高考生物二轮复习专题专练(4)　光合作用和细胞呼吸中的“物质与能量观”(含解析）

高考生物二轮复习专题专练
(4)　光合作用和细胞呼吸中的“物质与能量观”
从“高度”上研究高考
[典例]　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3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
D．电子(e－)的有序传递是完成光能转换的重要环节
[解析]　水光解产生O2的场所是叶绿体的类囊体膜上，产生的O2可被有氧呼吸第三阶段利用，其场所在线粒体内膜，氧气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，经过线粒体两层膜后才能被利用，所以至少要穿过4层膜，A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正确；电子(e－)的有序传递是完成光能转换的重要环节，D正确。
[答案]　A
从“深度”上提升知能
(一)细胞呼吸和光合作用的物质、能量转化关系
[图示关系]
　　
[图示解读]
1．物质转化
C
H
O
2.能量变化
3．光合作用与有氧呼吸中有关的NADPH、NADH、ATP的来源与去路分析
(二)不同条件下的物质含量变化的分析
1．连续光照和间隔光照下有机物合成量的分析
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
(2)持续光照条件下，会造成对NADPH、ATP的利用不充分使其有一定积累；光照和黑暗间隔条件下，NADPH、ATP基本不积累，能够被充分利用；因此在光照时间相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比持续光照处理有机物的积累量要多。
2．分析C3、C5等物质含量变化的一般思路
(1)绘制光合作用模式简图
(2)从物质的生成和消耗两个方面综合分析。如CO2供应正常、光照停止时C3的含量变化：
从“宽度”上拓展训练
1．(2022·山东高考)植物细胞内10%～25%的葡萄糖经过一系列反应，产生NADPH、CO2和多种中间产物，该过程称为磷酸戊糖途径。该途径的中间产物可进一步生成氨基酸和核苷酸等。下列说法错误的是(　 )
A．磷酸戊糖途径产生的NADPH与有氧呼吸产生的还原型辅酶不同
B．与有氧呼吸相比，葡萄糖经磷酸戊糖途径产生的能量少
C．正常生理条件下，利用14C标记的葡萄糖可追踪磷酸戊糖途径中各产物的生成
D．受伤组织修复过程中所需要的原料可由该途径的中间产物转化生成
解析：选C　根据题意，磷酸戊糖途径产生的NADPH是为其他物质的合成提供原料，而有氧呼吸产生的还原型辅酶是NADH，能与O2反应产生水，A正确；有氧呼吸是葡萄糖彻底氧化分解释放能量的过程，而磷酸戊糖途径产生了多种中间产物，中间产物还进一步生成了其他有机物，所以葡萄糖经磷酸戊糖途径产生的能量比有氧呼吸少，B正确；正常生理条件下，植物细胞内只有10%～25%的葡萄糖参加了磷酸戊糖途径，其余的葡萄糖会参与其他代谢反应，例如有氧呼吸产生的CO2也会被标记，所以用14C标记葡萄糖，除了追踪到磷酸戊糖途径的含碳产物，还会追踪到参与其他代谢反应的含碳产物，C错误；受伤组织修复即是植物组织的再生过程，细胞需要增殖，所以需要核苷酸和氨基酸等原料，而磷酸戊糖途径的中间产物可生成氨基酸和核苷酸等，D正确。
2．(2022·辽阳模拟)如图表示植物细胞代谢的过程，下列有关叙述正确的是(　 )
A．过程①可表示渗透吸水，对④⑤⑥⑦⑧过程研究，发现产生的能量大部分储存于ATP中
B．过程④发生在细胞质基质中，过程②产生的能量可用于矿质离子的吸收过程
C．过程③产生的C6H12O6的氧全部来自CO2，过程⑧可在根尖细胞线粒体内膜上进行
D．就叶肉细胞来说，若②O2的释放量大于⑧O2的吸收量，则该植物体内有机物的量将增加
解析：选C　过程①表示渗透吸水，过程④⑤⑥⑦⑧产生的能量大部分以热能的形式散失掉了，少部分储存于ATP中，A错误；过程④表示细胞呼吸第一阶段，发生在细胞质基质中。过程②表示光反应阶段，该阶段产生的能量只能用于暗反应阶段，不可用于矿质离子的吸收过程，B错误；过程③表示暗反应阶段，产生的C6H12O6中的氧来自CO2，过程⑧表示有氧呼吸第三阶段，可在根尖细胞线粒体内膜上进行，C正确；就叶肉细胞来说，若过程②O2的释放量大于过程⑧O2的吸收量，说明叶肉细胞光合速率大于呼吸速率，但整个植株所有细胞的呼吸作用可能大于或等于所有叶肉细胞的光合作用，则该植物体内有机物的量可能会减少或不变，D错误。
3．(2022·石家庄二模)在适宜的光照条件下，向某一密闭环境通入14CO2，并改变其浓度，测定不同时间叶片中葡萄糖、C5和C3三种化合物中14C的变化情况，实验结果如图。下列分析正确的是(　 )
A．图中曲线a、b、c分别表示C5、C3、葡萄糖的含量变化
B．在暗反应阶段中14C的转移途径是14CO2→14C5→14C3→(14CH2O)
C．0～20分钟内该叶片光合作用强度等于呼吸强度，维持动态平衡
D．第15分钟时，14CO2浓度由0.003%变成1%，NADPH和ATP都减少
解析：选D　0～5分钟内，CO2供给稳定，C3与C5含量保持稳定，葡萄糖含量增多，故曲线c为葡萄糖的含量变化，5分钟时突然降低CO2浓度，C5与CO2固定生成C3速度减慢，C3的还原正常进行，故C3减少，C5增多，所以a应当是C3含量、b应当是C5含量，A错误；在暗反应阶段中14C的转移途径是14CO2→14C3→(14CH2O)，B错误；由曲线c可知，实验过程中葡萄糖的含量整体呈上升趋势，可知实验过程中该叶片光合作用强度大于呼吸强度，葡萄糖积累，C错误；第15分钟时，14CO2浓度由0.003%变成1%，CO2浓度升高，那么C3的含量就会升高，消耗的NADPH和ATP将会增多，而产生的NADPH和ATP基本不变，因此NADPH和ATP的含量都减少，D正确。
4．人线粒体呼吸链受损可导致代谢物X的积累，由此引发多种疾病。动物实验发现，给呼吸链受损小鼠注射适量的酶A和酶B溶液，可发生如图所示的代谢反应，从而降低线粒体呼吸链受损导致的危害。据图回答以下问题：
(1)呼吸链受损会导致________(填“有氧”或“无氧”)呼吸异常，代谢物X是________。
(2)过程⑤中酶B的名称为______________，使用它的原因是______________________。
(3)过程④将代谢物X消耗，对内环境稳态的作用和意义是________________________
_______________________________________________________________________。
解析：(1)有氧呼吸主要在线粒体内，而无氧呼吸在细胞质基质。人线粒体呼吸链受损，会导致有氧呼吸异常。丙酮酸能够分解转化成代谢产物X，场所在细胞质基质中，可以得出X是无氧呼吸的产物乳酸。(2)酶B可以使过氧化氢分解为水和氧气，所以为过氧化氢酶，其作用是催化过氧化氢的分解，避免过氧化氢对细胞的毒害作用。(3)代谢物X为乳酸，过程④可以将其分解，避免了乳酸的大量积累，维持细胞内的pH稳定；是机体进行正常生命活动的必要条件。
答案：(1)有氧　乳酸(C3H6O3)　(2)过氧化氢酶　催化过氧化氢的分解，避免过氧化氢对细胞的毒害　(3)避免乳酸的积累，维持细胞内的pH；是机体进行正常生命活动的必要条件
[微课微练·一点一评]
一、选择题
1．如图表示细胞呼吸作用的过程，其中①～③代表有关生理过程发生的场所，甲、乙代表有关物质。下列相关叙述正确的是(　 )
A．①和②都具有双层生物膜
B．①和②都能产生少量ATP
C．②和③所含酶的种类相同
D．甲、乙分别代表NADH、丙酮酸
解析：选B　①表示细胞质基质，②表示线粒体基质，二者都不含生物膜，A错误；①中进行的是有氧呼吸的第一阶段，②中进行的是有氧呼吸的第二阶段，都会释放少量的能量，产生少量的ATP，B正确；②中进行的是有氧呼吸的第二阶段，③中进行的是有氧呼吸的第三阶段，由于酶的专一性，两者所含酶的种类不同，C错误；甲是有氧呼吸第一阶段生成的物质，表示丙酮酸；乙能与氧气结合生成水，表示NADH，D错误。
2．(2022·衡阳三模)人体正常细胞中的P53蛋白能促进丙酮酸进入线粒体，以维持正常的代谢途径。癌细胞中的P53蛋白功能异常，从而影响了细胞呼吸过程。下列说法错误的是(　 )
A．丙酮酸在细胞质基质中转化为乳酸的过程不会生成ATP
B．人体细胞中的丙酮酸只有进入线粒体才能被氧化分解产生CO2
C．P53蛋白功能异常会导致癌细胞从内环境中摄取更多的葡萄糖
D．与正常细胞相比，癌细胞分解等质量的葡萄糖会产生更多热能
解析：选D　丙酮酸在细胞质基质中转化为乳酸的过程为无氧呼吸第二阶段，不会生成ATP，A正确；人体细胞只有进行有氧呼吸的第二阶段时才能产生CO2，因此丙酮酸只有进入线粒体才能被分解产生CO2，B正确；P53蛋白功能异常会导致癌细胞从内环境中摄取更多的葡萄糖以满足自身对能量的需求，C正确；癌细胞中的丙酮酸不能进入线粒体，不能被彻底地氧化分解，因此与正常细胞相比，癌细胞分解等质量的葡萄糖释放的热能较少，D错误。
3．(2022·丹东二模)缺氧状态下，金鱼的大部分组织(如大脑、肝脏和心脏)细胞中进行正常的乳酸发酵，生成的乳酸能够通过血液循环被运输到骨骼肌细胞中进行一系列物质转化，产生的终产物则是乙醇，其生理机制如图。下列相关分析错误的是(　 )
A．金鱼的乳酸转化机制可使其在缺氧环境中生存一段时间
B．图中①②③过程均发生在细胞质基质中
C．金鱼体内同时存在催化产生乳酸和酒精的酶
D．金鱼肌细胞和其他细胞无氧呼吸产物不同的根本原因是基因不同
解析：选D　金鱼的乳酸转化机制可使其在缺氧环境中进行无氧呼吸提供能量，可在缺氧环境中生存一段时间，A正确；①过程无氧呼吸产生乳酸，发生的场所是细胞质基质，②过程表示葡萄糖被氧化分解成丙酮酸，发生的场所是细胞质基质；过程③是丙酮酸经过不彻底地氧化形成酒精，发生的场所也是细胞质基质，B正确；据图分析可知，金鱼体内可产生乳酸和酒精，说明金鱼体内同时存在催化产生乳酸和酒精的酶，C正确；金鱼肌细胞和其他细胞无氧呼吸产物不同的根本原因是基因的选择性表达，D错误。
4．(2022·枣庄模拟)卡尔文等人研究了CO2转化为糖的途径：用放射性14C标记的CO2(即14CO2)供小球藻进行光合作用，追踪14C的去向。在不同时间段对产物进行了分析，下列有关该实验的叙述错误的是(　 )
A．光照几分之一秒时，放射性首先出现在C3中，说明CO2可以转化成C3
B．光照几秒后，将检测到六碳糖中含有放射性
C．实验条件不变的情况，C3和C5的含量保持相对稳定
D．如果突然中断供应CO2，C5就会积累，C3浓度则急剧上升
解析：选D　光照几分之一秒时，放射性首先出现在一种三碳化合物(C3)中，说明CO2可以转化成C3，A正确；六碳糖是光合作用的产物之一，其是由C3被还原后生成的，故光照几秒后，可检测到其中含有放射性，B正确；条件不变的情况下，小球藻的光合速率相对稳定，C3和C5的含量也保持相对稳定，C正确；如果突然中断CO2供应，导致CO2的固定速率降低，C5就会积累，C3的还原仍可进行，因此C3浓度急剧下降，D错误。
5．(2022·淄博模拟)研究人员以生长状况相同的绿色植物为材料，在相同的条件下进行了四组实验。其中D组连续光照T秒，A、B、C组依次增加光照—黑暗的交替频率，每组处理的总时间均为T秒，发现单位光照时间内光合作用产物的相对含量从A到C依次增大。下列相关说法正确的是(　 )
A．实验说明白天给予一定频率的遮光有利于农作物增产
B．实验过程中C组积累的有机物最多
C．实验结束后立即检测植物体内NADPH含量，D组最高
D．实验组由黑暗变为光照时，光反应速率增加，暗反应速率变小
解析：选C　实验说明在光照时长固定的情况下，增加光照—黑暗的交替频率，光合效率可以提高，但白天遮光会缩短光照时间，同样不利于农作物增产，A错误；实验过程中D组光照时间最长，所以D组积累的有机物最多，B错误；因为D组持续光照，有NADPH积累，故实验结束后D组NADPH含量最高，C正确；实验组由黑暗变为光照时，光反应速率增加，暗反应速率也增加，D错误。
6．(2022·石家庄三模)将正常生长的绿萝盆栽，由夏季中午炎热环境转移到温度适宜但光照强度相同的环境中培养，短时间内叶绿体会发生的变化是(　 )
A．H2O在光下分解速率减弱
B．卡尔文循环减弱
C．ADP/ATP的比值下降
D．C3/C5的比值上升
解析：选D　结合题意可知，环境变化中光照强度不变，故H2O在光下分解速率基本不变，A错误；温度适宜，气孔打开，进入细胞的二氧化碳增多，则卡尔文循环增强，B错误；环境变化中光照强度不变，虽然温度变化导致酶的活性发生了改变，但是细胞内ATP和ADP的相互转化是时刻不停且动态平衡的，ADP/ATP的比值几乎不变，C错误；进入细胞的二氧化碳增多，CO2＋C5→C3的过程加快，短时间内C3/C5的比值上升，D正确。
7．如图是生物体内能量供应及利用的示意图，下列说法错误的是(　 )
A．a过程一定伴随O2的释放，d过程不需要O2的直接参与
B．a过程产生的ATP和NADPH可用于b过程中C3的还原
C．a、c中合成ATP所需的能量来源不同
D．c过程葡萄糖中的化学能全部转移到ATP中
解析：选D　a表示光反应阶段，该过程一定伴随O2的释放，d表示ATP水解过程，该过程不需要O2的直接参与，A正确；a(光反应)过程产生的ATP和NADPH可用于b(暗反应)过程中C3的还原，B正确；a、c中合成ATP所需的能量来源不同，a过程合成ATP所需能量来自光能，而c过程合成ATP所需能量来自有机物，C正确；c过程葡萄糖中的化学能只有少部分转移到ATP中，大部分以热能的形式散失，D错误。
8．(2022·保定模拟)如图表示植物叶肉细胞叶绿体的类囊体薄膜上发生的部分代谢过程，其中运输H＋的载体蛋白有两种类型，从而实现H＋在膜两侧间的穿梭。下列分析错误的是(　 )
A．图中过程产生了氧气、ATP和NADPH等
B．H＋可由叶绿体基质进入类囊体腔，该过程属于主动运输但消耗的能量不是由ATP提供的
C．通过类囊体薄膜转运H＋的两种机制不相同
D．据图分析，氧气产生后扩散到细胞外共需要穿过3层生物膜
解析：选D　光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，图示过程为光合作用的光反应阶段，发生在类囊体薄膜上，该过程产生了氧气、ATP和NADPH等，A正确；图中在类囊体膜上H＋的顺浓度梯度的推动下促进了ATP的合成，显然H＋由叶绿体基质进入类囊体腔是逆浓度梯度进行的，属于主动运输，消耗能量，从图中看出，没有消耗ATP，B正确；通过类囊体薄膜转运H＋的两种机制不相同，H＋进入类囊体腔是逆浓度进入的属于主动运输，而从类囊体腔转运出去是通过协助扩散完成的，C正确；O2在类囊体腔中产生，首先需要穿过类囊体薄膜达到叶绿体基质中，再穿过叶绿体的两层膜结构到达细胞质基质中，再穿过细胞膜到达细胞外，该过程穿越了4层生物膜，D错误。
二、非选择题
9．马铃薯植株下侧叶片合成的有机物主要运向块茎贮藏，其光合作用产物的形成及运输如图。请回答：
(1)取马铃薯植株下侧叶片，提取叶绿体色素，用纸层析法分离色素，在滤纸条上扩散速度最快的色素是____________，该色素主要吸收可见光中的____________光。
(2)图中②过程需要光反应提供______________将C3转变成磷酸丙糖。
(3)给马铃薯植株下侧叶片提供14CO2，块茎中的淀粉含有14C，请写出C元素转移的路径__________________________(用相关物质及箭头表示)。
(4)用HO浇灌马铃薯植株，后来在淀粉中检测到18O，其原因是______________________________________________________。
(5)图中液泡里的蔗糖可水解为______________，____________(填“有利于”或“不利于”)增强其抗旱力。为了验证光合产物以蔗糖的形式运输，研究人员将酵母菌蔗糖酶基因转入植物，该基因表达的蔗糖酶定位在叶肉细胞的细胞壁上，结果发现转基因植物出现严重的小块茎现象，其原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)纸层析法分离色素时，色素在层析液中的溶解度越高，其扩散速度越快，层析后在滤纸条上扩散速度最快的色素是胡萝卜素，其主要吸收蓝紫光。(2)②过程是暗反应中的C3的还原阶段，该阶段需要光反应阶段提供的NADPH和ATP，将C3转变成磷酸丙糖。(3)为马铃薯叶片提供14CO2，可进入光合作用过程中的暗反应中生成C3，C3被还原生成磷酸丙糖，进而形成蔗糖，蔗糖形成淀粉，即14CO2→14C3→磷酸丙糖→蔗糖→淀粉。(4)用HO浇灌马铃薯植株，HO通过细胞呼吸形成C18O2，再通过光合作用转化进入淀粉，故后来能在淀粉中检测到18O。(5)蔗糖属于二糖，液泡里的蔗糖可水解为葡萄糖和果糖；二糖水解为单糖后细胞液渗透压增大，有利于增强其抗旱力；由于叶肉细胞壁上的蔗糖酶水解蔗糖，导致进入韧皮部的蔗糖减少，块茎得到的蔗糖不足，生长缓慢，故转基因植物出现严重的小块茎现象。
答案：(1)胡萝卜素　蓝紫　(2)NADPH和ATP　(3)14CO2→14C3→磷酸丙糖→蔗糖→淀粉　(4)HO通过细胞呼吸形成C18O2，再通过光合作用转化进入淀粉　(5)葡萄糖和果糖　有利于　叶肉细胞壁上的蔗糖酶水解蔗糖，导致进入韧皮部的蔗糖减少，块茎得到的糖不足，生长缓慢
10．(2021·江苏高考)线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。下图表示叶肉细胞中部分代谢途径，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”，请据图回答下列问题。
(1)叶绿体在__________上将光能转变成化学能，参与这一过程的两类色素是________________________________________________________________________。
(2)光合作用时，CO2与C5结合产生三碳酸，继而还原成三碳糖(C3)，为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3必须用于再生______；运到细胞质基质中的C3可合成蔗糖，运出细胞。每运出一分子蔗糖相当于固定了______个CO2分子。
(3)在光照过强时，细胞必须耗散掉叶绿体吸收的过多光能，避免细胞损伤。草酰乙酸/苹果酸穿梭可有效地将光照产生的__________中的还原能输出叶绿体，并经线粒体转化为________中的化学能。
(4)为研究线粒体对光合作用的影响，用寡霉素(电子传递链抑制剂)处理大麦，实验方法是：取培养10～14 d大麦苗，将其茎浸入添加了不同浓度寡霉素的水中，通过蒸腾作用使药物进入叶片。光照培养后，测定、计算光合放氧速率(单位为μmol O2 mg－1chl h－1，chl为叶绿素)。请完成下表。
实验步骤或目的 简要操作过程
配制不同浓度的寡霉素丙酮溶液 寡霉素难溶于水，需先溶于丙酮，配制高浓度母液，再用丙酮稀释成不同药物浓度，用于加入水中
设置寡霉素为单一变量的对照组 ①________________________________________
②__________________________ 对照组和各实验组均测定多个大麦叶片
光合放氧测定 用氧电极测定叶片放氧
③____________________ 称重叶片，加乙醇研磨，定容，离心，取上清液测定
解析：(1)光合作用光反应场所为类囊体薄膜，将光能转变成化学能，参与该反应的光合色素是叶绿素和类胡萝卜素。(2)据题意在暗反应进行中为维持光合作用持续进行，部分新合成的C3可以转化为C5继续被利用；一分子蔗糖含12个C原子，故需要12个CO2分子参与合成一分子蔗糖。(3)NADPH起还原剂的作用，含有还原能，细胞呼吸过程中能量释放用于合成ATP中的化学能和热能。(4)设计实验遵循单一变量原则、对照原则、等量原则。表格完善见答案。
答案：(1)类囊体薄膜　叶绿素和类胡萝卜素　(2)C5　12　(3)NADPH　ATP　(4)①在水中加入相同体积不含寡霉素的丙酮　②减少叶片差异产生的误差　③叶绿素定量测定(或测定叶绿素含量)