第二單元細胞代謝必修1

分子與細胞素養(yǎng)加強課2光合作用和細胞呼吸綜合的分析提升點1光合作用與細胞呼吸過程及物質(zhì)和能量的聯(lián)系1．物質(zhì)名稱：b.O2，c.ATP，d.ADP，e.NADPH，f.C5，g.CO2，h.C3。2．生理過程及場所序號①②③④⑤生理過程光反應(yīng)暗反應(yīng)有氧呼吸第一階段有氧呼吸第二階段有氧呼吸第三階段場所葉綠體類囊體的薄膜葉綠體基質(zhì)細胞質(zhì)基質(zhì)線粒體基質(zhì)線粒體內(nèi)膜

1．(多選)(2023·山東青島高三校聯(lián)考開學(xué)考試)葉肉細胞中存在“蘋果酸/草酰乙酸穿梭”和“蘋果酸/天冬氨酸穿梭”，可實現(xiàn)葉綠體和線粒體中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)移，如圖為葉肉細胞中部分代謝途徑，以下敘述正確的是(

)A．卡爾文循環(huán)和三羧酸循環(huán)的場所分別是葉綠體基質(zhì)和線粒體基質(zhì)B．“蘋果酸/天冬氨酸穿梭”可將細胞質(zhì)基質(zhì)NADH的能量轉(zhuǎn)移到線粒體NADH中C．葉綠體和線粒體借助“蘋果酸/草酰乙酸穿梭”和“蘋果酸/天冬氨酸穿梭”實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移路徑可表示為：NADPH→蘋果酸→NADHD．線粒體內(nèi)NADH中的能量最終在線粒體基質(zhì)中轉(zhuǎn)化為ATP中的化學(xué)能√√√ABC

[圖中的卡爾文循環(huán)包括CO2的固定和C3的還原兩個過程，在葉綠體基質(zhì)中進行，三羧酸循環(huán)進行的場所是線粒體基質(zhì)，A正確；分析題圖可以推測“蘋果酸/天冬氨酸穿梭”可將細胞質(zhì)基質(zhì)NADH的能量轉(zhuǎn)移到線粒體NADH中，B正確；葉肉細胞中存在“蘋果酸/草酰乙酸穿梭”和“蘋果酸/天冬氨酸穿梭”，可實現(xiàn)葉綠體和線粒體中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移路徑可表示為NADPH→蘋果酸→NADH，C正確；線粒體內(nèi)NADH中的能量最終在線粒體內(nèi)膜上轉(zhuǎn)化為ATP中的化學(xué)能和熱能，D錯誤。故選ABC。]2．(2023·江蘇蘇州統(tǒng)考三模)植物細胞內(nèi)的呼吸鏈中存在由交替氧化酶(AOX)主導(dǎo)的交替呼吸途徑，該途徑對植物抵抗強光等逆境具有重要的生理學(xué)意義。下圖1表示eATP與呼吸鏈對光合作用相關(guān)反應(yīng)的影響，其中iATP為細胞內(nèi)ATP，eATP為細胞外ATP。請回答下列問題：(1)圖中所示的光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ應(yīng)位于葉綠體的____________(結(jié)構(gòu))上。ATP和NADPH在光合作用中的共同作用是_________________________。(2)強光環(huán)境下，植物細胞通過“蘋果酸/草酰乙酸穿梭”途徑，將過多的____________轉(zhuǎn)移出葉綠體，并最終通過AOX的作用，將其中大部分能量以____________形式散失，從而有效緩解強光對植物細胞內(nèi)光系統(tǒng)的損傷。(3)目前尚未發(fā)現(xiàn)在植物細胞的表面或質(zhì)膜上存在ATP合酶，表明eATP來源于______________________________產(chǎn)生的iATP。據(jù)圖判斷，eATP最可能是作為一種信號分子調(diào)節(jié)植物的光合作用，其判斷依據(jù)是________________________________________________________________________。類囊體(薄)膜為C3的還原提供能量NADPH熱能線粒體、葉綠體和細胞質(zhì)基質(zhì)eATP需要與(細胞膜上)的DORN1受體結(jié)合后才能激發(fā)細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(4)為探究eATP對植物光系統(tǒng)反應(yīng)效率的影響及其作用機制，研究者以野生型(WT)擬南芥和eATP受體缺失突變體(dorn-1)擬南芥為實驗材料，利用交替呼吸抑制劑(SHAM)進行實驗，結(jié)果如圖2所示。①據(jù)圖2分析，在WT葉片中，SHAM處理能夠引起實際光系統(tǒng)反應(yīng)效率________，對WT葉片添加外源ATP可________SHAM所導(dǎo)致的影響；而在dorn-1葉片中，SHAM處理以及添加外源ATP對植物實際光系統(tǒng)反應(yīng)效率的影響____________。②以上結(jié)果表明，eATP可通過受體DORN1對______________________引起的植物光系統(tǒng)反應(yīng)效率下降進行調(diào)控。該實驗為進一步研究植物抗脅迫調(diào)節(jié)機制中呼吸鏈以及eATP的作用提供依據(jù)。降低緩解不明顯交替呼吸(途徑)抑制[解析]

(1)圖1中所示的光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ能利用光能，完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，是光反應(yīng)過程，應(yīng)位于葉綠體的類囊體(薄)膜；ATP和NADPH在光合作用中的共同作用是可參與暗反應(yīng)過程，為C3的還原提供能量。(2)結(jié)合圖1可知，強光環(huán)境下，植物細胞通過“蘋果酸/草酰乙酸穿梭”途徑，將過多的NADPH轉(zhuǎn)移出葉綠體，并最終參與AOX(交替呼吸途徑)過程，呼吸作用過程中產(chǎn)生的能量大部分以熱能散失。(3)分析題意，目前尚未發(fā)現(xiàn)在植物細胞的表面或質(zhì)膜上存在ATP合酶，表明eATP來源于細胞代謝產(chǎn)生的iATP，主要是光合作用和呼吸作用產(chǎn)生的，場所有線粒體、葉綠體和細胞質(zhì)基質(zhì)；據(jù)圖1可知，eATP需要與(細胞膜上)的DORN1受體結(jié)合后才能激發(fā)細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，據(jù)此推測eATP最可能是作為一種信號分子調(diào)節(jié)植物的光合作用。(4)①分析圖2，在WT葉片中，與對照組相比，SHAM處理能夠引起實際光系統(tǒng)反應(yīng)效率降低；對比對照組、SHAM組和SHAM＋ATP組可知，實際光系統(tǒng)反應(yīng)速率是對照組＞SHAM＋ATP組＞SHAM組，說明對WT葉片添加外源ATP可緩解SHAM所導(dǎo)致的影響；而在dorn-1葉片中，對照組、SHAM組和SHAM＋ATP組的實際光系統(tǒng)反應(yīng)速率差別不大，說明SHAM處理以及添加外源ATP對植物實際光系統(tǒng)反應(yīng)效率的影響不明顯。②本實驗是以不同的擬南芥為材料，利用交替呼吸抑制劑(SHAM)進行實驗的，題述實驗結(jié)果表明，eATP可通過受體DORN1對交替呼吸(途徑)抑制引起的植物光系統(tǒng)反應(yīng)效率下降進行調(diào)控。

提升點2真正(總)光合速率和表觀(凈)光合速率的關(guān)系及其速率測定1．真正(總)光合速率、表觀(凈)光合速率和細胞呼吸速率的關(guān)系(1)內(nèi)在關(guān)系①細胞呼吸速率：植物非綠色組織(如蘋果果肉細胞)或綠色組織在黑暗條件下測得的值——單位時間內(nèi)一定量組織的CO2釋放量或O2吸收量。②凈光合速率：植物綠色組織在有光條件下測得的值——單位時間內(nèi)一定量葉面積所吸收的CO2量或釋放的O2量。③真正(總)光合速率＝表觀(凈)光合速率＋細胞呼吸速率。(2)判定方法①根據(jù)坐標曲線判定a．當光照強度為0時，若CO2吸收值為負值，則該值的絕對值代表細胞呼吸速率，該曲線代表表觀(凈)光合速率，如圖甲。b．當光照強度為0時，光合速率也為0，該曲線代表真正(總)光合速率，如圖乙。②根據(jù)關(guān)鍵詞判定檢測指標細胞呼吸速率表觀(凈)光合速率真正(總)光合速率CO2釋放量(黑暗)吸收量(植物)、減少量(環(huán)境)利用量、固定量、消耗量O2吸收量(黑暗)、消耗量(黑暗)釋放量(植物)、增加量(環(huán)境)產(chǎn)生量、生成量、制造量、合成量葡萄糖消耗量(黑暗)積累量、增加量產(chǎn)生量、生成量、制造量、合成量2.光合速率的測定方法(1)氣體體積變化法——測定氣體的變化量注：裝置內(nèi)氧氣充足，不考慮無氧呼吸。①甲裝置在黑暗條件下植物只進行細胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了細胞呼吸產(chǎn)生的CO2，因此單位時間內(nèi)紅色液滴左移的距離表示植物的O2吸收速率，可代表有氧呼吸速率。②乙裝置在光照條件下植物進行光合作用和細胞呼吸，由于NaHCO3溶液保證了容器內(nèi)CO2濃度的恒定，因此單位時間內(nèi)紅色液滴右移的距離表示植物的O2釋放速率，可代表凈光合速率。③總光合速率＝凈光合速率＋有氧呼吸速率。④物理誤差的校正：為防止氣壓、溫度等物理因素引起誤差，應(yīng)設(shè)置對照實驗，即用死亡的綠色植物分別進行上述實驗，根據(jù)紅色液滴的移動距離對原實驗結(jié)果進行校正。(2)葉圓片稱重法——測定單位時間、單位面積葉片中有機物生成量

①操作圖示②結(jié)果分析a．凈光合速率＝(z－y)/2S(S為葉圓片面積，下同)。b．呼吸速率＝(x－y)/2S。c．總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。(3)半葉法——測定光合作用有機物的制造量①測定：將對稱葉片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做處理，并采用適當?shù)姆椒?可先在葉柄基部用熱水或熱石蠟液燙傷)阻止物質(zhì)轉(zhuǎn)移。在適宜光照下照射6h后，在A、B的對應(yīng)部位截取同等面積的葉片，烘干稱重，分別記為MA、MB。②計算：設(shè)被截取部分初始干重為M。a．被截取部分的呼吸速率＝(M－MA)/6。b．被截取部分的凈光合速率＝(MB－M)/6。c．被截取部分的總光合速率＝呼吸速率＋凈光合速率＝(MB－MA)/6。(4)黑白瓶法——測水中溶氧量的變化注：瓶中O2充足，不考慮無氧呼吸。(2023·江蘇揚州高三統(tǒng)考開學(xué)考試)下圖是某科研小組在對藥用植物黃精進行光合作用和呼吸作用研究實驗過程中，根據(jù)測得的實驗數(shù)據(jù)繪制的曲線圖，其中圖1的光合曲線(圖中實線)是在光照、CO2濃度等條件都適宜的環(huán)境中測得，圖1呼吸曲線(圖中虛線)是在黑暗條件下測得；圖2的實驗環(huán)境是在恒溫密閉玻璃溫室中，測定指標是連續(xù)24h室內(nèi)CO2濃度和植物CO2吸收速率。據(jù)圖分析，下列說法中錯誤的是(

)A．圖1中，當溫度達到55℃時，植物光合作用已停止，可能原因是與光合作用相關(guān)的酶失去活性B．圖1中，當溫度達到55℃時，植物的凈光合速率與呼吸速率相等，真正光合速率是呼吸速率的2倍C．結(jié)合圖1數(shù)據(jù)分析，進行圖2所示實驗時，為了減少無關(guān)變量帶來的干擾，溫度應(yīng)設(shè)置在30℃左右D．圖1中溫度為40℃時對應(yīng)的光合曲線點與圖2中6h和18h對應(yīng)的曲線點有相同的凈光合速率√B

[據(jù)圖1分析，虛線表示呼吸作用速率隨溫度的變化情況，當溫度達到55℃時，兩條曲線重合，植物不再進行光合作用，只進行呼吸作用，可能原因是與光合作用相關(guān)的酶失去活性，A正確；圖1中，當溫度達到55℃時，兩條曲線重合，植物不再進行光合作用，真正光合速率為0，B錯誤；結(jié)合圖1數(shù)據(jù)可知，植物凈光合速率最大時的溫度為30℃，因此，在進行圖2所示實驗時，為了減少無關(guān)變量帶來的干擾，溫度應(yīng)設(shè)置在30℃左右，C正確；圖2中當光合速率等于呼吸速率時，凈光合速率為0，處于室內(nèi)二氧化碳濃度曲線的拐點，即6h和18h，因此圖2中光合速率和呼吸速率相等的時間點有2個，圖1中，光合作用與呼吸作用相等的溫度條件是40℃，D正確。故選B。]提升點3光呼吸、C4植物等特殊代謝類型1．光呼吸光呼吸是指綠色植物在光照情況下吸收O2，將葉綠體中的C5分解產(chǎn)生CO2的過程。光呼吸是一個“耗能浪費”的生理過程，因此，抑制植物的光呼吸可實現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)。[模型解讀]光呼吸與光合作用的關(guān)系①與光呼吸有直接關(guān)系的細胞器為葉綠體、線粒體。光呼吸產(chǎn)生的條件是光照、高O2含量和低CO2含量等。②在干旱天氣和過強光照下，因為溫度很高，蒸騰作用很強，氣孔大量關(guān)閉。此時的光呼吸可以消耗光反應(yīng)階段生成的多余的NADPH和ATP，又可以為暗反應(yīng)階段提供原料，因此光呼吸對植物有重要的正面意義。2．C4植物在綠色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先轉(zhuǎn)移到含有四個碳原子的有機物(C4)中，然后才轉(zhuǎn)移到C3中，科學(xué)家將這類植物叫作C4植物，將其固定二氧化碳的途徑，叫作C4途徑。[模型解讀]①玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，適于在高溫、干燥和強光的條件下生長。②C4植物葉肉細胞的葉綠體有類囊體，能進行光反應(yīng)，同時CO2被整合到C4化合物中，隨后C4化合物進入維管束鞘細胞，維管束鞘細胞中沒有完整的葉綠體，C4化合物釋放出的CO2參與卡爾文循環(huán)，進而生成有機物。③PEP羧化酶被形象地稱為“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有較強光合作用(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)能力，并且無光合“午休”現(xiàn)象。3．CAM途徑[模型解讀]①仙人掌、菠蘿和許多肉質(zhì)植物都進行這種類型的光合作用。這類植物特別適合于干旱地區(qū)，其特點是氣孔夜間開放，白天關(guān)閉。②該類植物夜間吸收CO2，淀粉經(jīng)糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2與PEP結(jié)合，生成草酰乙酸，進一步還原為蘋果酸儲存在液泡中。而白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)基質(zhì)中脫羧，放出CO2，進入C3途徑合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再還原成三碳糖，最后合成淀粉或者轉(zhuǎn)移到線粒體，進一步氧化釋放CO2，又可進入C3途徑。③該類植物葉肉細胞夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降；白天淀粉增加，蘋果酸減少，細胞液pH上升。4．光合產(chǎn)物[模型解讀]①磷酸丙糖是光合作用中最先產(chǎn)生的糖，也是光合作用產(chǎn)物從葉綠體運輸?shù)郊毎|(zhì)基質(zhì)的主要形式。②光合作用產(chǎn)生的磷酸丙糖既可以在葉綠體中形成淀粉，暫時儲存在葉綠體中，又可以通過葉綠體膜上的磷酸轉(zhuǎn)運器運出葉綠體，在細胞質(zhì)基質(zhì)中合成蔗糖。合成的蔗糖或臨時儲藏于液泡內(nèi)，或從光合細胞中輸出，經(jīng)韌皮部裝載長距離運輸?shù)狡渌课弧?．光系統(tǒng)及電子傳遞鏈[模型解讀]①光系統(tǒng)Ⅱ進行水的裂解，產(chǎn)生O2、H＋和自由電子(e－)，光系統(tǒng)Ⅰ主要是介導(dǎo)NADPH的產(chǎn)生。②電子傳遞過程是高電勢到低電勢(由于光能的作用)，釋放的能量將質(zhì)子(H＋)逆濃度梯度從葉綠體的基質(zhì)側(cè)泵轉(zhuǎn)運到囊腔側(cè)，從而建立了質(zhì)子濃度(電化學(xué))梯度。③類囊體內(nèi)的高濃度質(zhì)子通過ATP合成酶順濃度梯度流出，而ATP合成酶利用質(zhì)子順濃度梯度中流出的能量來合成ATP。1．(多選)(2023·江蘇揚州高三統(tǒng)考開學(xué)考試)玉米葉肉細胞中的葉綠體較小數(shù)目也少但葉綠體內(nèi)有基粒：相鄰的維管束鞘細胞中葉綠體較大數(shù)目較多但葉綠體內(nèi)沒有基粒。玉米細胞除C3途徑外還有另一條固定CO2的途徑，簡稱C4途徑如下圖。研究發(fā)現(xiàn)，C4植物中PEP羧化酶對CO2的親和力約是Rubisco酶的60倍。下列有關(guān)敘述正確的是(

)A．維管束鞘細胞中光合作用所利用的CO2都是C4分解釋放的B．若葉肉細胞中光合作用速率大于細胞呼吸速率，植物的干重不一定增加C．玉米的有機物是在維管束鞘細胞通過C3途徑合成的D．干旱條件下，C3途徑植物光合速率比C4途徑植物小BCD

[由圖示可知，玉米維管束鞘細胞中光合作用所利用的CO2除了來源于C4分解，還可以來源于呼吸作用，A錯誤；若葉肉細胞中光合作用速率大于細胞呼吸速率，植物的干重不一定增加，因為植物還有部分不能進行光合作用的細胞也要通過呼吸作用消耗有機物，B正確；由圖示可知，玉米的有機物是在維管束鞘細胞通過C3途徑合成的，C正確；干旱條件下部分氣孔關(guān)閉，胞間CO2濃度降低，但PEP羧化酶可以高效捕捉CO2并將其固定為C4，然后轉(zhuǎn)移至維管束鞘細胞的葉綠體中完成光合作用，因此干旱條件下，C3途徑植物光合速率比C4途徑植物小，D正確。故選BCD。]√√√2．(多選)(2022·江蘇宿遷高三校考期中)下圖為真核細胞中兩種傳遞電子并產(chǎn)生ATP的生物膜結(jié)構(gòu)示意圖。據(jù)圖分析，下列有關(guān)敘述正確的是(

)A．圖甲為葉綠體內(nèi)膜，圖乙為線粒體內(nèi)膜B．兩種膜產(chǎn)生ATP的能量直接來源均為H＋的跨膜運輸C．自養(yǎng)需氧型生物的細胞中都既有圖甲結(jié)構(gòu)又有圖乙結(jié)構(gòu)D．圖甲中NADP＋為電子最終受體，圖乙中O2為電子最終受體√√BD

[圖甲中利用光能分解水，為光合作用的光反應(yīng)，所以圖甲為葉綠體中的類囊體薄膜，存在有葉綠體的生物體內(nèi)，圖乙中生成水和ATP，應(yīng)為有氧呼吸第三階段，所以圖乙為線粒體內(nèi)膜，存在于含線粒體的生物中；自養(yǎng)需氧型生物，例如硝化細菌為原核生物，不存在圖甲結(jié)構(gòu)和圖乙結(jié)構(gòu)，A、C錯誤。從圖中可知，這兩種膜結(jié)構(gòu)上的ATP合成酶在合成ATP時候，都需要利用膜兩側(cè)的H＋跨膜運輸，即H＋的梯度勢能轉(zhuǎn)移到ATP中，B正確；圖甲中的NADP＋接受電子變成NADPH，NADP＋為電子最終受體，圖乙中O2接受電子變成水，O2為電子最終受體，D正確。故選BD。]3．(2023·江蘇南通高三海安高級中學(xué)校考階段練習(xí))圖1為CAM代謝途徑，圖2為C4途徑示意圖。請回答：(1)C3植物固定CO2的最初受體是____________(物質(zhì))；CAM植物固定CO2的場所有___________________________________，受體有_________(物質(zhì))。光合作用過程中CO2來源相同的植物有______________(填“C3”“C4”“CAM植物”)。(2)C4植物光合作用中淀粉在