高三生物一輪復習課件28光合作用與能量轉(zhuǎn)化（第4課時）

光合作用與能量轉(zhuǎn)化第16講CO2濃縮機制外界CO2濃度低Rubisco周圍CO2濃度提高促進CO2固定一輪復習第4課時（共5課時）拓展：CO2濃縮機制卡爾文循環(huán)糖光合生物出現(xiàn)之初CO2濃度高O2濃度低CO2濃度低O2濃度高長時間光合作用Rubisco出現(xiàn)植物進化出了抵御光呼吸的機制CO2濃縮機制原核光合自養(yǎng)生物：碳泵+羧酶體被子植物：C4途徑和CAM途徑1456光呼吸910111213C52C3CO2Rubisco23C3+C2O278Rubisco是催化CO2固定的關鍵酶?，在外界低CO2濃度下，催化效率低。許多自養(yǎng)生物進化出提高細胞內(nèi)CO2濃度的機制，即CO2濃縮機制?，依靠該機制提高了Rubisco所在局部空間位置的CO2濃度，促進了CO2的固定。CO2泵大氣低CO2濃度高CO2濃度卡爾文循環(huán)糖類羧酶體途徑C4途徑CAM途徑C3途徑拓展：CO2濃縮機制不同植物固定CO2途徑存在差異的根本原因是基因多樣性，從進化角度分析是自然選擇的的結果。一、原核光合自養(yǎng)生物的CO2濃縮機制羧酶體碳泵(細胞膜及光合片層膜上)(細胞質(zhì)中）運輸無機碳HCO3-到細胞質(zhì)中運輸CO2并將其轉(zhuǎn)化為HCO3-HCO3-ATPHCO3-CO2HCO3-Na+內(nèi)含碳酸酐酶和Rubisco允許HCO3-進入不允許CO2出去不允許O2進入蛋白外殼Rubisco碳酸酐酶碳泵ATPCO2HCO3-HCO3-Na+HCO3-CO2C52C32C3C5（CH2O）羧酶體碳酸酐酶Rubisco碳泵與羧酶體配合進行CO2濃縮細胞膜O2高低HCO3-受阻受阻光合片層1.Rubisco是光合作用過程中催化CO2固定的酶，但其也能催化O2與C5結合，形成C3和C2，導致光合效率下降。CO2與O2競爭性結合Rubisco的同一活性位點，因此提高CO2濃度可以提高光合效率。藍細菌具有CO2濃縮機制，如下圖所示。為提高煙草的光合速率，向煙草內(nèi)轉(zhuǎn)入藍細菌Rubisco的編碼基因和羧化體外殼蛋白的編碼基因。以下說法正確的是（）注：羧化體具有蛋白質(zhì)外殼，可限制氣體擴散A.據(jù)圖分析，CO2通過細胞膜與光合片層膜是順濃度梯度的B.藍細菌的CO2濃縮機制既能促進CO2固定，又能抑制O2與C5結合，從而提高光合效率C.將藍細菌Rubisco和羧化體外殼蛋白的編碼基因轉(zhuǎn)入煙草內(nèi)，煙草的光合作用可明顯提升D.若藍細菌羧化體可在煙草中發(fā)揮作用并參與暗反應，應能利用高倍顯微鏡在轉(zhuǎn)基因煙草細胞的葉綠體中觀察到羧化體B2.催化CO2和C5結合的酶(Rubisco)是一種雙功能酶，在O2濃度高時也能催化O2和C5結合,引發(fā)光呼吸，導致光合效率降低。研究發(fā)現(xiàn)，藍細菌具有羧酶體，可降低其光呼吸。下圖為藍細菌的結構模式圖及部分代謝過程示意圖。請回答下列問題。(1)藍細菌的遺傳物質(zhì)存在的場所有____________(填圖1中序號),其光合片層相當于葉綠體中__________________的功能。①③類囊體(薄膜)(2)藍細菌暗反應的場所有________________________。圖中A物質(zhì)是______，C物質(zhì)的作用有__________________________。細胞質(zhì)基質(zhì)和羧酶體H+提供能量和還原劑(3)結合圖示和所學知識分析，藍細菌光呼吸較低的原因有______。a.藍細菌有碳泵等多個無機碳運輸途徑，能使細胞中的CO2濃度保持在較高水平b.羧酶體的外殼會阻止O2進入、CO2逃逸，保持羧酶體內(nèi)高CO2濃度環(huán)境c.藍細菌無線粒體，無法通過有氧呼吸消耗O2、產(chǎn)生CO2，胞內(nèi)O2/CO2較高ab

3.Rubisco是光合作用過程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2與C5結合，形成C3和C2，導致光合效率下降。CO2與O2競爭性結合Rubisco的同一活性位點，因此提高CO2濃度可以提高光合效率。注：羧化體具有蛋白質(zhì)外殼，可限制氣體擴散據(jù)圖分析，CO2依次以___________和___________方式通過細胞膜和光合片層膜。藍細菌的CO2濃縮機制可提高羧化體中Rubisco周圍的CO2濃度，從而通過促進___________和抑制____________________提高光合效率。(1)藍細菌具有CO2濃縮機制，如下圖所示。自由擴散主動運輸CO2固定O2與C5結合（2）向煙草內(nèi)轉(zhuǎn)入藍細菌Rubisco的編碼基因和羧化體外殼蛋白的編碼基因。若藍細菌羧化體可在煙草中發(fā)揮作用并參與暗反應，應能利用電子顯微鏡在轉(zhuǎn)基因煙草細胞的___________中觀察到羧化體。（3）研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因煙草的光合速率并未提高。若再轉(zhuǎn)入HCO3-和CO2轉(zhuǎn)運蛋白基因并成功表達和發(fā)揮作用，理論上該轉(zhuǎn)基因植株暗反應水平應___________，光反應水平應___________，從而提高光合速率。葉綠體提高提高二、C4途徑的CO2濃縮機制C3C4C4C3C52C3CO2卡爾文循環(huán)PEP羧化酶C4途徑C3途徑第1棒第2棒C4循環(huán)CO2ATPNADPH糖類（低濃度）（高濃度）1.C4植物的CO2固定是一場接力賽Rubisco固定CO2能力強ATP123465C3C4C4C3C52C3ATPNADPH糖類PEP羧化酶CO2CO2葉肉細胞維管束鞘細胞C4途徑C3途徑CO2胞間連絲光卡爾文循環(huán)C4循環(huán)少多2.C4植物的CO2固定發(fā)生在兩種細胞中光RubiscoATP123478563.C3植物與C4植物葉片結構的特點C4植物葉片結構C3植物葉片結構柵欄組織海綿組織維管束葉肉細胞維管束鞘細胞維管束維管束鞘細胞葉肉細胞“花環(huán)型”排列有葉綠體(基粒不發(fā)達)無葉綠體有葉綠體(基粒發(fā)達)有葉綠體(基粒發(fā)達)PEP(C3)丙酮酸(C3)OAA(C4)蘋果酸(C4)OAA(C4)CO2丙酮酸(C3)丙酮酸(C3)蘋果酸(C4)蘋果酸(C4)CO2丙酮酸(C3)糖類葉綠體葉肉細胞維管束鞘細胞PEP(C3)PEP羧化酶C5C3葉綠體ATPPEP：磷酸烯醇式丙酮酸OAA：草酰乙酸4.最常見的C4植物的CO2固定12345678910115.C4植物是在高溫和高光強條件下發(fā)展起來①PEP羧化酶固定CO2的能力比RuBP羧化酶(Rubisco)固定CO2的能力強，C4植物的CO2補償點低，能利用低濃度CO2。高溫條件下CO2溶解度低，高溫干旱使氣孔關閉，在這樣的條件下C4植物還能利用細胞間隙中的含量很低的CO2，進行光合作用。C4途徑具有相當于CO2泵的功能?！m應高溫環(huán)境C3C4C4C3C52C3CO2卡爾文循環(huán)PEP羧化酶C4循環(huán)CO2ATPNADPH糖類（低濃度）（高濃度）RubiscoATP②C4途徑具有CO2泵的功能，使維管束細胞中RuBP化酶/加氧酶(Rubisco)處于較高的CO2濃度條件下，起羧化酶的作用，抑制了光呼吸，所以C4植物光呼吸較C3植物低?！m應高光強環(huán)境C3C4C4C3C52C3CO2卡爾文循環(huán)PEP羧化酶C4循環(huán)CO2ATPNADPH糖類（低濃度）（高濃度）RubiscoATP③C4植物適應于高溫、高光強，所以光飽和點高，光合速率隨光強增高而上升的幅度較大，較C3植物光合速率高。C4植物光合作用最適溫度在30~47℃，顯著高于C3植物。光強光合速率C4植物C3植物C4植物是適應于干熱條件下的高光效植物，能在不影響固定CO2的同時減少水分的散失，產(chǎn)量高。但在光照強度和溫度較低的條件下，C4植物的光合效率可能并不比C3植物高，因為C4植物光合碳循環(huán)中消耗的ATP較C3植物多。C3C4C4C3C52C3CO2卡爾文循環(huán)PEP羧化酶C4循環(huán)CO2ATPNADPH糖類（低濃度）（高濃度）RubiscoATPCO2PEP(C3)OAA(C4)蘋果酸(C4)磷酸丙糖淀粉蘋果酸(C4)蘋果酸(C4)CO2蘋果酸(C4)丙酮酸(C3)ATP液泡葉綠體夜間白天CO2氣孔開放氣孔關閉干旱地區(qū)植物的CO2濃縮機制三、CAM途徑的CO2濃縮機制C52C3酶1酶2酶1:PEP羧化酶酶2:RuBP羧化酶（Rubisco）PEP:磷酸烯醇式丙酮酸OAA:草酰乙酸PEP植物類型C3植物C4植物CAM植物代表植物小麥、水稻玉米、高粱仙人掌、蘆薈碳同化途徑C3途徑(卡爾文循環(huán))C4途徑→C3途徑CAM(C4)途徑→C3途徑CO2固定酶RubiscoRubiscoPEP羧化酶RubiscoPEP羧化酶CO2最初受體RuBP(C5)PEP(C3)PEP(C3)CO2最初固定產(chǎn)物3-磷酸甘油酸(C3)草酰乙酸(C4)暗中：草酰乙酸(C4)光下：3-磷酸甘油酸(C3)光呼吸高低低1.根據(jù)光合作用中CO2的固定方式不同，可將植物分為C3植物和C4植物等類型。C4植物的CO2補償點比C3植物的低。CO2補償點通常是指環(huán)境CO2濃度降低導致光合速率與呼吸速率相等時的環(huán)境CO2濃度。回答下列問題。1）不同植物（如C3植物和C4植物）光合作用光反應階段的產(chǎn)物是相同的，光反應階段的產(chǎn)物是____________________________（答出3點即可）。O2、NADPH和ATP2）正常條件下，植物葉片光合產(chǎn)物不會全部運輸?shù)狡渌课唬蚴莀_______________________________________（答出1點即可）。自身呼吸消耗或建造植物體結構3）干旱會導致氣孔開度減小，研究發(fā)現(xiàn)在同等程度干旱條件下，C4植物比C3植物生長得好。從兩種植物CO2補償點的角度分析，可能的原因是__________________________________________________________________。C4植物的CO2補償點低于C3植物，C4植物能夠利用較低濃度的CO22.早期地球大氣中的O2濃度很低，到了大約3.5億年前，大氣中O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降。現(xiàn)在大氣中的CO2濃度約390μmol·mol-1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一種催化CO2固定的酶，在低濃度CO2條件下，催化效率低。有些植物在進化過程中形成了CO2濃縮機制，極大地提高了Rubisco所在局部空間位置的CO2濃度，促進了CO2的固定。回答下列問題：1)真核細胞葉綠體中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成___________，進而被還原生成糖類，此過程發(fā)生在________________中。三碳化合物葉綠體基質(zhì)2)海水中的無機碳主要以CO2和HCO3-兩種形式存在，水體中CO2濃度低、擴散速度慢，有些藻類具有圖1所示的無機碳濃縮過程，圖中HCO3-濃度最高的場所是__________（填“細胞外”或“細胞質(zhì)基質(zhì)”或“葉綠體”），可為圖示過程提供ATP的生理過程有_____________________________。呼吸作用和光合作用葉綠體3）某些植物還有另一種CO2濃縮機制，部分過程見圖2。在葉肉細胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）可將HCO3-轉(zhuǎn)化為有機物，該有機物經(jīng)過一系列的變化，最終進入相鄰的維管束鞘細胞釋放CO2，提高了Rubisco附近的CO2濃度。①由這種CO2濃縮機制可以推測，PEPC與無機碳的親和力________(填“高于”或“低于”或“等于”)Rubisco。PEP:磷酸烯醇式丙酮酸，OAA:草酰乙酸，Mal:蘋果酸，Pyr:丙酮酸圖2高于③若要通過實驗驗證某植物在上述CO2濃縮機制中碳的轉(zhuǎn)變過程及相應場所，可以使用______________技術。②圖2所示的物質(zhì)中，可由光合作用光反應提供的是___________。圖中由Pyr轉(zhuǎn)變?yōu)镻EP的過程屬于_____（填“吸能反應”或“放能反應”）。NADP和ATP吸能同位素示蹤PEP:磷酸烯醇式丙酮酸，OAA:草酰乙酸，Mal:蘋果酸，Pyr:丙酮酸圖24）通過轉(zhuǎn)基因技術或蛋白質(zhì)工程技術，可能進一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有__________。A.改造植物的HCO3-轉(zhuǎn)運蛋白基因，增強HCO3-的運輸能力B.改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成C.改造植物的Rubisco基因，增強CO2固定能力D.將CO2濃縮機制相關基因轉(zhuǎn)入不具備此機制的植物AC3.生活在干旱地區(qū)的一些植物（如植物甲）具有特殊的CO2固定方式。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2，吸收的CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：（1）白天葉肉細胞產(chǎn)生ATP的場所有___________________________________。光合作用所需的CO2來源于蘋果酸脫羧和______________釋放的CO2。（2）氣孔白天關閉、晚上打開是這類植物適應干旱環(huán)境的一種方式，這種方式既能防止______________________________________________，又能保證_____________________正常進行。細胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體基質(zhì)、線粒體內(nèi)膜、葉綠體類囊體薄膜細胞呼吸蒸騰作用過強導致水分散失過多光合作用3.生活在干旱地區(qū)的一些植物（如植物甲）具有特殊的CO2固定方式。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2，吸收的CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關閉，液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：（3）若以pH作為檢測指標，請設計實驗來驗證植物甲在干旱環(huán)