重難點(二)　從“物質(zhì)與能量觀”的角度分析光合作用和細胞呼吸

精研重難點(二)從“物質(zhì)與能量觀”的角度分析光合作用和細胞呼吸

從“高度”上研究高考光合作用和細胞呼吸發(fā)生在細胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體和葉綠體三個結(jié)構(gòu)的五個場所，因此可構(gòu)建“三地五所”模型：[例1]

(2023·湖北高考)植物光合作用的光反應(yīng)依賴類囊體膜上PSⅠ和PSⅡ光復(fù)合體，PSⅡ光復(fù)合體含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究發(fā)現(xiàn)，PSⅡ光復(fù)合體上的蛋白質(zhì)LHCⅡ，通過與PSⅡ結(jié)合或分離來增強或減弱對光能的捕獲(如圖所示)。LHCⅡ與PSⅡ的分離依賴LHC蛋白激酶的催化。下列敘述錯誤的是

(

)A.葉肉細胞內(nèi)LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲增強B.Mg2＋含量減少會導(dǎo)致PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲減弱C.弱光下LHCⅡ與PSⅡ結(jié)合，不利于對光能的捕獲D.PSⅡ光復(fù)合體分解水可以產(chǎn)生H＋、電子和O2[答案]

C[解析]

據(jù)圖可知，在強光下，PSⅡ與LHCⅡ分離，減弱PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲，避免強光造成損傷；在弱光下，PSⅡ與LHCⅡ結(jié)合，增強PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲，有利于弱光條件下吸收足夠的光能。LHCⅡ和PSⅡ的分離依賴LHC蛋白激酶的催化，葉肉細胞內(nèi)LHC蛋白激酶活性下降，會導(dǎo)致類囊體膜上LHCⅡ不能與PSⅡ分離，PSⅡ與LHCⅡ結(jié)合增多，從而使PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲增強，A正確。Mg是構(gòu)成葉綠素的元素，葉綠素能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能，若Mg2＋含量減少，PSⅡ光復(fù)合體含有的光合色素含量降低，導(dǎo)致PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲減弱，B正確。弱光下PSⅡ與LHCⅡ結(jié)合，有利于對光能的捕獲，C錯誤。類囊體膜上的PSⅡ光復(fù)合體含有光合色素，在光反應(yīng)中，其能吸收光能并分解水產(chǎn)生H＋、電子和O2，D正確。[例2]

(2022·江蘇高考改編)下圖為生命體內(nèi)部分物質(zhì)與能量代謝關(guān)系示意圖。下列敘述不正確的是(

)A．三羧酸循環(huán)是代謝網(wǎng)絡(luò)的中心，可產(chǎn)生大量的[H]和CO2，呼吸鏈會消耗O2B.生物通過代謝中間物，將物質(zhì)的分解代謝與合成代謝相互聯(lián)系C.乙酰CoA在代謝途徑中具有重要地位D.物質(zhì)氧化時釋放的能量都儲存于ATP[答案]

D[解析]

據(jù)題圖分析可知，三羧酸循環(huán)是代謝網(wǎng)絡(luò)的中心，可產(chǎn)生大量的[H]和CO2，呼吸鏈會消耗O2，A正確；據(jù)題圖分析可知，代謝中間物(如丙酮酸、乙酰CoA等)將物質(zhì)的分解代謝與合成代謝相互聯(lián)系，B正確；分析題圖可知，丙酮酸、乙酰CoA在代謝途徑中將蛋白質(zhì)、多糖、脂肪、核酸的代謝相互聯(lián)系在一起，具有重要地位，C正確；物質(zhì)氧化時釋放的能量一部分儲存于ATP中，一部分以熱能的形式散失，D錯誤。從“深度”上提升知能(一)細胞呼吸和光合作用的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化關(guān)系1．光合作用與細胞呼吸中的物質(zhì)變化關(guān)系(1)“三種”元素轉(zhuǎn)移途徑續(xù)表(2)NADPH、NADH和ATP的來源和去路項目來源去路NADPH光反應(yīng)階段產(chǎn)生用于還原C3并為C3還原供能NADH有氧呼吸第一、二階段用于第三階段和O2結(jié)合生成H2O無氧呼吸第一階段在第二階段被全部消耗ATP光合作用光反應(yīng)階段產(chǎn)生為C3還原供能細胞呼吸有氧呼吸三個階段、無氧呼吸第一階段用于各項生命活動2．光合作用與細胞呼吸中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系(二)不同條件下的物質(zhì)含量變化的分析1．連續(xù)光照和間隔光照下有機物合成量的分析(1)光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供的NADPH和ATP在葉綠體中有少量的積累，在光反應(yīng)停止時，暗反應(yīng)仍可持續(xù)進行一段時間，有機物還能繼續(xù)合成。(2)持續(xù)光照條件下，會對NADPH、ATP的利用不充分使其有一定積累；光照和黑暗間隔條件下，NADPH、ATP基本不積累，能夠被充分利用；因此在光照時間相同的條件下，光照和黑暗間隔處理比持續(xù)光照處理有機物的積累量要多。2．改變條件后，光合作用過程中物質(zhì)含量變化分析的一般思路(1)繪制光合作用模式簡圖下圖中Ⅰ表示光反應(yīng)，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的還原：(2)從物質(zhì)的生成和消耗兩個方面綜合分析當(dāng)外界條件(如光照強度、CO2濃度)突然發(fā)生變化時，分析相關(guān)物質(zhì)含量在短時間內(nèi)的變化：從“寬度”上多見識新情境細胞呼吸與光合作用中的電子傳遞1．細胞呼吸與電子傳遞在真核細胞有氧呼吸的第三階段中，還原型輔酶I(NADH)脫去氫并釋放電子(e－)，電子最終傳遞給O2。電子傳遞過程中釋放的能量驅(qū)動H＋從線粒體基質(zhì)跨膜運輸?shù)骄€粒體內(nèi)、外膜的間隙，從而建立H＋濃度梯度，隨后H＋在ATP合成酶的協(xié)助下順濃度梯度運輸?shù)骄€粒體基質(zhì)，并生成大量ATP，過程如圖所示。2．光合作用中光系統(tǒng)及電子傳遞鏈(1)光系統(tǒng)Ⅱ進行水的光解，產(chǎn)生O2、H＋和自由電子(e－)，電子(e－)經(jīng)過電子傳遞鏈傳遞，最終介導(dǎo)還原型輔酶Ⅱ(NADPH)的產(chǎn)生。(2)電子傳遞過程中釋放能量，利用這部分能量將質(zhì)子(H＋)逆濃度從葉綠體基質(zhì)側(cè)泵入類囊體囊腔側(cè)；光系統(tǒng)Ⅱ在類囊體的囊腔側(cè)進行的水的光解產(chǎn)生質(zhì)子(H＋)；在葉綠體基質(zhì)側(cè)H＋和NADP＋形成NADPH的過程消耗H＋。通過以上途徑建立了質(zhì)子濃度(電化學(xué))梯度。(3)類囊體膜對質(zhì)子(H＋)是高度不通透的，類囊體內(nèi)的高濃度質(zhì)子只能通過ATP合成酶順濃度梯度流出，而ATP合成酶利用質(zhì)子順濃度流出的能量來合成ATP。[情境遷移訓(xùn)練](1)真核細胞有氧呼吸的第三階段中，電子傳遞過程發(fā)生在________________(填場所)，電子最終傳遞給O2后會參與________(填物質(zhì))的生成，ATP合成酶的功能是________________(答出兩點)。提示：線粒體內(nèi)膜H2O運輸H＋和催化ATP的生成(2)水的光解發(fā)生在__________，其上發(fā)生的反應(yīng)產(chǎn)物有____________。葉綠素a接受光的照射后被激發(fā)，釋放高勢能的電子，電子的最終供體是________，水的光解造成膜內(nèi)外質(zhì)子勢能差，而高勢能的電子沿電子傳遞鏈傳遞時又促進H＋的轉(zhuǎn)運，進一步加大了質(zhì)子勢能差，導(dǎo)致質(zhì)子勢能差加大的另一個原因是____________________________________________，NADPH在暗反應(yīng)中的作用是__________________________。提示：類囊體腔內(nèi)O2、H＋和e－水氧化型輔酶Ⅱ與H＋、e－結(jié)合形成還原型輔酶Ⅱ時消耗葉綠體基質(zhì)中的H＋既能為暗反應(yīng)提供能量，又能為暗反應(yīng)提供還原劑從“精度”上拓展訓(xùn)練1．(2023·石家莊三模)將正常生長的綠蘿盆栽，由夏季中午炎熱環(huán)境轉(zhuǎn)移到溫度適宜、光照強度相同的環(huán)境中培養(yǎng)，短時間內(nèi)該植物的葉綠體中會發(fā)生的變化是

(

)A．H2O在光下分解速率減弱B．卡爾文循環(huán)減弱C．ADP/ATP的比值下降D．C3/C5的比值上升答案：D

解析：結(jié)合題意可知，環(huán)境中光照強度不變，故H2O在光下分解速率基本不變，A錯誤；溫度適宜，氣孔開度變大，進入細胞的二氧化碳增多，則卡爾文循環(huán)增強，B錯誤；環(huán)境中光照強度不變，雖然溫度變化導(dǎo)致酶的活性發(fā)生了改變，但是細胞內(nèi)ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化是時刻不停且動態(tài)平衡的，ADP/ATP的比值幾乎不變，C錯誤；溫度適宜條件下，氣孔開度變大，進入細胞的二氧化碳增多，CO2的固定過程加快，短時間內(nèi)C3/C5的比值上升，D正確。2．如圖是生物體內(nèi)能量供應(yīng)及利用的示意圖，下列說法錯誤的是(

)A．a(chǎn)過程一定伴隨O2的釋放，d過程不需要O2的直接參與B．a(chǎn)過程產(chǎn)生的ATP和NADPH可用于b過程中C3的還原C．a(chǎn)、c過程中合成ATP所需的能量來源不同D．c過程葡萄糖中的化學(xué)能全部轉(zhuǎn)移到ATP中答案：D

解析：a表示光反應(yīng)階段，該過程一定伴隨O2的釋放，d表示ATP水解過程，該過程不需要O2的直接參與，A正確；a過程(光反應(yīng))產(chǎn)生的ATP和NADPH可用于b過程(暗反應(yīng))中C3的還原，B正確；a、c過程中合成ATP所需的能量來源不同，a過程合成ATP所需能量來自光能，而c過程(有氧呼吸)合成ATP所需能量來自有機物中的化學(xué)能，C正確；c過程葡萄糖中的化學(xué)能只有少部分轉(zhuǎn)移到ATP中，大部分以熱能的形式散失，D錯誤。3．(2023·河西區(qū)一模)化學(xué)滲透學(xué)說認為，在線粒體內(nèi)膜上存在電子傳遞鏈，在電子傳遞過程中，NADH脫下的H＋轉(zhuǎn)運至線粒體的內(nèi)、外膜之間的膜間隙中，形成H＋的質(zhì)子梯度。H＋順濃度梯度沿ATP合成酶復(fù)合體的質(zhì)子通道進入線粒體基質(zhì)，并將ADP和Pi合成ATP。有關(guān)過程如下圖所示。下列相關(guān)敘述不正確的是

(

)A．ATP合成酶復(fù)合體既具有催化功能又具有運輸功能B．H＋通過ATP合成酶復(fù)合體進入線粒體基質(zhì)屬于主動運輸C．硝化細菌能進行有氧呼吸，推測其細胞膜上可能存在電子傳遞鏈D．H＋通過蛋白質(zhì)復(fù)合體轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)、外膜之間的膜間隙需要消耗能量答案：B

解析：據(jù)圖可知，H＋順濃度梯度沿ATP合成酶復(fù)合體的質(zhì)子通道進入線粒體基質(zhì)，說明ATP合成酶具有運輸?shù)墓δ?，ATP合成酶還能催化ADP和Pi合成ATP，A正確；H＋通過ATP合成酶復(fù)合體進入線粒體基質(zhì)是順濃度梯度，屬于協(xié)助擴散，B錯誤；硝化細菌沒有線粒體，其能進行有氧呼吸，根據(jù)內(nèi)共生學(xué)說推測，它的細胞膜上可能存在電子傳遞鏈，C正確；蛋白質(zhì)復(fù)合體將H＋轉(zhuǎn)運到膜間隙是逆濃度梯度進行的，屬于主動運輸，需要消耗能量，D正確。4．(2023·長沙調(diào)研)圖1中①～⑤表示馬鈴薯葉肉細胞光合作用和有氧呼吸的部分過程，其中C3和C5在不同代謝過程中表示不同的化合物；圖2表示25℃條件下，不同光照強度對馬鈴薯葉片二氧化碳吸收速率的影響；圖3表示馬鈴薯葉肉細胞中的某種生物膜及其上所發(fā)生的部分生化反應(yīng)，其中e－表示電子?；卮鹣铝袉栴}：(1)圖1中過程①④發(fā)生的場所分別是______________________。當(dāng)過程③發(fā)生時，并沒有CO2排出細胞外，此時該細胞所處的生理狀態(tài)是______________________________________________________________________________________________________________。(2)若將馬鈴薯植株先置于圖2中A點的條件下10.4小時，然后置于C點的條件下13.6小時，則24小時內(nèi)該馬鈴薯植株單位葉面積的有機物積累量(用葡萄糖積累量表示，且不考慮葉片有機物的輸出)為________mg。(3)圖3所示生物膜上發(fā)生的能量變化為____________________________________________________________________________。研究表明，二硝基酚(DNP)會導(dǎo)致該生物膜對H＋的通透性增大但不影響電子轉(zhuǎn)移。DNP作用于該膜時ATP的合成量會減少，原因是___________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)分析圖1可知，過程①代表有氧呼吸第一階段，發(fā)生的場所是細胞質(zhì)基質(zhì)，過程④代表暗反應(yīng)中CO2的固定，發(fā)生的場所是葉綠體基質(zhì)。當(dāng)過程③發(fā)生時，并沒有CO2排出細胞外，此時該細胞所處的生理狀態(tài)是呼吸作用強度等于或小于