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(共27张PPT)
专题二 细胞代谢
专题突破
第1讲 代谢中的酶与ATP
【思维导图】
【考点梳理】
考点1 酶
(1)酶的化学本质:绝大多数酶是蛋白质,少数是RNA
作用:催化作用。
作用机理:降低活化能。
活化能:分子从常态到易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。
酶降低活化能的效果比无机催化剂的效果更显著。
(2)酶的特点
①高效性:酶的催化效率是无机催化剂的107~1013倍。
②专一性:每种酶只能催化一种或一类化合物的化学反应。
③作用条件温和性:在适宜的温度和pH下,酶的活性高。
(3)影响酶活性的条件(温度和pH)
酶活性最大时的温度为最适温度,酶活性最大时的pH为最适pH。
高温、过酸、过碱、重金属会使酶的空间结构遭到破坏,使酶失活。
低温酶不失活,空间结构没有被破坏,在适宜的温度下酶的活性可恢复。
酶制剂一般适合在低温(0~4℃)下保存。
甲　　　　　　 　　 乙
(4)酶浓度和底物浓度对酶促反应速率的影响
在底物足够多的情况下,酶促反应速率与酶浓度成正比。
在酶有限的情况下,底物浓度较低时,反应速率与底物浓度成正比;当所有的酶与底物结合时,反应速率达到最大值,再增加底物,反应速率不再增加。
考点2　ATP(腺苷三磷酸)
(1)功能:ATP是生命活动的直接能源物质。
糖类是主要能源物质;ATP是直接能源物质;脂肪是良好的储能物质。
(2)ATP的结构简式:
A—P~P~P:A代表腺苷(腺嘌呤+核糖),P代表磷酸基团,~代表特殊化学键。
(3)ATP与ADP的转化:
能合成ATP的过程有:光合作用和呼吸作用。能合成ATP的场所有:细胞质基质、线粒体和叶绿体。
细胞内ATP的含量很少,但ATP与ADP转化迅速,能持续地为生命活动提供能量。
(4)ATP的利用:
细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量,如大脑思考、电鳐发电、主动运输、物质合成、肌肉收缩等都需要消耗ATP。
ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化,蛋白质等分子磷酸化后空间结构发生变化,活性被改变。
细胞内的化学反应分为吸能反应和放能反应。吸能反应是需要吸收能量的,如蛋白质的合成,吸能反应总是与ATP的水解相联系,ATP水解的反应式为:ATP ADP+Pi+能量;放能反应是释放能量的,如葡萄糖的氧化分解,放能反应总是与ATP的合成相联系,ATP合成的反应式为:ADP+Pi+能量 ATP。
能量通过吸能反应和放能反应在ADP和ATP之间流通。
酶
酶
典例示范一
(2021·广州一模)酶对细胞代谢起着非常重要的作用。下列有关酶的叙述,正确的是 (　　)
A.细胞核和细胞质中都可能有DNA聚合酶
B.光合作用的光反应阶段不需要酶的参与
C.人体细胞产生的蛋白酶的最适pH均相同
D.过氧化氢酶为H2O2的快速分解提供活化能
【答案】　A
【重点归纳】　酶的化学本质、作用、作用机理、特点和酶活性的影响因素是重点考查的知识点。
【详解】　DNA主要在细胞核,少量在细胞质(线粒体和叶绿体),哪里有DNA哪里就会进行DNA 的复制和转录,DNA复制需要DNA聚合酶,故细胞核和细胞质中都可能有DNA聚合酶,A正确;光反应阶段,ADP+Pi+光能 ATP这个反应需要酶的参与,B错误;不同酶的最适pH不一样,比如胃蛋白酶的最适pH是1.5~2.0,而胰蛋白酶最适pH是7.8~8.5之间,C错误;酶的作用是降低化学反应所需的活化能,不能提供活化能,D错误。
酶
变式训练一
(2022·深圳二模)“银烛秋光冷画屏,轻罗小扇扑流萤”是唐代诗人杜牧的诗句。萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶。在荧光素酶的作用下,荧光素接受ATP提供的能量后被激活,激活的荧光素与氧结合形成氧化荧光素,同时发出荧光。下列叙述正确的是 (　　)
A.萤火虫发光细胞中的荧光素酶主要起到调节作用
B.萤火虫可以通过调节荧光素酶的合成来控制发光
C.荧光素被激活过程发生的化学反应属于放能反应
D.荧光素与氧气结合放出的能量全部转移到ATP中
【答案】　B
【详解】　萤火虫发光细胞中的荧光素酶主要起到催化作用,A错误;基因可以通过控制酶的合成来控制细胞代谢进而间接控制生物的性状,所以萤火虫可以通过调节荧光素酶的合成来控制发光,B正确;荧光素被激活过程发生的化学反应属于吸能反应,C错误;荧光素与氧气结合放出的能量少部分转移到ATP中,大部分以热能的形式散失,D错误。
典例示范二
ATP是细胞的能量“通货”,是生命活动的直接能源物质,下图为ATP的结构和ATP与ADP相互转化的关系式。下列说法错误的是(　　)
A.图1中的A代表腺苷,b、c为特殊化学键
B.图2中进行①过程时,图1中的c键断裂并释放能量
C.ATP与ADP快速转化依赖于酶催化作用具有高效性
D.夜间有O2存在时,图2中过程②主要发生在线粒体
图1　　　　　　　　　　　 图2
【答案】　A
【重点归纳】　ATP的结构、ATP与ADP相互转化是重点考查的知识点。
【详解】　A项中A代表的是腺嘌呤,A错误;图2中①过程进行的是ATP水解,ATP水解时远离A的特殊化学键易断裂,也就是图1中c键,B正确;ATP水解和ATP合成需要酶催化,酶的催化作用具有高效性,C正确;夜间有O2存在时,主要进行有氧呼吸,有氧呼吸发生的主要场所是线粒体,D正确。
变式训练二
(2022·广州一模)ATP是细胞生命活动的直接能源物质,下列叙述错误的是 (　　)
A.人成熟红细胞可通过无氧呼吸产生ATP
B.人体细胞ATP合成所需的能量由磷酸提供
C.ATP可用于物质逆浓度梯度跨膜运输
D.ATP释放的磷酸基团能与某些蛋白质结合
【答案】　B
【详解】　人体成熟的红细胞无线粒体,进行无氧呼吸产生ATP,A正确;人体细胞ATP合成所需的能量是由有机物在氧化分解过程中释放的能量提供的,B错误;物质逆浓度梯度跨膜运输的方式属于主动运输,需要消耗ATP释放的能量,C正确;ATP释放的磷酸基团能与某些蛋白质结合,例如在主动运输过程中,磷酸基团可以和Ca2+载体蛋白结合,这是载体蛋白的磷酸化,D正确。
真题回顾
1.(2021·广东卷)在高等植物光合作用的卡尔文循环中,唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列叙述正确的是(　　)
A.Rubisco存在于细胞质基质中
B.激活Rubisco需要黑暗条件
C.Rubisco催化CO2固定需要ATP
D.Rubisco催化C5和CO2结合
【答案】　D
【解析】　Rubisco参与植物光合作用过程中的暗反应,暗反应场所在叶绿体基质,故Rubisco存在于叶绿体基质中,A错误;暗反应在有光和无光条件下都可以进行,故参与暗反应的酶Rubisco的激活对光无要求,B错误;Rubisco催化CO2固定不需要ATP,C错误;Rubisco催化二氧化碳的固定,即C5和CO2结合生成C3的过程,D正确。
2.(2021·全国甲卷)已知①酶、②抗体、③激素、④糖原、⑤脂肪、⑥核酸都是人体内有重要作用的物质。下列说法正确的是 (　　)
A.①②③都是由氨基酸通过肽键连接而成的
B.③④⑤都是生物大分子,都以碳链为骨架
C.①②⑥都是由含氮的单体连接成的多聚体
D.④⑤⑥都是人体细胞内的主要能源物质
【答案】　C
【解析】　大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA;激素是有机物,可能是蛋白质、固醇、氨基酸衍生物等,A错误;生物大分子有蛋白质、核酸和多糖,激素是有机物,可能是蛋白质、固醇、氨基酸衍生物等;脂肪不是生物大分子,B错误;①大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA,蛋白质的单体是氨基酸,RNA的单体是核糖核苷酸,都含氮;②抗体是蛋白质,单体是氨基酸,含氮;⑥核酸的单体是核苷酸,含氮,C正确;糖类是主要能源物质;ATP是直接能源物质;脂肪是良好的储能物质,D错误。
3.(2022·广东卷)某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展初步研究,结果见下表。下列分析错误的是 (　　)
组别 pH CaCl2 温度(℃) 降解率(%)
① 9 + 90 38
② 9 + 70 88
③ 9 - 70 0
④ 7 + 70 58
⑤ 5 + 40 30
注:　+/-分别表示有/无添加,反应物为Ⅰ型胶原蛋白
【答案】　C
【解析】　分析②③组可知,没有添加CaCl2,降解率为0,说明该酶的催化活性依赖CaCl2,A正确;分析①②变量可知,pH均为9,都添加了CaCl2,温度分别为90 ℃、70 ℃,故自变量为温度,B正确;②组酶的活性最高,此时pH为9,温度为70 ℃,但由于温度梯度、pH梯度较大,不能说明最适温度为70 ℃,最适pH为9,C错误;该实验的反应物为Ⅰ型胶原蛋白,要确定该酶能否水解其他反应物还需补充实验,D正确。
A.该酶的催化活性依赖于CaCl2
B.结合①、②组的相关变量分析,自变量为温度
C.该酶催化反应的最适温度为70 ℃,最适pH为9
D.尚需补充实验才能确定该酶是否能水解其他反应物
4.(2022·全国乙卷)某种酶P由RNA和蛋白质组成,可催化底物转化为相应的产物。为探究该酶不同组分催化反应所需的条件。某同学进行了下列5组实验(表中“+”表示有,“-”表示无)。
实验组 ① ② ③ ④ ⑤
底物 + + + + +
RNA组分 + + - + -
蛋白质组分 + - + - +
低浓度Mg2+ + + + - -
高浓度Mg2+ - - - + +
产物 + - - + -
根据实验结果可以得出的结论是 (　　)
A.酶P必须在高浓度Mg2+条件下才具有催化活性
B.蛋白质组分的催化活性随Mg2+浓度升高而升高
C.在高浓度Mg2+条件下RNA组分具有催化活性
D.在高浓度Mg2+条件下蛋白质组分具有催化活性
【答案】　C
【解析】　第①组中,酶P在低浓度Mg2+条件,有产物生成,说明酶P在该条件下具有催化活性,A错误;第③组和第⑤组对照,无关变量是底物和蛋白质组分,自变量是Mg2+浓度,无论是高浓度Mg2+条件下还是低浓度Mg2+条件下,两组均没有产物生成,说明蛋白质组分无催化活性,BD错误;第②组和第④组对照,无关变量是底物和RNA组分,自变量是Mg2+浓度,第④组在高浓度Mg2+条件下有产物生成,第②组在低浓度Mg2+条件下,没有产物生成,说明在高浓度Mg2+条件下RNA组分具有催化活性,C正确。(共66张PPT)
专题二 细胞代谢
专题突破
第2讲 光合作用与细胞呼吸
【思维导图】
【考点梳理】
考点1 细胞呼吸
(1)本质:细胞内氧化分解有机物,释放能量,合成ATP。
呼吸作用释放的能量,一部分合成ATP,其余以热能的形式散失。
(2)有氧呼吸
①场所:线粒体、细胞质基质
②过程:
C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+能量
酶
(3)无氧呼吸
①场所:细胞质基质
②过程:
C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量
C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+少量能量
酶
酶
酵母菌、乳酸菌等微生物的无氧呼吸也叫发酵。产生酒精的叫酒精发酵,产生乳酸的叫乳酸发酵。
有氧呼吸和无氧呼吸第一阶段完全相同;无氧呼吸只有第一阶段释放能量,第二阶段不释放能量,能量储存在酒精或乳酸中。
大多数生物既能进行有氧呼吸也能进行短时间无氧呼吸,但好氧细菌(如醋酸菌、硝化细菌等)只能进行有氧呼吸;而厌氧细菌(如乳酸菌、破伤风杆菌等)只能进行无氧呼吸。
(4)探究酵母菌的呼吸方式
酵母菌:兼性厌氧菌,有氧和无氧条件下都能生存。有氧条件下主要是进行自身繁殖;无氧条件下进行酒精发酵。
检测CO2的产生:用澄清石灰水或溴麝香草酚蓝水溶液检测,现象分别为变浑浊或由蓝变绿再变黄。
检测酒精的产生:用橙色的重铬酸钾溶液,在酸性条件下与酒精发生化学反应,变成灰绿色(橙色→灰绿色)。
(5)影响呼吸作用的因素:温度、O2浓度、CO2浓度和含水量等。
①温度:温度主要是通过影响酶的活性来影响呼吸作用。
②氧气浓度:
(6)呼吸作用的应用
农作物长时间水淹,会出现烂根或黑根现象,原因是:长时间水淹,土壤缺氧,根细胞进行无氧呼吸产生了酒精,酒精会毒害根细胞,从而出现烂根或黑根现象。
苹果等水果放久了内部会腐烂且切开后有酒味,原因是:苹果等水果的内部细胞缺氧进行无氧呼吸产生了酒精,酒精使苹果内部腐烂。
中耕松土或适时排水的目的:增加土壤中的氧气,促进根有氧呼吸,促进能量的产生,有利于根对无机盐的吸收。
用酵母菌进行面包发酵的原理是:酵母菌有氧呼吸产生CO2,CO2能使面包变松软。
酿酒前期需通入氧气,后期密封的原因是:前期通入氧气有利于酵母菌进行繁殖,增加酵母菌的数量;后期密封有利于酵母菌进行酒精发酵。
伤口包扎要用透气的纱布或创可贴的原因是:防止破伤风杆菌等厌氧菌的感染。
考点2　光合作用
(1)绿叶中色素的提取与分离实验
实验原理:
①提取色素的试剂:无水乙醇。②分离色素的试剂:层析液。③分离色素的方法:纸层析法。不同色素在层析液的溶解度不同,溶解度大的在滤纸条上的扩散快。
注意事项:
①SiO2作用:使研磨充分。CaCO3作用:防止色素被破坏。②滤液细线不能触及层析液,原因是:色素会溶解于层析液。
实验结果
滤纸条上的色素带由上到下的色素名称依次是:胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b。含量最多的色素是:叶绿素a。含量最少的色素是:胡萝卜素。
叶绿素主要吸收蓝紫光、红光;类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
(2)光合作用的过程
光反应(希尔反应) 暗反应(碳反应)
场所 类囊体薄膜 叶绿体基质
条件 光、色素、酶、水等 NADPH、ATP、酶、CO2等
物质
变化 ①水的光解:
H2O O2+H+
②NADPH的合成:
NADP++H++e→NADPH
③ATP的合成:
ADP+Pi+能量 ATP ①CO2的固定:CO2+C5 2C3
②C3的还原:
C3 (CH2O)
③C5的再生:
C3 C5
能量
变化 光能→ATP和NADPH中化学能 ATP和NADPH中化学能→有机物中化学能
实质 将无机物合成有机物,储存能量
联系 光反应为暗反应提供ATP和NADPH,暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+,两者是同时但不同步进行
酶
酶
ATP、NADPH
酶
ATP、NADPH
酶
总反应式:CO2+H2O (CH2O)+O2
光
叶绿体
(3)影响光合作用的外界因素:光照强度、CO2浓度、温度、水等。
光合作用强度(光合速率):指植物在单位时间内通过光合作用制造的有机物数量(或固定的CO2量或产生的O2量)。
CO2+H2O (CH2O)+O2
光
叶绿体
总光合速率:常用有机物制造量、CO2固定量和O2产生量来表示。
净光合速率:常用有机物积累量、CO2吸收量和O2释放量来表示。
①光照强度:
A:光照强度为0,只进行呼吸作用。
B(光补偿点):光合速率=呼吸速率。
C(光饱和点):光合速率达到最大值。
AB段:光合速率<呼吸速率。
B点以后:光合速率>呼吸速率。
C点以后光合速率不再随光照强度增大而增大,限制的主要因素是CO2浓度、含水量、酶和色素的数量等有限。
B 点以后,植物才能正常生长。
②二氧化碳浓度:
在一定范围内,光合速率随CO2浓度的增大而增大,但当CO2增大到一定浓度后,光合速率不再随CO2浓度的增大而增大,限制的主要因素是光照强度、含水量、酶和色素的数量等。
③温度:温度可通过影响酶的活性来影响光合作用。
夏天:晴朗白天温度较高时光合速率会下降,原因是:温度过高,气孔会关闭,CO2供应会减少,从而使光合速率下降。
大棚蔬菜种植白天适当提高温度,晚上适当降低温度,原因是:白天适当提高温度有利于光合作用制造有机物,晚上适当降低温度能降低细胞呼吸减少有机物的消耗,从而有利于植物有机物的积累。
(4)化能合成作用:生物利用体外环境中的某些无机物氧化所释放的能量来制造有机物的过程。
化能合成作用与光合作用的主要区别:能量的来源不同。
化能合成作用利用的是无机物氧化释放的化学能,光合作用利用的是太阳能。
化能合成生物:硝化细菌、硫细菌等。
典例示范一
(2020·全国Ⅰ卷)种子贮藏中需要控制呼吸作用以减少有机物的消耗。若作物种子呼吸作用所利用的物质是淀粉分解产生的葡萄糖,下列关于种子呼吸作用的叙述,错误的是 (　　)
A.若产生的CO2与乙醇的分子数相等,则细胞只进行无氧
呼吸
B.若细胞只进行有氧呼吸,则吸收O2的分子数与释放CO2
的分子数相等
C.若细胞只进行无氧呼吸且产物是乳酸,则无O2吸收也无
CO2释放
D.若细胞同时进行有氧和无氧呼吸,则吸收O2的分子数比
释放CO2的分子数多
【答案】　D
【重点归纳】　重点掌握有氧呼吸、酒精发酵、乳酸发酵的过程、反应物、产物和反应式。
C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+能量
C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量
C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+少量能量
呼吸底物是葡萄糖时,若只进行有氧呼吸,则消耗的氧气=生成的二氧化碳量;若只进行无氧呼吸,当呼吸产物是酒精时,生成的酒精量=生成的二氧化碳量。
酶
酶
酶
【详解】　若二氧化碳的生成量=酒精的生成量,则说明不消耗氧气,故只进行无氧呼吸,A正确;若只进行有氧呼吸,则消耗的氧气量=生成的二氧化碳量,B正确;若只进行无氧呼吸,说明不消耗氧气,产乳酸的无氧呼吸不会产生二氧化碳,C正确;若同时进行有氧呼吸和无氧呼吸,若无氧呼吸产酒精,则消耗的氧气量小于二氧化碳的生成量,若无氧呼吸产乳酸,则消耗的氧气量=二氧化碳的生成量,D错误。
变式训练一
1.(2022·深圳一模)在马拉松比赛时,人体骨骼肌细胞需要消耗大量能量。此时关于人体内呼吸作用产物的推断,最合理的是(　　)
A.乳酸 B.酒精、二氧化碳和水
C.水和二氧化碳 D.乳酸、二氧化碳和水
【答案】　D
【详解】　人体剧烈运动时,肌肉细胞消耗能量较多,既进行有氧呼吸,又进行无氧呼吸,有氧呼吸的产物有水、二氧化碳和ATP,无氧呼吸的产物有乳酸和ATP,故肌肉细胞呼吸作用的产物有水、二氧化碳、乳酸和ATP。
2.(2021·全国甲卷)某同学将酵母菌接种在马铃薯培养液中进行实验,不可能得到的结果是 (　　)
A.该菌在有氧条件下能够繁殖
B.该菌在无氧呼吸的过程中无丙酮酸产生
C.该菌在无氧条件下能够产生乙醇
D.该菌在有氧和无氧条件下都能产生CO2
【答案】　B
【详解】　酵母菌有细胞核,是真菌生物,其代谢类型是异养兼性厌氧型,与无氧条件相比,在有氧条件下,产生的能量多,酵母菌的增殖速度快,A不符合题意;酵母菌无氧呼吸在细胞质基质中进行,无氧呼吸第一阶段产生丙酮酸、还原氢,并释放少量的能量,第二阶段丙酮酸被还原氢还原成乙醇,并生成二氧化碳,B符合题意,C不符合题意;酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都在第二阶段生成CO2,D不符合题意。
典例示范二
(2021·广东卷)为积极应对全球气候变化,我国政府在2020年的联合国大会上宣布,中国于2030年前确保碳达峰(CO2排放量达到峰值),力争在2060年前实现碳中和(CO2排放量与减少量相等)。这是中国向全世界的郑重承诺,彰显了大国担当。回答下列问题:
(1)在自然生态系统中,植物等从大气中摄取碳的速率与生物的呼吸作用和分解作用释放碳的速率大致相等,可以自我维持
　　　 　　。自西方工业革命以来,大气中CO2的浓度持续增加,引起全球气候变暖,导致的生态后果主要是____________
　 。
碳平衡(CO2平衡)　
极地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等
【详解】　在自然生态系统中,植物光合作用摄取碳的速率与生物的呼吸作用和微生物的分解作用释放碳的速率大致相等。随着现代工业的迅速发展,人类大量燃烧煤、石油等化学燃料,使地层中经过千百万年而积存的碳元素,在很短的时间内释放出来,打破了生物圈中的碳平衡,使大气中的CO2浓度迅速增加,引起全球气候变暖,导致极地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等严重的生态后果。
(2)生态系统中的生产者、消费者和分解者获取碳元素的方式分别是　 ,消费者通过食物网(链)取食利用,　 。
生产者通过光合作用或化能合成作用　
分解者通过分解作用
【详解】　生产者主要通过光合作用和化能合成作用获取碳元素,从而碳元素将通过生产者进入生态系统,消费者通过摄食生产者和低营养级的消费者来获取碳元素,分解者通过分解生产者的遗体残骸和消费者的粪便、遗体残骸来获取碳元素。消费者通过食物网(链)取食利用,从而将碳元素以含碳有机物的形式进行传递。
(3)全球变暖是当今国际社会共同面临的重大问题,从全球碳循环的主要途径来看,减少　　　　 　和增加________
　　　　　 是实现碳达峰和碳中和的重要举措。
碳释放(CO2排放量)　 碳摄取(CO2摄取量)
【重点归纳】　光合作用及细胞呼吸通常会结合碳循环失衡,即全球气候变暖这个热点环境问题一起考查,主要考查光合作用的过程、场所、影响因素和光合作用在维持碳平衡中的作用。
【详解】　全球变暖是当今国际社会共同面临的重大问题,从全球碳循环的主要途径来看,解决全球变暖问题,一方面是从源头上减少二氧化碳的排放,主要是通过减少化石燃料的燃烧、开发新能源等来减少二氧化碳排放;另一方面是增加二氧化碳的去路,主要有植树造林、退耕还林、扩大森林面积、保护森林等。因此,增加碳摄取和减少碳释放是实现碳达峰和碳中和的重要举措。
变式训练二
1.(2021·广州一模)森林碳汇一般指植物把大气中的CO2以生物量的形式固定在植被和土壤中,从而减少大气中CO2浓度的过程。回答下列问题:
(1)CO2被植物吸收后,经光合作用的　　　　过程转化成有机物并储存于植物中。
上述过程所需的ATP和[H]的合成场所是叶绿体的　　　　　。除光合作用外,森林碳汇还受植物的　　 　　　(填生理作用)的影响。
暗反应
类囊体膜　 细胞呼吸(呼吸作用)
【详解】　光合作用分为光反应和暗反应两个阶段,CO2 被植物吸收后,经光合作用暗反应过程转化成有机物并储存于植物中; ATP和[H]是在光反应过程中产生的,场所是叶绿体的类囊体膜上。除光合作用外,森林碳汇还受植物呼吸作用的影响。
(2)每年5月至9月是我国植物的快速生长期。该期间促进植物快速生长的非生物因素主要包括 　。
温度、光照强度
【详解】　影响植物光合作用的外界因素主要有光照强度、CO2浓度、温度、水等,5月至9月光照强度较强、温度较高,能加快植物的光合速率,促进植物快速生长。
(3)近40年来,我国森林面积持续增长,其中的中幼龄森林正成为森林碳汇的主力军。
若要增加某地的森林碳汇,可采取的措施有_______________
　(写出2点)。
植树造林、禁止乱砍滥伐
【详解】　森林碳汇一般指植物把大气中的CO2以生物量的形式固定在植被和土壤中,从而减少大气中CO2浓度的过程,要增加某地的森林碳汇,可以通过植树造林、禁止乱砍滥伐等增强光合作用从而减少大气中CO2浓度。
2.气候变化与生态系统的碳循环密切相关。下表为A、B两个不同时期陆地生态系统与大气环境的碳交换情况。
时期 碳吸收量/
(kg·a-1) 碳释放量/
(kg·a-1)
A 1.20×1014 1.20×1014
B 1.20×1014 1.26×1014
(1)生态系统中碳的吸收主要是通过　 　作用实现的,碳的释放主要是通过　　　作用实现的。
光合　
呼吸
【详解】　生态系统中碳的吸收有光合作用和化能合成作用,主要是光合作用;碳的释放有化石燃料的燃烧、细胞呼吸等,生态系统中主要是通过呼吸作用实现的。
【详解】　A时期:碳的吸收量=碳的释放量;B时期:碳的吸收量<碳的释放量。因此A时期的生态系统处于稳定状态。
(2)表中 　时期的生态系统处于稳定状态,原因是__________
　 。
(3)由于过度的人工碳排放,破坏了生态系统的　　　　,导致大气中　　　增加并引起全球气候变化。
【详解】　过度的人工碳排放,破坏了生态系统的稳定性,导致大气中CO2增加并引起全球气候变化。
A　
　 碳吸收量等于碳释放量
稳定性
CO2
【详解】　类囊体吸收光能的过程发生在光合作用的光反应阶段;蓝藻能在细胞内将光合作用产生的有机物——葡萄糖直接发酵转化为燃料乙醇。
(4)人们正在积极开发新能源以减少碳排放。如“叶绿素太阳能电池”是模仿类囊体吸收光能的特征而制造的,类囊体吸收光能的过程发生在光合作用的　　　　阶段;又如经改造的蓝藻能在细胞内将光合作用产生的　　　　直接发酵转化为燃料乙醇。
光反应
葡萄糖
3.(2021·深圳一模)“碳中和”是指国家、企业或个人等通过植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”,下列叙述错误的是(　　)
A.碳在群落和无机环境之间主要以CO2的形式循环
B.每个自然生态系统都可依靠自身实现“碳中和”
C.实现“碳中和”的有效措施是增加生产者的数量
D.过度的人工碳排放可能会导致海平面上升
【答案】 B
【详解】 碳在生物群落与无机环境之间以CO2的形式进行循环,在生物群落内部,碳是以有机物的形式流动,A正确;碳循环具有全球性,“碳中和”是全球性的,不是单独的生态系统,B错误;实现“碳中和”,可以增加生产者的数量,提高生产者对二氧化碳的消耗,C正确;过度的人工碳排放可能会导致大气中二氧化碳浓度增加,从而产生温室效应,温室效应可导致海平面的上升,D正确。
真题回顾
1.(2020·全国Ⅰ卷)农业生产中的一些栽培措施可以影响作物的生理活动,促进作物的生长发育,达到增加产量等目的。回答下列问题:
(1)中耕是指作物生长期中,在植株之间去除杂草并进行松土的一项栽培措施,该栽培措施对作物的作用有________________
　 (答出2点即可)。
【详解】　中耕松土过程中去除了杂草,减少了杂草和农作物之间的竞争;疏松土壤可以增加土壤的含氧量,有利于根细胞的有氧呼吸,促进矿质元素的吸收,从而达到增产的目的。
减少杂草对水分、矿质元素和阳光的竞争;增加土壤氧气含量,促进根的有氧呼吸
(2)农田施肥的同时,往往需要适当浇水,此时浇水的原因是___
_______________________________________________________　
(答出1点即可)。
肥料中的矿质元素只有溶解在水中才能被作物根系吸收 (防止土壤溶液浓度过高导致植物失水)
【详解】　农田施肥时,肥料中的矿质元素只有溶解在水中,以离子形式存在,才能被作物根系吸收。
(3)农业生产常采用间作(同一生长期内,在同一块农田上间隔种植两种作物)的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物,在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点(光合速率达到最大时所需的光照强度)见下表。从提高光能利用率的角度考虑,最适合进行间作的两种作物是　　　,选择这两种作物的理由是______
_______________________________________________________
　 。
A和C　 作物A光饱和点高且长得高,可以利用上层光照进行光合作用;作物C光饱和点低且长得矮,能利用下层的弱光进行光合作用
作物 A B C D
株高/cm 170 65 59 165
光饱和点/
(μmol O2·m-2·s-1) 1200 1180 560 623
【详解】　分析表中数据可知,作物A、D的株高较高,B、C的株高较低,作物A、B的光饱和点较高,适宜在较强光照下生长, C、D的光饱和点较低,适宜在弱光下生长,综合上述特点,应选取作物A和C进行间作,作物A可利用上层光照进行光合作用,作物C能利用下层的弱光进行光合作用,从而提高光能利用率。
2.(2020·全国Ⅱ卷)为了研究细胞器的功能,某同学将正常叶片置于适量的溶液B中,用组织捣碎机破碎细胞,再用差速离心法分离细胞器。回答下列问题:
(1)该实验所用溶液B应满足的条件是____________________
　 (答出2点即可)。
pH应与细胞质基质的相同,渗透压应与细胞内的相同
【详解】　将正常叶片置于适量的溶液B中,为防止叶片失水,应保证pH与细胞质基质的相同,渗透压与细胞内的相同。
(2)离心沉淀出细胞核后,上清液在适宜条件下能将葡萄糖彻底分解,原因是此上清液中含有　 。
(3)将分离得到的叶绿体悬浮在适宜溶液中,照光后有氧气释放;如果在该适宜溶液中将叶绿体外表的双层膜破裂后再照光,
　 (填“有”或“没有”)氧气释放,原因是______________________
　 。
细胞质基质和线粒体
【详解】　葡萄糖在有氧呼吸的过程能彻底氧化分解,在真核细胞中场所为细胞质基质和线粒体。
有　 类囊体膜是H2O分解释放O2的场所,叶绿体膜破裂不影响类囊体膜的功能
【详解】　由于类囊体膜是H2O分解释放O2的场所,叶绿体膜破裂不影响类囊体膜功能,故有氧气释放。
3.(2020·全国Ⅲ卷)照表中内容,围绕真核细胞中ATP的合成来完成下表。
反应部位 (1)　 　　 叶绿体的
类囊体膜 线粒体
反应物 葡萄糖 丙酮酸等
反应名称 (2)　 　　 光合作用的
光反应 有氧呼吸的
部分过程
合成ATP的
能量来源 化学能 (3)　 　 　 化学能
终产物
(除ATP外) 乙醇、CO2 (4)　 　　 (5)　 　　
细胞质基质
无氧呼吸
光能
O2、NADPH
H2O、CO2
【详解】　(1)由反应产物乙醇、CO2可知,该反应为无氧呼吸,反应场所为细胞质基质。
(2)由反应产物乙醇、CO2可知,该反应为无氧呼吸。
(3)光合作用的光反应中光能转化成活跃的化学能,储存在ATP中。
(4)光合作用的光反应的产物为O2和NADPH。
(5)线粒体内进行有氧呼吸的第二阶段产物为CO2,第三阶段产物为H2O。
4.(2022·广东卷)研究者将玉米幼苗置于三种条件下培养10天后(图a),测定相关指标(图b),探究遮阴比例对植物的影响。
a b
回答下列问题:
(1)结果显示,与A组相比,C组叶片叶绿素含量　　,原因可能是　 。
高　
遮阴条件下植物合成较多的叶绿素
【详解】　分析题图a可知,A组未遮阴,B组植株一半遮阴(50%遮阴),C株全遮阴(100%遮阴)。
(1)分析题图b结果可知,培养10天后,A组叶绿素含量为4.2,C组叶绿素含量为4.7,原因可能是遮阴条件下植物合成较多的叶绿素,以尽可能地吸收光能。
(2)比较图b中B1与A组指标的差异,并结合B2相关数据,推测B组的玉米植株可能会积累更多的　 　　　　　,因而生长更快。
【详解】　比较图b中B1叶绿素含量为 5.3,B2组的叶绿素含量为3.9,A组叶绿素含量为4.2;B1净光合速率为20.5,B2组的净光合速率为7.0,A组净光合速率为11.8,可推测B组的玉米植株总叶绿素含量为(5.3+3.9)/2=4.6,净光合速率为(20.5+7.0)/2=13.75。两项数据B组均高于A组,推测B组可能会积累更多的糖类等有机物,因而生长更快。
糖类等有机物
(3)某兴趣小组基于上述B组条件下玉米生长更快的研究结果,作出该条件可能会提高作物产量的推测,由此设计了初步实验方案进行探究:
实验材料:选择前期　　　　 一致、生长状态相似的某玉米品种幼苗90株。
实验方法:按图a所示的条件,分A、B、C三组培养玉米幼苗,每组30株;其中以　　 为对照,并保证除　　　　　外其他环境条件一致。收获后分别测量各组玉米的籽粒重量。
结果统计:比较各组玉米的平均单株产量。
分析讨论:如果提高玉米产量的结论成立,下一步探究实验的思路是　 。
光照条件　
A组
遮光程度
探究能提高作物产量的具体的最适遮光比例是多少
【详解】　分析题意可知,该实验目的是探究B组条件是否能提高作物产量。该实验自变量为玉米遮光程度,因变量为作物产量,可用籽粒重量表示。实验设计应遵循对照原则、单一变量原则、等量原则等,无关变量应保持相同且适宜。故实验设计如下:实验材料,选择前期光照条件一致、生长状态相似的某玉米品种幼苗90株;实验方法,按图a所示条件,分为A、B、C三组培养玉米幼苗,每组30株,其中以A为对照,并保证除遮光条件外其他环境条件一致,收获后分别测量各组玉米的籽粒重量;结果统计,比较各组玉米的平均单株产量;分析讨论,如果B组遮光条件能提高作物产量,则下一步需要探究能提高作物产量的具体的最适遮光比例是多少。
【详解】　(1)光合作用光反应阶段的场所是叶绿体的类囊体膜上,光反应发生的物质变化包括水的光解以及ATP的形成,因此光合作用光反应阶段生成的产物有O2、[H]和ATP。
5.(2022·全国甲卷)根据光合作用中CO2的固定方式不同,可将植物分为C3植物和C4植物等类型。C4植物的CO2补偿点比C3植物的低。CO2补偿点通常是指环境CO2浓度降低导致光合速率与呼吸速率相等时的环境CO2浓度。回答下列问题。
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反应阶段的产物是相同的,光反应阶段的产物是 　(答出3点即可)。
O2、[H]和ATP
【详解】　叶片光合作用产物一部分用来建造植物体结构和被自身呼吸消耗,其余部分被输送到植物体的储藏器官储存起来。故正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位。
(2)正常条件下,植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位,原因是 　 (答出1点即可)。
被自身呼吸消耗或用来建造植物体结构
(3)干旱会导致气孔开度减小,研究发现在同等程度干旱条件下,C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析,可能的原因是________________________________________
　。
C4植物的CO2补偿点低于C3植物,C4植物能够利用较低浓度的CO2
【详解】　C4植物的CO2固定途径有C4和C3途径,其主要的CO2固定酶是PEPCase和Rubisco;而C3植物只有C3途径,其主要的CO2固定酶是Rubisco。干旱会导致气孔开度减小,叶片气孔关闭,CO2吸收减少;由于C4植物的CO2补偿点低于C3植物,则C4植物能够利用较低浓度的CO2,因此光合作用受影响较小的植物是C4植物,C4植物比C3植物生长得好。
6.(2021·全国乙卷)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2,吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题:
(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有______________________
　 。
光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和_________________
　　　释放的CO2。
细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜
细胞呼吸(或呼吸作用)
【详解】　白天有光照,叶肉细胞能利用液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2进行光合作用,也能利用光合作用产生的氧气和有机物进行有氧呼吸,光合作用光反应阶段能将光能转化为化学能储存在ATP中,有氧呼吸三阶段都能产生能量合成ATP,因此叶肉细胞能产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜。光合作用为有氧呼吸提供有机物和氧气,反之,细胞呼吸(呼吸作用)产生的二氧化碳也能用于光合作用暗反应,故光合作用所需的CO2可来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸(或呼吸作用)释放的CO2。
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止 　 　　　　,又能保证　　　　 正常进行。
蒸腾作用过强导致水分散失过多
光合作用
【详解】　由于环境干旱,植物吸收的水分较少,为了维持机体的平衡适应这一环境,气孔白天关闭能防止白天因温度较高蒸腾作用较强而导致植物体水分散失过多,晚上气孔打开吸收二氧化碳储存固定以保证光合作用等生命活动的正常进行。
(3)若以pH作为检测指标,请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
【答案】　实验思路:取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组;A组在(湿度适宜的)正常环境中培养,B组在干旱环境中培养,其他条件相同且适宜,一段时间后,分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH,并求平均值。
预期结果:A组pH平均值高于B组。
【详解】　该实验自变量是植物甲所处的生存环境是否干旱,由于夜间气孔打开吸收二氧化碳,生成苹果酸储存在液泡中,导致液泡pH降低,故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式,即因变量检测指标是液泡中的pH。实验思路:取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组;A组在(湿度适宜的)正常环境中培养,B组在干旱环境中培养,其他条件相同且适宜,一段时间后,分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH,并求平均值。
预期结果:A组pH平均值高于B组。
7.(2021·广东卷)秸秆的纤维素经酶水解后可作为生产生物燃料乙醇的原料。生物兴趣小组利用自制的纤维素水解液(含5%葡萄糖)培养酵母菌并探究其细胞呼吸(如图)。下列叙述正确的是(　　)
A.培养开始时向甲瓶中加入重铬酸钾以便检测乙醇生成
B.乙瓶的溶液由蓝色变成红色,表明酵母菌已产生了CO2
C.用甲基绿溶液染色后可观察到酵母菌中线粒体的分布
D.实验中增加甲瓶的酵母菌数量不能提高乙醇最大产量
【答案】　D
【详解】 培养开始时,酵母菌进行的是有氧呼吸,没有乙醇产生,甲瓶中的氧气消耗完后才进行无氧呼吸,才有乙醇产生,检测乙醇生成,应取甲瓶中的滤液2 mL注入试管中,再向试管中加入0.5 mL溶有0.1 g重铬酸钾的浓硫酸溶液,使它们混合均匀,观察试管中溶液颜色的变化,A错误;CO2可以使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿再变黄,因此乙瓶的溶液不会变成红色,B错误;甲基绿是对DNA进行染色的,健那绿染液才是专一性染线粒体的活细胞染料,可使活细胞中的线粒体呈现蓝绿色,而细胞质接近无色,因此用健那绿染液染色才能观察到酵母菌中线粒体的分布,C错误;乙醇最大产量与甲瓶中葡萄糖的量有关,因甲瓶中葡萄糖的量是一定,因此实验中增加甲瓶的酵母菌数量不能提高乙醇最大产量,D正确。
8.(2022·广东卷)种子质量是农业生产的前提和保障。生产实践中常用TTC法检测种子活力,TTC(无色)进入活细胞后可被[H]还原成TTF(红色)。大豆充分吸胀后,取种胚浸于0.5%TTC溶液中,30 ℃保温一段时间后部分种胚出现红色。下列叙述正确的是(　　)
A.该反应需要在光下进行
B.TTF可在细胞质基质中生成
C.TTF生成量与保温时间无关
D.不能用红色深浅判断种子活力高低
【答案】　B
【详解】　大豆种子充分吸水胀大,此时未形成叶绿体,不能进行光合作用,该反应不需要在光下进行,A错误;细胞质基质中可通过细胞呼吸第一阶段产生[H],TTF可在细胞质基质中生成,B正确;保温时间较长时,较多的TTC进入活细胞,生成较多的红色TTF,C错误;相同时间内,种胚出现的红色越深,说明种胚代谢越旺盛,据此可判断种子活力的高低,D错误。
9.(2022·全国甲卷)线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所。研究发现,经常运动的人肌细胞中线粒体数量通常比缺乏锻炼的人多。下列与线粒体有关的叙述,错误的是 (　　)
A.有氧呼吸时细胞质基质和线粒体中都能产生ATP
B.线粒体内膜上的酶可以参与[H]和氧反应形成水的过程
C.线粒体中的丙酮酸分解成CO2和[H]的过程需要O2的直
接参与
D.线粒体中的DNA能够通过转录和翻译控制某些蛋白质
的合成
【答案】　C
【详解】　有氧呼吸的第一阶段场所是细胞质基质,第二、三阶段在线粒体,三个阶段均可产生ATP,故有氧呼吸时细胞质基质和线粒体都可产生ATP,A正确;线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段的场所,该阶段氧气和[H]反应生成水,该过程需要酶的催化,B正确;丙酮酸分解为CO2和[H]是有氧呼吸第二阶段,场所是线粒体基质,该过程需要水的参与,不需要氧气的参与,C错误;线粒体是半自主性细胞器,其中含有少量DNA,可以通过转录和翻译控制蛋白质的合成,D正确。
10.(2022·全国乙卷)某同学将一株生长正常的小麦置于密闭容器中,在适宜且恒定的温度和光照条件下培养,发现容器内CO2含量初期逐渐降低,之后保持相对稳定。关于这一实验现象,下列解释合理的是 (　　)
A.初期光合速率逐渐升高,之后光合速率等于呼吸速率
B.初期光合速率和呼吸速率均降低,之后呼吸速率保持稳定
C.初期呼吸速率大于光合速率,之后呼吸速率等于光合速率
D.初期光合速率大于呼吸速率,之后光合速率等于呼吸速率
【答案】　D
【详解】　初期容器内CO2浓度较大,光合作用强于呼吸作用,植物吸收CO2释放O2,使密闭容器内的CO2浓度下降,O2浓度上升,A错误;根据分析由于密闭容器中,在适宜且恒定的温度和光照条件下,容器内的CO2浓度下降,所以说明植物光合作用大于呼吸作用,但由于CO2含量逐渐降低,从而使植物光合速率逐渐降低,直到光合作用与呼吸作用相等,容器中气体趋于稳定,B错误;初期光合速率大于呼吸速率,之后光合速率等于呼吸速率,C错误,D正确。

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