高考生物情境突破课3 二氧化碳固定、光呼吸、光系统及电子传递链

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。
(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。
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。
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
[命题设计] (1)PSⅠ和PSⅡ镶嵌在叶绿体的____类__囊__体__(_薄__)膜______上,含有的光合色素 主要包括___叶__绿__素__和__类__胡__萝__卜__素_______两大类,这些色素的主要功能有 ___吸__收__、__传__递__和__转__换__光__能____。 (2)图示过程中,PSⅡ和PSⅠ以串联的方式协同完成电子由___水_____(物质) 释放、最终传递给____N_A_D__P_+____(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+ ___转__运__至__类__囊__体__膜__内__(类__囊__体__腔__内__)_____,同时还在形成 NADPH的过程中____消__耗_______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_____为__光__反__应__中__A_T_P_的__合__成__过__程__提__供__能__量_______________。
(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
[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)。
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Biblioteka 最终还是 通过C3途径合成光合产物等。
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
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
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。
(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】
(2021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
【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5 min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
(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________________________________。
【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。
【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:
(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
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。
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
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
高考生物重难点情境突破课
3 二氧化碳固定、光呼吸、光 系统及电子传递链
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。
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。