Question

【題目】閱讀下面的材料，完成（1）～（4）題。

20世紀60年代，科研人員利用紅外線CO2分析技術(shù)研究煙草、大豆等作物的光合動態(tài)，發(fā)現(xiàn)這些作物的葉照光后移至黑暗環(huán)境，短時間內(nèi)（約1分鐘）出現(xiàn)CO2釋放量急劇增高的現(xiàn)象，隨后釋放量減少至與黑暗環(huán)境一致。由此科研人員提出，植物的葉肉細胞在光下必有一個與呼吸作用不同的生理過程，即在光照下葉肉細胞吸收O2，釋放CO2。由于這種反應(yīng)需葉綠體參與，并與光合作用同時發(fā)生，故稱光呼吸。

光呼吸過程簡圖

光呼吸現(xiàn)象存在的根本原因在于Rubisco是一個雙功能的酶，具有催化羧化反應(yīng)和加氧反應(yīng)兩種功能，其催化方向取決于CO2和O2的濃度。當CO2濃度高而O2濃度低時，RuBP（1,5-二磷酸核酮糖，C5）與進入葉綠體的CO2結(jié)合，經(jīng)此酶催化生成2分子的PGA（3-磷酸甘油酸，C3），進行光合作用；反之，RuBP與O2在此酶催化下生成1分子PGA和1分子PG（2-磷酸乙醇酸，C2），后者在相關(guān)酶的作用下生成乙醇酸（光呼吸的底物），通過光呼吸代謝循環(huán)合成PGA，重新加入卡爾文循環(huán)，而1/ 4的PG則以CO2的形式釋放。

有人認為光呼吸將植物體已固定的CO2又釋放出來，而CO2重新利用又需要消耗ATP和[H]，因此認為光呼吸是地球上最浪費能源的一個過程，限制了作物產(chǎn)量。

近年來，科研人員發(fā)現(xiàn)若較長時間或較大程度的抑制光呼吸，植物均不能正常生長甚至死亡。有數(shù)據(jù)表明PG是葉片中的一種有害產(chǎn)物，其合成與Rubisco具有羧化和加氧反應(yīng)的特性有關(guān)，而光呼吸可清除PG。同時植物體在低濃度CO2情況下，葉綠體內(nèi)NADPH/NADP+比值較高，會導(dǎo)致更多自由基生成，使葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能受到損傷。光呼吸可使CO2 不斷釋放，并在葉綠體中重新被固定，有助于降低自由基的形成，從而起保護作用。

（1）Rubisco是一種存在于_____的酶，在光照條件下，可以催化RuBP與CO2生成PGA，再利用光反應(yīng)產(chǎn)生的____將其還原；也可以催化RuBP與O2反應(yīng)，推測O2與CO2比值______時，有利于光呼吸而不利于光合作用。通過光呼吸可以將Rubisco催化產(chǎn)生PG中______（用比值表示）的碳重新利用，從而將光呼吸所造成的負面效應(yīng)最小化。

（2）比較細胞呼吸和光呼吸的區(qū)別，寫出你進行比較的角度（至少寫出三個方面）__________。

（3）請寫出驗證植物存在光呼吸現(xiàn)象的實驗設(shè)計思路，并將預(yù)期實驗結(jié)果繪制在給定的坐標系中。_______。

（4）請結(jié)合本文內(nèi)容，提出光呼吸對植物體的重要意義。__________。

Answer 1

【答案】葉綠體基質(zhì) [H] 高 3/4 對光的要求、進行部位、底物、產(chǎn)物、能量狀況、反應(yīng)條件 在適宜條件下先測定光照時吸收CO2速率，一段時間后對植物進行遮光（完全黑暗）處理，遮光后每10秒測定一次CO2釋放速率，直到CO2釋放速率不變。 光呼吸對植物有保護作用（如減少自由基產(chǎn)生、減少乙醇酸對細胞有毒害作用等）；光呼吸過程產(chǎn)生的甘氨酸和絲氨酸也可為蛋白質(zhì)合成提供部分原料；光呼吸過程產(chǎn)生的CO2保持CO2缺少時卡爾文循環(huán)的運轉(zhuǎn)等。

【解析】

題圖分析：圖示表示光合作用的暗反應(yīng)和光呼吸的過程，光呼吸需要C5為原料，光合作用在暗反應(yīng)階段又生成了C5化合物，實現(xiàn)了該物質(zhì)的再生，而且光呼吸最終將該物質(zhì)徹底氧化分解成二氧化碳，光呼吸消耗了氧氣，生成了二氧化碳，消耗了NADPH和ATP。

（1）Rubisco是一種存在于葉綠體基質(zhì)的酶，在光照條件下，可以催化RuBP與CO2生成PGA，再利用光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]將其還原；也可以催化RuBP與O2反應(yīng)，推測O2與CO2比值高時，有利于光呼吸而不利于光合作用。通過光呼吸可以將Rubisco催化產(chǎn)生PG中3/4用比值表示）的碳重新利用，從而將光呼吸所造成的負面效應(yīng)最小化。

（2）比較細胞呼吸和光呼吸的區(qū)別有：

對光的要求：光呼吸需要光，而細胞呼吸對光沒有要求。

進行部位：光呼吸在葉綠體中進行，細胞呼吸在細胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體中進行。

底物：光呼吸的底物是C5化合物，細胞呼吸的底物是葡萄糖等有機物。

產(chǎn)物：光呼吸的產(chǎn)物為二氧化碳，細胞呼吸的產(chǎn)物是二氧化碳和水。

消耗能量狀況：光呼吸消耗能量ATP，細胞呼吸產(chǎn)生能量ATP。

（3）驗證植物存在光呼吸現(xiàn)象的實驗，可根據(jù)題干信息；科學(xué)工作者對光呼吸的發(fā)現(xiàn)和思考過程來設(shè)計實驗，根據(jù)光呼吸的條件和表現(xiàn)來設(shè)計實驗。

在適宜條件下先測定光照時吸收CO2速率，一段時間后對植物進行遮光（完全黑暗）處理，遮光后每10秒測定一次CO2釋放速率，直到CO2釋放速率不變。如圖所示：

（4）題干信息顯示：光呼吸對植物體的重要意義表現(xiàn)在：光呼吸對植物有保護作用（如減少自由基產(chǎn)生、減少乙醇酸對細胞有毒害作用等）：光呼吸過程產(chǎn)生的甘氨酸和絲氨酸也可為蛋白質(zhì)合成提供部分原料；光呼吸過程產(chǎn)生的CO2保持CO2缺少時卡爾文循環(huán)的運轉(zhuǎn)等。