备考2024届高考生物一轮复习强化训练第三章细胞代谢课时4光合作用与能量转化情境热点3　光系统与电子传递链逆境下光合作用的特殊途径

这是一份备考2024届高考生物一轮复习强化训练第三章细胞代谢课时4光合作用与能量转化情境热点3　光系统与电子传递链逆境下光合作用的特殊途径，共6页。

光系统是由蛋白质和叶绿素等光合色素组成的复合物，具有吸收、传递和转化光能的作用，包括光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ）。
注：图中虚线表示该生理过程中电子（e－）的传递过程。
（1）光系统Ⅱ进行水的光解，产生O2、H＋和自由电子（e－），光系统Ⅰ主要介导NADPH的产生。
（2）电子（e－）经过的电子传递链：H2O→光系统Ⅱ→质体醌（PQ）→细胞色素b6f复合体→质体蓝素（PC）→光系统Ⅰ→铁氧还蛋白（Fd）→NADPH。
（3）电子传递过程是从高电势到低电势，因此，电子传递过程中释放能量，质体醌利用这部分能量将质子（H＋）逆浓度梯度从叶绿体的基质侧泵入类囊体腔侧，从而建立了质子浓度（电化学）梯度。
（4）类囊体膜对质子是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子梯度来合成ATP。
（1）PSⅠ和PSⅡ镶嵌在叶绿体的 类囊体薄膜 上，含有的光合色素主要包括 叶绿素和类胡萝卜素 两大类，这些色素的主要功能有 吸收、传递和转化光能 。
（2）图示过程中，PSⅡ和PSⅠ以串联的方式协同完成电子由 水 （物质）释放、最终传递给 NADP＋ （物质）生成NADPH的过程。
（3）光照的驱动既促使水分解产生H＋，又伴随着电子的传递通过PQ将叶绿体基质中的H＋转运至 类囊体腔 ，同时还在形成NADPH的过程中 消耗 叶绿体基质中部分H＋，造成类囊体膜内外的H＋产生了浓度差。请结合图示信息分析，类囊体膜内外的H＋浓度差在光合作用中的作用是 为光反应中ATP的合成过程提供能量 。
1.[2023湖北]植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PS Ⅰ和PS Ⅱ光复合体，PS Ⅱ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PS Ⅱ光复合体上的蛋白质LHC Ⅱ，通过与PS Ⅱ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获（如图所示）。LHC Ⅱ与PS Ⅱ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是（C ）
A.叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PS Ⅱ光复合体对光能的捕获增强
B.Mg2＋含量减少会导致PS Ⅱ光复合体对光能的捕获减弱
C.弱光下LHC Ⅱ与PS Ⅱ结合，不利于对光能的捕获
D.PS Ⅱ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2
解析 据图可知，在强光下，PSⅡ与LHCⅡ分离，减弱PSⅡ光复合体对光能的捕获；在弱光下，PSⅡ与LHCⅡ结合，增强PSⅡ光复合体对光能的捕获。LHCⅡ和PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化，叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，会导致类囊体膜上PSⅡ光复合体与LHCⅡ结合增多，从而使PSⅡ光复合体对光能的捕获增强，A正确。镁是合成叶绿素的原料，叶绿素能吸收、传递和转化光能，若Mg2＋含量减少，PSⅡ光复合体中光合色素含量降低，导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱，B正确。弱光下PSⅡ光复合体与LHCⅡ结合，有利于对光能的捕获，C错误。类囊体膜上的PSⅡ光复合体含有光合色素，在光反应中，其能吸收光能并分解水产生H＋、电子和O2，D正确。
2.[2021重庆]如图为类囊体膜蛋白排列和光反应产物形成的示意图。据图分析，下列叙述错误的是（A ）
A.水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，最少要穿过4层膜
B.NADP＋与电子（e－）和质子（H＋）结合形成NADPH
C.产生的ATP可用于暗反应及其他消耗能量的反应
D.电子（e－）的有序传递是完成光能转换的重要环节
解析 分析图示可知，水光解产生的O2在类囊体腔内，叶绿体和线粒体均有双层膜，因此水光解产生的O2若被有氧呼吸利用，至少需要穿过5层膜，A错误；在光反应过程中，NADP＋与e－和质子（H＋）结合形成NADPH，B正确；由图可知，光反应产生的ATP可以用于暗反应、色素合成、核酸代谢等消耗能量的反应，C正确；分析可知，光反应产生的电子（e－）通过一系列的有序传递，将光能转化为储存在ATP中的活跃的化学能，D正确。
热点2 逆境下光合作用的特殊途径
情境一 光呼吸的原理和作用
1.原理：O2和CO2竞争Rubisc。在暗反应中，Rubisc能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisc，在光的驱动下将有机物氧化分解，释放CO2。
2.光呼吸对生物体的影响：在较强光下，光呼吸加强，使C5氧化分解加强，一部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累。另外，光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的损耗。其实光呼吸和卡尔文循环是一种动态平衡，适当的光呼吸对植物体有一定积极意义。
情境二：光合作用的C3途径、C4途径和CAM途径
1.C3途径：也称卡尔文循环，整个过程形成从RuBP（C5）与CO2的羧化生成C3，到C5再生的循环，在叶绿体基质中进行，可合成蔗糖、淀粉等多种有机物。常见的C3植物有小麦、大豆、水稻等。
2.C4途径：在玉米的光合作用中，CO2中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物（C4）中，然后才转移到C3中，科学家将这类植物叫作C4植物，将其固定二氧化碳的途径叫作C4途径（如图所示）。C4植物比C3植物具有更强的固定CO2（特别是在高温、光照强烈、干旱条件下）的能力。常见的C4植物还有甘蔗、高粱、苋菜等。
说明：PEP为磷酸烯醇式丙酮酸，属于三碳化合物。
3.CAM途径：指生长在干旱及半干旱地区的一些肉质植物（最早发现在景天科植物）所具有的一种光合固定CO2的附加途径。其特点是：CAM植物气孔只在晚上开放，将CO2固定生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧产生CO2，再通过卡尔文循环转变成糖类。这是植物对干旱环境的适应。具有这种途径的植物称为CAM植物，CAM植物两次CO2的固定在时间上是分开的。CAM途径如图所示，常见的CAM植物有菠萝、芦荟、兰花、仙人掌等。
（1）光呼吸涉及的场所主要有 叶绿体、线粒体 。从能量角度分析，有氧呼吸和光呼吸的主要区别是 光呼吸消耗能量，有氧呼吸分解有机物，产生能量 。
（2）C4植物光反应发生在叶肉细胞的 叶绿体 上，而CO2的固定发生在 叶肉细胞和维管束鞘 细胞中。
（3）从进化的角度看，景天科植物的这种气孔开闭特点的形成是 自然选择 的结果。夜间景天科植物吸收的CO2 不能 （填“能”或“不能”）用于合成葡萄糖，原因是 没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH 。
（4）C3途径是碳同化的基本途径，C4途径和CAM途径的特殊之处都是先有固定 CO2 的作用，最终还是通过C3途径合成 有机物 。
3.[2023广东四校联考]芦荟是一种经济价值很高的植物，可净化空气。芦荟夜晚气孔开放，通过PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，再将其转变成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，苹果酸从液泡中释放出来，在相关酶的作用下释放CO2，CO2进入叶绿体通过卡尔文循环合成糖类。下列说法错误的是（A ）
A.夜晚气孔开放，芦荟能进行暗反应产生糖类
B.芦荟液泡中的pH会呈现白天升高、夜晚降低的周期性变化
C.芦荟叶片内的CO2经固定会产生两种不同的初产物
D.芦荟可能原产于炎热干旱地区，其气孔在夜晚和白天开放度不同是对炎热干旱环境的适应
解析 芦荟夜晚气孔开放，通过PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，再将其转变成苹果酸储存在液泡中，晚上不能进行光反应，无法产生ATP和NADPH，故夜晚芦荟不能进行暗反应，A错误；芦荟夜晚气孔开放，通过PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，再将其转变成苹果酸储存在液泡中（pH降低），白天气孔关闭，苹果酸从液泡中释放出来（液泡中pH升高），在相关酶的作用下释放CO2，CO2进入叶绿体通过卡尔文循环合成糖类，因此液泡中的pH会呈现白天升高、夜晚降低的周期性变化，B正确；芦荟夜晚气孔开放，通过PEP羧化酶固定CO2形成草酰乙酸，白天气孔关闭，苹果酸从液泡中释放出来，在相关酶的作用下释放CO2，CO2经固定形成C3，C正确；白天气孔关闭可防止蒸腾作用失水过多，芦荟气孔在夜晚和白天开放度不同可能是对炎热干旱环境的适应，D正确。
4.[2023湖南，12分]如图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisc对CO2的Km为450μml·L－1（Km越小，酶对底物的亲和力越大），该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸（绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应）。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要与ATP生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶（PEPC酶对CO2的Km为7μml·L－1）催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环。回答下列问题：
（1）玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是 3－磷酸甘油醛 （填具体名称），该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成 蔗糖 （填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”）后，再通过 韧皮部 长距离运输到其他组织器官。
（2）在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度 高于 （填“高于”或“低于”）水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是 ①在干旱、高光照强度环境下，水稻关闭大部分气孔，CO2的吸收减少，而玉米的PEPC酶对CO2的亲和力更大，提高了玉米固定CO2的能力，可以为暗反应提供更多的CO2；②水稻中的Rubisc在CO2吸收减少时，催化RuBP与O2反应进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO2减少，而玉米的光呼吸较弱甚至没有；③玉米的光合产物能够及时转移，从而提高光合速率 （答出三点即可）。
（3）某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是 ①光合色素含量的限制；②与光合作用有关的酶的含量和活性的限制；③原核生物和真核生物光合作用机制不同 （答出三点即可）。
解析 （1）卡尔文循环是植物光合作用共有的途径，分析题图可知，水稻的卡尔文循环中第一个光合还原产物是3－磷酸甘油醛，因此玉米卡尔文循环中第一个光合还原产物也是3－磷酸甘油醛。（2）在干旱、高光照强度环境下，蒸腾作用过强，水稻关闭大部分气孔，导致水稻吸收CO2的量减少，光合作用减弱，而玉米为C4植物，根据题中信息可知，PEPC酶对CO2的Km为7μml·L－1，Rubisc对CO2的Km为450μml·L－1，Km越小，酶对底物的亲和力越大，则PEPC酶固定CO2的能力较强，在CO2浓度较低时，能够固定较多的CO2，有利于光合作用的进行；结合（1）中分析可知，玉米的光合产物能够及时转移，从而提高光合速率；又知水稻中的Rubisc在CO2吸收减少时，可催化RuBP与O2反应进行光呼吸，从而使水稻暗反应固定的CO2减少，而玉米的光呼吸较弱甚至没有。综上可知，在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度高于水稻。（3）将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻后，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下，水稻的光合作用强度无明显变化的原因可能是受光合色素含量的限制；受与光合作用有关的酶的含量和活性的限制以及原核生物和真核生物光合作用机制不同等。