2024年高三二轮复习生物（江苏适用）第2讲　光合作用与细胞呼吸课件

专题2细胞的代谢第2讲光合作用与细胞呼吸【复习目标】

（1）

说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些

能量在二氧化碳和水转变为糖类与氧气的过程中，转换并储存为糖类中

的化学能。（2）

说明生物通过细胞呼吸将储存在有机物中的能量转

化为生命活动可以利用的能量。

整合一

光合作用与细胞呼吸的生理过程1.光合作用与细胞呼吸的过程图解（1）

光合作用与细胞呼吸中C、H、O元素的转移途径（2）

光合作用和细胞呼吸中能量转化关系2.光合作用和细胞呼吸的关系模型（说明：①

若题干中给出的信息是叶绿体消耗CO2或叶绿体产生O2的

量，则该数据为总光合速率。②

整株绿色植物净光合速率为0时，叶肉

细胞的光合作用强度大于细胞呼吸强度）例1

（2022·江苏卷）图Ⅰ所示为光合作用过程中部分物质的代谢关系

（①～⑦表示代谢途径）。Rubisco是光合作用的关键酶之一，CO2和O2

竞争与其结合，分别催化C5的羧化与氧化。C5羧化固定CO2合成糖；C5

氧化则产生乙醇酸（C2），C2在过氧化物酶体和线粒体协同下，完成光

呼吸碳氧化循环。请据图回答下列问题。（1）

图Ⅰ中，类囊体薄膜直接参与的代谢途径有

⁠（填序号），

在红光照射条件下，参与这些途径的主要色素是

⁠。（2）

在C2循环途径中，乙醇酸进入过氧化物酶体被继续氧化，同时生

成的

在过氧化氢酶催化下迅速分解为O2和H2O。①⑥

叶绿素

H2O2

（3）

将叶片置于一个密闭小室内，分别在CO2浓度为0和0.03％的条件

下测定小室内CO2浓度的变化，获得曲线a、b（图Ⅱ）。①

曲线a，0～

t

1时段释放的CO2源于

；

t

1～

t

2时段，CO2

的释放速度有所增加，此阶段释放的CO2源于

⁠。②

曲线b，当时间到达

t

2后，室内CO2浓度不再改变，其原因是

⁠

⁠。细胞呼吸

光呼吸和细胞呼吸

达到

了CO2补偿点

（4）

光呼吸可使光合效率下降20％～50％，科学家在烟草叶绿体中组

装表达了衣藻的乙醇酸脱氢酶和南瓜的苹果酸合酶，形成了图Ⅲ所示的

代谢途径，通过

⁠降低了光呼吸，提高了植株

生物量。上述工作体现了遗传多样性的

⁠价值。提高叶绿体中CO2浓度

直接

总结提炼

光

呼

吸光呼吸是所有进行光合作用的细胞，在光照和高氧、低二氧化碳条

件下发生的一个生化过程，它是光合作用一个损耗能量的副反应。图中催化②③过程的为同一种酶即Rubisco，它是一种双功能酶，

具有羧化和加氧催化活性。在低氧、高二氧化碳的条件下，主要催化②

过程发生，在高氧、低二氧化碳的条件下，主要催化③过程发生。光呼吸循环途径是在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三个不同的细

胞器中进行的。对于植物体来说，光呼吸可消耗光反应积累的ATP和

NADPH，减少光反应产物积累造成的损伤，且能回收碳元素，具有一

定的生理意义。[对点训练]1.（2023·南通一模）光呼吸是植物绿色组织依赖光消耗O2、分解有机

物放出CO2的过程，一定条件下光呼吸使光合效率下降25％～30％。我

国科研团队通过多基因转化技术将关键基因导入水稻叶绿体基因组，构

建一条新的光呼吸代谢支路，使光呼吸产生的部分乙醇酸直接在叶绿体

内转化为3－磷酸甘油酸（C3），提高水稻的光合效率，相关代谢过程

如图Ⅰ，其中Rubisco为RuBP羧化/加氧酶，虚线方框代谢过程为新构建

的光呼吸代谢支路。请回答下列问题。（1）Rubisco既能催化C5羧化，又能催化C5氧化分解。Rubisco催化C5

羧化的反应称为

。线粒体中产生CO2的过程除图Ⅰ所示过

程外，还有

⁠。（2）

光呼吸对植物生存也具有重要的意义。当CO2与O2分压比降低

时，暗反应减慢，图Ⅰ[A]中

积累导致在

⁠

（填结构名称）产生的电子不能还原

，而与O2结合

产生自由基对膜结构造成伤害。光呼吸产生的3－磷酸甘油酸

和

⁠可加快暗反应的进行，不仅减少上述膜的损伤，而且有利

于

⁠。CO2的固定

丙酮酸分解

NADPH

类囊体（薄

膜）

NADP＋

CO2

减少碳损失

（3）

光呼吸代谢支路中循环A的意义是在叶绿体中持续产生

⁠

，与

反应并最终转化为3－磷酸甘油酸。（4）

研究人员用具有光呼吸支路的甲、乙、丙3种转基因水稻及野生

型水稻（WT）在试验田进行相关实验。与野生型水稻相比，转基因水

稻的产量有所提高，结合下列实验结果，分析其原因有

⁠

⁠。丙酰辅

酶A

乙醇酸

提高水稻的净

光合速率，增加水稻的分蘖数

整合二

光合速率与呼吸速率的测定1.光合速率与呼吸速率的常用表示方法项目表示方法净光合速率a.“测定的”植物（叶片）吸收CO2量或“实验容器

内”CO2的减少量；b.植物（叶片）释放O2量或“容器

内”O2的增加量；c.

植物（叶片）“积累”的葡萄糖量或

植物（叶片）质量（有机物）的增加量项目表示方法呼吸速率（遮光条件下测得）黑暗条件下，植物CO2释放量、O2吸收量、

C6H12O6消耗量真正光合速率植物CO2固定量、O2产生量、有机物合成量2.光合速率的测定方法（1）

液滴移动法①

装置：如图，整个装置必须在光下。②

原理：植物光合作用释放氧气，使容器内气体压强增大，刻度管内

的有色液滴右移。单位时间内有色液滴右移的体积表示表观（净）光合

速率。（2）

其他方法：测定光合速率的方法还有半叶片称重法、圆叶片上浮

法、黑白瓶法等，此外还可利用CO2传感器通过测定装置中CO2浓度变

化来测定光合速率。3.呼吸速率的测定方法（1）

装置（2）

原理：组织细胞呼吸作用吸收O2，释放CO2，CO2被NaOH溶液吸

收，使容器内气体压强减小，刻度管内的有色液滴左移。单位时间内有

色液滴左移的体积表示呼吸速率。（3）

物理误差的校正：如果实验材料是绿色植物，那么整个装置应遮

光处理，否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定；如果实验材料是

种子，为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应对装置及所测种子进行

消毒处理。为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实

验，将所测的生物材料灭活（如将种子煮熟），其他条件均不变。例2

（2023·苏锡常镇调研二节选）科研人员制作了特殊的实验装

置，开展探究光照强度和CO2浓度双因素对菠菜叶片光合作用强度

影响的实验。实验材料：新鲜菠菜叶片、打孔器、注射器12支、5W白色LED灯、不

同浓度的NaHCO3溶液等。实验装置制作：如图Ⅰ所示。实验注意事项和数据分析：（1）

将打孔器打出的小圆叶片装入注射器中，注射器吸入清水排出空

气，并用手指堵住注射器前端小孔缓慢拉动活塞重复2～3次，目的

是

。处理过的小圆叶片放入

⁠处盛

有清水的烧杯中备用。使小圆叶片内的气体溢出

黑暗

（2）

进行实验，记录实验结果。以NaHCO3溶液浓度为

X

轴、注射器离

圆心的距离为

Y

轴，各注射器内小圆叶片上浮所用平均时间为

Z

轴，绘

制三维柱形图（如图Ⅱ）。A1、B1和C1三支注射器实验的自变量是

⁠

，该实验结果除了能说明光合速率大小与CO2浓度、光照强度

呈正相关外，还能说明

⁠

⁠。光

照强度

光照强度越低，CO2浓度对光合速率的影响越

显著

[对点训练]2.某兴趣小组设计了如图所示的实验装置若干组，室温25℃下进行了一

系列的实验，对实验过程中装置条件及结果的叙述错误的是（

D

）A.若X溶液为CO2缓冲液并给予光照时，则液滴移动距离可表示净光合作用强度大小B.若要测真正光合作用强度，则需另加设一装置遮光处理，X溶液为

NaOH溶液C.若X溶液为清水并给予光照，光合作用强度大于细胞呼吸强度时，则

液滴最终不移动D.若X溶液为清水并遮光处理，消耗的底物为脂肪时，则液滴右移D整合三

光合作用的C3途径、C4途径与CAM途径1.C3途径对于小麦、水稻等大多数绿色植物来说，进入叶肉细胞的CO2与C5

反应，固定产生的第一个产物为C3，因而将此类植物称为C3植物，其进

行的固定途径称为C3途径（详如图，且可见暗反应阶段需要消耗

H2O）。2.C4途径对于玉米、高粱等生活在高光照、高温环境的植物来说，进入叶肉

细胞的CO2首先与PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）反应，固定产生的第一个

产物为C4（草酰乙酸），进而进入维管束鞘细胞中分解产生CO2进入卡

尔文循环。因而将此类植物称为C4植物，其进行的固定途径称为C4途径

（如图）。科学家们把C4植物的这种独特作用，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

条件下，绿色植物的气孔关闭。这时，C4植物能够利用叶片内细胞间隙

中含量很低的CO2进行光合作用，而C3植物则不能。这就是C4植物比C3

植物具有较强光合作用的原因之一。3.CAM途径CAM植物（如景天科、

仙人掌科、凤梨科、兰科等植物）夜间吸

进CO2，淀粉经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与PEP结合，生成C4（草酰乙酸），进一步

还原为苹果酸储存在液泡中。从而表现出夜间淀粉减少，苹果酸增加，

细胞液pH下降。而白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质中脱羧，放出

CO2，进入C3途径合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳

糖，最后合成淀粉或者转移到线粒体，进一步氧化释放CO2，又可进入

C3途径。CAM途径（如图）是对干旱环境的适应，该途径除维持光合作用外，对植物的生理意义还表现在有效避免因白天旺盛的蒸腾作用而造成水分过多散失。

例3

（2020·江苏卷）大豆与根瘤菌是互利共生关系，如图所示为大豆

叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径，请据图回答下列问题：（1）

在叶绿体中，光合色素分布在

⁠上；在酶催化下直

接参与CO2固定的化学物质是H2O和

⁠。（2）

如图所示的代谢途径中，催化固定CO2形成3－磷酸甘油酸

（PGA）的酶在

中，PGA还原成磷酸丙糖（TP）运出叶

绿体后合成蔗糖，催化TP合成蔗糖的酶存在于

⁠。（3）

根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成，氨基酸合成蛋白质

时，通过脱水缩合形成

⁠键。（4）CO2和N2的固定都需要消耗大量ATP。叶绿体中合成ATP的能量来

自

；根瘤菌合成ATP的能量主要源于

⁠的分解。（5）

蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物，与葡萄糖相比，以

蔗糖作为运输物质的优点是

⁠。类囊体薄膜

C5

叶绿体基质

细胞质基质

肽

光能

糖类

非还原糖较稳定

拓展延伸

淀粉与蔗糖的合成与运输（1）

光合作用中淀粉和蔗糖生物合成的两条途径会竞争共同底物磷酸

丙糖（TP）（如图）。磷酸转运器（TPT）能将卡尔文循环产生的TP不

断运到叶绿体外，同时将释放的Pi运回叶绿体基质。当细胞质基质中的

Pi浓度低时，就会限制TP从叶绿体运出，这就促使淀粉在叶绿体基质中

形成。相反，细胞质基质中Pi的浓度高时，叶绿体的TP与细胞质基质的

Pi交换，输出到细胞质基质合成蔗糖。（2）

小麦经过光合作用后，叶片淀粉含量很少，蔗糖积累较多，此时

有利于小麦的生长和产量提高。在农业生产上，尤其是小麦灌浆期，可

以适当增施磷肥提高小麦产量。（3）

蔗糖是大多数植物长距离运输的主要有机物，与葡萄糖相比，以

蔗糖作为运输物质的优点是非还原糖较稳定（或蔗糖为二糖，对渗透压

影响相对较小）。（4）

光合作用旺盛时，很多植物合成的糖类通常会以淀粉的形式临时

储存在叶绿体中，假如以大量可溶性糖的形式存在，则可能导致叶绿体

吸水涨破。[对点训练]3.（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）。NADPH、ATP、O2

（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

⁠

。（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）。叶片自身呼吸作用需要消耗一部分光合产物

干旱会导致气孔开度减小，CO2供应减少，C4

植物的CO2补偿点

比C3植物的低，因此在低CO2浓度下，C4植物比C3植物合成的有机物多

1.（2022·海南卷）某小组为了探究适宜温度下CO2对光合作用的影响，

将四组等量菠菜叶圆片排气后，分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3

溶液的烧杯中，从烧杯底部给予适宜光照，记录叶圆片上浮所需时长，

结果如图。下列有关叙述正确的是（

B

）A.本实验中，温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量B.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放O2的速率C.四组实验中，0.5％NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高D.若在4℃条件下进行本实验，则各组叶圆片上浮所需时长均会缩短B1234567891011121314151617181920212223242.（2023·无锡一模）下列关于细胞代谢的叙述，错误的是（

D

）A.蓝细菌在拟核区转录出信使RNAB.水绵进行光合作用的场所是叶绿体C.乳酸菌在细胞质基质中产生乳酸D.酵母菌的高尔基体负责合成蛋白质D3.（2023·全国乙卷）植物可通过呼吸代谢途径的改变来适应缺氧环

境。在无氧条件下，某种植物幼苗的根细胞经呼吸作用释放CO2的速率

随时间的变化趋势如图所示。下列相关叙述错误的是（

C

）A.在a之前，植物根细胞无CO2释放，只进行无氧呼

吸产生乳酸B.a～b内植物根细胞存在经无氧呼吸产生酒精和CO2

的过程C.每分子葡萄糖经无氧呼吸产生酒精时生成的ATP比

产生乳酸时的多D.植物根细胞无氧呼吸产生的酒精跨膜运输的过程

不需要消耗ATPC4.（多选）（2023·苏州一模）有氧呼吸全过程可分为如图所示的糖酵

解、柠檬酸循环和电子传递链三个阶段，一些中间产物还可合成脂肪

等。有关叙述错误的是（

BC

）A.细胞呼吸是糖类、脂肪等相互转化的枢纽B.与柠檬酸循环有关的酶分布于细胞质基质C.糖酵解时葡萄糖中化学能大部分转化成热能D.有氧和无氧时，糖酵解产生的ATP量相等BC5.（2023·常州一模）如图甲表示狗尾草的叶肉细胞和维管束鞘细胞中

完成的部分物质代谢关系，其中的①～⑧代表代谢过程。请分析并回答

下列问题：（1）

代谢过程④⑤⑧中，属于吸能反应的有

。CO2固定的最

初稳定产物天冬氨酸通过

⁠（填结构名称）从叶肉细胞进入

维管束鞘细胞中，经过一系列反应后转变为苹果酸。过程⑤发生的场所

很可能为

（填细胞器名称），卡尔文循环发生的场所是

⁠

⁠。（2）

与狗尾草不同，龙舌草在同一叶肉细胞内就能完成类似代谢过

程，据此推测龙舌草叶肉细胞具有

种类型的叶绿体。

其中分布于

细胞边缘的叶绿体能将CO2初步固定为草酰乙酸，该种叶绿体内的基粒

数量较

（填“多”或“少”）。④⑧

胞间连丝

线粒体

维

管束鞘细胞的叶绿体基质

2

少

（3）

为进一步探究龙舌草昼夜酸度变化趋势与光合作用的关系，研究

小组进行了相关实验并得出如图乙、丙所示的结果。

①

在低CO2浓度处理条件下，龙舌草叶片昼夜酸度变化规律是

⁠

，苹果酸含量的变化规律是

⁠，

可见其昼夜酸度变化基本上是由苹果酸产生CO2造成的。夜晚升

高，白天降低

夜晚积累，白天消耗

②

龙舌草光合作用所需的CO2除了由苹果酸提供外，还有

⁠

⁠

等，以适应水体中低CO2浓度的环境。从水体中吸

6.（2021·江苏卷）线粒体对维持旺盛的光合作用至关重要。如图表示

叶肉细胞中部分代谢途径，虚线框内表示“草酰乙酸/苹果酸穿梭”。

请据图回答下列问题：（1）

叶绿体在

⁠上将光能转变成化学能，参与这一过程

的两类色素是