大题01 细胞代谢类

【高考真题分布】

考点	考向	高考考题分布
光合作用和细胞呼吸的综合	一、细胞呼吸与光合作用的过程及实验设计 二、影响光合和呼吸作用的因素	2023年广东T18 2023年海南T16 2023年江苏T19 2023年重庆T19 2023年辽宁T21 2023年浙江第一次T22 2023浙江第二次 T23 2023年河北T19 2023年湖南卷T17

【题型解读】
细胞呼吸光合作用的过程，以及探究不同环境因素对光合作用和呼细胞呼吸的影响，是细胞代谢部分的高频考点。通过对近三年试题分析，发现试题考察情景越来越复杂，以下两种情境尤为明显：
一、对大学教材中光合作用和细胞呼吸的生理过程深度考察。如2023年山东卷第21题和2023年湖北卷第8题的PSⅠ、PSⅡ光复合体，2023年湖南卷第17题和2022年全国甲卷第29题的C3植物和C4植物，2023年全国乙卷第3题和2023年山东卷第4题中无氧呼吸方式的转变，2022年山东卷第21题的光抑制，2022年山东卷第4题的磷酸戊糖途径，2022年山东卷第16题的电子传递链。这些题目的题干主要以文字形式呈现大学教材中光合作用和细胞呼吸的生理过程，考察考生在考场上对这些深于教材的新知识的学习和理解能力。并考察考生能否将这些过程与光合作用细胞呼吸过程进行辨析以及找出它们之间的联系等。
二、对于光合作用和细胞呼吸有关的科学实验和探究实验的考察，如2023年全国乙卷第3题和29题，2023年山东卷第17天、2023年全国甲卷第29集、2023年广东卷第18期、2022年山东卷第21期、2022年广东卷第18题、2021年全国已卷第29天、2021年山东卷第21题。这些题目或涉及探究实验步骤的设计或设计实验数据的分析。
该专题的试题在考察必备知识的基础上，也逐年提升对关键能力和学科素养的考察等级。

典例一：细胞呼吸与光合作用的过程及实验设计
（2023·重庆·统考高考真题）

一、限定词作答时，若题目中提供了限定词，则必须用限定词作答，而不能用同义词替代，如本题中的“红光”不能回答成“红色光”或“红”。
二、原因分析类问题的方法突破
（1）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___”“……的依据是___”“……的原因是___”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，也是对关键能力和学科素养进行考查，是真正素质考查的体现。
（2）解题策略
这一类试题的形式是给出某一实验现象或结果，要求回答出现这些现象（ 或结果） 的原因。
分析高考题中长句子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。
（3）答题思路
a．在题干文字信息和图表信息中找出“起因”和“结果”。
b．依据题干或者已学教材中相关知识，分析“起因”和“结果”之间的逻辑关系——原因、依据、理由、解释。
（4）答题模式

三、实验设计要遵循实验设计的基本原则实验设计的基本原则包括：
（1）科学性原则：是所有原则的前提，实验设计要合乎科学性。
（2）可行性原则：符合实验者的一般认知水平；还要满足现有的条件，具有进行实验和完成实验的可能性。
（3）简便性原则：实验的材料易获得，装置简化、简单，实验药品便宜，操作简便等等。
（4）可重复性原则：一方面，减少误差，增加信度。另一方面，你做的实验，同样的情况下，别人应该可以重复验证。
（5）单一变量原则：在不同的实验组别中，只有我们所要研究的因素不同，影响实验的其他所有因素都相同。
（6）等量原则：除研究因素以外，所有可以影响实验过程或结果的因素都应该保持一样。
（7）对照性原则：是生物实验设计的一个重要原则。在单一变量的前提下，通过对照，就能有效地排除其它因素对结果的干扰，增加实验结果的可信度和说服力。
四、光合作用与细胞呼吸实验的设计技巧
（1）实验设计中必须注意三点
①变量的控制手段，如光照强度的强弱可用不同功率的灯泡（或相同功率的灯泡，但与植物的距离不同）进行控制，不同温度可用不同恒温装置控制，CO₂浓度的大小可用不同浓度的CO₂缓冲液来调节。
②对照原则的应用，不能仅用一套装置通过逐渐改变其条件进行实验，而应该用一系列装置进行相互对照。
③无论哪种装置，在光下测得的数值均为“净光合作用强度”值。
（2）解答光合作用与细胞呼吸的实验探究题时必须关注的信息是加“NaOH”还是加“NaHCO₃”；给予“光照”处理还是“黑暗”处理；是否有“在温度、光照最适宜条件下”等信息。
五、光合作用与呼吸作用实验设计中常用实验条件的控制方法
①增加水中氧气——泵入空气或放入绿色水生植物。
②减少水中氧气——容器密封或油膜覆盖或用凉开水。
③除去容器中二氧化碳——氢氧化钠溶液。
④除去叶中原有淀粉——置于黑暗环境中。
⑤除去叶中叶绿素——酒精隔水加热。
⑥除去光合作用对呼吸作用的干扰——给植株遮光。
⑦如何得到单色光——棱镜色散或薄膜滤光。
⑧线粒体的提取——细胞匀浆离心。
⑨保持容器中CO₂体积不变——NaHCO₃溶液。

（2024·贵州贵阳·贵阳一中校考一模）
典例二：影响光合和呼吸作用的因素
（2023·广东·统考高考真题）

一、真核生物细胞呼吸
（1）判断细胞呼吸方式的三大依据

（2）影响细胞呼吸的常见因素
①温度：影响酶活性。
②O₂浓度：O₂促进有氧呼吸，抑制无氧呼吸。
③含水量：自由水的相对含量会影响细胞代谢速率。
（3）水果、蔬菜保鲜条件：低温、低氧、有一定湿度。
粮食储存需要的条件：低温、低氧、干燥环境。
二、光合作用与呼吸作用
（1）光合作用过程中的能量变化：光能→活跃的化学能（储存在ATP、NADPH中）→稳定的化学能（储存在有机物中）。
（2）光合作用过程中的物质变化
①光反应（发生在叶绿体类囊体薄膜上）：${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\underset{\text{色素}}{\overset{\text{光}}{\to }}{\text{NADPH＋O}}_{\text{2}}\text{；ADP＋Pi}\underset{\text{酶}}{\overset{\text{光}}{\to }}\text{ATP}$
②暗反应（发生在叶绿体基质中）：${\text{CO}}_{\text{2}}{\text{＋C}}_{\text{5}}\stackrel{\text{酶}}{\to }{\text{2C}}_{\text{3}}{\text{；2C}}_{\text{3}}\underset{\text{NADPH}}{\overset{\text{ATP、酶}}{\to }}{\text{（CH}}_{\text{2}}{\text{O）＋C}}_{\text{5}}$
（3）光合作用的4个影响因素
①温度：主要影响暗反应，因为参与暗反应的酶的种类和数量都比参与光反应的多。
②CO₂浓度：主要影响暗反应。
③水：缺水主要影响暗反应，因为缺水→气孔关闭→影响CO₂的吸收→影响暗反应。
④光照：主要影响光反应，通过影响ATP和NADPH的产生而影响暗反应。
（4）呼吸作用与光合作用的联系
①呼吸速率的测定：黑暗条件下，单位时间实验容器内CO₂增加量、O₂减少量或有机物减少量。
②净光合速率的测定：植物在光照条件下，单位时间内CO₂吸收量、O₂释放量或有机物积累量。
总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率；光合作用有机物的制造量＝光合作用有机物的积累量＋呼吸作用有机物的消耗量；光合作用固定的CO₂量＝从外界吸收的CO₂量＋呼吸作用释放的CO₂量。常见呈现形式如图所示：

a．A点：光照强度为0，只有呼吸作用，细胞表现为对外释放CO₂。
b．AB段（不包括B点）：光合速率<呼吸速率，细胞表现为对外释放CO₂。
c．B点：对应的光照强度称为光补偿点，光合速率＝呼吸速率，细胞表现为既不对外释放CO₂，也不从外界吸收CO₂。
d．B点以后：光合速率>呼吸速率，细胞表现为从外界吸收CO₂。
e．C点：对应的光照强度称为光饱和点，光合速率达到相应条件下的最大值。
f．光饱和点以前光合速率的限制因素主要为横坐标表示的因素；光饱和点以后光合速率的限制因素为除横坐标以外的因素。
三、光合作用、呼吸作用的“三率”图

（2024·黑龙江齐齐哈尔·统考一模）
典例三：特殊代谢类型
（2023·湖南·统考高考真题）

一、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，在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：

【总结】光呼吸与光合作用的关系
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。此时的光呼吸可以消耗光反应阶段生成的多余的NADPH和ATP，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。
二、C4植物（如玉米）的叶片结构和光合作用过程

C4植物的叶片结构

C4途径的生物学意义在于，热带植物为了防止水分过度蒸发，常常关闭叶片上的气孔，这样空气中的CO2就不易进入叶肉细胞，不能满足光合作用对CO2的需求；而C4途径中能固定CO2的PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩CO2，供维管束鞘细胞中叶绿体内的C3途径利用。玉米植株中固定CO2的酶的能力要远远强于水稻植株中相应的酶，因此玉米的光合效率大于水稻，特别是在低CO2浓度下，这种差别更为明显。
【总结】
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。
②C₄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。
③PEP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。
三、景天科植物为多年生肉质草本植物，是典型的旱生植物，其气孔下陷，可减少蒸腾作用。与普通植物相比，景天科植物具有一种特殊的CO2固定方式——夜间气孔开放，白天气孔关闭。夜间大气中CO2从气孔进入，被磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化酶催化，与PEP结合形成草酰乙酸（OAA），再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，贮存于液泡中。白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环。

【总结】
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。这类植物特别适合生长于干旱地区，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。

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