第5章 细胞的能量供应和利用 素养综合提升

13/13第5章细胞的能量供应和利用素养综合提升一、概念体系建构浸润学科素养从物质与能量观的角度理解光合作用和细胞呼吸物质是能量的载体，能量是物质变化的动力，通过本章知识学习，应建立生物学的物质与能量观。能进行“从物质与能量视角，探索光合作用与细胞呼吸的基本过程，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化”。光合作用与细胞呼吸中物质和能量转化的关系据图分析如下。1．物质联系物质物质之间的反应CCO2eq\o(→,\s\up7(暗),\s\do5(反应))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸),\s\do5(Ⅰ阶段))C3H4O3eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸),\s\do5(Ⅱ阶段))CO2OH2Oeq\o(→,\s\up7(光反应))O2eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸Ⅲ阶段))H2OHH2Oeq\o(→,\s\up7(光反应))NADPHeq\o(→,\s\up7(暗反应))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸),\s\do5(Ⅰ、Ⅱ阶段))[H]eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸Ⅲ阶段))H2O2．能量联系[浸润素养]1．下列关于光合作用和有氧呼吸过程的叙述，错误的是()A．光合作用光反应阶段的产物可为有氧呼吸第三阶段提供原料B．有氧呼吸第三阶段的产物可为光合作用光反应阶段提供原料C．二者产生气体的阶段都有水参与D．二者产生气体的阶段都与生物膜有关解析：D光合作用光反应阶段的产物O2可作为有氧呼吸第三阶段的原料，A正确；有氧呼吸第三阶段的产物H2O可作为光合作用光反应阶段的原料，B正确；光合作用光反应可将H2O分解产生O2，有氧呼吸第二阶段H2O与丙酮酸反应生成CO2，C正确；光合作用光反应将H2O分解产生O2的场所是叶绿体的类囊体薄膜，有氧呼吸第二阶段H2O与丙酮酸反应生成CO2的场所是线粒体基质，D错误。2．如图表示光合作用和有氧呼吸过程中C、H、O三种元素的转移途径以及能量转换过程。图中序号表示相关的生理过程。下列叙述错误的是()A．在元素转移途径中，④与⑧、⑦与⑨表示的生理过程相同B．在元素转移途径中，能在小麦根尖成熟区细胞中发生的生理过程有②③⑥⑦⑨C．在有氧呼吸过程中，产生能量最多的过程是⑦或⑨D．⑩⑫产生的ATP中的化学能都可以转变为光能和机械能解析：D⑩产生的ATP中的能量只能转化为有机物中的化学能，D错误。3．下图为高等绿色植物光合作用和细胞呼吸之间关系的示意图，其中①～⑥代表不同物质。请据图回答下列问题：(1)为研究该植物绿叶中色素的种类，需将提取到的色素在滤纸上分离，色素分离依据的原理是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)③代表的物质是________，其产生的场所是________。植物通过光反应把太阳能转变为活跃的化学能储存在__________________(填物质名称)中，通过暗反应把活跃的化学能转变为稳定的化学能储存于________(填写图中标号)中。(3)请用“→”和物质写出14CO2中的14C在光合作用中的转移途径：________________________________________________________________________。(4)图中④→CO2的过程是细胞呼吸的________阶段，该过程在______________________________中进行。解析：(1)色素的提取和分离实验中，色素分离的原理是不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。(2)据图分析可知，③代表的物质是O2，其产生的场所是类囊体薄膜。植物通过光反应把太阳能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能，通过暗反应把ATP和NADPH中活跃的化学能转变为④糖类等有机物中稳定的化学能。(3)14CO2中的14C在光合作用中的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O)。(4)图中葡萄糖生成CO2的过程是有氧呼吸的第一和第二阶段，该过程在细胞质基质和线粒体基质中进行。答案：(1)不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢(2)O2类囊体薄膜ATP和NADPH④(3)14CO2→14C3→(14CH2O)(4)第一和第二细胞质基质和线粒体基质构建光合作用与细胞呼吸“三率”模型(如图、表)项目表示方法(单位：g·cm－2·h－1)呼吸速率黑暗条件下细胞(植物体)释放CO2量(m1)；葡萄糖消耗量黑暗条件下细胞(植物体)吸收O2量(n1)净光合速率细胞(植物体)吸收的CO2量(m2)；植物(叶片)积累葡萄糖量细胞(植物体)释放的O2量(n2)真正(总)光合速率叶绿体固定CO2量[m3或(m1＋m2)]；植物产生葡萄糖量叶绿体产生、释放O2量[n3或(n1＋n2)](注：以光合速率大于呼吸速率为例)[浸润素养]1．龙血树在《本草纲目》中被誉为“活血圣药”，有消肿止痛、收敛止血的功效。图甲、乙分别为龙血树在不同条件下相关指标的变化曲线(单位：mmol·cm－2·h－1)。下列叙述错误的是()A．据图甲分析，温度为30℃和40℃时，叶绿体消耗二氧化碳的速率相等B．40℃条件下，若黑夜和白天时间相等，龙血树能正常生长C．补充适量的无机盐可能导致图乙中D点左移D．图乙中影响D、E两点光合速率的主要环境因素相同解析：B叶绿体消耗二氧化碳的速率表示总光合速率，总光合速率＝呼吸速率＋净光合速率，据图甲分析，温度为30℃和40℃时，叶绿体消耗二氧化碳的速率相等，A正确；40℃条件下，净光合速率等于呼吸速率，若黑夜和白天时间相等，则植物积累有机物的量为(5＋5)×12－5×24＝0，故龙血树不能正常生长，B错误；补充适量无机盐可能使龙血树的光合速率增加，则光补偿点变小，D点左移，C正确；图乙中影响D、E两点光合速率的主要环境因素相同，均为光照强度，D正确。2．以测定的CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响，结果如图所示。下列分析正确的是()A．光照相同时间，35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等B．光照相同时间，在20℃条件下植物积累的有机物的量最多C．温度高于25℃时，光合作用制造的有机物的量逐渐减少D．两曲线的交点表示绿色植物制造的与细胞呼吸消耗的有机物的量相等解析：A分析题图可知，虚线表示光合作用净积累有机物量，实线表示细胞呼吸消耗有机物的量，因此总光合作用＝制造的有机物的量＝虚线量＋实线量。故在光照相同时间的条件下，35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等，A正确；光照相同时间，植物积累的有机物的量为净光合作用量，积累有机物的量最多时的温度应为25℃，B错误；在30℃和35℃时该植物光合作用制造的有机物量相等，且大于25℃时光合作用制造的有机物的量，C错误；两曲线的交点表示净光合作用积累或增加的有机物量与细胞呼吸消耗的有机物量相等，此时绿色植物制造的有机物的量是细胞呼吸消耗有机物的量的2倍，D错误。(一)“液滴移动法”探究细胞呼吸的方式1．实验设计欲确认某生物的呼吸类型，应设置两套呼吸装置，如图所示(以发芽种子为例，假设仅以葡萄糖作为反应物)。2．实验结果预测和结论实验结果结论装置一液滴装置二液滴不动不动只进行产生乳酸的无氧呼吸或种子已死亡不动右移只进行产生酒精的无氧呼吸左移右移进行有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸左移不动只进行有氧呼吸或进行有氧呼吸和产生乳酸的无氧呼吸3.误差校正：为使实验结果准确，除减少无关变量的干扰外，还应设置对照装置三。装置三与装置二相比，不同点是用“煮熟的种子”代替“发芽种子”，其余均相同。提醒：若用绿色植物替代发芽种子，则整个装置必须遮光处理，否则植物细胞的光合作用会干扰细胞呼吸的测定。[浸润素养]1．下图是某研究性学习小组为了探究酵母菌的细胞呼吸类型而设计的实验装置(酵母菌利用葡萄糖作为能源物质)，下列有关实验装置和结果的分析，错误的是()A．通过装置1仅能探究出酵母菌是否进行有氧呼吸B．用水代替NaOH溶液设置装置2，通过装置2液滴的移动情况可以探究出酵母菌是否进行无氧呼吸C．用水代替NaOH溶液设置装置2，如果装置1中液滴左移，装置2中液滴右移，说明酵母菌既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸D．用水代替NaOH溶液设置装置2，装置2中液滴可能向左移解析：D烧杯中的NaOH溶液能吸收细胞呼吸产生的CO2，所以液滴移动的距离代表细胞呼吸消耗O2的量，因此通过装置1仅能探究出酵母菌是否进行有氧呼吸，A正确；用水代替NaOH溶液设置装置2，由于水不吸收气体也不释放气体，所以液滴移动的距离代表细胞呼吸释放的CO2量与消耗O2量的差值，如果液滴移动说明酵母菌进行了无氧呼吸，如果液滴不移动，说明酵母菌不进行无氧呼吸，B正确；用水代替NaOH溶液设置装置2，如果装置1中液滴左移，说明有O2的消耗，可以推断出酵母菌进行了有氧呼吸，装置2中液滴右移，说明细胞呼吸释放的CO2量多于O2的消耗量，可以推断酵母菌还进行了无氧呼吸，C正确；用水代替NaOH溶液设置装置2，由于葡萄糖作底物不可能出现O2的消耗量大于CO2的释放量的情况，所以装置2中液滴不可能向左移，D错误。2．下图实验装置用于测量大麦种子的呼吸速率，装置中的种子用水浸泡过并在稀释的消毒剂中清洗过(不影响生命力)。实验开始时，使图中U形管内两侧有色液体均处“0”标志位，用夹子夹紧橡皮管，在25℃条件静置4h，所得实验结果如下图(不考虑种子代谢释放的热量)。下列叙述不正确的是()A．装置A中有色液体的高度变化量表示大麦种子细胞呼吸消耗O2的体积B．若种子细胞呼吸消耗脂质物质，则吸收O2的体积大于释放CO2的体积C．实验1h时，大麦种子消耗氧气的总量为xmg，可用于分解15x/16mg葡萄糖D．大麦种子在25℃条件下4h内的细胞呼吸速率为1.75mm3·g－1·h－1解析：A装置A中的种子是活的，可进行细胞呼吸，消耗O2而产生CO2，由于装置中的NaOH溶液能与CO2反应，装置A中有色液体位置的变化是由于大麦种子细胞呼吸消耗O2引起的，装置A中有色液体的高度增加量加上装置B的有色液体高度降低量表示大麦种子细胞呼吸消耗O2的体积，A错误；由于脂质的碳氢比例比较高，氧化分解时吸收O2的体积大于释放CO2的体积，B正确；假设大麦种子实验过程中1h内，消耗的氧的总量为xmg，根据分解1分子葡萄糖需消耗6分子O2，可知消耗O2的总量为xmg时，分解的葡萄糖量为x/(6×32)×180＝15x/16(mg)，C正确；大麦种子25℃条件下4h内的细胞呼吸速率为(50＋20)÷4÷10＝1.75(mm3·g－1·h－1)，D正确。(二)光合速率的测定方法1．装置法(1)装置中溶液的作用：在测细胞呼吸速率时，NaOH溶液可吸收容器中的CO2；在测净光合速率时，NaHCO3溶液可提供CO2，保证了容器内CO2浓度的恒定。(2)测定方法①将植物(甲装置)置于黑暗中一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算呼吸速率。②将同一植物(乙装置)置于光下一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算净光合速率。③根据呼吸速率和净光合速率可计算真正光合速率。(3)物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。2．半叶法如图所示，将植物对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)留在光下进行光合作用(即不作处理)，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。一定时间后，在这两部分叶片的对应部位截取同等面积的叶片，分别烘干称重，记为MA、MB，开始时二者相应的有机物含量应视为相等，照光后的叶片重量大于暗处的叶片重量，超过部分即为光合作用产物的量，再通过计算可得出光合速率。3．黑白瓶法“黑白瓶”法是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的方法，其中“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量，可分为有初始值与没有初始值两种情况，规律如下：规律1：有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。规律2：没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量与黑瓶中测得的现有量之差即总光合作用量。[浸润素养]3．右图为某研究小组测定光照强度对植物叶片光合作用影响的实验装置。将该装置先放在黑暗条件下一段时间，然后给予不同强度的光照。下列关于该实验的叙述，正确的是()A．温度、CO2浓度和有色液滴的移动距离都是无关变量B．CO2缓冲液的作用是维持容器中CO2浓度的稳定C．如果有色液滴向右移动，说明该植物不进行光合作用D．如果有色液滴向左移动，说明该植物不进行光合作用解析：B依题意可知，该实验的目的是探究光照强度对植物叶片光合作用的影响，自变量是光照强度，因变量是光合作用强度，有色液滴的移动距离作为观测的指标属于因变量，温度、CO2浓度等都是无关变量，A错误；CO2缓冲液的作用是维持容器中CO2浓度的稳定，B正确；有色液滴移动的距离是由装置内O2的变化量引起的，如果有色液滴向右移动，说明光合作用释放的O2量大于细胞呼吸吸收的O2量，C错误；如果有色液滴向左移动，可能是光合作用释放的O2量小于细胞呼吸吸收的O2量，D错误。4．“半叶法”测定光合速率时，将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不作处理，设法阻止两部分联系。光照6小时，在A、B截取等面积的叶片，烘干称重，分别记为a、b，光照前截取同等面积的叶片烘干称重的数据为m0，下列说法错误的是()A．若m0－a＝b－m0，则表明该实验条件下番茄叶片的光合速率等于呼吸速率B．本实验需阻止叶片光合产物向外运输，同时不影响水和无机盐的输送C．忽略水和无机盐的影响，A部分叶片可在给B光照时剪下进行等时长的暗处理D．选择叶片时需注意叶龄、着生节位、叶片的对称性及受光条件的一致性解析：Am0－a表示细胞呼吸消耗有机物的量，b－m0表示净光合作用积累有机物的量，总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，说明此时光合速率是呼吸速率的2倍，A错误；本实验通过光合产物有机物的变化来计算光合速率，所以要阻止叶片光合产物向外运输，同时需保证水和无机盐的正常运输，B正确；若忽略水和无机盐的影响，将A部分叶片剪下后暗处理与题干中遮光处理情况相同，A部分叶片均只能进行细胞呼吸消耗有机物，C正确；在对比实验中，应保证无关变量相同且适宜，否则会导致实验结果不准确，D正确；5．某研究小组为测定不同光照条件下黑藻的光合速率，将等量且生理状态相同的黑藻植株，分装于6对黑白瓶(白瓶透光，黑瓶不透光)中，并向瓶中加入等量且溶氧量相同的干净湖水，分别置于六种不同的光照条件下，24h后6对黑白瓶中溶氧量变化情况(不考虑其他生物)如下表。以下说法错误的是()光照强度/klx0(黑暗)abcde白瓶溶氧量/(mg/L)－7＋0＋6＋8＋10＋10黑瓶溶氧量/(mg/L)－7－7－7－7－7－7A.可以根据黑瓶中溶氧量的变化来计算实验条件下黑藻的呼吸速率B．该实验条件下光照强度为a时白瓶中的黑藻不能生长C．白瓶中，当光照强度为d时，若其他条件不变，显著降低CO2浓度，短时间内叶肉细胞中C5含量减少D．可以根据白瓶中溶氧量的变化计算不同光强下黑藻的净光合速率解析：C由表分析可知，黑瓶中不能进行光合作用，只能进行细胞呼吸，其中溶解氧的减少代表水体中生物的呼吸速率，不考虑其他生物，因此可以根据黑瓶中溶氧量的变化来计算实验条件下黑藻的呼吸速率，A正确；表中光照强度为a时，白瓶中溶解氧变化量为0，说明此时黑藻的净光合速率为0，因此，该光照条件下的黑藻不能生长，B正确；白瓶中，当光照强度为d时，若其他条件不变，显著降低CO2浓度，则会导致C5的消耗减少，而C3的还原过程基本不变，因此，短时间内叶肉细胞中C5含量增加，C错误；综合分析可知，白瓶中溶氧量的变化代表黑藻的净光合速率，因此可根据白瓶中溶氧量的变化计算不同光强下黑藻的净光合速率，D正确。(一)珍爱生命·健康生活1．多酶片中的胃蛋白酶和胰酶(胰蛋白酶，胰脂肪酶等)有两层包衣，包括溶于水的糖衣和不溶于酸性溶液的丙烯酸树脂Ⅱ。下列关于多酶片从内到外结构的描述正确的是()A．胃蛋白酶→包丙烯酸树脂Ⅱ→胰酶→包糖衣B．胰酶→包丙烯酸树脂Ⅱ→胃蛋白酶→包糖衣C．胃蛋白酶→包糖衣→包丙烯酸树脂Ⅱ→胰酶D．胰酶→包糖衣→胃蛋白酶→包丙烯酸树脂Ⅱ解析：B多酶片服用后先后经过胃和小肠，胃环境呈较强的酸性，小肠环境呈碱性，因此多酶片从内到外结构为胰酶→包丙烯酸树脂Ⅱ→胃蛋白酶→包糖衣。2．幽门螺旋杆菌(Hp)能产生脲酶催化尿素分解形成氨和二氧化碳，因此若要检测某人胃内是否存在Hp，常用14C呼吸实验检测，受检者口服特殊的尿素[14CO(NH2)2]胶囊，根据受检者是否能产生14CO2及含量判断有无Hp感染。下列相关叙述错误的是()A．脲酶是具有催化作用的蛋白质，能够被蛋白酶水解失活B．温度、pH会影响脲酶的活性，而尿素浓度的改变不影响脲酶活性C．一定时间内产生14CO2的量与脲酶含量有关，与口服尿素剂量无关D．外出聚餐可能会增加Hp的传播途径解析：C脲酶的化学本质是蛋白质，能够被蛋白酶水解失活，A正确；温度、pH会改变蛋白质的结构，从而影响脲酶的活性，而尿素浓度的改变不影响脲酶活性，B正确；一定时间内产生14CO2的量与脲酶含量有关，与口服尿素含量也有关，尿素浓度不影响酶活性，但可在一定程度上直接影响酶促反应速率，C错误；外出聚餐可能感染Hp，因此可能会增加Hp的传播途径，D正确。3．将葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和某种无色的化合物固定于滤纸上制成葡萄糖试纸，待反应结束时将试纸颜色与标准比色卡比对，可判断样本中葡萄糖的含量。检测原理如下：①葡萄糖葡萄糖氧化酶,葡萄糖酸＋过氧化氢②过氧化氢过氧化氢酶,水＋原子氧(未结合成分子的氧原子，氧化性强)③无色化合物＋原子氧→有色化合物下列说法错误的是()A．该葡萄糖试纸可用于检测尿糖含量B．①和②反应的机理是降低化学反应的活化能C．检测样本中葡萄糖的含量时，反应顺序为①→②→③D．葡萄糖试纸一般需要在常温、干燥和氧气充足的条件下保存解析：D葡萄糖含量不同，试纸呈现的颜色深浅不同，因此检测后该试纸颜色的深浅可反映尿糖含量的高低，A正确；①和②反应酶的作用机理是能降低化学反应的活化能，B正确；根据反应产物和底物判断，检测样本中葡萄糖的含量时，反应顺序为①→②→③，C正确；由葡萄糖试纸中含有酶及其反应机理可知，常温、干燥和氧气充足的条件下不适合葡萄糖试纸保存，D错误。(二)科普成果·激励创新4．酶的“诱导契合学说”认为，酶活性中心的结构原来并不和底物的结构完全吻合，当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生变化，有关的各个基团达到正确的排列和定向，使底物和酶契合形成络合物。产物从酶上脱落后，酶活性中心又恢复到原构象。下列相关说法正确的是()A．酶与底物形成络合物时，提供了底物转化成产物所需的活化能B．这一模型可以解释淀粉酶可以催化二糖水解成2分子单糖的过程C．ATP水解释放的磷酸基团使某些酶磷酸化导致其空间结构改变D．酶活性中心的构象发生变化的过程伴随着肽键的断裂解析：C酶的作用机理是降低化学反应的活化能，A错误；酶具有专一性，淀粉酶可以水解淀粉为麦芽糖，不能催化二糖水解成2分子单糖，B错误；ATP在酶的作用下水解时，脱离下来的末端磷酸基团能与某些酶结合，使其磷酸化，从而使其结构发生变化，C正确；酶活性中心的构象发生变化的过程伴随其空间结构的改变，该过程没有肽键的断裂，D错误。5．植物光合作用过程(A)和人工合成淀粉过程(B)如图所示。下列叙述错误的是()A．植物光合作用和人工合成淀粉过程中所需的酶都是在细胞内合成的B．植物光合作用与人工合成淀粉新途径中，能量转换方式和还原剂作用对象均存在差异C．叶肉细胞内类似于CO2→C1中间体→C3中间体的过程需光反应提供NADPH和ATPD．与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，人工合成淀粉过程积累的淀粉的量大于植物积累的淀粉的量解析：C酶是活细胞产生的，上述代谢途径中所需的酶来自生物体内，是在细胞内合成的，A正确；光合作用中能量转换过程为：光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能，还原剂作用对象为C3；淀粉合成新途径中能量转换过程为：光能→电能→有机物中稳定的化学能，还原剂作用对象为二氧化碳，二者均存在差异，B正确；人工合成淀粉新途径中由CO2→C1中间体→C3中间体的过程，类似于绿色植物叶肉细胞内二氧化碳的固定，不需要光反应提供NADPH和ATP，C错误；在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，光合作用、人工合成淀粉两种途径合成糖类相等，而人工光合作用系统没有细胞呼吸消耗糖类，因此人工合成淀粉过程中积累的淀粉量更多，D正确。(三)科学实践·应用发展6．种子质量是农业生产的前提和保障。生产实践中常用TTC法检测种子活力，TTC(无色)进入活细胞后可被[H]还原成TTF(红色)。大豆充分吸胀后，取种胚浸于0.5%TTC溶液中，30℃保温一段时间后部分种胚出现红色。下列叙述正确的是()A．该反应需要在光下进行B．TTF可在细胞质基质中生成C．TTF生成量与保温时间无关D．不能用红色