生物第二单元 生命系统的代谢基础 二 两大基础代谢——光合作用和呼吸作用

专题二专题二 两大基础代谢两大基础代谢光合作用和呼吸作用光合作用和呼吸作用u知识主线自主检索u再悟高考重点提炼考点一考点一 光合作用与细胞呼吸的过程及相互关系光合作用与细胞呼吸的过程及相互关系要点再回扣 1.光合作用的过程(1)光合作用分为光反应和暗反应两个阶段。(填代号及名称)(2)C5固定CO2发生于叶绿体的基质中。(3)由图示CO2与O2的关系可推断此植物的光合速率大于呼吸速率。(4)若对上述图示的叶肉细胞突然停止CO2供应，则叶肉细胞中增加的物质有：。C3 C5 H ATP (CH2O) 2.细胞呼吸的过程 如图表示细胞呼吸的过程，其中代表有关生理过程发生的场所，甲、乙代表有关物质。(1)场所：为细胞质基质；为线粒体基质；为线粒体内膜。(2)甲、乙代表的物质分别为丙酮酸、H。(3)若上图表示植物根系细胞的呼吸作用，则其在缺氧状态时发生的场所应无 (填代号)(4)上图若表示某哺乳动物肌细胞的呼吸作用，则其进行无氧呼吸时的产物为乳酸。(5)写出上述细胞呼吸的总反应式：C6H12O66O26H2O 6CO212H2O能量。酶【延伸拓展】 (1)光合作用与细胞呼吸的过程联系图解：(2)光合作用与细胞呼吸的能量联系：考情考向扫描 考向1 考查光合作用与细胞呼吸过程中物质和能量的转变 【典例1】 下图为大豆叶片光合作用暗反应阶段的示意图。下列叙述正确的是 ( )A.CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能B.CO2可直接被H还原，再经过一系列的变化形成糖类C.被还原的C3在相关酶的催化作用下，可再形成C5D.光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高 【解析】 根据图示可知：CO2+C52C3是二氧化碳的固定，ATP中的能量转化到有机物中，成为稳定的化学能，不参与CO2的固定，A项错误；CO2+C52C3是二氧化碳的固定，H不参与CO2的固定反应，B项错误；被还原的C3在有关酶的催化作用下，可以再形成C5，称为卡尔文循环，C项正确；光照强度由强变弱时，在短时间内，造成H和ATP减少，C5的合成速率下降，而其消耗速率不变，所以C5的含量会下降，D项错误。 【答案】 C 【典例2】 下图是细胞中糖类合成与分解过程示意图。下列叙述正确的是 ( )A.过程只在线粒体中进行，过程只在叶绿体中进行B.过程产生的能量全部储存在ATP中C.过程产生的(CH2O)中的氧全部来自H2OD.过程和中均能产生H，二者还原的物质不同 【解析】 过程分别表示有氧呼吸和光合作用。若题中所述细胞为真核细胞，则过程进行的场所是细胞质基质和线粒体，过程只发生在叶绿体中；若题中所述细胞为原核细胞，则过程均发生在细胞质中；过程通过有氧呼吸氧化分解有机物释放的能量大部分以热能的形式散失，只有小部分储存在ATP中；过程产生的(CH2O)中的氧全部来自CO2，而不是H2O；过程通过光反应产生的H，用于暗反应还原C3，而有氧呼吸第一、二阶段产生的H，用于第三阶段还原O2，生成H2O，因此二者还原的物质不同。 【答案】 D 【延伸拓展】 光合作用与有氧呼吸中H和ATP的来源、去向分析用于各项生命活动(植物的C3还原除外)用于C3还原供能去向三个阶段都产生光反应阶段产生来源ATP用于第三阶段还原O2还原C3去向有氧呼吸第一、二阶段H2O光解产生来源H有氧呼吸光合作用项目 考向2 以图式考查光合作用、细胞呼吸过程及联系 【典例3】 将图示细胞置于密闭容器中培养。在不同光照强度下细胞内外的CO2和O2浓度在短时间内发生了相应变化。下列叙述错误的是 ( )A.黑暗条件下，增大、减小B.光强低于光补偿点时，、增大C.光强等于光补偿点时，、保持不变D.光强等于光饱和点时，减小、增大 【解析】 当光强低于光补偿点或黑暗条件下，水稻叶肉细胞消耗胞外和胞内O2，释放CO2，故增大，减小；当光强等于光补偿点时，水稻叶肉细胞呼吸速率等于光合作用速率，保持不变；当光强等于光饱和点时，水稻叶肉细胞光合作用速率大于细胞呼吸速率，减小，增大。 【答案】 B考点题组集训1.(2017宿州高三质检)下图是绿色植物叶肉细胞内部分生命活动示意图，其中、表示生理过程，A、B、C、D表示物质。下列相关分析错误的是 ( )A.在生物膜上发生的生理过程有和B.过程均发生在细胞质基质中C.A和B分别表示丙酮酸和HD.有氧呼吸包括图中的过程答案 B解析 由图可知，为有氧呼吸的第一阶段，为有氧呼吸的第二阶段，为有氧呼吸的第三阶段，为光反应，为暗反应阶段。A为丙酮酸，B为H，C为ADP和Pi，D为ATP和H，C、D项正确；在生物膜上发生的生理过程有有氧呼吸的第三阶段和光反应，A项正确；有氧呼吸的第一阶段在细胞质基质中完成，有氧呼吸的第二阶段在线粒体的基质中完成，暗反应阶段在叶绿体的基质中完成，B项错误。2.(2017天津十二校联考)下图表示某高等植物叶肉细胞中的A、B两种细胞器及相关生理活动。下列说法正确的是 ( )A.A细胞器内生理活动的强度小于B细胞器内生理活动的强度B.A、B两种细胞器都能产生ATP，产生的ATP均能从细胞器中运出C.图示叶肉细胞中有有机物的积累，但该植物不一定能正常生长D.改变光照强度一定会改变A细胞器中生理活动的强度答案 C解析 细胞器A吸收的二氧化碳多于细胞器B释放的二氧化碳，因此A细胞器内生理活动的强度大于B细胞器内生理活动的强度，A项错误；叶绿体光反应产生的ATP被暗反应消耗，不能从叶绿体中运出，B项错误；有机物的积累量如果小于夜间植物呼吸消耗量，该植物也不能正常生长，C项正确；当光照强度达到饱和后，增加光照强度，光合作用过程不会改变，D项错误。考点二考点二 光合作用与细胞呼吸的影响因素及相关曲线辨析光合作用与细胞呼吸的影响因素及相关曲线辨析要点再回扣 1.影响细胞呼吸的三大因素【方法总结】 细胞呼吸的曲线识别技巧(1)下降型曲线：呼吸反应速率逐渐减缓，一般受生成物含量的影响，随生成物的增多而减缓，如CO2浓度。(2)上升型曲线：呼吸反应速率逐渐加快，一般受反应物含量的影响，随反应物的增多而加快，如O2含量。2.影响光合作用的三大因素 (3)温度：通过影响酶的活性而影响光合作用(如图3)。3.光合速率与呼吸速率的关系(1)绿色组织在黑暗条件下或非绿色组织只进行呼吸作用，测得的数据为呼吸速率 (A点)。(2)绿色组织在有光条件下，光合作用与细胞呼吸同时进行，测得的数据为净光合速率。(3)总(真正)光合速率净光合速率呼吸速率。 (4)植物“三率”的常用表示方法： 在有光条件下，植物同时进行光合作用和细胞呼吸，实验容器中O2增加量、CO2减少量或有机物的增加量，用于表示净光合速率，而真正光合速率净光合速率呼吸速率。表示方法(如下表)。项目表示方法净光合速率CO2吸收量或小室中CO2减少量，O2释放量或小室中O2增加量、C6H12O6积累量真正光合速率CO2固定量、O2产生量或叶绿体CO2吸收量或叶绿体O2释放量、C6H12O6制造量呼吸速率(遮光条件下测得)CO2释放量、O2吸收量或线粒体CO2释放量或线粒体O2吸收量、C6H12O6消耗量4.密闭容器中植物代谢强度变化曲线分析(1)图示： 密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线(2)曲线分析：凌晨24时左右，由于温度下降，呼吸酶活性降低，CO2释放量有所下降，如图中BC段。4时以后，微弱的光可使植物进行微弱的光合作用，此时光合作用强度小于呼吸作用强度，如图中CD段。6时以后，光合作用强度明显增大，且大于呼吸强度，如图中DF段。拐点D表示光合作用强度等于呼吸作用强度。夏天的正午时分，由于温度高，气孔关闭，CO2不能进入细胞中导致光合作用强度下降，如图中FG段。GH段罩内CO2浓度继续下降，说明光合作用强度仍大于呼吸强度；18时，罩内CO2浓度最低，此时植物体内积累的有机物最多，罩内O2浓度最高。18时后，光线越来越弱，罩内CO2浓度开始增加说明呼吸作用强度已大于光合作用强度。拐点H表示光合作用强度等于呼吸作用强度。考情考向扫描 考向1 环境条件改变对光合作用过程中物质变化的影响 【典例1】 正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是 ( ) A.O2的产生停止 B.CO2的固定加快 C.ATP/ADP比值下降 D.NADPH/NADP+比值下降 【解析】 黑暗处理后，光反应停止，O2的产生停止。ATP和NADPH是光反应的产物，同时也是暗反应的原料，黑暗处理后，ATP和NADPH的产生减少，且仍被暗反应所消耗，产生的ADP和NADP+增多。光反应产生的ATP和NADPH减少，使得暗反应产生的C5减少，CO2的固定减慢。 【答案】 B 【解题技法】 外界条件变化时，C5、C3、H、ATP等物质量的变化模式图 注意：(1)图中物质变化只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化，而非长时间。 (2)以上各物质变化中，C3和C5含量的变化是相反的，H和ATP含量变化是一致的。 考向2 影响光合作用、细胞呼吸的环境因素曲线分析 【典例2】 植物甲与植物乙的净光合速率随叶片温度(叶温)变化的趋势如图所示。错误的是 ( )A.植物甲和乙光合作用所需要的能量都来自于太阳能B.叶温在36-50 时，植物甲的净光合速率比植物乙的高C.叶温为25 时，植物甲的光合与呼吸作用强度的差值不同于植物乙的D.叶温为35 时，甲、乙两种植物的光合与呼吸作用强度的差值均为0【解析】 植物光合作用所需要的能量都来自于太阳能，A项正确；分析曲线可知，叶温在36-50 时，植物甲的净光合速率比植物乙的高，B项正确；光合与呼吸作用强度的差值即净光合速率，叶温为25 时，植物甲的净光合速率小于植物乙，C项正确；叶温为35 时，甲、乙两种植物的光合与呼吸作用强度的差值相等，均大于0，D项错误。【答案】 D【解题技法】 光合速率与呼吸速率的关系的曲线解读 (1)图1中，在一定范围内，随叶面积指数的增大，光合作用实际量和呼吸量均增加；超过A点后，光合作用实际量不再随叶面积指数的增加而增加，原因是叶片相互遮挡；干物质的量光合作用实际量呼吸量。干物质的量为零时，即叶面积指数为D时，光合速率呼吸速率。 (2)图2中，在一定范围内，光合速率和呼吸速率都会随温度的升高而增加；细胞呼吸的最适温度高于光合作用，所以超过20 时，光合速率增加缓慢，但呼吸速率增加很快，且可判断20 时净光合速率最大；净光合速率光合速率呼吸速率，即两曲线之间的距离n代表了相应温度下的净光合速率，n0时，光合速率呼吸速率。考点题组集训1.(2017四川成都第二次诊断)如图表示某植物叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势，该植物在阶段处于适宜环境条件下，阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO2浓度中的某一项，下列分析正确的是 ( )A.图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATPB.图中阶段所改变的环境条件是降低了光照强度C.阶段甲上升是因为叶绿体中H和ATP的积累D.阶段光合速率最大时所需光照强度比阶段低答案 D解析 若甲是五碳化合物，乙是三碳化合物，甲乙需要消耗二氧化碳，A项错误；阶段所改变的环境条件是降低了CO2浓度，B项错误，C项错误；阶段改变的条件主要影响暗反应的进行，所以阶段光合速率最大时所需光照强度比阶段低，D项正确。2.某植物净光合速率的变化趋势如图所示。据图回答下列问题：(1)当CO2浓度为a时，高光强下该植物的净光合速率为_。CO2浓度在ab之间时，曲线_表示了净光合速率随CO2浓度的增高而增高。(2)CO2浓度大于c时，曲线B和C所表示的净光合速率不再增加，限制其增加的环境因素是_。(3)当环境中CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，该植物呼吸作用产生的CO2量_(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用吸收的CO2量。(4)据图可推测，在温室中，若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应该同时考虑_这一因素的影响，并采取相应措施。答案 (1)0 A、B、C (2)光强 (3)大于 (4)光强解析 (1)根据曲线图可知，当CO2浓度为a时，高光强下(曲线A)该植物的净光合速率为0；分析坐标图中曲线的走势可以看出，当CO2浓度在ab之间时，曲线A、B、C的净光合速率都随着CO2浓度的增高而增高。(2)由题图可知，影响净光合速率的因素为CO2浓度和光强。当CO2浓度大于c时，由于受光强的限制，光反应产生的H和ATP不足，暗反应受到限制，曲线B和C的净光合速率不再增加。(3)当环境中的CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，植物的净光合速率小于0，说明该植物此时呼吸作用产生的CO2量大于光合作用吸收的CO2量。(4)据图可推测，光强和CO2浓度都会影响植物的净光合速率，因此若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应同时考虑光强这一因素的影响。考点三考点三 光合作用与细胞呼吸相关实验探究光合作用与细胞呼吸相关实验探究要点再回扣 1.光合作用与细胞呼吸常用的2种典型实验方法 (1)“黑白瓶法”：用黑瓶(无光照的一组)测得的为呼吸作用强度值，用白瓶(有光照的一组)测得的为净光合作用强度值，综合两者即可得到真光合作用强度值。 (2)梯度法：用一系列不同光照强度、温度或CO2浓度的装置，可探究光照强度、温度或CO2浓度对光合作用强度的影响。2.酵母菌呼吸方式的测定对比实验法(1)实验原理：酵母菌进行有氧呼吸能产生大量的CO2，在进行无氧呼吸时能产生酒精和CO2。CO2可使澄清的石灰水变浑浊，也可使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿再变黄根据石灰水浑浊程度或溴麝香草酚蓝水溶液变成黄色的时间长短，可以检测酵母菌培养液中CO2的产生情况。橙色的重铬酸钾溶液，在酸性条件下可与乙醇发生化学反应，变成灰绿色。(2)实验中的关键步骤：通入A瓶的空气中不能含有CO2，以保证使第三个锥形瓶中的澄清石灰水变浑浊的CO2是由酵母菌有氧呼吸产生的。B瓶应封口放置一段时间，待酵母菌将B瓶中的氧气消耗完后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，确保是无氧呼吸产生的CO2通入澄清的石灰水中。 3.生物呼吸类型判定实验设计 探究某生物材料的细胞呼吸类型(假设生物材料为植物种子，呼吸底物只有葡萄糖且不考虑外界条件的影响)，某同学设计实验装置如图，请完善下面的结果预测。(1)若甲液滴左移，乙液滴不动，则只进行有氧呼吸。(2)若甲液滴不动，乙液滴右移，则只进行无氧呼吸。(3)若甲液滴左移，乙液滴右移，则既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸。(4)物理误差的校正：除将装置中生物材料换为杀死的等量同种生物材料外其余均与乙装置相同。4.光合速率与呼吸速率的测定(1)测定装置：(3)实验设计中的3个关键点：变量的控制手段，如光照强度的大小可用不同功率的灯泡(或相同功率的灯泡，但与植物的距离不同)进行控制，不同温度可用不同恒温装置控制，CO2浓度的大小可用不同浓度的CO2缓冲液调节。对照原则的应用，不能仅用一套装置通过逐渐改变其条件进行实验，而应该用一系列装置进行相互对照。无论哪种装置，在光下测得的数值均为“表观(净)光合作用强度值”。考情考向扫描 考向 光合作用与细胞呼吸的实验测定与探究 【典例】 为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、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，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：A组：先光照后黑暗，时间各为67.5 s；光合作用产物的相对含量为50%B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7.5 s；光合作用产物的相对含量为70%。C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%。D组(对照组)：光照时间为135 s；光合作用产物的相对含量为100%。回答下列问题：(1)单位光照时间内，C组植物合成有机物的量_(填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量，依据是_；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要_，这些反应发生的部位是叶绿体的_。(2)A、B、C三组处理相比，随着_的增加，使光下产生的_能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。【解析】 (1)在该实验中，作为对照组的D组，其是全光照135 s，而C组实验的处理是光照和黑暗交替进行，即其仅用了D组的一半时间的光照，但却合成的有机物的量是94%(D组为100%)，故单位光照时间内，C组植物合成有机物的量高于D组植物合成有机物的量。C组光照时间的缩短，说明在光合作用过程中，有些反应，如暗反应不需要光照，而这个过程发生在叶绿体的基质中。 (2)光合作用过程有两个阶段：光反应阶段和暗反应阶段。光反应阶段必须在光下进行，其将水分解，产生ATP和还原型辅酶(H)用于暗反应。A、B、C三组处理相比，随着光照时间间隔的减少，光暗频率的增大，使光下产生的ATP和H能够及时被利用与再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。 【答案】 (1)高于 C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94% 光照 基质 (2)光照和黑暗交替频率 ATP和还原型辅酶【解题技法】 (1)生物学实验中常用实验条件的控制方法增加水中氧气泵入空气或放入绿色水生植物。减少水中氧气容器密封或油膜覆盖或用凉开水。除去容器中二氧化碳氢氧化钠溶液。除去叶中原有淀粉置于黑暗环境中。除去叶中叶绿素酒精隔水加热。除去光合作用对呼吸作用的干扰给植株遮光。如何得到单色光棱镜色散或薄膜滤光。线粒体提取细胞匀浆离心。保持容器中CO2体积不变NaHCO3溶液。(2)解答光合作用与细胞呼吸实验探究题时务必要关注的信息：是加“NaOH”还是“NaHCO3”；给予“光照”处理还是“黑暗”处理，是否有“在温度、光照最适宜条件下”等信息。考点题组集训为研究浮游藻类的光合作用，将一种绿藻培养至指数生长期，并以此为材料，测定了藻细胞在不同条件下的净光合速率(Pn)。图1为光合放氧测定装置的示意图；图2是不同NaHCO3浓度(pH8.5，25 )条件下测得的Pn曲线图。请回答下列问题：(1)通过变换图1中光源，可研究_、_对光合作用的影响。(2)在测定不同光照对Pn的影响时，如不精确控制温度，则测得的光照与Pn的关系_(填“呈正相关”“呈负相关”或“难以确定”)。(3)由于弱碱性的藻培养液中游离CO2浓度很低，藻光合作用主要通过胞内碳酸酐酶(CA)分解水中的HCO-3获得CO2。图2中达到最大Pn值的最低NaHCO3浓度为_；在更高NaHCO3浓度下，Pn不再增加的主要原因有_、_。(4)培养基中的HCO-3与CO2-3之间的离子平衡与pH有关，碱性条件下pH越高，HCO-3越少，CO2-3越多，而CO2-3几乎不能被该藻利用。在测定不同pH(7.010.0)对光合作用的影响时，导致Pn发生变化的因素有_、_。答案 (1)光强 光质 (2)难以确定(3)120 mgL-1 达到了CO2饱和点 CA量有限(4)CO2(或HCO-3)供应量不同 CA(细胞)活性变化解析 (1)可调光源可调节改变光照强度、光质(光的波长)等，因此可用来研究光照强度和光质对光合作用的影响。(2)本实验中温度属于无关变量，应保持相同且适宜。温度过高或过低都会影响酶的活性，从而影响光合作用，导致难以确定光照对Pn的影响。(3)由图2可以看出，达到最大Pn值的最低NaHCO3浓度为120 mgL-1，在更高NaHCO3浓度下Pn值不再增加，可能是由于达到了CO2饱和点，或者是胞内的CA量有限，不能分解水中的HCO-3获得CO2。(4)根据题中信息分析，pH在7.010.0时，一方面会影响HCO-3分解产生CO2，从而影响Pn；另一方面pH也会影响细胞中CA的活性，从而影响Pn。