高考加强课（四）
光合作用与细胞呼吸关系的模型构建及“三率”的计算
一、光合作用与细胞呼吸关系的模型构建及应用分析 【考题范例】
1．下图是表示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________。
[审答提示] (1)根据示意图信息结合所学知识理清光合作用和呼吸作用的过程。
A为光反应阶段，B为暗反应阶段，C为有氧呼吸的第一阶段，D为有氧呼吸的第二、三阶段。 (2)明确各环节的物质变化和能量变化。
例如，光反应： 物质变化：H2O→2[H]＋1/2O2(水的光解) NADP＋2e＋H→ NADPH 能量变化：光能转换成活跃的化学能 暗反应： 物质变化：CO2＋C5化合物→2C3化合物(二氧化碳的固定)
2C3化合物＋4NADPH＋ATP→(CH2O)＋C5化合物＋H2O(有机物的生成或称为C3的还原) 能量变化：ATP中活跃的化学能转换为有机物中稳定的化学能
解析：(1)分析图示，A过程为光合作用的光反应阶段，B过程是光合作用的暗反应阶段。图中①为水光解产生的O2；由②和H2O产生①与NADPH([H]，即还原型辅酶Ⅱ)可知，②是NADP；由③转化成ATP可知，③是ADP＋Pi；由④与CO2结合生成C3可知，④为C5。呼吸作用过程中的[H]代表的物质主要是NADH(还原型辅酶Ⅰ)。
(2)光合作用的光反应阶段(A)可产生ATP，而暗反应阶段(B)不产生ATP。有氧呼吸的三个阶段都产生ATP，其中细胞质基质中进行有氧呼吸的第一阶段(C)，线粒体中进行有氧呼吸的第二和第三阶段(D)。
(3)在缺氧条件下，植物细胞可进行无氧呼吸，将丙酮酸转化成酒精。
答案：(1)O2 NADP ADP＋Pi C5 NADH(或答：还原型辅酶Ⅰ) (2)C和D (3)在缺氧条件下进行无氧呼吸
2．(2018·高考江苏卷)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：
＋
＋
＋
－
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(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
[审答提示](1)据图分析，甲表示叶绿体，是光合作用的场所；乙是线粒体，是有氧呼吸的主要场所。(2)线粒体为叶绿体提供了二氧化碳和ATP，叶绿体为线粒体提供了三碳糖(在细胞质基质中分解成丙酮酸供给线粒体)、氧气、NADPH(叶绿体中过多的还原能在细胞质中合成NADPH)。
解析：(1)根据以上分析可知，甲表示叶绿体，是光合作用的场所，参与光合作用的两类色素是叶绿素和类胡萝卜素，其中叶绿素需要在光照条件下合成。
(2)光反应的场所是类囊体薄膜，因此细胞核编码的参与光反应中心的蛋白，在细胞质中合成后，转运到叶绿体内，在类囊体薄膜上组装；二氧化碳的固定发生在叶绿体基质中，因此核编码的Rubisco(催化CO2固定的酶)小亚基转运到叶绿体内，在叶绿体基质中组装。
(3)在氧气充足的条件下，叶绿体产生的三碳糖在细胞质基质中氧化为丙酮酸，然后进入线粒体基质中，彻底氧化分解成CO2；据图分析，图中叶绿体中过多的还原能可通过物质转化，在细胞质中合成NADPH，NADPH中的能量最终可在线粒体内膜上转移到ATP中。
(4)叶绿体光反应产生ATP，因此图中线粒体为叶绿体提供的ATP用于光反应以外的生命活动，如C3的还原、内外物质运输、酶的合成等，而H2O裂解释放O2属于光反应，故选①②④。
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 【备考锦囊】
1．“图解法”分析细胞中两大生理过程
2．“表格法”理解光合作用与细胞呼吸过程中[H]和ATP的来源和去向
来源 [H] 去向 来源 ATP 去向 用于C3还原供能 用于各项生命活动 注意：①光合作用中产生的[H]是还原型辅酶Ⅱ(NADPH) 简化的表示方式，而细胞呼吸中产生的[H]是还原型辅酶Ⅰ(NADH)简化的表示方式，二者不是一种物质，尽管书写形式相同。
②还原氢的书写形式一定不能写成H、H、H2，只能写成[H]或NADH或NADPH。 3．“流程法”分析光合作用和细胞呼吸中各种元素的去向 暗反应呼吸Ⅰ呼吸ⅡC：CO2――→有机物――→丙酮酸――→CO2
光反应暗反应有氧呼吸Ⅰ、Ⅱ有氧呼吸ⅢH：H2O――→[H]――→(CH2O)――→[H]――→H2O 光反应有氧呼吸Ⅲ有氧呼吸Ⅱ光合作用O：H2O――→O2――→H2O――→CO2――→有机物 【应考提升】
1．下图所示为甘蔗一个叶肉细胞内的系列反应过程，下列叙述正确的是( )
＋
光合作用 H2O光解产生 还原C3 光反应阶段产生 有氧呼吸 有氧呼吸第一、二阶段 用于第三阶段还原O2 三个阶段都产生
A．过程①中类胡萝卜素主要吸收的是红光和蓝紫光 B．过程②只发生在叶绿体基质，过程③只发生在线粒体 C．过程③释放的能量大部分储存于ATP中 D．过程④一般与吸能反应相联系
解析：选D。过程①中叶绿素主要吸收的是红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收的是蓝紫光，A错误；过程②只发生在叶绿体基质，过程③是有机物氧化分解释放能量的过程，发生在细胞质基质、线粒体，B错误；过程③释放的能量大部分以热能形式散失，少部分储存于ATP中，C错误；过程④ATP水解释放能量，所以一般与吸能反应相联系，D正确。
2．(2018·山西太原期末)如图为某植物叶肉细胞内发生的生理过程图解。请据图回答：
(1)A 物质是______；B 物质是______；C 物质是______；这些物质跨膜运输的方式是_____________________________。
(2)场所Ⅰ是通过______________(结构)来增大膜面积的，酶 1 作用的部位是场所Ⅰ中的____________。光合作用的光反应为暗反应提供________(物质)；场所Ⅱ是指____________。
(3)在场所Ⅲ中，如果用放射性同位素对 B 物质示踪，则放射性最先出现在[ ]物质中。 E 物质在场所Ⅲ的________上生成。
(4)长期水淹的植物会出现烂根现象，是因为图中[ ]____(物质)的积累造成的。 (5)植物根尖细胞中产生 ATP 的结构有______________。
解析：(1)分析图形可知，A 物质是由根从土壤溶液中吸收的H2O，能参与光合作用的光反应；B物质是光反应产生并释放的O2；C物质是参与暗反应的CO2，这些物质跨膜运输的方式都是自由扩散。
(2)图中场所Ⅰ是光合作用的场所叶绿体，是通过类囊体薄膜来增大膜面积的；图中酶1催化的是暗反应，其作用的部位是叶绿体中的叶绿体基质。光合作用的光反应为暗反应提供[H]和ATP；场所Ⅱ是无氧呼吸进行的场所细胞质基质。
(3)图中场所Ⅲ是有氧呼吸的主要场所线粒体，如果用放射性同位素对B物质(O2)示踪，则参与有氧呼吸第三阶段反应，与[H]结合生成水，故放射性最先出现在E物质(H2O)中，E物质在场所Ⅲ的线粒体内膜上(有氧呼吸第三阶段的场所)生成。
(4)长期水淹的植物会出现烂根现象，是因为无氧呼吸产生的酒精对细胞有毒害作用，即图中〔F〕酒精的积累造成的。
(5)植物根尖细胞没有光合作用能力，但可以进行细胞呼吸，其细胞呼吸会产生ATP，因此根尖细胞中产生 ATP 的结构有细胞质基质和线粒体。
答案：(1)H2O O2 CO2 自由扩散 (2)类囊体薄膜 叶绿体基质 [H]和ATP 细胞质基质 (3)E 线粒体内膜 (4)F 酒精 (5)细胞质基质和线粒体
二、光合作用与细胞呼吸“三率”的判断及相关计算 【考题范例】
(2018·高考全国卷Ⅰ)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：
(1)当光照强度大于a时，甲、乙两种植物中，对光能的利用率较高的植物是____________。 (2)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_________________。
(3)甲、乙两种植物中，更适合在林下种植的是______。
(4)某植物夏日晴天中午12：00时叶片的光合速率明显下降，其原因是进入叶肉细胞的________ (填“O2”或“CO2”)不足。
[审答提示] (1)据图可知，甲植物的净光合速率变化幅度明显大于乙植物，因此可以得出甲植物对光能的利用率明显高于乙植物。(2)乙植物的饱和点和光补偿点都比较低，属于阴生植物，甲植物属于阳生植物。
解析：(1)由图分析可知，当光照强度大于a时，相同光照强度下，甲植物的净光合速率大于乙，有机物的积累较多，对光能的利用率较高。
(2)甲、乙两种植物单独种植时，如果种植密度过大，植株接受的光照强度相对较弱，光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大，因此种植密度过大，导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大。
(3)从图中可以看出，乙植物的光饱和点以及光补偿点都比甲植物低，适合在光照强度相对更弱的环境中生长，林下的光照强度更低，因此更适合在林下种植的是植物乙。
(4)夏日晴天中午12：00时，植物为了减少蒸腾作用对水分的散失，叶片上的部分气孔会关闭，导致细胞间的二氧化碳的含量下降，从而引起光合速率下降。
答案：(1)甲 (2)甲 光照强度降低导致甲植物净光合速率降低的幅度比乙大，种植密度过大，植株接受的光照强度减弱，导致甲植物净光合速率下降幅度比乙大 (3)乙 (4)CO2
【备考锦囊】
1．“图示法”理解植物“三率”的含义(如图)
(1)光合作用速率表示方法：通常以一定时间内CO2等原料的消耗量或O2、(CH2O)等产物的生成量来表示。但由于测量时的实际情况，光合作用速率又分为净光合速率和真正光合速率。
①净光合速率：常用一定时间内O2释放量、CO2吸收量或有机物(葡萄糖)积累量表示。 ②真正光合速率：常用一定时间内O2产生量、CO2固定量或制造、生产、合成有机物的量表示。 ③呼吸速率：将植物置于黑暗中，单位时间内实验容器中CO2增加量、O2减少量或有机物减少量即表示呼吸速率。
2．净光合速率和真正光合速率的关系 真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
凡是进行光合作用的植物，同时也在进行着呼吸作用。在不考虑光照强度对呼吸速率影响的情况下，OA段代表植物呼吸速率，OD段代表植物净光合速率，OA＋OD表示真正光合速率，故真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。图中B点既不吸收也不释放二氧化碳，表示真正光合速率＝呼吸速率，净光合速率为0。在考题中，常需根据图表中的信息找出净光合速率和呼吸速率，进而推出真正光合速率。
3．净光合速率和真正光合速率的判定方法
(1)若为坐标曲线形式，当光照强度为0时，CO2吸收值为0，则为真正光合速率，若CO2吸收值是负值，则为净光合速率。
(2)若所给数值为有光条件下绿色植物的测定值，则为净光合速率。 (3)有机物积累量为净光合速率，制造量为真正光合速率。 4．不同光照条件下叶肉细胞的气体代谢特点
曲线 光合作用强度与细胞呼吸强度的关系 气体代谢特点 图示 A点 只进行细胞呼吸 吸收O2，释放CO2 AB段 细胞呼吸强度大于光合作用强度 吸收O2，释放CO2 B点 细胞呼吸强度等于光合作用强度 不与外界发生气体交换 B点后 光合作用强度大于细胞呼吸强度 吸收CO2，释放O2 【应考提升】 1．下图表示在适宜的光照、CO2浓度等条件下，某植物在不同温度下的净光合作用速率和呼吸作用速率曲线。下列有关说法中错误的是( )
A．与光合作用相比，呼吸作用有关酶的适宜温度更高 B．在40 ℃之前，总光合作用速率大于呼吸作用速率 C．温度在30 ℃时总光合作用速率最大 D．40 ℃时，该植物不再进行光合作用
解析：选D。根据图可知，光合作用有关酶的最适温度为30 ℃左右，呼吸作用有关酶的最适温度为43 ℃左右，A正确；温度40 ℃之前该植物净光合作用速率大于0，光合作用速率大于呼吸作用速率，B正确；真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，由图可知，植物真光合作用速率在30 ℃左右时达到最大值，C正确；40 ℃时，净光合作用速率＝呼吸作用速率，D错误。
2．如图表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时(其他条件不变且适宜)，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。下列有关说法错误的是( )
A．光照强度由a到d时，叶肉细胞净光合速率增加 B．光照强度为b时，光合作用速率等于呼吸作用速率 C．若光照强度长期为c，该绿色植物不能正常生长
D．光照强度为d时，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2
解析：选B。在a条件下，CO2释放的量为6，O2产生为0，则此时不能进行光合作用，d条件时CO2释放量为0，总光合速率为8，A正确；b条件时CO2释放量与O2产生量相等，细胞呼吸产生的CO2一部分用于光合作用一部分释放到细胞外，光合作用速率小于呼吸作用速率，B错误；c中O2产生量是6，即光合强度是6，呼吸强度是6，二者相等，其他细胞会消耗有机物，该绿色植物不能正常生长，C正确；d时光合强度是8，呼吸强度是6，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2，D正确。
3．以测定的CO2吸收速率与释放速率为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响，结果如图所示。下列分析正确的是( )
A．光照相同时间，35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃时相等 B．光照相同时间，在20 ℃条件下植物积累的有机物的量最多 C．温度高于25 ℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少
D．其他条件不变，光照强度适当增强时，两曲线的交点将向左下方移动
解析：选A。据图分析，图示虚线表示净光合速率，实线表示呼吸速率，而实际光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。因此光照相同时间，35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃时相等，A正确；光照相同时间，在25 ℃条件下净光合速率最高，植物积累的有机物的量最多，B错误；温度高于25 ℃时，净光合速率减少，但是实际光合速率(两条曲线之和)并没有减少，C错误；光照强度适当增强时，光合速率增加，而呼吸速率不变，因此两曲线的交点将向右上方移动，D错误。
4．(2018·四川蓉城名校联盟联考)植物通过光合作用制造的有机物与呼吸作用消耗的有机物相平衡时的光照强度称为光补偿点。某同学将水稻幼苗置于密闭透明容器内，在其他条件适宜不变时，测得其单位时间内不同光照强度下密闭容器内O2的增加量(用x表示)和CO2的增加量(用y表示)，经计算得到水稻幼苗的实际产O2量和实际释放CO2量，分别绘制成如图中A、B曲线。请据图回答问题：
(1)实际实验中，图中m值是在__________条件下测得，水稻幼苗的光补偿点是__________，此时水稻叶肉细胞内能产生ATP和[H]的具体场所是___________________________。
(2)当光照强度为c时，如果适当降低温度，该水稻幼苗在单位时间内积累有机物的情况是__________(填“增加”“减少”或“不确定”)，理由是___________________。
解析：(1)根据以上分析可知，m点是黑暗或无光条件下测定的呼吸作用强度；b点为光补偿点，此时光合速率与呼吸速率相等，此时叶肉细胞中可以产生ATP和[H]的场所有类囊体薄膜、细胞质基质和线粒体基质。
(2)图中c点为光饱和点，若适当降低温度，无法判断该水稻幼苗在单位时间内积累有机物的情况，因为水稻幼苗单位时间内净积累有机物的量(净光合速率)＝实际光合速率－呼吸速率，而降低温度，实际光合速率和呼吸速率都会改变。
答案：(1)黑暗(无光) b 细胞质基质、线粒体基质、类囊体薄膜 (2)不确定 水稻幼苗单位时间内净积累有机物的量(净光合速率)＝实际光合速率－呼吸速率，而降低温度，实际光合速率和呼吸速率都会改变
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