高三生物二輪復(fù)習(xí)光合呼吸拓展光呼吸C3C4CAM

光呼吸是指葉肉細(xì)胞在光照和高氧低二氧化碳的情況下發(fā)生的一種吸收O2產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象。光呼吸現(xiàn)象產(chǎn)生的分子機(jī)制是O2和CO2競爭Rubisco酶。在暗反應(yīng)中，Rubisco酶能夠以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酶，在光的驅(qū)動下將碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一個高耗能的反應(yīng)，正常生長條件下光呼吸就可損耗掉光合產(chǎn)物的25%～30%，導(dǎo)致凈光合速率下降?？茖W(xué)家在基因工程方面做出多種嘗試，試求降低植物的光呼吸，促進(jìn)植物成長。但是后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，光呼吸可補(bǔ)充由于氣孔部分關(guān)閉而造成的CO2不足問題,可消除多余的NADPH和ATP，減少細(xì)胞受損的可能，有其正面意義。（有數(shù)據(jù)表明，植物體在低濃度CO2情況下，葉綠體內(nèi)NADPH／NADP+比值較高，會導(dǎo)致更多自由基生成，使葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能受到損傷。）1.光呼吸對植物體的意義是？

光呼吸可減少自由基的形成，使葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能免受損傷，對植物有保護(hù)作用；光呼吸過程產(chǎn)生的CO2可保持CO2濃度低時暗反應(yīng)的運轉(zhuǎn)等。（2）回收碳元素。2分子的C2形成1分子的C3和CO2，這1分子C3通過光呼吸過程又返回到卡爾文循環(huán)中，不至于全部流失掉。即通過光呼吸回收了3/4的碳元素。2.抑制光呼吸對農(nóng)作物生產(chǎn)的意義是？

抑制光呼吸可以減少其對ATP和NADPH和C5的消耗，有利于植物進(jìn)行卡爾文循環(huán)合成糖類，從而使農(nóng)作物增產(chǎn)C4途徑：研究玉米的葉片結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，玉米的維管束鞘細(xì)胞和葉肉細(xì)胞緊密排列(如圖1)。葉肉細(xì)胞中的葉綠體有類囊體能進(jìn)行光反應(yīng)，同時，CO2被整合到C4化合物中，隨后C4化合物進(jìn)入維管束鞘細(xì)胞，維管束鞘細(xì)胞中沒有完整的葉綠體，在維管束鞘細(xì)胞中，C4化合物釋放出的CO2參與卡爾文循環(huán)，進(jìn)而生成有機(jī)物(如圖2)。PEP羧化酶被形象地稱為“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有較強(qiáng)光合作用(特別是在高溫、光照強(qiáng)烈、干旱條件下)能力，并且無光合午休現(xiàn)象。常見C4植物有玉米、甘蔗、高粱、莧菜等。拓展一---C3植物、C4植物和CAM植物草酰乙酸胞間連絲蘋果酸CAM途徑：CAM（景天酸代謝途徑）植物夜間吸進(jìn)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(jìn)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(xì)胞液pH下降。

而白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中脫羧，放出CO2，進(jìn)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(jìn)一步氧化釋放CO2，又可進(jìn)入C3途徑。從而表現(xiàn)出白天淀粉增加，蘋果酸減少，細(xì)胞液pH上升。常見的CAM植物有菠蘿、蘆薈、蘭花、百合、仙人掌等。C3植物、C4植物和CAM植物植物在進(jìn)化過程中形成了下列幾種常見的光合作用模式。請回答下列相關(guān)問題：(1)據(jù)圖分析，C3途徑、C4途徑和景天酸代謝途徑反應(yīng)過程既有共同點，也有差異。三者都能在暗反應(yīng)過程中將CO2固定為________化合物，并利用____________(場所)產(chǎn)生的____________中的化學(xué)能，合成糖類等有機(jī)物。(2)比較模式二和模式三途徑，CO2的固定次數(shù)分別為________次，固定CO2的物質(zhì)（受體）是

_____其中模式三途徑CO2固定的場所是____________________。(3)RUBP羧化酶和PEP羧化酶分別是C3途徑和C4途徑固定CO2的兩種關(guān)鍵酶。RUBP羧化酶是一種雙功能酶，既能固定CO2，又能催化C5與O2結(jié)合發(fā)生氧化分解。催化方向取決于CO2和O2的濃度，推測當(dāng)O2與CO2的比值________(填“高”或“低”)時有利于光合作用而降低光呼吸。玉米作為C4植物，中午不會出現(xiàn)光合作用“午休”現(xiàn)象，其原因是________。(4)仙人掌以其特有的光合作用模式適應(yīng)沙漠環(huán)境，是長期________的結(jié)果，根據(jù)仙人掌生活的環(huán)境特點推斷其光合作用的模式為模式________(填“一”“二”或“三”)。判斷理由是______。(1)C3

類囊體薄膜

ATP、NADPH([H])2，2

PEP、C5

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，葉綠體基質(zhì)(3)低

PEP羧化酶活性高，能固定較低濃度的CO2(4)自然選擇

三沙漠中水分少，白天溫度高，仙人掌白天氣孔關(guān)閉，夜晚氣孔開放吸收CO2并形成蘋果酸，白天利用蘋果酸脫羧產(chǎn)生的CO2進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物總結(jié)：C3植物、C4植物和CAM植物的比較特征C3植物C4植物CAM植物與CO2結(jié)合的物質(zhì)RuBP(C5)PEPPEPCO2固定的最初產(chǎn)物C3C4草酰乙酸CO2固定的時間白天白天夜晚和白天光反應(yīng)的場所葉肉細(xì)胞類囊體薄膜葉肉細(xì)胞類囊體薄膜葉肉細(xì)胞類囊體薄膜卡爾文循環(huán)的場所葉肉細(xì)胞的葉綠體基質(zhì)維管束鞘細(xì)胞的葉綠體基質(zhì)葉肉細(xì)胞的葉綠體基質(zhì)有無光合午休有無無二.C3植物、C4植物和CAM植物C3途徑是碳同化的基本途徑，C4途徑和CAM途徑都只起固定CO2的作用，最終還是通過C3途徑合成有機(jī)物。思考：（1）景天科植物白天葉肉細(xì)胞進(jìn)行卡爾文循環(huán)時所需要的CO2來自于

（答出兩種）等物質(zhì)的分解。葉肉細(xì)胞中能夠同時進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)，而不會互相干擾，從細(xì)胞結(jié)構(gòu)上分析，原因是

。其葉肉細(xì)胞中，能夠產(chǎn)生ATP的場所是

。ATP能夠作為細(xì)胞中絕大多數(shù)生命活動的直接能源物質(zhì)，原因是

。（2）景天科植物在夜晚黑暗條件下____（填“能”或“不能”）制造O2，理由是

。（3）景天科植物在夜晚黑暗條件下____（填“能”或“不能”）制造有機(jī)物，理由是

。（4）植物氣孔開閉的特點與其生活環(huán)境是相適應(yīng)的，推測景天科植物生活環(huán)境最可能是______，從進(jìn)化角度看，這種特點的形成是______的結(jié)果。（1）蘋果酸、丙酮酸

由于細(xì)胞內(nèi)具有生物膜系統(tǒng)，使各個具膜細(xì)胞器成為相對獨立的小室，故能夠同時進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)，而不會互相干擾。P52

葉綠體、線粒體和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)

含有高能磷酸鍵，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、遠(yuǎn)離A的高能磷酸鍵容易水解釋放能量p86

（2）不能O2是光反應(yīng)階段產(chǎn)生的，夜晚沒有光照，不能進(jìn)行光反應(yīng)

（3）不能

沒有光照，光反應(yīng)不能進(jìn)行，無法為暗反應(yīng)提供ATP和NADPH

（4）炎熱干旱

自然選擇

景天科植物（2021·濰坊一模）景天科植物具有獨特的晝夜節(jié)律，在晚上植物體內(nèi)蘋果酸含量升高，糖分含量下降；白天則相反，酸度下降，糖分增多；相應(yīng)的代謝途徑被稱為CAM途徑，具有此類代謝途徑的植物稱為CAM植物。圖Ⅰ為一晝夜大葉落葉生根（一種CAM植物）CO2吸收速率變化情況，圖2為相同時間段內(nèi)該植物凈光合速率的變化情況。

（1）據(jù)圖推測，CAM植物的氣孔在______________（填“白天”或“晚上”）開放，細(xì)胞中________很可能是臨時儲存CO2的載體。（2）研究發(fā)現(xiàn)，CAM植物細(xì)胞中的CO2最早被磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）固定，生成草酰乙酸（OAA），再進(jìn)一步被還原并大量積累于液泡中。為保證CAM途徑的持續(xù)進(jìn)行，物質(zhì)______________（填英文字母簡稱）應(yīng)通過一定化學(xué)反應(yīng)不斷重新生成并釋放到細(xì)胞質(zhì)中。該途徑可通過_________________法追蹤C(jī)元素的轉(zhuǎn)移路徑加以證實。（3）分析圖中信息推測，CAM途徑是對_______________（填“干旱”或“濕潤”）環(huán)境的適應(yīng)；該途徑除維持光合作用外，對植物的生理意義還表現(xiàn)在___________________。（4）假設(shè)晝夜溫度不變，若要利用圖2信息計算大葉落葉生根上午10時的實際光合速率，計算的思路是_________。晚上

蘋果酸PEP同位素標(biāo)記

干旱

有效避免白天旺盛的蒸騰作用造成水分過多散失

將晚上的呼吸速率與上午10時的凈光合速率相加即為上午10時的實際光合速率3.（2022·江蘇高考）圖1所示為光合作用過程中部分物質(zhì)的代謝關(guān)系（①～⑦表示代謝途徑）。Rubisco是光合作用的關(guān)鍵酶之一，CO2和O2競爭與其結(jié)合，分別催化C5的羧化與氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5氧化則產(chǎn)生乙醇酸（C2），C2在過氧化物酶體和線粒體協(xié)同下，完成光呼吸碳氧化循環(huán)。請都圖回各下列問題：

（1）圖1中，類囊體膜直接參與的代謝途徑有

（①～⑦），在紅光照射條件下，參與這些途徑的主要色素是

。

（2）在C2循環(huán)途徑中，乙醇酸進(jìn)入過氧化物酶體被繼續(xù)氧化，同時生成的

在過氧化氫酶催化下迅速分解為O2和H2O。

（3）將葉片置于一個密閉小室內(nèi)，分別在CO2濃度為0和0.03%的條件下測定小室內(nèi)CO2濃度的變化，獲得曲線a、b（圖2）。①曲線a，0～t1時段（沒有光照，只進(jìn)行呼吸作用）釋放的CO2源于細(xì)胞呼吸；t1～t2時段，CO2的釋放速度