(共23张PPT)
微专题3 光系统及电子传递链，
C3途径、C4途径和CAM途径及光呼吸
1．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。
(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)电子传递过程是从高电势到低电势(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＋)逆浓度梯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合酶顺浓度梯度流出，而ATP合酶利用质子顺浓度梯度流出时产生的能量来合成ATP。
2．C3途径、C4途径和CAM途径
不同的植物，暗反应的过程不同，叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境适应的结果。C3途径、C4途径和CAM途径是因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，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、烟草等。
(2)C4途径：通过C4途径固定CO2的植物称为C4植物，主要生长于干旱热带地区。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散失过快。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植物对CO2的两次固定在空间上是分开的：在叶肉细胞内固定CO2，在维管束鞘细胞内同化CO2。
(3)景天酸代谢：CAM途径。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。
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，通过卡尔文循环转变成糖。这是植物对干旱环境的适应。
CAM植物对CO2的两次固定在时间上是分开的：在晚上固定CO2，在白天同化CO2。
3．光呼吸
光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco。在暗反应中，Rubisco能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光照下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco，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%。过程如下图所示：
光呼吸对生物体有一定的危害。首先，在较强光下，光呼吸加强，使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，防止强光对叶绿体造成破坏。
√
1．(2021·重庆选择考)下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，至少要穿过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
解析：水光解产生O2的场所是叶绿体的类囊体薄膜，若被有氧呼吸利用，其场所是线粒体内膜，O2从叶绿体类囊体薄膜开始，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5层膜，A项错误；光反应中NADP＋与电子(e－)和质子(H＋)结合形成NADPH，提供给暗反应使用，B项正确；由题图可知，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。
√
2．原本生活在干旱地区的多肉植物，经研究发现其CO2固定过程非常特殊，被称为景天酸代谢途径。其光合作用产生的中间产物苹果酸在CO2的固定和利用过程中起重要作用，过程如下图所示。据图分析，下列叙述错误的是( )
A．进行景天酸代谢的植物白天进行光反应，
积累ATP和NADPH，晚上进行暗反应合成有机物
B．图示的代谢方式可以有效地避免植物由
蒸腾过度导致的脱水，从而使该类植物适应干旱环境
C．与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是进行景天酸代谢途径的植物
D．多肉植物在其原生地环境中，其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化
解析：白天在光照条件下，进行景天酸代谢的植物通过光反应生成NADPH和ATP，用于暗反应，晚上植物没有NADPH和ATP的供应，暗反应不能进行，A项错误；图示景天酸代谢途径，白天气孔关闭减少水分散失，可以有效地避免植物由蒸腾过度导致的脱水，从而使该类植物适应干旱环境，B项正确；由于进行景天酸代谢途径的植物晚上气孔开放，不断吸收CO2用于合成苹果酸，空气中的CO2减少，因此，与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是进行景天酸代谢途径的植物，C项正确；多肉植物在晚上吸收CO2生成苹果酸储存在液泡中(pH降低)，白天苹果酸分解产生CO2用于暗反应(pH升高)，因此其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化，D项正确。
√
3．(2025·肇庆高三调研)大豆、玉米等植物的叶绿体中存在一种名为Rubisco的酶，参与卡尔文循环和光呼吸。在较强光照下，Rubisco以五碳化合物(RuBP)为底物，在CO2/O2值高时，使RuBP结合CO2发生羧化；在CO2/O2值低时，使RuBP结合O2发生氧化进行光呼吸，具体过程如下图所示。下列有关说法正确的是( )
A．大豆、玉米等植物的叶片中消耗O2的场所有叶绿体、线粒体
B．光呼吸发生在叶肉细胞的细胞质基质和叶绿体中
C．有氧呼吸和光呼吸均产生ATP
D．在干旱、晴朗的中午，叶肉细胞中光呼吸强度会比通常条件下低
解析：玉米、大豆叶片中通过有氧呼吸消耗O2的场所是线粒体内膜，通过光呼吸消耗O2的场所是叶绿体基质，A项正确。由题干信息“在较强光照下，Rubisco以五碳化合物(RuBP)为底物，在CO2/O2值高时，使RuBP结合CO2发生羧化；在CO2/O2值低时，使RuBP结合O2发生氧化进行光呼吸”可知，光呼吸和卡尔文循环发生场所一致，均为叶绿体基质，B项错误。由题图可知，在CO2/O2值低时，RuBP结合O2发生光呼吸，光呼吸会消耗多余的ATP，C项错误。干旱、晴朗的中午，胞间CO2浓度会降低，叶肉细胞中光呼吸强度较通常条件下会增强，D项错误。
4．植物消耗氧气，将RuBP(C5)转化成CO2的过程称作光呼吸。RuBP羧化酶/加氧酶(Rubisco)不仅能催化CO2与RuBP进行羧化反应，还能催化氧气与RuBP的氧化反应，相关过程如下图所示。回答下列问题。
(1)Rubisco催化RuBP的羧化反应发生在真核细胞的____________(填具体部位)，这一过程称作__________，反应形成的产物被____________________还原为糖类。
解析：RuBP羧化酶/加氧酶能催化CO2与RuBP进行羧化反应，CO2与RuBP反应的过程被称为CO2的固定，发生在叶绿体基质中，CO2与RuBP反应的产物(C3)接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原，转化为糖类。
叶绿体基质
CO2的固定
NADPH(还原型辅酶Ⅱ)
(2)当CO2与O2的比值________(填“较高”或“较低”)时，更有利于植物进行羧化反应。对农作物的研究表明甲醇可以抑制光呼吸，已知植物细胞的光呼吸与乙醇酸氧化酶活性呈正相关，结合题干信息推测，甲醇抑制光呼吸的机制是_______________________________________。
解析：当CO2的含量较高时，CO2更容易与RuBP进行羧化反应，故当CO2与O2的比值较高时，更有利于植物进行羧化反应。甲醇可以抑制光呼吸，且植物细胞的光呼吸与乙醇酸氧化酶活性呈正相关，故可推测甲醇通过抑制乙醇酸氧化酶的活性来抑制光呼吸。
较高
通过抑制乙醇酸氧化酶的活性来抑制光呼吸
(3)在小麦、水稻等C3作物中，光呼吸导致光合作用的转化效率降低20%～50%，根据Rubisco的特性，改良作物的措施有________________________________________________________________
________________________________________(答出2点即可)。
解析：为了降低植物的光呼吸，可以改造Rubisco，使其具有更高的CO2亲和力和催化效率；改进植物浓缩CO2的机制，提升Rubisco附近的CO2浓度。
改造Rubisco，使其具有更高的CO2亲和力和催化效率；改进植物浓缩CO2的机制，提升Rubisco附近的CO2浓度
5．有研究表明，大气中CO2浓度上升会提高C3植物(如小麦、水稻等)的光合速率，但对C4植物(如玉米、甘蔗等)的光合速率未产生明显的促进作用。当光照强度持续增加时， C3植物的光合速率不再增加， C4植物的光合速率仍可增加(注：进行光合作用时，CO2首先被固定在C4中，然后才转移到C3中，这类植物称为C4植物，CO2直接固定在C3中的植物称为C3植物)。下图为C4植物光合作用过程示意图。回答下列问题。
(1)植物光合作用的光反应在叶肉细胞的____________(填具体部位)上发生，产生的______________(填具体物质)为卡尔文循环提供能量。
(2)根据题干推测，在一般条件下，C4植物的CO2饱和点(光合速率不再随CO2浓度增加而增加时的CO2浓度)________(填“大于”“等于”或“小于”)C3植物的，其光饱和点(光合速率不再随光照强度增加而增加时的光照强度)________(填“大于” “等于”或“小于”)C3植物的。
类囊体薄膜
ATP和NADPH
小于
大于
(3)大气中CO2浓度上升能够提高C3植物的光合作用效率，但对C4植物无明显影响。据上图分析可能的原因是
________________________________________________________________。
(4)有人认为干旱环境对C4植物光合作用的影响比C3植物的小，请设计实验验证这一结论，写出实验思路和预期结果(检测方法不做要求)。
实验思路：_______________________________________________________
_______________________________________________________________。
预期结果：______________________________。
PEP含量少或将PEP转化为C4的酶活性较低
将长势相同的C3植物与C4植物置于同样的干旱环境中培养，一段时间后检测两种植株的生长情况
C4植物的生长量大于C3植物的微专题3 光系统及电子传递链，C3途径、C4途径和CAM途径及光呼吸
INCLUDEPICTURE "专题知识CSJ.TIF"
1．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。
(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)电子传递过程是从高电势到低电势(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＋)逆浓度梯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合酶顺浓度梯度流出，而ATP合酶利用质子顺浓度梯度流出时产生的能量来合成ATP。
2．C3途径、C4途径和CAM途径
不同的植物，暗反应的过程不同，叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境适应的结果。C3途径、C4途径和CAM途径是因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，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、烟草等。
(2)C4途径：通过C4途径固定CO2的植物称为C4植物，主要生长于干旱热带地区。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散失过快。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植物对CO2的两次固定在空间上是分开的：在叶肉细胞内固定CO2，在维管束鞘细胞内同化CO2。
(3)景天酸代谢：CAM途径。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。
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，通过卡尔文循环转变成糖。这是植物对干旱环境的适应。
CAM植物对CO2的两次固定在时间上是分开的：在晚上固定CO2，在白天同化CO2。
3．光呼吸
光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco。在暗反应中，Rubisco能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光照下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco，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%。过程如下图所示：
光呼吸对生物体有一定的危害。首先，在较强光下，光呼吸加强，使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，防止强光对叶绿体造成破坏。
INCLUDEPICTURE "专题训练CSJ.TIF"
1．(2021·重庆选择考)下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 )
A．水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，至少要穿过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
解析：水光解产生O2的场所是叶绿体的类囊体薄膜，若被有氧呼吸利用，其场所是线粒体内膜，O2从叶绿体类囊体薄膜开始，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5层膜，A项错误；光反应中NADP＋与电子(e－)和质子(H＋)结合形成NADPH，提供给暗反应使用，B项正确；由题图可知，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。
2．原本生活在干旱地区的多肉植物，经研究发现其CO2固定过程非常特殊，被称为景天酸代谢途径。其光合作用产生的中间产物苹果酸在CO2的固定和利用过程中起重要作用，过程如下图所示。据图分析，下列叙述错误的是( A )
A．进行景天酸代谢的植物白天进行光反应，积累ATP和NADPH，晚上进行暗反应合成有机物
B．图示的代谢方式可以有效地避免植物由蒸腾过度导致的脱水，从而使该类植物适应干旱环境
C．与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是进行景天酸代谢途径的植物
D．多肉植物在其原生地环境中，其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化
解析：白天在光照条件下，进行景天酸代谢的植物通过光反应生成NADPH和ATP，用于暗反应，晚上植物没有NADPH和ATP的供应，暗反应不能进行，A项错误；图示景天酸代谢途径，白天气孔关闭减少水分散失，可以有效地避免植物由蒸腾过度导致的脱水，从而使该类植物适应干旱环境，B项正确；由于进行景天酸代谢途径的植物晚上气孔开放，不断吸收CO2用于合成苹果酸，空气中的CO2减少，因此，与常见的C3代谢途径植物相比，夜间更适于放置在室内的是进行景天酸代谢途径的植物，C项正确；多肉植物在晚上吸收CO2生成苹果酸储存在液泡中(pH降低)，白天苹果酸分解产生CO2用于暗反应(pH升高)，因此其液泡中的pH会呈现白天升高、晚上降低的周期性变化，D项正确。
3．(2025·肇庆高三调研)大豆、玉米等植物的叶绿体中存在一种名为Rubisco的酶，参与卡尔文循环和光呼吸。在较强光照下，Rubisco以五碳化合物(RuBP)为底物，在CO2/O2值高时，使RuBP结合CO2发生羧化；在CO2/O2值低时，使RuBP结合O2发生氧化进行光呼吸，具体过程如下图所示。下列有关说法正确的是( A )
A．大豆、玉米等植物的叶片中消耗O2的场所有叶绿体、线粒体
B．光呼吸发生在叶肉细胞的细胞质基质和叶绿体中
C．有氧呼吸和光呼吸均产生ATP
D．在干旱、晴朗的中午，叶肉细胞中光呼吸强度会比通常条件下低
解析：玉米、大豆叶片中通过有氧呼吸消耗O2的场所是线粒体内膜，通过光呼吸消耗O2的场所是叶绿体基质，A项正确。由题干信息“在较强光照下，Rubisco以五碳化合物(RuBP)为底物，在CO2/O2值高时，使RuBP结合CO2发生羧化；在CO2/O2值低时，使RuBP结合O2发生氧化进行光呼吸”可知，光呼吸和卡尔文循环发生场所一致，均为叶绿体基质，B项错误。由题图可知，在CO2/O2值低时，RuBP结合O2发生光呼吸，光呼吸会消耗多余的ATP，C项错误。干旱、晴朗的中午，胞间CO2浓度会降低，叶肉细胞中光呼吸强度较通常条件下会增强，D项错误。
4．植物消耗氧气，将RuBP(C5)转化成CO2的过程称作光呼吸。RuBP羧化酶/加氧酶(Rubisco)不仅能催化CO2与RuBP进行羧化反应，还能催化氧气与RuBP的氧化反应，相关过程如下图所示。回答下列问题。
(1)Rubisco催化RuBP的羧化反应发生在真核细胞的________(填具体部位)，这一过程称作________，反应形成的产物被________还原为糖类。
(2)当CO2与O2的比值________(填“较高”或“较低”)时，更有利于植物进行羧化反应。对农作物的研究表明甲醇可以抑制光呼吸，已知植物细胞的光呼吸与乙醇酸氧化酶活性呈正相关，结合题干信息推测，甲醇抑制光呼吸的机制是_____________________________。
(3)在小麦、水稻等C3作物中，光呼吸导致光合作用的转化效率降低20%～50%，根据Rubisco的特性，改良作物的措施有______________________________________________________
______________________________________________________
______________________________________________________(答出2点即可)。
解析：(1)RuBP羧化酶/加氧酶能催化CO2与RuBP进行羧化反应，CO2与RuBP反应的过程被称为CO2的固定，发生在叶绿体基质中，CO2与RuBP反应的产物(C3)接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原，转化为糖类。(2)当CO2的含量较高时，CO2更容易与RuBP进行羧化反应，故当CO2与O2的比值较高时，更有利于植物进行羧化反应。甲醇可以抑制光呼吸，且植物细胞的光呼吸与乙醇酸氧化酶活性呈正相关，故可推测甲醇通过抑制乙醇酸氧化酶的活性来抑制光呼吸。(3)为了降低植物的光呼吸，可以改造Rubisco，使其具有更高的CO2亲和力和催化效率；改进植物浓缩CO2的机制，提升Rubisco附近的CO2浓度。
答案：(1)叶绿体基质 CO2的固定 NADPH(还原型辅酶Ⅱ)
(2)较高 通过抑制乙醇酸氧化酶的活性来抑制光呼吸
(3)改造Rubisco，使其具有更高的CO2亲和力和催化效率；改进植物浓缩CO2的机制，提升Rubisco附近的CO2浓度
5．有研究表明，大气中CO2浓度上升会提高C3植物(如小麦、水稻等)的光合速率，但对C4植物(如玉米、甘蔗等)的光合速率未产生明显的促进作用。当光照强度持续增加时， C3植物的光合速率不再增加， C4植物的光合速率仍可增加(注：进行光合作用时，CO2首先被固定在C4中，然后才转移到C3中，这类植物称为C4植物，CO2直接固定在C3中的植物称为C3植物)。下图为C4植物光合作用过程示意图。回答下列问题。
(1)植物光合作用的光反应在叶肉细胞的____________(填具体部位)上发生，产生的______________(填具体物质)为卡尔文循环提供能量。
(2)根据题干推测，在一般条件下，C4植物的CO2饱和点(光合速率不再随CO2浓度增加而增加时的CO2浓度)________(填“大于”“等于”或“小于”)C3植物的，其光饱和点(光合速率不再随光照强度增加而增加时的光照强度)________(填“大于” “等于”或“小于”)C3植物的。
(3)大气中CO2浓度上升能够提高C3植物的光合作用效率，但对C4植物无明显影响。据上图分析可能的原因是
______________________________________________________
______________________________________________________
______________________________________________________。
(4)有人认为干旱环境对C4植物光合作用的影响比C3植物的小，请设计实验验证这一结论，写出实验思路和预期结果(检测方法不做要求)。
实验思路：______________________________________________
______________________________________________________。
预期结果：_____________________________________________。
答案：(1)类囊体薄膜 ATP和NADPH (2)小于 大于 (3)PEP含量少或将PEP转化为C4的酶活性较低 (4)将长势相同的C3植物与C4植物置于同样的干旱环境中培养，一段时间后检测两种植株的生长情况 C4植物的生长量大于C3植物的
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