考点4 掌握光合作用和细胞呼吸的原理及其相互关系
1．光合作用过程
2．有氧呼吸过程
1．光合作用与细胞呼吸过程中[H]和ATP的来源和去向归纳
项目
光合作用
有氧呼吸
[H]
来源
H2O光解产生
有氧呼吸第一、二阶段
去向
还原C3
用于第三阶段还原O2
ATP
来源
光反应阶段产生
三个阶段都产生
去向
用于C3还原供能
用于各项生命活动(植物C3的还原除外)
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2.光合作用和细胞呼吸中物质和能量的变化关系
3．改变条件后，C3、C5、[H]、ATP的含量及(CH2O)合成量变化
分析光照强度和二氧化碳浓度突然改变后，C3、C5、[H]、ATP的含量及(CH2O)合成量的动态变化时要将光反应和暗反应过程结合起来分析，从具体的反应过程提炼出模型：“来路→某物质→去路”，分析其来路和去路的变化来确定含量变化。如下面四幅模型图：
题组一 考查光合作用色素和结构
1．(2016·全国甲，4)关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是( )
A．叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中
B．构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收
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C．通常，红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用
D．黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的
答案 C
解析 提取叶绿体中的色素用的是无水乙醇，因为叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中，A正确；根是植物吸收水分和矿质元素的主要器官，构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收，B正确；植物进行光合作用只能吸收可见光，不能吸收红外光和紫外光，C错误；叶绿素的形成需要光，黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的，D正确。
2．(2017·全国Ⅲ，3)植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是( )
A．类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B．叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制
C．光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D．叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
答案 A
解析 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，所以在蓝紫光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成，A错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，其吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制，B正确；CO2的吸收速率和O2的释放速率随波长的变化均可表示光合作用的作用光谱，C正确；根据叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱可知，叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的，D正确。
真题重组 判断下列叙述的正误：
(1)破坏叶绿体外膜后，O2不能生成(2011·浙江，1A)( × )
(2)离体的叶绿体基质中添加ATP、[H]和CO2后，可完成暗反应(2011·浙江，1D)( √ )
(3)黄绿色叶片在光反应中不会产生ATP(2014·海南，6D)( × )
(4)乙醇提取的叶绿体色素不能吸收光能(2012·海南，9D)( × )
(5)红枫叶片呈红色是因为吸收了红光(2011·海南，12B)( × )
(6)液泡中色素吸收光能用于光合作用(2011·海南，12D)( × )
3．下列有关叶绿体中色素和酶的叙述，正确的是( )
A．光合作用所需的各种色素都分布在类囊体薄膜上
B．纸层析法得到的色素带，位于最上层的是叶黄素
C．光合作用所需的各种酶都分布在叶绿体基质中
D．暗反应需要酶催化，光反应不需要酶的参与
答案 A
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解析 光合作用所需的各种色素都分布在类囊体薄膜上，A正确；纸层析法得到的色素带，位于最上层的是胡萝卜素，B错误；与光合作用有关的酶分布在叶绿体基粒和叶绿体基质中，C错误；光反应和暗反应均需要酶的催化，D错误。
思维延伸 判断下列叙述的正误：
(1)缺镁发黄的叶片与正常叶片相比，红光和蓝紫光吸收减少( √ )
(2)光合作用过程中叶绿素吸收光能不需要酶的参与( √ )
(3)如图为叶绿体的结构与功能示意图，能够将光能转换为稳定的化学能的过程是在Ⅰ上完成的( × )
(4)同线粒体一样，上图中叶绿体的结构Ⅰ极大地扩展了受光面积( √ )
题组二 考查光合作用的过程辨析
4. (2015·安徽，2)如图为大豆叶片光合作用暗反应阶段的示意图。下列叙述正确的是( )
A．CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能
B．CO2可直接被[H]还原，再经过一系列的变化形成糖类
C．被还原的C3在相关酶的催化作用下，可再形成C5
D．光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高
答案 C
解析 C3的还原的实质上是将ATP中的化学能转变为(CH2O)中的化学能，A错误；C3可直接被[H]和ATP还原，再经过一系列的变化形成糖类，B错误；据图分析，被还原的C3在有关酶的催化作用下，可再形成C5，C正确；光照减弱时，ATP和[H]合成减少，三碳化合物还原受阻，C5生成减少，短时间内C5去路不变，最终导致C5含量降低，D错误。
5．(2015·福建，3)在光合作用中，RuBP羧化酶能催化CO2＋C5(即RuBP)→2C3。为测定RuBP羧化酶的活性，某学习小组从菠菜叶中提取该酶，用其催化C5与14CO2的反应，并检测产物14C3的放射性强度。下列分析错误的是( )
A．菠菜叶肉细胞内RuBP羧化酶催化上述反应的场所是叶绿体基质
B．RuBP羧化酶催化的上述反应需要在无光条件下进行
C．测定RuBP羧化酶活性的过程中运用了同位素标记法
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D．单位时间内14C3生成量越多说明RuBP羧化酶活性越高
答案 B
解析 菠菜叶肉细胞内RuBP羧化酶是植物体内催化CO2固定的酶，反应的场所是叶绿体基质，A正确；CO2＋C52C3的反应需要在二氧化碳供应和C5存在条件下进行，B错误；测定该酶活性的方法用到了14C3，属于同位素标记法，C正确；根据题意，单位时间内14C3生成量越多说明RuBP羧化酶活性越高，D正确。
真题重组 判断下列有关光合作用过程的叙述：
(1)类囊体上产生的ATP可用于暗反应(2014·海南，7A)( √ )
(2)进入叶绿体的CO2不能被[H]直接还原(2014·海南，7C)( √ )
(3)光合作用中O2的产生发生在光反应阶段(2016·海南，10B)( √ )
(4)光反应产生的ATP和[H]不参与暗反应(2016·海南，10C)( × )
解析 类囊体上产生的ATP由类囊体运输到叶绿体基质中，为暗反应C3的还原供能，故(1)正确；进入叶绿体的CO2首先与C5合成C3，之后在[H]和ATP的作用下被还原，故(2)正确；光合作用中O2的产生发生在光反应阶段水的光解过程，(3)正确；暗反应中C3在光反应提供的ATP和[H]的作用下还原生成糖类等有机物，(4)错误。
6．(2017·临沂一模)下图表示绿色植物光合作用的部分过程，图中a～c表示相关物质。下列有关分析错误的是( )
A．图中a为氧气，可部分释放到空气中
B．图中b为[H]，外界CO2浓度升高时，b的含量暂时升高
C．该过程消耗的NADP＋和c来自于叶绿体基质
D．该过程将光能转化为化学能储存在b和ATP中
答案 B
解析 据图分析，a是由水的光解产生的，是氧气，若光合作用大于呼吸作用，氧气会部分释放到空气中去，A正确；图中b是由NADP＋和H＋和电子参与下形成的，为[H]，当外界CO2浓度升高时，生成的C3增加，则消耗的[H]增多，导致[H]的含量暂时降低，B错误；叶绿体基质中，暗反应消耗[H]、ATP产生NADP＋、ADP(c)，C正确；光合作用光反应过程中，将光能转化成化学能储存在ATP和[H]中，D正确。
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思维延伸 判断与填充：
(1)如图为上述题所示类囊体薄膜局部放大示意图及其发生的部分生理过程，请判断下列叙述：
①图中吸收的光能的用途是参与水光解和转化成化学能贮存在ATP( √ )
②图中膜的功能不同于其他生物膜的主要原因是膜上有色素和光合酶( √ )
③图中ATP产生后不能运出所在细胞器( √ )
④由图所示信息可推知运输H＋的载体蛋白还具有催化作用( √ )
⑤如果适当增加光照强度，在图中生物膜上产生速率会增加的物质有[H]、ATP和O2( √ )
(2)百合以气孔白天关闭、夜间开放的特殊方式适应高温干旱环境，下图1为百合叶肉细胞内的部分代谢示意图，图2为叶片苹果酸含量(mg·g－1)和CO2吸收速率(umol·m－2·s－1)的日变化曲线，请回答问题：
①如图1所示，PEP、OAA、C5、C3、A、B为百合叶肉细胞内的部分相关代谢物质，能参与CO2固定的有____________，推测B是______________，CO2＋C5→C3的过程发生的场所是________________。
②干旱条件下，白天为百合光合作用提供CO2的主要生理过程是________________________，其具体部位分别是__________________；百合细胞夜间pH下降，原因是________。
③图2中CO2
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吸收速率的日变化曲线_________(填“能”或“不能”)反映光合作用强弱的日变化情况。其中气孔关闭的时间应在______________时段，在上午5：00～9：00时，CO2吸收速率明显增大，但苹果酸含量变化速率并没有明显增大，其原因是__________________。
答案 ①PEP、C5 丙酮酸 叶绿体基质 ②有氧呼吸(第二阶段)和苹果酸分解 线粒体基质和细胞质基质 夜间百合细胞合成苹果酸；夜间细胞呼吸产生CO2形成H2CO3 ③不能 10：00～15：00 吸收的CO2有部分用于光合作用
题组三 考查呼吸作用原理及过程
7．(2010·课标全国，2)下列关于呼吸作用的叙述，正确的是( )
A．无氧呼吸的终产物是丙酮酸
B．有氧呼吸产生的[H]在线粒体基质中与氧结合生成水
C．无氧呼吸不需要O2的参与，该过程最终有[H]的积累
D．质量相同时，脂肪比糖原有氧氧化释放的能量多
答案 D
解析 丙酮酸是呼吸作用的中间产物，无氧呼吸的终产物为酒精和二氧化碳或乳酸，A选项错误；有氧呼吸产生的[H]是在线粒体的内膜上与氧结合生成水的，B选项错误；无氧呼吸不需要O2的参与，该过程中并无[H]的积累，C选项错误；脂肪分子中O的含量远远少于糖原，而H的含量多于糖原，所以相同质量的脂肪和糖原，脂肪有氧氧化分解时所需要的O2多，放出的能量也多。
8. (2017·郑州二模)呼吸作用过程中在线粒体的内膜上NADH将有机物降解得到的高能电子传递给质子泵，后者利用这一能量将H＋泵到线粒体基质外，使得线粒体内外膜间隙中H＋浓度提髙，大部分H＋通过特殊的结构①回流至线粒体基质，同时驱动ATP合成(如图)。下列叙述错误的是( )
A．H＋由膜间隙向线粒体基质的跨膜运输属于协助扩散
B．结构①是一种具有ATP水解酶活性的通道(载体)蛋白
C．上述过程中能量转化过程是：有机物中稳定化学能→电能→ATP中活跃化学能
D．好氧细菌不可能发生上述过程
答案 B
解析 依题意和图示分析可知：结构①是一种具有ATP合成酶活性的通道(载体)蛋白， H＋
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由膜间隙向线粒体基质的跨膜运输需借助结构①才能完成，属于协助扩散，A项正确，B项错误；上述过程中涉及有机物降解、高能电子传递、ATP合成等，因此能量转化过程是：有机物中稳定化学能→电能→ATP中活跃化学能，C项正确；好氧细菌没有线粒体，不可能发生上述过程，D项正确。
思维延伸 甲、乙分别表示真核细胞中的某种结构，a、b表示有关化学反应，判断下列相关叙述：
(1)a产生的[H]不能参与b( √ )
(2)能进行a的细胞一定能进行b( √ )
(3)甲、乙都能产生ATP用于各项生命活动( × )
(4)甲和乙可同时存在于同一个植物细胞中( √ )
(5)b反应是有氧呼吸第三阶段，产生大量能量主要用于合成ATP( × )
(6)b反应所产生的水中的氢来源于葡萄糖和水( √ )
题组四 光合作用和细胞呼吸过程综合考查
9．(2017·全国Ⅱ，29)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__________________。
答案 (1)O2 NADP＋ ADP和Pi C5 NADH
(2)C和D
(3)在缺氧条件下进行无氧呼吸
解析 (1)光合作用光反应阶段，水光解形成NADPH和氧气，因此图中①是O2；②可形成NADPH，应为NADP＋；③可形成ATP，应为ADP＋Pi；三碳化合物还原可形成有机物和五碳化合物，因此④表示C5。细胞呼吸过程中产生的[H]代表的物质主要是NADH。
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(2)图中A表示光反应阶段，B表示暗反应阶段，C代表细胞质基质(可发生细胞呼吸的第一阶段)，D代表线粒体(可发生有氧呼吸的第二阶段和第三阶段)，其中光反应阶段、有氧呼吸的三个阶段都能合成ATP，而暗反应阶段不但不能合成ATP还会消耗ATP。因此，ATP的合成除发生在A过程，还发生在C和D。
(3)植物叶肉细胞中，有氧条件下，丙酮酸进入线粒体最终分解形成二氧化碳和水；在缺氧条件下进行无氧呼吸，转化成酒精和二氧化碳。
真题重组 判断与填充：
(1)(2014·天津，2)下图是细胞中糖类合成与分解过程示意图。判断下列叙述：
(CH2O)＋O2CO2＋H2O＋能量
a．过程①只在线粒体中进行，过程②只在叶绿体中进行( × )
b．过程①产生的能量全部储存在ATP中( × )
c．过程②产生的(CH2O)中的氧全部来自H2O( × )
d．过程①和②中均能产生[H]，二者还原的物质不同( √ )
(2)(2009·浙江，4节选)判断下列关于植物光合作用和细胞呼吸的叙述：
①CO2的固定过程发生在叶绿体中，C6H12O6分解成CO2的过程发生在线粒体中( × )
②光合作用过程中光能转变为化学能，细胞呼吸过程中化学能转变为热能和ATP( × )
(3)(2016·浙江，30节选)给某植物提供C18O2和H2O，释放的氧气中含有18O。氧气中含有18O是由于_________________________________，HO又作为原料参与了光合作用之故。
答案 C18O2中的部分氧转移到HO中
10．(2017·凉山州模拟)下面为植物叶肉细胞中水的合成与分解过程，下列叙述正确的是( )
[H]＋O2H2O＋能量
A．进行过程①②的细胞器为双层膜结构，其中酶的种类相同
B．过程①②中均能产生ATP，都能为细胞内各种吸能反应供能
C．进行过程①的[H]来自于葡萄糖和水，在线粒体基质中产生
D．过程②产生的[H]只来自于水，只能用于还原叶绿体中的C3
答案 D
解析 进行过程①②的细胞器分别为线粒体和叶绿体，它们均为双层膜结构，但是两者进行的化学反应不同，因此其中酶的种类也不同，A错误；过程②中能产生ATP，但是产生的ATP只能用于光合作用的暗反应阶段，B错误；进行过程①的[H]来自于葡萄糖和水，在细胞质基质和线粒体基质中产生，C错误；过程②产生的[H]只来自于水，只能用于还原叶绿体中的C3，D正确。
思维延伸 判断与填充：
(1)用同位素标记法追踪物质去向是生物学研究的重要手段之一，判断下列相关叙述：
①小白鼠吸入18O2后呼出的CO2不会含有18O，但尿液中会含有HO( × )
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②若给某密闭容器中的植物提供HO，一段时间后植物幼苗内出现了(CHO)，则过程途径可表示为：( √ )
HOC18O2(CHO)
③如图是水生植物黑藻在光照等环境因素影响下光合速率变化的示意图。若t3时用14C标记的14CO2进行该实验，然后追踪放射性，其在叶绿体中的主要转变途径为14CO2→14C3→(14CH2O)( √ )
④若用18O标记参与光合作用的HO，则18O会出现在环境中的水、O2、CO2等物质中( √ )
(2)图示为植物细胞内发生的部分转化过程。则判断如下叙述：
①伴随有ATP形成的过程只有d( × )
②人体细胞中也可发生的过程有b、d( √ )
③发生在生物膜上的过程有a、c、d( × )
④在光照充足、条件适宜的情况下，a强于b，c强于d( √ )
(3)如图是某植物叶肉细胞中光合作用与细胞呼吸过程中相关物质变化示意图，则请判断如下叙述：
①a过程发生于线粒体中( √ )
②当该细胞中b过程强度大于a过程时，则该植株一定表现为正常生长( × )
③a过程的[H]并非全部来自于线粒体基质,b过程中的[H]从类囊体薄膜移向叶绿体基质( √ )
④若温度下降可能引起过程a的反应速率下降；但若停止光照，则a过程发生，b过程不发生( √ )
(4)如图是某植物叶肉细胞中两种细胞器生理活动示意图，其中a～e代表相关物质，①～⑤代表相关生理过程。则图中①代表的生理过程称为____________________，a代表的物质有____________________。图中⑤表示的生理过程是________________________，写出③～⑤所示过程的总反应方程式__________________________。
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答案 光合作用的光反应 [H]和ATP 有氧呼吸的第三阶段 C6H12O6＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O＋能量
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