高中生物光合作用情景素材

光合作用情景素材一、C3植物與C4植物1.分類依據(jù)人們根據(jù)光合作用碳素同化的最初光合產(chǎn)物的不同，把高等植物分成兩類：(1)C3植物。這類植物的最初產(chǎn)物是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)，這種反應途徑稱C3途徑，如水稻、小麥、棉花、大豆等大多數(shù)植物。(2)C4植物。這類植物以草酰乙酸(四碳化合物)為最初產(chǎn)物，所以稱這種途徑為C4途徑，如甘蔗、玉米、高粱等。2.葉片的顯微結(jié)構(gòu)區(qū)別C4植物葉片的維管束薄壁細胞較大，其中含有許多較大的葉綠體，葉綠體沒有基粒或基粒發(fā)育不良；維管束鞘的外側(cè)密接一層成環(huán)狀或近于環(huán)狀排列的葉肉細胞，組成了“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是C4植物葉片所特有的特征。葉肉細胞內(nèi)的葉綠體數(shù)目少，個體小，有基粒。C3植物的維管束鞘薄壁細胞較小，不含或很少葉綠體，沒有“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)，維管束鞘周圍的葉肉細胞排列松散。植物類型植物植物葉片的解剖結(jié)構(gòu)無“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)維管束鞘細胞及周圍的一部分葉肉細胞構(gòu)成“花環(huán)型”結(jié)構(gòu)葉綠體的類型有一種類型的葉綠體，主要位于葉肉細胞中有兩種類型的葉綠體，葉肉細胞的葉綠體正常，維管束鞘細胞的葉綠體沒有基粒3.淀粉粒形成的場所C4植物通過磷酸烯醇式丙酮酸固定二氧化碳的反應是在葉肉細胞中進行的，生成的四碳雙羧酸轉(zhuǎn)移到維管束鞘薄壁細胞中，放出二氧化碳，參與卡爾文循環(huán)，形成糖類，所以甘蔗、玉米等C4植物進行光合作用時，只有維管束鞘薄壁細胞形成淀粉，在葉肉細胞中沒有淀粉。而水稻等C3植物由于僅有葉肉細胞含有葉綠體，整個光合過程都是在葉肉細胞里進行，淀粉亦只是積累在葉肉細胞中，維管束鞘薄壁細胞不積存淀粉。4、在生理上，C4植物一般比C3植物具有較強的光合作用，這是與C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性較強，光呼吸很弱有關(guān)?？栁难h(huán)的CO2固定是通過核酮糖二磷酸羧化酶的作用來實現(xiàn)的，C4途徑的CO2固定是由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化來完成的。兩種酶都可使CO2固定。但它們對CO2的親和力卻差異很大。試驗證明，C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性比C3植物的強60倍，因此，C4植物的光合速率比C3植物快許多，尤其是在二氧化碳濃度低的環(huán)境下，相差更是懸殊。由于磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶對CO2的親和力大，所以，C4植物能夠利用低濃度的二氧化碳，而C3植物不能。由于C4植物能利用低濃度的CO2，當外界干旱氣孔關(guān)閉時，C4植物就能利用細胞間隙里的含量低的CO2，繼續(xù)生長，C3植物就沒有這種本領(lǐng)。所以，在干旱環(huán)境中C4植物生長比C3植物好。C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性較強，對CO2的親和力很大，這種酶就起一個“二氧化碳泵”的作用，把外界CO2“壓”進維管束鞘薄壁細胞中去，增加維管束鞘薄壁細胞的CO2。所以，C4植物在較低CO2濃度時光合速率高于C3植物。與C3植物相比，C4植物二氧化碳飽和點低，而光飽和點高，光合效率高，這是判斷C4物的標準之一。C4植物是通過C4途徑同化碳的植物，它同時具備C3和C4兩條途徑，C4途徑本身不能將CO2還原成糖，只能改善CO2的供應，是一種輔助系統(tǒng)。從下圖中可知，植物A的光補償點（即在光照下，植物光合作用吸收的CO2量與呼吸作用釋放的CO2量達到動態(tài)平衡時外界環(huán)境中的CO2濃度）高，它是C3植物。植物B是C4植物。二、CAM途徑：CAM植物夜間吸進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。從而表現(xiàn)出夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降。而白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸轉(zhuǎn)移到細胞質(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。從而表現(xiàn)出白天淀粉增加，蘋果酸減少，細胞液pH上升。常見的CAM植物有菠蘿、蘆薈、蘭花、百合、仙人掌等。三、光呼吸光呼吸是伴隨著光合作用發(fā)生的吸收O2、放出CO2的過程。它是在光照條件下發(fā)生的呼吸作用，故名光呼吸。雖然也吸收O2放出CO2，但不生成ATP反而消耗物質(zhì)和能量。1.酶——Rubisco酶

Rubisco酶是一種雙功能酶，它既催化CO2的固定（C5+CO2→2C3），進行光合作用，同時又催化C5的加氧反應（C5+O2→C3+C2）進行光呼吸。其催化反應的方向決定于CO2/O2比值。比值增大，CO2的固定反應增強，進行光合作用；比值減小，加氧反應增強，進入光呼吸途徑。2.光呼吸的場所：葉綠體、過氧化物酶體、線粒體

3.光呼吸過程C5中碳元素的轉(zhuǎn)移途徑：C5→乙醇酸→乙醛酸→甘氨酸→CO2（見圖示）4.二氧化碳的猝發(fā)：是指在光照突然停止之后釋放出大量的二氧化碳的現(xiàn)象。光合作用停止而光呼吸還在進行造成的。5.光呼吸的意義：（1）不利影響：光呼吸消耗掉暗反應的底物C5，導致光合作用減弱，農(nóng)作物產(chǎn)量降低。（2）有利影響：?？純牲c：產(chǎn)生CO2用于光合作用，減少碳損失；消耗高光強產(chǎn)生過多的NADPH和ATP，保護光合結(jié)構(gòu)。具體:①消除乙醇酸對細胞的不利影響②乙醇酸對細胞有毒害作用，它的產(chǎn)生在代謝中是不可避免的。②氮代謝的補充光呼吸代謝中涉及多種氨基酸（甘氨酸、絲氨酸等）的形成和轉(zhuǎn)化過程，可為蛋白質(zhì)合成提供部分原材料。③防止強光對光合結(jié)構(gòu)的破壞在強光下，光反應中形成的NADPH和ATP會超過暗反應的需要，葉綠體中NADPH/NADP、ATP/ADP的比值增高，由光激發(fā)的高能電子會傳遞給O2，形成超氧陰離子自由基O2-，O2-對光合結(jié)構(gòu)具有傷害作用，而光呼吸可消耗過剩的同化力和高能電子，減少O2-的形成，從而保護光合結(jié)構(gòu)。

光呼吸是在長期進化過程中，為了適應高氧低二氧化碳的環(huán)境，提高抗逆性而形成的一條代謝途徑，具有重要的生理意義。【習題連接】1.景天科植物有一個很特殊的CO2同化方式:夜間氣孔開放,吸收的CO2生成蘋果酸儲存在液泡中;白天氣孔關(guān)閉,液泡中的蘋果酸經(jīng)脫羧作用釋放CO2用于光合作用,其部分代謝途徑如圖1;將小麥綠色葉片放在溫度適宜的密閉容器內(nèi),測量在不同的光照條件下容器內(nèi)O2量的變化,結(jié)果如圖2,據(jù)圖回答以下問題:(1)植物氣孔開閉的特點與其生活環(huán)境是相適應的,推測景天科植物生活環(huán)境最可能是的,從進化角度看,這種特點的形成是的結(jié)果。該類植物夜晚吸收的CO2(填“能”或“不能”)合成葡萄糖,原因是。(2)結(jié)合圖1可知,景天科植物參與卡爾文循環(huán)的CO2直接來源于過程。(3)如果白天適當提高CO2濃度,景天科植物的光合作用速率(填“增加”或“降低”或“基本不變”)。【答案】(1)炎熱干旱自然選擇不能沒有光反應為暗反應提供ATP和NADPH(2)蘋果酸的脫羧和呼吸作用(3)基本不變2.甘蔗是我國南方熱帶地區(qū)廣泛種植的植物。比較甘蔗和小麥的葉片結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，小麥的維管束鞘細胞幾乎不含葉綠體，光合作用的全過程在葉肉細胞的葉綠體中完成。而甘蔗的維管束鞘細胞和葉肉細胞緊密排列，葉肉細胞的葉綠體中含發(fā)達基粒，維管束鞘細胞的葉綠體中無基?；蚧０l(fā)育不良。甘蔗細胞暗反應中碳同化的過程先后發(fā)生在葉肉細胞和維管束鞘細胞的葉綠體中（如下圖所示），其中催化葉肉細胞葉綠體中碳同化過程的PEP羧化酶對CO2具有很高的親和力，使葉肉細胞能有效地固定和濃縮較低濃度的CO2；而發(fā)生在維管束鞘細胞葉綠體中的碳同化過程（又稱卡爾文循環(huán)）只有在CO2濃度較高時才能在RuBP羧化酶催化下固定CO2。（1）下圖中，碳同化過程中CO2的受體是______；光反應主要發(fā)生在______（填“葉肉細胞”“維管束鞘細胞”或“葉肉細胞和維管束鞘細胞”）的葉綠體中，它能夠為卡爾文循環(huán)中C3還原提供______。（2）將甘蔗置于適宜光照下一段時間后，取一片正常葉片，脫色處理后滴加碘液，做葉片的橫切面裝片，放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)葉肉細胞不變藍而維管束鞘細胞變藍，原因是______。（3）通常情況下，植物在干旱、強光、高溫條件下，為了防止水分過度蒸發(fā)，葉片上的氣孔常常關(guān)閉，導致植物細胞內(nèi)的CO2含量減少，有機物的合成量隨之下降，但甘蔗有機物的合成量受上述條件的影響不大，原因是______。【答案】（1）C3和C5（或PEP和RuBP）（2分）葉肉細胞NADPH（或[H]）和ATP（2分）（2）葉肉細胞中不能進行卡爾文循環(huán)產(chǎn)生淀粉，而維管束鞘細胞中能進行卡爾文循環(huán)產(chǎn)生淀粉（2分）（3）甘蔗葉肉細胞中催化碳同化過程的PEP羧化酶對CO2具有很高的親和力，使葉肉細胞能有效地固定和濃縮較低濃度的CO2產(chǎn)生C4，C4進入維管束鞘細胞的葉綠體中分解產(chǎn)生CO2，用于卡爾文循環(huán)合成有機物（2分）3.某種植物固定CO2的方式比較特殊,夜間吸收的CO2生成蘋果酸儲存在液泡中,白天蘋果酸經(jīng)脫羧作用釋放CO2用于光合作用,其過程如圖1所示;圖2表示不同地區(qū)A、B、C三類植物在晴朗夏季的光合作用日變化曲線。請據(jù)圖分析并回答:(1)圖1所示植物細胞對應圖2中的類植物(用字A、B、C表示),其在中午12點時光合作用所需的CO2來源有,該植物在夜間產(chǎn)生ATP的場所有。(2)在上午10點時,突然降低環(huán)境中CO2濃度后的一小段時間內(nèi),圖2中植物A、B細胞中C3含量的變化分別是。(3)m點是曲線C與X軸交點,影響m點向左移動的因素有。A.植物缺鎂B.調(diào)整溫度使之更適合光合作用C.天氣轉(zhuǎn)陰D.C02濃度適當上升E.C02濃度適當下降(4)在一定的二氧化碳濃度和適宜溫度下，把圖2中A植物的葉片置于5千勒克斯(光合作用總速率為44mgCO2/100cm2葉?小時)光照下14小時，其余時間置于黑暗中(細胞呼吸速率為6.6mgCO2/100cm2葉?小時)，則一天內(nèi)該植物每25cm2葉片葡萄糖積累量為mg(用CO2的凈吸收量表示)。（5）圖1細胞固定CO2的方式是對環(huán)境的適應，推測其生活環(huán)境的特點是(填“炎熱干旱”或“溫暖潮濕”)，從進化角度看，其固定CO2的特殊方式是的結(jié)果。答案（1）A蘋果酸經(jīng)脫羧作用釋放、細胞呼吸產(chǎn)生細胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體（2）A基本不變，B下降（3）BD（4）114.4(5)炎熱干旱;自然選擇4.研究發(fā)現(xiàn)，植物的Rubisco酶具有“兩面性”，CO2濃度較高時，該酶催化C5與CO2反應，完成光合作用；O2濃度較高時，該酶催化C5與O2反應，產(chǎn)物經(jīng)一系列變化后到線粒體中會產(chǎn)生CO2，這種植物在光下吸收O2產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象稱為光呼吸．請回答：（1）Rubisco酶的存在場所為_______，Rubisco酶既可催化C5與CO2反應，也可催化C5與O2反應，這與酶的專一性相矛盾，其“兩面性”可能因為在不同環(huán)境中酶_____發(fā)生變化導致其功能變化。（2）在較高CO2濃度環(huán)境中，Rubisco酶所催化反應的產(chǎn)物是______，該產(chǎn)物進一步反應還需要______（物質(zhì)）。（3）夏季中午，水稻會出現(xiàn)“光合午休”，此時光合作用速率明顯減弱，而CO2釋放速率明顯增強，其原因是。（4）研究表明，光呼吸會消耗光合作用新形成有機物的1/4，因此提高農(nóng)作物產(chǎn)量需降低光呼吸．小李同學提出了如下減弱光呼吸，提高農(nóng)作物產(chǎn)量的措施：①適當降低溫度；②適當提高CO2濃度；不能達到目的措