2025屆高考生物二輪復習【第1部分•核心考點突破】專題2核心考點3光合作用和細胞呼吸的物質和能量轉化學案(新教材)

專題2細胞的物質和能量代謝核心考點3光合作用和細胞呼吸的物質和能量轉化1．光合作用和細胞呼吸過程(1)物質轉變過程圖中b～h表示的物質依次是O2、ATP、ADP、NADPH、C5、CO2、C3。①～⑤表示的生理過程的具體場所依次是類囊體薄膜、葉綠體基質、細胞質基質、線粒體基質、線粒體內膜。(2)相應元素轉移過程元素轉移過程COeq\x(H2O)eq\o(――――――→,\s\up7(光反應),\s\do15(類囊體薄膜))eq\x(O2)eq\o(――――――――――→,\s\up7(有氧呼吸第三階段),\s\do15(線粒體內膜))eq\x(H2O)H(3)能量轉化過程2．外界條件變化時，C5、C3、NADPH、ATP物質的量的變化模式圖(1)光照強度變化(2)CO2濃度變化真題感悟常考題型一細胞呼吸的過程典例1(2023·廣東卷)在游泳過程中，參與呼吸作用并在線粒體內膜上作為反應物的是(A)A．還原型輔酶Ⅰ B．丙酮酸C．氧化型輔酶Ⅰ D．二氧化碳【解析】游泳過程中主要以有氧呼吸提供能量，有氧呼吸的第一階段和第二階段都產生了[H](還原型輔酶Ⅰ)，這兩個階段產生的[H](還原型輔酶Ⅰ)在第三階段經過一系列的化學反應，在線粒體內膜上與氧結合生成水。故選A。典例2(2022·全國甲卷)線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所。研究發(fā)現，經常運動的人肌細胞中線粒體數量通常比缺乏鍛煉的人多。下列與線粒體有關的敘述，錯誤的是(C)A．有氧呼吸時細胞質基質和線粒體中都能產生ATPB．線粒體內膜上的酶可以參與[H]和氧反應形成水的過程C．線粒體中的丙酮酸分解成CO2和[H]的過程需要O2的直接參與D．線粒體中的DNA能夠通過轉錄和翻譯控制某些蛋白質的合成【解析】有氧呼吸的第一階段場所是細胞質基質，第二、三階段在線粒體，三個階段均可產生ATP，故有氧呼吸時細胞質基質和線粒體都可產生ATP，A正確；線粒體內膜是有氧呼吸第三階段的場所，該階段氧氣和[H]反應生成水，該過程需要酶的催化，B正確；丙酮酸分解為CO2和[H]是有氧呼吸第二階段，場所是線粒體基質，該過程需要水的參與，不需要氧氣的參與，C錯誤；線粒體是半自主性細胞器，其中含有少量DNA，可以通過轉錄和翻譯控制蛋白質的合成，D正確。故選C。典例3(2023·全國乙卷)植物可通過呼吸代謝途徑的改變來適應缺氧環(huán)境。在無氧條件下，某種植物幼苗的根細胞經呼吸作用釋放CO2的速率隨時間的變化趨勢如圖所示。下列相關敘述錯誤的是(C)A．在時間a之前，植物根細胞無CO2釋放，只進行無氧呼吸產生乳酸B．a～b時間內植物根細胞存在經無氧呼吸產生酒精和CO2的過程C．每分子葡萄糖經無氧呼吸產生酒精時生成的ATP比產生乳酸時的多D．植物根細胞無氧呼吸產生的酒精跨膜運輸的過程不需要消耗ATP【解析】植物進行有氧呼吸或無氧呼吸產生酒精時都有二氧化碳釋放，圖示在時間a之前，植物根細胞無CO2釋放，分析題意可知，植物可通過呼吸代謝途徑的改變來適應缺氧環(huán)境，據此推知在時間a之前，只進行無氧呼吸產生乳酸，A正確；a階段無二氧化碳產生，b階段二氧化碳釋放較多，a～b時間內植物根細胞存在經無氧呼吸產生酒精和CO2的過程，是植物通過呼吸途徑改變來適應缺氧環(huán)境的體現，B正確；無論是產生酒精還是產生乳酸的無氧呼吸，都只在第一階段釋放少量能量，第二階段無能量釋放，故每分子葡萄糖經無氧呼吸產生酒精時生成的ATP和產生乳酸時相同，C錯誤；酒精跨膜運輸方式是自由擴散，該過程不需要消耗ATP，D正確。故選C。典例4(2023·山東卷)水淹時，玉米根細胞由于較長時間進行無氧呼吸導致能量供應不足，使液泡膜上的H＋轉運減緩，引起細胞質基質內H＋積累，無氧呼吸產生的乳酸也使細胞質基質pH降低。pH降低至一定程度會引起細胞酸中毒。細胞可通過將無氧呼吸過程中的丙酮酸產乳酸途徑轉換為丙酮酸產酒精途徑，延緩細胞酸中毒。下列說法正確的是(B)A．正常玉米根細胞液泡內pH高于細胞質基質B．檢測到水淹的玉米根有CO2的產生不能判斷是否有酒精生成C．轉換為丙酮酸產酒精途徑時釋放的ATP增多以緩解能量供應不足D．轉換為丙酮酸產酒精途徑時消耗的[H]增多以緩解酸中毒【解析】玉米根細胞由于較長時間進行無氧呼吸導致能量供應不足，使液泡膜上的H＋轉運減緩，引起細胞質基質內H＋積累，說明細胞質基質內H＋轉運至液泡需要消耗能量，為主動運輸，逆濃度梯度運輸，液泡中H＋濃度高，正常玉米根細胞液泡內pH低于細胞質基質，A錯誤；玉米根部短時間水淹，根部氧氣含量少，部分根細胞可以進行有氧呼吸產生CO2，檢測到水淹的玉米根有CO2的產生不能判斷是否有酒精生成，B正確；轉換為丙酮酸產酒精途徑時，無ATP的產生，C錯誤；丙酮酸產酒精途徑時消耗的[H]與丙酮酸產乳酸途徑時消耗的[H]含量相同，D錯誤。故選B。歸納提升：對細胞呼吸的場所、過程、條件要精確把握(1)原核生物有氧呼吸的場所是細胞質和細胞膜上。真核生物有氧呼吸的場所是細胞質基質和線粒體。(2)有氧呼吸的第一、二階段不需要O2，只有第三階段需要O2。(3)如果某生物無O2的吸收和CO2的釋放，則該生物只進行無氧呼吸(產物為乳酸)或已死亡。(4)無氧呼吸的產物中沒有水，如果細胞呼吸的產物中有水，則一定是進行了有氧呼吸。(5)由于酵母菌無氧呼吸和有氧呼吸均可以產生CO2，故不能依據有無CO2的產生來判斷酵母菌的細胞呼吸方式。(6)無線粒體的真核細胞(或生物)只能進行無氧呼吸，如哺乳動物的成熟紅細胞；原核細胞無線粒體，但大多數可進行有氧呼吸。常考題型二光合作用的過程典例5(2023·湖北卷)植物光合作用的光反應依賴類囊體膜上PSⅠ和PSⅡ光復合體，PSⅡ光復合體含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究發(fā)現，PSⅡ光復合體上的蛋白質LHCⅡ，通過與PSⅡ結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．葉肉細胞內LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光復合體對光能的捕獲增強B．Mg2＋含量減少會導致PSⅡ光復合體對光能的捕獲減弱C．弱光下LHCⅡ與PSⅡ結合，不利于對光能的捕獲D．PSⅡ光復合體分解水可以產生H＋、電子和O2【解析】葉肉細胞內LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ與PSⅡ分離減少，PSⅡ光復合體對光能的捕獲增強，A正確；Mg2＋是葉綠素的組成成分，其含量減少會導致PSⅡ光復合體上的葉綠素含量減少，導致對光能的捕獲減弱，B正確；弱光下LHCⅡ與PSⅡ結合，增強對光能的捕獲，C錯誤；PSⅡ光復合體能吸收光能，并分解水，水的光解產生H＋、電子和O2，D正確。故選C。典例6(2023·全國乙卷)植物葉片中的色素對植物的生長發(fā)育有重要作用。下列有關葉綠體中色素的敘述，錯誤的是(D)A．氮元素和鎂元素是構成葉綠素分子的重要元素B．葉綠素和類胡蘿卜素存在于葉綠體中類囊體的薄膜上C．用不同波長的光照射類胡蘿卜素溶液，其吸收光譜在藍紫光區(qū)有吸收峰D．葉綠體中的色素在層析液中的溶解度越高，隨層析液在濾紙上擴散得越慢【解析】葉綠素的元素組成是C、H、O、N、Mg，氮元素和鎂元素是構成葉綠素分子的重要元素，A正確；光反應的場所是類囊體的薄膜，需要光合色素吸收光能，葉綠素和類胡蘿卜素存在于葉綠體中類囊體的薄膜上，B正確；類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，用不同波長的光照射類胡蘿卜素溶液，其吸收光譜在藍紫光區(qū)有吸收峰，C正確；葉綠體中的色素在層析液中的溶解度越高，隨層析液在濾紙上擴散得越快，D錯誤。故選D。典例7(2023·山東卷)當植物吸收的光能過多時，過剩的光能會對光反應階段的PSⅡ復合體(PSⅡ)造成損傷，使PSⅡ活性降低，進而導致光合作用強度減弱。細胞可通過非光化學淬滅(NPQ)將過剩的光能耗散，減少多余光能對PSⅡ的損傷。已知擬南芥的H蛋白有2個功能：①修復損傷的PSⅡ；②參與NPQ的調節(jié)。科研人員以擬南芥的野生型和H基因缺失突變體為材料進行了相關實驗，結果如圖所示。實驗中強光照射時對野生型和突變體光照的強度相同，且強光對二者的PSⅡ均造成了損傷。(1)該實驗的自變量為_擬南芥種類、光照強度__。該實驗的無關變量中，影響光合作用強度的主要環(huán)境因素有_CO2濃度、溫度__(答出2個因素即可)。(2)根據本實驗，_不能__(填“能”或“不能”)比較出強光照射下突變體與野生型的PSⅡ活性強弱，理由是_強光照射下突變體的NPQ相對值比野生型的NPQ相對值高，能減少強光對PSⅡ復合體造成損傷。但是野生型含有H蛋白，能對損傷后的PSⅡ進行修復，故不能確定強光照射下突變體與野生型的PSⅡ活性強弱__。(3)據圖分析，與野生型相比，強光照射下突變體中流向光合作用的能量_少__(填“多”或“少”)。若測得突變體的暗反應強度高于野生型，根據本實驗推測，原因是_突變體的NPQ強度大，能夠減少強光對PSⅡ的損傷__?！窘馕觥?1)據題意擬南芥的野生型和H基因缺失突變體為材料進行了相關實驗，結合題圖分析實驗的自變量有擬南芥種類和光照強度。影響光合作用強度的主要環(huán)境因素有CO2濃度、溫度、水分等。(2)據圖分析，強光照射下突變體的NPQ相對值比野生型的NPQ相對值高，能減少強光對PSⅡ復合體造成損傷。但是野生型含有H蛋白，能對損傷后的PSⅡ進行修復，故不能確定強光照射下突變體與野生型的PSⅡ活性強弱。(3)據圖分析，強光照射下突變體中NPQ相對值較大，而NPQ能將過剩的光能耗散，從而使流向光合作用的能量減少；突變體的NPQ強度大，能夠減少強光對PSⅡ的損傷且減少作用大于野生型H蛋白的修復作用，這樣導致突變體的PSⅡ活性高，能為暗反應提供較多的NADPH和ATP促進暗反應進行，因此突變體的暗反應強度高于野生型。典例8(2023·湖南卷)下圖是水稻和玉米的光合作用暗反應示意圖。卡爾文循環(huán)的Rubisco酶對CO2的Km為450μmol·L－1(K越小，酶對底物的親和力越大)，該酶既可催化RuBP與CO2反應，進行卡爾文循環(huán)，又可催化RuBP與O2反應，進行光呼吸(綠色植物在光照下消耗O2并釋放CO2的反應)。該酶的酶促反應方向受CO2和O2相對濃度的影響。與水稻相比，玉米葉肉細胞緊密圍繞維管束鞘，其中葉肉細胞葉綠體是水光解的主要場所，維管束鞘細胞的葉綠體主要與ATP生成有關。玉米的暗反應先在葉肉細胞中利用PEPC酶(PEPC對CO2的Km為7μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)與CO2反應生成C4，固定產物C4轉運到維管束鞘細胞后釋放CO2，再進行卡爾文循環(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物是_3-磷酸甘油醛__(填具體名稱)，該產物跨葉綠體膜轉運到細胞質基質合成_蔗糖__(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通過_維管組織__長距離運輸到其他組織器官。(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控分析，原因是_高光照條件下玉米可以將光合產物及時轉移；玉米的PEPC酶對CO2的親和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通過PEPC酶生成C4，使維管束鞘內的CO2濃度高于外界環(huán)境，抑制玉米的光呼吸__(答出三點即可)。(3)某研究將藍細菌的CO2濃縮機制導入水稻，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。其原因可能是酶的活性達到最大，對CO2的利用率不再提高；受到ATP以及NADPH等物質含量的限制；原核生物和真核生物光合作用機制有所不同(答出三點即可)?！窘馕觥?1)玉米的光合作用過程與水稻相比，雖然CO2的固定過程不同，但其卡爾文循環(huán)的過程是相同的，結合水稻的卡爾文循環(huán)圖解，可以看出CO2固定的直接產物是3-磷酸甘油酸，然后直接被還原成3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛在葉綠體中被轉化成淀粉，在葉綠體外被轉化成蔗糖，蔗糖是植物長距離運輸的主要糖類，蔗糖在長距離運輸時通過維管組織。(2)干旱、高光強時會導致植物氣孔關閉，吸收的CO2減少，而玉米的PEPC酶對CO2的親和力比水稻的Rubisco酶更高；玉米能通過PEPC酶生成C4，使維管束鞘內的CO2濃度高于外界環(huán)境，抑制玉米的光呼吸；且玉米能將葉綠體內的光合產物通過維管組織及時轉移出細胞。因此在干旱、高光照強度環(huán)境下，玉米的光合作用強度高于水稻。(3)將藍細菌的CO2濃縮機制導入水稻葉肉細胞，只是提高了葉肉細胞內的CO2濃度，而植物的光合作用強度受到很多因素的影響；在光飽和條件下如果光合作用強度沒有明顯提高，可能是水稻的酶活性達到最大，對CO2的利用率不再提高，或是受到ATP和NADPH等物質含量的限制，也可能是因為藍細菌是原核生物，水稻是真核生物，二者的光合作用機制有所不同。歸納提升：分析光合作用中