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第11讲 细胞代谢的综合分析
1．运用“变量”思维解析与酶有关的实验设计。
2．细胞呼吸过程的深入探究。
3．细胞代谢中的原因分析。
4．二氧化碳固定、光呼吸、光系统及电子传递链。
5. C 植物、C 植物和CAM植物。
3 4
考点要求 考题统计 考情分析
细胞呼吸过程的深入探究 2022,山东，选择 本专题知识难度较低、基础性强。考
2021，福建，非选 查学生对细胞整体性的认识,或结合一
些情景信息或表格信息设置题目，考
二氧化碳固定、光呼吸、光 2021，重庆，选择
查学生的应变能力、获取信息和综合
系统及电子传递链。 2021，山东，选择
分析能力。考点一 运用“变量”思维解析与酶有关的实验设计
1.变量类型
2.实验设计遵循的三大基本原则3.对照实验的类型及实验组、对照组的确认
4.实验设计策略
1.下列有关实验设计的叙述,正确的是( )A.实验材料的数量、温度和时间都可能是实验的变量
B.各种实验都必须单独设置对照组,确保单一变量
C.数据测量时只要认真准确记录,无需多次测量求平均值
D.探究实验中,实验结果总是与提出的假设一致
2.如表是某研究性学习小组利用猪肝研磨液设计的“探究pH 对过氧化氢酶的影响”的实验思路,下列有
关该实验思路的叙述,错误的是( )
A.将操作步骤1 、4 互换,可使实验思路更科学合理
B.应增设丙组对照,其处理是2 mL体积分数为3%的H2O2溶液+1 mLH2O+2滴质量分数为20%的猪肝研磨液
C.步骤5的操作方法可改为“记录试管内停止产生气泡所需的时间”
D.将实验自变量替换成“温度”可用来探究温度对过氧化氢酶的影响
考点二 细胞呼吸过程的深入探究
1.丙酮酸氧化分解产生CO2的整个过程是一个由多种有机酸参与的“环状”途径。
2.根据各种有机酸的结构特点,推测该过程的哪些环节有CO2生成。
丙酮酸变成C2化合物的时候产生1分子CO2,C6化合物转化为C5化合物产生1分子CO2,C5化合物
转化为C4化合物产生1分子CO21.心肌细胞中葡萄糖氧化分解产生的NADH不能穿过线粒体膜,NADH与草酰乙酸反应生成NAD+和苹果酸,苹
果酸可以穿过线粒体膜,并与线粒体基质中的NAD+反应重新产生NADH。下列说法错误的是( )
A.葡萄糖氧化分解过程有能量释放
B.线粒体基质中NADH都来自葡萄糖的氧化分解
C.丙酮酸可以进入线粒体基质
D.NADH可在线粒体内膜上被消耗
3.[H]在线粒体内膜上继续氧化并释放大量能量
糖酵解和丙酮酸氧化分解生成CO2的过程都只能产生少量ATP,有氧呼吸中大量ATP是伴随O2对[H]的氧
化生成的,这是一个怎样的过程呢?20世纪60年代,米切尔(Peter Mitchell,1920—1992)在研究细菌的跨
膜质子运输过程中获得灵感,提出[H]氧化过程中释放的能量会用于将线粒体基质中的H+泵到线粒体内膜
和外膜的间隙中,H+再沿着一种特殊的酶流回线粒体基质,推动该酶催化ATP的合成。之后,科学家检测到
线粒体内膜外侧的膜电位明显高于内侧。当将提取自线粒体内膜的蛋白质A嵌到人工脂质体上,人为控制
脂质体膜内、外两侧形成H+浓度梯度时,脂质体所在溶液中的ADP和Pi转化成了ATP。
(1)[H]氧化过程中释放的电子和H+的最终受体是 。
(2)线粒体内膜在生成ATP的过程中起的作用是 。
(3)资料中的蛋白质A对应米切尔假说中的 。2.在酵母菌线粒体内,呼吸链由一系列按特定顺序排列的结合蛋白质组成。链中每个成员,从前面的成员
接受氢或电子,又传递给下一个成员,最后传递给氧。在电子传递的过程中,
逐步释放自由能,同时将其中部
分能量,通过氧化磷酸化作用贮
存在ATP分子中,具体过程如图
。下列说法错误的是( )
A.H+通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的运输会导致线粒体基质的 pH升
高
B.F1是载体蛋白,在线粒体内膜上只起运输作用
C.在硝化细菌中,也有与酵母菌类似的电子传递系统
D.在分解脂肪时,通过该电子传递链消耗的氧将增加
考点三 细胞代谢中的原因分析
1.高考题举例
例1.(2021·全国甲，29)细胞外的K＋可以通过载体蛋白逆浓度梯度进入植物的根细胞。在有呼吸
抑制剂的条件下，根细胞对K＋的吸收速率降低，原因是_____________________________。
例2.(2021·全国甲，30)某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸(dATP，dA－Pα
～Pβ～Pγ，)等材料制备了DNA片段甲(单链)。该研究人员在制备32P标记的DNA片段甲时，所用dATP
的α位磷酸基团中的磷必须是32P，原因是___________________________________________
2.方法突破
此类题目属于非选择题中的“科学思维”的特征设问，此类题目在语言表达题型中所占比例很高，其设
问方式一般有以下几种：“……合理的解释是________” “……判断的依据是________”“……其原因
是______________”“……其机理是________”等。这些试题旨在考查考生在新情境条件下对知识体系
的掌握程度，也是对《高考评价体系》中的关键能力和学科素养进行考查，是真正素质考查的体现。
（1）原因类试题的类型
①解释已知条件与结果之间的逻辑关系，该类试题一般已知某一特定外界条件的改变，然后要求考生
回答某一生理过程发生什么样的改变，最后要求考生回答该生理过程发生改变的原因。
例，(2019·全国Ⅰ，29)与干旱处理前相比，干旱处理后该植物的光合速率会__________，出现这种变化的主要原因是__________________________________________。
②没有对应的外界条件，要求考生直接解释某一生理现象出现的原因。例，(2020·全国Ⅰ，30)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)。
第一类原因类试题所占比重更大，分值也更大，难度也更高，考生往往不知道如何组织文字，很难把要
点答全，也会因为答案不准确、不规范而失分。
（2）解题策略
①解释已知条件与结果之间逻辑关系——因果桥法
分析高考题中长句描述题的标准答案就会发现，其实答案用词的出处一般有两个：一是命题者在描述题
干时的信息，二就是教材中的重要概念、原理等。
(2017·全国Ⅰ，30)植物的CO2补偿点是指由于CO2的限制，光合速率与呼吸速率相等时环境中的CO2浓
度，已知甲种植物的CO2补偿点大于乙种植物的，回答下列问题：
(1)将正常生长的甲、乙两种植物放置在同一密闭小室中，适宜条件下照光培养，培养后发现两种植物的
光合速率都降低，原因是________________________________。
(2)若将甲种植物密闭在无O2、但其他条件适宜的小室中，照光培养一段时间后，发现植物的有氧呼吸增
加，原因是_________________________。
(2018·全国Ⅰ，30)甲、乙两种植物净光合速率随光照强度的变化趋势如图所示。回答下列问题：
甲、乙两种植物单独种植时，如果种植密度过大，
那么净光合速率下降幅度较大的植物是___，判断的依据是___________________________________。②从分子和分母两方面分析比例变化
(2019·全国Ⅰ，37)已知一种有机物X(仅含有C、H两种元素)不易降解，会造成环境污染。某小组用三
种培养基筛选土壤中能高效降解X的细菌(目标菌)。
Ⅰ号培养基：在牛肉膏蛋白胨培养基中加入X(5 g/L)。
Ⅱ号培养基：氯化钠(5 g/L)，硝酸铵(3 g/L)，其他无机盐(适量)，X(15 g/L)。
Ⅲ号培养基：氯化钠(5 g/L)，硝酸铵(3 g/L)，其他无机盐(适量)，X(45 g/L)。
回答下列问题：若将土壤悬浮液接种在Ⅱ号液体培养基中，培养一段时间后，不能降解 X的细菌比例会
______，其原因是______________________________________________。
③从来源和去路两方面分析物质含量变化
(2020·山东，24)植食性线虫主要危害植物根系，研究表明，长期施用有机肥后土壤中植食性线虫的数
量减少，依据图中信息分析，主要原因是_________________________________________。
④要从正面回答而不要从反面回答
(2017·全国Ⅰ，37)为了筛选可分解尿素的细菌，在配制培养基时， 应选择_____(填“尿素”
“ NH4NO3” 或 “ 尿 素 ＋ NH4NO3” ) 作 为 氮 源 ， 不 选 择 其 他 两 组 的 原 因 是
________________________________________。
⑤既要解释前者又要解释后者
(2019·全国Ⅰ，38)目前在 PCR 反应中使用 Taq 酶而不使用大肠杆菌 DNA 聚合酶的主要原因是
________________________________________。
(2018·全国Ⅱ，30)为了研究某种树木树冠上下层叶片光合作用的特性，某同学选取来自树冠不同层的
A、B两种叶片，分别测定其净光合速率，结果如图所示。据图回答问题：
从图可知，A叶片是树冠_____(填“上层”或“下层”)的叶片，判断依据是____________________________________________________。
(2018·全国Ⅲ，29)植物的叶面积与产量关系密切。叶面积系数(单位土地面积上的叶面积总和)与植物
群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率之间的关系如图所示。由图可知：当叶面积系数小于 a时，
随叶面积系数增加，群体光合速率和干物质积累速率均_____。当叶面积系数超过b时，群体干物质积累
速率降低，其原因是_________________________________。
考点四 二氧化碳固定、光呼吸、光系统及电子传递链
1. 光系统及电子传递链
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和H+和自由电子(e-),光系统Ⅰ主要介导NADPH的产生。
(2)电子(e-)经过电子传递链:质体醌→细胞色素 b6f 复合体→质体蓝素→光系统Ⅰ→铁氧还蛋白
→NADPH。
(3)电子传递过程是高电势到低电势(光系统Ⅱ和Ⅰ中的电子传递由于光能的作用,从而逆电势传递,这是
一个吸能的过程),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+)逆浓度从类囊体的
基质侧泵入囊腔侧,从而建立了质子浓度(电化学)梯度。当然,光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行的水的光
解产生质子(H+)以及在类囊体的基质侧H+和NADP+形成NADPH的过程,为建立质子浓度(电化学)梯度也有
所贡献。
(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合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。
1.(1)PSⅠ 和 PSⅡ 镶 嵌 在 叶 绿 体 的 ___________________ 上 , 含 有 的 光 合 色 素 主 要 包 括
__________________________两大类,这些色素的主要功能有_________________________。
(2)图示过程中,PSⅡ和 PSⅠ以串联的方式协同完成电子由________(物质)释放、最终传递给
_____________(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+
__________________________________,同时还在形成NADPH的过程中_____________叶绿体基质中部分
H+,造成膜内外的 H+产生了浓度差。请结合图示信息分析,跨膜的 H+浓度差在光合作用中的作用是
_________________________________________________。
(4)除草剂二溴百里香醌(DBMIB)与PQ竞争可阻止电子传递到细胞色素b6f,若用该除草剂处理无内外膜的
叶绿体,会导致ATP含量显著下降,其原因可能是_______________________________________。
2.(2021重庆高考)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.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
2.二氧化碳固定途径的多样性和适应性
不同的植物,暗反应的过程不一样,而且叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境适应的结果。以下 3
种类型是因CO2的固定这一过程的不同而划分的。
(1)C3途径:C3途径是碳同化的基本途径,也称为卡尔文循环,可合成糖类、淀粉等多种有机物。C4途径和
CAM途径都只起固定CO2的作用,最终还是通过C3途径合成光合产物等。
通过C3途径固定CO2的植物称为C3植物,C3植物属于高光呼吸植物类型,光合速率较低,其种类多,分布
广,多生长于暖湿条件下,如大多数树木、粮食类植物、烟草等。
(2)C4植物:通过C4途径固定CO2的植物称为C4植物,它们主要是那些生活在干旱热带地区的植物。在这
种环境中,植物若长时间开放气孔吸收CO2,会导致水分通过蒸腾作用过快散失。所以,植物只能短时间开
放气孔,CO2的摄入量必然少。植物必须利用这少量的CO2进行光合作用,合成自身生长所需的物质。
C4植物的两次固定在空间上分开:在叶肉细胞内固定CO2,在维管束鞘细胞中同化CO2。(3)CAM途径(景天科酸代谢):CAM途径指生长在热带或亚热带干旱及半干旱地区的一些肉质植物所具有的
一种光合固定CO2的附加途径。具有这种途径的植物称为CAM植物。该途径的特点是:CAM植物气孔只有
晚上开放,将CO2生成苹果酸等进行固定,白天气孔关闭,苹果酸等则由液泡转入叶绿体中再释放CO2,再通
过卡尔文循环转变成糖。这是植物对干旱环境的适应。CAM植物两次固定在时间上分开:在晚上固定CO2,
在白天同化CO2。
(1)C4植物光反应发生在叶肉细胞的________________ 上,而CO2固定发生在________________细胞中。
(2)科学家用含 14C 标记的 CO2来追踪玉米光合作用中的碳原子的转移途径,这种碳原子的转移途径是
________________。暗反应阶段中 C3的还原在________________细胞中完成。
(3)与水稻、小麦等 C3植物相比,C4植物的 CO2的补偿点较___________。高温、干旱时C4植物还能保
持高效光合作用的原因是________________。
(4)景天科植物吸收的 CO2________________ (填“能”或“不能” )合成葡萄糖,原因是
________________________________。
(5)如果白天适当提高CO2浓度,景天科植物的光合作用速率变化是________________ (填“增加”“降
低”或“基本不变”)。
(2022全国高考甲卷)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)。
(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)。
(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 。
3.光呼吸
光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco酶。在暗反应中,Rubisco酶能够以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Rubisco酶,光的驱动下将碳水化合物氧化生
成CO2和水。
光呼吸是一个高耗能的反应,正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25%~30%。过程如图所示:
光呼吸对生物体有一定的危害。如果在较强光下,光呼吸加强,使得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。其次,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,光呼吸可以回收
碳元素,防止强光对叶绿体的破坏。
1.(1)由于光呼吸的存在,会降低植物体内有机物的积累速率。Rubisco的催化方向取决于CO2与O2的浓
度比,请推测具体的情况: 。
(2)研究发现,光合产物1/3以上要消耗在光呼吸底物上。生产实际中,常通过适当升高CO2浓度达到增产
的目的,请分析并解释其原理: (从光合作用原理和Rubisco催化反应特点两个方面作
答)。
2.(2021山东高考)光照条件下,叶肉细胞中的 O2与 CO2 竞争性结合 C5,O2与 C5结合后经一系列反应释
放 CO2的过程称为光呼吸。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂 SoBS 溶液,相应的光合作用强度和
光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的 CO2量表示,SoBS 溶液处理对叶片细胞呼吸的影响忽略不计。
请回答下列问题。0 100 200 300 400 500 600
(1)光呼吸中 C5与 O2 结合的反应发生在叶绿体的 中。正常进行光合作用的水稻,突然停
止光照,叶片 CO2释放量先增加后降低,CO2释放量增加的原因是 。
(2)与未喷施 SoBS 溶液相比,喷施 100 mg/L SoBS 溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照
强 度 ( 填 “ 高 ” 或 “ 低 ” ), 据 表 分 析 , 原 因 是
。
(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物,农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究
SoBS 溶液利于增产的最适喷施浓度,据表分析,应在 mg/L 之间再设置多个浓度梯度进一步进
行实验。
