(共18张PPT)
限时练7 植物对特殊环境的适应性
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一、选择题
1.(2025·云南昆明模拟)卡尔文循环中固定CO2的Rubisco酶是双功能酶(如图),CO2和O2的相对浓度决定Rubisco酶的酶促反应方向。光呼吸是指绿色植物在光照下消耗O2释放CO2的过程。下列叙述错误的是( )
A.Rubisco酶存在于绿色植物的叶绿体基质中
B.提高CO2和O2的浓度比可以抑制光呼吸
C.高光、高温下气孔大量关闭时光呼吸增强了对卡尔文循环的抑制
D.农业大棚种植可通过施用农家肥抑制光呼吸从而促进光合作用
C
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解析 根据题干“卡尔文循环中固定CO2的Rubisco酶是双功能酶”可知,Rubisco酶可参与固定CO2,该过程发生在叶绿体基质中,故Rubisco酶存在于绿色植物的叶绿体基质中,A项正确。根据图示可知,CO2和O2的相对浓度决定Rubisco酶的酶促反应方向,当CO2浓度升高时有利于进行卡尔文循环(即暗反应),当O2浓度升高时有利于进行光呼吸,故提高CO2和O2的浓度比可以抑制光呼吸,促进卡尔文循环的进行,B项正确。高光、高温条件下,气孔大量关闭,此时的光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余NADPH和ATP,又可以为暗反应阶段提供原料,因此,高光、高温下气孔大量关闭时光呼吸降低了对卡尔文循环的抑制,C项错误。农家肥中含有丰富的有机物,可被土壤中的微生物分解为CO2和无机盐被植物利用,使用农家肥可增大大棚中的CO2浓度,抑制光呼吸、促进光合作用,D项正确。
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2.(2025·山东泰安模拟)C4途径是除卡尔文循环(C3途径)外的另一种独特的CO2固定途径,因固定CO2的初产物是四碳化合物而得名,其光合作用过程如图所示,研究表明,与C3植物细胞中的Rubisco酶(可催化CO2固定)相比,C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力,可固定低浓度的CO2。下列说法不正确的是( )
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A.若给C4植物提供14CO2,则植株体内14C的转移途径为14CO2→14C4→14C3
B.C3植物和C4植物的暗反应阶段所需要的NADPH和ATP均来自光反应阶段
C.不同植物固定CO2途径存在差异的根本原因是它们的遗传物质存在差异
D.在低CO2浓度环境下,C4植物的光合作用速率可能比C3植物高
答案 A
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解析 C4植株能进行C4途径和C3途径,若给C4植物提供14CO2,则植株体内14C转移途径为14CO2→14C4→14CO2→14C3→(14CH2O)、14C5,A项错误。C3植物与C4植物的暗反应阶段利用的NADPH和ATP都来自光反应阶段,B项正确。不同植物固定CO2的途径存在差异,这是由于它们的遗传物质(DNA)存在差异,这些遗传差异导致了酶的种类和活性的不同,从而影响了植物对CO2的固定方式,C项正确。由于C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶具有非常高的CO2亲和力,可固定低浓度的CO2,故C4植物能够利用较低浓度的CO2进行光合作用,而C3植物则不能,因此低浓度CO2条件下,C4植物的光合作用速率可能比C3植物高,D项正确。
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二、非选择题
3.(10分)(2025·湖北武汉模拟)图一表示A、B、C三种植物适应不同环境的碳固定模式,图二表示图一中某种植物代谢示意图,科学家向A植物培养液中通入14CO2,给予实验装置不同时间光照的放射性物质分布结果见表格,请回答下列问题。
图一
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图二
实验组别 光照时间/s 放射性物质分布
1 2 大量3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
2 20 3-磷酸甘油醛、4-磷酸赤藓糖、7-磷酸景天庚酮糖等12种磷酸化糖类
3 60 除上述12种磷酸化糖类外,还有氨基酸、有机酸等
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(1)图一A植物叶绿体中的Rubisco酶是一种羧化酶,能催化核酮糖-1,5-二磷酸(C5)接受CO2,产生3-磷酸甘油酸(C3),此过程被称为 ,由表可知,光合作用的产物除氧气以外还有 等。图二所示植物代谢类型最可能是图一中的 (用字母作答)植物。
(2)科学家在无光无氧条件下用碘乙酸抑制A植物呼吸作用第一阶段,发现其叶肉细胞细胞质基质中的葡萄糖仍然会大量分解,科学家将此代谢过程称为HMS,HMS过程中出现了3-磷酸甘油醛、4-磷酸赤藓糖、7-磷酸景天庚酮糖等产物,最终能产生CO2和NADPH,请推测HMS对于叶肉细胞光合作用的意义:①NADPH可能为物质合成提供还原剂;②可能为光合作用提供CO2;③ 。
CO2的固定
糖类、氨基酸、有机酸
C
各种磷酸化糖类可以为光合作用提供中间产物
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(3)Rubisco酶还是一种催化C5加氧反应的酶,O2是Rubisco酶的竞争性抑制剂,PEP羧化酶对CO2的亲和力远远大于Rubisco酶,B植物的C4酸能定向地由叶肉细胞进入维管束鞘细胞并产生CO2。请推测在干旱环境中,B植物生长比A植物更好的原因是在干旱环境下, ________________________
,
B植物产生大量C4酸,B植物的C4酸能定向地由叶肉细胞进入维管束鞘细胞并产生CO2,使维管束鞘细胞的CO2与O2的比值提高,改变了Rubisco酶的作用方向,B植物暗反应速率更大,光合作用速率就更大,故能生长更好。
气孔部分关闭,胞间CO2含量较
少,叶肉细胞中PEP羧化酶对CO2亲和力远远大于Rubisco酶
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解析 (1)暗反应中C5接受CO2,产生C3的过程称为CO2的固定。由表中放射性物质分布可知,光合作用的产物除氧气以外还有糖类、氨基酸、有机酸等。图二所示植物夜间吸收CO2,产生有机酸,白天有机酸分解产生CO2,供光合作用所需,其代谢类型最可能是图一中的C植物。
(2)葡萄糖大量分解,过程中出现了3-磷酸甘油醛、4-磷酸赤藓糖、7-磷酸景天庚酮糖等产物,可以作为光合作用的中间产物。最终产生的CO2是光合作用暗反应的原料;NADPH是C3还原需要的还原剂,并能够提供一定的能量。故HMS对于叶肉细胞光合作用的意义有:①NADPH可能为物质合成提供还原剂;②可能为光合作用提供CO2;③各种磷酸化糖类可以为光合作用提供中间产物。
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(3)Rubisco酶还可以催化C5加氧反应,O2是Rubisco酶的竞争性抑制剂,PEP羧化酶对CO2的亲和力远远大于Rubisco酶,B植物的C4酸能定向地由叶肉细胞进入维管束鞘细胞并产生CO2。在干旱环境中,B植物气孔部分关闭,胞间CO2含量较少,叶肉细胞中PEP羧化酶对CO2亲和力远远大于Rubisco酶,B植物产生大量C4酸,B植物的C4酸能定向地由叶肉细胞进入维管束鞘细胞并产生CO2,使维管束鞘细胞的CO2与O2的比值提高,改变了Rubisco酶的作用方向,B植物暗反应速率更大,光合作用速率就更大,故能生长更好。
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4.(12分)(2025·江苏南京模拟)图1是高温胁迫下黄瓜幼苗叶肉细胞代谢的部分示意图,①~④代表过程,A、B代表物质。Fd是还原态铁氧还蛋白,可将电子转移至NADPH中,也可参与光呼吸(图中虚线过程)。R酶是双功能酶,高温下R酶对CO2的亲和力下降而对O2的亲和力增强,请回答下列问题。
图1
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(1)物质A和B分别是 、 。过程④发生的场所是 。
(2)卡尔文循环消耗的CO2除从外界吸收外,还来源于
。研究发现C2循环对卡尔文循环具有依赖性,其原因是 。
(3)光反应中电子传递过快或受阻,会产生过多的活性氧,引发光抑制。高温胁迫下,光反应产生的NADPH无法及时被消耗,能否通过抑制Fd活性解除光抑制,请说明理由:
______________________________________________________________。
H+、O2
C3(3-磷酸甘油酸)
叶绿体基质
细胞呼吸、光呼吸
不能,抑制Fd活性会阻碍电子传递,进一步导致活性氧积累,加剧光抑制
C2循环需要卡尔文循环提供C5
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(4)为进一步研究黄瓜幼苗对高温胁迫的响应机制,研究人员选择生长一致的幼苗随机均分为3组:高温组(昼/夜温度为42 ℃/32 ℃)、亚高温组(昼/夜温度为35 ℃/25 ℃)和对照组(昼/夜温度为28 ℃/18 ℃),在其他条件适宜时培养并测定相关数据,结果如图2。
图2
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①0~3 d亚高温组和高温组气孔导度升高,其主要意义是 。1~3 d亚高温组和高温组气孔导度仍然较大,但净光合速率却降低,其主要原因可能是 。
②有同学认为胁迫3~5 d高温组光呼吸速率下降,说明黄瓜幼苗已适应高温环境。你认为该观点是否正确,简要说明理由:
_____________________________________________________________________________________________________________________________。
增强蒸腾作用以降低叶片温度
失水过多、酶活性降低,影响植物进行光合作用
不正确,3~5 d高温组的净光合速率和气孔导度都在下降,说明高温造成黄瓜幼苗结构损伤、酶活性下降、生理性缺水
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解析 (1)在光反应中,水的光解产生的物质A为H+和O2。C5和CO2反应生成C3(3-磷酸甘油酸)。过程④为光呼吸的起始阶段,发生的场所为叶绿体基质。
(2)从图中可知,光呼吸(C2循环)会产生CO2,可作为卡尔文循环的原料,除此之外呼吸作用产生的CO2也可用于卡尔文循环。C2循环中一些反应步骤需要卡尔文循环产生的NADPH和ATP来推动反应进行,故C2循环对卡尔文循环具有依赖性。
(3)Fd可将电子转移至NADPH中,若抑制其活性,电子无法正常转移,NADPH不能被消耗反而会积累,过多的NADPH会进一步加重活性氧产生,加剧光抑制,所以不能通过抑制Fd活性解除光抑制。
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(4)①气孔导度升高有利于植物进行蒸腾作用以降低叶片温度。1~3 d亚高温组和高温组气孔导度大但净光合速率降低,可能是高温使光合作用相关酶的活性下降或植物失水过多,影响了植物光合作用的进行。
②虽然3~5 d光呼吸速率下降,但从图2中看3~5 d高温组净光合速率持续降低,气孔导度也在下降,说明黄瓜幼苗整体光合作用受高温抑制或黄瓜幼苗结构损伤、酶活性下降、生理性缺水,故其没有适应高温环境,所以该观点不正确。(共18张PPT)
限时练6 环境胁迫对光合作用的影响及细胞代谢
与生产实践
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一、选择题
1.(2024·重庆九龙坡模拟)研究人员设计实验探究了CO2浓度对草莓幼苗各项生理指标的影响,结果如图1所示,其中Rubisco酶催化CO2的固定。气孔开度是指气孔的孔径大小,它反映了气孔开启或关闭的程度。图2表示温度对草莓光合作用的影响。下列相关叙述正确的是( )
图1
图2
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A.适当增大环境CO2浓度有利于草莓在干旱环境中生存
B.当草莓所处环境CO2浓度升高,短时间内C5增多,ATP和NADPH增多
C.35 ℃是草莓生长的最适温度,5 ℃时草莓光合作用速率为0
D.35 ℃时草莓叶肉细胞间隙CO2浓度高于40 ℃时
答案 A
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解析 由图1可知,增大环境CO2浓度时,草莓幼苗气孔开度降低,能减少水分散失,有助于草莓幼苗生存,同时Rubisco酶活性上升,有利于草莓幼苗进行光合作用,故适当增大环境CO2浓度有利于草莓在干旱环境中生存,A项正确。将草莓从低浓度CO2环境迁入高浓度CO2环境中,短时间内CO2固定增强,对C5的消耗增加,C5减少,C3生成增多,C3的还原增强,故ATP和NADPH的消耗增多,其含量减少,B项错误。35 ℃时净光合速率最快,最适宜草莓生长,5 ℃时净光合速率为0,此时光合速率等于呼吸速率,C项错误。40 ℃下,气孔开放程度较低,进入胞间的CO2较少,但由于净光合速率也较低,被吸收进细胞的CO2也较少,35 ℃下,气孔开放程度较高,进入胞间的CO2较多,但此时净光合速率最大,被吸收进细胞的CO2也更多,所以两种温度下的胞间CO2浓度无法比较,D项错误。
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2.(2025·湖南永州三模)将某植物引种到新环境后,其光合速率较原环境发生了一定的变化。将在新环境中产生的该植物种子培育的幼苗再移回原环境,发现其光合速率变化趋势与其原环境植物一致。在新环境中该植物的光合速率等生理指标日变化趋势如图所示。下列叙述错误的是( )
注:气孔导度越大,气孔开启程度越大。
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A.新环境中该植物光合速率变化趋势的不同是由环境因素引起的
B.图中光合作用形成ATP最快的时刻是10:00时左右
C.10:00~12:00时光合速率明显减弱,其原因可能是酶的活性减弱
D.气孔导度增大,能够提高蒸腾速率,有助于植物体内水和有机物的运输
答案 D
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解析 植物的表型既由基因型决定,也受环境影响,在新环境中产生的该植物种子培育的幼苗,其遗传特性与亲代基本相同,从而排除遗传因素的影响;当迁回原环境后,其光合速率变化趋势与其原环境植物一致,说明该植株在原环境与新环境的光合速率变化趋势的不同是由环境因素引起的,A项正确。10:00时光合速率最大,因此光反应最快,形成ATP的速率也最快,B项正确。10:00~12:00时光合速率明显减弱,但此阶段气孔导度很高,因此限制光合作用的因素不是CO2浓度,影响因素可能是10:00到12:00温度较高降低了光合作用相关酶的活性,光合速率明显下降,C项正确。气孔导度增大,能够提高蒸腾速率,有助于植物体内水分和无机盐的运输,D项错误。
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二、非选择题
3.(10分)(2025·河南模拟)为在干旱环境中栽培红豆杉提供科学依据,某农科院通过控制土壤的含水量来模拟正常环境(土壤含水量为22%)、轻度干旱(土壤含水量为15%)、中度干旱(土壤含水量为10%)、重度干旱(土壤含水量为7%)条件,并测定了红豆杉在不同模拟条件下的部分生理指标,结果如图所示。请回答下列问题。
图1 不同干旱胁迫对红豆杉
叶片光合参数的影响
图2 不同干旱胁迫下红豆杉叶片
可溶性糖和可溶性蛋白含量变化
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(1)植物气孔的开闭会影响植物叶片的光合作用、___________________ (答2点)等生理过程。导致光合作用降低的因素分为气孔限制因素和非气孔限制因素。红豆杉的净光合速率随着干旱胁迫强度的增大而下降,根据图1的信息 (填“能”或“不能”)确定这是由气孔限制因素导致的,理由是
_____________________________________________________________________________________________________________________________。
根据图1可得出的合理结论为_____________________________________
。
蒸腾作用、呼吸作用
不能
气孔导度降低导致胞间CO2浓度下降进而使净光合速率降低时,光合速率降低是由气孔限制因素导致,而图中没有胞间CO2浓度参数
不同干旱胁迫对红豆杉叶片光合参数有
显著的影响(合理即可)
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(2)在干旱胁迫下,红豆杉叶片中可溶性糖和可溶性蛋白的含量增多,增强了红豆杉的抗旱性。据图2可知,二者在叶片中的含量与干旱胁迫强度之间的变化规律是________________________________________________
(用文字和符号表示),这种变化会影响红豆杉的抗旱性,其作用机理:________________________________________
。
(3)在干旱胁迫下,影响红豆杉幼苗生长的因素还可能有光合色素的含量变化。根据光合色素溶液的浓度与其光吸收值成正比,选择适当波长的光可对色素含量进行测定。测定叶绿素含量时,实验设定的波长应为 光的波长。
可溶性糖和可溶性蛋白在叶片中的含量均为重度干旱
>中度干旱>轻度干旱>对照组
二者含量增加,使细胞内渗透压升高,吸水能力
增强,可缓解干旱对细胞的伤害
红
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解析 (1)CO2等气体通过气孔进出植物细胞,故植物气孔的开闭会影响植物叶片的光合作用、蒸腾作用、呼吸作用等生理过程;分析图1,气孔导度降低导致胞间CO2浓度下降进而使净光合速率降低时,光合速率降低是由气孔限制因素导致,而图中没有胞间CO2浓度参数,故根据图1的信息不能确定这是由气孔限制因素导致的;但据图1可知,不同干旱情况下,红豆杉叶片的净光合速率不同,故不同干旱胁迫对红豆杉叶片光合参数有显著的影响。
(2)分析图2,实验的自变量是干旱情况,因变量是可溶性糖和可溶性蛋白的含量,据图2可知,二者在叶片中的含量与干旱胁迫强度之间的变化规律均为重度干旱>中度干旱>轻度干旱>对照组;植物的抗旱能力与渗透压有关,故推测这种变化会影响红豆杉的抗旱性,其作用机理:二者含量增加,使细胞内渗透压升高,吸水能力增强,可缓解干旱对细胞的伤害。
(3)叶绿素包括叶绿素a和叶绿素b,主要吸收红光和蓝紫光,而类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,故测定叶绿素含量时,实验设定的波长应为红光的波长。
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4.(10分)(2025·广东卷)我国科学家以不同植物为材料,在不同光质条件下探究光对植物的影响。测定了番茄的光合作用相关指标并拟合CO2响应曲线(图a);比较了突变体与野生型水稻水分消耗的差异(图b),鉴定到突变体发生了PIL15基因的功能缺失,并确定该基因参与脱落酸信号通路的调控。
图a
图b
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回答下列问题。
(1)图a中,当胞间CO2浓度在900~1 200 μmol/mol范围时,红光条件下光合速率的限制因子可能是 ,推测此时蓝光条件下净光合速率更高的原因是_______________________________________________
。
(2)图b中,突变体水稻在远红光与红光条件下蒸腾速率接近,推测其原因是
_____________________________________________________________________________________________________________________________。
光照强度、光质等
蓝光能促进光合作用相关酶的活性(或蓝光被光合色素
吸收后转化为化学能的效率更高等)
突变体中PIL15基因功能缺失,阻断了脱落酸信号通路对气孔开放程度的调控,使得气孔开放程度在远红光和红光条件下无明显差异
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(3)归纳上述两个研究内容,总结出光影响植物的两条通路(图c)。通路1中,①吸收的光在叶绿体中最终被转化为 。通路2中吸收光的物质②为 。用箭头完成图c中②所介导的通路,并在箭头旁用“(+)”或“(-)”标注前后两者间的作用,(+)表示正相关,(-)表示负相关。
图c
有机物中的化学能
光敏色素
(4)根据图c中相关信息,概括出植物利用光的方式:
_____________________________________________________________________________________________________________________________。
通过叶绿体中的光合色素吸收光能用于光合作用合成有机物;通过光敏色素吸收光信号调控基因表达,影响植物生理过程
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解析 (1)当胞间CO2浓度在900~1 200 μmol/mol范围时,从图a中红光曲线来看,随着胞间CO2浓度增加,光合速率不再上升,说明此时CO2浓度不是限制因子,而可能是光照强度、光质等其他因素限制了光合速率。对于蓝光下净光合速率更高的原因,可能是蓝光能够促进光合作用中相关酶的活性,或者蓝光被光合色素吸收后转化为化学能的效率更高等。
(2)已知红光下植物的相关反应与白天相似,远红光下植物的相关反应与夜间相似,突变体发生了PIL15基因的功能缺失,且该基因参与脱落酸信号通路的调控。在远红光与红光条件下蒸腾速率接近,推测原因可能是突变体中PIL15基因功能缺失,使得脱落酸信号通路对气孔开放程度的调控作用减弱,导致在不同光质(远红光和红光)下气孔开放程度变化不大,从而蒸腾速率接近。
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(3)通路1中,①为光合色素,吸收的光在叶绿体中最终被转化为有机物中的化学能。通路2中吸收光的物质②为光敏色素。由于突变体发生PIL15基因功能缺失后,在远红光与红光条件下蒸腾速率接近,可推测光敏色素吸收光信号后,通过影响PIL15基因的表达,进而影响脱落酸信号通路,对气孔开放程度进行调控。且从图b中突变体在远红光和红光下蒸腾速率变化不大,野生型在红光条件下蒸腾速率较大,可推断光敏色素对PIL15基因表达的影响是负相关,PIL15基因对脱落酸信号通路是正相关,脱落酸信号通路对气孔开放程度是负相关。
(4)根据图c中相关信息,植物利用光的方式有:通过叶绿体中的光合色素吸收光能,将其转化为化学能用于光合作用合成有机物;通过光敏色素吸收光信号,调控基因(如PIL15基因)表达,进而影响植物的生理过程(如通过脱落酸信号通路调控气孔开放程度)。(共20张PPT)
限时练5 运用“对照”和“变量”思维解答酶类实验题、运用“物质与能量观”分析光合作用与细胞呼吸过程
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一、选择题
突破点1 运用“对照”和“变量”思维解答酶类实验题
1.(2025·湖南常德二模)在酶促反应中,非竞争性抑制剂不直接与游离的酶相结合,仅与酶—底物复合物结合形成底物—酶—抑制剂复合物,从而影响酶促反应速率。作用机理如图,其中E表示酶,S表示反应底物,I表示抑制剂,P表示酶促反应生成物。加入该抑制剂后,下列推测不合理的是( )
A.酶构象改变,酶活性降低
B.酶促反应平衡向酶—底物复合物生成的方向移动
C.酶促反应的最大速率低于正常情况
D.酶促反应达到最大速率时,所需底物浓度不变
D
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解析 非竞争性抑制剂与酶—底物复合物结合,会导致酶的构象发生改变,从而使酶活性降低,A项合理。由于非竞争性抑制剂与酶—底物复合物结合,会使酶促反应平衡向酶—底物复合物生成的方向移动,B项合理。因为有非竞争性抑制剂的存在,酶能够结合的底物减少,所以酶促反应的最大速率低于正常情况,C项合理。酶促反应达到最大速率时,所需底物浓度会发生变化,因为非竞争性抑制剂的存在会影响底物与酶的结合,所以达到最大速率时所需底物浓度会降低,D项不合理。
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2.(2025·湖北模拟)为检测温度对糖化酶和α-淀粉酶活性的影响,某兴趣小组进行了a、b、c、d四组实验。每组实验取4支试管,各加入2 mL淀粉溶液,1号不加酶,2~4号分别加入0.5 mL 10万活性糖化酶、5万活性糖化酶、α-淀粉酶(底物淀粉和酶均已经置于相应温度下进行预保温)。反应1 min后,每支试管加入4滴碘液检测。结果如下表所示(“+”表示显蓝色,“+”越多蓝色越深,“-”表示不变蓝)。下列叙述正确的是( )
组别 反应温度/℃ 1号 2号 3号 4号
a 冰浴 ++++ +++ +++ -
b 15 ++++ +++ +++ -
c 60 +++ - - -
d 85 ++++ ++ ++ -
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A.糖化酶对温度的敏感程度较α-淀粉酶高
B.60 ℃条件下4支试管的结果说明α-淀粉酶具有高效性
C.可以使用斐林试剂代替碘液检测实验结果
D.糖化酶的最适温度在15~60 ℃范围内
答案 A
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解析 依据表格信息可知,糖化酶与α-淀粉酶相比较,随温度的变化,加入糖化酶的组别实验现象变化更明显,说明糖化酶对温度的敏感程度较α-淀粉酶高,A项正确。酶的高效性是指酶与无机催化剂相比较,可以显著降低化学反应的活化能,依据表格信息,在60 ℃条件下,2、3、4号试管均不出现显色反应,说明淀粉已被分解,但是由于缺乏加入无机催化剂的试管对照,不能说明α-淀粉酶具有高效性,B项错误。斐林试剂检测淀粉水解,需要进行水浴加热,而此实验的目的是检测温度对糖化酶和α-淀粉酶活性的影响,斐林试剂的使用会对实验造成干扰,所以不可以使用斐林试剂代替碘液检测实验结果,C项错误。以2号试管为例,依据实验现象,淀粉在60 ℃时不出现蓝色,说明淀粉已被完全分解,85 ℃时蓝色较浅,说明淀粉被部分分解,15 ℃蓝色较85 ℃时深,说明15 ℃时剩余淀粉含量比85 ℃时多,可推知糖化酶的最适温度在60~85 ℃范围内,D项错误。
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3.(2025·辽宁沈阳模拟)硝态氮(N)可为植物生长发育提供氮素营养,硝酸还原酶(NR)是将N转化为N的关键酶。为探究硝酸还原酶
活性的最适pH,研究人员进行了相关实验,结果如下图。下列叙述正确的是( )
A.NR在pH为6的环境下变性失活
B.pH为7.5时,NR为化学反应提供的活化能最高
C.进一步实验应在pH为7~8的范围内进行
D.N数量、酶的数量也是影响NR活性的因素
C
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解析 据图分析可知,NR在pH为6的环境下仍具有活性,因此没有变性失活,A项错误。酶只能降低化学反应所需的活化能,不能提供活化能,B项错误。据图分析可知,pH为7.5时NR活性最大,因此若要探究酶的最适pH,进一步实验应在pH为7~8的范围内进行,C项正确。酶的活性受温度、pH等因素的影响,N数量、酶的数量不会影响NR活性,D项错误。
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突破点2 运用“物质与能量观”分析光合作用与细胞呼吸过程
4.(2025·山西晋中模拟)细胞的有氧呼吸过程需要经过一系列复杂的化学反应,包括糖酵解、柠檬酸循环和氧化磷酸化三个阶段(如图)。下列叙述正确的是( )
A.无氧呼吸都只在糖酵解阶段释放少量的能量,生成少量ATP
B.葡萄糖进入线粒体基质参与柠檬酸循环,释放CO2
C.图示有氧呼吸的三个阶段均有[H]生成
D.氧化磷酸化阶段需要氧气的参与,释放出的能量大部分贮存在ATP中
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答案 A
解析 无氧呼吸都只在糖酵解阶段(即第一阶段)释放少量的能量,生成少量ATP,A项正确。葡萄糖不进入线粒体基质,B项错误。图示有氧呼吸的第一阶段(糖酵解)、第二阶段(柠檬酸循环)产生[H],第三阶段(氧化磷酸化)需消耗[H],C项错误。氧化磷酸化阶段需要氧气的参与,释放出的能量大部分以热能的形式散失,D项错误。
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5.(2025·河南焦作模拟)光系统Ⅱ复合体(PSⅡ)包含P680色素蛋白复合体,可利用光能推动一系列的电子传递反应,使水裂解产生氧气和H+。PSⅡ蛋白复合体中的多肽有20余种,如D1、D2、细胞色素b559等,光合色素有叶绿素、类胡萝卜素等。下列分析正确的是( )
A.D1和叶绿素都能与双缩脲试剂产生紫色反应
B.真核细胞的PSⅡ分布在叶绿体的类囊体腔内
C.衰老细胞的PSⅡ彻底降解后得到的产物是氨基酸
D.PSⅡ中的光合色素传递、转换光能,将能量储存在ATP和NADPH中
D
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解析 蛋白质和多肽能与双缩脲试剂产生紫色反应,叶绿素不含有肽键,不能与双缩脲试剂产生紫色反应,A项错误。真核细胞的PSⅡ分布在叶绿体的类囊体薄膜上,B项错误。PSⅡ包括蛋白质和光合色素,降解后得到的产物除氨基酸外,还有其他成分,C项错误。PSⅡ中的光合色素传递、转换光能,将能量储存在ATP和NADPH中,D项正确。
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二、非选择题
6.(12分)(2025·云南大理模拟)淀粉和蔗糖是西瓜叶片光合作用的两种主要产物,如图是其叶肉细胞中光合作用的示意图,磷酸丙糖转运器(TPT)能将卡尔文循环中的磷酸丙糖(TP)不断运到叶绿体外,同时将释放的Pi运回叶绿体基质。回答下列问题。
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(1)从叶肉细胞中分离叶绿体可采用 法,光反应产生的NADPH的作用是 。
(2)若在适宜条件下,突然停止光照,则短时间内C3的含量变化为_________ (填“增加”“减少”或“基本不变”)。
(3)TPT运输物质严格遵循1∶1反向交换原则,即每运出一个磷酸丙糖需运进一个Pi作为交换。若合成磷酸丙糖的速率超过Pi运进叶绿体的速率,则叶绿体中淀粉的合成会 (填“增加”“减少”或“无明显变化”),原因是
。
(4)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)。
差速离心
作为还原C3的还原剂,并为C3还原提供能量
增加
增加
若合成磷酸丙糖的速率超过Pi运进叶绿体的速率,则运出叶绿体的磷酸丙糖减少,用于合成淀粉的磷酸丙糖增多,从而使淀粉合成量增加
叶片的光合产物还需用于叶片自身呼吸消耗或建造叶片自身结构
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解析 (1)差速离心法是分离各种细胞器常用的方法;光反应产生的NADPH可作为还原C3的还原剂,并为C3还原提供能量,为暗反应作铺垫。
(2)在适宜条件下,突然停止光照后,光反应产生的ATP和NADPH减少,C3的还原减弱,而短时间内CO2的固定速率不变,故C3的含量会增加。
(3)根据题意可知,TPT运输物质严格遵循1∶1反向交换原则,若合成磷酸丙糖的速率超过Pi运进叶绿体的速率,则运出叶绿体的磷酸丙糖减少,用于合成淀粉的磷酸丙糖增多,从而使淀粉合成量增加。
(4)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,理由之一是叶片的光合产物还要用于叶片自身呼吸消耗或建造叶片自身结构,也就是叶片自身的生长发育也需要利用光合产物。
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7.(11分)(2025·江西期末)棉铃(棉花的果实)中的有机物需要依赖叶片的光合产物的输出。叶肉细胞进行的光合作用如图1所示,图中字母代表物质。在其他环境条件适宜的情况下,研究人员测定某品种棉花在不同叶温下的净光合速率、气孔开放程度及胞间CO2浓度,结果如图2所示。请回答下列相关问题。
图1
图2
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(1)图1中D物质包括 ,其在光合作用过程中的作用是 。
(2)淀粉和蔗糖分别在叶肉细胞的 、 中合成。光合产物主要以蔗糖的形式从叶片运到果实,与葡萄糖相比,以蔗糖的形式进行运输的优点是________________________________________________
______________________________________________________________
(答出1点即可)。
ATP和NADPH
NADPH为暗反应提供能量和作为还原剂,ATP为暗反应提供能量
叶绿体基质
细胞质基质
蔗糖为二糖,等质量的葡萄糖和蔗糖相比,蔗糖对细胞渗透压的影响较小;蔗糖为二糖,性质(结构)较稳定;蔗糖为二糖,(比单糖)运输效率高等
(3)据图2分析,在温度为30~40 ℃时,限制棉花植株净光合速率的因素
(填“是”或“不是”)气孔因素,请说明理由:
。
(4)酶a和酶b对高温的耐受性不同,36 ℃时棉铃中棉绒的产量下降幅度远大于棉花植株中的有机物含量的下降幅度,结合信息分析,原因是
。
不是
在温度为30~40 ℃时,棉花植株的气孔开放程度上升,胞间CO2浓度也增大,但是净光合速率却逐渐下降,因此限制该区段的因素不是气孔因素
酶b对高温的耐受性不如酶a,导致蔗糖合成大幅减少,因此运往棉铃的有机物大幅减少
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解析 (1)分析图1,物质D参与暗反应中F生成E的过程,F→E为C3还原过程,物质D包括ATP与NADPH,二者为C3还原提供能量,同时NADPH又是该反应过程的还原剂。
(2)分析图1,淀粉在叶绿体基质中生成,而蔗糖是光合产物运出叶绿体后生成的,场所为细胞质基质;蔗糖为二糖,等质量的葡萄糖和蔗糖相比,蔗糖对细胞渗透压的影响较小;蔗糖为二糖,性质(结构)较稳定;蔗糖为二糖,(比单糖)运输效率高等。
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(3)分析图2,在温度为30~40 ℃时,棉花植株的气孔开放程度上升,胞间CO2浓度也增大,但是净光合速率却逐渐下降,因此限制该区段的因素不是气孔因素。
(4)图1中酶a催化三碳糖生成淀粉,酶b催化三碳糖生成蔗糖,酶a与酶b对高温的耐受性不同的可能原因是高温对酶b的活性影响较大,使蔗糖的合成大幅减少,从而运输到棉铃中的有机物大幅减少,导致棉绒产量下降幅度较大。(共24张PPT)
限时练4 大单元二查缺补漏保分练
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[刷真题]
1.(2025·河北卷)下列过程涉及酶催化作用的是( )
A.Fe3+催化H2O2的分解
B.O2通过自由扩散进入细胞
C.PCR过程中DNA双链的解旋
D.植物体细胞杂交前细胞壁的去除
D
解析 Fe3+是无机催化剂,催化H2O2分解的过程不涉及酶的催化作用,A项不符合题意。O2通过自由扩散的方式进入细胞时,不需要酶参与,B项不符合题意。PCR过程中DNA双链在高温条件下解旋,不需要酶参与,C项不符合题意。植物体细胞杂交前,用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁,该过程涉及酶的催化作用,D项符合题意。
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2.(2025·北京卷)某种加酶洗衣粉包装袋上注有下列信息:本品含有蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶;洗涤前先浸泡15~20 min,特别脏的衣物可减少浸泡用水量;请勿使用60 ℃以上热水。下列叙述错误的是( )
A.该洗衣粉含多种酶,不适合洗涤纯棉衣物
B.洗涤前浸泡有利于酶与污渍结合催化其分解
C.减少浸泡衣物的用水量可提高酶的浓度
D.水温过高导致酶活性下降
A
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解析 纯棉衣物的主要化学成分为纤维素。酶具有专一性,蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶均不能催化纤维素的水解,但三者可分别催化沾留在纯棉衣物上的蛋白质、脂肪、淀粉的水解,A项错误。洗涤前浸泡有利于酶与污渍结合催化其分解,且在一定范围内,酶浓度越高,洗涤效果越好,减少浸泡衣物的用水量可提高酶的浓度,B、C两项正确。温度、pH等会影响酶活性,水温过高会破坏酶的空间结构,导致酶活性下降,D项正确。
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3.(2025·江苏卷)关于人体细胞和酵母细胞呼吸作用的比较分析,下列叙述正确的是( )
A.细胞内葡萄糖分解成丙酮酸的场所不同
B.有氧呼吸第二阶段都有O2和H2O参与
C.呼吸作用都能产生[H]和ATP
D.无氧呼吸的产物都有CO2
C
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解析 在人体细胞和酵母细胞中,葡萄糖分解成丙酮酸(细胞呼吸第一阶段)的场所都是细胞质基质,A项错误。有氧呼吸第二阶段是丙酮酸和水反应,不需要O2参与,O2参与第三阶段,B项错误。有氧呼吸和无氧呼吸的第一阶段都产生[H]和ATP,后续阶段也有对应物质产生,两种细胞呼吸作用都能产生[H]和ATP,C项正确。人体细胞无氧呼吸的产物是乳酸,没有CO2;酵母细胞无氧呼吸的产物是酒精和CO2,D项错误。
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4.(2025·黑吉辽蒙卷改编)下图为植物细胞呼吸的部分反应过程示意图,图中NADH可储存能量,①②③表示不同反应阶段。下列叙述不正确的是( )
A.①发生在细胞质基质,②和③发生在线粒体
B.③中NADH通过一系列的化学反应参与了水的形成
C.无氧条件下,②③不能进行,①能正常进行
D.无氧条件下,①产生的NADH中的部分能量转移到ATP中
D
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解析 ①是细胞呼吸第一阶段,发生在细胞质基质;②是有氧呼吸第二阶段,③是有氧呼吸第三阶段,二者均发生在线粒体,A项正确。③(有氧呼吸第三阶段)中,NADH与O2结合,通过一系列化学反应生成水,B项正确。无氧条件下,②有氧呼吸第二阶段和③有氧呼吸第三阶段无法正常进行,①可表示有氧呼吸或无氧呼吸第一阶段,能正常进行,C项正确。无氧条件下,①产生的NADH参与无氧呼吸第二阶段,该阶段不产生ATP,NADH中的能量转移到酒精或乳酸中,D项错误。
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5.(2025·山东卷)关于细胞以葡萄糖为原料进行有氧呼吸和无氧呼吸的过程,下列说法正确的是( )
A.有氧呼吸的前两个阶段均需要O2作为原料
B.有氧呼吸的第二阶段需要H2O作为原料
C.无氧呼吸的两个阶段均不产生NADH
D.经过无氧呼吸,葡萄糖分子中的大部分能量以热能的形式散失
B
解析 有氧呼吸的前两个阶段不需要O2作为原料,第三阶段需要O2作为原料,A项错误。有氧呼吸的第二阶段需要H2O作为原料,B项正确。无氧呼吸的第一阶段产生NADH,NADH在第二阶段被消耗,C项错误。经过无氧呼吸,葡萄糖分子中的大部分能量仍存留在乳酸或酒精中,D项错误。
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6.(2025·湖北卷)我国农学家贾思勰所著《齐民要术》记载:“凡五谷种子,浥郁则不生,生者亦寻死。”意思是种子如果受潮发霉就不会发芽,即使发芽也会很快死亡。下列叙述错误的是( )
A.农业生产中,种子储藏需要干燥的环境
B.种子受潮导致细胞内结合水比例升高,自由水比例降低,细胞代谢减弱
C.霉菌在种子上大量繁殖,消耗了种子的营养物质,不利于种子正常萌发
D.发霉过程中,微生物代谢产生的有害物质可能抑制种子萌发相关酶的活性
B
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解析 农业生产中,种子储藏需要低温干燥的环境,防止种子受潮发霉而不能萌发,A项正确。种子受潮导致细胞内自由水比例升高,结合水比例降低,细胞代谢增强,B项错误。霉菌在种子上大量繁殖,消耗了种子的营养物质,可能会使种子缺乏营养物质而不能正常萌发,C项正确。种子的萌发需要合成和分解一些物质,离不开酶的催化作用,发霉过程中,微生物代谢产生的有害物质可能抑制种子萌发相关酶的活性,导致种子不能萌发,D项正确。
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7.(2025·河北卷)对绿色植物的光合作用和呼吸作用过程进行比较,下列叙述错误的是( )
A.类囊体膜上消耗H2O,而线粒体基质中生成H2O
B.叶绿体基质中消耗CO2,而线粒体基质中生成CO2
C.类囊体膜上生成O2,而线粒体内膜上消耗O2
D.叶绿体基质中合成有机物,而线粒体基质中分解有机物
A
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解析 光合作用的光反应在类囊体膜上进行,会消耗H2O;有氧呼吸第三阶段在线粒体内膜上进行,会生成H2O,A项错误。光合作用的暗反应在叶绿体基质中进行,会消耗CO2;有氧呼吸第二阶段在线粒体基质中进行,会生成CO2,B项正确。光合作用的光反应在类囊体膜上进行,会生成O2;有氧呼吸第三阶段在线粒体内膜上进行,会消耗O2,C项正确。光合作用的暗反应在叶绿体基质中进行,会合成有机物;有氧呼吸第二阶段在线粒体基质中进行,会发生丙酮酸(属于有机物)的分解,D项正确。
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8.(10分)(2025·云南卷)不当施肥、人为踩踏、大型农业机械碾压等因素均会导致土壤结构破坏,如土壤紧实等。为研究土壤紧实对植物生长发育的影响,研究人员分别用压实的土壤(压实组)和未压实的土壤(疏松组)种植黄瓜,得到黄瓜根系中苹果酸和酒精含量数据如表。
组别 苹果酸/(μmol·g-1) 酒精/(μmol·g-1)
压实组 0.271±0.005 6.114±0.013
疏松组 0.467±0.004 2.233±0.040
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回答下列问题。
(1)本实验中苹果酸主要在根系细胞的线粒体基质中生成,由此可推测,其为 (填“有氧”或“无氧”)呼吸的中间产物。
(2)相较于疏松组,压实组黄瓜根系的无氧呼吸更强,依据是 ,为维持根系细胞正常生命活动,压实组消耗的有机物总量更 (填“多”或“少”),原因是
;根吸收水分的能力减弱,叶片气孔 ,光合作用 阶段首先受抑制,有机物合成减少。最终导致有机物积累减少,黄瓜生长缓慢。
(3)为解决土壤紧实的问题,可以采取的措施有
(答出2点即可)。
有氧
压实组黄瓜根系中酒精含量更高
多
压实组无氧呼吸强,无氧呼吸释放能量少
关闭
暗反应
合理施肥、适度翻耕、减少大型农业机械的不必要碾压等
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解析 (1)有氧呼吸的第二阶段发生在线粒体基质中,本实验中苹果酸主要在根系细胞的线粒体基质中生成,由此可推测,其为有氧呼吸的中间产物。
(2)相较于疏松组,压实组黄瓜根系中酒精含量更高,而酒精是植物细胞无氧呼吸的产物,所以压实组黄瓜根系的无氧呼吸更强。为维持根系细胞正常生命活动,由于压实组无氧呼吸强,无氧呼吸释放的能量较少,为获得足够能量维持生命活动,压实组消耗的有机物总量更多。根吸收水分的能力减弱,叶片气孔关闭,二氧化碳进入减少,光合作用暗反应阶段首先受抑制,有机物合成减少。最终导致有机物积累减少,黄瓜生长缓慢。
(3)为解决土壤紧实的问题,可以采取的措施有合理施肥,避免不当施肥导致土壤结构破坏;适度翻耕,疏松土壤;减少大型农业机械的不必要碾压等。
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9.(2025·广州期末)板栗仁因其独特的风味和营养价值而受到消费者的青睐。然而,板栗仁在加工过程中,由于酶促反应其极易发生褐变,主要是由多酚氧化酶和过氧化物酶在氧气存在的条件下催化酚类底物的氧化导致。下列叙述错误的是( )
A.影响多酚氧化酶、过氧化物酶活性的主要因素有温度、pH
B.多酚氧化酶和过氧化物酶为催化酚类底物提供所需的活化能
C.多酚氧化酶和过氧化物酶具有高效性
D.低温处理使多酚氧化酶和过氧化物酶活性降低,可防止过度氧化影响板栗仁品质
B
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解析 温度和pH会影响酶的活性,在适宜温度和pH下,酶活性较高,偏离适宜条件,酶活性会降低甚至失活,所以影响多酚氧化酶、过氧化物酶活性的主要因素有温度、pH,A项正确。酶的作用机理是降低化学反应的活化能,而不是为反应提供活化能,B项错误。与无机催化剂相比,酶具有高效性,酶能更显著地降低化学反应的活化能,加快反应速率,多酚氧化酶和过氧化物酶同样具有高效性,C项正确。低温处理可使多酚氧化酶和过氧化物酶活性降低,从而减缓酚类底物的氧化速率,可防止过度氧化影响板栗仁品质,D项正确。
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10.(2025·内蒙古鄂尔多斯期末)如图表示ATP的结构,科研人员将32P标记的磷酸注入活的离体肝细胞,1~2 min后迅速分离得到细胞内的ATP,发现其含量没有明显变化,但大部分ATP的磷酸基团已带上放射性标记。下列相关叙述正确的是( )
A.图中“X”代表的基团为“—H”
B.细胞内ATP被32P标记的位点是β和α
C.ADP可接受ATP释放的能量并结合Pi重新合成ATP
D.有些转运蛋白被ATP水解释放的磷酸基团磷酸化后才能转运物质进出细胞
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解析 图示为ATP结构,“X”代表的基团为“—OH”,A项错误。ATP水解时远离A的特殊化学键易断裂,所以细胞内ATP被32P标记的位点是γ,B项错误。动物体内ATP合成的能量来源为细胞呼吸,C项错误。ATP为蛋白质磷酸化提供能量,磷酸化的蛋白质会通过改变自身的空间构象来运输物质,所以部分载体蛋白被ATP水解释放的磷酸基团磷酸化后才具有活性运输物质,D项正确。
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11.(2025·陕西渭南一模)细胞呼吸是联系糖类、脂肪和蛋白质相互转化的枢纽。人体肝细胞内的部分生化反应及其联系如图所示,其中编号表示过程,字母表示物质。下列叙述错误的是( )
A.过程①生成物质A时会产生少量ATP
B.④过程中大部分化学能转化成热能
C.有氧运动会使物质A转化为甘油和脂肪酸的量减少
D.物质A分解成CO2和[H]的过程需要O2的参与
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解析 过程①由葡萄糖生成物质A丙酮酸时会产生少量ATP,A项正确。④为有氧呼吸第三阶段,该过程中释放大量能量,其中大部分能量以热能的形式散失,少部分转化为ATP中的化学能,B项正确。有氧运动会增强细胞代谢,使能量消耗增加,A丙酮酸更多地被氧化分解供能,转化为甘油和脂肪酸的量会减少,C项正确。物质A丙酮酸在线粒体中分解成CO2和[H]是有氧呼吸的第二阶段,不需要O2的参与,D项错误。
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12.(2025·江西九江一模)光合作用中物质和能量的变化是相辅相成的。光反应过程中,由光照引起从H2O到NADP+的电子传递,驱动类囊体膜内的质子泵,在类囊体膜的两侧建立了质子浓度梯度,从而驱动ATP合成酶合成ATP。下列相关叙述不正确的是( )
A.电子传递给NADP+,用于NADP+与H+结合形成NADPH
B.光反应将光能转化为储存在ATP和NADPH中的化学能
C.光反应中,没有CO2的存在,光能无法完成向活跃化学能的转变
D.暗反应中,没有ATP和NADPH提供的能量,叶绿体不能持续固定CO2生成C3
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解析 光反应中产生的电子被NADP+接受,使其被还原成NADPH,A项正确。光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收光能,并将光能转化为ATP和NADPH中的化学能,B项正确。光反应不需要CO2的参与,没有CO2的存在,光能可以完成向活跃化学能的转变,C项错误。暗反应中,没有ATP和NADPH提供的能量,C3的还原不能进行,C5不能生成,叶绿体不能持续固定CO2生成C3,D项正确。(共42张PPT)
层级一:主干知识落实清单
考点1 酶在细胞代谢中的作用
【串联整合】
1.四个角度区别
酶和激素
活细胞
内分泌细胞
蛋白质
RNA
活化能
细胞代谢
灭活
2.解读酶的三类曲线
(1)酶的作用原理
解读:①由图可知,酶的作用原理是 。
②若将酶换成无机催化剂,则b点在纵轴上向上移动,但不超过a点。
③用加热的方法不能降低活化能,但会提供反应所需的能量。
降低化学反应的活化能
(2)酶的特性
解读:①图1中加酶的曲线和加无机催化剂的曲线比较,表明酶具有 。
②图2中两曲线比较,表明酶具有专一性。
高效性
(3)影响酶促反应速率的因素
解读:①根据图1和图2可知,温度或pH通过影响 来影响酶反应速率。
②根据图3可知,OP段的限制因素是 ,P点以后的限制因素可能是 。
酶的活性
底物浓度
酶浓度
3.酶的特性及相关探究实验
气泡
斐林试剂
斐林试剂
O2
【自主落实】
[练易错]
1.判断下列有关酶本质和特性叙述的正误。
(1)(2024·河北卷)作为生物催化剂,酶作用的反应物都是有机物。( )
(2)(2023·广东卷)具有催化功能RNA的发现是对酶化学本质认识的补充。
( )
(3)(2022·浙江卷)低温主要通过改变淀粉酶的氨基酸组成,导致酶变性失活。
( )
(4)(2021·全国甲卷)酶、抗体、激素都是由氨基酸通过肽键连接而成的。
( )
(5)(2020·江苏卷)细胞中生物大分子的合成需要酶来催化。( )
×
√
×
×
√
2.判断下列有关影响酶活性因素叙述的正误。
(1)(2024·河北卷)胃蛋白酶应在酸性、37 ℃条件下保存。( )
(2)(2021·湖北卷)麦芽中的淀粉酶比人的唾液淀粉酶的最适温度低。( )
(3)(2021·浙江卷)设计温度对蛋白酶活性影响的实验方案时,可选择斐林试剂检测反应产物。( )
(4)(2021·浙江卷)“探究pH对过氧化氢酶的影响”实验中,分别加入不同pH的缓冲液后再加入底物。( )
×
×
×
√
[练表达]
3.(2023·全国乙卷)酶在细胞代谢中发挥重要作用,与无机催化剂相比,酶所具有的特性是 ;煮沸会使细胞研磨液中的酶失去催化作用,其原因是高温破坏了酶的 。
4.(必修1 P79思考·讨论拓展)设计简单的实验验证从大豆种子中提取的脲酶是蛋白质,请说明实验思路。
高效性、专一性、作用条件较温和
空间结构
向脲酶溶液和蛋白质溶液中分别加入等量的双缩脲试剂,若都出现紫色反应,则说明脲酶是蛋白质。
5.(必修1 P84相关信息)已知胃蛋白酶的最适pH为1.5,小肠液的pH约为7.6,胃蛋白酶随食糜进入小肠后不能发挥作用的原因是
。
6.(必修1 P85科学·技术·社会)溶菌酶抗菌消炎的原理是 。细菌性溶菌酶能否防御真菌感染 请说明原因:______________________________________________________
。
没有了适宜的pH,胃蛋白酶活性大大下降甚至失活,不再发挥作用
溶菌酶能够溶解细菌的细胞壁
不能,因为真菌和细菌细胞壁的成分不同,而酶具有专一性,细菌性溶菌酶不能防御真菌感染
7.(必修1 P77探究·实践)若要利用适宜浓度的过氧化氢溶液、蒸馏水、3.5%FeCl3溶液、0.01%过氧化氢酶溶液等材料用品,设计实验同时验证过氧化氢酶具有催化作用和高效性,请简要写出实验思路及预期的实验结果。
①实验思路:取三支洁净的试管分为三组,分别加入等量过氧化氢溶液和过氧化氢酶溶液、过氧化氢溶液和FeCl3溶液、过氧化氢溶液和蒸馏水;或取三支试管,先各加适量过氧化氢溶液,再分别向上述三支试管中加适量且等量的蒸馏水、FeCl3溶液和过氧化氢酶溶液。观察各组(试管)中释放气泡(氧气)的快慢。
②预期的实验结果:氧气的释放速率从快到慢依次是加过氧化氢酶溶液的组别(试管)、加FeCl3溶液的组别(试管)、加蒸馏水的组别(试管)。
考点2 ATP在细胞代谢中的作用
【串联整合】
1.明确ATP与核酸的关系
RNA
DNA
2.能量转换过程和ATP的来源与去路
ATP和NADPH
细胞质基质
线粒体
【自主落实】
[练易错]
1.判断下列有关ATP结构叙述的正误。
(1)(2022·浙江卷)腺苷三磷酸分子是由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成。( )
(2)(2022·浙江卷)腺苷三磷酸分子在水解酶的作用下不断地合成和水解。
( )
(3)(2022·浙江卷)ATP分子中特殊化学键是与磷酸基团相连接的化学键。
( )
(4)(2021·北京卷)ATP含有C、H、O、N、P五种元素。( )
×
×
×
√
2.判断下列有关ATP合成与功能叙述的正误。
(1)(2024·全国甲卷)ATP转化为ADP可为离子的主动运输提供能量。( )
(2)(2024·全国甲卷)光合作用可将光能转化为化学能储存于磷酸基团之间的特殊化学键中。( )
(3)(2022·江苏卷)蓝细菌没有线粒体,只能通过无氧呼吸分解葡萄糖产生ATP。( )
(4)(2021·北京卷)ATP在胞内合成需要酶的催化,且必须在有氧条件下合成。
( )
√
√
×
×
[练表达]
3.(2022·天津卷)ATP来源于 和 等生理过程,为各项生命活动提供能量。
4.(必修1 P86正文)ATP中含有3个磷酸基团,磷酸基团带有负电荷。请从电荷间的相互作用角度解释ATP分子中远离腺苷的那个特殊的化学键容易水解的原因:____________________________________________________
______________________________________________________________
。
光合作用
呼吸作用
由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,使得这种特殊化学键不稳定,末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势,因而远离腺苷的那个特殊的化学键容易水解
5.(教材拓展)科学家发现,一种化学结构与ATP相似的物质GTP(鸟苷三磷酸)也能为细胞的生命活动提供能量,请从化学结构的角度解释GTP也可以供能的原因:
。
6.(教材拓展)ATP在神经系统的信息传递中可以作为一种兴奋性的神经递质发挥作用,并且在内脏、中枢及外周神经系统等多个部位的细胞膜上发现了ATP受体。据此判断ATP具有的作用:
。
含有两个特殊化学键,远离鸟苷的特殊化学键容易水解断裂,释放能量
ATP是一种能在细胞间传递信息的信号分子
考点3 细胞呼吸原理及其应用
【串联整合】
1.整合有氧呼吸和
无氧呼吸的过程
图解
2.长时间无氧呼吸对植物的危害
(1)无氧呼吸产生酒精,酒精使细胞中的蛋白质变性。
(2)利用葡萄糖进行无氧呼吸释放的能量很少,植物要维持正常的生命活动就要消耗更多的有机物。
(3)无氧呼吸没有丙酮酸氧化过程,缺乏新物质合成的原料。
3.掌握影响细胞呼吸的四类曲线
【自主落实】
[练易错]
1.判断下列有关细胞呼吸叙述的正误。
(1)(2023·广东卷)还原型辅酶Ⅰ参与呼吸作用并在线粒体内膜上作为反应物。( )
(2)(2023·浙江卷)酵母菌进行不同方式的细胞呼吸,消耗等量葡萄糖时所释放的能量相等。( )
(3)(2022·河北卷)酵母菌无氧呼吸不产生使溴麝香草酚蓝溶液变黄的气体。
( )
√
×
×
(4)(2022·河北卷)呼吸作用中有机物彻底分解、产生大量ATP的过程发生在线粒体基质中。( )
(5)(2022·浙江卷)人体剧烈运动会导致骨骼肌细胞产生较多的乳酸。( )
(6)(2020·全国Ⅰ卷)若细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸(以葡萄糖为呼吸底物),则吸收O2的分子数比释放CO2的多。( )
×
√
×
[练表达]
2.(必修1 P94小字部分)所有生物的生存都离不开细胞呼吸释放的能量,细胞呼吸还被称为细胞代谢的枢纽,原因是
。
3.(必修1 P94相关信息)1 mol葡萄糖有氧呼吸能释放2 870 kJ的能量,而1 mol葡萄糖分解生成乳酸,只释放196.65 kJ的能量,其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP中。据此分析在进行无氧呼吸过程中,葡萄糖中能量的主要去向和葡萄糖氧化分解释放的能量的主要去向是
。
细胞呼吸过程中产生的中间产物可以转化为甘油、氨基酸等非糖物质,非糖物质代谢产生的某些物质可以进一步形成葡萄糖,糖类、脂质和蛋白质的代谢都可以通过细胞呼吸过程联系起来
无氧呼吸过程中,葡萄糖中的能量主要存留在乳酸或酒精中没有释放出来;而氧化分解释放的能量主要以热能形式散失了
4.(2023·全国乙卷改编)植物可通过呼吸代谢途径的改变来适应缺氧环境。在无氧条件下,某种植物幼苗的根细胞经呼吸作用释放CO2的速率随时间的变化趋势如图所示:
(1)在时间a之前,植物根细胞无CO2释放,无氧呼吸的产物是 ,判断的依据是
。
乳酸
植物进行有氧呼吸或无氧呼吸产生酒精时都有CO2释放,图示在时间a之前,植物根细胞无CO2释放,分析题意可知,植物可通过呼吸代谢途径的改变来适应缺氧环境,据此推知在时间a之前,只进行无氧呼吸产生乳酸
(2)每分子葡萄糖经无氧呼吸产生酒精时生成的ATP与产生乳酸时
(填“一样多”或“不一样多”),判断的依据是
。
一样多
无论是产生酒精还是产生乳酸的无氧呼吸,都只在第一阶段释放少量能量,第二阶段无能量释放,故每分子葡萄糖经无氧呼吸产生酒精时生成的ATP和产生乳酸时相同
考点4 光合作用及其影响因素
【串联整合】
1.分析光合作用和细胞呼吸中物质变化和能量转化关系
(1)“三种”元素
转移途径
(2)NADH、NADPH和ATP的来源和去路
项目 光合作用 有氧呼吸
NADH 来源 — 有氧呼吸第一、二阶段
去向 — 用于第三阶段还原O2
NADPH 来源 H2O的光解 —
去向 还原C3 —
ATP 来源 光反应阶段产生 有氧呼吸第一、二、三阶段
去向 用于C3还原供能 用于几乎各项生命活动
2.明确影响光合作用
的三种因素
CO2浓度
酶的数量和活性
NADPH、
ATP
C3
温度
色素含量、C5的含量
酶的活性
3.解读总光合速率与呼吸速率的关系
大于0
CO2浓度
4.辨明一昼夜植物代谢强度变化的两条曲线
【自主落实】
[练易错]
1.判断下列有关光合作用的叙述是否正确。
(1)(2024·江西卷)光合作用中,水的光解发生在类囊体薄膜上。( )
(2)(2024·贵州卷)幼苗中的水可参与形成NADPH,也可参与形成NADH。
( )
(3)(2023·湖北卷)高温使作物叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少。
( )
√
√
×
(4)(2021·山东卷)植物细胞产生的O2只能来自光合作用。( )
(5)(2021·湖南卷)弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用。
( )
(6)(2021·湖南卷)在暗反应阶段,CO2不能直接被还原。( )
(7)(2020·天津卷)类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原。( )
×
×
√
×
[练表达]
2.(必修1 P103图5-14)(1)光照停止后暗反应短时间内仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是
。
(2)CO2不足暗反应减弱后光反应也无法正常进行,原因是
。
暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照使光反应停止,但叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间;过了这段时间后,暗反应因缺少ATP和NADPH而无法正常进行
光反应需要暗反应提供的ADP、Pi和NADP+,CO2不足使暗反应减弱后,光反应在缺少原料的情况下无法正常进行
3.(教材拓展)给小球藻提供18O2,在小球藻合成的有机物中检测到了18O,其最可能的转化途径是_____________________________________________
_______________________________________________________________
。
有氧呼吸第三阶段18O2与[H]结合生成了O,有氧呼吸第二阶段利用O生成C18O2,C18O2再参与光合作用的暗反应生成含18O的有机物
4.(2023·全国甲卷)某同学将从菠菜叶中分离到的叶绿体悬浮于缓冲液中,给该叶绿体悬浮液照光后有糖产生。回答下列问题。
(1)将叶绿体的内膜和外膜破坏后,加入缓冲液形成悬浮液,发现黑暗条件下在悬浮液中不能产生糖,原因是
。
(2)叶片进行光合作用时,叶绿体中会产生淀粉。请设计实验证明叶绿体中有淀粉存在,简要写出实验思路和预期结果。
黑暗条件下不能进行光反应,不能产生暗反应所需要的NADPH和ATP
思路:分离叶绿体,用碘液进行显色反应。
结果:反应结果显蓝色。(共17张PPT)
层级三 素养整合 诠释应用
素养1 生命观念——生命系统的物质和能量观
生命系统的能源物质 能源物质 糖类(重要)、脂肪、蛋白质
高能磷酸化合物 ATP(直接能源物质)、ADP、磷酸肌酸
能量的获取、储存、释放、转移和利用 获取 光合作用、化能合成作用、消化吸收
储存 合成自身有机物
释放 细胞呼吸
转移 合成ATP
利用 水解ATP
生态系统的能量流动与物质循环 微观上 物质是能量的载体,物质的合成与分解总是伴随着能量的固定、储存、转移和释放
宏观上 生态系统中物质循环是能量流动的载体,物质循环总是伴随能量流动而进行
小结 ①能量是生命活动的动力;②物质是能量的载体(主要载体是ATP、糖类、脂肪和蛋白质);③能源物质的分子结构与能量的存储相适应;④能量的储存、释放伴随着物质的合成与分解 【素养应用】
1.(2025·安徽六安期末)如图所示是能量在生态系统中的变化形式,据所学知识判断下列说法错误的是( )
A.过程②主要通过各种生物的呼吸作用实现,此生理过程释放的能量除储存在ATP中外,其余少部分以热能的形式散失
B.真核生物中过程①首先发生的场所是叶绿体类囊体薄膜,将光能转化成ATP中活跃的化学能,细胞内ATP的水解过程往往与细胞的吸能反应相联系
C.图中过程①主要通过生产者的光合作用实现,是流入生态系统总能量的主要来源
D.图示说明生态系统中能量的最终来源是光能,主要以热能形式散失
A
解析 过程②主要通过各种生物的呼吸作用实现,此生理过程释放的能量除储存在ATP中外,其余大部分以热能的形式散失,A项错误。真核生物中过程①光合作用首先发生的场所是叶绿体类囊体薄膜(光反应场所),将光能转化成ATP中活跃的化学能,B项正确。图中过程①主要通过生产者的光合作用实现,是流入生态系统总能量的主要来源,C项正确。图示表示生态系统中能量的最终来源是光能,主要以热能的形式散失,可见能量流动具有单向流动的特点,D项正确。
2.(2025·江西新余期中)在生态系统中,植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量,其中一部分用于自身的呼吸消耗,剩余部分称为净初级生产量。下表为4个生态系统的研究实例,下列有关叙述错误的是( )
类别 玉米地 荒地 湖泊Ⅰ 湖泊Ⅱ
太阳能利用率(初级生产量/入射太阳能) 1.6% 1.2% 0.4% 0.1%
呼吸消耗率(呼吸消耗/初级生产量) 23.4% 15.1% 22.3% 21.0%
净初级生产效率(净初级生产量/初级生产量) 76.6% 84.9% 77.7% 79.0%
A.两个湖泊的太阳能利用率低,主要原因是CO2供应不足导致光合速率较低
B.两个湖泊中植物的呼吸消耗率与玉米地的接近,但明显高于荒地
C.若入射太阳能相同,上述4个生态系统中,制造有机物质最多的是玉米地
D.玉米快速生长过程中积累的大量有机物中的能量属于净初级生产量
答案 A
解析 两个湖泊中有很多的水生植物,而这些植物接受的太阳能需要穿过水层,据此可推知两个湖泊的太阳能利用率低,可能与太阳光穿过水层时损失了部分能量有关,A项错误。根据表格数据可知,两个湖泊中植物的呼吸消耗率与玉米地的接近,但明显高于荒地,B项正确。若入射太阳能相同,题述4个生态系统中,制造有机物质最多的是玉米地,因为玉米地的太阳能利用率最高,C项正确。玉米快速生长过程中积累的大量有机物中的能量属于净初级生产量,D项正确。
素养2 社会责任——提高农作物产量和品质(条件控制、种植方式、育种结合)
《中华人民共和国粮食安全保障法》于2023年12月29日通过,自2024年6月1日起施行。悠悠万事,吃饭为大。2023年,我国粮食产量再创历史新高,农民收入较快增长,农村社会和谐稳定。党的十八大以来,习近平总书记围绕国家粮食安全发表的一系列重要论述,立意高远,内涵丰富,思想深刻,对于全方位夯实粮食安全根基具有十分重要的意义。
【素养应用】
1.(2025·湖南邵阳模拟)世界粮食危机依然存在,粮食安全是国家安全的根基,依据生物学原理,下列相关措施的叙述,错误的是( )
A.农业生产中采用轮作有利于维持土壤的健康和生产力的稳定
B.中耕松土和合理灌溉,有利于植物根系对水分和无机盐的利用,利于作物生长
C.常采取降低温度和氧气含量、保持干燥等措施来储藏粮食、蔬菜和水果
D.合理密植和施用农家肥,有利于提高粮食产量
C
解析 农业生产中采用轮作可保证土壤养分的均衡利用,避免其片面消耗,改善土壤理化性状,调节土壤肥力,有利于维持土壤的健康和生产力的稳定,A项正确。中耕松土、合理灌溉,能促进作物根系进行有氧呼吸,降低无氧呼吸,有利于植物根系对水分和无机盐的利用,利于植物的生长,B项正确。粮食要在零上低温、低氧、干燥的环境中储藏,而蔬菜和水果的保鲜要在零上低温、低氧、适宜湿度的条件下保存,C项错误。合理密植的目的是充分利用单位土地面积上的光照,施用农家肥可以为植物的生长提供多种无机盐,都可以促进植物的生长,有利于农作物产量的提高,D项正确。
2.(2025·河北保定一模)为保障我国粮食安全,政府大力推广玉米、大豆间行种植技术,这样既保证了玉米产量,又提高了大豆产能。下列叙述错误的是( )
A.阳生植物和阴生植物间作的立体农业体现了生物群落的垂直结构
B.与玉米单作相比,玉米、大豆间作可以提高光能利用率
C.在种植大豆时,常用根瘤菌拌种,二者之间是互利共生关系
D.玉米和大豆成熟时,在大田中放置稻草人阻吓鸟类利用的是行为信息
D
解析 阳生植物和阴生植物间作,阳生植物利用上层较强的光照,而阴生植物利用从阳生植物叶片缝隙漏下来的下层较弱的光照,这种立体农业充分利用不同层次的光能资源,体现了生物群落的垂直结构,A项正确。与玉米单作相比,大豆与玉米间作种植后可充分利用光照,提高光能利用率,B项正确。两种生物长期共同生活在一起,相互依存,彼此有利,这样的种间关系为互利共生,豆科植物与根瘤菌之间,植物向根瘤菌提供有机养料,根瘤菌则将空气中的氮气转变为含氮的养料,供植物利用,故豆科植物与根瘤菌的种间关系为互利共生,C项正确。玉米和大豆成熟时,在大田中放置稻草人阻吓鸟类利用的是物理信息,D项错误。
3.(2025·四川模拟)耕地撂荒是指在可耕地上没有耕作的一种现象。对撂荒耕地复耕复种,有助于保障国家粮食安全。下列有关叙述错误的是( )
A.撂荒耕地中的物质循环发生在群落内部
B.复耕复种会改变该地群落的演替速度和方向
C.复耕复种后,群落内的物种数目会发生改变
D.复耕复种过程中增大物质投入可获得更大产出
A
解析 撂荒耕地中的物质循环不会只在群落内发生,群落仅指生物部分,不包括非生物环境,且物质循环会对其他生态系统产生影响,A项错误。复耕复种过程中会因为人为因素而改变群落演替速度和方向,B项正确。撂荒状态下,耕地上杂草丛生,复耕复种后,会清除耕地上的杂草,栽种农作物,因此复耕复种后群落内的物种数目会发生改变,C项正确。复耕复种过程中,若加大水、肥等物质投入,可以获得更大产出,D项正确。(共128张PPT)
层级二 二轮核心 精研专攻
【单元网络构建】
RNA
降低化学反应的活化能
C、H、O、N、P
ATP和NADPH中的化学能
(CH2O)中的化学能
突破点1 运用“对照”和“变量”思维解答酶类实验题
【高考命题预测】
高考试题对这部分内容以选择题形式考查为主,注重生活与科研情境的融合,强化实验变量分析、数据解读及跨学科整合能力。需重点关注酶的催化功能及酶的特性、酶活性调控及创新情境应用。试题可能引入前沿研究,要求学生迁移核心概念,体现科学思维与探究能力。
聚焦1酶的抑制剂与酶促反应速率
【练真题 明方向】
1.(2025·四川卷)D-阿洛酮糖是一种低热量多功能糖,有助于肥胖人群的体重管理。Co2+可协助酶Y催化D-果糖转化为D-阿洛酮糖。有人在相同体积、相同酶量且最适反应条件(含Co2+条件)下,测定不同浓度D-果糖的转化率(转化率=产物量/底物量×100%),其变化趋势如下图。下列叙述正确的是( )
A.升高反应温度,可进一步提高D-果糖转化率
B.D-果糖的转化率越高,说明酶Y的活性越强
C.若将Co2+的浓度加倍,酶促反应速率也加倍
D.2 h时,三组中500 g/L D-果糖组产物量最高
D
解析 该实验是在最适反应条件下进行的,升高反应温度会使酶Y的活性降低,从而降低D-果糖转化率,A项错误。D-果糖的转化率不仅与酶Y的活性有关,还与底物(D-果糖)的浓度、反应时间等因素有关,所以不能仅根据D-果糖的转化率高就说明酶Y的活性强,B项错误。Co2+可协助酶Y催化该化学反应,但Co2+不是酶,将Co2+的浓度加倍,不一定会使酶促反应速率也加倍,酶促反应速率还受到酶的数量、底物浓度等多种因素影响,C项错误。转化率=产物量/底物量×100%,2 h时,500 g/L D-果糖组的转化率不是最高,但底物量是最多的,且转化率也较高,根据产物量=底物量×转化率,可知其产物量最高,D项正确。
2.(2025·江苏卷)为探究淀粉酶是否具有专一性,有同学设计了实验方案,主要步骤如表。下列相关叙述合理的是( )
步骤 甲组 乙组 丙组
① 加入2 mL淀粉溶液 加入2 mL淀粉溶液 加入2 mL蔗糖溶液
② 加入2 mL淀粉酶溶液 加入2 mL蒸馏水
③ 60 ℃水浴加热,然后各加入2 mL斐林试剂,再60 ℃水浴加热 A.丙组步骤②应加入2 mL蔗糖酶溶液
B.两次水浴加热的主要目的都是提高酶活性
C.根据乙组的实验结果可判断淀粉溶液中是否含有还原糖
D.甲、丙组的预期实验结果都出现砖红色沉淀
C
解析 本题是要探究淀粉酶的专一性,故丙组步骤②应加入2 mL淀粉酶溶液,与甲组形成以底物(淀粉、蔗糖)为变量的对照,加入蔗糖酶溶液无法探究淀粉酶的专一性,A项不合理。第一次60 ℃水浴加热是为淀粉酶提供适宜的反应温度,第二次60 ℃水浴加热是为斐林试剂与还原糖反应提供条件,B项不合理。乙组加淀粉溶液和蒸馏水,可作为对照,根据其结果能判断淀粉溶液中是否含有还原糖(若乙组出现砖红色沉淀,则说明淀粉溶液本身含有还原糖;反之则无),C项合理。甲组淀粉酶催化淀粉水解产生还原糖,会出现砖红色沉淀;丙组淀粉酶不能催化蔗糖水解(淀粉酶的专一性),不会出现砖红色沉淀,D项不合理。
【情境链接】
1.酶的抑制剂和激活剂
有机溶剂、重金属离子、酶激活剂和酶抑制剂等也会影响酶的活性。酶激活剂是指某些物质可以改变无活性的酶前体,使之成为有活性的酶,或加快某种酶促反应速率产生酶激活作用。多种金属离子可以作为某些酶的激活剂,如镁离子(Mg2+)能激活磷酸酯酶,氯离子(Cl-)能激活α-淀粉酶等。
2.酶促反应速率与酶、底物的关系
Km是达到最大反应速率一半时的底物浓度,Km值反映的是酶对底物的亲和力:Km越小,说明在较低的底物浓度下就可以达到酶促反应速率的一半,即酶对底物的亲和力高;反之则低。
[命题设计]
(1)竞争性抑制剂对酶促反应的最大反应速率 (填“有”或“没有”)影响,Km会 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)下图表示相同酶溶液分别在无抑制剂、竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂条件下,酶促反应速率随底物浓度变化的情况。则 为无抑制剂条件下底物浓度与反应速率的关系,乙组反应体系中加入了 抑制剂,丙组反应体系中加入了 抑制剂。
没有
增大
甲组
竞争性
非竞争性
(3)某物质X为淀粉酶抑制剂。结合情境链接中的1,为探究其是竞争性抑制剂还是非竞争性抑制剂,某同学设计了如下实验。预期实验结果:若 ,则物质X为竞争性抑制剂;若 ,则物质X为非竞争性抑制剂。
组别 实验处理 实验结果
甲组 足量的淀粉溶液+淀粉酶 分别测定各酶促反应速率
乙组 足量的淀粉溶液+淀粉酶+物质X 甲组和乙组的最大反应速率大致相同
甲组反应速率大于乙组
【练模拟 拓角度】
3.酶抑制剂能降低酶的活性,主要有竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂两大类。图1表示两种抑制剂的作用机理;图2为最适温度下的酶促反应曲线,Km表示最大反应速率(Vmax)一半时的底物浓度。下列相关说法错误的是( )
图1
图2
A.酶的合成场所是核糖体,形成过程中脱去水分子
B.竞争性抑制剂的抑制作用可以通过增加底物浓度而解除
C.加入非竞争性抑制剂会使Vmax降低,Km值不变
D.Km值越小,酶与底物亲和力越高
答案 A
解析 酶的化学本质为蛋白质或RNA,蛋白质类酶的合成场所是核糖体,形成过程中脱去水分子,而RNA类酶的合成场所不是核糖体,A项错误。竞争性抑制剂的抑制作用可以通过增加底物浓度而解除,因为可以增大底物与酶的接触概率,B项正确。非竞争性抑制剂可与酶的非活性部位结合,改变酶的构象,使酶的催化活性降低甚至丧失,即使底物能与酶结合,也无法得到产物,高浓度的底物不能使这种抑制作用逆转,故加入非竞争性抑制剂会使Vmax降低,Km值不变,C项正确。Km值越小,说明在底物浓度较低时就达到了Vmax,说明酶与底物亲和力高,D项正确。
聚焦2围绕酶的活性考查酶的实验设计与分析
【练真题 明方向】
4.(2025·浙江卷)取鸡蛋清,加入蒸馏水,混匀并加热一段时间后,过滤得到浑浊的滤液。以该滤液为反应物,探究不同温度对某种蛋白酶活性的影响,实验结果如表所示。
组别 1 2 3 4 5
温度/℃ 27 37 47 57 67
滤液变澄清时间/min 16 9 4 6 50 min未澄清
据表分析,下列叙述正确的是( )
A.滤液变澄清的时间与该蛋白酶活性呈正相关
B.第3组滤液变澄清时间最短,酶促反应速率最快
C.若实验温度为52 ℃,则滤液变澄清时间为4~6 min
D.若实验后再将第5组放置在57 ℃的环境中,则滤液变澄清时间为6 min
B
解析 浑浊的滤液为变性的蛋白质液体,滤液变澄清的时间与该蛋白酶活性呈负相关,即蛋白酶活性越强,蛋白质水解速度越快,澄清时间越短,A项错误。第3组滤液变澄清时间最短,说明酶活性最高,酶促反应速率最快,B项正确。若实验温度为52 ℃,该温度介于47 ℃(滤液变澄清时间为4 min)和57 ℃(滤液变澄清时间为6 min)之间,此时酶活性可能高于47 ℃时,时间可能小于4 min,C项错误。第5组蛋白酶已经失活,实验后再将第5组放置在57 ℃的环境中,滤液也不会变澄清,D项错误。
5.(2024·广东卷)现有一种天然多糖降解酶,其肽链由4段序列以Ce5-Ay3-Bi-CB方式连接而成。研究者将各段序列以不同方式构建新肽链,并评价其催化活性,部分结果见下表。关于各段序列的生物学功能,下列分析错误的是( )
肽链 纤维素类底物 褐藻酸类底物 W1 W2 S1 S2
Ce5-Ay3-Bi-CB + +++ ++ +++
Ce5 + ++ - -
Ay3-Bi-CB - - ++ +++
Ay3 - - +++ ++
Bi - - - -
CB - - - -
注:-表示无活性,+表示有活性,+越多表示活性越强。
A.Ay3与Ce5催化功能不同,但可能存在相互影响
B.Bi无催化活性,但可判断与Ay3的催化专一性有关
C.该酶对褐藻酸类底物的催化活性与Ce5无关
D.无法判断该酶对纤维素类底物的催化活性是否与CB相关
答案 B
解析 由题表可知,Ce5催化纤维素类底物发生降解,Ay3催化褐藻酸类底物发生降解,故Ay3与Ce5催化功能不同,Ay3-Bi-CB与Ce5-Ay3-Bi-CB相比,缺少Ce5后,就不能催化纤维素类底物发生降解,当Ay3与Ce5同时存在时能催化纤维素类底物发生降解,所以Ay3与Ce5可能存在相互影响,A项正确。由题表可知,不论是否与Bi结合,Ay3均可以催化S1和S2发生降解,说明Bi与Ay3的催化专一性无关,B项错误。由题表可知,Ay3-Bi-CB和Ce5-Ay3-Bi-CB催化褐藻酸类底物的活性相同,说明该酶对褐藻酸类底物的催化活性与Ce5无关,C项正确。要判断该酶对纤维素类底物的催化活性是否与CB相关,还需要检测Ce5-Ay3-Bi肽链的活性,D项正确。
【归纳拓展】
1.探究酶作用和特性的相关实验设计分析
2.有关酶的验证、探究或评价性实验题解题策略
【练模拟 拓角度】
6.(2025·广东珠海一模)为探究金属离子对纤维素酶活性的影响,某研究小组将无机盐与酶以不同比例均匀混合,测定酶活力(见表)。下列分析正确的是( )
组别 蒸馏水 MnCl2 MgCl2 CuCl2 1∶10 1∶2 1∶10 1∶2 1∶10 1∶2
酶活力/(U·g-1) 1 000 1 225 1 435 1 000 1 048 957 902
注:U/g为酶活力单位,值越大代表酶活性越高。
A.MnCl2能提高该实验化学反应的活化能
B.CuCl2浓度增加使其对酶活力的激活作用减弱
C.该实验表明Cl-对纤维素酶的活力无影响
D.金属离子与酶结合后可能改变了酶的空间结构
D
解析 酶的作用是降低化学反应的活化能,而不是提高活化能,MnCl2处理后酶活力比蒸馏水组高,说明MnCl2增强了纤维素酶活性,更有利于降低该实验化学反应的活化能,A项错误。从表格数据看,CuCl2比例为1∶10时酶活力为957 U/g,与蒸馏水组相比,说明CuCl2降低了酶活性,CuCl2比例为1∶2时酶活力为902 U/g,即CuCl2浓度增加,酶活力降低,说明其对酶活力是抑制作用且增强,而不是激活作用减弱,B项错误。表格中各实验组都含有Cl-,但酶活力不同,不能说明Cl-对纤维素酶的活力无影响,C项错误。金属离子与酶结合后,酶活力发生变化,很可能是改变了酶的空间结构,从而影响酶活性,D项正确。
突破点2 运用“物质与能量观”分析光合作用与细胞呼吸过程(电子传递链)
【高考命题预测】
细胞呼吸和光合作用的原理和过程一直是高考的高频考点,细胞呼吸主要考查细胞呼吸方式的判定、有氧呼吸和无氧呼吸过程中的物质和能量变化等。对光合作用过程的考查通常以过程图为背景,考查光合作用的场所、物质变化和能量变化,新教材有关光合作用光反应的内容明确提出了电子传递与NADPH的形成关系,近几年的高考试题多以光反应中光系统与电子传递链为考查载体进行考查。
聚焦1细胞呼吸过程与有氧呼吸电子传递链
【练真题 明方向】
1.(2025·河南卷)甜菜是我国重要的经济作物之一,根中含有大量的糖分。研究表明呼吸代谢可影响甜菜块根的生长,其中酶Ⅰ在有氧呼吸的第二阶段发挥催化功能,该酶活性与甜菜根重呈正相关。下列叙述正确的是( )
A.酶Ⅰ主要分布在线粒体内膜上,催化的反应需要消耗氧气
B.低温抑制酶Ⅰ的活性,进而影响二氧化碳和NADH的生成速率
C.酶Ⅰ参与的有氧呼吸第二阶段是有氧呼吸中生成ATP最多的阶段
D.呼吸作用会消耗糖分,因此在生长期喷施酶Ⅰ抑制剂会增加甜菜产量
B
解析 酶Ⅰ在有氧呼吸的第二阶段发挥催化功能,故酶Ⅰ主要分布在线粒体基质中,催化的反应不需要消耗氧气,需要消耗水和丙酮酸,A项错误。有氧呼吸的第二阶段是丙酮酸和水反应产生二氧化碳和NADH,故低温抑制酶Ⅰ的活性,有氧呼吸的第二阶段减慢,进而影响二氧化碳和NADH的生成速率,B项正确。有氧呼吸中生成ATP最多的是第三阶段,C项错误。在生长期喷施酶Ⅰ抑制剂会抑制有氧呼吸,使生成的ATP减少,细胞生长发育活动受抑制,会减少甜菜产量,D项错误。
2.(2025·河北卷改编)玉米T蛋白可影响线粒体内与呼吸作用相关的多种酶,T蛋白缺失还会造成线粒体内膜受损。针对T基因缺失突变体和野生型玉米胚乳,研究者检测了其线粒体中有氧呼吸中间产物和细胞质基质中无氧呼吸产物乳酸的含量,结果如图。下列分析不正确的是( )
A.线粒体中的[H]可来自细胞质基质
B.突变体中有氧呼吸的第二阶段增强
C.突变体线粒体内膜上的呼吸作用阶段受阻
D.突变体有氧呼吸强度的变化可导致无氧呼吸的增强
B
解析 有氧呼吸第一阶段在细胞质基质中进行,产生的[H]可进入线粒体参与后续反应,所以线粒体中的[H]可来自细胞质基质,A项正确。有氧呼吸第二阶段在线粒体基质内进行,该过程发生丙酮酸的分解,突变体线粒体中丙酮酸的含量高于野生型,说明有氧呼吸第二阶段受抑制,B项错误。T蛋白缺失使线粒体内膜受损,线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段进行的场所,故突变体线粒体内膜上的呼吸作用阶段受阻,C项正确。突变体的有氧呼吸因内膜受损等受影响,导致供能不足,且由题图可知,突变体无氧呼吸产物乳酸含量明显升高,说明突变体的无氧呼吸增强,D项正确。
3.(2024·安徽卷)细胞呼吸第一阶段包含一系列酶促反应,磷酸果糖激酶1(PFK1)是其中的一个关键酶。细胞中ATP减少时,ADP和AMP会增多。当ATP/AMP浓度比变化时,两者会与PFK1发生竞争性结合而改变酶活性,进而调节细胞呼吸速率,以保证细胞中能量的供求平衡。下列叙述正确的是( )
A.在细胞质基质中,PFK1催化葡萄糖直接分解为丙酮酸等
B.PFK1与ATP结合后,酶的空间结构发生改变而变性失活
C.ATP/AMP浓度比变化对PFK1活性的调节属于正反馈调节
D.运动时肌细胞中AMP与PFK1结合增多,细胞呼吸速率加快
D
解析 细胞呼吸第一阶段葡萄糖最终分解为丙酮酸,包含一系列酶促反应即需要多种酶参与,而磷酸果糖激酶1(PFK1)是其中的一个关键酶,根据酶的名称可判断PFK1的作用对象不是葡萄糖,A项错误。由题意可知,当ATP/AMP浓度比变化时,两者会与PFK1发生竞争性结合而改变酶活性,进而调节细胞呼吸速率,以保证细胞中能量的供求平衡,说明PFK1与ATP结合后,酶的空间结构发生改变但还具有活性,B项错误。当ATP/AMP浓度比较高时,促进ATP与PFK1结合,改变酶活性,抑制细胞呼吸;当ATP/AMP浓度比较低时,会解除酶抑制,促进细胞呼吸。因此,ATP/AMP浓度比变化对PFK1活性的调节属于负反馈调节,C项错误。运动时肌细胞消耗ATP增多,细胞中ATP减少,ADP和AMP会增多,从而导致AMP与PFK1结合增多,细胞呼吸速率加快,细胞中ATP含量增多,从而维持能量供应,D项正确。
【情境链接】
在线粒体内膜上存在着呼吸链,呼吸链是由一组递氢和递电子复合物组成,其中复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都能利用电子传递所释放的能量将线粒体基质中的H+转移到膜间隙。
据图回答下列问题。
[命题设计]
(1)在细胞呼吸中,NADH来源于 (细胞结构),NADH被氧化的过程中产生电子,电子的最终受体是 。
(2)图中H+进入线粒体内外膜间隙的方式是 ,能量来源是 。
(3)据图分析,线粒体内膜两侧H+的浓度差是如何维持的
细胞质基质、线粒体基质
氧气
主动运输
电能
复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ对H+的主动运输;有氧呼吸第三阶段消耗H+;线粒体内膜对H+高度不通透,H+仅能通过ATP合酶或特定转运蛋白顺浓度梯度回流至线粒体基质。
(4)影响氧化磷酸化的因素
①ATP/ADP表示体内能量状态,推测当ATP含量高时氧化磷酸化的速率会 。
②2,4-二硝基酚(DNP)为脂溶性物质,可携带H+自由穿梭线粒体内膜,通过
减少ATP合成。DNP曾被不良商家作为减肥药售卖,其减肥的机理是 ,
使用DNP减肥可能会对人体产生的危害有
。
下降
降低H+电化学梯度
服用DNP后,细胞需要通过消耗更多的葡萄糖以维持ATP的浓度
导致细胞供能不足、体温过高等问题
③甲状腺激素通过两种机制影响氧化磷酸化和产热,一是促进钠泵表达,提高ADP浓度,从而 (填“提高”或“降低”)氧化磷酸化;二是诱导解偶联蛋白基因表达,令氧化磷酸化的能量更多以热能形式散失,________ (填“提高”或“降低”)ATP产生量。总的来说,甲状腺激素能同时促进氧化释能与产热比例,导致基础代谢提高。所以,甲亢患者体重较 ,体温较 。
提高
降低
轻
高
【练模拟 拓角度】
4.(2025·重庆模拟)有氧呼吸第三阶段在线粒体内膜上进行(如图甲),叠氮化物可抑制电子传递给氧;2,4-二硝基酚(DNP)使H+进入线粒体基质时不经过ATP合酶。将完整的离体线粒体放在缓冲液中进行实验,在不同的时间加入丙酮酸、ADP+Pi、叠氮化物、DNP中的一种,测定消耗的O2量和合成的ATP量,结果如图乙,①②表示生理过程。下列说法正确的是( )
甲
乙
A.线粒体基质中的NADH全部来自丙酮酸的氧化分解
B.物质x是丙酮酸,①②过程均发生在线粒体内膜上
C.物质y是叠氮化物,影响水的生成,不影响ATP的合成
D.物质z是DNP,使线粒体中氧化释放的能量转移到ATP的比例减少
答案 D
解析 线粒体基质中的NADH除了来自丙酮酸的氧化分解,葡萄糖分解为丙酮酸的过程也会产生NADH,A项错误。物质x是丙酮酸,过程①消耗的O2量处于较低水平,且相对稳定,属于有氧呼吸第二阶段,发生在线粒体基质中,过程②消耗的O2量增加,属于有氧呼吸第三阶段,发生在线粒体内膜上,B项错误。物质y是叠氮化物,叠氮化物可抑制电子传递给氧,影响水的生成,同时也会影响ATP的合成,因为有氧呼吸第三阶段产生大量ATP,C项错误。细胞呼吸释放的能量一部分用于合成ATP,另一部分以热能的形式散失,物质z是DNP,据图乙可知,加入该物质后,消耗的O2量增加,可知细胞呼吸产生的总能量增多,而合成的ATP量减少,即线粒体中氧化释放的能量转移到ATP的比例减少,D项正确。
聚焦2光合作用过程及光系统
【练真题 明方向】
5.(2025·黑吉辽蒙卷)黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi的过程示意图如下。其他条件均适宜,下列叙述正确的是( )
A.ATP、ADP和Pi通过NTT时,无需与NTT结合
B.NTT转运ATP、ADP和Pi的方式为主动运输
C.图中进入叶绿体基质的ATP均由线粒体产生
D.光照充足,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止
D
解析 载体蛋白运输物质时,需与被运输物质结合,A项错误。NTT顺浓度梯度运输物质,运输方式属于协助扩散,B项错误。黑暗条件下,叶绿体不能进行光反应产生ATP,进入叶绿体基质的ATP主要由线粒体产生,细胞质基质是有氧呼吸第一阶段的场所,也可提供少量ATP,C项错误。光照充足时,叶绿体光反应产生ATP,叶绿体基质内ATP增多、ADP减少,NTT顺浓度梯度运出ADP的数量会减少甚至停止,D项正确。
6.(2025·山东卷节选)高光强环境下,植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤,引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长,其部分光合过程如图所示。
注: 表示电子的传递路径;Y、Z表示光合色素分子。
(1)叶绿体膜的基本支架是 ;叶绿体中含有许多由类囊体组成的 ,扩展了受光面积。
(2)据图分析,生成NADPH所需的电子源自于 。采用同位素示踪法可追踪物质的去向,用含3H2O的溶液培养该绿藻一段时间后,以其光合产物葡萄糖为原料进行有氧呼吸时,能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、 。离心收集绿藻并重新放入含O的培养液中,在适宜光照条件下继续培养,绿藻产生的带18O标记的气体有 。
磷脂双分子层
基粒
H2O
丙酮酸(C3H4O3)、[H]
O2、CO2
解析 (1)叶绿体膜(生物膜)的基本支架是磷脂双分子层;类囊体堆叠成基粒,扩展了受光面积。(2)光反应中,水光解产生电子参与NADPH生成,故电子源自H2O。用含3H2O的溶液培养绿藻,光合产物葡萄糖含3H,有氧呼吸时,葡萄糖先分解为含有3H的丙酮酸(C3H4O3)和[H]进入线粒体基质,第三阶段产生的H2O中含有3H,因此线粒体基质中被3H标记的是H2O、丙酮酸、[H]。含O培养液中,光反应中O光解产生18O2;有氧呼吸第二阶段O参与生成C18O2,所以带18O标记的气体是O2、CO2。
【归纳拓展】
1.光系统
(1)光系统是由叶绿素、类胡萝卜素和蛋白质组成的复合物,是进行光吸收的功能单位。光系统包括PSⅠ、PSⅡ两种类型。
(2)光系统包含两个部分:“天线”复合体和反应中心。“天线”复合体由几百个光色素分子组成,用于收集光子,以及将捕获的光能提供给反应中心;反应中心由特殊叶绿素分子、蛋白质分子等组成,叶绿素分子负责将能量传出光系统。
2.光反应与电子传递链
(1)光系统Ⅱ进行水的光解,产生氧气、H+和电子(e-),电子(e-)经过电子传递链传递,最终介导NADPH的产生。
(2)电子传递过程中释放能量,利用这部分能量将质子(H+)逆浓度梯度从类囊体膜的基质侧泵入囊腔侧,从而建立了质子(H+)浓度(电化学)梯度。在类囊体膜的囊腔侧光系统Ⅱ进行水的光解产生质子(H+)以及在类囊体膜的基质侧H+、e-和NADP+形成NADPH的过程,为建立质子浓度(电化学)梯度也有贡献。
(3)类囊体膜对质子(H+)是高度不通透的,因此,类囊体内的高浓度质子(H+)只能通过ATP合酶顺浓度梯度流出,而ATP合酶利用质子(H+)的浓度梯度来合成ATP。
【练模拟 拓角度】
7.(2025·湖南长沙模拟)研究发现,光反应过程中光合电子传递包括线性电子传递和环式电子传递。线性电子传递中,电子经PSⅡ、Cb6/f和PSⅠ最终产生NADPH和ATP。环式电子传递中,电子在PSⅠ和Cb6/f间循环,仅产生ATP不产生NADPH。拟南芥中亲环素蛋白C37可以调控植物光合电子传递效率,提高植物对强光的适应性(如图)。在强光胁迫下,C37蛋白与Cb6/f结合更加紧密,有利于提高电子传递效率,避免产生大量活性氧(ROS),而ROS的过度积累会导致光损伤加剧、叶绿素降解增加。ROS超过一定水平后会引发细胞凋亡。
注:光系统Ⅱ(PSⅡ)、细胞色素复合体(Cb6/f)、光系统Ⅰ(PSⅠ)均为光合电子传递链的光合复合体; 表示线性电子传递; 表示环式电子传递;
表示电子。
上述研究揭示出,植物通过调节光合链上的电子流动速率以适应强光胁迫。
(1)从图示推出,光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)位于叶绿体的
上,作用是 。
(2)环式电子传递与线性电子传递相比,能够 (填“提高”或“降低”)ATP/NADPH比例。
(3)请概括出拟南芥抵御强光胁迫的机制: (至少答出2点)。
类囊体薄膜
吸收利用光能,并进行电子传递
提高
在强光胁迫下,C37蛋白与Cb6/f结合更加紧密,有利于提高电子传递效率;同时C37蛋白可减少ROS积累,保证了强光下光反应的顺利进行
(4)已知光反应场所内的H+浓度适当增加,可以保护PSⅡ免受强光破坏,在植物面临胁迫环境时,环式电子传递会加强。综合所有信息,总结环式电子传递对于植物应对光胁迫的作用:
。
环式电子传递可以适当增加H+浓度,可以保护PSⅡ免受强光破坏,同时,可以降低强光下的细胞凋亡率
解析 (1)该光合复合体能吸收转化光能,推测为叶绿体类囊体薄膜上的结构,其作用是吸收利用光能,并进行电子传递。
(2)线性电子传递中,电子经PSⅡ、Cb6/f和PSⅠ最终产生NADPH和ATP。环式电子传递中,电子在PSⅠ和Cb6/f间循环,仅产生ATP不产生NADPH。因此环式电子传递与线性电子传递相比,能够提高ATP/NADPH比例。
(3)拟南芥抵御强光胁迫的机制:在强光胁迫下,C37蛋白与Cb6/f结合更加紧密,有利于提高电子传递效率,同时C37蛋白可减少ROS积累,避免出现光损伤和叶绿素降解,保证了强光下光反应的顺利进行。
(4)环式电子传递中,电子在PSⅠ和Cb6/f间循环,仅产生ATP不产生NADPH,因此可以适当增加H+浓度,可以保护PSⅡ免受强光破坏。同时,植物面临胁迫环境时环式电子传递加强,也可以降低强光下的细胞凋亡率。
突破点3 环境胁迫对光合作用的影响及细胞代谢与生产实践
【高考命题预测】
影响光合作用和细胞呼吸的因素及应用在高考命题中属于高频考点,也是高考的热点。试题情境既有农业生产和生活实践中的学科情境,又有科学实验与探究的学科情境。重点考查对题干信息的获取、分析和理解以及识图析图的能力。在复习中要重点关注相关曲线变化与光合作用和细胞呼吸原理之间的联系,通过训练,掌握解答有关光合作用和细胞呼吸类曲线的答题技巧。
聚焦1补偿点、饱和点与光合作用的关系及应用
【练真题 明方向】
注:光照强度在曲线②和③中为n,在曲线①中为n×120%。
1.(2025·黑吉辽蒙卷)Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶。科研人员将Rubisco基因转入某作物的野生型(WT)获得该酶含量增加的转基因品系(S),并做了相关研究。实验结果表明,这一改良提高了该作物的光合速率(如下图)和产量潜力。回答下列问题。
(1)Rubisco在叶绿体的 中催化 与CO2结合。部分产物经过一系列反应形成(CH2O),这一过程中能量转换是
。
(2)据图分析,当胞间CO2浓度高于B点时,曲线②与③重合是由于
不足。A点之前曲线①和②重合的最主要限制因素是 。胞间CO2浓度为300 μmol/mol时,曲线①比②的光合速率高的具体原因是
。
基质
C5
ATP和NADPH中活跃的化学能转换为糖类等有机物中稳定的化学能
光照强度(或ATP、NADPH)
CO2浓度
光照强度大,光反应速率快,为暗反应提供更多的ATP、NADPH,暗反应速率加快,光合速率提高
(3)研究发现,在饱和光照和适宜CO2浓度条件下,S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快。使用同位素标记的方法设计实验直接加以验证,简要写出实验思路。
在饱和光照和适宜CO2浓度条件下,用14C标记CO2,取等量生长状况相同的S植株和WT植株,在饱和光照和适宜14CO2浓度条件下培养,一段时间后,分别检测两种植株中C3的放射性强度。
解析 (1)由题干“Rubisco是光合作用暗反应中的关键酶”可知,暗反应的场所是叶绿体基质,与CO2结合的是C5,经过暗反应过程,ATP和NADPH中活跃的化学能转换为糖类等有机物中稳定的化学能。(2)据图分析,当胞间CO2浓度高于B点时,曲线②与③重合,而曲线①仍高于曲线②与③,可知曲线①高是因为进行了补光,推知曲线②与③重合是由于光照强度(或ATP、NADPH)不足。(3)要验证在饱和光照和适宜CO2浓度条件下,S植株固定CO2生成C3的速率比WT更快,可用14C标记CO2,作为S植株和WT进行光合作用的原料,一段时间后,分别检测两种植株中C3的放射性强度。
【归纳拓展】
1.光合作用与细胞呼吸曲线中的“关键点”移动分析
(1)A点:代表呼吸速率,细胞呼吸增强,A点下移;反之,A点上移。
(2)B点与C点的变化
(注:只有横坐标为自变量,其他条件不变)
条件 B点(补偿点) C点(饱和点)
适当增大光照强度(或CO2浓度) 左移 右移
适当减小光照强度(或CO2浓度) 右移 左移
土壤缺Mg2+ 右移 左移
注意:细胞呼吸速率增加,其他条件不变时,CO2(或光)补偿点应右移,反之左移。
(3)D点:代表最大光合速率,若增大光照强度或增大CO2浓度使光合速率增大时,D点向右上方移动;反之,移动方向相反。
2.光饱和点和补偿点与植物生长的关系
(1)在一定条件下,饱和点越大,表示植物的光合作用能力越强。
(2)高于补偿点,植物开始生长;低于补偿点,植物会净消耗有机物。补偿点低,说明植物在较弱光照或低CO2浓度下就能生长。
(3)通常,阴生植物的光补偿点和光饱和点都比阳生植物的低,由此可以区分判断阴生植物和阳生植物。
【练模拟 拓角度】
2.(2025·河北保定模拟)下图表示某实验小组对影响小麦和玉米的光合速率的因素的研究结果。CO2补偿点是植物净光合速率等于零时的外界CO2浓度,CO2饱和点是植物光合速率最大时的外界CO2浓度。下列相关说法正确的是( )
图1
图2
A.图1所示实验的自变量为光照强度,温度是无关变量
B.光照强度为P时,小麦和玉米的CO2固定速率相等
C.与玉米相比,小麦能够较好地适应较低浓度的CO2环境
D.一般情况下,玉米的CO2补偿点和CO2饱和点均低于小麦的
答案 D
解析 图1所示实验的自变量为光照强度以及植物种类,温度是无关变量,A项错误。根据图1,光照强度为P时,小麦和玉米的CO2吸收速率相等,但根据曲线与纵轴交点分析,二者呼吸速率不同,故CO2固定速率(总光合速率)不相等,B项错误。根据图2,胞间CO2浓度较低时,玉米有更大的光合速率,故与小麦相比,玉米能够较好地适应较低浓度的CO2环境,C项错误。根据图2,玉米的CO2补偿点(净光合速率为0时的CO2浓度)和CO2饱和点(光合速率最大时的CO2浓度)均低于小麦的,D项正确。
3.(2025·广东一模)滴灌是干旱缺水地区最有效的节水灌溉方式。为制定珍稀中药龙脑香樟的施肥方案,研究者设置3个实验组(T1~T3,滴灌)和对照组(CK,传统施肥方式),按下表中施肥量对龙脑香樟林中生长一致的个体施肥,培养一段时间后测得相关指标如下表。据表分析下列叙述错误的是( )
处理 施肥量/ (mg·kg-1) 呼吸速 率/(μmol· m-2·s-1) 最大净光合速率/ (μmol·m-2·s-1) 光补偿点/ (μmol·m-2·s-1) 光饱和点/(μmol·m-2·s-1)
T1 35.0 2.74 13.74 84 1 340
T2 45.5 2.47 16.96 61 1 516
T3 56.0 2.32 15.33 61 1 494
CK 35.0 3.13 11.59 102 1 157
注:光饱和点为光合速率不再随光照强度增加时的光照强度;光补偿点为光合作用过程中吸收的CO2与呼吸作用过程中释放的CO2等量时的光照强度。
A.光照强度为100 μmol/(m2·s)时,实验组比对照组积累更多有机物
B.光照强度为1 600 μmol/(m2·s)时,实验组的光合速率比对照组更高
C.实验结果不能说明滴灌能够提高水肥利用效率
D.各处理中T2的施肥方案最有利于龙脑香樟生长
答案 C
解析 由表可知,当光照强度为100 μmol/(m2·s)时,实验组都超过光补偿点,而对照组还未达到光补偿点,与对照组相比,实验组的净光合速率都大于对照组,说明实验组比对照组积累更多的有机物,A项正确。由表可知,当光照强度为1 600 μmol/(m2·s)时,各组都达到光饱和点,总光合速率=呼吸速率+净光合速率,实验组的光合速率都大于对照组,B项正确。由表可知,当光照强度都达到光补偿点,与对照组相比,实验组的净光合速率都大于对照组,说明实验组比对照组积累更多的有机物;当各组光照强度都达到光饱和点,实验组的光合速率都大于对照组,说明滴灌能提高水肥利用效率,C项错误。由表可知,T2处理组的净光合速率最大,植物积累的有机物最多,最有利于龙脑香樟的生长,D项正确。
聚焦2环境胁迫对光合作用的影响及生产实践应用
【练真题 明方向】
4.(2025·四川卷)在温室中种植番茄,光照强度和CO2浓度是制约其产量的主要因素。某地冬季温室的平均光照强度约为200 μmol/(m2·s),CO2浓度约为400 μmol/mol。为提高温室番茄产量,有人测定了补充光照和CO2后番茄植株相关生理指标,结果见下表。回答下列问题。
组别 光照强度/(μmol·m-2·s-1) CO2浓度/ (μmol·mol-1) 净光合速率/ (μmol·m-2·s-1) 气孔导度/ (mol·m-2·s-1) 叶绿素含量/
(mg·g-1)
对照 200 400 7.5 0.08 42.8
甲 400 400 14.0 0.15 59.1
乙 200 800 10.0 0.08 55.3
丙 400 800 17.5 0.13 65.0
注:气孔导度和气孔开放程度呈正相关。
(1)为测定番茄叶片的叶绿素含量,可用 提取叶绿素。色素对特定波长光的吸收量可反映色素的含量,为减少类胡萝卜素的干扰,应选择 (填“蓝紫光”或“红光”)来测定叶绿素含量。
(2)与对照组相比,甲组光合作用的光反应阶段为暗反应阶段提供了更多的 ,从而提高了净光合速率。与甲组相比,丙组的净光合速率更高,气孔导度略低,但经测定发现其叶肉细胞间的CO2浓度却更高,可能的原因是 。
(3)根据本研究结果,在冬季温室种植番茄的过程中,若只能从CO2浓度加倍或光照强度加倍中选择一种措施来提高番茄产量,应选择 ,依据是_______________________________________________________
。
无水乙醇
红光
ATP和NADPH
给丙组补充的CO2更多
光照强度加倍
甲组的净光合速率大于乙组,光照强度加倍使净光合速率提高幅度更大,且更契合冬季弱光环境的需求
解析 (1)叶绿素可溶解在有机溶剂无水乙醇中,故为测定番茄叶片的叶绿素含量,可用无水乙醇提取叶绿素。色素对特定波长光的吸收量可反映色素的含量,光合作用中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。为减少类胡萝卜素的干扰,应选择红光来测定叶绿素含量。
(2)与对照组相比,甲组光合作用的光反应阶段为暗反应阶段提供了更多的ATP和NADPH,从而提高了净光合速率。甲组和丙组的光照强度相同,丙组的CO2浓度是甲组的2倍,与甲组相比,丙组的净光合速率更高,气孔导度略低,但经测定发现其叶肉细胞间的CO2浓度却更高,可能的原因是给丙组补充的CO2更多。
(3)根据题表可知,在冬季温室种植番茄的过程中,甲组的净光合速率大于乙组,光照强度加倍可使净光合速率提高幅度更大,且更契合冬季弱光环境的需求。
5.(2025·河南卷)光质和土壤中的盐含量是影响作物生理状态的重要因素。为探究不同光质对高盐含量(盐胁迫)下某作物生长的影响,将作物分组处理一段时间后,结果如图所示(光补偿点指当总光合速率等于呼吸速率时的光照强度)。
回答下列问题。
(1)光对植物生长发育的作用有 和
两个方面。
(2)上述实验需控制变量,为探究实验光处理是否完全抵消了盐胁迫对该作物生长的影响,至少应选用上述 组(填组别)进行对比分析,该实验中的无关变量有 (答出2点即可)。
(3)在光照强度达到光补偿点之前(CO2消耗量与光照强度视为正比关系),④组的总光合速率 (填“始终大于”“始终小于”“先大于后等于”或“先小于后等于”)③组的总光合速率,判断依据是
。
为光合作用提供能量
作为信号调节植物生长发育
①③④
温度和CO2浓度等
始终大于
④组呼吸速率大于③组,但是两组光补偿点相同,即在光补偿点时④组的总光合速率大于③组,CO2消耗量与光照强度视为正比关系,所以④组达到光补偿点之前的总光合速率也大于③组
解析 (1)光可以为植物光合作用提供光能;同时光可以作为信号调节植物生长发育。(2)探究实验光处理是否完全抵消了盐胁迫对该作物生长的影响,实验的自变量为光质(正常光和实验光)以及是否盐胁迫,因变量是作物生长情况,故该实验至少应选用题述①③④组进行对比分析。实验中除了自变量和因变量,其余变量称为无关变量,该实验中的无关变量有温度和CO2浓度。(3)由于④组呼吸速率大于③组,但是两组光补偿点相同,即在光补偿点时④组的总光合速率大于③组,CO2消耗量与光照强度视为正比关系,所以④组达到光补偿点之前的总光合速率始终大于③组。
【归纳拓展】
1.胁迫(逆境)对光合作用的影响
(1)胁迫可分为生物胁迫和非生物胁迫两大类。非生物胁迫主要有水分(干旱和淹涝)、温度(高温和低温)、盐碱、环境污染等理化逆境,生物胁迫主要包括病害、虫害、杂草等。
(2)非生物胁迫的主要类型
类型 影响原理 主要表现
光照 主要指不合乎植物生长要求的光照强度和光质条件,通过影响光反应来影响农作物的光合作用 影响植物叶绿素的合成;对类囊体膜造成损伤
CO2 CO2是光合作用的反应物,低于CO2补偿点的CO2浓度会通过影响暗反应速率而影响光合作用强度 CO2不足导致暗反应速率下降
温度 低温逆境和高温逆境,主要通过影响酶的活性和气孔开放程度来影响光合作用 叶绿体的结构和酶的功能受到破坏;引起气孔关闭,影响CO2的吸收
类型 影响原理 主要表现
水分 水分胁迫包括干旱和水淹两种情况。干旱时气孔关闭,影响CO2吸收而影响暗反应,进而影响光合作用;农作物被水淹时,根细胞进行无氧呼吸产生酒精,对细胞造成毒害 无机 盐 矿质营养对光合作用的影响主要包括:①影响叶绿体中物质和结构的形成,如叶绿素(Mg2+);②盐胁迫影响根系吸收水分,进而影响气孔开放程度;③重金属盐会影响叶绿素的合成和光合作用有关酶的活性 2.通常认为在自然环境条件下植物光合作用降低的原因包括两个方面,一方面是由气孔导度的限制引起,称为气孔限制;另一方面是由于在高光照条件下,植物吸收过量的光能无法及时利用而发生光抑制,称为非气孔限制。
(1)胞间CO2浓度
(2)气孔限制、非气孔限制与环境胁迫
3.传统农业生产模式及应用
【练模拟 拓角度】
6.(2025·湖南衡阳模拟)在作物生长过程中,常会遇到生物胁迫和非生物胁迫。科研人员研究了干旱胁迫、烟草花叶病毒胁迫对烟草幼苗净光合速率的影响,得到如图甲所示实验结果;研究了干旱胁迫下添加水、烟草花叶病毒胁迫下添加宁南霉素处理对恢复期烟草幼苗净光合速率的影响,结果如图乙所示。
甲
乙
(1)植物的光合作用是将 转变为有机化合物并释放出氧气的过程,分析图甲,干旱胁迫能降低烟草幼苗的净光合速率,主要原因可能是 。
(2)对比图甲、图乙结果,可以得出恢复期 组烟草幼苗的净光合速率恢复程度最大;宁南霉素的作用可能是 。
(3)与干旱胁迫相比,烟草花叶病毒胁迫下,烟草幼苗含有的有机物的量
(填“较多”“较少”或“基本相等”),依据是
。
水和二氧化碳
干旱导致烟草叶片的气孔开放程度降低,使烟草幼苗吸收的CO2减少
E
减少烟草花叶病毒对烟草幼苗的侵害
较少
图甲中,烟草花叶病毒胁迫下,烟草幼苗的净光合速率小于干旱胁迫下的
(4)研究表明,长时间处于干旱土壤中的烟草幼苗,重新种回湿润土壤中,烟草幼苗的光合速率反而降低。请设计实验进行验证,简要写出实验思路:
。
将长时间处于干旱土壤中的烟草幼苗均分为两组,一组移栽到湿润土壤中种植,另一组在原条件下继续种植,间隔相同时间后分别测定并比较两组幼苗的光合速率大小
解析 (1)光合作用是将水和二氧化碳转变为有机化合物并释放出氧气的过程;分析图甲可知,与对照组相比,其他组的净光合速率都下降;干旱能降低净光合速率的原因可能是干旱导致烟草叶片的气孔开放程度降低,使烟草幼苗吸收的CO2减少。
(2)对比图甲、图乙结果,恢复期E组即干旱胁迫后加水组的烟草幼苗的净光合速率恢复程度最大;恢复期,向只有烟草花叶病毒胁迫的组中加宁南霉素后,幼苗净光合速率有所恢复,即F组,故推测宁南霉素的作用可能是减少烟草花叶病毒对烟草幼苗的侵害。
(3)分析图甲实验结果可知,烟草花叶病毒胁迫下,烟草幼苗的净光合速率小于干旱胁迫下的,即与干旱胁迫相比,烟草花叶病毒胁迫下的烟草幼苗含有的有机物的量较少。
(4)实验需要遵循对照原则、单一变量原则等;实验思路为将长时间处于干旱土壤中的烟草幼苗均分为两组,一组移栽到湿润土壤中种植,另一组在原条件下继续种植,间隔相同时间后分别测定并比较两组幼苗的光合速率大小。
突破点4 植物对特殊环境的适应性
【高考命题预测】
光呼吸重点考查光呼吸的触发条件(高O2、低CO2、强光照)及其与Rubisco酶双功能性的关联。可能要求分析光呼吸与光抑制的相互作用或结合图示判断光呼吸的代谢路径。
C4植物的“CO2泵”机制(PEP羧化酶的高效性)及空间分离(叶肉细胞与维管束鞘细胞的分工)也是考查重点。在复习时要强化代谢流程图解读(如C4途径的CO2转运、CAM植物的昼夜代谢分离),重点掌握代谢途径的分子机制、植物类型的适应性差异及实验分析能力,结合真题演练提升综合解题能力。
聚焦1光呼吸与光抑制
【练真题 明方向】
1.(2025·陕晋宁青卷)叶绿体中R酶既能催化CO2固定,也能催化C5与O2反应,CO2和O2两种底物竞争R酶同一活性位点;线粒体中G酶参与催化甘氨酸转化为丝氨酸,如图(a)。为探究保卫细胞中G酶对植物光合作用的影响,研究者以野生型植株W为参照,构建了G酶表达量仅在保卫细胞中增加的植株S,实验结果如图(b)。回答下列问题。
图(a)
图(b)
(1)R酶催化CO2固定的场所是叶绿体的 ,产物C3在光反应生成的 参与下合成糖类等有机物。
(2)植物保卫细胞吸水,气孔开度增大。由图(a)(b)可知,相同光照条件下植株S保卫细胞中G酶表达量提高,叶片的净光合速率高于植株W,原因是
。
(3)保持环境中CO2浓度不变,当O2浓度从21%升高到40%时,植株S的净光合速率 (填“增大”或“减小”);相较于植株W,植株S的净光合速率变化幅度 (填“大”“小”或“无法判断”)。
基质
ATP和NADPH
植株S保卫细胞中G酶表达量提高,使更多甘氨酸转化为丝氨酸和CO2,从而使保卫细胞的细胞质中HC和可溶性糖等溶质增加,渗透压增大,细胞吸水,气孔开度增大,CO2吸收量增加,净光合速率增大
减小
小
(4)若需确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响,还需补充一个实验组。写出实验思路及预期结果:
。
构建G酶表达量减少的植株(或敲除G酶基因或用G酶抑制剂处理),其他条件与对照组(植株W)相同且适宜,培养一段时间后检测两组叶片的净光合速率;预期结果为实验组净光合速率低于对照组
解析 (1)CO2的固定属于光合作用暗反应过程,场所是叶绿体的基质,所以R酶催化CO2固定的场所是叶绿体的基质,C3转化成糖类等有机物的过程(C3的还原)需要光反应生成的ATP和NADPH参与。
(2)由图(a)可知,植株S保卫细胞中G酶表达量提高,可促进保卫细胞中HC和可溶性糖等溶质含量增加,细胞渗透压增大,保卫细胞吸水膨胀,气孔开度增大。由图(b)可知,相同光照条件下,植株S的气孔开度大于植株W,CO2供应充足,有利于光合作用的进行,净光合速率增大。
(3)由于CO2和O2竞争R酶同一活性位点,保持环境中CO2浓度不变,当O2浓度从21%升高到40%时,C5与O2反应加快,而C5与CO2反应减慢,光合作用暗反应受到抑制,所以植株S的净光合速率会减小。相较于植株W,植株S保卫细胞中G酶的表达量高,有利于催化甘氨酸转化为丝氨酸,同时生成CO2,从而使HC和可溶性糖等溶质含量增加,保卫细胞吸水膨胀,气孔开度增大,有利于吸收CO2,所以环境中CO2浓度不变、O2浓度提高时,植株S的净光合速率变化幅度小。
(4)本实验的目的是确认保卫细胞中G酶对叶片净光合速率的影响,自变量是G酶的多少或有无,因变量是叶片净光合速率的大小,所以可通过敲除G酶基因或用G酶抑制剂处理来构建G酶表达量减少的植株,其他条件与对照组(植株W)相同且适宜,培养一段时间后检测两组叶片的净光合速率;预期结果为实验组净光合速率低于对照组。
2.(2024·黑吉辽卷)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3,当CO2/O2的值低时,C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中的主要物质变化如图1所示。
在叶绿体中:C5+CO2 2C3①
C5+O2 C3+C2 ②
在线粒体中:2C2+NAD+ C3+CO2+NADH+H+③
注:C2表示不同种类的二碳化合物,C3也类似。
图1
光呼吸将已经同化的碳释放,且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。
(1)反应①是 过程。
(2)与光呼吸不同,以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是
和 。
(3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT),得到转基因株系1和2,测定净光合速率,结果如图2、图3所示。图2中植物光合作用所需CO2的来源除了有外界环境,还有 和
(填生理过程)。
CO2的固定
细胞质基质
线粒体基质(两空答案可对调)
光呼吸
呼吸作用(两空答案可对调)
7—10时株系1和2与WT的净光合速率逐渐产生差异,原因是
。
据图3中的数据 (填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率,理由是
。
株系1和2导入了改变光呼吸的基因,光呼吸强度发生改变,因为光呼吸能将已经同化的碳释放,故株系1和2与WT的净光合速率产生差异
不能
除了净光合速率,总光合速率还与呼吸速率、光呼吸速率有关,从图3无法得出呼吸速率和光呼吸速率,所以不能计算出株系1的总光合速率
(4)结合上述结果分析,选择转基因株系1进行种植,产量可能更具优势,判断的依据是______________________________________________________
。
图2
图3
在相同光照强度和CO2浓度下,株系1与株系2和WT相比,株系1的净光合速率最大
解析 本题考查光合作用、呼吸作用和光呼吸过程中的物质变化以及对光合作用图像的分析。(1)由反应式①可知,这个过程在叶绿体基质中进行,称为CO2的固定。(2)以葡萄糖为反应物的有氧呼吸有三个阶段,第一阶段在细胞质基质中进行,产物为丙酮酸和NADH;第二阶段在线粒体基质中进行,产物为CO2和NADH;第三阶段在线粒体内膜上进行,产物为水,故以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质和线粒体基质。(3)由题干可知,光呼吸将已经同化的碳释放,且整体上是消耗能量的过程,再根据题图2和题图3可以判断出净光合速率的大小与光照强度以及CO2浓度的关系,从而进行解题。(4)由题图2可知,在相同光照条件下,株系1的净光合速率最大;由题图3可知,在相同CO2浓度下,株系1的净光合速率最大。
3.(2025·山东卷节选)高光强环境下,植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤,引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长,其部分光合过程如图所示。
注: 表示电子的传递路径;Y、Z表示光合色素分子。
据图分析,通过途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机制分别为 。
途径①以电能的形式耗散光能;途径②以热能的形式耗散光能
解析 途径①利用传递的电能使O2生成H2O2,后续H2O2分解为H2O,实现过剩光能转变为H2O2中的化学能,再释放;途径②直接以热辐射形式释放过剩光能,减轻光合系统损伤。
4.(2024·重庆卷)重庆石柱是我国著名传统中药黄连的主产区之一,黄连生长缓慢,存在明显的光饱和(光合速率不再随光强增加而增加)和光抑制(光能过剩导致光合速率降低)现象。
(1)探寻提高黄连产量的技术措施,研究人员对黄连的光合特征进行了研究,结果见图1。
图1
图2
①黄连的光饱和点约为 μmol/(m2·s)。光强大于1 300 μmol/(m2·s)后,胞间CO2浓度增加主要是由于
。
②推测光强对黄连生长的影响主要表现为
。
黄连叶片适应弱光的特征有______________________________________
(答2点)。
500
光合作用受到抑制,消耗的CO2减少,且气孔导度增加
黄连在弱光条件下,随光强增加其快速生长,光照过强其生长受到抑制
叶片较薄,叶绿素含量较多(或叶色深绿,叶绿体颗粒较大,叶绿体类囊体膜面积更大)
(2)黄连露天栽培易发生光抑制,严重时其光合结构被破坏(主要受损的部位是位于类囊体薄膜上的色素蛋白复合体),为减轻光抑制,黄连能采取调节光能在叶片上各去向(如图2)的比例,提升修复能力等防御机制,具体可包括 (多选)。①叶片叶绿体避光运动;②提高光合产物生成速率;③自由基清除能力增强;④提高叶绿素含量;⑤增强热耗散。
(3)生产上常采用搭棚或林下栽培等措施减轻黄连的光抑制,为增强黄连光合作用以提高其产量还可采取的措施及其作用是 。
①②③⑤
合理施肥增加光合面积,补充CO2提高暗反应
解析 (1)光饱和点为光合速率不再随光强增加而增加时的光照强度,由图1可知,当光照强度达到500 μmol/(m2·s)时净光合速率不再增加;光照强度大于1 300 μmol/(m2·s)后,光合作用受到抑制,且气孔导度增加,所以胞间CO2浓度增加主要是由于光合作用受到抑制,消耗的CO2减少,且气孔导度增加。由图1净光合速率曲线可知,光强对黄连生长的影响主要表现为在弱光条件下,黄连随光强增加快速生长,光照过强其生长受到抑制;弱光时,黄连可通过增加受光面积或增加光合色素的含量来增加光合速率,所以黄连叶片适应弱光的特征有叶片较薄,叶绿素含量较多(或叶色深绿,叶绿体颗粒较大,叶绿体类囊体膜面积更大)。
(2)为减轻光抑制,黄连能采取调节光能在叶片上各去向的比例,由图2可看出光能的主要去向为热消耗,所以黄连提升修复能力等防御机制,具体可包括⑤增强热耗散;①叶片叶绿体避光运动:减少对光的吸收;②提高光合产物生成速率,从而提高光合速率消耗更多的光能;③自由基清除能力增强:减少对光合结构的破坏。而④提高叶绿素含量会增加对光能的吸收不能减轻光抑制。
(3)为增强黄连光合作用以提高其产量还可采取的措施及其作用有合理施肥增加光合面积,补充CO2提高暗反应,合理密植等。
【情境链接】
1.光呼吸
(1)光呼吸简要过程
RuBP羧化酶是双功能酶,既可催化C5与CO2的固定(羧化),又可催化C5与O2(加氧)的反应,其催化方向取决于CO2与O2的比值:
①比值增大,羧化反应增强,进行光合作用;
②比值减小,加氧反应增强,进入C2途径。因此,高O2环境下,光呼吸会明显加强,而提高CO2浓度可明显抑制光呼吸。
(2)光呼吸的有利影响——减少光抑制
在高光强、高温、干旱环境下,植物气孔关闭,CO2不能进入叶肉细胞,会导致光抑制。此时,植物的光呼吸释放CO2,消耗多余的ATP和NADPH,减少活性氧的产生,对光合器官起保护作用。
2.光抑制与光保护
光能过剩时,叶肉细胞内因NADP+不足,使电子传递给O2,形成超氧自由基()等一系列光有毒产物,破坏叶绿素和PSⅡ反应中心的D1蛋白,使D1蛋白高度磷酸化,并形成D1蛋白交联聚合物,随后D1蛋白降解,从而损伤光合结构。绿色植物通过如图所示的三重防御机制有效避免光系统损伤。
[命题设计]
(1)强光条件下,限制光合速率的主要是 反应阶段,从O2的来源和去路分析,此时叶肉细胞内O2浓度过高的原因是
。
(2)Rubisco酶是双功能酶,光照条件下,它既能催化C5与CO2发生羧化反应固定CO2,又能催化C5与O2发生加氧反应进行光呼吸,CO2和O2竞争性结合Rubisco酶的同一活性位点。结合以上信息,光呼吸对解除光抑制的积极意义是__________________________________________________________
。
暗
强光条件下叶肉细胞光反应增强,产生更多的O2,而此时植物气孔关闭,叶肉细胞释放的O2量减少
强光条件下,叶肉细胞中O2浓度升高,而光呼吸可以消耗一部分O2,降低叶肉细胞中的O2浓度,减少光有毒产物的产生,减少对光合结构的损伤
(3)下面是一段“光呼吸”的陈述文字,请指出其中的两处错误。
Rubisco酶是植物进行光呼吸所必需的一种酶,也是一种存在于叶绿体中的双功能酶,可以催化羧化反应(C5+CO2→2C3)和加氧反应(C5+O2→C3+C2)。但其催化反应方向取决于CO2与O2的量比值。当“植物工厂”关灯或者降低CO2供应量时,植物进入光呼吸阶段,加氧反应增强。Rubisco酶的催化产物磷酸乙醇酸(C2)与水反应后生成Pi和乙醇酸,借助载体蛋白通过协助扩散的方式进入过氧化物酶体中进行下一步反应。错误1:
;
错误2:________________________________________________________
。
光呼吸是在光照条件下进行的,当“植物工厂”关灯时,植物不会进行光呼吸
Rubisco酶的催化产物是磷酸乙醇酸(C2),但其与水反应后生成的是乙醇酸,而不是Pi和乙醇酸。
聚焦2二氧化碳的浓缩机制
【练真题 明方向】
5.(2023·湖南卷)下图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L-1(Km越小,酶对底物的亲和力越大),该酶既可催化RuBP与CO2反应,进行卡尔文循环,又可催化RuBP与O2反应,进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比,玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘,其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所,维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7 μmol·L-1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4,固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2,再进行卡尔文循环。回答下列问题。
(1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是 (填具体名称),该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成 (填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后,再通过 长距离运输到其他组织器官。
3-磷酸甘油醛
蔗糖
韧皮部
(2)在干旱、高光照强度环境下,玉米的光合作用强度 (填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析,原因是
_______________________________________________________________
(答出三点即可)。
(3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻,水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升,其他生理代谢不受影响,但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是
_______________________________________________________________
___________________________________________(答出三点即可)。
高于
高光照强度环境下,玉米可以将光合产物及时转移;玉米的PEPC酶对CO2的亲和力比水稻的Rubisco酶更大;玉米能通过PEPC酶生成C4,使维管束鞘细胞内的CO2浓度高于外界环境,抑制玉米的光呼吸
酶的活性已经达到最大,对CO2的利用率不再提高;受到ATP以及NADPH等物质含量的限制;水稻体内光合色素的量有限
解析 (1)玉米的光合作用过程与水稻相比,虽然CO2的来源不同,但其卡尔文循环的过程是相同的,结合水稻的卡尔文循环图解,可以看出CO2固定的直接产物是3-磷酸甘油酸,然后直接被还原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在叶绿体中被转化成淀粉,在叶绿体外被转化成蔗糖,蔗糖是植物长距离运输的主要糖类,通过韧皮部运输。(2)干旱、高光照强度会导致植物气孔关闭,植物吸收的CO2减少,而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力较大,可以利用低浓度的CO2进行光合作用,同时抑制植物的光呼吸,且玉米能将叶绿体内的光合产物及时转移出细胞。(3)将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻叶肉细胞,只是提高了叶肉细胞内的CO2浓度,而植物的光合作用强度受到很多因素的影响。在光饱和条件下如果光合作用强度没有明显提高,其原因可能是水稻的酶活性已经达到最大,对CO2的利用率不再提高,受到ATP和NADPH等物质含量的限制,水稻体内光合色素的量有限等。
【情境链接】
1.C4植物的CO2浓缩机制
C4植物(如玉米)的叶片结构和光合作用过程如下:
(1)叶肉细胞中的叶绿体有类囊体能进行光反应,同时,CO2被整合到C4化合物中,随后C4化合物进入维管束鞘细胞。
(2)维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体,在维管束鞘细胞中,C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环,进而生成有机物。
(3)C4植物的CO2补偿点低,光合午休小的原因:
①PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力,气孔关闭时,仍然能够利用极低浓度的CO2进行光合作用。
②玉米已先通过C4途径把CO2储存起来形成C4,气孔关闭时,C4分解产生CO2,用于光合作用,所以气孔关闭对玉米影响不大。
2.蓝细菌的CO2浓缩机制
蓝细菌具有CO2浓缩机制,如下图所示。
注:羧化体具有蛋白质外壳,可限制气体扩散。
3.景天科植物的CO2固定
景天科酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式,在夜间,大气中CO2从气孔进入,被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化,与PEP结合形成草酰乙酸(OAA),再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸,贮存于液泡中。在白天,苹果酸从液泡中释放出来,经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸,CO2产生后用于卡尔文循环,作用机制如图所示(该机制也称CAM途径)。
[命题设计]
(1)C4植物光反应和CO2固定发生在哪些场所
。
(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,请表示这种碳原子的转移途径: 。
(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)CO2依次以 方式通过蓝细菌细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco酶周围的CO2浓度,从而促进 。
C4植物光反应发生在叶肉细胞的叶绿体类囊体薄膜上,而CO2固定发生在叶肉细胞和维管束鞘细胞中
CO2→C4→CO2→C3→(CH2O)、C5
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
自由扩散和主动运输
CO2固定
(5)向烟草内转入蓝细菌Rubisco酶的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应,应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的 中观察到羧化体。
(6)从进化角度看,景天科植物这种气孔开闭特点的形成是 的结果。夜晚,该类植物吸收的CO2 (填“能”或“不能”)合成葡萄糖,原因是 。
(7)分析图中信息推测,CAM途径是对 (填“干旱”或“湿润”)环境的适应;该途径除维持光合作用外,对植物的生理意义还表现在
。
叶绿体
自然选择
不能
没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH
干旱
有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成水分过多散失
【练模拟 拓角度】
6.(2025·河北模拟)根据光合作用中CO2固定方式的不同,可将植物分为C3植物(如小麦)和C4植物(如玉米)。C3植物最初的CO2固定是由Rubisco酶催化生成3-磷酸甘油酸(C3),而C4植物最初的CO2固定是由PEP羧化酶催化生成草酰乙酸(C4)。C4植物叶肉细胞中的叶绿体有类囊体但没有Rubisco酶,而维管束鞘细胞中的叶绿体没有类囊体但有Rubisco酶,其光合作用过程如图所示。已知PEP羧化酶对CO2的亲和力远高于Rubisco酶。下列叙述错误的是( )
A.C4植物光合作用的暗反应进行的场所是维管束鞘细胞
B.C3和C4植物的叶肉细胞光反应阶段产生的ATP,均只用于C3的还原
C.在相同条件下,玉米细胞中的C5化合物含量低于小麦
D.将PEP羧化酶基因导入小麦体内并成功表达后,可以缓解光合午休的影响
答案 B
解析 由题图可知,C4植物光合作用的暗反应阶段进行的场所是维管束鞘细胞,A项正确。据图可知,C4植物的叶肉细胞光反应阶段产生的ATP,还用于丙酮酸生成C3(PEP),B项错误。在相同条件下,玉米细胞有更多的C5化合物与CO2结合,故玉米细胞中的C5化合物含量低于小麦,C项正确。将PEP羧化酶基因导入小麦体内并成功表达后,可以缓解光合午休的影响,D项正确。
7.(2025·北京丰台模拟)CAM植物白天气孔关闭,夜晚气孔打开,以适应干旱环境。下图为其部分代谢途径,下列相关叙述不正确的是( )
A.催化过程①和过程②所需的酶不同
B.卡尔文循环的场所是叶绿体类囊体薄膜
C.CAM植物白天气孔关闭可减少水分散失
D.夜晚缺乏NADPH和ATP不能进行卡尔文循环
B
解析 过程①是将CO2转化为C4,过程②是C4释放出CO2,酶具有专一性,因此催化过程①和过程②所需的酶不同,A项正确。据图可知,卡尔文循环即光合作用的暗反应阶段,CAM植物进行暗反应的场所是叶绿体基质,B项错误。CAM植物白天关闭气孔,能减少水分散失以适应干旱环境,C项正确。CAM植物在夜晚黑暗条件下不能制造有机物,因为没有光照,光反应不能进行,无法为暗反应提供ATP和NADPH,不能进行卡尔文循环,D项正确。
8.(2025·河南驻马店模拟)水体中的HC含量比CO2含量高,水生藻类常面临CO2供应不足的情况。水生藻类在进化历程中演化形成了多种CO2浓缩机制,保证光合作用正常进行,以提高竞争优势。某些蓝细菌运输和浓缩CO2的过程如图所示。回答下列问题。
(1)HC通过BCT1进入蓝细菌细胞的运输方式是 ,判断依据是 。
(2)羧化体的蛋白质外壳有选择透过性,对CO2的通透性低,碳酸酐酶能催化HC转化为CO2。CO2在羧化体内生成C3的反应被称为 。C3移出羧化体后被还原需要具备光照条件,原因是
。
(3)分析题图可知,蓝细菌通过______________________________________
(答出2点)等机制来浓缩CO2,保证CO2的供应以维持光合作用的正常进行。
主动运输
此运输过程需要借助载体蛋白且消耗ATP
CO2的固定
蓝细菌进行光反应,为C3的还原提供ATP和NADPH
碳酸酐酶催化HC转化为CO2、BCT1和CO2泵分别主动运输HC和CO2、羧化体对CO2的通透性低
解析 (1)HC通过BCT1进入蓝细菌细胞需要借助载体蛋白和消耗能量,因此运输方式为主动运输。
(2)CO2在羧化体内生成C3的反应被称为CO2的固定。C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,而光反应在光照条件下才能进行。
(3)分析题图可知,蓝细菌通过碳酸酐酶催化HC转化为CO2、BCT1和CO2泵主动运输HC和CO2、羧化体对CO2的通透性低等机制来浓缩CO2。
