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人教(2019)生物高考知识点梳理&对点训练
3.4 细胞呼吸与光合作用之间物质和能量关系
由于光合作用和细胞呼吸的联系是考查学生的物质与能量观、结构与功能观等生命观念，以及科学思维和科学探究等学科素养的有效途径，因此该考点常受到命题者的青睐，在高考命题中考查频次较高，选择题、非选择题都是常见题型。命题多借助图示模型或情境信息等考查细胞呼吸与光合作用过程中物质和能量的转化过程。
1．关于细胞中的 H2O 和 O2，下列说法错误的是(　 )
A．由葡萄糖合成糖原的过程中一定有 H2O 产生
B．有氧呼吸第二阶段一定消耗 H2O
C．植物细胞产生的 O2 只能来自光合作用
D．光合作用产生的 O2 中的氧元素只能来自H2O
解析：选C　葡萄糖是单糖，通过脱水缩合形成多糖的过程有水生成，A正确；有氧呼吸第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和[H]，所以一定消耗 H2O，B正确；有些植物细胞含有过氧化氢酶(如土豆)，可以分解过氧化氢生成O2，因此植物细胞产生的 O2 不一定只来自光合作用，C错误；光反应阶段水的分解产生O2，故光合作用产生的 O2 中的氧元素只能来自H2O，D正确。
2．研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是(　 )
A．产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质
B．该反应体系不断消耗的物质仅是CO2
C．类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原
D．与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素
解析：选A　题干信息“该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸”说明，乙醇酸是在暗反应中合成的，合成场所相当于叶绿体基质，A正确；该反应体系既能在类囊体上进行光反应，又能利用16种酶等物质进行暗反应，因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等，B错误；类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP，光反应产生的O2不参与暗反应，C错误；该反应体系中有类囊体，在光照条件下还可实现连续的CO2固定与还原，说明该反应体系中有吸收、传递和转化光能的光合作用色素，D错误。
3．下图为某植物叶肉细胞中有关甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图(NADPH 指[H])，请回答下列问题：
(1)甲可以将光能转变为化学能，参与这一过程的两类色素为______________________，其中大多数高等植物的________需在光照条件下合成。
(2)在甲发育形成过程中，细胞核编码的参与光反应中心的蛋白，在细胞质中合成后，转运到甲内，在____________(填场所)组装；核编码的Rubisco(催化CO2固定的酶)小亚基转运到甲内，在________(填场所)组装。
(3)甲输出的三碳糖在氧气充足的条件下，可被氧化为________后进入乙，继而在乙的________(填场所)彻底氧化分解成CO2；甲中过多的还原能可通过物质转化，在细胞质中合成NADPH，NADPH中的能量最终可在乙的________(填场所)转移到ATP中。
(4)乙产生的ATP被甲利用时，可参与的代谢过程包括________(填序号)。
①C3的还原　②内外物质运输　③H2O裂解释放O2　④酶的合成
解析：(1)图中甲是叶绿体，是进行光合作用的场所。叶绿体中含有叶绿素和类胡萝卜素，可以吸收光能，并将光能转变为化学能；叶绿素通常需要在有光的条件下才能合成。(2)光反应在叶绿体的类囊体膜上进行，参与光反应的酶(蛋白质)在细胞质中合成后，转运到叶绿体的类囊体膜上组装；CO2的固定发生在叶绿体基质中，催化CO2固定的酶在叶绿体基质中组装。(3)图中乙为线粒体，是进行有氧呼吸的主要场所。氧气充足时，光合作用产生的三碳糖可被氧化为丙酮酸后进入线粒体，丙酮酸在线粒体基质中被彻底氧化分解成CO2，同时产生NADH和ATP。叶绿体中产生的过多的还原能通过物质转化合成NADPH，NADPH可通过参与有氧呼吸第三阶段产生ATP。(4)由图示可知，乙(线粒体)产生的ATP能够进入甲(叶绿体)，所以在线粒体中合成的ATP可以用于C3的还原，同时还能用于内外物质的运输、酶的合成等；水的光解不需要ATP。
答案：(1)叶绿素、类胡萝卜素　叶绿素　(2)类囊体膜上　基质中　(3)丙酮酸　基质中　内膜上
(4)①②④
[知识梳理]
1．光合作用与细胞呼吸过程模式图分析
(1)图中物质名称：b：O2，c：ATP，d：ADP，
e：NADPH，f：C5，g：CO2，h：C3。
(2)生理过程及场所。
序号 ① ② ③ ④ ⑤
生理过程 光反应 暗反应 有氧呼吸第一阶段 有氧呼吸第二阶段 有氧呼吸第三阶段
场所 叶绿体类囊体薄膜 叶绿体基质 细胞质基质 线粒体基质 线粒体内膜
2．光合作用与细胞呼吸中物质和能量的联系
(1)光合作用和有氧呼吸中各种元素的去向。
C CO2有机物丙酮酸CO2
H H2ONADPH(CH2O)[H]H2O
O H2OO2H2OCO2有机物
(2)光合作用与有氧呼吸中的能量转化。
3．图解法理清光合作用与细胞呼吸中[H]和ATP的来源及去路
(1)[H]的来源和去路比较。
(2)ATP的来源与去路比较。
[典例]　(2017·全国卷Ⅱ)下图是某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。
据图回答下列问题：
(1)图中①、②、③、④代表的物质依次是______、________、________、________，[H]代表的物质主要是________。
(2)B代表一种反应过程，C代表细胞质基质，D代表线粒体，则ATP合成发生在A过程，还发生在________(填“B和C”“C和D”或“B和D”)。
(3)C中的丙酮酸可以转化成酒精，出现这种情况的原因是____________________________________。
[解析]　(1)由分析可知，图中①表示光合作用光反应阶段水光解的产物O2；②是生成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)的反应物NADP＋；③是生成ATP的原料ADP＋Pi；④代表光合作用暗反应阶段参与固定CO2的物质C5；图中[H]代表的物质是呼吸作用过程中的还原型辅酶Ⅰ(NADH)。(2)细胞中生成ATP的场所除叶绿体外还有细胞质基质(C)和线粒体(D)。(3)细胞质基质中的丙酮酸可以转化成酒精的原因是植物细胞缺氧，导致细胞进行无氧呼吸。
[答案]　(1)O2　NADP＋　ADP＋Pi　C5　NADH(或还原型辅酶Ⅰ)　(2)C和D　(3)在缺氧条件下进行无氧呼吸
准确解答光合作用和呼吸作用过程类题目的关键
光合作用和细胞呼吸的场所、过程、原料等虽然不同，但二者可通过物质循环紧密联系在一起。解答此类试题时应结合教材图解准确获取图示中的物质转化信息，并据此确定图示生理过程是光合作用过程还是细胞呼吸过程，是光反应阶段还是暗反应阶段，或者是有氧呼吸的哪个阶段。如图为光合作用与细胞呼吸关系图解。
　　　　
[针对训练]
1．下图为某植物叶肉细胞进行光合作用与细胞呼吸过程中某些物质变化的图解，其中①～④表示过程。下列相关叙述正确的是(　 )
A．过程①③④都能合成ATP，其中过程③生成的ATP最多
B．过程①②③④不一定能同时进行，过程③④发生在线粒体中
C．过程①②③都发生在生物膜上，温度是影响这三个过程的主要因素
D．过程④产生CO2的过程可能会消耗水
解析：选D　①表示光反应阶段，③表示有氧呼吸的第三阶段，④表示有氧呼吸的第一、二阶段，三者都能合成ATP，其中过程①生成的ATP最多，A错误；④表示有氧呼吸的第一、二阶段，第一阶段发生在细胞质基质，第二阶段消耗水产生CO2，B错误，D正确；①表示光反应阶段，主要受光照影响，②表示暗反应阶段，发生在叶绿体基质，不在生物膜上，C错误。
2．绿色植物光合作用和呼吸作用之间的能量转换如图所示，图中①～⑥代表物质，下列有关叙述错误的是(　 )
A．植物光反应把太阳能转变为活跃的化学能贮存在①中
B．叶绿体中的NADPH和线粒体中的NADH都具有还原性
C．给植物提供HO，短时间内生成的O2和CO2均可含18O
D．物质④在叶绿体基质中合成，在线粒体基质中分解
解析：选D　叶绿体中的NADPH参与C3的还原，线粒体中的NADH与氧结合生成水，二者都具有还原性，B正确；给植物提供HO，HO参与光反应生成18O2，HO参与有氧呼吸的第二阶段生成C18O2，因此短时间内生成的O2和CO2均可含18O，C正确；物质④为葡萄糖，在叶绿体基质中合成，在细胞质基质中分解，D错误。
[课时验收评价]
1．如图表示植物叶肉细胞内光合作用、呼吸作用中氧的转移过程。下列叙述正确的是(　 )
A．过程①②④都有ATP生成
B．过程②⑤所需[H]全部来源于①
C．过程①③⑤都需在生物膜上进行
D．过程②③可相互提供物质
解析：选D　过程④为CO2的固定，不产生ATP，A错误；过程②所需[H]来自有氧呼吸的第一、二阶段，B错误；过程③是有氧呼吸第二阶段，在线粒体基质中进行，过程⑤是C3的还原，发生在叶绿体基质中，C错误。
2.下图表示菠菜叶肉细胞光合作用与细胞呼吸过程中碳元素和氢元素的转移途径，其中①～⑥代表有关生理过程。下列叙述错误的是(　 )
A．过程①②③不在生物膜上进行
B．参与过程②③⑤的酶的种类不同
C．过程②③④⑤都有ATP产生
D．过程③产生的[H]全部来自丙酮酸
解析：选D　过程①为光合作用暗反应阶段，发生在叶绿体基质中；过程②为有氧呼吸的第一阶段，发生在细胞质基质；过程③为有氧呼吸第二阶段，发生在线粒体基质，均不在生物膜上进行，A正确。过程②③为有氧呼吸的过程，其催化反应的酶都为呼吸酶，过程⑤为光合作用光反应阶段，其催化反应的酶为光合作用酶，他们的酶的种类不相同，B正确。过程②③④为有氧呼吸的三个过程，均有ATP产生，过程⑤为水的光解过程，有ATP产生，C正确。过程③(有氧呼吸第二阶段)是丙酮酸和H2O反应产生CO2和[H]，释放少量能量，产生的[H]部分来自丙酮酸，部分来自H2O，D错误。
3．下图表示不同条件下叶片与外界净气体交换模式图，叶片的大小及生理状况相似。下列说法正确的是(　 )
A．①的细胞中产生ATP的场所只有线粒体和细胞质基质
B．单位时间内，叶片②的光合速率大于呼吸速率
C．③的叶肉细胞中线粒体和叶绿体之间没有气体交换
D．提高外界温度，叶片②的O2释放速率一定会增加
解析：选B　①的细胞只进行呼吸作用或同时进行光合作用和呼吸作用，故产生ATP的场所可能还有叶绿体的类囊体薄膜，A错误；叶片②细胞吸收外界CO2，释放O2，故呼吸速率小于光合速率，B正确；③的叶肉细胞同时进行光合作用和呼吸作用，且呼吸速率等于光合速率，此时细胞不与外界进行其他交换，但细胞内的线粒体和叶绿体之间仍有气体交换，C错误；叶片②细胞同时进行光合作用和呼吸作用，但叶片②所处的环境可能已经是光合速率最大时的条件，继续提高外界温度，叶片②的O2释放速率可能会降低，D错误。
4.如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．改变光照强度一定会改变a细胞器中生理活动的强度
D．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
解析：选D　据题图分析，a是叶绿体，b是线粒体，图中叶绿体光合作用吸收的CO2来自线粒体释放的和外界中的，故该叶肉细胞中光合作用强度大于呼吸作用强度，A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错误；当光照强度达到饱和后，增加光照强度，光合作用强度不会改变，C错误；叶肉细胞内光合速率大于呼吸速率，但植物体内并非所有细胞均能进行光合作用，但都要进行细胞呼吸，故该植物不一定能正常生长，D正确。
5．如图表示高等植物体内某些生理过程。据图分析，下列说法不正确的是(　 )
A．Ⅰ阶段生成ATP和NADPH所需要的能量可以是光能也可以是化学能
B．过程③和④进行的场所分别是叶绿体基质和细胞质基质
C．Ⅰ、Ⅱ阶段所示的过程是生态系统赖以维持的重要基础
D．过程④⑤可发生在同一个体不同部位的组织细胞中
解析：选A　高等植物体内，Ⅰ阶段(光反应)生成ATP和NADPH所需要的能量来自光能，A错误；过程③是暗反应，过程④是无氧呼吸，进行的场所分别是叶绿体基质和细胞质基质，B正确；Ⅰ(光反应)、Ⅱ(暗反应)阶段所示的过程是光合作用，可以将无机物转化为有机物，是生态系统赖以维持的重要基础，C正确；过程④(无氧呼吸)⑤(有氧呼吸)可发生在同一个体不同部位的组织细胞中，如植物某些细胞可以进行有氧呼吸，某些细胞可以进行无氧呼吸，D正确。
6．植物细胞中的叶绿体在光照条件下可以消耗一定量的O2，这属于植物细胞光呼吸的重要环节。如图表示光合作用和光呼吸的部分过程。请回答下列问题：
(1)过程①发生在________中，并且需要光反应提供____________________。在黑暗条件下C3不能被还原再生成________，使光呼吸因缺乏底物而不能进行。
(2)研究发现，催化过程②和③的是同一种酶，CO2和O2会竞争此酶的同一活性位点。因此，当细胞中O2浓度升高时，过程②会受到________。
(3)在强光下，光反应转换的能量超过暗反应的需要，会对细胞造成伤害，此时光呼吸可以对细胞起到保护作用，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)从能量代谢的角度看，光呼吸和有氧呼吸最大的区别是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)过程①需要光反应提供ATP和NADPH，发生在叶绿体基质中。在黑暗条件下C3不能被还原再生成C5，使光呼吸因缺乏底物而不能进行。(2)催化过程②和③的是同一种酶，CO2和O2会竞争此酶的同一活性位点，当细胞中O2浓度升高时，O2会与CO2争夺C5，过程②会受到抑制。(3)在强光下，光反应转换的能量超过暗反应的需要，会对细胞造成伤害，此时光呼吸可以对细胞起到保护作用，原因是光呼吸可消耗过剩的能量(或ATP和NADPH)。(4)从能量代谢的角度看，光呼吸和有氧呼吸最大的区别是光呼吸消耗ATP，而有氧呼吸产生ATP。
答案：(1)叶绿体基质　ATP和NADPH(二者缺一不可)
C5　(2)抑制　(3)光呼吸可消耗过剩的能量(或ATP和NADPH)　(4)光呼吸消耗ATP，有氧呼吸产生ATP

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