系统Ⅱ和Ⅰ中的电子传递由于光能的作用,从而逆电势传递,这是一个吸能的过程),因此,电子传递过程中释放能量,质体醌利用这部分能量将质子(H+)逆浓度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧,从而建立了质子浓度(电化学)梯度。当然,光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H+)以及在类囊体的基质侧H+和NADP+形成NADPH的过程,为建立质子浓度(电化学)梯度也有所贡献。

(4)类囊体膜对质子是高度不通透的,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流出的能量来合成ATP。

[命题设计]

(1)PSⅠ和PSⅡ镶嵌在叶绿体的___________________上,含有的光合色素主要包括__________________________两大类,这些色素的主要功能有_________________________。

(2)图示过程中,PSⅡ和PSⅠ以串联的方式协同完成电子由________(物质)释放、最终传递给_____________(物质)生成NADPH的过程。

(3)光照的驱动既促使水分解产生H+,又伴随着电子的传递通过PQ将叶绿体基质中的H+__________________________________,同时还在形成NADPH的过程中_____________叶绿体基质中部分H+,造成膜内外的H+产生了浓度差。请结合图示信息分析,跨膜的H+浓度差在光合作用中的作用是_________________________________________________。

类囊体(薄)膜

叶绿素和类胡萝卜素

吸收、传递和转换光能

水

NADP+

转运至类囊体膜内(类囊体腔内)

消耗

为光反应中ATP的合成过程提供能量

(4)除草剂二溴百里香醌(DBMIB)与PQ竞争可阻止电子传递到细胞色素b6f,若用该除草剂处理无内外膜的叶绿体,会导致ATP含量显著下降,其原因可能是_______________________________________。

DBMIB阻断电子传递会抑制水光解产生H+,使膜内外H+的浓度差减小甚至消失

【突破训练】

(2023重庆高考)如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析,下列叙述错误的是()

A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用,最少要穿过4层膜

B.NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH

C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应

D.电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节

答案:A

解析:水光解产生的O2的场所是叶绿体的类囊体膜上,若被有氧呼吸利用,其场所在线粒体内膜,O2从叶绿体类囊体膜开始,穿过叶绿体2层膜,然后进入同一细胞中的线粒体,经过外膜后就到达了内膜,所以至少要穿过3层膜,A项错误;光反应中NADP+与电子(e-)和质子(H+)结合形成NADPH,提供给暗反应,B项正确;由图可知,产生的ATP可用于暗反应以及核酸代谢、色素合成等其他消耗能量的反应,C项正确;电子(e-)的有序传递是完成光能转换的重要环节,D项正确。

情境二

二氧化碳固定途径的多样性和适应性

【命题情境】

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。以下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。C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用,最终还是通过C3途径合成光合产物等。

通过C3途径固定CO2的植物称为C3植物,C3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植物的两次固定在空间上分开:在叶肉细胞内固定CO2,在维管束鞘细胞中同化CO2。

C4植物的叶片结构

(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植物两次固定在时间上分开:在晚上固定CO2,在白天同化CO2。

[命题设计]

(1)C4植物光反应发生在叶肉细胞的________________上,而CO2固定发生在________________细胞中。

(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,这种碳原子的转移途径是________________。暗反应阶段中C3的还原在________________细胞中完成。

(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________________。

(4)景天科植物吸收的CO2________________(填“能”或“不能”)合成葡萄糖,原因是________________________________。

(5)如果白天适当提高CO2浓度,景天科植物的光合作用速率变化是________________(填“增加”“降低”或“基本不变”)。

答案:(1)叶绿体类囊体薄膜叶肉细胞和维管束鞘(2)CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)维管束鞘

(3)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)不能没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH

(5)基本不变

【突破训练】

1.玉米固定CO2的能力比小麦强70倍。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是C4植物(如玉米)特有的固定CO2的关键酶。科研人员将玉米的PEPC基因导入小麦中,获得转基因小麦以提高小麦产量。为探究转基因小麦固定CO2的能力,研究人员将转基因小麦和普通小麦分别放置在相同的密闭小室中,给予充足的光照,利用红外测量仪每隔5min测定小室中的CO2浓度,结果如上图所示。下列有关叙述错误的是()

A.PEPC能降低固定CO2反应所需的活化能

B.图中属于转基因小麦变化曲线的是Ⅱ

C.图中CO2浓度保持不变时植物的光合速率等于呼吸速率

D.突然降低光照强度,短时间内细胞中ADP和C5的含量均降低

答案:D

解析:酶能降低化学反应所需的活化能,故PEPC能降低固定CO2反应所需的活化能,A项正确;由图可知,Ⅱ曲线代表的植物利用低浓度CO2的能力更强,故Ⅱ是转基因小麦,B项正确;植物的光合速率等于呼吸速率时,表现为既不从外界吸收CO2,也不释放CO2到外界,因此密闭小室中CO2浓度保持不变,C项正确;突然降低光照强度,短时间内光反应产生NADPH和ATP速率降低,ADP含量增加,C3还原速率下降,产生的C5减少,C3合成速率不变,即C5消耗速率不变,C5含量降低,D项错误。

2.(2022全国高考甲卷)根据光合作用中CO2的固定方式不同,可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题。

(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的,光反应阶段的产物是(答出3点即可)。

(2)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是(答出1点即可)。

(3)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:(1)ATP、NADPH和O2

(2)自身呼吸需要消耗有机物或建造植物体结构需要有机物(答出1点即可)

(3)干旱导致植物气孔开度减小,叶片吸收的CO2减少;C4植物的CO2补偿点比C3植物的低,C4植物在较低CO2浓度下就能合成满足自身生长所需的有机物(答案合理即可)

情境二

光呼吸

【命题情境】

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,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%。过程如图所示:

光呼吸对生物体有一定的危害。如果在较强光下,光呼吸加强,使得C5氧化分解加强,一部分碳以CO2的形式散失,从而减少了光合产物的形成和积累。其次,光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH,即造成了能量的损耗。其实光呼吸和卡尔文循环是一种动态平衡,适当的光呼吸对植物体有一定积极意义,光呼吸可以回收碳元素,防止强光对叶绿体的破坏。

[命题设计]

(1)由于光呼吸的存在,会降低植物体内有机物的积累速率。Rubisco的催化方向取决于CO2与O2的浓度比,请推测具体的情况:

。

(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催化反应特点两个方面作答)。

答案:(1)当CO2与O2浓度比高时,Rubisco酶催化RuBP与CO2结合生成C3酸的反应加强;当CO2与O2浓度比低时,Rubisco酶催化RuBP与O2结合生成C3酸的反应加强

(2)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

【突破训练】

1.(多选)(2022辽宁模拟)科学研究发现,正常进行光合作用的水稻,突然停止光照,叶片CO2释放量先增加后降低,主要原因是因为光照条件下叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5,O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸,具体过程如图所示。下列说法正确是()

注:RuBP为1,5-二磷酸核酮糖,是卡尔文循环里起重要作用的一种五碳糖;PGA为三磷酸甘油酸,是一种三碳化合物;PG为二碳化合物;Rubisco为1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶。

A.O2与C5结合的场所是叶绿体基质,生成CO2的场所是线粒体

B.突然停止光照,短时间内暗反应消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多

C.光呼吸消耗光合作用产物,农业生产中为增加产量,应采取措施,完全抑制农作物光呼吸

D.与有氧呼吸不同,光呼吸只能在光下进行,并且能产生大量ATP

答案:AB

解析:C5主要分布在叶绿体基质中,所以O2与C5结合的场所是叶绿体基质,据图可知生成CO2的场所是线粒体,A项正确;突然停止光照,光反应减弱,短时间内产生的ATP、NADPH减少,消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多,B项正确;光呼吸虽然消耗光合作用产物,但可以有效防止夏季中午光对植物的伤害,同时为光合作用提供原料,农业生产中,不能完全抑制光呼吸,C项错误;根据题干和图示可知,与有氧呼吸不同,光呼吸只能在光下进行,消耗氧气和有机物,产生CO2,释放能量,但不能产生ATP,D项错误。

2.(2023山东高考)光照条件下,叶肉细胞中的O2与CO2竞争性结合C5,O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SoBS溶液,相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示,SoBS溶液处理对叶片细胞呼吸的影响忽略不计。请回答下列问题。

(1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的中。正常进行光合作用的水稻,突然停止光照,叶片CO2释放量先增加后降低,CO2释放量增加的原因是。

(2)与未喷施SoBS溶液相比,喷施100mg/LSoBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度(填“高”或“低”),据表分析,原因是