高考生物一輪復(fù)習(xí)必修1微專題3光系統(tǒng)及電子傳遞鏈C3途徑、C4途徑和CAM途徑及光呼吸學(xué)案

微專題3光系統(tǒng)及電子傳遞鏈，C3途徑、C4途徑和CAM途徑及光呼吸1．光系統(tǒng)及電子傳遞鏈光系統(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(guò)程中電子（e－）的傳遞過(guò)程。（1）光系統(tǒng)Ⅱ進(jìn)行水的光解，產(chǎn)生O2和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(guò)電子傳遞鏈：質(zhì)體醌→細(xì)胞色素b6f復(fù)合體→質(zhì)體藍(lán)素→光系統(tǒng)Ⅰ→鐵氧還蛋白→NADPH。（3）電子傳遞過(guò)程是從高電勢(shì)到低電勢(shì)（光系統(tǒng)Ⅱ和Ⅰ中的電子傳遞由于光能的作用，從而逆電勢(shì)傳遞，這是一個(gè)吸能的過(guò)程），因此，電子傳遞過(guò)程中釋放能量，質(zhì)體醌利用這部分能量將質(zhì)子（H＋）逆濃度梯度從類囊體的基質(zhì)側(cè)泵入囊腔側(cè)，從而建立了質(zhì)子濃度（電化學(xué)）梯度。當(dāng)然，光系統(tǒng)Ⅱ在類囊體的囊腔側(cè)進(jìn)行水的光解產(chǎn)生質(zhì)子（H＋）以及在類囊體的基質(zhì)側(cè)H＋和NADP＋形成NADPH的過(guò)程，為建立質(zhì)子濃度（電化學(xué)）梯度也有所貢獻(xiàn)。（4）類囊體膜對(duì)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(guò)ATP合酶順濃度梯度流出，而ATP合酶利用質(zhì)子順濃度梯度流出時(shí)產(chǎn)生的能量來(lái)合成ATP。2．C3途徑、C4途徑和CAM途徑不同的植物，暗反應(yīng)的過(guò)程不同，葉片的解剖結(jié)構(gòu)也不相同。這是植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。C3途徑、C4途徑和CAM途徑是因CO2的固定這一過(guò)程的不同而劃分的。（1）C3途徑：C3途徑是碳同化的基本途徑，也稱為卡爾文循環(huán)，可合成糖類、淀粉等多種有機(jī)物。C4途徑和CAM途徑都只起固定CO2的作用，最終還是通過(guò)C3途徑合成光合產(chǎn)物等。通過(guò)C3途徑固定CO2的植物稱為C3植物。C3植物屬于高光呼吸植物類型，光合速率較低，其種類多，分布廣，多生長(zhǎng)于暖濕條件下，如大多數(shù)樹(shù)木、糧食類植物、煙草等。（2）C4途徑：通過(guò)C4途徑固定CO2的植物稱為C4植物，主要生長(zhǎng)于干旱熱帶地區(qū)。在這種環(huán)境中，植物若長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)放氣孔吸收CO2，會(huì)導(dǎo)致水分通過(guò)蒸騰作用散失過(guò)快。所以，植物只能短時(shí)間開(kāi)放氣孔，CO2的攝入量必然少。植物必須利用這少量的CO2進(jìn)行光合作用，合成自身生長(zhǎng)所需的物質(zhì)。C4植物對(duì)CO2的兩次固定在空間上是分開(kāi)的：在葉肉細(xì)胞內(nèi)固定CO2，在維管束鞘細(xì)胞內(nèi)同化CO2。（3）景天酸代謝：CAM途徑。CAM途徑指生長(zhǎng)在熱帶或亞熱帶干旱及半干旱地區(qū)的一些肉質(zhì)植物所具有的一種光合固定CO2的附加途徑。具有這種途徑的植物稱為CAM植物。CAM植物氣孔只有晚上開(kāi)放，將CO2生成蘋果酸等進(jìn)行固定；白天氣孔關(guān)閉，蘋果酸等則由液泡轉(zhuǎn)入葉綠體中再釋放CO2，通過(guò)卡爾文循環(huán)轉(zhuǎn)變成糖。這是植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)。CAM植物對(duì)CO2的兩次固定在時(shí)間上是分開(kāi)的：在晚上固定CO2，在白天同化CO2。3．光呼吸光呼吸現(xiàn)象產(chǎn)生的分子機(jī)制是O2和CO2競(jìng)爭(zhēng)Rubisco。在暗反應(yīng)中，Rubisco能夠以CO2為底物實(shí)現(xiàn)CO2的固定；在光照下，當(dāng)O2濃度高、CO2濃度低時(shí)，O2會(huì)競(jìng)爭(zhēng)Rubisco，在光的驅(qū)動(dòng)下將碳水化合物氧化生成CO2和水。光呼吸是一個(gè)高耗能的反應(yīng)，正常生長(zhǎng)條件下光呼吸就可損耗掉光合產(chǎn)物的25%～30%。過(guò)程如下圖所示：光呼吸對(duì)生物體有一定的危害。首先，在較強(qiáng)光下，光呼吸加強(qiáng)，使C5氧化分解加強(qiáng)，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。其次，光呼吸過(guò)程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的損耗。其實(shí)光呼吸和卡爾文循環(huán)是一種動(dòng)態(tài)平衡，適當(dāng)?shù)墓夂粑鼘?duì)植物體有一定積極意義：光呼吸可以回收碳元素，防止強(qiáng)光對(duì)葉綠體造成破壞。1．（2021·重慶選擇考）下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(cuò)誤的是（）A．水光解產(chǎn)生的O2若被有氧呼吸利用，至少要穿過(guò)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：選A。水光解產(chǎn)生O2的場(chǎng)所是葉綠體的類囊體薄膜，若被有氧呼吸利用，其場(chǎng)所是線粒體內(nèi)膜，O2從葉綠體類囊體薄膜開(kāi)始，穿過(guò)葉綠體2層膜，然后進(jìn)入同一細(xì)胞中的線粒體，經(jīng)過(guò)外膜后就到達(dá)了內(nèi)膜，所以至少要穿過(guò)5層膜，A項(xiàng)錯(cuò)誤；光反應(yīng)中NADP＋與電子（e－）和質(zhì)子（H＋）結(jié)合形成NADPH，提供給暗反應(yīng)使用，B項(xiàng)正確；由題圖可知，產(chǎn)生的ATP可用于暗反應(yīng)以及核酸代謝、色素合成等其他消耗能量的反應(yīng)，C項(xiàng)正確；電子（e－）的有序傳遞是完成光能轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，D項(xiàng)正確。2．原本生活在干旱地區(qū)的多肉植物，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其CO2固定過(guò)程非常特殊，被稱為景天酸代謝途徑。其光合作用產(chǎn)生的中間產(chǎn)物蘋果酸在CO2的固定和利用過(guò)程中起重要作用，過(guò)程如下圖所示。據(jù)圖分析，下列敘述錯(cuò)誤的是（）A．進(jìn)行景天酸代謝的植物白天進(jìn)行光反應(yīng)，積累ATP和NADPH，晚上進(jìn)行暗反應(yīng)合成有機(jī)物B．圖示的代謝方式可以有效地避免植物由蒸騰過(guò)度導(dǎo)致的脫水，從而使該類植物適應(yīng)干旱環(huán)境C．與常見(jiàn)的C3代謝途徑植物相比，夜間更適于放置在室內(nèi)的是進(jìn)行景天酸代謝途徑的植物D．多肉植物在其原生地環(huán)境中，其液泡中的pH會(huì)呈現(xiàn)白天升高、晚上降低的周期性變化解析：選A。白天在光照條件下，進(jìn)行景天酸代謝的植物通過(guò)光反應(yīng)生成NADPH和ATP，用于暗反應(yīng)，晚上植物沒(méi)有NADPH和ATP的供應(yīng)，暗反應(yīng)不能進(jìn)行，A項(xiàng)錯(cuò)誤；圖示景天酸代謝途徑，白天氣孔關(guān)閉減少水分散失，可以有效地避免植物由蒸騰過(guò)度導(dǎo)致的脫水，從而使該類植物適應(yīng)干旱環(huán)境，B項(xiàng)正確；由于進(jìn)行景天酸代謝途徑的植物晚上氣孔開(kāi)放，不斷吸收CO2用于合成蘋果酸，空氣中的CO2減少，因此，與常見(jiàn)的C3代謝途徑植物相比，夜間更適于放置在室內(nèi)的是進(jìn)行景天酸代謝途徑的植物，C項(xiàng)正確；多肉植物在晚上吸收CO2生成蘋果酸儲(chǔ)存在液泡中（pH降低），白天蘋果酸分解產(chǎn)生CO2用于暗反應(yīng)（pH升高），因此其液泡中的pH會(huì)呈現(xiàn)白天升高、晚上降低的周期性變化，D項(xiàng)正確。3．（2024·佛山高三月考）光照條件下，葉肉細(xì)胞中O2與CO2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合C5，O2與C5結(jié)合后經(jīng)一系列反應(yīng)釋放CO2的過(guò)程稱為光呼吸。光呼吸可以明顯地減弱光合作用，降低作物產(chǎn)量，沒(méi)有ATP或NADPH的生成，是一個(gè)消耗能量的過(guò)程。光呼吸是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中為了適應(yīng)環(huán)境變化、提高抗逆性而形成的一條代謝途徑，具有重要的生理意義。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A．光呼吸的生理作用在于干旱和過(guò)強(qiáng)光照下，能減少細(xì)胞受損的可能B．正常進(jìn)行光合作用的水稻，突然停止光照，葉片CO2釋放量先增加后減少C．光呼吸會(huì)消耗有機(jī)物，適當(dāng)抑制光呼吸可以增加作物產(chǎn)量D．光合作用的產(chǎn)物淀粉和蔗糖都可以進(jìn)入篩管，通過(guò)韌皮部運(yùn)輸?shù)街仓旮魈幗馕觯哼xD。光呼吸的生理作用在于干旱和過(guò)強(qiáng)光照下，能減少細(xì)胞受損的可能，A項(xiàng)正確；光照停止，光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH和ATP減少，暗反應(yīng)過(guò)程中的C5含量減少，C5和O2結(jié)合增加，產(chǎn)生的CO2增多，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，C5被消耗殆盡，最終葉片釋放的CO2全部來(lái)自葉片細(xì)胞呼吸所釋放的CO2，B項(xiàng)正確；光呼吸會(huì)消耗有機(jī)物，適當(dāng)抑制光呼吸可以增加作物產(chǎn)量，C項(xiàng)正確；光合作用的產(chǎn)物一部分是淀粉，還有一部分是蔗糖，蔗糖可進(jìn)入篩管，再通過(guò)韌皮部運(yùn)輸?shù)街仓旮魈?，D項(xiàng)錯(cuò)誤。4．（2023·深圳高三二模）植物消耗氧氣，將RuBP（C5）轉(zhuǎn)化成CO2的過(guò)程稱作光呼吸。RuBP羧化酶/加氧酶（Rubisco）不僅能催化CO2與RuBP進(jìn)行羧化反應(yīng)，還能催化氧氣與RuBP的氧化反應(yīng)，相關(guān)過(guò)程如下圖所示。回答下列問(wèn)題。（1）Rubisco催化RuBP的羧化反應(yīng)發(fā)生在真核細(xì)胞的（填具體部位），這一過(guò)程稱作，反應(yīng)形成的產(chǎn)物被還原為糖類。（2）當(dāng)CO2與O2的比值（填“較高”或“較低”）時(shí)，更有利于植物進(jìn)行羧化反應(yīng)。對(duì)農(nóng)作物的研究表明甲醇可以抑制光呼吸，已知植物細(xì)胞的光呼吸與乙醇酸氧化酶活性呈正相關(guān)，結(jié)合題干信息推測(cè)，甲醇抑制光呼吸的機(jī)制是________________________。（3）在小麥、水稻等C3作物中，光呼吸導(dǎo)致光合作用的轉(zhuǎn)化效率降低20%～50%，根據(jù)Rubisco的特性，改良作物的措施有____________________________（答出2點(diǎn)即可）。解析：（1）RuBP羧化酶/加氧酶能催化CO2與RuBP進(jìn)行羧化反應(yīng)，CO2與RuBP反應(yīng)的過(guò)程被稱為CO2的固定，發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中，CO2與RuBP反應(yīng)的產(chǎn)物（C3）接受ATP和NADPH釋放的能量，并且被NADPH還原，轉(zhuǎn)化為糖類。（2）當(dāng)CO2的含量較高時(shí)，CO2更容易與RuBP進(jìn)行羧化反應(yīng)，故當(dāng)CO2與O2的比值較高時(shí)，更有利于植物進(jìn)行羧化反應(yīng)。甲醇可以抑制光呼吸，且植物細(xì)胞的光呼吸與乙醇酸氧化酶活性呈正相關(guān)，故可推測(cè)甲醇通過(guò)抑制乙醇酸氧化酶的活性來(lái)抑制光呼吸。（3）為了降低植物的光呼吸，可以改造Rubisco，使其具有更高的CO2親和力和催化效率；改進(jìn)植物濃縮CO2的機(jī)制，提升Rubisco附近的CO2濃度。答案：（1）葉綠體基質(zhì)CO2的固定NADPH（還原型輔酶Ⅱ）（2）較高通過(guò)抑制乙醇酸氧化酶的活性來(lái)抑制光呼吸（3）改造Rubisco，使其具有更高的CO2親和力和催化效率；改進(jìn)植物濃縮CO2的機(jī)制，提升Rubisco附近的CO2濃度5．（2024·深圳高三調(diào)研）有研究表明，大氣中CO2濃度上升會(huì)提高C3植物（如小麥、水稻等）的光合速率，但對(duì)C4植物（如玉米、甘蔗等）的光合速率未產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)光照強(qiáng)度持續(xù)增加時(shí)，C3植物的光合速率不再增加，C4植物的光合速率仍可增加（注：進(jìn)行光合作用時(shí)，CO2首先被固定在C4中，然后才轉(zhuǎn)移到C3中，這類植物稱為C4植物，CO2直接固定在C3中的植物稱為C3植物）。下圖為C4植物光合作用過(guò)程示意圖?；卮鹣铝袉?wèn)題。（1）植物光合作用的光反應(yīng)在葉肉細(xì)胞的（填具體部位）上發(fā)生，產(chǎn)生的（填具體物質(zhì)）為卡爾文循環(huán)提供能量。（2）根據(jù)題干推測(cè)，在一般條件下，C4植物的CO2飽和點(diǎn)（光合速率不再隨CO2濃度增加而增加時(shí)的CO2濃度）（填“大于”“等于”或“小于”）C3植物的，其光飽和點(diǎn)（光合速率不再隨光照強(qiáng)度增加而增加時(shí)的光照強(qiáng)度）（填“大于”“等于”或“小于”）C3植物的。（3）大氣中CO2濃度上升能夠提高C3植物的光合作用效率，但對(duì)C4植物無(wú)明顯影響。據(jù)上圖分析可能的原因是___________________________________。（4）有人認(rèn)為干旱環(huán)境對(duì)C4植物光合作用的影響比C3植物的小，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一結(jié)論，寫出實(shí)驗(yàn)