備考2025屆高考生物一輪復(fù)習(xí)【強化訓(xùn)練】第3章課時4情境熱點3光系統(tǒng)與電子傳遞鏈逆境下光合作用的特殊途徑

第3章細(xì)胞代謝課時4光合作用與能量轉(zhuǎn)化情境熱點3光系統(tǒng)與電子傳遞鏈、逆境下光合作用的特殊途徑熱點1光系統(tǒng)與電子傳遞鏈光系統(tǒng)是由蛋白質(zhì)和葉綠素等光合色素組成的復(fù)合物，具有吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的作用，包括光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）和光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）。注：圖中虛線表示該生理過程中電子（e－）的傳遞過程。（1）光系統(tǒng)Ⅱ進(jìn)行水的光解，產(chǎn)生O2、H＋和自由電子（e－），光系統(tǒng)Ⅰ主要介導(dǎo)NADPH的產(chǎn)生。（2）電子（e－）經(jīng)過的電子傳遞鏈：H2O→光系統(tǒng)Ⅱ→質(zhì)體醌（PQ）→細(xì)胞色素b6f復(fù)合體→質(zhì)體藍(lán)素（PC）→光系統(tǒng)Ⅰ→鐵氧還蛋白（Fd）→NADPH。（3）電子傳遞過程是從高電勢到低電勢，因此，電子傳遞過程中釋放能量，質(zhì)體醌利用這部分能量將質(zhì)子（H＋）逆濃度梯度從葉綠體的基質(zhì)側(cè)泵入類囊體腔側(cè)，從而建立了質(zhì)子濃度（電化學(xué)）梯度。（4）類囊體膜對質(zhì)子是高度不通透的，因此，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)子梯度來合成ATP。（1）PSⅠ和PSⅡ鑲嵌在葉綠體的類囊體薄膜上，含有的光合色素主要包括葉綠素和類胡蘿卜素兩大類，這些色素的主要功能有吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能。（2）圖示過程中，PSⅡ和PSⅠ以串聯(lián)的方式協(xié)同完成電子由水（物質(zhì)）釋放、最終傳遞給NADP＋（物質(zhì)）生成NADPH的過程。（3）光照的驅(qū)動既促使水分解產(chǎn)生H＋，又伴隨著電子的傳遞通過PQ將葉綠體基質(zhì)中的H＋轉(zhuǎn)運至類囊體腔，同時還在形成NADPH的過程中消耗葉綠體基質(zhì)中部分H＋，造成類囊體膜內(nèi)外的H＋產(chǎn)生了濃度差。請結(jié)合圖示信息分析，類囊體膜內(nèi)外的H＋濃度差在光合作用中的作用是為光反應(yīng)中ATP的合成過程提供能量。1.[2023湖北]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（C）A.葉肉細(xì)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；在弱光下，PSⅡ與LHCⅡ結(jié)合，增強PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲。LHCⅡ和PSⅡ的分離依賴LHC蛋白激酶的催化，葉肉細(xì)胞內(nèi)LHC蛋白激酶活性下降，會導(dǎo)致類囊體膜上PSⅡ光復(fù)合體與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。鎂是合成葉綠素的原料，葉綠素能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能，若Mg2＋含量減少，PSⅡ光復(fù)合體中光合色素含量降低，導(dǎo)致PSⅡ光復(fù)合體對光能的捕獲減弱，B正確。弱光下PSⅡ光復(fù)合體與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。2.[2021重慶]如圖為類囊體膜蛋白排列和光反應(yīng)產(chǎn)物形成的示意圖。據(jù)圖分析，下列敘述錯誤的是（A）A.水光解產(chǎn)生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿過4層膜B.NADP＋與電子（e－）和質(zhì)子（H＋）結(jié)合形成NADPHC.產(chǎn)生的ATP可用于暗反應(yīng)及其他消耗能量的反應(yīng)D.電子（e－）的有序傳遞是完成光能轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)解析分析圖示可知，水光解產(chǎn)生的O2在類囊體腔內(nèi)，葉綠體和線粒體均有雙層膜，因此水光解產(chǎn)生的O2若被有氧呼吸利用，至少需要穿過5層膜，A錯誤；在光反應(yīng)過程中，NADP＋與e－和質(zhì)子（H＋）結(jié)合形成NADPH，B正確；由圖可知，光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP可以用于暗反應(yīng)、色素合成、核酸代謝等消耗能量的反應(yīng)，C正確；分析可知，光反應(yīng)產(chǎn)生的電子（e－）通過一系列的有序傳遞，將光能轉(zhuǎn)化為儲存在ATP中的活躍的化學(xué)能，D正確。熱點2逆境下光合作用的特殊途徑情境一光呼吸的原理和作用1.原理：O2和CO2競爭Rubisco。在暗反應(yīng)中，Rubisco能夠以CO2為底物實現(xiàn)CO2的固定；在光下，當(dāng)O2濃度高、CO2濃度低時，O2會競爭Rubisco，在光的驅(qū)動下將有機物氧化分解，釋放CO2。2.光呼吸對生物體的影響：在較強光下，光呼吸加強，使C5氧化分解加強，一部分碳以CO2的形式散失，從而減少了光合產(chǎn)物的形成和積累。另外，光呼吸過程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的損耗。其實光呼吸和卡爾文循環(huán)是一種動態(tài)平衡，適當(dāng)?shù)墓夂粑鼘χ参矬w有一定積極意義。情境二：光合作用的C3途徑、C4途徑和CAM途徑1.C3途徑：也稱卡爾文循環(huán)，整個過程形成從RuBP（C5）與CO2的羧化生成C3，到C5再生的循環(huán)，在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行，可合成蔗糖、淀粉等多種有機物。常見的C3植物有小麥、大豆、水稻等。2.C4途徑：在玉米的光合作用中，CO2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（如圖所示）。C4植物比C3植物具有更強的固定CO2（特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下）的能力。常見的C4植物還有甘蔗、高粱、莧菜等。說明：PEP為磷酸烯醇式丙酮酸，屬于三碳化合物。3.CAM途徑：指生長在干旱及半干旱地區(qū)的一些肉質(zhì)植物（最早發(fā)現(xiàn)在景天科植物）所具有的一種光合固定CO2的附加途徑。其特點是：CAM植物氣孔只在晚上開放，將CO2固定生成蘋果酸儲存在液泡中，白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸從液泡中釋放出來，經(jīng)脫羧產(chǎn)生CO2，再通過卡爾文循環(huán)轉(zhuǎn)變成糖類。這是植物對干旱環(huán)境的適應(yīng)。具有這種途徑的植物稱為CAM植物，CAM植物兩次CO2的固定在時間上是分開的。CAM途徑如圖所示，常見的CAM植物有菠蘿、蘆薈、蘭花、仙人掌等。（1）光呼吸涉及的場所主要有葉綠體、線粒體。從能量角度分析，有氧呼吸和光呼吸的主要區(qū)別是光呼吸消耗能量，有氧呼吸分解有機物，產(chǎn)生能量。（2）C4植物光反應(yīng)發(fā)生在葉肉細(xì)胞的葉綠體上，而CO2的固定發(fā)生在葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞中。（3）從進(jìn)化的角度看，景天科植物的這種氣孔開閉特點的形成是自然選擇的結(jié)果。夜間景天科植物吸收的CO2不能（填“能”或“不能”）用于合成葡萄糖，原因是沒有光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH。（4）C3途徑是碳同化的基本途徑，C4途徑和CAM途徑的特殊之處都是先有固定CO2的作用，最終還是通過C3途徑合成有機物。3.[2023廣東四校聯(lián)考]蘆薈是一種經(jīng)濟(jì)價值很高的植物，可凈化空氣。蘆薈夜晚氣孔開放，通過PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，再將其轉(zhuǎn)變成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸從液泡中釋放出來，在相關(guān)酶的作用下釋放CO2，CO2進(jìn)入葉綠體通過卡爾文循環(huán)合成糖類。下列說法錯誤的是（A）A.夜晚氣孔開放，蘆薈能進(jìn)行暗反應(yīng)產(chǎn)生糖類B.蘆薈液泡中的pH會呈現(xiàn)白天升高、夜晚降低的周期性變化C.蘆薈葉片內(nèi)的CO2經(jīng)固定會產(chǎn)生兩種不同的初產(chǎn)物D.蘆薈可能原產(chǎn)于炎熱干旱地區(qū)，其氣孔在夜晚和白天開放度不同是對炎熱干旱環(huán)境的適應(yīng)解析蘆薈夜晚氣孔開放，通過PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，再將其轉(zhuǎn)變成蘋果酸儲存在液泡中，晚上不能進(jìn)行光反應(yīng)，無法產(chǎn)生ATP和NADPH，故夜晚蘆薈不能進(jìn)行暗反應(yīng)，A錯誤；蘆薈夜晚氣孔開放，通過PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，再將其轉(zhuǎn)變成蘋果酸儲存在液泡中（pH降低），白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸從液泡中釋放出來（液泡中pH升高），在相關(guān)酶的作用下釋放CO2，CO2進(jìn)入葉綠體通過卡爾文循環(huán)合成糖類，因此液泡中的pH會呈現(xiàn)白天升高、夜晚降低的周期性變化，B正確；蘆薈夜晚氣孔開放，通過PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸從液泡中釋放出來，在相關(guān)酶的作用下釋放CO2，CO2經(jīng)固定形成C3，C正確；白天氣孔關(guān)閉可防止蒸騰作用失水過多，蘆薈氣孔在夜晚和白天開放度不同可能是對炎熱干旱環(huán)境的適應(yīng)，D正確。4.[2023湖南，12分]如圖是水稻和玉米的光合作用暗反應(yīng)示意圖?？栁难h(huán)的Rubisco對CO2的Km為450μmol·L－1（Km越小，酶對底物的親和力越大），該酶既可催化RuBP與CO2反應(yīng)，進(jìn)行卡爾文循環(huán)，又可催化RuBP與O2反應(yīng)，進(jìn)行光呼吸（綠色植物在光照下消耗O2并釋放CO2的反應(yīng)）。該酶的酶促反應(yīng)方向受CO2和O2相對濃度的影響。與水稻相比，玉米葉肉細(xì)胞緊密圍繞維管束鞘，其中葉肉細(xì)胞葉綠體是水光解的主要場所，維管束鞘細(xì)胞的葉綠體主要與ATP生成有關(guān)。玉米的暗反應(yīng)先在葉肉細(xì)胞中利用PEPC酶（PEPC酶對CO2的Km為7μmol·L－1）催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）與CO2反應(yīng)生成C4，固定產(chǎn)物C4轉(zhuǎn)運到維管束鞘細(xì)胞后釋放CO2，再進(jìn)行卡爾文循環(huán)?；卮鹣铝袉栴}：（1）玉米的卡爾文循環(huán)中第一個光合還原產(chǎn)物是3－磷酸甘油醛（填具體名稱），該產(chǎn)物跨葉綠體膜轉(zhuǎn)運到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)合成蔗糖（填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”）后，再通過韌皮部長距離運輸?shù)狡渌M織器官。（2）在干旱、高光照強度環(huán)境下，玉米的光合作用強度高于（填“高于”或“低于”）水稻。從光合作用機制及其調(diào)控分析，原因是①在干旱、高光照強度環(huán)境下，水稻關(guān)閉大部分氣孔，CO2的吸收減少，而玉米的PEPC酶對CO2的親和力更大，提高了玉米固定CO2的能力，可以為暗反應(yīng)提供更多的CO2；②水稻中的Rubisco在CO2吸收減少時，催化RuBP與O2反應(yīng)進(jìn)行光呼吸，從而使水稻暗反應(yīng)固定的CO2減少，而玉米的光呼吸較弱甚至沒有；③玉米的光合產(chǎn)物能夠及時轉(zhuǎn)移，從而提高光合速率（答出三點即可）。（3）某研究將藍(lán)細(xì)菌的CO2濃縮機制導(dǎo)入水稻，水稻葉綠體中CO2濃度大幅提升，其他生理代謝不受影響，但在光飽和條件下水稻的光合作用強度無明顯變化。其原因可能是①光合色素含量的限制；②與光合作用有關(guān)的酶的含量和活性的限制；③原核生物和真核生物光合作用機制不同（答出三點即可）。解析（1）卡爾文循環(huán)是植物光合作用共有的途徑，分析題圖可知，水稻的卡爾文循環(huán)中第一個光合還原產(chǎn)物是3－磷酸甘油醛，因此玉米卡爾文循環(huán)中第一個光合還原產(chǎn)物也是3－磷酸甘油醛。（2）在干旱、高光照強度環(huán)境下，蒸騰作用過強，水稻關(guān)閉大部分氣孔，導(dǎo)致水稻吸收CO2的量減少，光合作用減弱，而玉米為C4植物，根據(jù)題中信息可知，PEPC酶對CO2的Km為7μmol·L－1，Rubisco對CO2的Km為450μmol·L－1，Km越小，酶對底物的親和力越大，則PEPC酶固定CO2的能力較強，在CO2濃度較低時，能夠固定較多的CO2，有利于光合作用的進(jìn)行；結(jié)合（1）中分析可知，玉米的光合產(chǎn)物能夠及時轉(zhuǎn)移，從而提高