情境突破课3　光系统及电子传递链二氧化碳固定途径光呼吸

情境突破课3

光系统及电子传递链、二氧化碳固定途径、光呼吸高考总复习优化设计GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI2025情境一光系统及电子传递链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。

命题情境阅读(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。(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。

命题角度设计类囊体(薄)膜叶绿素和类素吸收、传递和转换光能水NADP+(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

。

(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下图为类囊体薄膜上发生的光反应示意图,PSⅠ和PSⅡ分别是光系统Ⅰ和光系统Ⅱ,是叶绿素和蛋白质构成的复合体,能吸收利用光能进行电子的传递。PQ、Cytbf、PC是传递电子的蛋白质,其中PQ在传递电子的同时能将H+运输到类囊体腔中。图中实线为电子的传递过程,虚线为H+的运输过程。情境突破训练以下说法错误的是(

)A.ATP合成酶由CF0和CF1两部分组成,在进行H+顺浓度梯度运输的同时催化ATP的合成B.图中电子传递的过程,最初提供电子的物质为水,最终接受电子的物质为NADP+C.类囊体两侧H+浓度差的建立仅由PQ主动运输H+进入类囊体腔而形成的D.光反应产生的氧气可用于细胞的有氧呼吸,且在线粒体内膜消耗C解析

ATP合成酶由CF0和CF1两部分组成,利用类囊体薄膜两侧的H+浓度差,类囊体膜上的ATP合成酶合成了ATP,A项正确;根据图中所示,水光解后产生氧气、H+和电子,故最初提供电子的物质为水,水光解后电子将NADP+还原为NADPH,故最终接受电子的物质为NADP+,B项正确;图中水光解产生H+,使类囊体腔内H+浓度升高,H+顺浓度梯度运输到类囊体腔外,而H+在类囊体薄膜上与NADP+结合形成NADPH使类囊体腔外的H+浓度降低,同时还可以通过PQ主动运输运回到类囊体腔内,这样就保持了类囊体薄膜两侧的H+浓度差,C项错误;光反应产生的氧气可用于细胞的有氧呼吸,有氧呼吸的第三阶段消耗氧气,场所是线粒体内膜,D项正确。情境二二氧化碳固定途径的多样性和适应性不同的植物的CO2固定的过程不一样,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。命题情境阅读(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、某著名企业等。(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。(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

。PEP羧化酶对CO2具有高亲和力,C4植物可利用低浓度的CO2进行光合作用命题角度设计叶绿体类囊体薄膜叶肉细胞和维管束鞘CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)维管束鞘低(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”)。

不能没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH基本不变1.(2024·广东梅州模拟)景天科植物有一个很特殊的CO2同化方式:夜间气孔开放,吸收的CO2先形成苹果酸储存在液泡中,当白天气孔关闭时,液泡中的苹果酸经脱羧作用,释放出CO2用于光合作用,情境突破训练下列叙述错误的(

)A.该代可防止景天科植物在白天大量散失水分,有利于适应干旱环境B.景天科植物白天进行光合作用,暗反应固定的CO2来自苹果酸脱羧作用C.与常见的C3途径植物相比,夜间将景天科植物放置于室内更有益于人体健康D.白天,突然降低外界CO2浓度,景天科植物叶肉细胞中C3的含量无明显变化B解析

该代即白天关闭气孔,可防止景天科植物在白天大量散失水分,有利于适应干旱环境,A项正确;景天科植物白天进行光合作用,暗反应固定的CO2来自苹果酸脱羧作用和呼吸作用,B项错误;景天科植物晚上打开气孔,吸收CO2,故夜间将景天科植物放置于室内,可以降低室内的CO2浓度,更有益于人体健康,故突然降低外界CO2浓度,景天科植物叶肉细胞中C3的含量无明显变化,C、D两项正确。2.(2022·全国甲卷)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)。ATP、NADPH和O2自身呼吸需要消耗有机物或建造植物体结构需要有机物(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

。

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3.黑藻固定CO2有两条途径(如图):①CO2在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)催化下直接与C5反应生成C3;②CO2先在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)催化下与磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反应生成C4(四碳化合物),当Ca2+储存到一定量时分解放出CO2参与暗反应。已知PEPC对CO2亲和力是Rubisco的几十倍。回答下列问题。(1)由图可知,丙酮酸转化为PEP的过程属于

(填“吸能”或“放能”)反应。黑藻细胞固定CO2的具体场所是

,C3的还原需要

提供能量。

(2)研究发现黑藻经低浓度CO2处理后,PEPC与Rubisco的活性比值由0.47上升到4.17,试分析发生这一变化的意义:

。PEPC对CO2亲和力大,PEPC活性增大有利于黑藻在低浓度CO2条件下固定CO2黑藻具有这种生理特性是长期

的结果。

吸能细胞质基质、叶绿体基质ATP和NADPH自然选择(3)为了探究在低浓度CO2处理下黑藻固定CO2途径改变的分子机制,研究人员检测了低浓度CO2处理前后黑藻体内两种PEPC基因的表达情况,结果如图所示由图可知,在低浓度CO2处理下黑藻固定CO2途径改变的分子机制是

。

PEPC2基因大量表达,PEPC2含量明显增加解析

(1)结合图示可知,丙酮酸转化为PEP的过程伴随着ATP的水解,故该过程属于吸能反应;黑藻细胞可以在细胞质基质中利用低浓度的CO2固定为C4,在叶绿体基质中利用高浓度的CO2与C5生成C3;C3的还原过程需要光反应产生的NADPH和ATP提供能量。(2)研究发现黑藻经低浓度CO2处理后,PEPC与Rubisco的活性比值由0.47上升到4.17,结合题图可知,经低浓度CO2处理后,PEPC的活性提高,改变了黑藻固定CO2的途径,有利于黑藻细胞在低浓度CO2条件下增强固定CO2的能力,以提高光合作用强度;黑藻具有这种生理特性是长期自然选择的结果。(3)“探究在低浓度CO2处理下黑藻固定CO2途径改变的分子机制”,分析实验结果图示可知,在低浓度CO2处理下,PEPC1基因表达的相对含量稍有下降,而PEPC2基因表达的相对含量明显增加,推测是由于低浓度CO2处理诱导PEPC2基因表达增强,使PEPC2基因的表达相对含量增加,PEPC2含量明显增加,引起固定CO2的能力增强。情境三光呼吸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,在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:命题情境阅读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。(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:

。

答案

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)研究发现,光合产物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。实际生产中,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

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命题角度设计1.(2021·山东卷)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。情境突破训练(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

。

光照停止,产生的ATP、NADPH减少,暗反应消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多(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

。

喷施SoBS溶液后,光合作用固定的CO2增加,光呼吸释放的CO2减少,即叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。此时,在更低的光照强度下,两者即可相等基质低(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物,农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度,据表分析,应在

mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。

100~300解析

(1)C5位于叶绿体基质中,则O2与C5结合发生的场所在叶绿体基质中。突然停止光照,则光反应产生的ATP、NADPH减少,暗反应消耗的C5减少,C5与O2结合增加,产生的CO2增多。(2)与对照组相比,喷施100

mg/L

SoBS溶液后,光合作用固定的CO2增加,光呼吸释放的CO2减少,即叶片的CO2吸收量增加、释放量减少。此时,在更低的光照强度下,两者即可相等。(3)光呼吸会消耗有机物,但光呼吸会释放CO2,补充光合作用的原料,适当抑制光呼吸可以增加作物产量,由表可知,在

SoBS溶液浓度为200

mg/L时光合作用强度与光呼吸强度差值最大,即光合产量最大,为了进一步探究SoBS溶液的最适喷施浓度,应在100~300

mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。2.(2024·广东深圳统考)光呼吸是进行光合作用的细胞在光照和O2/CO2的值异常时发生的一种生理过程,它是光合作用一个损耗能量的副反应,该过程中氧气被消耗,并且会生成二氧化碳。如图表示光呼吸与光合作用的关系。回答