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长句表达(一)细胞代谢类大题突破
【典例示范】 (2024·山东卷)从开花至籽粒成熟,小麦叶片逐渐变黄。与野生型相比,某突变体叶片变黄的速度慢,籽粒淀粉含量低。研究发现,该突变体内细胞分裂素合成异常,进而影响了类囊体膜蛋白稳定性和蔗糖转化酶活性,而呼吸代谢不受影响。类囊体膜蛋白稳定性和蔗糖转化酶活性检测结果如图所示,开花14天后植株的胞间CO2浓度和气孔导度如表所示,其中Lov为细胞分裂素合成抑制剂,KT为细胞分裂素类植物生长调节剂,气孔导度表示气孔张开的程度。已知蔗糖转化酶催化蔗糖分解为单糖。
检测指标 植株 14天 21天 28天
胞间CO2浓度/ (μmol CO2·mol-1) 野生型 140 151 270
突变体 110 140 205
气孔导度/ (mol H2O·m-2·s-1) 野生型 125 95 41
突变体 140 112 78
(1)光反应在类囊体上进行,生成可供暗反应利用的物质有 。结合细胞分裂素的作用,据图分析,与野生型相比,开花后突变体叶片变黄的速度慢的原因是 。
(2)光饱和点是光合速率达到最大时的最低光照强度。据表分析,与野生型相比,开花14天后突变体的光饱和点 (填“高”或“低”),理由是
______________________________________________________________________________________________________________________________
。
ATP和NADPH
突变体细胞分裂素合成更多,促进叶绿素的合成
高
开花14天后突变体气孔导度大于野生型,但胞间CO2浓度小于野生型,且突变体的呼吸代谢不受影响,因此突变体的光合作用强度更大,需要的光照强度更大
(3)已知叶片的光合产物主要以蔗糖的形式运输到植株各处。据图分析,突变体籽粒淀粉含量低的原因是_____________________________________
。
突变体的蔗糖转化酶活性高,更多的蔗糖被分解成单糖,运输到籽粒中的蔗糖减少
【思维模板】
1.因果推理[第(1)小题]
2.逻辑推理[第(2)小题]
3.因果推理[第(3)小题]
【长句训练】
一、因果关系类
1.(2024·全国甲卷)在自然条件下,某植物叶片光合速率和呼吸速率随温度变化的趋势如图所示。回答下列问题。
(1)该植物叶片在温度a和c时的光合速率相等,叶片有机物积累速率
(填“相等”或“不相等”),原因是 。
(2)在温度d时,该植物体的干重会减少,原因是
。
(3)温度超过b时,该植物由于暗反应速率降低导致光合速率降低。暗反应速率降低的原因可能是 (答出一点即可)。
不相等
叶片的呼吸速率不相等
叶片的光合速率等于呼吸速率,植物体的非绿色部分只有细胞呼吸
暗反应相关的酶活性降低
2.(2022·全国甲卷)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)。
提示 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.(2021·全国甲卷)细胞外的K+可以通过载体蛋白逆浓度梯度进入植物的根细胞。在有呼吸抑制剂的条件下,根细胞对K+的吸收速率降低,原因是
。
提示 K+通过载体蛋白逆浓度梯度运输需要消耗能量,呼吸抑制剂使细胞呼吸产生的能量减少
4.(2020·海南卷)在晴朗无云的夏日,某生物兴趣小组测定了一种蔬菜叶片光合作用强度的日变化,结果如图。回答下列问题。
(1)据图分析,与10时相比,7时蔬菜的光合作用强度低,此时,主要的外界限制因素是 ;从10时到12时,该蔬菜的光合作用强度 。
光照强度
降低
(2)为探究如何提高该蔬菜光合作用强度,小组成员将菜地分成A、B两块,10~14时在A菜地上方遮阳,B菜地不遮阳,其他条件相同。测得该时段A菜地蔬菜的光合作用强度比B菜地的高,主要原因是
_______________________________________________________________
。
(3)小组成员又将相同条件的C菜地的上方和四周用遮阳网全部覆盖,测得棚内温度比B菜地高,一段时间后比较B、C两块菜地的蔬菜产量。与B菜地相比,C菜地蔬菜产量低,从光合作用和呼吸作用的原理分析,原因是
______________________________________________________________________________________________________________________________
。
B菜地光照强度过高,导致蔬菜叶片气孔关闭,二氧化碳吸收受阻,光合作用速率降低
C菜地的棚内温度上升,蔬菜中与光合作用有关酶的活性下降,与呼吸作用有关酶的活性增加,蔬菜的净光合速率降低,产量下降,因此C菜地的蔬菜产量低于B菜地
5.(2024·全国新课标卷)某同学将一种高等植物幼苗分为4组(a、b、c、d),分别置于密闭装置中照光培养,a、b、c、d组的光照强度依次增大,实验过程中温度保持恒定。一段时间(t)后测定装置内O2浓度,结果如图所示,其中M为初始O2浓度,c、d组O2浓度相同。回答下列问题。
(1)太阳光中的可见光由不同颜色的光组成,其中高等植物光合作用利用的光主要是 红光和蓝紫光 ,原因是 光合色素中的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 。
(2)光照t时间时,a组CO2浓度 大于 (填“大于”“小于”或“等于”)b组。
(3)若延长光照时间,c、d组O2浓度不再增加,则光照t时间时a、b、c中光合速率最大的是 b 组,判断依据是 密闭装置中O2浓度不再增加时光合速率等于呼吸速率,仅b组光合速率大于呼吸速率 。
(4)光照t时间后,将d组密闭装置打开,并以c组光照强度继续照光,其幼苗光合速率会 升高 (填“升高”“降低”或“不变”)。
二、实验探究类
6.植物放置几天后,叶片会变黄。有的同学认为这是由叶片中叶绿素减少造成的。若要设计实验判断这个观点是否正确,则实验设计思路是
。
提示 取相同质量已变黄叶片和未变黄叶片作为对照,进行叶绿体色素的提取和分离实验,比较两组实验中滤纸条上叶绿素色素带(包括叶绿素a和叶绿素b)的宽度和颜色,得出结论
7.将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理,该植物根细胞中的溶质浓度增大,叶片中的脱落酸(ABA)含量增高,叶片气孔开度减小。有研究表明:干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的。请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料,设计实验来验证这一结论。要求简要写出实验思路和预期结果。
提示 取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度,经干旱处理后,再测定气孔开度。预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。将上述经干旱处理的ABA缺失突变体植株平均分成两组,在干旱条件下,一组进行ABA处理,另一组作为对照组,一段时间后,分别测定两组的气孔开度。预期结果是ABA处理组气孔开度减小,对照组气孔开度不变。
8.为了调查桃曲坡水库水深1 m处,自养生物一昼夜的实际光合速率和自养生物产氧量能否维持本层水体生物呼吸耗氧所需。请设计实验进行验证,要求写出检测过程和预期实验结果。实验材料:透光和不透光玻璃瓶,测氧仪等。
实验思路: ;
预期实验结果及结论: 。
提示 取等体积的透光玻璃瓶甲、乙和不透光玻璃瓶丙,同时从桃曲坡水库水深1 m处的同一位置取满水样,立即测定甲瓶中氧气的含量,并将乙、丙瓶密封后沉回原处。一昼夜后取出玻璃瓶,分别测定两瓶中的氧气含量 乙瓶氧气含量减去丙瓶氧气含量,差值为该处自养生物一昼夜的总光合速率。若乙瓶氧气含量大于甲瓶初始氧气含量,则该水层自养生物产氧量能维持本层水体生物呼吸耗氧所需,反之不能(共117张PPT)
层级二 二轮核心 精研专攻
突破点1 运用“对照”和“变量”思维解答酶类实验题
聚焦1与酶的作用和特性有关的教材基础实验
【链真题 明方向】
C
1.(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
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。
2.(2024·河北卷)下列关于酶的叙述,正确的是( )
A.作为生物催化剂,酶作用的反应物都是有机物
B.胃蛋白酶应在酸性、37 ℃条件下保存
C.醋酸菌中与发酵产酸相关的酶,分布于其线粒体内膜上
D.从成年牛、羊等草食类动物的肠道内容物中可获得纤维素酶
D
解析 酶的作用底物既可以是有机物,也可以是无机物,如淀粉酶催化淀粉(有机物)水解,过氧化氢酶催化过氧化氢(无机物)分解,A项错误。酶的作用条件较温和,过酸、过碱和高温都会使酶变性失活,低温条件下酶的活性很低,所以酶的保存条件是适宜的pH和低温,胃蛋白酶的最适pH为1.5,故胃蛋白酶应在酸性、低温条件下保存,B项错误。醋酸菌是细菌,为原核生物,没有线粒体,C项错误。成年牛、羊等草食类动物肠道中有分解纤维素的微生物,故从成年牛、羊等草食类动物肠道内容物中可获得纤维素酶,D项正确。
探究酶作用和特性的相关实验设计分析
【归纳拓展】
【练模拟 拓角度】
3.(2025·辽宁抚顺三模)实验小组为探究温度对蔗糖酶活性的影响,设计了如下实验步骤:①取6支试管,向每支试管中加入1 mL一定浓度的蔗糖酶溶液;②向每支试管中加入1 mL质量分数为0.25%的蔗糖溶液,摇匀;③将6支试管分别置于0 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃和70 ℃水浴中保温10 min;④检测反应速率。下列相关叙述错误的是( )
A.蔗糖水解的产物是葡萄糖和果糖
B.各个实验组相互对照,属于对比实验
C.应将酶溶液与底物溶液先分别保温再混合
D.一般用斐林试剂检测反应生成物的含量
D
解析 蔗糖是由葡萄糖和果糖脱水缩合形成的,所以蔗糖水解的产物是葡萄糖和果糖,A项正确;本实验没有对照组,都是实验组,各个实验组相互对照,属于对比实验,B项正确;应将酶溶液与底物溶液先分别保温再混合,避免混合时出现温度误差导致实验结果不准确,C项正确;用斐林试剂检测葡萄糖和果糖时,常需要水浴加热,而本实验中温度是自变量,因此不能用斐林试剂检测反应生成物的含量,D项错误。
4.(2025·黑龙江齐齐哈尔二模)研究人员以酪蛋白为原料,探究不同温度及酶与底物的比例对酶促反应速率的影响。他们将几组经过预处理的酪蛋白溶液装在烧杯内,设计温度分别为56 ℃、58 ℃、60 ℃、62 ℃及酶与底物的比例分别为4%、5%、6%、7%,各组置于适宜的pH条件下并加入酪蛋白酶,水解相同的时间后测定酪氨酸的含量。下列叙述错误的是( )
A.本实验可以不设计空白对照组
B.各组所加入酪蛋白酶的用量为无关变量
C.酪蛋白酶可降低酪蛋白水解反应的活化能
D.酪氨酸的含量越高,说明酶促反应速率越大
B
解析 探究不同温度及酶与底物的比例对酶促反应速率的影响为对比实验,温度为56 ℃、58 ℃、60 ℃、62 ℃四组相互对照,不用设计空白对照组,A项正确;根据实验目的“探究不同温度及酶与底物的比例对酶促反应速率的影响”和检测结果可知,酪蛋白酶的用量是自变量,B项错误;酶可以降低化学反应的活化能,所以酪蛋白酶可降低酪蛋白水解反应的活化能,C项正确;酪氨酸越多说明酪蛋白分解的越多,酶促反应速率越大,D项正确。
5.某同学将浸过肝脏研磨液的相同大小的3个滤纸片贴在反应小室的一侧内壁上,再加入10 mL质量分数为3%的H2O2溶液,将小室塞紧(图甲)。实验时,将反应小室置于水槽中并旋转180°,使H2O2溶液接触滤纸片,同时用量筒收集产生的气体(图乙)。下列叙述正确的是( )
甲
乙
A.该实验可以说明酶具有高效性
B.该装置可以用于探究温度对酶促反应速率的影响
C.可增加肝脏研磨液的浓度和体积使收集的气体量增多
D.滤纸片数量改为6片可以探究酶浓度对H2O2分解速率的影响
答案 D
解析 该实验只能说明酶具有催化作用,若想证明酶具有高效性,需要与无机催化剂作对照,A项错误;过氧化氢在高温下易分解,因此不能选过氧化氢作为探究温度对酶促反应速率的影响的实验材料,B项错误;肝脏研磨液中存在过氧化氢酶,酶只改变达到反应平衡所需的时间,不改变化学反应的平衡点,产物的量跟反应物的量有关,因此增加肝脏研磨液的浓度和体积不会改变收集的气体量,C项错误;滤纸片数量改为6片相当于增加了过氧化氢酶的浓度,可以探究酶浓度对H2O2分解速率的影响,D项正确。
聚焦2围绕酶的活性考查酶的拓展实验
【链真题 明方向】
6.(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 + ++ - -
肽链 纤维素类底物 褐藻酸类底物 W1 W2 S1 S2
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。
7.(2021·湖北卷)使酶的活性下降或丧失的物质称为酶的抑制剂。酶的抑制剂主要有两种类型:一类是可逆抑制剂(与酶可逆结合,酶的活性能恢复);另一类是不可逆抑制剂(与酶不可逆结合,酶的活性不能恢复)。已知甲、乙两种物质(能通过透析袋)对酶A的活性有抑制作用。
实验材料和用具:蒸馏水,酶A溶液,甲物质溶液,乙物质溶液,透析袋(人工合成半透膜),试管,烧杯等。
为了探究甲、乙两种物质对酶A的抑制作用类型,提出以下实验设计思路。请完善该实验设计思路,并写出实验预期结果。
(1)实验设计思路
取 支试管(每支试管代表一个组),各加入等量的酶A溶液,再分别加等量 ,一段时间后,测定各试管中酶的活性。然后将各试管中的溶液分别装入透析袋,放入蒸馏水中进行透析处理。透析后从透析袋中取出酶液,再测定各自的酶活性。
(2)实验预期结果与结论
若出现结果①: 。
结论①:甲、乙均为可逆抑制剂。
若出现结果②: 。
结论②:甲、乙均为不可逆抑制剂。
2
甲物质溶液、乙物质溶液
透析后,两组的酶活性均比透析前酶的活性高
透析前后,两组的酶活性均不变
若出现结果③:
。
结论③:甲为可逆抑制剂,乙为不可逆抑制剂。
若出现结果④:
。
结论④:甲为不可逆抑制剂,乙为可逆抑制剂。
加甲物质溶液组,透析后酶活性比透析前高,加乙物质溶液组,透析前后酶活性不变
加甲物质溶液组,透析前后酶活性不变,加乙物质溶液组,透析后酶活性比透析前高
解析 (1)分析题意可知,实验目的探究甲、乙两种物质对酶A的抑制作用类型,则实验的自变量为甲、乙物质的有无,因变量为酶A的活性,实验设计应遵循对照与单一变量原则,故可设计实验如下:取2支试管各加入等量的酶A溶液,再分别加等量甲物质溶液、乙物质溶液(单一变量和无关变量一致原则);一段时间后,测定各试管中酶的活性。然后将各试管中的溶液分别装入透析袋,放入蒸馏水中进行透析处理。透析后从透析袋中取出酶液,再测定各自的酶活性。
(2)据题意可知,甲物质和乙物质对酶A的活性有抑制,但作用机理未知,且透析前有甲物质和乙物质的作用,透析后无甲物质和乙物质的作用,前后对照可推测两种物质的作用机理,可能的情况有:①若甲、乙均为可逆抑制剂,则酶的活性能恢复,故透析后,两组的酶活性均比透析前酶的活性高。②若甲、乙均为不可逆抑制剂,则两组中酶的活性均不能恢复,故透析前后,两组的酶活性均不变。③若甲为可逆抑制剂,乙为不可逆抑制剂,则甲组中活性可以恢复,而乙组不能恢复,故加甲物质溶液组,透析后酶的活性比透析前酶的活性高,加乙物质溶液组,透析前后酶活性不变。④若甲为不可逆抑制剂,乙为可逆抑制剂,则甲组中活性不能恢复,而乙组能恢复,故加甲物质溶液组,透析前后酶活性不变,加乙物质溶液组,透析后酶的活性比透析前酶的活性高。
【归纳拓展】
1.有关酶的验证、探究或评价性实验题解题策略
2.模仿补充实验步骤,分析实验结果
(1)当已给的实验步骤有多个变量时,通过拆分法,减少实验变量,遵循单一变量原则,构建多组实验,模式如图所示。
(2)当自变量到因变量的逻辑推理因中间环节被忽视而难以得出结论时,再加入某些因素处理进行设计,进一步确认实验结果的发生是自变量处理所致,模式如图所示。
【练模拟 拓角度】
8.抑制剂、pH、温度、底物浓度都会影响酶促反应的速率。如图为酶的作用机理及两种抑制剂影响酶活性的示意图。如表为科研人员对木瓜蛋白酶活性影响的因素开展初步研究的实验结果。
组别 pH 木瓜蛋白酶 乙二胺四乙酸(EDTA) 温度/℃ 谷蛋白降解率/%
甲 8 + - 35 38
乙 8 + + 35 58
丙 6 + - 65 68
丁 6 + + 65 78
D
下列分析错误的是( )
A.图中模型可用于解释酶的专一性,通过增加底物浓度可减弱竞争性抑制剂的抑制作用
B.该实验的自变量是温度、pH及是否添加EDTA,因变量是木瓜蛋白酶的活性
C.据实验结果分析,EDTA能够提高木瓜蛋白酶的活性
D.非竞争性抑制剂、pH、温度、底物浓度都可通过改变酶的空间结构来影响酶促反应速率
解析 据图可知,图中的酶与底物结构嵌合,特异性结合,可用于解释酶的专一性,竞争性抑制剂与底物竞争结合位点,故通过增加底物浓度可减弱竞争性抑制剂的抑制作用,A项正确;分析题意,实验目的是探究木瓜蛋白酶活性的影响因素,分析题表可知,该实验的自变量为是否添加EDTA、温度、pH,因变量是木瓜蛋白酶的活性,B项正确;相同pH和温度下,添加EDTA的实验组谷蛋白降解率高,说明EDTA能够提高木瓜蛋白酶的活性,C项正确;非竞争性抑制剂、pH、温度都可通过改变酶的空间结构来影响酶促反应速率,但底物浓度不会,D项错误。
9.为揭示Cl-及柑橘黄酮对胰淀粉酶活性和淀粉体外消化的影响,为淀粉体外消化实验以及柑橘黄酮功能食品的开发提供参考,科研人员在有(或无)Cl-的基础上,研究一定浓度的柑橘黄酮对淀粉水解产物还原糖含量变化的影响,结果如图所示。回答下列问题。
(1)本实验的底物为淀粉,胰淀粉酶在体外可水解淀粉的条件是 ,衡量胰淀粉酶活性的高低可根据______________
(需写出具体还原糖)判断。如果用斐林试剂进行检测,不能得出实验结果的原因是___________________________________
。
(2)本实验的自变量是 ,对无关变量控制的要求是 。
(3)根据实验结果,推测Cl-是胰淀粉酶激活剂,依据是__________________
,10 mmol/L Cl-相当于食盐摄入量4.5 g/d,是正常人日常摄入食盐的量,能充分激活胰淀粉酶,因此在研究
适宜的温度和pH
单位时间内
麦芽糖的生成量
斐林试剂只是与还原糖在水浴加热条件
下形成砖红色沉淀,不能准确确定麦芽糖的含量变化
Cl-的有无、柑橘黄酮的有无及反应时间
相同且适宜
加入Cl-的实验组中,
还原糖的产量均比不加Cl-的实验组多
淀粉类食物体外消化特征时,应进行的操作是 ,该操作的目的为 。
(4)根据 组(填序号)的比较可知,柑橘黄酮对胰淀粉酶活性的作用没有影响,依据是
______________________________________________________________________________________________________________________。
添加适量的Cl-
保证体外实验中胰淀粉酶处于激活状态
①②或③④
还原糖的产量几乎相同或有Cl-处理的条件下,无论是否有柑橘黄酮处理,还原糖的产量几乎相同
无Cl-处理的条件下,无论是否有柑橘黄酮处理,
解析 (1)酶活性的发挥需要适宜条件,本实验的底物为淀粉,胰淀粉酶在体外可水解淀粉的条件是适宜的温度和pH;胰淀粉酶可将淀粉分解为麦芽糖,胰淀粉酶的活性可用单位时间内麦芽糖的生成量表示;由于斐林试剂只是与还原糖在水浴加热条件下形成砖红色沉淀,不能准确确定麦芽糖的含量变化,故本实验如果用斐林试剂进行检测,不能得出实验结果。
(2)分析题意,本实验科研人员在有(或无)Cl-的基础上,研究一定浓度的柑橘黄酮对淀粉水解产物还原糖含量变化的影响,根据处理方式可知,该实验的自变量是Cl-的有无、柑橘黄酮的有无及反应时间。
(3)据题图可知,无Cl-处理组的还原糖的产量小于有Cl-处理组,有Cl-处理组,反应速率更快,说明Cl-可提高胰淀粉酶降低化学反应活化能的能力,即推测Cl-是胰淀粉酶激活剂;由于Cl-能充分激活胰淀粉酶,因此在研究淀粉类食物体外消化特征时,应进行的操作是添加适量的Cl-,以保证体外实验中胰淀粉酶处于激活状态。
(4)对比①②或③④组可知,无Cl-处理的条件下,无论是否有柑橘黄酮处理,还原糖的产量几乎相同或有Cl-处理的条件下,无论是否有柑橘黄酮处理,还原糖的产量几乎相同,可推测柑橘黄酮对胰淀粉酶活性的作用没有影响。
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
聚焦1细胞呼吸及其在细胞代谢中的作用
【链真题 明方向】
1.(不定项)(2025·河北卷)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
ACD
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。
D
2.(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
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。
【归纳拓展】
1.细胞呼吸与电子传递
在真核细胞有氧呼吸的第三阶段,还原型辅酶Ⅰ(NADH)脱去氢并释放电子(e-),电子最终传递给O2。电子传递过程中释放的能量驱动H+从线粒体基质跨膜运输到线粒体内、外膜的间隙,从而建立H+浓度梯度,随后H+在ATP合酶的协助下顺浓度梯度运输到线粒体基质,并生成大量ATP,如图所示。
2.细胞呼吸是物质代谢的枢纽
在细胞呼吸过程中产生的中间产物,可转化为甘油、氨基酸等非糖物质;非糖物质代谢形成的某些产物与细胞呼吸的中间产物相同,这些物质可以进一步形成葡萄糖。蛋白质、糖类和脂质的代谢,都可以通过细胞呼吸过程联系起来,如下图所示。
【练模拟 拓角度】
3.有氧呼吸第三阶段的电子传递链如图所示。电子在传递的过程中,H+通过复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ逆浓度梯度运输,建立膜H+势能差,驱动ATP合酶顺H+浓度梯度运输,同时产生大量的ATP。UCP是一种特殊的H+通道。下列相关叙述错误的是( )
A.复合物Ⅳ可分布在骨骼肌细胞线粒体的内膜上
B.在嵴结构周围的线粒体基质中,H+的浓度较高
C.ATP合酶与H+结合,将其转运的同时催化ATP合成
D.若UCP运输的H+增多,则细胞合成的ATP可能会减少
答案 B
解析 依题意可知,复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ在有氧呼吸第三阶段起电子传递作用,骨骼肌细胞的有氧呼吸第三阶段发生在线粒体内膜上,所以在真核细胞中,复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ分布在线粒体内膜上,A项正确;电子在传递的过程中,H+通过复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ逆浓度梯度运输,建立膜H+势能差,结合题图分析可知,复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ分布在线粒体内膜上,线粒体基质中H+的浓度较低,B项错误;根据题图可知,ATP合酶与H+结合,将其转运的同时催化ATP合成,C项正确;UCP是一种特殊的H+通道,由题图可知,H+通过UCP运输会产生大量热量,若UCP运输的H+增多,则通过ATP合酶运输的H+减少,ATP的合成速率会下降,D项正确。
D
4.(2025·黑龙江“六校联盟”联考)线粒体外膜分布着孔蛋白构成的转运蛋白,丙酮酸可以经此通道通过而不影响孔蛋白的结构。线粒体内膜通透性低,丙酮酸需通过与H+协同运输的方式由膜间隙进入线粒体基质,其过程如图所示。下列叙述错误的是( )
A.线粒体内膜折叠,为有氧呼吸酶提供了更多
的附着位点
B.适当提高质子泵活性,丙酮酸进入线粒体基
质的速率会有所提高
C.H+由膜间隙进入线粒体基质的方式为易化扩散,该过程不消耗能量
D.丙酮酸穿过线粒体外膜和内膜的方式均为协助扩散
解析 线粒体内膜向内折叠形成嵴,增大了内膜的表面积,从而为有氧呼吸酶提供了更多的附着位点,A项正确。适当提高质子泵活性,会使膜间隙中H+浓度增加,进而使H+进入线粒体基质的速率加快,由于丙酮酸是与H+协同运输进入线粒体基质的,所以丙酮酸进入线粒体基质的速率会有所提高,B项正确。由图可知,H+由膜间隙进入线粒体基质是从高浓度向低浓度运输,且需要转运蛋白协助,该方式为易化扩散,易化扩散不消耗能量,C项正确。丙酮酸穿过线粒体外膜需经过孔蛋白构成的转运蛋白,运输过程不影响孔蛋白的结构,此方式为协助扩散;H+由线粒体基质进入膜间隙的方式是通过质子泵的主动运输,丙酮酸穿过线粒体内膜是通过与H+协同运输的方式进行的,这种协同运输的方式属于主动运输,D项错误。
聚焦2光反应的光系统及电子传递链
【链真题 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。
磷脂双分子层
(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 。
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18O 2;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】
光系统及电子传递链
(1)光系统Ⅱ进行水的光解,产生氧气、H+和自由电子(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+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。
(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合成酶顺浓度梯度流出,而ATP合成酶利用质子(H+)的浓度梯度来合成ATP。
【练模拟 拓角度】
7.下图是某种植物叶绿体中进行光合作用示意图,PSⅠ(光系统Ⅰ)和PSⅡ(光系统Ⅱ)是由蛋白质和光合色素组成的复合物。下列相关叙述正确的是( )
A.图中的生物膜名称是叶绿体内膜
B.光合细菌如硫细菌进行光合作用
时不会产生氧气,由此推测此类细菌
可能不具备PSⅠ
C.光合作用发现过程中的希尔反应
发生在离体的叶绿体中,类似于图中过程①
D.若CO2浓度降低,则图中电子传递速率会升高
C
解析 由图可知,在该生物膜上发生的是水的光解产生氧气,以及合成了ATP和NADPH,是光合作用的光反应阶段,发生在叶绿体类囊体薄膜上,故图中的生物膜表示的是叶绿体的类囊体薄膜,A项错误;由图可知,PSⅡ参与①过程水的光解产生氧气,PSⅠ用于形成NADPH,光合细菌如硫细菌进行光合作用时不会产生氧气,由此推测此类细菌可能不具备PSⅡ,B项错误;光合作用发现过程中的希尔反应发生在离体的叶绿体中,类似于图中过程①(水光解产生氧气),C项正确;若CO2浓度降低,C3生成量减少,用于还原C3的NADPH消耗量减少,产生的NADP+减少,接受的电子减少,则图中电子传递速率会降低,D项错误。
光反应
8.叶绿体类囊体膜上主要有光系统Ⅰ(PSⅠ)、光系统Ⅱ(PSⅡ)、细胞色素b6f蛋白复合体和ATP酶复合体四类蛋白复合体,参与光能吸收、传递和转化,电子传递,H+输送及ATP合成等过程,如图1所示。回答下列问题。
图1
(1)图1表示光合作用的 过程,膜上发生的反应过程将H2O分解成O2、H+和e-,光能转化成电能,最终转化为 中活跃的化学能。
NADPH和ATP
pH应与细胞质基质的相同、渗透压应与细胞内的相同
(2)科研人员将正常叶片置于适量的溶液B中,用组织捣碎机破碎细胞,再用差速离心法分离叶绿体,该实验所用溶液B应满足的条件是
(从pH和渗透压的角度作答)。将分离得到的叶绿体悬浮在适宜溶液中,照光后有O2释放;如果在该适宜溶液中将叶绿体外膜破裂后再照光, (填“有”或“没有”)O2释放,原因是___________________________________________
。
有
类囊体膜是H2O分解释放O2的场所,叶绿体外膜破裂不影响类囊体膜的功能
(3)研究人员在黑暗条件下将叶绿体的类囊体放入烧杯中,人为调整类囊体膜两侧的pH,并适时加入适量的ADP和Pi,过程如图2所示。一段时间后检测,只有实验组有ATP产生。结合图1和实验结果,可得出的实验结论是 。
图2
实验组合成ATP的能量来源于类囊体膜内外的H+浓度差
解析 (1)图1表示光合作用的光反应过程,膜上发生的反应过程将H2O分解成O2、H+和e-,光能转化成电能,最终转化为NADPH和ATP中活跃的化学能。
(2)将正常叶片置于适量的溶液B中,用组织捣碎机破碎细胞,再用差速离心法分离细胞器,得到的细胞器应保持正常的活性,故该实验中所用溶液B应满足的条件是pH应与细胞质基质的相同、渗透压应与细胞内的相同。植物光合作用的光反应阶段的场所是类囊体薄膜,如果在适宜溶液中将叶绿体的外膜破裂后再照光,也会有O2释放,原因是类囊体膜是H2O分解释放O2的场所,叶绿体外膜破裂不影响类囊体膜的功能。
(3)根据图示的信息,只有类囊体膜内的H+浓度高于膜外时,才能促使ADP和Pi合成ATP,故可得出的实验结论是实验组合成ATP的能量来源于类囊体膜内外的H+浓度差。
聚焦3光呼吸、卡尔文循环与二氧化碳的浓缩机制
【链真题 明方向】
9.(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。
(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-磷酸甘油醛
蔗糖
韧皮部
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
(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)。
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。
【情境拓展】
1.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,1/3以上的光合产物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)。
当CO2与O2的浓度比高时,Rubisco酶催化CO2与C5结合反应加强;当CO2与O2的浓度比低时,Rubisco酶催化O2与C5结合反应加强
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
(3)已知强光下ATP和NADPH的积累会产生O2-(超氧阴离子自由基),而O2-会对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害。依据图中信息,解释植物在干旱天气和过强光照下,光呼吸的积极意义是
。
叶片缺水,气孔部分关闭,CO2吸收减少,低浓度CO2使得光呼吸增强,光呼吸可以消耗多余的ATP和NADPH
2.二氧化碳的三种浓缩机制
(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
C4途径的生物学意义在于,热带植物为了防止水分过度蒸发,常常关闭叶片上的气孔,这样空气中的CO2就不易进入叶肉细胞,不能满足光合作用对CO2的需求;而C4途径中能固定CO2的PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力,使叶肉细胞能有效地固定和浓缩CO2,供维管束鞘细胞中叶绿体内的C3途径利用。玉米植株中固定CO2的酶的能力要远远强于水稻植株中相应的酶,因此玉米的光合效率大于水稻,特别是在低CO2浓度下,这种差别更为明显。
(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: 。
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
(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_______________________
。
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)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周围的CO2浓度,从而促进 。
自由扩散和主动运输
CO2固定
(5)向烟草内转入蓝细菌Rubisco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。
叶绿体
(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
。
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】
10.水稻和玉米都是重要的粮食作物。水稻属于C3植物(图1),通过卡尔文循环完成碳的固定和还原。玉米是C4植物(图2),碳的固定多了C4途径,其光合作用需要叶肉细胞和维管束鞘细胞共同完成。请回答下列问题。
图1
图2
ATP和NADPH
(1)水稻的叶肉细胞中过程②需要光反应提供 (写出2种)。检测玉米植株光合产物——淀粉的产生场所应选择 (填“叶肉细胞”或“维管束鞘细胞”)中的叶绿体。
(2)与水稻相比,玉米对炎热环境的适应能力更强,原因是玉米在炎热环境中,一方面可以 ,减少水分的散失;另一方面其叶肉细胞中具有CO2泵,能在细胞间隙 的情况下正常生长。
(3)玉米是农业生产应用价值较高的作物之一。在我国很多地区,将玉米与豆科植物分行相间种植,这样种植的意义是__________________________
_______________________________________________________________
(答出一点)。
维管束鞘细胞
关闭气孔
CO2浓度较低
更充分地利用土壤中的无机盐(或使空气中的CO2得到充分高效利用,或垂直结构可更有效地利用光能)
黑暗
(4)为了“探究钾肥对水稻光合作用的影响”,研究人员在不同供钾浓度下测定了水稻的气孔导度、叶绿素总量、叶绿素a/b,结果如下表所示:
供钾浓度/(μmol·L-1) 总光合速率/(μmol·m-2·s-1) 气孔导度/(μmol·m-2·s-1) 叶绿素总量/(mg·m-2) 叶绿素a/b
0 8.2 0.00 301 2.0
100 10.5 0.10 352 2.2
200 11.4 0.16 502 2.3
500 1 301 0.17 615 2.3
要得到表中总光合速率,除了需要测得净光合速率数值外,还需要测定
条件下的实验数据,由表中数据可以得出钾肥能提高水稻光合速率的原因是 (答出一点,合理即可)。
叶绿素总量增加,光反应速率加快
解析 (1)C3的还原是暗反应过程,需要光反应提供的ATP和NADPH。玉米是C4植物,从图中看出,该类植物通过光合作用产生淀粉的场所是维管束鞘细胞中的叶绿体。
(2)在炎热环境中,植物为降低蒸腾作用而关闭气孔,减少水分的散失;与水稻相比,玉米的叶肉细胞中具有CO2泵,利用低浓度CO2的能力更强,利于光合作用的进行,更适应炎热环境。
(3)玉米与豆科植物分行相间种植的意义是更充分地利用土壤中的无机盐;使空气中的CO2得到充分高效利用;垂直结构可更有效地利用光能等。
(4)总光合速率=净光合速率+呼吸速率,因此还需要测定黑暗条件下的实验数据(呼吸速率);从表中数据可以看出,随供钾浓度不断增加,叶绿素总量增加,说明光反应强度增大,光反应速率加快;气孔导度也增大,吸收CO2速率加快。
11.科研工作者以作物甲为材料,探索通过改善细胞代谢途径达到提高光合作用效率,从而实现提高作物产量的目的。图1是作物甲叶肉细胞中部分碳代谢过程的模式图,图中的R酶是一种双功能酶(羧化酶—加氧酶):CO2浓度高时,R酶催化CO2的固定;在高光强、高O2浓度、低CO2浓度时,R酶催化C5和O2发生反应,完成有机物的加氧氧化。后者在酶的催化作用下转换为乙醇酸后通过膜上的载体(T)离开叶绿体,再经过代谢途径Ⅰ最终将2分子乙醇酸转换成1分子甘油酸并释放1分子CO2,又称光呼吸。研究发现:强光下ATP和NADPH的积累会产生超氧阴离子自由基,该自由基会对叶绿体造成伤害,光呼吸会消耗多余的ATP和NADPH。回答下列问题。
图1
(1)图1中左侧环形代谢途径表示的是光合作用中的 反应,此过程也称作 。此过程中第一个光合还原产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质中合成蔗糖,蔗糖可以进入筛管,再通过 运输到甲植株各处。
暗
碳反应
韧皮部
(2)依据题干及图示中的信息,解释作物甲在光照强烈、干旱的环境中,光呼吸的积极意义是 。
(3)为了减少作物甲叶绿体内碳的丢失,研究人员利用转基因技术将编码某种藻类C酶(乙醇酸脱氢酶)的基因和某种植物的M酶(苹果酸合成酶)基因转入作物甲,与原有的代谢途径Ⅲ相连,人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径(图2中的途径Ⅱ,不影响细胞呼吸)。转基因操作后,途径Ⅲ能够提高光合作用效率,从而提高作物产量的原因是
。
消除乙醇酸对细胞的毒害;防止强光对叶绿体的破坏
由于途径Ⅱ提高了苹果酸的含量,使叶绿体基质内CO2的浓度增加,提高了暗反应速率
图2
解析 (1)图1中左侧环形代谢途径表示的是光合作用中的暗反应,主要包括CO2的固定和C3的还原,此过程也称作碳反应。蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到甲植株各处。
(2)强光下ATP和NADPH的积累会产生超氧阴离子自由基,该自由基会对叶绿体造成伤害,光呼吸会消耗多余的ATP和NADPH,因此光呼吸的意义为消除乙醇酸对细胞的毒害,防止强光对叶绿体的破坏。
(3)分析图2可知,通过转基因技术人为地在叶绿体中建立一个新的乙醇酸代谢途径Ⅱ,即将乙醇酸通过C酶和M酶的催化作用转化为苹果酸,由于途径Ⅱ提高了苹果酸的含量,苹果酸通过代谢途径Ⅲ,使叶绿体基质内CO2的浓度增加,有利于提高光合速率。
突破点3 结合生产实践考查细胞呼吸和光合作用的影响因素
聚焦1补偿点、饱和点与光合作用的关系及应用
【链真题 明方向】
1.(2024·北京卷)某同学用植物叶片在室温下进行光合作用实验,测定单位时间单位叶面积的氧气释放量,结果如图所示。若想提高X,可采取的做法是( )
A.增加叶片周围环境CO2浓度
B.将叶片置于4 ℃的冷室中
C.给光源加滤光片改变光的颜色
D.移动冷光源缩短与叶片的距离
A
解析 CO2是光合作用的原料,增加叶片周围环境CO2浓度可增加单位时间单位叶面积的氧气释放量,A项符合题意;降低温度会降低光合作用相关酶的活性,会减少单位时间单位叶面积的氧气释放量,B项不符合题意;给光源加滤光片,减少了光源,会降低光合速率,C项不符合题意;移动冷光源缩短与叶片的距离会使光照强度增大,但单位时间单位叶面积的最大氧气释放量可能不变,因为光饱和点之后,光合作用强度不再随着光照强度的增强而增强,D项不符合题意。
2.(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。
注:光照强度在曲线②和③中为n,在曲线①中为n×120%。
(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
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.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.相比于玉米,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,故相比于小麦,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。
聚焦2环境胁迫对光合作用的影响及应用
【链真题 明方向】
4.(2023·湖北卷)高温是制约世界粮食安全的因素之一,高温往往使植物叶片变黄、变褐。研究发现平均气温每升高1 ℃,水稻、小麦等作物减产约3%~8%。关于高温下作物减产的原因,下列叙述错误的是( )
A.呼吸作用变强,消耗大量养分
B.光合作用强度减弱,有机物合成减少
C.蒸腾作用增强,植物易失水发生萎蔫
D.叶绿素降解,光反应生成的NADH和ATP减少
D
解析 高温会刺激植物的呼吸作用加快,导致养分的供应不足,影响植物的生长和产量,A项正确。高温条件下,光合作用中的酶活性受到抑制,光能转化为化学能的效率下降,从而限制了植物的生长和产量,B项正确。高温会加强植物的蒸腾作用,导致水分的流失加剧,容易出现萎蔫和水分胁迫的情况,C项正确。在高温下,由叶绿素降解导致光反应生成的NADPH和ATP减少,D项错误。
5.(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。
6.(2024·湖南卷)钾是植物生长发育的必需元素,主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节以及促进光合产物的运输和转化等。研究表明,缺钾导致某种植物的气孔导度下降,使CO2通过气孔的阻力增大,还会导致Rubisco的羧化酶(催化CO2的固定反应)活性下降,最终导致净光合速率下降。回答下列问题。
(1)从物质和能量转化角度分析,叶绿体的光合作用即在光能驱动下,水分解产生 ;光能转化为电能,再转化为 中储存的化学能,用于暗反应的过程。
(2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量 ,从叶绿素的合成角度分析,原因是____________________________________________________ ______________________________________________________________
(答出两点即可)。
ATP和NADPH
O2和H+
降低
缺钾会使叶绿素合成相关酶的活性降低;缺钾会影响细胞的渗透调节能力,进而影响细胞对Mg、N等元素的吸收,使叶绿素合成减少
(3)现发现该植物群体中有一植株,在正常供钾条件下,总叶绿素含量正常,但气孔导度等其他光合作用相关指标均与缺钾时相近,推测是Rubisco的编码基因发生突变所致。Rubisco由两个基因(包括1个核基因和1个叶绿体基因)编码,这两个基因及两端的DNA序列已知。拟以该突变体的叶片组织为实验材料,以测序的方式确定突变位点。写出关键实验步骤:
① ;
② ;
③ ;
④基因测序;⑤ 。
分别提取该组织细胞的细胞核DNA和叶绿体DNA
根据编码Rubisco的两个基因的两端DNA序列设计相应引物
利用提取的DNA和设计的引物分别进行PCR扩增并电泳
和已知基因序列进行比较
解析 (1)光反应过程中水的光解会产生O2和H+,H+再和NADP+结合产生NADPH。该过程中光能转化为电能,电能再转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。
(2)由“钾是植物生长发育的必需元素,主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节以及促进光合产物的运输和转化等”可知,长期缺钾导致该植物的叶绿素含量降低,其原因是钾参与酶活性的调节,缺钾会降低叶绿素合成相关酶的活性;钾参与渗透调节,缺钾会影响细胞的渗透压,进而影响细胞对Mg、N等元素的吸收,而Mg和N是合成叶绿素的必需元素。
(3)Rubisco由两个基因编码,这两个基因及两端的DNA序列已知,因此检测其是否突变的基本思路是利用PCR技术扩增突变体的相应基因,测序后与已知序列进行比较。
【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
类型 影响原理 主要表现
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
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 类型 影响原理 主要表现
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.传统农业生产模式及应用
【练模拟 拓角度】
7.研究表明,脱落酸(ABA)能调节气孔,控制植物水分散失。小麦是我国北方主要的农作物,为探究ABA对小麦抗旱能力的影响,科研小组将小麦幼苗均分为甲、乙、丙、丁四组,甲组正常供水,乙组正常供水+ABA,丙组干旱胁迫,丁组干旱胁迫+ABA,实验结果如图。回答下列有关问题。
(1)小麦经干旱处理后,根细胞中溶质浓度增大,根细胞的吸水能力 ;Rubisco酶活性影响小麦光合作用的 (填“光反应”或“暗反应”)阶段。
(2)据图分析,干旱会影响小麦的光合作用,其主要原因是_______________ _______________________________________________________________(至少写出2点)。
(3)据图分析,ABA影响小麦的光合作用的机制可能是
① ;
② 。
增强
暗反应
水是光合作用的原料之一;水分可能影响小麦Rubisco酶活性;水分影响小麦对CO2的吸收
ABA能降低气孔导度,使光合作用强度减弱
ABA能提高Rubisco酶活性,使光合作用强度增强
(4)据图可知,正常供水下,乙组在加入ABA后光合速率低于甲组;干旱胁迫下,丁组在加入ABA后光合速率高于丙组。请据表分析并解释这两种情况下光合速率变化出现差异的原因: 。
与对照组相比,ABA会降低气孔导度,使光合作用强度减弱,而又能提高Rubisco酶活性使光合作用加强;在正常供水情况下,施加ABA后,气孔导度的下降对光合速率的影响大于Rubisco酶活性升高对光合速率的影响,因此光合速率下降;在干旱胁迫下,施加ABA后,气孔导度的下降对光合速率的影响小于Rubisco酶活性升高对光合速率的影响,因此光合速率提高
解析 (1)经干旱处理后,根细胞的溶质浓度增大,渗透压增大,对水分子吸引力增大,植物根细胞的吸水能力增强。Rubisco参与CO2的固定过程,因此Rubisco酶活性影响小麦光合作用的暗反应阶段。
(2)干旱会影响小麦的光合作用,因为水是光合作用的原料之一;实验表明,与正常供水(甲组)相比,在干旱胁迫下,丙组Rubisco酶活性降低,说明水分可能影响小麦Rubisco酶活性,从而会影响小麦的光合作用;实验表明,与正常供水(甲组)相比,在干旱胁迫下,丙组气孔导度降低,CO2的吸收减少,说明水分影响小麦对CO2的吸收,从而会影响小麦的光合作用。
(3)丙组与丁组比较可知,丁组(加了ABA)Rubisco酶活性升高,光合作用强度增强,说明脱落酸(ABA)能提高Rubisco酶活性,使光合作用强度增强;甲组与乙组比较可知,乙组(加了ABA)的气孔导度降低,光合速率下降,说明脱落酸(ABA)能降低气孔导度,使光合作用强度减弱。
(4)由题图分析可知,与对照组相比,ABA会降低气孔导度,使光合作用强度减弱,而又能提高Rubisco酶活性使光合作用加强。正常供水下,乙组在加入ABA后光合速率低于甲组;干旱胁迫下,丁组在加入ABA后光合速率高于丙组,两种情况下光合速率变化出现差异的原因可能是:在正常供水情况下,施加ABA后,气孔导度的下降对光合速率的影响大于Rubisco酶活性升高对光合速率的影响,因此光合速率下降;在干旱胁迫下,施加ABA后,气孔导度的下降对光合速率的影响小于Rubisco酶活性升高对光合速率的影响,因此光合速率提高。
8.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二者的光合速率大小
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,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;图乙中有烟草花叶病毒胁迫的两组加宁南霉素处理,即F组和E&F组,通过比较这两组,可知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)实验目的是验证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。实验需要遵循对照原则、单一变量原则等。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二者的光合速率大小。(共13张PPT)
层级三 素养整合 诠释应用
素养1 生命观念——生命系统的物质与能量观
【素养提炼】
生命的能量观需要建立在以下重要概念的基础上:
(1)生命过程需要能量驱动,生命系统都是耗能结构,需要引入能量来维持有序性。
(2)生命系统的各个层次都有能量的流动和转换。
(3)能量以物质为载体。细胞内的化学反应有放能反应和吸能反应,二者总是伴随着ATP的合成和水解。
(4)光能是几乎所有生命系统中能量来源的最终源头,但是对大多数生命体来说,光能并不能直接被利用,而要通过反应转化为化学能才能被利用(即使在绿色植物体内,也有许多细胞不能进行光合作用)。
(5)生命系统的能量流动同样遵循能量守恒定律。
【素养应用】
B
1.我国农业古书中记载了“凡耕之本,在于趣时和土,务粪、泽,早锄,早获”“区大小如上农夫区。禾收,区种”“又种薤十根,令周回瓮,居瓜子外。至五月瓜熟,薤可拔卖之,与瓜相避。又可种小豆于瓜中”等,其中提到了及时翻土、施肥浇水、轮作、间作等农业生产经验。下列有关说法错误的是
( )
A.疏松土壤有利于农作物根系对无机盐的吸收和土壤微生物的繁殖
B.施加粪肥后农作物长得好是因为吸收了粪肥有机物中的能量和无机盐
C.及时锄草能够减小杂草和农作物的种间竞争,但是一定程度上会降低生态系统的稳定性
D.间作能从增大光照面积等方面提高光能的利用率
解析 疏松土壤有利于农作物根系和土壤微生物充分进行有氧呼吸,产生更多的能量,有利于植物根部细胞以主动运输的方式吸收更多的无机盐,也有利于土壤微生物的大量繁殖,A项正确;粪肥的主要成分是有机物,有机物被土壤微生物分解后产生无机盐、二氧化碳和水,无机盐和二氧化碳等能被植物吸收利用,但植物不能直接吸收有机物,更不能利用有机物中的能量,B项错误;及时锄草能够减小杂草和农作物对阳光、水分、无机盐等的竞争,但是会降低物种丰富度,即一定程度上降低生态系统的稳定性,C项正确;间作能从增大光照面积等方面提高光能的利用率,D项正确。
C
2.我国科研工作者将菠菜类囊体构建为纳米类囊体单位(NTU),并包裹上细胞膜形成膜被类囊体单位(CM-NTU),然后,通过融合将NTU导入软骨关节炎小鼠的软骨细胞,重建了该细胞在光照下的能量代谢平衡,为软骨关节炎的治疗提供了新思路。下列叙述正确的是( )
A.可以通过密度梯度离心法获得菠菜叶绿体
B.NTU的跨物种“移植”依赖于细胞膜的功能特性
C.构建CM-NTU时,应选择被治疗的软骨关节炎小鼠的细胞膜
D.NTU产生的NADPH中的能量用于线粒体ATP的合成,从而实现能量代谢平衡
解析 可用差速离心法获得菠菜叶绿体,A项错误;通过融合将NTU导入软骨关节炎小鼠的软骨细胞,依赖细胞膜的结构特点——具有流动性,B项错误;CM-NTU外面包裹上小鼠细胞膜,不会被小鼠自身免疫系统识别,可有效逃避小鼠免疫系统的清除,因此构建CM-NTU时,应选择被治疗的软骨关节炎小鼠的细胞膜,C项正确;NTU光反应产生NADPH和ATP,NADPH和ATP在叶绿体基质中用于暗反应还原C3,NADPH中的能量不用于线粒体ATP的合成,D项错误。
素养2 社会责任——提高农作物产量,保障粮食安全
【素养提炼】
《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.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,改善土壤理化性质,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、干燥的环境中保存,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.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,提高了光合作用的速率,达到增产、增收的效果,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。(共40张PPT)
层级一 主干知识 自主落实
【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
考点1 酶在细胞代谢中的作用
【把脉高考】 温度、pH、酶浓度和底物浓度都会影响酶促反应速率,高考试题对这部分内容多以曲线分析题的形式进行考查。以影响酶促反应速率的因素为情境,考查模型建构与分析能力。有关酶的考查主要集中在酶的催化功能及酶的专一性、高效性、受pH和温度影响等方面,命题往往借助表格和实验设计与分析等形式,突出考查考生对实验数据的分析和推理能力。
三年 高考 2025 黑吉辽蒙卷T1,河北卷T2
2024 广东卷T15,河北卷T2,浙江1月T17
2023 浙江6月T7,浙江1月T8
串联整合
1.四个角度区别酶和激素
2.酶的三类曲线解读
3.酶的特性及相关探究实验
对标高考
1.判断与表达——酶的本质和特性
(1)(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。
( √ )
(2)(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。
( × )
(3)(2022·浙江卷)淀粉酶在一定pH范围内起作用,酶活性随pH升高而不断升高。( × )
(4)(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 高效性、专一性、作用条件较温和 ;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 空间结构 。
2.判断——影响酶活性的因素
(1)(2021·河北卷)麦芽中的淀粉酶比人的唾液淀粉酶的最适温度低。
( × )
(2)(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。( × )
(3)(2022·浙江卷)若在淀粉和淀粉酶混合液中加入蛋白酶,会加快淀粉的水解速率。( × )
(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。( √ )
深挖教材
1.(必修1P79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。 向相同体积的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 。
2.(必修1P84相关信息)已知胃蛋白酶的最适pH为1.5,小肠液的pH为7.6左右,胃蛋白酶随食糜进入小肠后不能发挥作用的原因是 没有了适宜的pH,胃蛋白酶活性大大降低甚至失活,不再发挥作用 。
3.(必修1P85科学·技术·社会)溶菌酶抗菌消炎的原理是 溶菌酶能够溶解细菌的细胞壁 。细菌性溶菌酶能否防御真菌感染 请说明原因: 不能,因为真菌和细菌细胞壁的成分不同,而酶具有专一性 。
考点2 ATP在细胞代谢中的作用
【把脉高考】 高考对ATP结构的考查,试题多为结合核酸的结构考查ATP与核酸的关系;对ATP合成的考查,试题多为结合细胞代谢考查能量的来源和利用。复习时要从结构与功能观、物质和能量观角度掌握ATP的结构和功能、ATP和ADP相互转换中的能量来源与去路(利用)。
三年 高考 2025 河北卷T1
2024 全国甲卷T2
2023 /
串联整合
1.明确ATP与核酸的关系
2.能量转换过程和ATP的来源与去路
3.肌细胞中ATP产生速率与O2供给量之间关系的曲线解读
对标高考
1.判断与表达——ATP的结构
(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。
( × )
2.判断与表达——ATP的合成与功能
(1)(2022·江苏卷)光照下,叶肉细胞中的ATP均源于光能的直接转化。
( × )
(2)(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。( × )
(3)(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。
( × )
(4)(2021·北京卷)ATP可直接为细胞提供能量。( √ )
(5)(2022·天津卷)ATP来源于 光合作用 和 呼吸作用 等生理过程,为各项生命活动提供能量。
深挖教材
1.(必修1P86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断裂的原因是 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 。
2.(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: 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 。
3.(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可能具有的作用是 ATP是一种能在细胞间传递信息的信息分子 。
考点3 光合作用和细胞呼吸的物质、能量转化
【把脉高考】 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的变化等。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为考查载体进行考查。
三年 高考 2025 黑吉辽蒙卷T10、T16,山东卷T4,河北卷T4、T14
2024 湖南卷T17,安徽卷T3,广东卷T2、T5
2023 湖南卷T17,广东卷T7,山东卷T4,全国乙卷T2
串联整合
1.光合作用与细胞呼吸的过程图解
2.光反应和暗反应的联系
光反应为暗反应提供 NADPH、ATP ;暗反应为光反应提供 NADP+、ADP和Pi 。没有光反应,暗反应无法进行;没有暗反应,光反应也会受到抑制。
3.分析光合作用和细胞呼吸中物质变化和能量转化的关系
(1)“三种”元素转移途径
(2)NADH、NADPH和ATP的来源和去路
项目 来源 去路
NADH 有氧呼吸第一、二阶段 用于第三阶段还原O2
NADPH H2O的光解 还原C3
ATP 光反应阶段产生 用于C3还原供能等
细胞呼吸 用于各项生命活动
对标高考
1.判断——细胞呼吸
(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。
( √ )
2.判断与表达——光合作用
(1)(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。
( × )
(2)(2021·湖南卷)在暗反应阶段,CO2不能直接被还原。( √ )
(3)(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。
答案 ①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
②实验思路:分离叶绿体,用碘液进行显色反应。
预期结果:反应结果显蓝色。
解析 ①光合作用的光反应和暗反应紧密联系。黑暗条件下,光反应不能进行,不能为暗反应提供C3还原所需的ATP和NADPH,暗反应无法进行,不能产生糖。
②本实验的目的是验证通过光合作用可以在叶绿体中产生淀粉,需先分离出叶绿体,破坏其双层膜后加入碘液进行显色反应,反应结果显蓝色表明有淀粉存在。
深挖教材
1.(必修1P94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 无氧呼吸过程中,葡萄糖中的能量主要转移到乳酸或酒精中;而氧化分解释放的能量主要以热能形式散失了 。
2.(必修1P102思考讨论)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 ,有氧呼吸第二阶段利用 生成C18O2,C18O2再参与光合作用的暗反应生成含18O的有机物 。
考点4 影响光合作用和细胞呼吸的因素
【把脉高考】 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。试题情境既有农业生产和生活实践情境,又有科学实验与探究情境。重点考查对题干信息的获取、分析、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,掌握解答有关光合作用和细胞呼吸类曲线的答题技巧。
三年 高考 2025 黑吉辽蒙卷T21,湖南卷T17,山东卷T16、T21,全国卷T2
2024 黑吉辽卷T21,湖北卷T4,全国甲卷T29,全国新课标卷T2、T31,山东卷T21
2023 全国新课标卷T22,山东卷T17、T21,全国乙卷T29
串联整合
1.影响细胞呼吸的环境因素
2.影响光合作用的三种环境因素
3.总光合速率与呼吸速率的关系
4.一昼夜植物代谢强度变化的两条曲线
对标高考
判断与表达——光合作用和细胞呼吸的综合运用
(1)(2023·湖北卷)光合作用强度减弱,有机物合成减少是高温下作物减产的原因之一。( √ )
(2)(2022·湖南卷)在夏季晴朗无云的白天,10时左右某植物光合作用强度达到峰值,12时左右光合作用强度明显减弱。光合作用强度减弱的原因可能是 ①④ 。
①叶片蒸腾作用强,失水过多使气孔部分关闭,进入体内的CO2量减少
②光合酶活性降低,呼吸酶不受影响,呼吸释放的CO2量大于光合固定的CO2量
③叶绿体内膜上的部分光合色素被光破坏,吸收和传递光能的效率降低
④光反应产物积累,产生反馈抑制,叶片转化光能的能力下降
(3)(2022·全国乙卷)某同学将一株生长正常的小麦置于密闭容器中,在适宜且恒定的温度和光照条件下培养,发现容器内CO2含量初期逐渐降低,之后保持相对稳定。出现这一实验现象的原因是 初期光合速率大于呼吸速率,之后光合速率等于呼吸速率 。
(4)(2018·全国Ⅰ卷)甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。甲、乙两种植物单独种植时,如果种植密度过大,那么净光合速率下降幅度较大的植物是 甲 ,判断的依据是 根据曲线图可知,甲种植物的光饱和点较高,对光照的需求大。当甲、乙两种植物单独种植时,如果种植密度过大,植株接受的光照强度减弱,导致甲种植物净光合速率下降幅度比乙大 。
深挖教材
1.(必修1P105探究·实践)NaHCO3溶液浓度过高会导致叶片上浮缓慢,原因是 在高浓度的无机盐溶液中,植物细胞失水,代谢减弱 。
2.(必修1P106拓展应用)下图是在夏季晴朗的白天,某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答问题。
(1)10~12时左右的光合作用强度明显减弱的原因是 此时温度很高,导致气孔导度变小,CO2进入叶片组织的速率减慢,致使光合作用暗反应受到限制 。
(2)依据本题提供的信息,提出提高绿色植物光合作用强度的一些措施: 可以利用温室大棚控制光照强度、温度的方式,如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等,提高绿色植物光合作用强度 。
