2025届高三生物一轮复习课件28：光合作用与能量转化（第4课时）

这是一份2025届高三生物一轮复习课件28：光合作用与能量转化（第4课时），共33页。PPT课件主要包含了CO2泵，大气低CO2浓度，高CO2浓度，C3途径等内容，欢迎下载使用。
CO2浓度高O2浓度低
CO2浓度低O2浓度高
植物进化出了抵御光呼吸的机制
原核光合自养生物：碳泵+羧酶体
被子植物：C4途径和CAM途径
Rubisc是催化CO2固定的关键酶‚，在外界低CO2浓度下，催化效率低。许多自养生物进化出提高细胞内CO2浓度的机制，即CO2浓缩机制‚，依靠该机制提高了Rubisc所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。
羧酶体途径C4途径CAM途径
不同植物固定CO2途径存在差异的根本原因是基因多样性，从进化角度分析是自然选择的的结果。
一、原核光合自养生物的CO2浓缩机制
(细胞膜及光合片层膜上)
运输无机碳HCO3-到细胞质中
运输CO2并将其转化为HCO3-
内含碳酸酐酶和Rubisc
碳泵与羧酶体配合进行CO2浓缩
1.Rubisc是光合作用过程中催化CO2固定的酶，但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisc的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。为提高烟草的光合速率，向烟草内转入蓝细菌Rubisc的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。以下说法正确的是（ ）
注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散
A.据图分析，CO2通过细胞膜与光合片层膜是顺浓度梯度的B.蓝细菌的CO2浓缩机制既能促进CO2固定，又能抑制O2与C5结合，从而提高光合效率C.将蓝细菌Rubisc和羧化体外壳蛋白的编码基因转入烟草内，烟草的光合作用可明显提升D.若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用高倍显微镜在转基因烟草细胞的叶绿体中观察到羧化体
2.催化CO2和 C5 结合的酶(Rubisc)是一种双功能酶，在 O2浓度高时也能催化 O2 和 C5 结合,引发光呼吸，导致光合效率降低。研究发现，蓝细菌具有羧酶体，可降低其光呼吸。下图为蓝细菌的结构模式图及部分代谢过程示意图。请回答下列问题。
(1)蓝细菌的遗传物质存在的场所有____________(填图 1中序号),其光合片层相当于叶绿体中__________________的功能。
(2)蓝细菌暗反应的场所有________________________。图中A 物质是______，C 物质的作用有__________________________。
(3)结合图示和所学知识分析，蓝细菌光呼吸较低的原因有______。a.蓝细菌有碳泵等多个无机碳运输途径，能使细胞中的 CO2 浓度保持在较高水平b.羧酶体的外壳会阻止O2进入、CO2逃逸，保持羧酶体内高CO2浓度环境c.蓝细菌无线粒体，无法通过有氧呼吸消耗O2、产生CO2，胞内O2/CO2较高
3.Rubisc是光合作用过程中催化CO2固定的酶。但其也能催化O2与C5结合，形成C3和C2，导致光合效率下降。CO2与O2竞争性结合Rubisc的同一活性位点，因此提高CO2浓度可以提高光合效率。
注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散据图分析，CO2依次以___________和___________方式通过细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisc周围的CO2浓度，从而通过促进___________和抑制____________________提高光合效率。
(1)蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。
（2）向烟草内转入蓝细菌Rubisc的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的___________中观察到羧化体。（3）研究发现，转基因烟草的光合速率并未提高。若再转入HCO3-和CO2转运蛋白基因并成功表达和发挥作用，理论上该转基因植株暗反应水平应___________，光反应水平应___________，从而提高光合速率。
二、C4途径的CO2浓缩机制
1. C4植物的CO2固定是一场接力赛
2. C4植物的CO2固定发生在两种细胞中
3. C3植物与C4植物叶片结构的特点
有叶绿体(基粒不发达)
PEP：磷酸烯醇式丙酮酸OAA：草酰乙酸
4. 最常见的C4植物的CO2固定
5. C4植物是在高温和高光强条件下发展起来
①PEP羧化酶固定CO2的能力比RuBP羧化酶(Rubisc)固定CO2的能力强，C4植物的CO2补偿点低，能利用低浓度CO2。
高温条件下CO2溶解度低，高温干旱使气孔关闭，在这样的条件下C4植物还能利用细胞间隙中的含量很低的CO2，进行光合作用。C4途径具有相当于CO2泵的功能。
②C4途径具有CO2泵的功能，使维管束细胞中RuBP化酶/加氧酶(Rubisc)处于较高的CO2浓度条件下，起羧化酶的作用，抑制了光呼吸，所以C4植物光呼吸较C3植物低。
③C4植物适应于高温、高光强，所以光饱和点高，光合速率随光强增高而上升的幅度较大，较C3植物光合速率高。C4植物光合作用最适温度在30~47℃，显著高于C3植物。
C4植物是适应于干热条件下的高光效植物，能在不影响固定CO2的同时减少水分的散失，产量高。但在光照强度和温度较低的条件下，C4植物的光合效率可能并不比C3植物高，因为C4植物光合碳循环中消耗的ATP较C3植物多。
干旱地区植物的CO2浓缩机制
三、CAM途径的CO2浓缩机制
酶2:RuBP羧化酶 （Rubisc）
PEP: 磷酸烯醇式丙酮酸OAA: 草酰乙酸
1.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、NADPH和ATP
2）正常条件下，植物叶片光合产物不会全部运输到其他部位，原因是________________________________________（答出1点即可）。
自身呼吸消耗或建造植物体结构
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
2.早期地球大气中的O2浓度很低，到了大约3.5亿年前，大气中O2浓度显著增加，CO2浓度明显下降。现在大气中的CO2浓度约390μml·ml-1，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisc)是一种催化CO2固定的酶，在低浓度CO2条件下，催化效率低。有些植物在进化过程中形成了CO2浓缩机制，极大地提高了Rubisc所在局部空间位置的CO2浓度，促进了CO2的固定。回答下列问题：
1)真核细胞叶绿体中，在Rubisc的催化下，CO2被固定形成___________，进而被还原生成糖类，此过程发生在________________中。
2)海水中的无机碳主要以CO2和HCO3-两种形式存在，水体中CO2浓度低、扩散速度慢，有些藻类具有图1所示的无机碳浓缩过程，图中HCO3-浓度最高的场所是__________（填“细胞外”或“细胞质基质”或“叶绿体”），可为图示过程提供ATP的生理过程有_____________________________。
3）某些植物还有另一种CO2浓缩机制，部分过程见图2。在叶肉细胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）可将HCO3-转化为有机物，该有机物经过一系列的变化，最终进入相邻的维管束鞘细胞释放CO2，提高了Rubisc附近的CO2浓度。
①由这种CO2浓缩机制可以推测，PEPC与无机碳的亲和力________(填“高于”或“低于”或“等于”)Rubisc。
PEP:磷酸烯醇式丙酮酸，OAA:草酰乙酸，Mal: 苹果酸，Pyr:丙酮酸
③若要通过实验验证某植物在上述CO2浓缩机制中碳的转变过程及相应场所，可以使用______________技术。
②图2所示的物质中，可由光合作用光反应提供的是___________。图中由Pyr转变为PEP的过程属于_____（填“吸能反应”或“放能反应”）。
4）通过转基因技术或蛋白质工程技术，可能进一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有__________。A. 改造植物的HCO3-转运蛋白基因，增强HCO3-的运输能力B. 改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成C. 改造植物的Rubisc基因，增强CO2固定能力D. 将CO2浓缩机制相关基因转入不具备此机制的植物
3. 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。（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。
细胞质基质、线粒体基质、线粒体内膜、叶绿体类囊体薄膜
蒸腾作用过强导致水分散失过多
3. 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：（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）
实验思路：在干旱环境下，白天和晚上每隔一段时间检测植物甲的液泡pH值。预期结果：白天pH值升高，晚上pH值降低。
4.下左图为CAM代谢途径，右图为C4途径示意图。请回答：
(1)C3植物固定CO2的最初受体是____________(物质)；CAM植物固定CO2的场所有____________________________，受体有____________(物质)。光合作用过程中CO2来源相同的植物有_________________(“C3”“C4”“CAM”植物)。
细胞质基质和叶绿体基质
(2)C4植物光合作用中淀粉在________________________________(场所)合成，正常条件下叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因有____________、__________________。
建造植物体结构需要有机物
维管束鞘细胞的叶绿体基质
自身呼吸需要消耗有机物