2025年大学《化学生物学》专业题库-植物光合作用中的化学反应机理

2025年大学《化学生物学》专业题库——植物光合作用中的化学反应机理考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填入括号内。）1.在植物光合作用的光反应中，将水分解并释放氧气的场所是（）。A.基质B.类囊体膜C.细胞核D.线粒体2.光系统II（PSII）中，负责吸收光能并传递激发态电子的核心色素是（）。A.叶绿素aB.叶绿素bC.胡萝卜素D.原叶绿素3.电子在光合作用电子传递链中传递的顺序，最终传递给（）。A.水分子B.NADP+C.ADPD.CO24.光合作用中，ATP合成酶利用质子梯度势能合成ATP的场所是（）。A.类囊体腔B.基质C.细胞质D.内膜5.将光能转化为化学能储存在ATP高能磷酸键中的过程主要发生在（）。A.基质中的卡尔文循环B.类囊体膜上的光反应C.细胞质溶胶D.线粒体基质6.在C4植物中，PEP羧化酶催化的反应底物是（）。A.CO2B.C5化合物C.磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）D.琥珀酸7.RubisCO酶在光合作用中催化的重要反应是（）。A.将CO2固定为C3化合物B.将NADPH氧化为NADP+C.将ATP水解为ADPD.将H2O分解为O2和电子8.CAM植物进行碳固定和光合作用放氧的主要时间分别是（）。A.白天和白天B.夜晚和白天C.白天和夜晚D.夜晚和夜晚9.光合作用中，NADPH主要作为（）的还原剂。A.ADPB.NADP+C.CO2D.磷酸甘油酸10.与C3途径相比，C4途径在生理上的一种主要优势是（）。A.光能利用效率更高B.对CO2浓度要求更低C.能在更强的光照下进行D.不发生光呼吸二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填入横线上。）1.光合作用的光反应阶段主要发生在叶绿体的________上，暗反应阶段（卡尔文循环）主要发生在叶绿体的________中。2.光系统I（PSI）吸收的光谱峰值波长比光系统II（PSII）的________。3.光合作用电子传递链中的细胞色素f是连接质体醌和________的关键组分。4.在类囊体膜上，质子（H+）从基质通过________泵转运到类囊体腔，建立起质子浓度梯度。5.卡尔文循环中，CO2首先与五碳化合物________结合，形成六碳化合物，该化合物随后分解为三碳化合物。6.C4植物中，初步固定的二氧化碳首先被转化为________，然后在维管束鞘细胞中被还原。7.________是光合作用中唯一能将氧气还原为水的生物氧化还原反应。8.在光合作用中，光能被色素分子吸收后，能量传递和转换的效率主要通过________和________机制实现。9.________是卡尔文循环中催化CO2固定反应的关键酶。10.光呼吸是植物在光下吸收________并氧化有机物的过程，其最终产物之一是磷酸甘油酸。三、简答题（每题5分，共20分。请简洁明了地回答问题。）1.简述光系统II（PSII）中电子传递链的起始步骤和关键电子受体。2.解释什么是化学渗透学说，并简述其与ATP合成的关系。3.简述卡尔文循环中CO2固定的化学过程（关键反应和产物）。4.简述C4植物与C3植物在碳固定途径上的主要区别。四、论述题（每题7分，共14分。请结合所学知识，深入阐述问题。）1.论述光合作用中光反应和暗反应之间相互依存的关系。2.结合化学原理，论述光系统II（PSII）保护自身免受光氧化损伤的机制。试卷答案一、选择题1.B2.A3.B4.A5.B6.C7.A8.B9.A10.B二、填空题1.类囊体膜，基质2.更长3.NADP+4.质子（H+）跨膜通道（或质子泵）5.磷酸甘油醛（PGA）6.磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）7.水裂解反应（或光系统II水裂解）8.能量转移，光合磷酸化9.RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）10.O2（或氧气）三、简答题1.解析思路：光系统II吸收光能，使其核心反应中心色素（P680）处于激发态，激发态P680将高能电子传递给质体醌（PQ），PQ被还原后进入质体醌池。失去电子的P680由水分解补充电子，同时释放氧气。质体醌携带电子传递给细胞色素f复合体，再传递给NADP+还原酶，最终将电子传递给NADP+，生成NADPH。关键电子受体主要是质体醌（PQ）和NADP+。2.解析思路：化学渗透学说指出，光反应中，在类囊体膜上通过质子泵（如ATP合酶）将H+从基质泵入类囊体腔，造成类囊体腔内H+浓度远高于基质。这种跨膜的质子浓度梯度（即质子势能）是一种化学势能。当H+顺浓度梯度通过ATP合酶回流至基质时，ATP合酶利用此势能驱动ADP和无机磷酸（Pi）合成ATP。因此，质子梯度是驱动力，ATP合酶是利用该势能合成的场所。3.解析思路：卡尔文循环的第一个关键步骤是CO2的固定。在此步骤中，大气中的CO2首先与叶绿体基质中的五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）在RuBisCO酶的催化下发生羧化反应，生成一个不稳定的六碳中间产物，该中间产物迅速分解成两个分子的3-磷酸甘油酸（3-PGA）。此过程消耗一个CO2和一个RuBP，产生两个3-PGA。这是暗反应中CO2进入生物合成的第一步。4.解析思路：C4植物与C3植物的主要区别在于CO2的初步固定途径不同。C3植物直接将大气中的CO2固定在叶肉细胞的叶绿体基质中，利用PEP羧化酶催化CO2与PEP结合形成C4酸。C4植物则首先在叶肉细胞的叶绿体中，由PEP羧化酶将CO2固定在PEP上，生成C4酸（如磷酸烯醇式丙酮酸）。随后，C4酸被运到维管束鞘细胞，在维管束鞘细胞的叶绿体中，C4酸被分解释放出CO2，然后在较高的CO2浓度下，由RuBisCO催化固定进入卡尔文循环。四、论述题1.解析思路：光反应和暗反应在时间和空间上紧密联系，相互依存。光反应在类囊体膜上进行，利用光能将水分解，产生NADPH（还原力）和ATP（能量）。这些产物是暗反应所必需的。暗反应（卡尔文循环）在基质中进行，利用光反应提供的NADPH将CO2还原成糖类等有机物。同时，暗反应消耗光反应产生的ATP提供能量。因此，光反应为暗反应提供还原剂（NADPH）和能量（ATP），而暗反应消耗光反应的产物（NADPH和ATP），并将无机碳（CO2）转化为有机碳，两者共同完成了光合作用将光能转化为化学能并固定碳的过程。2.解析思路：光系统II（PSII）在吸收光能进行电子传递时，其核心反应中心色素P680处于极高水平激发态，具有很强氧化性，容易攻击水分子的氧原子，引发水裂解反应，产生氧气。同时，P680+需要从水中夺取电子才能恢复到基态，这个过程中如果电子传递链受阻，P680+可能被还原剂（如O2）错误还原，生成超氧阴离子（O2•-），进而形成过氧化氢（H2O2）。植物进化出多种机制来保护PSII：①质体醌电子传递的调节：当光强度过高或电子传递受阻时，部分电子通过替代电子传递途径（如质体蓝素介导的电子分流）传递给质体醌，避免P680+被错误还原。②非酶促耗散（qE）：过量的激发能通过叶绿素分子间的能量转移或发射荧光等形式耗散掉。③酶促耗散（qN）：在高光胁迫下