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高考生物二轮复习专题2细胞的代谢课件
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这是一份高考生物二轮复习专题2细胞的代谢课件，共60页。PPT课件主要包含了落实主干知识，RNA，降低化学反应的活化能，HONP，活细胞，内分泌细胞，蛋白质，活化能，细胞代谢，降低反应的活化能等内容，欢迎下载使用。
ATP和NADPH中的化学能
(CH2O)中的化学能
【知识成串】 1.酶——酶、激素、神经递质、细胞因子、抗体来源及作用的比较;常见酶的种类和作用;2.酶的特性——变量分析与对照实验; 3.ATP——与ADP、AMP、核苷酸、dATP的分子结构差异;4.直接能源物质——主要能源物质、储能物质;5.光合作用、细胞呼吸——与能量流动、物质循环的关系;6.细胞呼吸应用——微生物发酵及所需生物的细胞呼吸类型;7.光合作用过程——同位素标记法的应用。
1.(必修1 P85科学·技术·社会)溶菌酶的作用是能够溶解细菌的细胞壁,具有抗菌消炎的作用。在临床上与抗生素混合使用,能增强抗生素的疗效。2(必修1 P86问题探讨)萤火虫尾部发光的原理是萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶,在ATP提供能量的前提下,荧光素酶可催化荧光素转化为能发出荧光的氧化荧光素。3.(必修1 P87正文)人体内ATP的含量很少,但在剧烈运动时,每分钟约有0.5 kg的ATP转化为ADP,以供运动之需,而人体内ATP总含量并没有太大变化,其原因是ATP与ADP时刻不停地发生相互转化。4.(必修1 P94相关信息)人体肌细胞无氧呼吸产生的乳酸能在肝脏中再次转化为葡萄糖。
5.(必修1 P96拓展应用)松土也有可能导致局部大气CO2浓度上升,其原因是松土透气有利于土壤中好氧微生物的生长繁殖,促进这些微生物对土壤有机物的分解,增加了CO2的分解和排放。6.(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用绿色光源的原因是绿色光源发出绿色的光,这种波长的光线不能被光合色素吸收,因此无法用于光合作用中制造有机物。7.(必修1 P103相关信息)光合作用过程中NADPH的形成过程是水分解为氧和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递,可用于NADP+与H+结合形成NADPH。
1.判断有关酶的叙述是否正确。(1)细胞中的各类化学反应之所以能有序进行,还与酶在细胞中的分布有关。( )(2)在催化过程中,酶分子构象会发生可逆性改变。( )(3)酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸。( )(4)过酸、过碱或温度过高,会使酶所含的肽键遭到破坏,使酶永久失活。( )
2.判断有关ATP的叙述是否正确。(1)ATP是高能磷酸化合物,含2个特殊化学键,其中末端的磷酸基团具有较高的转移势能。( )(2)ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质分子磷酸化,磷酸化的蛋白质空间结构发生变化,活性也改变,因而可以参与各种化学反应。( )(3)ATP水解一般与放能反应相联系,反之,则与吸能反应相联系。( )
3.判断有关细胞呼吸的叙述是否正确。(1)探究酵母菌细胞呼吸方式的实验中,应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖。( )(2)线粒体将葡萄糖氧化分解产生二氧化碳和水。( )(3)人在剧烈运动时产生的CO2全部来自有氧呼吸。( )(4)无氧呼吸产生的ATP少,是因为大部分能量以热能的形式散失。( )(5)细胞呼吸除了能为生物体提供能量外,还是生物体代谢的枢纽。( )
4.判断有关光合作用的叙述是否正确。(1)无水乙醇在色素的提取和分离实验中起到分离色素的作用。( )(2)鲁宾和卡门用放射性同位素示踪的方法,研究了光合作用中氧气的来源。( )(3)暗反应中14C的转化途径是14CO2→ C5→(14CH2O)。( )(4)在C3植物的光合作用中,CO2固定不需要消耗ATP,C3还原需要的能量来自ATP和NADPH。( )(5)光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处。( )
(6)夏季晴天,植物光合作用“午休”现象的主要原因是环境中CO2浓度过低。( )(7)降低光照将直接影响光反应的进行,从而影响暗反应的进行;改变CO2浓度则直接影响暗反应的进行。( )(8)硝化细菌的化能合成作用合成有机物利用的能量是体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量。( )
1.研究发现,溶酶体内pH为5.0左右,含有多种酸性水解酶,这些酶的合成场所为 ,这些水解酶少量进入细胞质基质不会引起细胞损伤,其原因是 。 提示 核糖体 细胞质基质与溶酶体内的pH不同,会导致酶活性降低或失活2.酶制剂适于在低温下保存的原因是 。 提示 在低温时,酶的活性很低,酶的空间结构稳定,在适宜的温度下,酶的活性升高,因此酶制剂适于在低温下保存
3.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化学键容易水解的原因: 。 提示 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化学键容易水解4.在某细胞培养液中加入被32P标记的磷酸分子,短时间后分离出细胞中的ATP,发现其含量变化不大,但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记,分析该现象得到的结论是 。 提示 ATP中远离腺苷的磷酸基团容易脱离;该过程中ATP既有合成又有水解;部分被32P标记的ATP是重新合成的
5.1 ml葡萄糖有氧呼吸能释放2 870 kJ的能量,而1 ml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,在进行无氧呼吸的过程中,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 。 提示 在无氧呼吸过程中,葡萄糖中的能量主要转移到乳酸或酒精中,没有释放出来;而氧化分解释放的能量主要以热能的形式散失了6.若将某种植物种植在密闭、无O2但其他条件适宜的小室中,照光培养一段时间后,发现植物的有氧呼吸加强,原因是 。 提示 植物在光下进行光合作用释放的O2使密闭小室中O2含量增加,而O2与有机物分解产生的[H]发生作用形成水是有氧呼吸的一个环节,所以当O2增多时,有氧呼吸会加强
7.大棚种植使用有机肥有利于增产,请从影响光合作用因素的角度分析原因: 。 提示 有机肥在土壤中被微生物分解时会释放CO2,增加了大棚中的CO2浓度,进而促进了光合作用,为作物自身提供了必需的物质,因此有利于增产8.研究小组将生长状况相似的菠菜幼苗均分为A、B两组进行实验探究,A组培养在完全培养液中,B组培养在缺少Mg2+的培养液中,其他条件相同且适宜。一段时间后,持续提供14C标记的CO2进行光合作用,然后检测并比较14C标记的有机化合物的量。(1)该实验的目的是 。 (2)B组14C标记的(CH2O)的量比A组低,原因是 。提示 B组缺少Mg2+,不利于叶绿素的合成,光反应产生的NADPH和ATP不足,C3的还原减少,形成的(CH2O)减少
探究Mg2+对植物光合作用的影响
考点1 酶、ATP在细胞代谢中的作用
串联整合——明要点1.四个角度区别酶和激素
特别提醒 ①活细胞(哺乳动物成熟的红细胞除外)都能产生酶,酶可在细胞内或细胞外发挥作用。②酶具有催化作用,不具有调节作用,也不能作为能源和组成物质。
2.解读酶的三类曲线(1)酶的作用原理曲线
(2)酶的特性曲线①图1中加酶的曲线和加无机催化剂的曲线比较,表明酶具有 。②图2中两曲线比较,表明酶具有 。
(3)酶促反应速率的影响因素①温度和pH
②底物浓度和酶浓度图甲中OP段的限制因素是 ,而P点之后的限制因素有 ;图乙对反应底物的要求是底物足量。
3.探究酶的相关实验
特别提醒 ①验证酶的专一性时,若底物选择淀粉和蔗糖,酶溶液为淀粉酶,检测底物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂,不宜选用碘液,因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。②探究酶的最适温度时,若选择淀粉和淀粉酶,检测试剂宜选用碘液,不宜选用斐林试剂,因为用斐林试剂鉴定时需水浴加热,而该实验中需严格控制温度。③在探究酶的适宜温度的实验中,不宜选择过氧化氢(H2O2)和过氧化氢酶作实验材料,因为底物H2O2在常温下就能分解,加热时分解会加快,从而影响实验结果。
4.明确ATP与核酸的关系
5.厘清能量转化过程和ATP的来源与去路
6.解读肌细胞中ATP产生速率与O2供给量之间关系的曲线
特别提醒 (1)当横坐标表示细胞呼吸强度时,ATP产生速率的变化曲线应该从原点开始。(2)哺乳动物成熟的红细胞中,ATP的产生速率与O2供给量无关。
分层演练——拿高分角度1 围绕酶的作用和特性,考查生命观念练真题·明考向1.(2023·广东卷)中国制茶工艺源远流长。红茶制作包括萎凋、揉捻、发酵、高温干燥等工序,其间多酚氧化酶催化茶多酚生成适量茶黄素是红茶风味形成的关键。下列叙述错误的是( )A.揉捻能破坏细胞结构使多酚氧化酶与茶多酚接触B.发酵时保持适宜的温度以维持多酚氧化酶的活性C.发酵时有机酸含量增加不会影响多酚氧化酶活性D.高温灭活多酚氧化酶以防止过度氧化影响茶品质
解析 揉捻可以破坏细胞结构,从而使多酚氧化酶与茶多酚接触,A项正确。因为酶的活性受温度的影响,所以发酵时要保持适宜的温度以维持多酚氧化酶的活性,B项正确。由于酶的活性受pH的影响,所以发酵时有机酸含量增加会通过改变pH而影响多酚氧化酶的活性,C项错误。发酵结束时给予高温,可以灭活多酚氧化酶,防止过度氧化而影响茶的品质,D项正确。
角度拓展 (1)低温主要通过改变淀粉酶的氨基酸组成,导致酶变性失活。[2022·浙江卷]( )(2)酶、抗体、激素都是由氨基酸通过肽键连接而成的。[2021·全国卷甲]( )(3)细胞中生物大分子的合成需要酶来催化。[2020·江苏卷]( )(4)分解淀粉与纤维素所需的酶不同。[2019·海南卷]( )
2.(2022·湖南卷)洗涤剂中的碱性蛋白酶受到其他成分的影响而改变构象,部分解折叠后可被正常碱性蛋白酶特异性识别并降解(自溶)失活。此外,加热也能使碱性蛋白酶失活,如图所示。下列叙述错误的是( )A.碱性蛋白酶在一定条件下可发生自溶失活B.加热导致碱性蛋白酶构象改变是不可逆的C.添加酶稳定剂可提高加碱性蛋白酶洗涤剂的去污效果D.添加碱性蛋白酶可降低洗涤剂使用量,减少环境污染
解析 根据题干信息可知,碱性蛋白酶在一定条件下(如加热)可发生自溶失活,A项正确;图解显示,一定程度的加热后再降温,变性的蛋白质可恢复到天然状态,B项错误;添加酶稳定剂可防止酶失活,加强了洗涤剂中碱性蛋白酶的催化效率,提高了洗涤剂的去污效果,C项正确;添加碱性蛋白酶可降低洗涤剂使用量,使洗涤剂向低磷和无磷的方向发展,减少了环境污染,D项正确。
练模拟·提能力3.(2023·河北衡水二模)酶催化一定化学反应的能力称为酶活力,温度对某种酶酶活力的影响如图1所示。在一定条件下,先将酶在不同的温度下处理一段时间(图2横轴),然后迅速放在最适温度条件下测定酶活力,可得到酶的热稳定性数据,如图2所示。下列分析错误的是( )A.图1为反应时间相同时,不同温度下测定的酶活力值B.55 ℃的两侧温度对酶的活力产生影响的原因相同C.温度较高时,随处理时间的延长,酶活力可能降至零D.进行工业生产时,将温度控制在60 ℃比40 ℃产量更高
解析 图1横坐标为温度(自变量),纵坐标为酶活力(因变量),根据实验设计的原则:科学性原则、平行重复原则、对照性原则、单一变量原则,图1实验时,反应时间为无关变量,应相同,所以图1为反应时间相同时,不同温度下测定的酶活力值,A项正确;分析图1可知,55 ℃左右时酶活力最高,温度小于55 ℃,影响酶活力的原因是温度过低抑制酶活力,而温度大于55 ℃,影响酶活力的原因是温度过高使酶失活,所以55 ℃的两侧对酶的活力产生影响的原因是不相同的,B项错误;分析图2可知,在相同处理时间,随着温度升高,相对酶活力降低,相同温度下,随着处理时间的增加,相对酶活力降低,所以相对酶活力与处理时间和温度有关,温度较高时,随处理时间的延长,酶活力可能降至零,C项正确;分析图1可知,60 ℃时酶活力比40 ℃时酶活力高,分析图2可知,60 ℃时相对酶活力与40 ℃时相对酶活力相差不大,综合分析,进行工业生产时,将温度控制在60 ℃比40 ℃产量更高,D项正确。
题后点拨:科学思维之模型与建模——通过“四看法”分析酶促反应曲线
角度2 借助影响酶活性的因素,考查科学探究练真题·明考向4.(2023·浙江卷)为探究酶的催化效率,某同学采用如图所示装置进行实验,实验分组、处理及结果如下表所示。
下列叙述错误的是( )A.H2O2分解生成O2导致压强改变B.从甲中溶液与乙中溶液混合时开始计时C.250 s时Ⅰ组和Ⅲ组反应已结束而Ⅱ组仍在进行D.实验结果说明酶的催化作用具有高效性
解析 H2O2的分解产物是H2O和O2,其中O2属于气体,会导致压强改变,A项正确。甲、乙中溶液混合后催化剂开始发挥作用,B项正确。三组中的H2O2溶液均为2 mL,完全分解后产生的相对压强应相同,据表可知,250 s之前Ⅰ组反应已结束,但250 s时Ⅱ组和Ⅲ组压强仍未达到Ⅰ组的终止压强10.0 kPa,故250 s时Ⅱ组和Ⅲ组反应仍在进行,C项错误。酶的高效性是指与无机催化剂相比,酶降低化学反应活化能的作用更显著,对比Ⅰ、Ⅱ组可知,在相同时间内,Ⅰ组(含过氧化氢酶)相对压强变化更快,说明酶的催化作用具有高效性,D项正确。
5.(2022·广东卷)某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展初步研究,结果见下表。下列分析错误的是( )注:+/-分别表示有/无添加,反应物为Ⅰ型胶原蛋白。A.该酶的催化活性依赖于CaCl2B.结合①②组的相关变量分析,自变量为温度C.该酶催化反应的最适温度为70 ℃,最适pH为9D.尚需补充实验才能确定该酶是否能水解其他反应物
解析 分析②③组可知,没有添加CaCl2时,降解率为0,可推测该酶的催化活性依赖于CaCl2,A项正确;①②组除温度不同外其他条件相同,则导致①②组降解率不同的自变量为温度,B项正确;由于本实验设置的温度和pH梯度过大,因此不能确定最适温度和最适pH,C项错误;该实验的反应物为Ⅰ型胶原蛋白,无法证明该酶是否能水解其他反应物,若需证明,则需另外补充实验,D项正确。
角度拓展 (1)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。[2022·浙江卷]( )(2)“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。[2021·浙江卷]( )(3)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。[2021·浙江卷]( )
(4)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。为探究甲、乙两种物质对酶A的抑制作用类型,请根据以下实验材料和用具,确定实验原理和思路。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。实验原理和思路: 。[2021·湖北卷]
提示 可逆抑制剂与酶可逆结合,可用透析方法除去抑制剂来恢复酶的活性,不可逆抑制剂与酶不可逆结合,不可用透析方法除去抑制剂,因此经透析后酶的活性不能恢复。基于此原理,将甲、乙两种物质分别加入酶A溶液中,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溶液,再测定各自的酶活性。对比透析前后各组酶活性的变化,可推测甲、乙两种抑制剂的种类以及对酶活性的抑制效果
练模拟·提能力6.(2023·湖北模拟)某文章写道:土拨鼠冬眠时居然不变老。冬眠时,土拨鼠的代谢速率下降,体内的α-胰淀粉酶活性降低约50%。为了探究不同物质对人的胰淀粉酶活性的影响,研究人员进行如下实验。
下列有关该实验的说法,不正确的是( )A.酶活性是在温度、pH等条件适宜的情况下测得的,变量控制利用了“加法原理”B.若将人的胰淀粉酶换成人的唾液淀粉酶做实验,实验结果可能有差异C.据实验推测,茶花粉和芦笋丁可能具有一定的辅助降低血糖的作用D.芦笋丁和茶花粉对人的胰淀粉酶活性的影响,与激素间相抗衡效果类似
解析 酶活性是在温度、pH等条件适宜的情况下测得的,利用了“加法原理”来控制自变量,A项正确;人的胰淀粉酶和人的唾液淀粉酶的最适温度和最适pH等不同,故若将人的胰淀粉酶换成人的唾液淀粉酶做实验,实验结果可能有差异,B项正确;分析表格可知,茶花粉和芦笋丁可以降低人的胰淀粉酶活性,降低淀粉分解为葡萄糖的速率,故据实验推测,茶花粉和芦笋丁可能具有一定的辅助降低血糖的作用,C项正确;分析表格数据可知,茶花粉可以降低人的胰淀粉酶活性,而芦笋丁和茶花粉混合降低人的胰淀粉酶活性的效果更显著,与激素间相协同效果类似,D项错误。
题后点拨:科学思维之模型与建模——有关酶的验证、探究或评价性实验题解题策略
角度3 围绕ATP的结构与功能,考查生命观念练真题·明考向7.(2021·海南卷)研究人员将32P标记的磷酸注入活的离体肝细胞,1~2 min后迅速分离得到细胞内的ATP。结果发现ATP的末端磷酸基团被32P标记,并测得ATP与注入的32P标记磷酸的放射性强度几乎一致。下列有关叙述正确的是( )A.该实验表明,细胞内全部ADP都转化成ATPB.32P标记的ATP水解产生的腺苷没有放射性C.32P在ATP的3个磷酸基团中出现的概率相等D.ATP与ADP相互转化速度快,且转化主要发生在细胞核内
解析 该实验不能说明细胞内全部ADP都转化成ATP,A项错误;根据题干信息“结果发现ATP的末端磷酸基团被32P标记,并测得ATP与注入的32P标记磷酸的放射性强度几乎一致”,说明32P标记的ATP水解产生的腺苷没有放射性,并且放射性几乎只出现在ATP的末端磷酸基团中,B项正确,C项错误;细胞内各种吸能反应、放能反应几乎都与ATP与ADP的相互转化相关联,因此ATP与ADP的相互转化在细胞膜、细胞质、细胞核中都有发生,D项错误。
角度拓展 (1)ATP含有C、H、O、N、P五种元素,可直接为细胞提供能量。[2021·北京卷]( )(2)用一段由放射性同位素标记的DNA片段可以确定基因在染色体上的位置。某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸(dATP,dA—Pα~Pβ~Pγ)等材料制备了DNA片段甲(单链),对W基因在染色体上的位置进行了研究。该研究人员在制备32P标记的DNA片段甲时,所用dATP的α位磷酸基团中的磷必须是32P,原因是 。[2021·全国卷甲节选] 提示 dATP脱去β、γ位上的两个磷酸基团后,为腺嘌呤脱氧核苷酸,腺嘌呤脱氧核苷酸是合成DNA的原料之一
(3)用α、β和γ表示ATP或dATP(d表示脱氧)上三个磷酸基团所处的位置(A—Pα~Pβ~Pγ或dA—Pα~Pβ~Pγ)。某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上,同时产生ADP。若要用该酶把32P标记到DNA末端上,那么带有32P的磷酸基团应在ATP的 (填“α”“β”或“γ”)位上。[2016·全国卷Ⅰ节选]
练模拟·提能力8.(2023·湖南校联考模拟)萤火虫是鞘翅目萤科昆虫的通称,其腹部末端下方有发光器,能发出黄绿色光。其原理是萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶,荧光素接受ATP提供的能量后就被激活,在荧光素酶的作用下与氧发生化学反应,形成氧化荧光素并且发出荧光。下列有关说法正确的是( )A.可以利用萤火虫发光的原理检测密闭容器内O2的含量B.ATP是通过脱离末端的磷酸基团释放能量来供能的C.ATP是细胞中的能量货币,细胞中储存大量ATP为生命活动供能D.荧光素酶催化荧光素和氧发生化学反应体现了酶的专一性
解析 萤火虫发光的过程进行有氧呼吸会消耗O2,可利用萤火虫发光的原理检测密闭容器内O2的有无,但不能检测O2的含量,A项错误;ATP是通过脱离末端的磷酸基团释放能量来供能的,B项正确;ATP是细胞中的能量货币,但细胞中储存的ATP较少,细胞内ATP与ADP的相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡的,因此ATP在细胞内不会大量存在,C项错误;酶的专一性是指一种酶只能催化一种或一类化学反应,荧光素酶可以催化荧光素和氧发生化学反应,但只此一点不能证明其专一性,D项错误。
9.(2023·广东汕头统考二模)研究证实ATP既是“能量通货”,也可作为一种信号分子,其作为信号分子的作用机理如下图所示。下列说法错误的是( )A.图中神经细胞释放ATP的过程需要相关蛋白质参与并且耗能B.ATP作为信号分子发挥作用的过程能体现细胞间的信息交流C.靶细胞膜上存在ATP的受体能成为ATP作为信号分子的证据D.细胞间隙中的ATP在有关酶的作用下脱去磷酸基团生成腺嘌呤
解析 据图可知,神经细胞释放ATP的方式为胞吐,胞吐过程需要消耗能量,且需要相关蛋白质参与,A项正确;ATP作为信号分子与P2X受体和P2Y 受体特异性结合,调节细胞的生命活动,可见ATP发挥作用的过程能体现细胞间的信息交流,B项正确;信号分子需要与相应的受体特异性结合才能完成信息交流过程,故靶细胞膜上存在ATP的受体能成为ATP作为信号分子的证据,C项正确;细胞间隙中的ATP在有关酶的作用下脱去三个磷酸基团生成的物质为腺苷,由腺嘌呤和核糖组成,D项错误。
专项命题——重培优【从新教材角度命题】蛋白磷酸化和去磷酸化命题要点 磷酸化就是通过磷酸转移酶在底物上加上一个磷酸基团,通常和ATP水解相偶联。ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化,这些分子被磷酸化后,空间结构发生变化,活性也发生改变,因而可以参与各种化学反应。去磷酸化是磷酸化反应的逆反应。磷酸化和去磷酸化可给予或去除某种酶或蛋白质的某种功能,在生物代谢调控过程中有重要作用。
练真题·明考向1. (2023·湖南卷)盐碱胁迫下植物应激反应产生的H2O2对细胞有毒害作用。禾本科农作物AT1蛋白通过调节细胞膜上PIP2s蛋白磷酸化水平,影响H2O2的跨膜转运,如图所示。下列叙述错误的是( )A.细胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的B.PIP2s蛋白磷酸化被抑制,促进H2O2外排,从而减轻其对细胞的毒害C.敲除AT1基因或降低其表达可提高禾本科农作物的耐盐碱能力D.从特殊物种中发掘逆境胁迫相关基因是改良农作物抗逆性的有效途径
解析 由题图可以看出,PIP2s蛋白磷酸化被抑制后,H2O2从膜外运向膜内的速率大于从膜内运向膜外的速率,即PIP2s蛋白磷酸化被抑制后,抑制了H2O2外排,所以细胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的,A项正确,B项错误。敲除AT1基因或降低其表达,AT1蛋白就不能抑制PIP2s蛋白磷酸化,则盐碱胁迫下植物应激反应产生的H2O2外排的速率大于内流的速率,可减轻H2O2对细胞的毒害作用,提高禾本科作物的耐盐碱能力,C项正确。逆境胁迫下可以生存的物种往往含有抵抗逆境的基因,将该类基因通过基因工程技术导入农作物体内可提高农作物的抗逆性,D项正确。
练模拟·提能力2.(2023·山东枣庄二模)生物膜上存在着一些能携带离子通过膜的载体分子。某种载体分子对X离子有专一的结合部位,能选择性地携带X离子通过膜,转运机制如下图所示。已知X离子可参与构成线粒体内的丙酮酸氧化酶;载体IC的活化需要ATP。下列相关叙述正确的是( )A.X离子进入线粒体基质发挥作用至少需要穿过4层生物膜B.磷酸激酶能促进ATP的合成,磷酸酯酶能促进ATP的水解C.在磷酸酯酶的作用下,CIC分子发生去磷酸化过程中空间结构不变D.ATP脱离下来的末端磷酸基团挟能量与IC结合使之变成活化的AC
解析 X离子进入线粒体基质发挥作用至少需要穿过3层生物膜(1层细胞膜+2层线粒体膜),A项错误;磷酸激酶能催化ATP分解为ADP,在磷酸酯酶的作用下,活化载体释放磷酸基团,成为未活化载体(IC),B项错误;在磷酸酯酶的作用下,CIC分子发生去磷酸化,成为未活化载体(IC),其空间结构发生改变,C项错误;磷酸激酶催化ATP分解为ADP时,ATP脱离下来的末端磷酸基团挟能量与IC(未活化载体)结合使之变成AC(活化载体),D项正确。
考点2 光合作用和细胞呼吸的物质、能量转化过程
串联整合——明要点1.图解光合作用与细胞呼吸的过程
特别提醒 人和动物细胞呼吸产生CO2的场所是线粒体,酵母菌细胞呼吸产生CO2的场所是线粒体和细胞质基质;植物固定CO2的场所是叶绿体基质,蓝细菌、硝化细菌等固定CO2的场所是细胞质。
2.分析光合作用和细胞呼吸中物质变化和能量转化关系(1)“三种”元素转移途径
(2)NADPH、NADH和ATP的来源和去路
分层演练——拿高分角度1 借助光合作用与细胞呼吸的过程,考查物质与能量观练真题·明考向1.(2023·山东卷)水淹时,玉米根细胞由于较长时间进行无氧呼吸导致能量供应不足,使液泡膜上的H+转运减缓,引起细胞质基质内H+积累,无氧呼吸产生的乳酸也使细胞质基质pH降低。pH降低至一定程度会引起细胞酸中毒。细胞可通过将无氧呼吸过程中的丙酮酸产乳酸途径转换为丙酮酸产酒精途径,延缓细胞酸中毒。下列说法正确的是( )A.正常玉米根细胞液泡内pH高于细胞质基质B.检测到水淹的玉米根有CO2的产生不能判断是否有酒精生成C.转换为丙酮酸产酒精途径时释放的ATP增多以缓解能量供应不足D.转换为丙酮酸产酒精途径时消耗的[H]增多以缓解酸中毒
解析 由题干可知,水淹时液泡膜上的H+转运减缓,引起细胞质基质内H+积累,可推测正常细胞中H+在液泡中积累,液泡内pH低于细胞质基质,A项错误;玉米根细胞无氧呼吸和有氧呼吸都可产生CO2,因此不能根据CO2的产生判断是否有酒精生成,B项正确;无氧呼吸都只在第一阶段产生ATP,因此转换为丙酮酸产酒精途径不会增加ATP的释放,不能缓解能量供应不足,C项错误;无氧呼吸都只在第一阶段产生[H],产酒精途径与产乳酸途径消耗的[H]相同,D项错误。
2.(2022·重庆卷)科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图Ⅰ)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是 ;为避免膜蛋白被降解,提取液应保持 (填“低温”或“常温”)。 (2)在图Ⅰ实验基础上进行图Ⅱ实验,发现该实验条件下,也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内、外的H+浓度差,原因是 。 实验Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是膜内、外H+浓度差
保持类囊体内、外的渗透压,避免类囊体破裂
(3)为探究自然条件下类囊体膜内、外产生H+浓度差的原因,对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,结果如图Ⅲ所示,悬液的pH在光照处理时升高,原因是 。类囊体膜内、外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,电子的最终来源物质是 。 (4)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有 。生产中发现,即使增加光照强度,产量也不再增加,若要增产,可采取的有效措施有 (答两点)。
类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高
NADPH、ATP和CO2
增加CO2的浓度、适当提高环境温度
解析 (1)制备类囊体时,其提取液中需要添加适宜浓度的蔗糖,保持类囊体内、外的渗透压,避免类囊体破裂,以保证其结构完整。提取液应该保持低温,降低蛋白酶的活性,避免膜蛋白被降解。(2)由图Ⅱ实验可知,在光照条件下,将处于pH=4条件下的类囊体转移到pH=8的锥形瓶中,再在遮光的条件下加入ADP和Pi,也产生了ATP,但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内、外的H+浓度差,因为实验Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是膜内、外H+浓度差。
(3)对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,悬液的pH在光照处理时升高,推测可能是类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高。类囊体膜内、外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,光反应过程中,水的光解伴随着电子的传递,故电子的最终来源是水。(4)人工叶绿体能在光下生产目标多碳化合物,若要在黑暗条件下持续生产,则需要提供光反应产生的物质NADPH和ATP,以及暗反应的原料CO2。生产中发现,即使增加光照强度,产量也不再增加,说明暗反应已经达到最大速率,增加CO2的浓度和适当提高环境温度能增加酶的活性,可有效提高光合效率。
角度拓展 (1)酵母菌无氧呼吸不产生使溴麝香草酚蓝溶液变黄的气体。[2022·河北卷]( )(2)细胞呼吸中有机物彻底分解、产生大量ATP的过程发生在线粒体基质中。[2022·河北卷]( )(3)若细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸(以葡萄糖为呼吸底物),则吸收O2的分子数比释放CO2的多。[2020·全国卷Ⅰ]( )(4)在暗反应阶段,CO2不能直接被还原。[2021·湖南卷]( )(5)给某植物提供C18O2和H2O,释放的氧气中含有18O。氧气中含有18O的原因是 。[2016·浙江卷]
C18O2中的部分氧转移到H218O中,H218O又作为原料参与了光合作用
练模拟·提能力3.(2023·河北衡水二模)图1和图2是酵母菌细胞质基质和线粒体内进行的部分代谢过程。酵母菌在O2充足时几乎不产生酒精,且O2对酶不会产生抑制作用。在细胞内,反应物浓度上升或产物浓度下降一般会促进酶促反应进行,反之则抑制,若NADH在线粒体内积累,苹果酸的转运即会被抑制。
下列说法不正确的是( )A.NAD+和NADH的相互转化发生在细胞质基质和线粒体中B.①为载体蛋白,推测苹果酸通过线粒体膜的方式为主动运输C.O2抑制无氧呼吸生成酒精与图2所示的代谢有关D.线粒体内膜上形成水时,与O2结合的NADH来自细胞质基质和线粒体
解析 由图1可知,葡萄糖和NAD+生成丙酮酸、NADH发生在细胞质基质中,丙酮酸、H2O、NAD+生成CO2、NADH发生在线粒体基质中,O2和NADH生成H2O、NAD+发生在线粒体内膜上;由图2可知,草酰乙酸和NADH生成苹果酸、NAD+发生在细胞质基质中,苹果酸和NAD+生成草酰乙酸、NADH发生在线粒体基质中,所以NAD+和NADH的相互转化发生在细胞质基质和线粒体中,A项正确。由图2可知,苹果酸在细胞质基质中生成,在线粒体基质中被利用,其进入线粒体应是顺浓度梯度,因此苹果酸通过线粒体膜时并没有消耗能量,只用到①载体,推测其运输方式为协助扩散,B项错误。
O2缺少时,线粒体内的NADH不能与O2结合产生水,从而导致线粒体内苹果酸的积累,进而抑制苹果酸向线粒体的转运过程;当细胞质基质中的苹果酸浓度较高时,抑制了细胞质基质中草酰乙酸和NADH生成苹果酸,使得细胞质基质中NADH含量增加,NADH与丙酮酸反应转化成酒精,C项正确。由图1可知,葡萄糖和NAD+生成丙酮酸、NADH发生在细胞质基质中,丙酮酸、H2O、NAD+生成CO2、NADH发生在线粒体基质中,两个阶段产生的NADH在线粒体内膜上与O2结合形成H2O、NAD+,所以与O2结合的NADH来自细胞质基质和线粒体,D项正确。
4.(多选)(2023·江苏南通二模)下图是叶绿体内淀粉合成的调节过程示意图,光下TPT的活性受到抑制。下列相关叙述正确的是( )A.TPT分布在叶绿体外膜中,具有专一性和饱和性B.白天光合速率快,叶绿体中3-磷酸甘油酸/Pi的值低 C.细胞质基质中的Pi浓度降低时,丙糖磷酸运出叶绿体受抑制D.白天叶绿体基质中有大量的淀粉合成
解析 叶绿体是双层膜结构,外膜的外面是细胞质基质,据题图可知,TPT既能转运丙糖磷酸又能转运磷酸,具有专一性和饱和性,位于叶绿体内膜上,A项错误;白天,光合作用形成较多3-磷酸甘油酸,与ADPG焦磷酸化酶结合后,催化形成淀粉,晚上,光合磷酸化停止,积累在叶绿体里的Pi浓度升高,抑制淀粉形成,因此,白天或光照下3-磷酸甘油酸/Pi的值高,合成淀粉活跃,B项错误;丙糖磷酸转运器(TPT)能将卡尔文循环的丙糖磷酸不断运到叶绿体外,同时将释放的Pi(无机磷酸)运回叶绿体基质,当细胞质基质中Pi浓度降低时,会抑制丙糖磷酸从叶绿体中运出,C项正确;白天,光照较强,光下TPT活性受到抑制,TPT不能将Pi(无机磷酸)运回叶绿体基质,不会抑制ADPG焦磷酸化酶活性,从而促进淀粉的合成,因此白天叶绿体基质中有大量的淀粉合成,D项正确。
角度2 借助对光合作用中物质含量变化的分析,考查科学思维和科学探究练真题·明考向5.(2020·山东卷节选)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如下图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是 ,模块3中的甲可与CO2结合,甲为 。 (2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将 (填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是 。
模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足
解析 (1)分析图示可知,模块1为将光能转化为电能的过程,模拟的是色素吸收光能的过程,模块2模拟的是水分子氧化以产生氧分子和氢离子,并合成ATP的过程,因此两个模块模拟的是光反应过程。模块3则模拟的是暗反应过程。(2)模块3模拟暗反应过程,气泵泵入的是CO2,其中甲表示C5,乙表示C3,若正常运转过程中气泵突然停转,则输入到暗反应系统中的CO2浓度下降,CO2固定减少,则C3的含量会减少,若气泵停转的时间较长,则暗反应过程为光反应提供的ADP、Pi和NADP+不足,会导致模块2中的能量转换效率下降。
角度拓展 (1)在适宜反应条件下,用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后,突然改用光照强度与白光相同的红光照射,ATP含量会下降,未被还原的C3含量上升。[2016·天津卷]( )(2)光照强度由强变弱时,短时间内C3含量会升高。[2015·安徽卷]( )
(3)科学家在温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定,每组处理的总时间均为135 s的条件下,对生长状态相同的某种植物进行了A、B两组不同的处理,结果如下:A组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒);光合作用产物的相对含量为94%。B组:光照时间为135 s;光合作用产物的相对含量为100%。单位光照时间内,A组植物合成有机物的量 (填“高于”“等于”或“低于”)B组植物合成有机物的量,依据是 。[2015·全国卷Ⅰ改编]提示 高于 A组只用了B组一半的光照时间,其光合作用产物的相对含量却是B组的94%
练模拟·提能力6.(2023·河南模拟预测)叶绿体是卡尔文循环进行的场所,CO2经过固定可产生三碳糖,三碳糖一部分在叶绿体基质中经过一系列变化转变成淀粉,另一部分通过转运器转运到细胞质基质中,在细胞质基质中转变成蔗糖,同时释放出Pi,转运器每运出一个三碳糖需运进一个Pi作为交换。下列相关叙述错误的是( )A.卡尔文循环需光反应提供ATP和NADPHB.若光照突然停止,则短时间内三碳糖含量增加C.叶绿体中淀粉的积累会导致卡尔文循环速率变慢D.若合成三碳糖的速率超过Pi运进叶绿体的速率,则淀粉合成量减少
解析 光反应为卡尔文循环提供ATP和NADPH,A项正确;若光照突然停止,短时间内CO2固定速率不变,三碳糖还原受阻,故短时间内三碳糖含量增加,B项正确;淀粉是卡尔文循环的产物,若其积累过多,会导致卡尔文循环速率变慢,C项正确;若合成三碳糖的速率超过Pi转运进叶绿体的速率,即三碳糖运出叶绿体减少,用于合成淀粉的三碳糖增多,从而使淀粉合成量增加,D项错误。
7.(2023·广东一模)为研究光照与黑暗交替处理对花生叶片叶绿体中的ATP和ADP含量变化的影响。某研究小组测定的实验结果如图所示。结合图中结果分析,下列叙述错误的是( )A.光照0~5 min,叶肉细胞中发生了ADP与ATP之间的相互转化B.光照5~20 min,叶绿体中的ATP含量基本稳定,说明ATP与ADP转化逐渐停止C.黑暗20~30 min,暗反应继续进行,导致叶绿体中ATP和ADP的含量呈相反变化D.光暗交替处理30 min,光暗条件对叶绿体中ADP与ATP转化过程的影响较大
解析 图中ATP和ADP含量变化曲线显示,在开始光照的0~5 min内,ATP含量迅速上升,而ADP含量迅速下降,依据二者之间的转化关系可知,叶绿体中发生了ADP与ATP之间的相互转化,A项正确;在有光照的条件下,叶绿体内将持续进行光合作用的光反应和暗反应过程,叶绿体类囊体薄膜捕获光能后利用ADP和Pi为原料持续合成ATP,合成的ATP也会持续供给暗反应三碳化合物(C3)的还原过程,光照5~20 min,曲线显示叶绿体中ATP含量基本稳定,说明ATP与ADP的持续转化已维持在一定的速率下,并未停止,B项错误;黑暗20~30 min,叶绿体因无光照,光反应停止,无法持续合成ATP,而暗反应在停止光照的短暂时间内继续进行,会继续消耗ATP,同时产生ADP,从而导致了ATP和ADP的含量呈相反变化,C项正确;曲线显示,在光暗交替处理30 min内,ATP与ADP含量变化较大,这说明光暗条件对叶绿体内ADP与ATP转化过程的影响较大,D项正确。
题后点拨:1.改变条件后,光合作用过程中物质含量变化分析下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原。当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
2.连续光照和间隔光照下有机物合成量的分析(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体中有少量的积累,在光反应停止时,暗反应仍可持续进行一段时间,有机物还能继续合成。(2)持续光照条件下,会造成NADPH和ATP过度积累、利用不充分;光照和黑暗间隔条件下,NADPH和ATP基本不积累,能够被充分利用。因此在光照时间相同的条件下,光照和黑暗间隔处理比持续光照处理的有机物积累量要多。
专项命题——重培优【从新教材角度命题】细胞呼吸是细胞代谢的枢纽命题要点 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:
练真题·明考向1.(2022·山东卷)植物细胞内10%~25%的葡萄糖经过一系列反应,产生NADPH、CO2和多种中间产物,该过程称为磷酸戊糖途径。该途径的中间产物可进一步生成氨基酸和核苷酸等。下列说法错误的是( )A.磷酸戊糖途径产生的NADPH与有氧呼吸产生的还原型辅酶不同B.与有氧呼吸相比,葡萄糖经磷酸戊糖途径产生的能量少C.正常生理条件下,利用14C标记的葡萄糖可追踪磷酸戊糖途径中各产物的生成D.受伤组织修复过程中所需要的原料可由该途径的中间产物转化生成
解析 有氧呼吸产生的还原型辅酶是NADH,A项正确。葡萄糖经磷酸戊糖途径氧化分解不彻底,因此产生的能量少,B项正确。磷酸戊糖途径产生的中间代谢产物可能有不含C的物质(如水等),故不能利用14C标记的葡萄糖追踪磷酸戊糖途径中各产物的生成,C项错误。氨基酸和核苷酸等物质是受伤组织修复过程中所需要的原料,可由该途径的中间产物转化生成,D项正确。
练模拟·提能力2.(多选)(2023·湖北武汉模拟)有氧呼吸全过程可分为如图所示的糖酵解、柠檬酸循环和电子传递链三个阶段,一些中间产物还可合成脂肪等。下列有关叙述错误的是( )A.细胞呼吸是糖类、脂肪等相互转化的枢纽B.与柠檬酸循环有关的酶分布于细胞质基质中C.糖酵解时葡萄糖中的化学能大部分转化成热能D.有氧和无氧时,糖酵解产生的ATP量相等
解析 分析题图可知,多糖水解为单糖,经糖酵解可以转化为甘油,从而转化为脂肪,也可分解成丙酮酸,经过反应生成脂肪,所以细胞呼吸是糖类、脂肪等相互转化的枢纽,A项正确;分析题图可知,柠檬酸循环的反应物是丙酮酸,而丙酮酸参与的是有氧呼吸的第二阶段,和水反应生成二氧化碳和[H],产生少量的能量,所以柠檬酸循环即有氧呼吸第二阶段,与这一阶段有关的酶分布在线粒体基质中,B项错误;分析题图可知,糖酵解反应是葡萄糖分解成丙酮酸,产生少量的[H],产生少量的能量,即葡萄糖中的化学能大部分储存在丙酮酸中,C项错误;有氧呼吸第一阶段和无氧呼吸第一阶段反应相同,都发生在细胞质基质中,1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,产生少量的[H],产生少量的能量,所以两者产生的ATP量相等,D项正确。
【从新教材角度命题】光合作用中光系统及电子传递链命题要点 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的形成之间的关系,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,考查光合作用的原理和过程。光反应过程如下:
(1)光系统Ⅱ进行水的光解,产生O2、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+)逆浓度从类囊体的基质侧泵入到囊腔侧,从而建立了质子浓度(电化学)梯度。光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行水的光解产生质子(H+),以及在类囊体的基质侧进行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)类囊体薄膜对质子是高度不通透的,因此,类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出,而ATP合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。
练真题·明考向3.(2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ,通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与 PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是( )A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
解析 根据题干信息可知,LHC 蛋白激酶催化 LHCⅡ 与 PSⅡ 的分离,当 LHC 蛋白激酶活性下降时,LHCⅡ 无法与PSⅡ 分离,导致 PSⅡ 光复合体对光能的捕获增强,A项正确。Mg2+ 是叶绿素的重要组成成分,如果 Mg2+ 含量减少,PSⅡ 光复合体对光能的捕获会减弱,B项正确。在弱光条件下,LHCⅡ与PSⅡ结合,这有助于增强PSⅡ光复合体对光能的捕获, LHCⅡ是光合色素蛋白复合体,它可以吸收光能并传递给PSⅡ,进而促进光合作用的进行,C项错误。PSⅡ光复合体在光反应中参与水的光解反应,产生H+、电子和O2,D项正确。
练模拟·提能力4.(2023·海南海口一模)图1表示植物叶肉细胞中光合作用和有氧呼吸的部分过程,其中三碳化合物和五碳化合物在不同的代谢过程中表示不同的化合物;图2表示该细胞中的某种生物膜和其上所发生的部分生化反应,其中e-表示电子,下列叙述正确的是( )A.图1中属于有氧呼吸过程的有①②③B.图2所示生物膜是线粒体内膜C.PSⅡ的生理功能是吸收、传递并转化光能D.叶肉细胞线粒体产生的CO2被用于光合作用,需要通过4层磷脂分子
解析 图1中,过程①表示葡萄糖分解成丙酮酸,过程②表示暗反应中C3被还原成有机物,过程③表示丙酮酸分解产生CO2(可能是酒精发酵或有氧呼吸第二阶段),因此属于有氧呼吸过程的可能有①③,A项错误;图2所示生物膜能吸收光能,是类囊体薄膜,发生在其上的生化反应是光反应,B项错误;由图2可知,PSⅡ中发生水的光解,并将光能吸收,以电能形式传递,因此其生理功能是吸收、传递并转化光能,C项正确;叶肉细胞线粒体产生的CO2被用于光合作用,需要从线粒体进入叶绿体,线粒体和叶绿体都是双层膜结构,所以叶肉细胞线粒体产生的CO2被用于光合作用,需要通过4层膜,8层磷脂分子,D项错误。
【从新情境角度命题】科技进展——构建人工光合系统,人工合成淀粉命题情境 我国科学家模拟和借鉴了植物的光合作用过程,从动物、植物、微生物等31个物种中选择合适的酶,在无细胞系统中构建了一条人工淀粉合成途径(ASAP),该途径首先通过光伏发电将光能转变为电能,光伏电解水产生氢气,然后通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原成甲醇,最终合成淀粉,相关过程如图所示:
简单来说,首先将二氧化碳还原成甲醇(C1),然后将甲醇转化为三碳化合物(C3),再转化为六碳化合物(C6),最后聚合成淀粉。ASAP途径合成的淀粉与天然淀粉在结构上是基本一致的。初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前的技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器的淀粉年产量相当于中国5亩(1亩≈666.7 m2)玉米田的淀粉年产量。这条路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能,也为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。
【命题角度】(1)人工合成淀粉的系统通过光伏发电技术实现光能的捕获,那么绿色植物是通过 (相关结构)上的光合色素捕获光能。若CO2供应不足,则短时间内,叶肉细胞中C5的含量将 (填“增加”“减少”或“不变”)。 (2)图中模块二模拟的是绿色植物光合作用的 过程,暗反应为光反应提供的物质条件有 。 (3)(多选)根据文中信息,下列叙述正确的是 。 A.适合的酶是确保ASAP有序进行的关键B.ASAP过程与细胞内一样能循环进行C.ASAP中碳的转移途径为CO2→C1→C3→C6→淀粉D.ASAP过程中CO2转变为淀粉储存了能量
NADP+、ADP、Pi
(4)假设在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,人工合成过程中糖类的积累量 (填“高于”“低于”或“等于”)植物,其原因可能是 。 (5)实验室人工合成淀粉技术的成功是一项重大突破,若该技术未来能够大面积推广应用,你认为可解决当前人类面临的哪些生态环境问题?能节约大量的耕地和淡水资源;减少因农药、化肥的使用带来的环境污染;缓解粮食短缺问题;缓解温室效应等
与人工合成糖类的过程相比,植物进行细胞呼吸会消耗一部分糖类
练真题·明考向5.(2020·天津卷)研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是( )A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素
解析 乙醇酸是在光合作用暗反应中产生的,暗反应场所为叶绿体基质,所以产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质,A项正确;该反应体系能进行光合作用的整个过程,不断消耗的物质有CO2和H2O,B项错误;类囊体产生的ATP参与C3的还原,产生的O2用于细胞呼吸或释放到周围环境中,C项错误;该体系含有类囊体,而类囊体的薄膜上含有光合作用色素,D项错误。
练模拟·提能力6.(2023·山东模拟预测)2022年我国科学家在国际上首次实现CO2到淀粉的从头合成。图中C1模块是用无机催化剂把CO2还原为甲醇,C3模块是将甲醇转换为C3,C6模块是用C3合成C6,Cn模块是将C6再聚合为淀粉。下列叙述错误的是( )A.图中由CO2到GAP的过程相当于叶绿体中CO2的固定B.由GAP到G-6-P的过程在叶绿体内需要NADPH作还原剂C.Cn模块合成淀粉的过程伴随着水的生成D.在固定等量CO2的情况下,该人工途径比植物光合作用积累淀粉的量少
解析 分析题图可知,图中由CO2到GAP(C3)的过程在叶绿体中相当于暗反应的CO2固定过程,A项正确;由GAP到G-6-P的过程相当于C3被还原的过程,该过程所需的还原剂是光反应产物NADPH,B项正确;Cn模块将C6再聚合为淀粉,合成淀粉的过程是脱水缩合过程,伴随着水的生成,C项正确;淀粉的积累量=光合作用的产生量-细胞呼吸的消耗量,在植物体中,进行光合作用的同时也进行细胞呼吸,而在人工途径中只模拟光合作用过程,没有细胞呼吸消耗,因此在固定等量CO2的情况下,该人工途径比植物光合作用积累淀粉的量多,D项错误。
考点3 影响光合作用和细胞呼吸的因素
串联整合——明要点1.掌握影响细胞呼吸的四类曲线
2.掌握影响光合作用因素的三类曲线
3.辨明一昼夜植物代谢强度变化的两条曲线
4.解读总光合速率与呼吸速率的关系(1)净光合速率、呼吸速率与总光合速率的关系
(2)呼吸速率和净光合速率测定的常用方法
特别提醒 ①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和,即“总光合速率”。②物理误差的校正:为使实验结果精确,除减少无关变量的干扰外,还应设置对照装置。对照装置与两装置相比,不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”,其他条件均相同。
分层演练——拿高分角度1 围绕影响细胞呼吸和光合作用的曲线分析,考查科学思维练真题·明考向1.(多选)(2023·山东卷)某种植株的非绿色器官在不同O2浓度下,单位时间内O2吸收量和CO2释放量的变化如图所示。若细胞呼吸分解的有机物全部为葡萄糖,下列说法正确的是( )A.甲曲线表示O2吸收量B.O2浓度为b时,该器官不进行无氧呼吸C.O2浓度由0到b的过程中,有氧呼吸消耗葡萄糖的速率逐渐增加D.O2浓度为a时最适合保存该器官,该浓度下葡萄糖消耗速率最小
解析 图中甲曲线在横轴O2浓度为0时,曲线数值较高,则不能表示O2吸收量而是CO2释放量,A项错误;图中乙曲线表示O2吸收量,当O2浓度为b时,O2吸收量和CO2释放量相同,只进行有氧呼吸,B项正确;O2浓度由0到b的过程中,O2吸收量逐渐增加,有氧呼吸消耗葡萄糖的速率逐渐增加,C项正确;O2浓度为a时最适合保存该器官,因为该浓度下CO2释放量最低,有机物的损耗最小,但不是在该浓度下葡萄糖消耗速率最小,D项错误。
2.(2023·北京卷)在两种光照强度下,不同温度对某植物CO2吸收速率的影响如图。对此图理解错误的是( )A.在低光强下,CO2吸收速率随叶温升高而下降的原因是呼吸速率上升B.在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高与光合酶活性增强相关C.在图中两个CP点处,植物均不能进行光合作用D.图中M点处光合速率与呼吸速率的差值最大
解析 CO2吸收速率代表净光合速率,在低光强下,CO2吸收速率随叶温升高而下降的原因是呼吸速率上升,需要从外界吸收的CO2减少,A项正确;在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高的主要原因是光合酶的活性增强,B项正确;CP点代表呼吸速率等于光合速率,植物可以进行光合作用,C项错误;图中M点处CO2吸收速率最大,即净光合速率最大,也就是光合速率与呼吸速率的差值最大,D项正确。
3.(2023·广东卷)光合作用机理是作物高产的重要理论基础。大田常规栽培时,水稻野生型(WT)的产量和黄绿叶突变体(ygl)的产量差异不明显,但在高密度栽培条件下ygl产量更高,其相关生理特征见下表和下图。(光饱和点:光合速率不再随光照强度增加时的光照强度;光补偿点:光合过程中吸收的CO2与呼吸过程中释放的CO2等量时的光照强度。)
分析图表,回答下列问题。(1)ygl叶色黄绿的原因包括叶绿素含量较低和 ,叶片主要吸收可见光中的 光。 (2)光照强度逐渐增加达到2 000 μml·m-2·s-1时,ygl的净光合速率较WT更高,但两者净光合速率都不再随光照强度的增加而增加,比较两者的光饱和点,可得ygl (填“高于”“低于”或“等于”)WT。ygl有较高的光补偿点,可能的原因是叶绿素含量较低和 。 (3)与WT相比,ygl叶绿素含量低,高密度栽培条件下,更多的光可到达下层叶片,且ygl群体的净光合速率较高,表明该群体 ,是其高产的原因之一。
类胡萝卜素/叶绿素的值较高
对光能利用率更高,干物质积累量更大,生长速度更快
(4)试分析在0~50 μml·m-2·s-1范围的低光照强度下,WT和ygl净光合速率的变化,在坐标系中绘制净光合速率趋势曲线。在此基础上,分析上图a和你绘制的曲线,比较高光照强度和低光照强度条件下WT和ygl的净光合速率,提出一个科学问题: ?
为什么达到光饱和点时,ygl的净光合速率高于WT
解析 (1)ygl叶色黄绿的原因包括叶绿素含量较低、类胡萝卜素/叶绿素的值较高。叶片中的色素主要吸收红光和蓝紫光。(2)根据图 a可知,WT先到达光饱和点,即ygl的光饱和点高于WT。ygl有较高的光补偿点,可能的原因是一方面光合速率偏低,另一方面是呼吸速率较高。(3)植物干物质积累量或生长速度主要取决于净光合作用速率,ygl群体的净光合速率较高,所以其干物质积累量更大,生长速度更快,导致其产量较高。(4)绘制曲线时找准起点和光补偿点,根据图c可知,ygl的呼吸速率较大,所以虚线的起点应低于实线。再根据图b确定与净光合速率为0的虚线的交点,ygl的是30 μml·m-2·s-1,WT的是15 μml·m-2·s-1,见图。根据两图提出问题:为什么达到光饱和点时,ygl的净光合速率高于WT?
练模拟·提能力4.(2023·湖北武汉二模)甲植物和乙植物的净光合速率随CO2浓度变化的曲线如图所示。下列叙述正确的是( )A.CO2浓度为200 μL/L时,限制两种植物光合速率的主要因素均为光照强度或温度B.CO2浓度为400 μL/L时,甲、乙植物的光合速率相等C.CO2浓度为500 μL/L时,甲植物水的光解能力强于乙D.与甲植物相比,乙植物更适合在高CO2浓度条件下生存
解析 甲植物在CO2浓度为200 μL/L时,光合作用强度还未达到饱和,所以限制因素主要是CO2浓度,A项错误;CO2浓度为400 μL/L时,甲、乙植物的净光合速率相等,但由于细胞呼吸的速率不一定相等,所以光合速率(总光合速率)不一定相等,B项错误;CO2浓度为500 μL/L时,甲植物的净光合速率大于乙,所以甲植物水的光解能力强于乙,C项正确;甲植物在高CO2浓度条件下净光合速率更高,所以甲植物更适合在高CO2浓度条件下生存,D项错误。
5.(2023·河北张家口二模)科研人员在实验室中模拟夏季一天中的光照强度,并测定苦菊幼苗光合速率的变化情况,结果如图所示。下列有关叙述错误的是( )A.若A点时叶肉细胞内光合速率等于呼吸速率,则此时苦菊幼苗干重不变B.若处于B点的苦菊幼苗突然给予C点对应的光照强度,幼苗叶肉细胞中C3含量将减少C.气孔关闭导致细胞吸收的CO2量减少,使得CD段光合速率下降D.夏季一天中不同时间点的光照强度可能相同
解析 若A点时叶肉细胞内光合速率等于呼吸速率,由于非叶肉细胞还进行细胞呼吸消耗有机物,故此时苦菊幼苗干重下降,A项错误;若处于B点的苦菊幼苗突然给予C点对应的光照强度,即增加光照强度,光反应速率增加,幼苗叶肉细胞中C3含量减少,B项正确;气孔关闭导致细胞吸收的CO2量减少,光合速率下降,即CD段下降,C项正确;据图可知,夏季一天中不同时间点的光照强度可能相同,D项正确。
题后点拨:科学思维之模型与建模——解答光合作用和细胞呼吸曲线类试题的模型
角度2 围绕细胞呼吸与光合作用有关的实验,考查科学探究能力练真题·明考向6.(2023·浙江卷)为探究酵母菌的细胞呼吸方式,可利用酵母菌、葡萄糖溶液等材料进行实验。下列关于该实验的叙述,正确的是( )A.酵母菌用量和葡萄糖溶液浓度是本实验的自变量B.酵母菌可利用的氧气量是本实验的无关变量C.可选用酒精和CO2生成量作为因变量的检测指标D.不同方式的细胞呼吸消耗等量葡萄糖所释放的能量相等
解析 酵母菌用量和葡萄糖溶液浓度是无关变量,A项错误;氧气的有无是自变量,B项错误;有氧呼吸不产生酒精,无氧呼吸产生酒精和CO2且比值为1∶1,因此可选用酒精和CO2生成量作为因变量的检测指标,C项正确;等量的葡萄糖经有氧呼吸氧化分解彻底,释放能量多,经无氧呼吸氧化分解不彻底,大部分能量还储存在酒精中,释放能量少,D项错误。
7.(2022·海南卷)某小组为了探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,从烧杯底部给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图。下列有关叙述正确的是( )A.本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量B.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率C.四组实验中,0.5%NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高D.若在4 ℃条件下进行本实验,则各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
解析 本实验是探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,自变量为CO2浓度(NaHCO3溶液浓度),温度和光照为无关变量,A项错误;当光合作用产生的氧气量大于细胞呼吸消耗的氧气量时,叶圆片上浮,叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率,B项正确;四组实验中, 0.5%NaHCO3溶液中叶圆片上浮需要的时间最长,光合速率最低,C项错误;由于低温会使酶的活性降低,若在4 ℃条件下进行本实验,净光合速率会降低,故各组叶圆片上浮所需时长均会延长,D项错误。
角度拓展 (1)用溴麝香草酚蓝溶液检测发酵液中酒精含量的多少,可判断酵母菌的呼吸方式。[2022·江苏卷]( )(2)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 。[2022·全国卷乙] 提示 初期光合速率大于呼吸速率,之后光合速率等于呼吸速率
专项命题——重培优【从新情境角度命题】特殊环境下的光合作用类型命题情境 1.光呼吸光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisc。在暗反应中,Rubisc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Rubisc,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:
2.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,不能满足叶肉细胞光合作用对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。
3.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。
4.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)。
练真题·明考向1.(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Rubisc酶对CO2的Km为450 μml·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 μml·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)。 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Rubisc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)某研究所将蓝细菌的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。
练模拟·提能力2.(2023·福建泉州永春期末)光合作用暗反应过程中,CO2与RuBP在Rubisc的催化下生成3-磷酸甘油酸。O2与CO2竞争性结合RuBP,O2与RuBP反应后生成磷酸乙醇酸,最终释放CO2,该过程称为光呼吸。正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,CO2释放量突然增加,称为“二氧化碳的猝发”。下列说法正确的是( )A.光照过强气孔关闭,若植物呼吸强度不变,则CO2的产生量减少B.光呼吸会消耗有机物,对植物生长不利,应该抑制C.突然停止光照,磷酸乙醇酸的生成量增加D.O2与RuBP反应的过程必须在光下进行
解析 光照过强导致气孔关闭,O2与RuBP反应后释放CO2,若此时植物呼吸强度不变,则CO2的产生量增多,A项错误;光合作用中光反应的产物是ATP、NADPH和O2,因此光呼吸可以消耗强光下的产物ATP、NADPH和O2,又可防止强光下气孔关闭导致的CO2吸收量减少,避免了细胞间隙CO2浓度过度降低,这在一定程度上起到了保护光合色素免受强光破坏的作用,对植物生长有利,B项错误;根据题干信息可知,正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,CO2释放量突然增加,O2结合RuBP的概率减小,因此磷酸乙醇酸的生成量减少,C项错误;O2与RuBP反应发生在有光的条件下,D项正确。
3.(2023·广东月考)景天科植物(如景天、落地生根)的叶子有一个很特殊的CO2同化方式:夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸(一种有机酸)储存在液泡中,白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用,其部分代谢途径如图所示。下列有关分析错误的是( )A.景天科植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于苹果酸的分解B.由景天科植物特殊的CO2同化方式推测,其可能生活在高温干旱地区C.如果白天适当提高CO2浓度,景天科植物的光合作用速率基本不变D.白天景天科植物叶肉细胞内有机酸和葡萄糖的含量变化趋势可能相反
解析 景天科植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于苹果酸的脱羧作用和细胞呼吸,A项错误;由景天科植物特殊的CO2同化方式推测,其可能生活在高温干旱地区,高温干旱使气孔关闭,特殊的CO2同化方式能保证暗反应的正常进行,不影响光合作用过程,B项正确;如果白天适当提高CO2浓度,景天科植物白天气孔关闭,由苹果酸分解提供CO2,保证其浓度足够进行暗反应,光合作用速率基本不变,C项正确;白天景天科植物叶肉细胞内有机酸(主要为苹果酸)分解,含量降低,光合作用产生葡萄糖,含量增加,D项正确。
4.(2023·湖南长沙明德中学模拟节选)玉米为C4植物,其光合作用的暗反应过程如图所示,酶1为PEP羧化酶,可以固定低浓度的CO2形成C4,酶2为RuBP羧化酶,可以固定高浓度的CO2形成C3,对低浓度的CO2没有固定能力。
图中酶1固定CO2的能力比酶2 (填“强”或“弱”)。小麦叶肉细胞没有酶1催化生成C4的过程,称为C3植物,其光合作用均在叶肉细胞内完成。据上述信息分析,与小麦相比,玉米更适应高温、干旱环境的原因是 。
高温、干旱条件下,气孔部分关闭,叶片内CO2浓度低;玉米和小麦相比含有酶1,可以固定低浓度的CO2正常进行暗反应
ATP和NADPH中的化学能
(CH2O)中的化学能
【知识成串】 1.酶——酶、激素、神经递质、细胞因子、抗体来源及作用的比较;常见酶的种类和作用;2.酶的特性——变量分析与对照实验; 3.ATP——与ADP、AMP、核苷酸、dATP的分子结构差异;4.直接能源物质——主要能源物质、储能物质;5.光合作用、细胞呼吸——与能量流动、物质循环的关系;6.细胞呼吸应用——微生物发酵及所需生物的细胞呼吸类型;7.光合作用过程——同位素标记法的应用。
1.(必修1 P85科学·技术·社会)溶菌酶的作用是能够溶解细菌的细胞壁,具有抗菌消炎的作用。在临床上与抗生素混合使用,能增强抗生素的疗效。2(必修1 P86问题探讨)萤火虫尾部发光的原理是萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶,在ATP提供能量的前提下,荧光素酶可催化荧光素转化为能发出荧光的氧化荧光素。3.(必修1 P87正文)人体内ATP的含量很少,但在剧烈运动时,每分钟约有0.5 kg的ATP转化为ADP,以供运动之需,而人体内ATP总含量并没有太大变化,其原因是ATP与ADP时刻不停地发生相互转化。4.(必修1 P94相关信息)人体肌细胞无氧呼吸产生的乳酸能在肝脏中再次转化为葡萄糖。
5.(必修1 P96拓展应用)松土也有可能导致局部大气CO2浓度上升,其原因是松土透气有利于土壤中好氧微生物的生长繁殖,促进这些微生物对土壤有机物的分解,增加了CO2的分解和排放。6.(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用绿色光源的原因是绿色光源发出绿色的光,这种波长的光线不能被光合色素吸收,因此无法用于光合作用中制造有机物。7.(必修1 P103相关信息)光合作用过程中NADPH的形成过程是水分解为氧和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递,可用于NADP+与H+结合形成NADPH。
1.判断有关酶的叙述是否正确。(1)细胞中的各类化学反应之所以能有序进行,还与酶在细胞中的分布有关。( )(2)在催化过程中,酶分子构象会发生可逆性改变。( )(3)酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸。( )(4)过酸、过碱或温度过高,会使酶所含的肽键遭到破坏,使酶永久失活。( )
2.判断有关ATP的叙述是否正确。(1)ATP是高能磷酸化合物,含2个特殊化学键,其中末端的磷酸基团具有较高的转移势能。( )(2)ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质分子磷酸化,磷酸化的蛋白质空间结构发生变化,活性也改变,因而可以参与各种化学反应。( )(3)ATP水解一般与放能反应相联系,反之,则与吸能反应相联系。( )
3.判断有关细胞呼吸的叙述是否正确。(1)探究酵母菌细胞呼吸方式的实验中,应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖。( )(2)线粒体将葡萄糖氧化分解产生二氧化碳和水。( )(3)人在剧烈运动时产生的CO2全部来自有氧呼吸。( )(4)无氧呼吸产生的ATP少,是因为大部分能量以热能的形式散失。( )(5)细胞呼吸除了能为生物体提供能量外,还是生物体代谢的枢纽。( )
4.判断有关光合作用的叙述是否正确。(1)无水乙醇在色素的提取和分离实验中起到分离色素的作用。( )(2)鲁宾和卡门用放射性同位素示踪的方法,研究了光合作用中氧气的来源。( )(3)暗反应中14C的转化途径是14CO2→ C5→(14CH2O)。( )(4)在C3植物的光合作用中,CO2固定不需要消耗ATP,C3还原需要的能量来自ATP和NADPH。( )(5)光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处。( )
(6)夏季晴天,植物光合作用“午休”现象的主要原因是环境中CO2浓度过低。( )(7)降低光照将直接影响光反应的进行,从而影响暗反应的进行;改变CO2浓度则直接影响暗反应的进行。( )(8)硝化细菌的化能合成作用合成有机物利用的能量是体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量。( )
1.研究发现,溶酶体内pH为5.0左右,含有多种酸性水解酶,这些酶的合成场所为 ,这些水解酶少量进入细胞质基质不会引起细胞损伤,其原因是 。 提示 核糖体 细胞质基质与溶酶体内的pH不同,会导致酶活性降低或失活2.酶制剂适于在低温下保存的原因是 。 提示 在低温时,酶的活性很低,酶的空间结构稳定,在适宜的温度下,酶的活性升高,因此酶制剂适于在低温下保存
3.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化学键容易水解的原因: 。 提示 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化学键容易水解4.在某细胞培养液中加入被32P标记的磷酸分子,短时间后分离出细胞中的ATP,发现其含量变化不大,但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记,分析该现象得到的结论是 。 提示 ATP中远离腺苷的磷酸基团容易脱离;该过程中ATP既有合成又有水解;部分被32P标记的ATP是重新合成的
5.1 ml葡萄糖有氧呼吸能释放2 870 kJ的能量,而1 ml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,在进行无氧呼吸的过程中,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 。 提示 在无氧呼吸过程中,葡萄糖中的能量主要转移到乳酸或酒精中,没有释放出来;而氧化分解释放的能量主要以热能的形式散失了6.若将某种植物种植在密闭、无O2但其他条件适宜的小室中,照光培养一段时间后,发现植物的有氧呼吸加强,原因是 。 提示 植物在光下进行光合作用释放的O2使密闭小室中O2含量增加,而O2与有机物分解产生的[H]发生作用形成水是有氧呼吸的一个环节,所以当O2增多时,有氧呼吸会加强
7.大棚种植使用有机肥有利于增产,请从影响光合作用因素的角度分析原因: 。 提示 有机肥在土壤中被微生物分解时会释放CO2,增加了大棚中的CO2浓度,进而促进了光合作用,为作物自身提供了必需的物质,因此有利于增产8.研究小组将生长状况相似的菠菜幼苗均分为A、B两组进行实验探究,A组培养在完全培养液中,B组培养在缺少Mg2+的培养液中,其他条件相同且适宜。一段时间后,持续提供14C标记的CO2进行光合作用,然后检测并比较14C标记的有机化合物的量。(1)该实验的目的是 。 (2)B组14C标记的(CH2O)的量比A组低,原因是 。提示 B组缺少Mg2+,不利于叶绿素的合成,光反应产生的NADPH和ATP不足,C3的还原减少,形成的(CH2O)减少
探究Mg2+对植物光合作用的影响
考点1 酶、ATP在细胞代谢中的作用
串联整合——明要点1.四个角度区别酶和激素
特别提醒 ①活细胞(哺乳动物成熟的红细胞除外)都能产生酶,酶可在细胞内或细胞外发挥作用。②酶具有催化作用,不具有调节作用,也不能作为能源和组成物质。
2.解读酶的三类曲线(1)酶的作用原理曲线
(2)酶的特性曲线①图1中加酶的曲线和加无机催化剂的曲线比较,表明酶具有 。②图2中两曲线比较,表明酶具有 。
(3)酶促反应速率的影响因素①温度和pH
②底物浓度和酶浓度图甲中OP段的限制因素是 ,而P点之后的限制因素有 ;图乙对反应底物的要求是底物足量。
3.探究酶的相关实验
特别提醒 ①验证酶的专一性时,若底物选择淀粉和蔗糖,酶溶液为淀粉酶,检测底物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂,不宜选用碘液,因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。②探究酶的最适温度时,若选择淀粉和淀粉酶,检测试剂宜选用碘液,不宜选用斐林试剂,因为用斐林试剂鉴定时需水浴加热,而该实验中需严格控制温度。③在探究酶的适宜温度的实验中,不宜选择过氧化氢(H2O2)和过氧化氢酶作实验材料,因为底物H2O2在常温下就能分解,加热时分解会加快,从而影响实验结果。
4.明确ATP与核酸的关系
5.厘清能量转化过程和ATP的来源与去路
6.解读肌细胞中ATP产生速率与O2供给量之间关系的曲线
特别提醒 (1)当横坐标表示细胞呼吸强度时,ATP产生速率的变化曲线应该从原点开始。(2)哺乳动物成熟的红细胞中,ATP的产生速率与O2供给量无关。
分层演练——拿高分角度1 围绕酶的作用和特性,考查生命观念练真题·明考向1.(2023·广东卷)中国制茶工艺源远流长。红茶制作包括萎凋、揉捻、发酵、高温干燥等工序,其间多酚氧化酶催化茶多酚生成适量茶黄素是红茶风味形成的关键。下列叙述错误的是( )A.揉捻能破坏细胞结构使多酚氧化酶与茶多酚接触B.发酵时保持适宜的温度以维持多酚氧化酶的活性C.发酵时有机酸含量增加不会影响多酚氧化酶活性D.高温灭活多酚氧化酶以防止过度氧化影响茶品质
解析 揉捻可以破坏细胞结构,从而使多酚氧化酶与茶多酚接触,A项正确。因为酶的活性受温度的影响,所以发酵时要保持适宜的温度以维持多酚氧化酶的活性,B项正确。由于酶的活性受pH的影响,所以发酵时有机酸含量增加会通过改变pH而影响多酚氧化酶的活性,C项错误。发酵结束时给予高温,可以灭活多酚氧化酶,防止过度氧化而影响茶的品质,D项正确。
角度拓展 (1)低温主要通过改变淀粉酶的氨基酸组成,导致酶变性失活。[2022·浙江卷]( )(2)酶、抗体、激素都是由氨基酸通过肽键连接而成的。[2021·全国卷甲]( )(3)细胞中生物大分子的合成需要酶来催化。[2020·江苏卷]( )(4)分解淀粉与纤维素所需的酶不同。[2019·海南卷]( )
2.(2022·湖南卷)洗涤剂中的碱性蛋白酶受到其他成分的影响而改变构象,部分解折叠后可被正常碱性蛋白酶特异性识别并降解(自溶)失活。此外,加热也能使碱性蛋白酶失活,如图所示。下列叙述错误的是( )A.碱性蛋白酶在一定条件下可发生自溶失活B.加热导致碱性蛋白酶构象改变是不可逆的C.添加酶稳定剂可提高加碱性蛋白酶洗涤剂的去污效果D.添加碱性蛋白酶可降低洗涤剂使用量,减少环境污染
解析 根据题干信息可知,碱性蛋白酶在一定条件下(如加热)可发生自溶失活,A项正确;图解显示,一定程度的加热后再降温,变性的蛋白质可恢复到天然状态,B项错误;添加酶稳定剂可防止酶失活,加强了洗涤剂中碱性蛋白酶的催化效率,提高了洗涤剂的去污效果,C项正确;添加碱性蛋白酶可降低洗涤剂使用量,使洗涤剂向低磷和无磷的方向发展,减少了环境污染,D项正确。
练模拟·提能力3.(2023·河北衡水二模)酶催化一定化学反应的能力称为酶活力,温度对某种酶酶活力的影响如图1所示。在一定条件下,先将酶在不同的温度下处理一段时间(图2横轴),然后迅速放在最适温度条件下测定酶活力,可得到酶的热稳定性数据,如图2所示。下列分析错误的是( )A.图1为反应时间相同时,不同温度下测定的酶活力值B.55 ℃的两侧温度对酶的活力产生影响的原因相同C.温度较高时,随处理时间的延长,酶活力可能降至零D.进行工业生产时,将温度控制在60 ℃比40 ℃产量更高
解析 图1横坐标为温度(自变量),纵坐标为酶活力(因变量),根据实验设计的原则:科学性原则、平行重复原则、对照性原则、单一变量原则,图1实验时,反应时间为无关变量,应相同,所以图1为反应时间相同时,不同温度下测定的酶活力值,A项正确;分析图1可知,55 ℃左右时酶活力最高,温度小于55 ℃,影响酶活力的原因是温度过低抑制酶活力,而温度大于55 ℃,影响酶活力的原因是温度过高使酶失活,所以55 ℃的两侧对酶的活力产生影响的原因是不相同的,B项错误;分析图2可知,在相同处理时间,随着温度升高,相对酶活力降低,相同温度下,随着处理时间的增加,相对酶活力降低,所以相对酶活力与处理时间和温度有关,温度较高时,随处理时间的延长,酶活力可能降至零,C项正确;分析图1可知,60 ℃时酶活力比40 ℃时酶活力高,分析图2可知,60 ℃时相对酶活力与40 ℃时相对酶活力相差不大,综合分析,进行工业生产时,将温度控制在60 ℃比40 ℃产量更高,D项正确。
题后点拨:科学思维之模型与建模——通过“四看法”分析酶促反应曲线
角度2 借助影响酶活性的因素,考查科学探究练真题·明考向4.(2023·浙江卷)为探究酶的催化效率,某同学采用如图所示装置进行实验,实验分组、处理及结果如下表所示。
下列叙述错误的是( )A.H2O2分解生成O2导致压强改变B.从甲中溶液与乙中溶液混合时开始计时C.250 s时Ⅰ组和Ⅲ组反应已结束而Ⅱ组仍在进行D.实验结果说明酶的催化作用具有高效性
解析 H2O2的分解产物是H2O和O2,其中O2属于气体,会导致压强改变,A项正确。甲、乙中溶液混合后催化剂开始发挥作用,B项正确。三组中的H2O2溶液均为2 mL,完全分解后产生的相对压强应相同,据表可知,250 s之前Ⅰ组反应已结束,但250 s时Ⅱ组和Ⅲ组压强仍未达到Ⅰ组的终止压强10.0 kPa,故250 s时Ⅱ组和Ⅲ组反应仍在进行,C项错误。酶的高效性是指与无机催化剂相比,酶降低化学反应活化能的作用更显著,对比Ⅰ、Ⅱ组可知,在相同时间内,Ⅰ组(含过氧化氢酶)相对压强变化更快,说明酶的催化作用具有高效性,D项正确。
5.(2022·广东卷)某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展初步研究,结果见下表。下列分析错误的是( )注:+/-分别表示有/无添加,反应物为Ⅰ型胶原蛋白。A.该酶的催化活性依赖于CaCl2B.结合①②组的相关变量分析,自变量为温度C.该酶催化反应的最适温度为70 ℃,最适pH为9D.尚需补充实验才能确定该酶是否能水解其他反应物
解析 分析②③组可知,没有添加CaCl2时,降解率为0,可推测该酶的催化活性依赖于CaCl2,A项正确;①②组除温度不同外其他条件相同,则导致①②组降解率不同的自变量为温度,B项正确;由于本实验设置的温度和pH梯度过大,因此不能确定最适温度和最适pH,C项错误;该实验的反应物为Ⅰ型胶原蛋白,无法证明该酶是否能水解其他反应物,若需证明,则需另外补充实验,D项正确。
角度拓展 (1)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。[2022·浙江卷]( )(2)“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。[2021·浙江卷]( )(3)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。[2021·浙江卷]( )
(4)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。为探究甲、乙两种物质对酶A的抑制作用类型,请根据以下实验材料和用具,确定实验原理和思路。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。实验原理和思路: 。[2021·湖北卷]
提示 可逆抑制剂与酶可逆结合,可用透析方法除去抑制剂来恢复酶的活性,不可逆抑制剂与酶不可逆结合,不可用透析方法除去抑制剂,因此经透析后酶的活性不能恢复。基于此原理,将甲、乙两种物质分别加入酶A溶液中,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溶液,再测定各自的酶活性。对比透析前后各组酶活性的变化,可推测甲、乙两种抑制剂的种类以及对酶活性的抑制效果
练模拟·提能力6.(2023·湖北模拟)某文章写道:土拨鼠冬眠时居然不变老。冬眠时,土拨鼠的代谢速率下降,体内的α-胰淀粉酶活性降低约50%。为了探究不同物质对人的胰淀粉酶活性的影响,研究人员进行如下实验。
下列有关该实验的说法,不正确的是( )A.酶活性是在温度、pH等条件适宜的情况下测得的,变量控制利用了“加法原理”B.若将人的胰淀粉酶换成人的唾液淀粉酶做实验,实验结果可能有差异C.据实验推测,茶花粉和芦笋丁可能具有一定的辅助降低血糖的作用D.芦笋丁和茶花粉对人的胰淀粉酶活性的影响,与激素间相抗衡效果类似
解析 酶活性是在温度、pH等条件适宜的情况下测得的,利用了“加法原理”来控制自变量,A项正确;人的胰淀粉酶和人的唾液淀粉酶的最适温度和最适pH等不同,故若将人的胰淀粉酶换成人的唾液淀粉酶做实验,实验结果可能有差异,B项正确;分析表格可知,茶花粉和芦笋丁可以降低人的胰淀粉酶活性,降低淀粉分解为葡萄糖的速率,故据实验推测,茶花粉和芦笋丁可能具有一定的辅助降低血糖的作用,C项正确;分析表格数据可知,茶花粉可以降低人的胰淀粉酶活性,而芦笋丁和茶花粉混合降低人的胰淀粉酶活性的效果更显著,与激素间相协同效果类似,D项错误。
题后点拨:科学思维之模型与建模——有关酶的验证、探究或评价性实验题解题策略
角度3 围绕ATP的结构与功能,考查生命观念练真题·明考向7.(2021·海南卷)研究人员将32P标记的磷酸注入活的离体肝细胞,1~2 min后迅速分离得到细胞内的ATP。结果发现ATP的末端磷酸基团被32P标记,并测得ATP与注入的32P标记磷酸的放射性强度几乎一致。下列有关叙述正确的是( )A.该实验表明,细胞内全部ADP都转化成ATPB.32P标记的ATP水解产生的腺苷没有放射性C.32P在ATP的3个磷酸基团中出现的概率相等D.ATP与ADP相互转化速度快,且转化主要发生在细胞核内
解析 该实验不能说明细胞内全部ADP都转化成ATP,A项错误;根据题干信息“结果发现ATP的末端磷酸基团被32P标记,并测得ATP与注入的32P标记磷酸的放射性强度几乎一致”,说明32P标记的ATP水解产生的腺苷没有放射性,并且放射性几乎只出现在ATP的末端磷酸基团中,B项正确,C项错误;细胞内各种吸能反应、放能反应几乎都与ATP与ADP的相互转化相关联,因此ATP与ADP的相互转化在细胞膜、细胞质、细胞核中都有发生,D项错误。
角度拓展 (1)ATP含有C、H、O、N、P五种元素,可直接为细胞提供能量。[2021·北京卷]( )(2)用一段由放射性同位素标记的DNA片段可以确定基因在染色体上的位置。某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸(dATP,dA—Pα~Pβ~Pγ)等材料制备了DNA片段甲(单链),对W基因在染色体上的位置进行了研究。该研究人员在制备32P标记的DNA片段甲时,所用dATP的α位磷酸基团中的磷必须是32P,原因是 。[2021·全国卷甲节选] 提示 dATP脱去β、γ位上的两个磷酸基团后,为腺嘌呤脱氧核苷酸,腺嘌呤脱氧核苷酸是合成DNA的原料之一
(3)用α、β和γ表示ATP或dATP(d表示脱氧)上三个磷酸基团所处的位置(A—Pα~Pβ~Pγ或dA—Pα~Pβ~Pγ)。某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上,同时产生ADP。若要用该酶把32P标记到DNA末端上,那么带有32P的磷酸基团应在ATP的 (填“α”“β”或“γ”)位上。[2016·全国卷Ⅰ节选]
练模拟·提能力8.(2023·湖南校联考模拟)萤火虫是鞘翅目萤科昆虫的通称,其腹部末端下方有发光器,能发出黄绿色光。其原理是萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶,荧光素接受ATP提供的能量后就被激活,在荧光素酶的作用下与氧发生化学反应,形成氧化荧光素并且发出荧光。下列有关说法正确的是( )A.可以利用萤火虫发光的原理检测密闭容器内O2的含量B.ATP是通过脱离末端的磷酸基团释放能量来供能的C.ATP是细胞中的能量货币,细胞中储存大量ATP为生命活动供能D.荧光素酶催化荧光素和氧发生化学反应体现了酶的专一性
解析 萤火虫发光的过程进行有氧呼吸会消耗O2,可利用萤火虫发光的原理检测密闭容器内O2的有无,但不能检测O2的含量,A项错误;ATP是通过脱离末端的磷酸基团释放能量来供能的,B项正确;ATP是细胞中的能量货币,但细胞中储存的ATP较少,细胞内ATP与ADP的相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡的,因此ATP在细胞内不会大量存在,C项错误;酶的专一性是指一种酶只能催化一种或一类化学反应,荧光素酶可以催化荧光素和氧发生化学反应,但只此一点不能证明其专一性,D项错误。
9.(2023·广东汕头统考二模)研究证实ATP既是“能量通货”,也可作为一种信号分子,其作为信号分子的作用机理如下图所示。下列说法错误的是( )A.图中神经细胞释放ATP的过程需要相关蛋白质参与并且耗能B.ATP作为信号分子发挥作用的过程能体现细胞间的信息交流C.靶细胞膜上存在ATP的受体能成为ATP作为信号分子的证据D.细胞间隙中的ATP在有关酶的作用下脱去磷酸基团生成腺嘌呤
解析 据图可知,神经细胞释放ATP的方式为胞吐,胞吐过程需要消耗能量,且需要相关蛋白质参与,A项正确;ATP作为信号分子与P2X受体和P2Y 受体特异性结合,调节细胞的生命活动,可见ATP发挥作用的过程能体现细胞间的信息交流,B项正确;信号分子需要与相应的受体特异性结合才能完成信息交流过程,故靶细胞膜上存在ATP的受体能成为ATP作为信号分子的证据,C项正确;细胞间隙中的ATP在有关酶的作用下脱去三个磷酸基团生成的物质为腺苷,由腺嘌呤和核糖组成,D项错误。
专项命题——重培优【从新教材角度命题】蛋白磷酸化和去磷酸化命题要点 磷酸化就是通过磷酸转移酶在底物上加上一个磷酸基团,通常和ATP水解相偶联。ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化,这些分子被磷酸化后,空间结构发生变化,活性也发生改变,因而可以参与各种化学反应。去磷酸化是磷酸化反应的逆反应。磷酸化和去磷酸化可给予或去除某种酶或蛋白质的某种功能,在生物代谢调控过程中有重要作用。
练真题·明考向1. (2023·湖南卷)盐碱胁迫下植物应激反应产生的H2O2对细胞有毒害作用。禾本科农作物AT1蛋白通过调节细胞膜上PIP2s蛋白磷酸化水平,影响H2O2的跨膜转运,如图所示。下列叙述错误的是( )A.细胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的B.PIP2s蛋白磷酸化被抑制,促进H2O2外排,从而减轻其对细胞的毒害C.敲除AT1基因或降低其表达可提高禾本科农作物的耐盐碱能力D.从特殊物种中发掘逆境胁迫相关基因是改良农作物抗逆性的有效途径
解析 由题图可以看出,PIP2s蛋白磷酸化被抑制后,H2O2从膜外运向膜内的速率大于从膜内运向膜外的速率,即PIP2s蛋白磷酸化被抑制后,抑制了H2O2外排,所以细胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的,A项正确,B项错误。敲除AT1基因或降低其表达,AT1蛋白就不能抑制PIP2s蛋白磷酸化,则盐碱胁迫下植物应激反应产生的H2O2外排的速率大于内流的速率,可减轻H2O2对细胞的毒害作用,提高禾本科作物的耐盐碱能力,C项正确。逆境胁迫下可以生存的物种往往含有抵抗逆境的基因,将该类基因通过基因工程技术导入农作物体内可提高农作物的抗逆性,D项正确。
练模拟·提能力2.(2023·山东枣庄二模)生物膜上存在着一些能携带离子通过膜的载体分子。某种载体分子对X离子有专一的结合部位,能选择性地携带X离子通过膜,转运机制如下图所示。已知X离子可参与构成线粒体内的丙酮酸氧化酶;载体IC的活化需要ATP。下列相关叙述正确的是( )A.X离子进入线粒体基质发挥作用至少需要穿过4层生物膜B.磷酸激酶能促进ATP的合成,磷酸酯酶能促进ATP的水解C.在磷酸酯酶的作用下,CIC分子发生去磷酸化过程中空间结构不变D.ATP脱离下来的末端磷酸基团挟能量与IC结合使之变成活化的AC
解析 X离子进入线粒体基质发挥作用至少需要穿过3层生物膜(1层细胞膜+2层线粒体膜),A项错误;磷酸激酶能催化ATP分解为ADP,在磷酸酯酶的作用下,活化载体释放磷酸基团,成为未活化载体(IC),B项错误;在磷酸酯酶的作用下,CIC分子发生去磷酸化,成为未活化载体(IC),其空间结构发生改变,C项错误;磷酸激酶催化ATP分解为ADP时,ATP脱离下来的末端磷酸基团挟能量与IC(未活化载体)结合使之变成AC(活化载体),D项正确。
考点2 光合作用和细胞呼吸的物质、能量转化过程
串联整合——明要点1.图解光合作用与细胞呼吸的过程
特别提醒 人和动物细胞呼吸产生CO2的场所是线粒体,酵母菌细胞呼吸产生CO2的场所是线粒体和细胞质基质;植物固定CO2的场所是叶绿体基质,蓝细菌、硝化细菌等固定CO2的场所是细胞质。
2.分析光合作用和细胞呼吸中物质变化和能量转化关系(1)“三种”元素转移途径
(2)NADPH、NADH和ATP的来源和去路
分层演练——拿高分角度1 借助光合作用与细胞呼吸的过程,考查物质与能量观练真题·明考向1.(2023·山东卷)水淹时,玉米根细胞由于较长时间进行无氧呼吸导致能量供应不足,使液泡膜上的H+转运减缓,引起细胞质基质内H+积累,无氧呼吸产生的乳酸也使细胞质基质pH降低。pH降低至一定程度会引起细胞酸中毒。细胞可通过将无氧呼吸过程中的丙酮酸产乳酸途径转换为丙酮酸产酒精途径,延缓细胞酸中毒。下列说法正确的是( )A.正常玉米根细胞液泡内pH高于细胞质基质B.检测到水淹的玉米根有CO2的产生不能判断是否有酒精生成C.转换为丙酮酸产酒精途径时释放的ATP增多以缓解能量供应不足D.转换为丙酮酸产酒精途径时消耗的[H]增多以缓解酸中毒
解析 由题干可知,水淹时液泡膜上的H+转运减缓,引起细胞质基质内H+积累,可推测正常细胞中H+在液泡中积累,液泡内pH低于细胞质基质,A项错误;玉米根细胞无氧呼吸和有氧呼吸都可产生CO2,因此不能根据CO2的产生判断是否有酒精生成,B项正确;无氧呼吸都只在第一阶段产生ATP,因此转换为丙酮酸产酒精途径不会增加ATP的释放,不能缓解能量供应不足,C项错误;无氧呼吸都只在第一阶段产生[H],产酒精途径与产乳酸途径消耗的[H]相同,D项错误。
2.(2022·重庆卷)科学家发现,光能会被类囊体转化为“某种能量形式”,并用于驱动产生ATP(如图Ⅰ)。为探寻这种能量形式,他们开展了后续实验。
(1)制备类囊体时,提取液中应含有适宜浓度的蔗糖,以保证其结构完整,原因是 ;为避免膜蛋白被降解,提取液应保持 (填“低温”或“常温”)。 (2)在图Ⅰ实验基础上进行图Ⅱ实验,发现该实验条件下,也能产生ATP。但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内、外的H+浓度差,原因是 。 实验Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是膜内、外H+浓度差
保持类囊体内、外的渗透压,避免类囊体破裂
(3)为探究自然条件下类囊体膜内、外产生H+浓度差的原因,对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,结果如图Ⅲ所示,悬液的pH在光照处理时升高,原因是 。类囊体膜内、外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,电子的最终来源物质是 。 (4)用菠菜类囊体和人工酶系统组装的人工叶绿体,能在光下生产目标多碳化合物。若要实现黑暗条件下持续生产,需稳定提供的物质有 。生产中发现,即使增加光照强度,产量也不再增加,若要增产,可采取的有效措施有 (答两点)。
类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高
NADPH、ATP和CO2
增加CO2的浓度、适当提高环境温度
解析 (1)制备类囊体时,其提取液中需要添加适宜浓度的蔗糖,保持类囊体内、外的渗透压,避免类囊体破裂,以保证其结构完整。提取液应该保持低温,降低蛋白酶的活性,避免膜蛋白被降解。(2)由图Ⅱ实验可知,在光照条件下,将处于pH=4条件下的类囊体转移到pH=8的锥形瓶中,再在遮光的条件下加入ADP和Pi,也产生了ATP,但该实验不能充分证明“某种能量形式”是类囊体膜内、外的H+浓度差,因为实验Ⅱ是在光照条件下对类囊体进行培养,无法证明某种能量是来自光能还是膜内、外H+浓度差。
(3)对无缓冲液的类囊体悬液进行光、暗交替处理,悬液的pH在光照处理时升高,推测可能是类囊体膜外H+被转移到类囊体膜内,造成溶液pH升高。类囊体膜内、外的H+浓度差是通过光合电子传递和H+转运形成的,光反应过程中,水的光解伴随着电子的传递,故电子的最终来源是水。(4)人工叶绿体能在光下生产目标多碳化合物,若要在黑暗条件下持续生产,则需要提供光反应产生的物质NADPH和ATP,以及暗反应的原料CO2。生产中发现,即使增加光照强度,产量也不再增加,说明暗反应已经达到最大速率,增加CO2的浓度和适当提高环境温度能增加酶的活性,可有效提高光合效率。
角度拓展 (1)酵母菌无氧呼吸不产生使溴麝香草酚蓝溶液变黄的气体。[2022·河北卷]( )(2)细胞呼吸中有机物彻底分解、产生大量ATP的过程发生在线粒体基质中。[2022·河北卷]( )(3)若细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸(以葡萄糖为呼吸底物),则吸收O2的分子数比释放CO2的多。[2020·全国卷Ⅰ]( )(4)在暗反应阶段,CO2不能直接被还原。[2021·湖南卷]( )(5)给某植物提供C18O2和H2O,释放的氧气中含有18O。氧气中含有18O的原因是 。[2016·浙江卷]
C18O2中的部分氧转移到H218O中,H218O又作为原料参与了光合作用
练模拟·提能力3.(2023·河北衡水二模)图1和图2是酵母菌细胞质基质和线粒体内进行的部分代谢过程。酵母菌在O2充足时几乎不产生酒精,且O2对酶不会产生抑制作用。在细胞内,反应物浓度上升或产物浓度下降一般会促进酶促反应进行,反之则抑制,若NADH在线粒体内积累,苹果酸的转运即会被抑制。
下列说法不正确的是( )A.NAD+和NADH的相互转化发生在细胞质基质和线粒体中B.①为载体蛋白,推测苹果酸通过线粒体膜的方式为主动运输C.O2抑制无氧呼吸生成酒精与图2所示的代谢有关D.线粒体内膜上形成水时,与O2结合的NADH来自细胞质基质和线粒体
解析 由图1可知,葡萄糖和NAD+生成丙酮酸、NADH发生在细胞质基质中,丙酮酸、H2O、NAD+生成CO2、NADH发生在线粒体基质中,O2和NADH生成H2O、NAD+发生在线粒体内膜上;由图2可知,草酰乙酸和NADH生成苹果酸、NAD+发生在细胞质基质中,苹果酸和NAD+生成草酰乙酸、NADH发生在线粒体基质中,所以NAD+和NADH的相互转化发生在细胞质基质和线粒体中,A项正确。由图2可知,苹果酸在细胞质基质中生成,在线粒体基质中被利用,其进入线粒体应是顺浓度梯度,因此苹果酸通过线粒体膜时并没有消耗能量,只用到①载体,推测其运输方式为协助扩散,B项错误。
O2缺少时,线粒体内的NADH不能与O2结合产生水,从而导致线粒体内苹果酸的积累,进而抑制苹果酸向线粒体的转运过程;当细胞质基质中的苹果酸浓度较高时,抑制了细胞质基质中草酰乙酸和NADH生成苹果酸,使得细胞质基质中NADH含量增加,NADH与丙酮酸反应转化成酒精,C项正确。由图1可知,葡萄糖和NAD+生成丙酮酸、NADH发生在细胞质基质中,丙酮酸、H2O、NAD+生成CO2、NADH发生在线粒体基质中,两个阶段产生的NADH在线粒体内膜上与O2结合形成H2O、NAD+,所以与O2结合的NADH来自细胞质基质和线粒体,D项正确。
4.(多选)(2023·江苏南通二模)下图是叶绿体内淀粉合成的调节过程示意图,光下TPT的活性受到抑制。下列相关叙述正确的是( )A.TPT分布在叶绿体外膜中,具有专一性和饱和性B.白天光合速率快,叶绿体中3-磷酸甘油酸/Pi的值低 C.细胞质基质中的Pi浓度降低时,丙糖磷酸运出叶绿体受抑制D.白天叶绿体基质中有大量的淀粉合成
解析 叶绿体是双层膜结构,外膜的外面是细胞质基质,据题图可知,TPT既能转运丙糖磷酸又能转运磷酸,具有专一性和饱和性,位于叶绿体内膜上,A项错误;白天,光合作用形成较多3-磷酸甘油酸,与ADPG焦磷酸化酶结合后,催化形成淀粉,晚上,光合磷酸化停止,积累在叶绿体里的Pi浓度升高,抑制淀粉形成,因此,白天或光照下3-磷酸甘油酸/Pi的值高,合成淀粉活跃,B项错误;丙糖磷酸转运器(TPT)能将卡尔文循环的丙糖磷酸不断运到叶绿体外,同时将释放的Pi(无机磷酸)运回叶绿体基质,当细胞质基质中Pi浓度降低时,会抑制丙糖磷酸从叶绿体中运出,C项正确;白天,光照较强,光下TPT活性受到抑制,TPT不能将Pi(无机磷酸)运回叶绿体基质,不会抑制ADPG焦磷酸化酶活性,从而促进淀粉的合成,因此白天叶绿体基质中有大量的淀粉合成,D项正确。
角度2 借助对光合作用中物质含量变化的分析,考查科学思维和科学探究练真题·明考向5.(2020·山东卷节选)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如下图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是 ,模块3中的甲可与CO2结合,甲为 。 (2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将 (填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是 。
模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足
解析 (1)分析图示可知,模块1为将光能转化为电能的过程,模拟的是色素吸收光能的过程,模块2模拟的是水分子氧化以产生氧分子和氢离子,并合成ATP的过程,因此两个模块模拟的是光反应过程。模块3则模拟的是暗反应过程。(2)模块3模拟暗反应过程,气泵泵入的是CO2,其中甲表示C5,乙表示C3,若正常运转过程中气泵突然停转,则输入到暗反应系统中的CO2浓度下降,CO2固定减少,则C3的含量会减少,若气泵停转的时间较长,则暗反应过程为光反应提供的ADP、Pi和NADP+不足,会导致模块2中的能量转换效率下降。
角度拓展 (1)在适宜反应条件下,用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后,突然改用光照强度与白光相同的红光照射,ATP含量会下降,未被还原的C3含量上升。[2016·天津卷]( )(2)光照强度由强变弱时,短时间内C3含量会升高。[2015·安徽卷]( )
(3)科学家在温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定,每组处理的总时间均为135 s的条件下,对生长状态相同的某种植物进行了A、B两组不同的处理,结果如下:A组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒);光合作用产物的相对含量为94%。B组:光照时间为135 s;光合作用产物的相对含量为100%。单位光照时间内,A组植物合成有机物的量 (填“高于”“等于”或“低于”)B组植物合成有机物的量,依据是 。[2015·全国卷Ⅰ改编]提示 高于 A组只用了B组一半的光照时间,其光合作用产物的相对含量却是B组的94%
练模拟·提能力6.(2023·河南模拟预测)叶绿体是卡尔文循环进行的场所,CO2经过固定可产生三碳糖,三碳糖一部分在叶绿体基质中经过一系列变化转变成淀粉,另一部分通过转运器转运到细胞质基质中,在细胞质基质中转变成蔗糖,同时释放出Pi,转运器每运出一个三碳糖需运进一个Pi作为交换。下列相关叙述错误的是( )A.卡尔文循环需光反应提供ATP和NADPHB.若光照突然停止,则短时间内三碳糖含量增加C.叶绿体中淀粉的积累会导致卡尔文循环速率变慢D.若合成三碳糖的速率超过Pi运进叶绿体的速率,则淀粉合成量减少
解析 光反应为卡尔文循环提供ATP和NADPH,A项正确;若光照突然停止,短时间内CO2固定速率不变,三碳糖还原受阻,故短时间内三碳糖含量增加,B项正确;淀粉是卡尔文循环的产物,若其积累过多,会导致卡尔文循环速率变慢,C项正确;若合成三碳糖的速率超过Pi转运进叶绿体的速率,即三碳糖运出叶绿体减少,用于合成淀粉的三碳糖增多,从而使淀粉合成量增加,D项错误。
7.(2023·广东一模)为研究光照与黑暗交替处理对花生叶片叶绿体中的ATP和ADP含量变化的影响。某研究小组测定的实验结果如图所示。结合图中结果分析,下列叙述错误的是( )A.光照0~5 min,叶肉细胞中发生了ADP与ATP之间的相互转化B.光照5~20 min,叶绿体中的ATP含量基本稳定,说明ATP与ADP转化逐渐停止C.黑暗20~30 min,暗反应继续进行,导致叶绿体中ATP和ADP的含量呈相反变化D.光暗交替处理30 min,光暗条件对叶绿体中ADP与ATP转化过程的影响较大
解析 图中ATP和ADP含量变化曲线显示,在开始光照的0~5 min内,ATP含量迅速上升,而ADP含量迅速下降,依据二者之间的转化关系可知,叶绿体中发生了ADP与ATP之间的相互转化,A项正确;在有光照的条件下,叶绿体内将持续进行光合作用的光反应和暗反应过程,叶绿体类囊体薄膜捕获光能后利用ADP和Pi为原料持续合成ATP,合成的ATP也会持续供给暗反应三碳化合物(C3)的还原过程,光照5~20 min,曲线显示叶绿体中ATP含量基本稳定,说明ATP与ADP的持续转化已维持在一定的速率下,并未停止,B项错误;黑暗20~30 min,叶绿体因无光照,光反应停止,无法持续合成ATP,而暗反应在停止光照的短暂时间内继续进行,会继续消耗ATP,同时产生ADP,从而导致了ATP和ADP的含量呈相反变化,C项正确;曲线显示,在光暗交替处理30 min内,ATP与ADP含量变化较大,这说明光暗条件对叶绿体内ADP与ATP转化过程的影响较大,D项正确。
题后点拨:1.改变条件后,光合作用过程中物质含量变化分析下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原。当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
2.连续光照和间隔光照下有机物合成量的分析(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体中有少量的积累,在光反应停止时,暗反应仍可持续进行一段时间,有机物还能继续合成。(2)持续光照条件下,会造成NADPH和ATP过度积累、利用不充分;光照和黑暗间隔条件下,NADPH和ATP基本不积累,能够被充分利用。因此在光照时间相同的条件下,光照和黑暗间隔处理比持续光照处理的有机物积累量要多。
专项命题——重培优【从新教材角度命题】细胞呼吸是细胞代谢的枢纽命题要点 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:
练真题·明考向1.(2022·山东卷)植物细胞内10%~25%的葡萄糖经过一系列反应,产生NADPH、CO2和多种中间产物,该过程称为磷酸戊糖途径。该途径的中间产物可进一步生成氨基酸和核苷酸等。下列说法错误的是( )A.磷酸戊糖途径产生的NADPH与有氧呼吸产生的还原型辅酶不同B.与有氧呼吸相比,葡萄糖经磷酸戊糖途径产生的能量少C.正常生理条件下,利用14C标记的葡萄糖可追踪磷酸戊糖途径中各产物的生成D.受伤组织修复过程中所需要的原料可由该途径的中间产物转化生成
解析 有氧呼吸产生的还原型辅酶是NADH,A项正确。葡萄糖经磷酸戊糖途径氧化分解不彻底,因此产生的能量少,B项正确。磷酸戊糖途径产生的中间代谢产物可能有不含C的物质(如水等),故不能利用14C标记的葡萄糖追踪磷酸戊糖途径中各产物的生成,C项错误。氨基酸和核苷酸等物质是受伤组织修复过程中所需要的原料,可由该途径的中间产物转化生成,D项正确。
练模拟·提能力2.(多选)(2023·湖北武汉模拟)有氧呼吸全过程可分为如图所示的糖酵解、柠檬酸循环和电子传递链三个阶段,一些中间产物还可合成脂肪等。下列有关叙述错误的是( )A.细胞呼吸是糖类、脂肪等相互转化的枢纽B.与柠檬酸循环有关的酶分布于细胞质基质中C.糖酵解时葡萄糖中的化学能大部分转化成热能D.有氧和无氧时,糖酵解产生的ATP量相等
解析 分析题图可知,多糖水解为单糖,经糖酵解可以转化为甘油,从而转化为脂肪,也可分解成丙酮酸,经过反应生成脂肪,所以细胞呼吸是糖类、脂肪等相互转化的枢纽,A项正确;分析题图可知,柠檬酸循环的反应物是丙酮酸,而丙酮酸参与的是有氧呼吸的第二阶段,和水反应生成二氧化碳和[H],产生少量的能量,所以柠檬酸循环即有氧呼吸第二阶段,与这一阶段有关的酶分布在线粒体基质中,B项错误;分析题图可知,糖酵解反应是葡萄糖分解成丙酮酸,产生少量的[H],产生少量的能量,即葡萄糖中的化学能大部分储存在丙酮酸中,C项错误;有氧呼吸第一阶段和无氧呼吸第一阶段反应相同,都发生在细胞质基质中,1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,产生少量的[H],产生少量的能量,所以两者产生的ATP量相等,D项正确。
【从新教材角度命题】光合作用中光系统及电子传递链命题要点 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的形成之间的关系,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,考查光合作用的原理和过程。光反应过程如下:
(1)光系统Ⅱ进行水的光解,产生O2、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+)逆浓度从类囊体的基质侧泵入到囊腔侧,从而建立了质子浓度(电化学)梯度。光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行水的光解产生质子(H+),以及在类囊体的基质侧进行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)类囊体薄膜对质子是高度不通透的,因此,类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出,而ATP合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。
练真题·明考向3.(2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体,PSⅡ光复合体含有光合色素,能吸收光能,并分解水。研究发现,PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ,通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与 PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是( )A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降,PSⅡ光复合体对光能的捕获增强B.Mg2+含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱C.弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合,不利于对光能的捕获D.PSⅡ光复合体分解水可以产生H+、电子和O2
解析 根据题干信息可知,LHC 蛋白激酶催化 LHCⅡ 与 PSⅡ 的分离,当 LHC 蛋白激酶活性下降时,LHCⅡ 无法与PSⅡ 分离,导致 PSⅡ 光复合体对光能的捕获增强,A项正确。Mg2+ 是叶绿素的重要组成成分,如果 Mg2+ 含量减少,PSⅡ 光复合体对光能的捕获会减弱,B项正确。在弱光条件下,LHCⅡ与PSⅡ结合,这有助于增强PSⅡ光复合体对光能的捕获, LHCⅡ是光合色素蛋白复合体,它可以吸收光能并传递给PSⅡ,进而促进光合作用的进行,C项错误。PSⅡ光复合体在光反应中参与水的光解反应,产生H+、电子和O2,D项正确。
练模拟·提能力4.(2023·海南海口一模)图1表示植物叶肉细胞中光合作用和有氧呼吸的部分过程,其中三碳化合物和五碳化合物在不同的代谢过程中表示不同的化合物;图2表示该细胞中的某种生物膜和其上所发生的部分生化反应,其中e-表示电子,下列叙述正确的是( )A.图1中属于有氧呼吸过程的有①②③B.图2所示生物膜是线粒体内膜C.PSⅡ的生理功能是吸收、传递并转化光能D.叶肉细胞线粒体产生的CO2被用于光合作用,需要通过4层磷脂分子
解析 图1中,过程①表示葡萄糖分解成丙酮酸,过程②表示暗反应中C3被还原成有机物,过程③表示丙酮酸分解产生CO2(可能是酒精发酵或有氧呼吸第二阶段),因此属于有氧呼吸过程的可能有①③,A项错误;图2所示生物膜能吸收光能,是类囊体薄膜,发生在其上的生化反应是光反应,B项错误;由图2可知,PSⅡ中发生水的光解,并将光能吸收,以电能形式传递,因此其生理功能是吸收、传递并转化光能,C项正确;叶肉细胞线粒体产生的CO2被用于光合作用,需要从线粒体进入叶绿体,线粒体和叶绿体都是双层膜结构,所以叶肉细胞线粒体产生的CO2被用于光合作用,需要通过4层膜,8层磷脂分子,D项错误。
【从新情境角度命题】科技进展——构建人工光合系统,人工合成淀粉命题情境 我国科学家模拟和借鉴了植物的光合作用过程,从动物、植物、微生物等31个物种中选择合适的酶,在无细胞系统中构建了一条人工淀粉合成途径(ASAP),该途径首先通过光伏发电将光能转变为电能,光伏电解水产生氢气,然后通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原成甲醇,最终合成淀粉,相关过程如图所示:
简单来说,首先将二氧化碳还原成甲醇(C1),然后将甲醇转化为三碳化合物(C3),再转化为六碳化合物(C6),最后聚合成淀粉。ASAP途径合成的淀粉与天然淀粉在结构上是基本一致的。初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前的技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器的淀粉年产量相当于中国5亩(1亩≈666.7 m2)玉米田的淀粉年产量。这条路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能,也为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。
【命题角度】(1)人工合成淀粉的系统通过光伏发电技术实现光能的捕获,那么绿色植物是通过 (相关结构)上的光合色素捕获光能。若CO2供应不足,则短时间内,叶肉细胞中C5的含量将 (填“增加”“减少”或“不变”)。 (2)图中模块二模拟的是绿色植物光合作用的 过程,暗反应为光反应提供的物质条件有 。 (3)(多选)根据文中信息,下列叙述正确的是 。 A.适合的酶是确保ASAP有序进行的关键B.ASAP过程与细胞内一样能循环进行C.ASAP中碳的转移途径为CO2→C1→C3→C6→淀粉D.ASAP过程中CO2转变为淀粉储存了能量
NADP+、ADP、Pi
(4)假设在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,人工合成过程中糖类的积累量 (填“高于”“低于”或“等于”)植物,其原因可能是 。 (5)实验室人工合成淀粉技术的成功是一项重大突破,若该技术未来能够大面积推广应用,你认为可解决当前人类面临的哪些生态环境问题?能节约大量的耕地和淡水资源;减少因农药、化肥的使用带来的环境污染;缓解粮食短缺问题;缓解温室效应等
与人工合成糖类的过程相比,植物进行细胞呼吸会消耗一部分糖类
练真题·明考向5.(2020·天津卷)研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是( )A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素
解析 乙醇酸是在光合作用暗反应中产生的,暗反应场所为叶绿体基质,所以产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质,A项正确;该反应体系能进行光合作用的整个过程,不断消耗的物质有CO2和H2O,B项错误;类囊体产生的ATP参与C3的还原,产生的O2用于细胞呼吸或释放到周围环境中,C项错误;该体系含有类囊体,而类囊体的薄膜上含有光合作用色素,D项错误。
练模拟·提能力6.(2023·山东模拟预测)2022年我国科学家在国际上首次实现CO2到淀粉的从头合成。图中C1模块是用无机催化剂把CO2还原为甲醇,C3模块是将甲醇转换为C3,C6模块是用C3合成C6,Cn模块是将C6再聚合为淀粉。下列叙述错误的是( )A.图中由CO2到GAP的过程相当于叶绿体中CO2的固定B.由GAP到G-6-P的过程在叶绿体内需要NADPH作还原剂C.Cn模块合成淀粉的过程伴随着水的生成D.在固定等量CO2的情况下,该人工途径比植物光合作用积累淀粉的量少
解析 分析题图可知,图中由CO2到GAP(C3)的过程在叶绿体中相当于暗反应的CO2固定过程,A项正确;由GAP到G-6-P的过程相当于C3被还原的过程,该过程所需的还原剂是光反应产物NADPH,B项正确;Cn模块将C6再聚合为淀粉,合成淀粉的过程是脱水缩合过程,伴随着水的生成,C项正确;淀粉的积累量=光合作用的产生量-细胞呼吸的消耗量,在植物体中,进行光合作用的同时也进行细胞呼吸,而在人工途径中只模拟光合作用过程,没有细胞呼吸消耗,因此在固定等量CO2的情况下,该人工途径比植物光合作用积累淀粉的量多,D项错误。
考点3 影响光合作用和细胞呼吸的因素
串联整合——明要点1.掌握影响细胞呼吸的四类曲线
2.掌握影响光合作用因素的三类曲线
3.辨明一昼夜植物代谢强度变化的两条曲线
4.解读总光合速率与呼吸速率的关系(1)净光合速率、呼吸速率与总光合速率的关系
(2)呼吸速率和净光合速率测定的常用方法
特别提醒 ①在测定了净光合速率和呼吸速率的基础上可计算得出二者之和,即“总光合速率”。②物理误差的校正:为使实验结果精确,除减少无关变量的干扰外,还应设置对照装置。对照装置与两装置相比,不同点是用“死亡的绿色植物”代替“绿色植物”,其他条件均相同。
分层演练——拿高分角度1 围绕影响细胞呼吸和光合作用的曲线分析,考查科学思维练真题·明考向1.(多选)(2023·山东卷)某种植株的非绿色器官在不同O2浓度下,单位时间内O2吸收量和CO2释放量的变化如图所示。若细胞呼吸分解的有机物全部为葡萄糖,下列说法正确的是( )A.甲曲线表示O2吸收量B.O2浓度为b时,该器官不进行无氧呼吸C.O2浓度由0到b的过程中,有氧呼吸消耗葡萄糖的速率逐渐增加D.O2浓度为a时最适合保存该器官,该浓度下葡萄糖消耗速率最小
解析 图中甲曲线在横轴O2浓度为0时,曲线数值较高,则不能表示O2吸收量而是CO2释放量,A项错误;图中乙曲线表示O2吸收量,当O2浓度为b时,O2吸收量和CO2释放量相同,只进行有氧呼吸,B项正确;O2浓度由0到b的过程中,O2吸收量逐渐增加,有氧呼吸消耗葡萄糖的速率逐渐增加,C项正确;O2浓度为a时最适合保存该器官,因为该浓度下CO2释放量最低,有机物的损耗最小,但不是在该浓度下葡萄糖消耗速率最小,D项错误。
2.(2023·北京卷)在两种光照强度下,不同温度对某植物CO2吸收速率的影响如图。对此图理解错误的是( )A.在低光强下,CO2吸收速率随叶温升高而下降的原因是呼吸速率上升B.在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高与光合酶活性增强相关C.在图中两个CP点处,植物均不能进行光合作用D.图中M点处光合速率与呼吸速率的差值最大
解析 CO2吸收速率代表净光合速率,在低光强下,CO2吸收速率随叶温升高而下降的原因是呼吸速率上升,需要从外界吸收的CO2减少,A项正确;在高光强下,M点左侧CO2吸收速率升高的主要原因是光合酶的活性增强,B项正确;CP点代表呼吸速率等于光合速率,植物可以进行光合作用,C项错误;图中M点处CO2吸收速率最大,即净光合速率最大,也就是光合速率与呼吸速率的差值最大,D项正确。
3.(2023·广东卷)光合作用机理是作物高产的重要理论基础。大田常规栽培时,水稻野生型(WT)的产量和黄绿叶突变体(ygl)的产量差异不明显,但在高密度栽培条件下ygl产量更高,其相关生理特征见下表和下图。(光饱和点:光合速率不再随光照强度增加时的光照强度;光补偿点:光合过程中吸收的CO2与呼吸过程中释放的CO2等量时的光照强度。)
分析图表,回答下列问题。(1)ygl叶色黄绿的原因包括叶绿素含量较低和 ,叶片主要吸收可见光中的 光。 (2)光照强度逐渐增加达到2 000 μml·m-2·s-1时,ygl的净光合速率较WT更高,但两者净光合速率都不再随光照强度的增加而增加,比较两者的光饱和点,可得ygl (填“高于”“低于”或“等于”)WT。ygl有较高的光补偿点,可能的原因是叶绿素含量较低和 。 (3)与WT相比,ygl叶绿素含量低,高密度栽培条件下,更多的光可到达下层叶片,且ygl群体的净光合速率较高,表明该群体 ,是其高产的原因之一。
类胡萝卜素/叶绿素的值较高
对光能利用率更高,干物质积累量更大,生长速度更快
(4)试分析在0~50 μml·m-2·s-1范围的低光照强度下,WT和ygl净光合速率的变化,在坐标系中绘制净光合速率趋势曲线。在此基础上,分析上图a和你绘制的曲线,比较高光照强度和低光照强度条件下WT和ygl的净光合速率,提出一个科学问题: ?
为什么达到光饱和点时,ygl的净光合速率高于WT
解析 (1)ygl叶色黄绿的原因包括叶绿素含量较低、类胡萝卜素/叶绿素的值较高。叶片中的色素主要吸收红光和蓝紫光。(2)根据图 a可知,WT先到达光饱和点,即ygl的光饱和点高于WT。ygl有较高的光补偿点,可能的原因是一方面光合速率偏低,另一方面是呼吸速率较高。(3)植物干物质积累量或生长速度主要取决于净光合作用速率,ygl群体的净光合速率较高,所以其干物质积累量更大,生长速度更快,导致其产量较高。(4)绘制曲线时找准起点和光补偿点,根据图c可知,ygl的呼吸速率较大,所以虚线的起点应低于实线。再根据图b确定与净光合速率为0的虚线的交点,ygl的是30 μml·m-2·s-1,WT的是15 μml·m-2·s-1,见图。根据两图提出问题:为什么达到光饱和点时,ygl的净光合速率高于WT?
练模拟·提能力4.(2023·湖北武汉二模)甲植物和乙植物的净光合速率随CO2浓度变化的曲线如图所示。下列叙述正确的是( )A.CO2浓度为200 μL/L时,限制两种植物光合速率的主要因素均为光照强度或温度B.CO2浓度为400 μL/L时,甲、乙植物的光合速率相等C.CO2浓度为500 μL/L时,甲植物水的光解能力强于乙D.与甲植物相比,乙植物更适合在高CO2浓度条件下生存
解析 甲植物在CO2浓度为200 μL/L时,光合作用强度还未达到饱和,所以限制因素主要是CO2浓度,A项错误;CO2浓度为400 μL/L时,甲、乙植物的净光合速率相等,但由于细胞呼吸的速率不一定相等,所以光合速率(总光合速率)不一定相等,B项错误;CO2浓度为500 μL/L时,甲植物的净光合速率大于乙,所以甲植物水的光解能力强于乙,C项正确;甲植物在高CO2浓度条件下净光合速率更高,所以甲植物更适合在高CO2浓度条件下生存,D项错误。
5.(2023·河北张家口二模)科研人员在实验室中模拟夏季一天中的光照强度,并测定苦菊幼苗光合速率的变化情况,结果如图所示。下列有关叙述错误的是( )A.若A点时叶肉细胞内光合速率等于呼吸速率,则此时苦菊幼苗干重不变B.若处于B点的苦菊幼苗突然给予C点对应的光照强度,幼苗叶肉细胞中C3含量将减少C.气孔关闭导致细胞吸收的CO2量减少,使得CD段光合速率下降D.夏季一天中不同时间点的光照强度可能相同
解析 若A点时叶肉细胞内光合速率等于呼吸速率,由于非叶肉细胞还进行细胞呼吸消耗有机物,故此时苦菊幼苗干重下降,A项错误;若处于B点的苦菊幼苗突然给予C点对应的光照强度,即增加光照强度,光反应速率增加,幼苗叶肉细胞中C3含量减少,B项正确;气孔关闭导致细胞吸收的CO2量减少,光合速率下降,即CD段下降,C项正确;据图可知,夏季一天中不同时间点的光照强度可能相同,D项正确。
题后点拨:科学思维之模型与建模——解答光合作用和细胞呼吸曲线类试题的模型
角度2 围绕细胞呼吸与光合作用有关的实验,考查科学探究能力练真题·明考向6.(2023·浙江卷)为探究酵母菌的细胞呼吸方式,可利用酵母菌、葡萄糖溶液等材料进行实验。下列关于该实验的叙述,正确的是( )A.酵母菌用量和葡萄糖溶液浓度是本实验的自变量B.酵母菌可利用的氧气量是本实验的无关变量C.可选用酒精和CO2生成量作为因变量的检测指标D.不同方式的细胞呼吸消耗等量葡萄糖所释放的能量相等
解析 酵母菌用量和葡萄糖溶液浓度是无关变量,A项错误;氧气的有无是自变量,B项错误;有氧呼吸不产生酒精,无氧呼吸产生酒精和CO2且比值为1∶1,因此可选用酒精和CO2生成量作为因变量的检测指标,C项正确;等量的葡萄糖经有氧呼吸氧化分解彻底,释放能量多,经无氧呼吸氧化分解不彻底,大部分能量还储存在酒精中,释放能量少,D项错误。
7.(2022·海南卷)某小组为了探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,从烧杯底部给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图。下列有关叙述正确的是( )A.本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量B.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率C.四组实验中,0.5%NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高D.若在4 ℃条件下进行本实验,则各组叶圆片上浮所需时长均会缩短
解析 本实验是探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,自变量为CO2浓度(NaHCO3溶液浓度),温度和光照为无关变量,A项错误;当光合作用产生的氧气量大于细胞呼吸消耗的氧气量时,叶圆片上浮,叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率,B项正确;四组实验中, 0.5%NaHCO3溶液中叶圆片上浮需要的时间最长,光合速率最低,C项错误;由于低温会使酶的活性降低,若在4 ℃条件下进行本实验,净光合速率会降低,故各组叶圆片上浮所需时长均会延长,D项错误。
角度拓展 (1)用溴麝香草酚蓝溶液检测发酵液中酒精含量的多少,可判断酵母菌的呼吸方式。[2022·江苏卷]( )(2)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 。[2022·全国卷乙] 提示 初期光合速率大于呼吸速率,之后光合速率等于呼吸速率
专项命题——重培优【从新情境角度命题】特殊环境下的光合作用类型命题情境 1.光呼吸光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisc。在暗反应中,Rubisc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Rubisc,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:
2.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,不能满足叶肉细胞光合作用对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。
3.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。
4.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)。
练真题·明考向1.(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Rubisc酶对CO2的Km为450 μml·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 μml·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)。 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Rubisc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)某研究所将蓝细菌的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。
练模拟·提能力2.(2023·福建泉州永春期末)光合作用暗反应过程中,CO2与RuBP在Rubisc的催化下生成3-磷酸甘油酸。O2与CO2竞争性结合RuBP,O2与RuBP反应后生成磷酸乙醇酸,最终释放CO2,该过程称为光呼吸。正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,CO2释放量突然增加,称为“二氧化碳的猝发”。下列说法正确的是( )A.光照过强气孔关闭,若植物呼吸强度不变,则CO2的产生量减少B.光呼吸会消耗有机物,对植物生长不利,应该抑制C.突然停止光照,磷酸乙醇酸的生成量增加D.O2与RuBP反应的过程必须在光下进行
解析 光照过强导致气孔关闭,O2与RuBP反应后释放CO2,若此时植物呼吸强度不变,则CO2的产生量增多,A项错误;光合作用中光反应的产物是ATP、NADPH和O2,因此光呼吸可以消耗强光下的产物ATP、NADPH和O2,又可防止强光下气孔关闭导致的CO2吸收量减少,避免了细胞间隙CO2浓度过度降低,这在一定程度上起到了保护光合色素免受强光破坏的作用,对植物生长有利,B项错误;根据题干信息可知,正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后,CO2释放量突然增加,O2结合RuBP的概率减小,因此磷酸乙醇酸的生成量减少,C项错误;O2与RuBP反应发生在有光的条件下,D项正确。
3.(2023·广东月考)景天科植物(如景天、落地生根)的叶子有一个很特殊的CO2同化方式:夜间气孔开放,吸收的CO2生成苹果酸(一种有机酸)储存在液泡中,白天气孔关闭,液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用,其部分代谢途径如图所示。下列有关分析错误的是( )A.景天科植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于苹果酸的分解B.由景天科植物特殊的CO2同化方式推测,其可能生活在高温干旱地区C.如果白天适当提高CO2浓度,景天科植物的光合作用速率基本不变D.白天景天科植物叶肉细胞内有机酸和葡萄糖的含量变化趋势可能相反
解析 景天科植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于苹果酸的脱羧作用和细胞呼吸,A项错误;由景天科植物特殊的CO2同化方式推测,其可能生活在高温干旱地区,高温干旱使气孔关闭,特殊的CO2同化方式能保证暗反应的正常进行,不影响光合作用过程,B项正确;如果白天适当提高CO2浓度,景天科植物白天气孔关闭,由苹果酸分解提供CO2,保证其浓度足够进行暗反应,光合作用速率基本不变,C项正确;白天景天科植物叶肉细胞内有机酸(主要为苹果酸)分解,含量降低,光合作用产生葡萄糖,含量增加,D项正确。
4.(2023·湖南长沙明德中学模拟节选)玉米为C4植物,其光合作用的暗反应过程如图所示,酶1为PEP羧化酶,可以固定低浓度的CO2形成C4,酶2为RuBP羧化酶,可以固定高浓度的CO2形成C3,对低浓度的CO2没有固定能力。
图中酶1固定CO2的能力比酶2 (填“强”或“弱”)。小麦叶肉细胞没有酶1催化生成C4的过程,称为C3植物,其光合作用均在叶肉细胞内完成。据上述信息分析,与小麦相比,玉米更适应高温、干旱环境的原因是 。
高温、干旱条件下,气孔部分关闭,叶片内CO2浓度低;玉米和小麦相比含有酶1,可以固定低浓度的CO2正常进行暗反应
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