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第11 讲 细胞代谢综合分析（知识清单）
学习导航站
知识主脉络：可视化思维导图，建立知识框架
核心知识库：重难考点总结，梳理必背知识、归纳重点
考点1 光合作用与细胞呼吸过程、物质和能量的关系★★★☆☆
考点2 辨析真正光合速率、净光合速率和呼吸速率★★☆☆☆
考点3 光合速率和呼吸速率的测定★★★☆☆
考点4 光呼吸★★★☆☆
考点5C4植物、CAM 植物等特殊代谢类型★★★☆☆
陷阱预警台：识别高频错误，提供防错策略（2 大陷阱规避）
素养加油站：前沿科研成果或热点问题分析
真题挑战场：感知真题，检验成果，考点追溯
考点1 光合作用与细胞呼吸过程、物质和能量的关系★★★☆☆
1.图解光合作用和细胞呼吸过程中的物质转化关系
2.光合作用与细胞呼吸的比较
比较项目
光合作用
呼吸作用
发生范围
含 的植物细胞；光合
细菌（如蓝细菌）等
所有活细胞
发生场所
叶绿体（真核生物）细胞质
（原核生物）
真核细胞：有氧呼吸为 、线粒体；
无氧呼吸为细胞质基质
原核细胞：细胞质基质和
发生条件
只在光下进行
有光、无光都能进行
物质变化
无机物――→
有机物――→无机物
能量变化
光能→
化学能→ATP 中活跃的 、热能
实质
无机物――→有机物；储存能
量
有机物――→无机物（或简单有机物）；释放能
量
能量转化的联系
元素转移的联系
C：CO2――→（CH2O）――→ ――→CO2
O：H2O――→O2――→H2O
H：H2O――→H＋―→ ――→（CH2O）――→[H]――→H2O
过程联系
考点2 辨析真正光合速率、净光合速率和呼吸速率★★★☆☆
1.植物三率间的关系
（1）呼吸速率：植物 组织（如苹果果肉细胞）或绿色组织在 条件下测得的值。
（2）净光合速率：植物 组织在 条件下光合作用和细胞呼吸 测得的数据。
（3）真正光合速率＝ ＋呼吸速率。
2.光合速率与呼吸速率的常用表示方法
项目
表示方法（单位面积的叶片在单位时间内的变化量）
O2
CO2
有机物
真正光合速率
O2产生（生成）速率或
叶绿体释放O2速率
CO2固定速率或叶绿
体吸收CO2速率
有机物产生（制造、
生成）速率
净光合速率
植物或 或 O2
释放速率
植物或叶片或
CO2吸收速率
有机物积累速率
呼吸速率
黑暗中O2吸收速率
黑暗中CO2释放速率
有机物消耗速率
3.曲线模型及分析
特别提醒
曲线图中“三率”的判定
当光照强度为0 时，若CO2吸收值为负值，该值的绝对值代表呼吸速率，该曲线代表净光合速率变化
曲线，当光照强度为0 时，若CO2 吸收值为0，该曲线代表真正光合速率变化曲线。
4.“三率”的常考曲线分析
5.光合作用与细胞呼吸的综合曲线分析
1 图1 的B 点、图2 的B′C′段形成的原因：凌晨约2 时～4 时，温度 ， 减弱，CO2释放量
。
2 图1 的C 点、图2 的C′点：此时开始出现光照，光合作用 。
3 图1 的D 点、图2 的D′点：此时光合作用强度 细胞呼吸强度。
4 图1 的E 点、图2 的F′G′段形成的原因：温度过高，部分 ，CO2供应不足，出现“ ”现象。
5 图1 的F 点、图2 的H′点：此时光合作用强度 细胞呼吸强度，之后光合作用强度 细胞呼吸
强度。
6 图1 的G 点、图2 的I′点：此时光照强度降为0，光合作用停止。
7 图2 所示一昼夜密闭容器中植物能(填“能”或“不能”)正常生长，原因是J′点低于A′点，说明一昼夜
密闭容器中CO2浓度减少，即总光合作用量 总细胞呼吸量。
考点3 光合速率和呼吸速率的测定★★★☆☆
1.装置液滴移动法
气体体积变化法测光合作用O2产生或CO2消耗的体积
（1）装置中溶液的作用
在测细胞呼吸速率时，NaOH 溶液可吸收容器中的 ；在测净光合速率时NaHCO3溶液可提供 ，
能保证容器内 的恒定。
（2）测定原理
①甲装置在 条件下植物只进行 ，由于NaOH 溶液吸收了细胞呼吸产生的 ，所以单
位时间内红色液滴 的距离表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。
②乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，
所以单位时间内红色液滴 的距离表示植物的O2释放速率，可代表 速率。
③真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
（3）测定方法
①将植物置于黑暗中（甲装置）一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算 速率。
②将同一植物置于光下（乙装置）一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算 速率。
③根据呼吸速率＋净光合速率＝真正光合速率可计算得到真正光合速率。
（4）物理误差的校正
为排除 、 等物理因素的影响，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根
据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。
2.半叶法
（1）测定：将对称叶片的一部分（A）遮光，另一部分（B）不做处理，并采用适当的方法（可先在叶柄
基部用热水或热石蜡液烫伤）阻止物质转移。在适宜光照下照射6h 后，在A、B 的对应部位截取同等面积
的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB。
（2）计算：设被截取部分初始干重为M。
①被截取部分的呼吸速率＝（M－MA）/6。
②被截取部分的净光合速率＝（MB－M）/6。
③被截取部分的总光合速率＝呼吸速率＋净光合速率＝（MB－MA）/6。
3.叶圆片称重法
测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如图所示以有机物的变化量测定 （S 为叶圆片面
积）。
（1）净光合速率＝（z－y）/2S；
（2）呼吸速率＝（x－y）/2S；
（3）总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝（x＋z－2y）/2S。
4.黑白瓶法
（1）“ ”不透光，测定的是呼吸作用量（强度）；“ ”给予光照，测定的是净光合作用量
（强度）。总光合作用量（强度）＝净光合作用量（强度）＋呼吸作用量（强度）。
（2）有初始值的情况下，黑瓶中O2的减少量（或CO2的增加量）为 量（强度）；白瓶中O2
的增加量（或CO2的减少量）为 作用量（强度）； 为总光合作用量（强度）。
（3）没有初始值的情况下， 中测得的现有量－ 中测得的现有量＝总光合作用量。
5.间隔光照法
光反应和暗反应在不同酶的催化作用下相对独立进行，在一般情况下，光反应的速率比暗反应快，光反应
的产物ATP 和NADPH 不能被暗反应及时消耗掉，持续光照，暗反应会限制光合作用的速率，降低了光能
的利用率。但若 、 交替进行，则黑暗间隔时会利用光照时 的 的产物，进行一
段时间的暗反应。因此在光照强度和光照总时间不变的情况下，光照、黑暗交替进行条件下制造的
相对多。
6.叶圆片上浮法——定性检测O2释放速率
（1）实验原理
――→――――→
（2）实验装置分析
①自变量的设置：光照强度是自变量，通过调整台灯与烧杯之间的 来调节
度
的大小。
②中间盛水的玻璃柱的作用：吸收灯光的热量，避免光照对烧杯内的水温产生影响。
③因变量是光合作用强度，可通过观测单位时间内被抽去空气的小圆形叶片上浮的数量（或浮起相同数量
的叶片所用的时间长短）来衡量 的强弱。
考点4 光呼吸★★★☆☆
光呼吸是指绿色植物在 情况下吸收 ，将叶绿体中的C5分解产生 的过程。 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会与CO2竞争Rubisco 酶，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成
。
特别提醒
1.与光呼吸有直接关系的细胞器为叶绿体、线粒体。光呼吸产生的条件是光照、高O2含量和低CO2含量
等。
2.在干旱天气和过强光照下，因为温度很高，蒸腾作用很强，气孔大量关闭。由于光反应速率大于暗反应
速率，此时光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH 和ATP，防止强光对叶绿体的破坏，又可以
为暗反应阶段提供原料，因此光呼吸对植物有重要的正面意义。
考点5 C4植物、CAM 植物等特殊代谢类型★★★☆☆
1.C3途径：也称卡尔文循环，整个循环由RuBP（C5）与CO2的羧化开始到RuBP（C5）再生结束，在叶绿
体基质中进行，可合成 、淀粉等多种有机物。常见C3植物有大麦、小麦、大豆、菜豆、水稻、马
铃薯等。
2.C4途径：通过C4途径固定CO2的植物被称为四碳植物（C4植物）。C4植物具有一个典型的结构特征，即
叶脉周围有一圈含 的薄壁 细胞，其外面整齐环列叶肉细胞（如图1）。叶肉细胞中的叶
绿体有类囊体能进行光反应，同时，CO2 被整合到C4 化合物中，随后C4 化合物进入 细胞，
细胞中没有完整的 ，在维管束鞘细胞中，C4化合物释放出的CO2参与 循环，进而生成
有机物（如图2）。它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较强光合作用（特别是在
高温、光照强烈、干旱条件下）能力，并且无光合午休现象。常见C4植物有 、甘蔗、 、苋菜
等。
特别提醒
1.玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，适于在高温、干燥和强光的条件下生长。
2.C4 植物叶肉细胞的叶绿体有类囊体能进行光反应，同时CO2被整合到C4化合物中，随后C4化合物进入
维管束鞘细胞，维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，C4化合物释放出的CO2参与卡尔文循环，进而生成有
机物。
3.PEP 羧化酶被形象地称为“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有较强光
合作用（特别是在高温、光照强烈、干旱条件下）能力，并且无光合“午休”现象。
3.景天酸代谢（CAM 途径）：晚上，开放气孔吸收二氧化碳，并通过羧化反应形成 存于植物细胞
内的大液泡中（图1）。到了白天，关闭气孔减少水分蒸腾，再把夜间储于细胞大液泡里的 物质
（苹果酸）作脱羧反应，释放的二氧化碳进入 循环进行光合作用（图2）。常见的CAM 植物有菠
萝、芦荟、兰花、百合、仙人掌等。由于夜间温度比较低，所以通过气孔丢失的水分要比白天少得多，对
于植物来说，这样的好处就是可以避免水分过快的流失，因为气孔只在夜间开放以摄取二氧化碳。
特别提醒
1.仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气
孔夜间开放，白天关闭。
2.该类植物夜间吸收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，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。而白天气孔关闭，苹果酸转移
到细胞质基质中脱羧，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。
3.该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH 下降；白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液
pH 上升。
4.蓝细菌的CO2浓缩机制
蓝细菌具有CO2浓缩机制，如下图所示。
5.C3植物、C4植物和CAM 植物的比较
植物类型
比较项目
C3植物
C4植物
CAM 植物
吸收CO2的时间
白天
白天
夜晚
光反应的场所
叶肉细胞类囊体薄膜
叶肉细胞类囊体薄膜
叶肉细胞类囊体薄膜
卡尔文循环的场所
叶肉细胞的
细胞的叶绿体基质
叶肉细胞的叶绿体基质
有无光合午休
有
无
无
C3途径是碳同化的基本途径，C4途径和CAM 途径都只起 的作用，最终还是通过C3途径合成
有机物。
6.光合产物及运输
（1） 是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形
式。
（2）光合作用产生的 既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿
体膜上的 转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成 。合成的 或临时储藏于液泡
内，或从光合细胞中输出，经韧皮部长距离运输到其他部位。
陷阱1 关于光合作用和细胞呼吸的关系的几点易错点
易错表现
正确理解
认为提取完整的线粒体和叶绿体悬浮液，可
以独立完成有氧呼吸和光合作用过程
线粒体是有氧呼吸的主要场所，其中有氧呼吸的第一阶
段是在细胞质基质中进行的，因此提取完整的线粒体悬
浮液，不可以独立完成有氧呼吸，而提取叶绿体悬浮液
可以独立完成光合作用过程，但前提是保证叶绿体的活
性
认为用H 2
18O 浇灌植物，周围空气中的H2O、
O2、CO2都能检测到
18O
用H 2
18O 浇灌植物，植物通过蒸腾作用使H 2
18O 出现在
周围空气中，经过光合作用光反应阶段，H 2
18O 中的
18O
进入氧气中，经过细胞呼吸，H 2
18O 进入CO2中
认为植物细胞都能产生还原型辅酶Ⅱ
（NADPH）
只有能进行光合作用的植物细胞才能产生还原型辅酶Ⅱ
（NADPH）
陷阱2 关于植物“三率”的判断与测定的几点易错点
易错表现
正确理解
认为观测到的O2的产生量是植物光合作用实
际产生的总O2量
观测到的O2的产生量是植物光合作用实际产生的总O2量
－呼吸作用消耗的O2量
认为植物积累的有机物的量是植物实际光合
作用产生的总有机物量
植物积累的有机物的量是植物实际光合作用产生的总有
机物量－呼吸作用消耗的有机物量
光系统及电子传递链
1.光系统
（1）光系统Ⅱ进行水的光解，产生氧气、H＋和自由电子（e－），光系统Ⅰ主要是介导NADPH 的产生。
（2）电子传递过程是高电势到低电势（由于光能的作用），释放的能量将质子（H＋）逆浓度梯度从叶绿
体的基质侧泵入到类囊体腔侧，从而建立了质子浓度（电化学）梯度。
（3）类囊体内的高浓度质子通过ATP 合成酶顺浓度梯度流出，而ATP 合成酶利用质子顺浓度梯度运输产
生的分子势能来合成ATP。
（4）图示过程发生在叶绿体的类囊体薄膜上，需要光，电子供体是H2O，电子受体是NADP＋。
2.电子传递链和氧化磷酸化
（1）发生在线粒体的内膜上，不需要光，电子供体是NADH，电子受体是O2。
（2）通过ATP 合成酶把ADP 磷酸化为ATP。电子传递过程中所形成的H＋梯度作为动力，在ATP 合成酶
的作用下，催化ADP 磷酸化成ATP。
考点预测：
1.光系统的功能：重点考查光系统Ⅱ进行水的光解，产生氧气、H＋和自由电子，以及光系统Ⅰ介导
NADPH 的产生等知识，要求考生理解光系统在光能转化为电能过程中的作用。
2.电子传递链的路径：考查电子经过质体醌→细胞色素bf 复合体→质体蓝素→光系统Ⅰ→铁氧还蛋白
→NADPH 的传递过程，可能会涉及各传递体的作用及电子传递过程中的能量变化。
3.质子梯度的建立与ATP 合成：考查质子浓度梯度的形成原因，包括水光解产生质子、质体醌运输质子
等，以及类囊体膜上的ATP 合成酶如何利用质子顺浓度梯度流出的能量来合成ATP。
考法预测：
1.结合实验数据或曲线：以当代科学家研究环境因素影响光合作用速率的实验数据表或坐标曲线图为情
境，考查考生对光系统和电子传递链相关知识的理解与应用，如分析不同光照强度、温度等条件下，电子
传递速率、ATP 和NADPH 生成量的变化等。
2.依托大学教材内容：以大学教材中光合作用过程的文字或图解为素材，创设新情境，考查光系统及电子
传递链的相关知识，可能会涉及光呼吸、C4途径和CAM 途径等拓展内容，要求考生从新信息中提取有用
内容，结合所学知识进行作答。
一、单选题
1．（2025·安徽·高考真题）关于“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验，下列叙述错误的是（ ）
A．用打孔器打出叶圆片时，为保证叶圆片相对一致应避开大的叶脉
B．调节LED 灯光源与盛有叶圆片烧杯之间的距离，以进行对比实验
C．用化学传感器监测光照时O2浓度变化，可计算出实际光合作用强度
D．同一烧杯中叶圆片浮起的快慢不同，可能与其接受的光照强度不同有关
二、解答题
2．（2024·广西·高考真题）珊瑚是一类低等动物，可从环境中获取单细胞真核藻类虫黄藻，让其共生于自
己细胞内，成为珊瑚-虫黄藻共生体。共生体的营养来源包括虫黄合成的有机物和摄取的浮游生物。研究人
员在实验室研究温度升高对某珊瑚-虫黄藻共生体的两种类型（A 型和B 型）的影响，结果见下图。回答下
列问题：
(1)珊瑚细胞获取虫黄藻的方式是 （填物质运输方式）；虫黄藻可利用CO2和H2O 在 （填细胞
器名称）合成糖类，为珊瑚提供营养。
(2)当光合呼吸比约等于1 时，A 型共生体仍能生长，其原因是 。
(3)常温条件下，在缺少浮游生物的贫瘠海域，更具生存优势的共生体类型是 ，理由是 。
(4)若升温后B 型共生体的呼吸速率变化不明显，则据图分析B 型共生体内的单个虫黄藻光合速率将 ，
理由是 。
3．（2025·河南·高考真题）光质和土壤中的盐含量是影响作物生理状态的重要因素。为探究不同光质对高
盐含量（盐胁迫）下某作物生长的影响，将作物分组处理一段时间后，结果如图所示（光补偿点指当总光
合速率等于呼吸速率时的光照强度）。
回答下列问题：
(1)光对植物生长发育的作用有 和 两个方面。
(2)上述实验需控制变量，为探究实验光处理是否完全抵消了盐胁迫对该作物生长的影响，至少应选用上述
组（填组别）进行对比分析，该实验中的无关变量有 （答出2 点即可）。
(3)在光照强度达到光补偿点之前（CO2消耗量与光照强度视为正比关系），④组的总光合速率 （填
“始终大于”“始终小于”“先大于后等于”或“先小于后等于”）③组的总光合速率，判断依据是
。
4．（2024·全国甲卷·高考真题）在自然条件下，某植物叶片光合速率和呼吸速率随温度变化的趋势如图所
示。回答下列问题。
(1)该植物叶片在温度a 和c 时的光合速率相等，叶片有机物积累速率 （填“相等”或“不相
等”），原因是 。
(2)在温度d 时，该植物体的干重会减少，原因是 。
(3)温度超过b 时，该植物由于暗反应速率降低导致光合速率降低。暗反应速率降低的原因可能是
。（答出一点即可）
(4)通常情况下，为了最大程度地获得光合产物，农作物在温室栽培过程中，白天温室的温度应控制在
最大时的温度。
5．（2024·吉林·高考真题）在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/O2比值低时，C5也能与O2反
应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过
程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。
光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题。
(1)反应①是 过程。
(2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH 的场所是 和 。
(3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株（WT），得到转基因株系1 和2，测定
净光合速率，结果如图2、图3。图2 中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自 和
（填生理过程）。7—10 时株系1 和2 与WT 净光合速率逐渐产生差异，原因是 。据图3 中的数据
（填“能”或“不能”）计算出株系1 的总光合速率，理由是 。
(4)结合上述结果分析，选择转基因株系1 进行种植，产量可能更具优势，判断的依据是 。
三、实验题
6．（2024·广东·高考真题）某湖泊曾处于重度富营养化状态，水面漂浮着大量浮游藻类。管理部门通过控
源、清淤、换水以及引种沉水植物等手段，成功实现了水体生态恢复。引种的3 种多年生草本沉水植物
（①金鱼藻、②黑藻、③苦草，答题时植物名称可用对应序号表示）在不同光照强度下光合速率及水质净
化能力见图。
回答下列问题：
(1)湖水富营养化时，浮游藻类大量繁殖，水体透明度低，湖底光照不足。原有沉水植物因光合作用合成的
有机物少于 的有机物，最终衰退和消亡。
(2)生态恢复后，该湖泊形成了以上述3 种草本沉水植物为优势的群落垂直结构，从湖底到水面依次是
，其原因是 。
(3)为了达到湖水净化的目的，选择引种上述3 种草本沉水植物的理由是 ，三者配合能实现综合
治理效果。
(4)上述3 种草本沉水植物中只有黑藻具有C4光合作用途径（浓缩CO2形成高浓度C4后，再分解成CO2传递
给C5）使其在CO2受限的水体中仍可有效地进行光合作用，在水生植物群落中竞争力较强。根据图a 设计
一个简单的实验方案，验证黑藻的碳浓缩优势，完成下列表格。
实验设计方案
实验材料
对照组： 实验组：黑藻
实验条件
控制光照强度为 μmol·m-2·s-1
营养及环境条件相同且适宜，培养时间相同
控制条件
测量指标
(5)目前在湖边浅水区种植的沉水植物因强光抑制造成生长不良，此外，大量沉水植物叶片凋落，需及时打
捞，增加维护成本。针对这两个实际问题从生态学角度提出合理的解决措施 。
