2024年高三二輪復習生物（江蘇適用）第2講　光合作用與細胞呼吸課件

專題2細胞的代謝第2講光合作用與細胞呼吸【復習目標】

（1）

說明植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些

能量在二氧化碳和水轉變?yōu)樘穷惻c氧氣的過程中，轉換并儲存為糖類中

的化學能。（2）

說明生物通過細胞呼吸將儲存在有機物中的能量轉

化為生命活動可以利用的能量。

整合一

光合作用與細胞呼吸的生理過程1.光合作用與細胞呼吸的過程圖解（1）

光合作用與細胞呼吸中C、H、O元素的轉移途徑（2）

光合作用和細胞呼吸中能量轉化關系2.光合作用和細胞呼吸的關系模型（說明：①

若題干中給出的信息是葉綠體消耗CO2或葉綠體產(chǎn)生O2的

量，則該數(shù)據(jù)為總光合速率。②

整株綠色植物凈光合速率為0時，葉肉

細胞的光合作用強度大于細胞呼吸強度）例1

（2022·江蘇卷）圖Ⅰ所示為光合作用過程中部分物質的代謝關系

（①～⑦表示代謝途徑）。Rubisco是光合作用的關鍵酶之一，CO2和O2

競爭與其結合，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)。請據(jù)圖回答下列問題。（1）

圖Ⅰ中，類囊體薄膜直接參與的代謝途徑有

?（填序號），

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。①⑥

葉綠素

H2O2

（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Ⅱ）。①

曲線a，0～

t

1時段釋放的CO2源于

；

t

1～

t

2時段，CO2

的釋放速度有所增加，此階段釋放的CO2源于

?。②

曲線b，當時間到達

t

2后，室內(nèi)CO2濃度不再改變，其原因是

?

?。細胞呼吸

光呼吸和細胞呼吸

達到

了CO2補償點

（4）

光呼吸可使光合效率下降20％～50％，科學家在煙草葉綠體中組

裝表達了衣藻的乙醇酸脫氫酶和南瓜的蘋果酸合酶，形成了圖Ⅲ所示的

代謝途徑，通過

?降低了光呼吸，提高了植株

生物量。上述工作體現(xiàn)了遺傳多樣性的

?價值。提高葉綠體中CO2濃度

直接

總結提煉

光

呼

吸光呼吸是所有進行光合作用的細胞，在光照和高氧、低二氧化碳條

件下發(fā)生的一個生化過程，它是光合作用一個損耗能量的副反應。圖中催化②③過程的為同一種酶即Rubisco，它是一種雙功能酶，

具有羧化和加氧催化活性。在低氧、高二氧化碳的條件下，主要催化②

過程發(fā)生，在高氧、低二氧化碳的條件下，主要催化③過程發(fā)生。光呼吸循環(huán)途徑是在葉綠體、過氧化物酶體和線粒體三個不同的細

胞器中進行的。對于植物體來說，光呼吸可消耗光反應積累的ATP和

NADPH，減少光反應產(chǎn)物積累造成的損傷，且能回收碳元素，具有一

定的生理意義。[對點訓練]1.（2023·南通一模）光呼吸是植物綠色組織依賴光消耗O2、分解有機

物放出CO2的過程，一定條件下光呼吸使光合效率下降25％～30％。我

國科研團隊通過多基因轉化技術將關鍵基因導入水稻葉綠體基因組，構

建一條新的光呼吸代謝支路，使光呼吸產(chǎn)生的部分乙醇酸直接在葉綠體

內(nèi)轉化為3－磷酸甘油酸（C3），提高水稻的光合效率，相關代謝過程

如圖Ⅰ，其中Rubisco為RuBP羧化/加氧酶，虛線方框代謝過程為新構建

的光呼吸代謝支路。請回答下列問題。（1）Rubisco既能催化C5羧化，又能催化C5氧化分解。Rubisco催化C5

羧化的反應稱為

。線粒體中產(chǎn)生CO2的過程除圖Ⅰ所示過

程外，還有

?。（2）

光呼吸對植物生存也具有重要的意義。當CO2與O2分壓比降低

時，暗反應減慢，圖Ⅰ[A]中

積累導致在

?

（填結構名稱）產(chǎn)生的電子不能還原

，而與O2結合

產(chǎn)生自由基對膜結構造成傷害。光呼吸產(chǎn)生的3－磷酸甘油酸

和

?可加快暗反應的進行，不僅減少上述膜的損傷，而且有利

于

?。CO2的固定

丙酮酸分解

NADPH

類囊體（薄

膜）

NADP＋

CO2

減少碳損失

（3）

光呼吸代謝支路中循環(huán)A的意義是在葉綠體中持續(xù)產(chǎn)生

?

，與

反應并最終轉化為3－磷酸甘油酸。（4）

研究人員用具有光呼吸支路的甲、乙、丙3種轉基因水稻及野生

型水稻（WT）在試驗田進行相關實驗。與野生型水稻相比，轉基因水

稻的產(chǎn)量有所提高，結合下列實驗結果，分析其原因有

?

?。丙酰輔

酶A

乙醇酸

提高水稻的凈

光合速率，增加水稻的分蘗數(shù)

整合二

光合速率與呼吸速率的測定1.光合速率與呼吸速率的常用表示方法項目表示方法凈光合速率a.“測定的”植物（葉片）吸收CO2量或“實驗容器

內(nèi)”CO2的減少量；b.植物（葉片）釋放O2量或“容器

內(nèi)”O(jiān)2的增加量；c.

植物（葉片）“積累”的葡萄糖量或

植物（葉片）質量（有機物）的增加量項目表示方法呼吸速率（遮光條件下測得）黑暗條件下，植物CO2釋放量、O2吸收量、

C6H12O6消耗量真正光合速率植物CO2固定量、O2產(chǎn)生量、有機物合成量2.光合速率的測定方法（1）

液滴移動法①

裝置：如圖，整個裝置必須在光下。②

原理：植物光合作用釋放氧氣，使容器內(nèi)氣體壓強增大，刻度管內(nèi)

的有色液滴右移。單位時間內(nèi)有色液滴右移的體積表示表觀（凈）光合

速率。（2）

其他方法：測定光合速率的方法還有半葉片稱重法、圓葉片上浮

法、黑白瓶法等，此外還可利用CO2傳感器通過測定裝置中CO2濃度變

化來測定光合速率。3.呼吸速率的測定方法（1）

裝置（2）

原理：組織細胞呼吸作用吸收O2，釋放CO2，CO2被NaOH溶液吸

收，使容器內(nèi)氣體壓強減小，刻度管內(nèi)的有色液滴左移。單位時間內(nèi)有

色液滴左移的體積表示呼吸速率。（3）

物理誤差的校正：如果實驗材料是綠色植物，那么整個裝置應遮

光處理，否則植物的光合作用會干擾呼吸速率的測定；如果實驗材料是

種子，為防止微生物呼吸對實驗結果的干擾，應對裝置及所測種子進行

消毒處理。為防止氣壓、溫度等物理因素所引起的誤差，應設置對照實

驗，將所測的生物材料滅活（如將種子煮熟），其他條件均不變。例2

（2023·蘇錫常鎮(zhèn)調(diào)研二節(jié)選）科研人員制作了特殊的實驗裝

置，開展探究光照強度和CO2濃度雙因素對菠菜葉片光合作用強度

影響的實驗。實驗材料：新鮮菠菜葉片、打孔器、注射器12支、5W白色LED燈、不

同濃度的NaHCO3溶液等。實驗裝置制作：如圖Ⅰ所示。實驗注意事項和數(shù)據(jù)分析：（1）

將打孔器打出的小圓葉片裝入注射器中，注射器吸入清水排出空

氣，并用手指堵住注射器前端小孔緩慢拉動活塞重復2～3次，目的

是

。處理過的小圓葉片放入

?處盛

有清水的燒杯中備用。使小圓葉片內(nèi)的氣體溢出

黑暗

（2）

進行實驗，記錄實驗結果。以NaHCO3溶液濃度為

X

軸、注射器離

圓心的距離為

Y

軸，各注射器內(nèi)小圓葉片上浮所用平均時間為

Z

軸，繪

制三維柱形圖（如圖Ⅱ）。A1、B1和C1三支注射器實驗的自變量是

?

，該實驗結果除了能說明光合速率大小與CO2濃度、光照強度

呈正相關外，還能說明

?

?。光

照強度

光照強度越低，CO2濃度對光合速率的影響越

顯著

[對點訓練]2.某興趣小組設計了如圖所示的實驗裝置若干組，室溫25℃下進行了一

系列的實驗，對實驗過程中裝置條件及結果的敘述錯誤的是（

D

）A.若X溶液為CO2緩沖液并給予光照時，則液滴移動距離可表示凈光合作用強度大小B.若要測真正光合作用強度，則需另加設一裝置遮光處理，X溶液為

NaOH溶液C.若X溶液為清水并給予光照，光合作用強度大于細胞呼吸強度時，則

液滴最終不移動D.若X溶液為清水并遮光處理，消耗的底物為脂肪時，則液滴右移D整合三

光合作用的C3途徑、C4途徑與CAM途徑1.C3途徑對于小麥、水稻等大多數(shù)綠色植物來說，進入葉肉細胞的CO2與C5

反應，固定產(chǎn)生的第一個產(chǎn)物為C3，因而將此類植物稱為C3植物，其進

行的固定途徑稱為C3途徑（詳如圖，且可見暗反應階段需要消耗

H2O）。2.C4途徑對于玉米、高粱等生活在高光照、高溫環(huán)境的植物來說，進入葉肉

細胞的CO2首先與PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）反應，固定產(chǎn)生的第一個

產(chǎn)物為C4（草酰乙酸），進而進入維管束鞘細胞中分解產(chǎn)生CO2進入卡

爾文循環(huán)。因而將此類植物稱為C4植物，其進行的固定途徑稱為C4途徑

（如圖）。科學家們把C4植物的這種獨特作用，形象地比喻成“二氧化

碳泵”。同C3植物相比，C4植物大大提高了固定CO2的能力。在干旱的

條件下，綠色植物的氣孔關閉。這時，C4植物能夠利用葉片內(nèi)細胞間隙

中含量很低的CO2進行光合作用，而C3植物則不能。這就是C4植物比C3

植物具有較強光合作用的原因之一。3.CAM途徑CAM植物（如景天科、

仙人掌科、鳳梨科、蘭科等植物）夜間吸

進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結合，生成C4（草酰乙酸），進一步

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，

細胞液pH下降。而白天氣孔關閉，蘋果酸轉移到細胞質中脫羧，放出

CO2，進入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移到線粒體，進一步氧化釋放CO2，又可進入

C3途徑。CAM途徑（如圖）是對干旱環(huán)境的適應，該途徑除維持光合作用外，對植物的生理意義還表現(xiàn)在有效避免因白天旺盛的蒸騰作用而造成水分過多散失。

例3

（2020·江蘇卷）大豆與根瘤菌是互利共生關系，如圖所示為大豆

葉片及根瘤中部分物質的代謝、運輸途徑，請據(jù)圖回答下列問題：（1）

在葉綠體中，光合色素分布在

?上；在酶催化下直

接參與CO2固定的化學物質是H2O和

?。（2）

如圖所示的代謝途徑中，催化固定CO2形成3－磷酸甘油酸

（PGA）的酶在

中，PGA還原成磷酸丙糖（TP）運出葉

綠體后合成蔗糖，催化TP合成蔗糖的酶存在于

?。（3）

根瘤菌固氮產(chǎn)生的NH3可用于氨基酸的合成，氨基酸合成蛋白質

時，通過脫水縮合形成

?鍵。（4）CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。葉綠體中合成ATP的能量來

自

；根瘤菌合成ATP的能量主要源于

?的分解。（5）

蔗糖是大多數(shù)植物長距離運輸?shù)闹饕袡C物，與葡萄糖相比，以

蔗糖作為運輸物質的優(yōu)點是

?。類囊體薄膜

C5

葉綠體基質

細胞質基質

肽

光能

糖類

非還原糖較穩(wěn)定

拓展延伸

淀粉與蔗糖的合成與運輸（1）

光合作用中淀粉和蔗糖生物合成的兩條途徑會競爭共同底物磷酸

丙糖（TP）（如圖）。磷酸轉運器（TPT）能將卡爾文循環(huán)產(chǎn)生的TP不

斷運到葉綠體外，同時將釋放的Pi運回葉綠體基質。當細胞質基質中的

Pi濃度低時，就會限制TP從葉綠體運出，這就促使淀粉在葉綠體基質中

形成。相反，細胞質基質中Pi的濃度高時，葉綠體的TP與細胞質基質的

Pi交換，輸出到細胞質基質合成蔗糖。（2）

小麥經(jīng)過光合作用后，葉片淀粉含量很少，蔗糖積累較多，此時

有利于小麥的生長和產(chǎn)量提高。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，尤其是小麥灌漿期，可

以適當增施磷肥提高小麥產(chǎn)量。（3）

蔗糖是大多數(shù)植物長距離運輸?shù)闹饕袡C物，與葡萄糖相比，以

蔗糖作為運輸物質的優(yōu)點是非還原糖較穩(wěn)定（或蔗糖為二糖，對滲透壓

影響相對較小）。（4）

光合作用旺盛時，很多植物合成的糖類通常會以淀粉的形式臨時

儲存在葉綠體中，假如以大量可溶性糖的形式存在，則可能導致葉綠體

吸水漲破。[對點訓練]3.（2022·全國甲卷）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?；卮鹣铝袉栴}。（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）。NADPH、ATP、O2

（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

?

。（2）

正常條件下，植物葉片的光合產(chǎn)物不會全部運輸?shù)狡渌课?，?/p>

因是

（答出1點即

可）。葉片自身呼吸作用需要消耗一部分光合產(chǎn)物

干旱會導致氣孔開度減小，CO2供應減少，C4

植物的CO2補償點

比C3植物的低，因此在低CO2濃度下，C4植物比C3植物合成的有機物多

1.（2022·海南卷）某小組為了探究適宜溫度下CO2對光合作用的影響，

將四組等量菠菜葉圓片排氣后，分別置于盛有等體積不同濃度NaHCO3

溶液的燒杯中，從燒杯底部給予適宜光照，記錄葉圓片上浮所需時長，

結果如圖。下列有關敘述正確的是（

B

）A.本實驗中，溫度、NaHCO3濃度和光照都屬于自變量B.葉圓片上浮所需時長主要取決于葉圓片光合作用釋放O2的速率C.四組實驗中，0.5％NaHCO3溶液中葉圓片光合速率最高D.若在4℃條件下進行本實驗，則各組葉圓片上浮所需時長均會縮短B1234567891011121314151617181920212223242.（2023·無錫一模）下列關于細胞代謝的敘述，錯誤的是（

D

）A.藍細菌在擬核區(qū)轉錄出信使RNAB.水綿進行光合作用的場所是葉綠體C.乳酸菌在細胞質基質中產(chǎn)生乳酸D.酵母菌的高爾基體負責合成蛋白質D3.（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(jīng)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a之前，植物根細胞無CO2釋放，只進行無氧呼

吸產(chǎn)生乳酸B.a～b內(nèi)植物根細胞存在經(jīng)無氧呼吸產(chǎn)生酒精和CO2

的過程C.每分子葡萄糖經(jīng)無氧呼吸產(chǎn)生酒精時生成的ATP比

產(chǎn)生乳酸時的多D.植物根細胞無氧呼吸產(chǎn)生的酒精跨膜運輸?shù)倪^程

不需要消耗ATPC4.（多選）（2023·蘇州一模）有氧呼吸全過程可分為如圖所示的糖酵

解、檸檬酸循環(huán)和電子傳遞鏈三個階段，一些中間產(chǎn)物還可合成脂肪

等。有關敘述錯誤的是（

BC

）A.細胞呼吸是糖類、脂肪等相互轉化的樞紐B.與檸檬酸循環(huán)有關的酶分布于細胞質基質C.糖酵解時葡萄糖中化學能大部分轉化成熱能D.有氧和無氧時，糖酵解產(chǎn)生的ATP量相等BC5.（2023·常州一模）如圖甲表示狗尾草的葉肉細胞和維管束鞘細胞中

完成的部分物質代謝關系，其中的①～⑧代表代謝過程。請分析并回答

下列問題：（1）

代謝過程④⑤⑧中，屬于吸能反應的有

。CO2固定的最

初穩(wěn)定產(chǎn)物天冬氨酸通過

?（填結構名稱）從葉肉細胞進入

維管束鞘細胞中，經(jīng)過一系列反應后轉變?yōu)樘O果酸。過程⑤發(fā)生的場所

很可能為

（填細胞器名稱），卡爾文循環(huán)發(fā)生的場所是

?

?。（2）

與狗尾草不同，龍舌草在同一葉肉細胞內(nèi)就能完成類似代謝過

程，據(jù)此推測龍舌草葉肉細胞具有

種類型的葉綠體。

其中分布于

細胞邊緣的葉綠體能將CO2初步固定為草酰乙酸，該種葉綠體內(nèi)的基粒

數(shù)量較

（填“多”或“少”）。④⑧

胞間連絲

線粒體

維

管束鞘細胞的葉綠體基質

2

少

（3）

為進一步探究龍舌草晝夜酸度變化趨勢與光合作用的關系，研究

小組進行了相關實驗并得出如圖乙、丙所示的結果。

①

在低CO2濃度處理條件下，龍舌草葉片晝夜酸度變化規(guī)律是

?

，蘋果酸含量的變化規(guī)律是

?，

可見其晝夜酸度變化基本上是由蘋果酸產(chǎn)生CO2造成的。夜晚升

高，白天降低

夜晚積累，白天消耗

②

龍舌草光合作用所需的CO2除了由蘋果酸提供外，還有

?

?

等，以適應水體中低CO2濃度的環(huán)境。從水體中吸

6.（2021·江蘇卷）線粒體對維持旺盛的光合作用至關重要。如圖表示

葉肉細胞中部分代謝途徑，虛線框內(nèi)表示“草酰乙酸/蘋果酸穿梭”。

請據(jù)圖回答下列問題：（1）

葉綠體在

?上將光能轉變成化學能，參與這一過程

的兩類色素是