【高三生物专题复习纲要】专题2 绿色植物的新陈代谢
一、热点知识精要点拨
1．酶的概念和特性
(1)概念要点：活细胞产生，具有催化能力，有机物
(2)特性：从作用对象看→专一性
从作用效率看→高效性
从作用条件看→适宜的PH、温度等
(3)作用场所：细胞内、也可细胞外，酶的实验探究
2．水分与矿质代谢的过程和原理如何?
(1)吸收水分的两种方式
＊吸胀吸水的条件、原理是什么?
＊渗透吸水的条件、原理是什么?
＊发生质壁分离和复原现象的原理是什么?
(2)水分运输的途径和动力
＊相邻细胞间的水分转移方向如何确定?
＊沿导管的长途运输动力何来?
(3)水在植物体内的存在方式和作用
(4)水分的散失途径
(5)植物的矿质营养
＊矿质元素、大量与微量元素、必需元素、可再利用与不可再利用元素，分别指什么?
＊怎样证明某种元素是否必需?
＊可再利用与不可再利用元素的缺乏症有何不同表现，为什么？
＊植物吸收矿质元素的形式和原理是什么?
3．植物光合作用的基本过程和意义是什么?
(1)光合作用的基本过程和条件
＊光合作用的发现有何主要事实?
＊光合作用的总反应式怎样写?
＊光合作用与呼吸作用的关系如何?
＊怎样证明光合作用释放的氧全部来自反应物中的水?
＊为什么说光合作用合成的有机物不只是糖类?
＊叶绿体为光合作用提供了哪些条件?
＊光反应与暗反应各需什么条件、二者是什么关系?
＊假如实验中突然中断光照，叶绿体中的C3、C5的水平会随之发生什么变化?若突然中止CO2的供应，又会怎样?
＊如果以14CO2为原料，14C会最先出现在光合作用的哪种中间产物中?
＊需要哪些证据才能说明光合作用的全部反应都在叶绿体中进行?
＊怎样分析叶绿体色素的种类、分布和光吸收特性?(简要说明原理)
(2)光合作用对植物体自身、对人类、对整个自然生态系统的意义(概述)
4．光合作用的能量转换是如何进行的?
基本过程分3个阶段
反应阶段①原初反应
②电子传递及光合磷酸化
③光合碳同化
能量载体光量子、电子
电子、质子、ATPNADPH
ATP、NADPC5、C3
反应部位 叶绿体类囊体(光反应)
叶绿体基质(暗反应)
原初反应——对光能的吸收、传递和转换的过程。
电子传递及光合磷酸化——伴随电子传递及质子转移生成NADPH，同时偶联了ATP合成(能量暂时储存在NADPH和ATP之中)。
光合碳同化——利用ATP和NADPH将CO2还原成糖(ATP和NADPH中的化学能转储于糖中)。
5．什么是C4植物与C3植物?
＊C3途径：固定CO2的初产物是有机物C3。
＊C4途径：固定CO2的初产物是有机物C4。
(注：E'为C4途径固定CO2的酶；E为C3途径固定CO2的酶。比较与CO2的亲和力，E'比E约高60倍。)
＊比较C4植物与C3植物。
C4植物
C3植物
有C4途径和C3途径
只有C3途径
适应干旱、高温、强光、低CO2环境
对如左环境适应较差
维管束鞘细胞较大，具有很多无基粒的大型叶绿体
维管束鞘细胞无叶绿体
维管束周围叶肉细胞紧密包围维管束鞘细胞，横切面呈花环状
叶肉细胞较疏松，不呈花环状
皆为草本，叶脉发达
木本、草本都有，叶脉较稀
＊下图示意光合作用的强度与空气中CO2的含量的关系。如果此为C4植物特性曲线，那么C3植物相应曲线a、b、m有何不同?
＊观察活动：C4植物与C3植物叶的横切结构等特点。
6．如何提高作物的光合作用效率?
＊两个概念：作物光能利用率、作物光合作用效率。
单位地面积太阳辐射能ES
单位地面积作物光合作用吸收的光能EP
单位地面积作物光合作用积累有机物中的化学能EC
作物光能利用率=，作物光合作用效率=
(1)注意阳生植物与阴生植物的不同适应性
＊光合作用强度与光照强度的关系：
(2)红光和蓝紫光更有利于提高光合作用效率
(3)改善CO2供应有利于提高光合作用效率
＊通常植物处于CO2饥饿状态。
＊农田注意通风、增施农家肥及温室采用CO2施肥，为什么能增产?
＊农田作物夏季晴天“午睡”的主要影响因素是什么?
(4)适当增大昼夜温差有利于提高光合作用效率
(5)注意满足必需矿质元素的供应，特别是N、P、K、Mg的需求
二、疑点难点比较思辨
1．酶、激素、维生素的比较
(1)从来源上看：酶是活细胞产生的蛋白质；激素是由专门的内分泌腺或具有内分泌功能的细胞分泌的活性物质；维生素在动物体内一般不能合成或合成很少(大肠可合成少量的维生素)，主要从食物中摄取。
(2)从特性上看：都是高效能物质。酶的催化效率很高；激素、维生素含量少，作用大。
(3)从化学结构上看：酶多数是蛋白质类化合物(少数为RNA)；激素种类很多，有的是固醇类，有的是多肽或蛋白质，有的是氨基酸或脂肪酸类的衍生物；维生素种类也很多，有脂肪族、芳香族、杂环化合物，是可溶于水或溶于脂类的小分子有机物。
(4)从生理功能上看：酶起催化化学反应的作用，大部分在细胞内，少数在细胞外(如消化酶)起作用；激素起调节作用；维生素多是酶的辅助因子的组成成分。
2．生物体内的能源物质总结
(1)细胞中重要的能源物质——葡萄糖。
(2)植物细胞中储存能量的物质——淀粉。
(3)动物细胞中储存能量的物质——肝糖元、肌糖元。
(4)生物体内储存能量的物质——脂肪。
(5)生物体进行生命活动的主要能源物质——糖类。
(6)生物体进行各项生命活动的直接能源物质——ATP。
(7)生物体进行各项生命活动的最终能源——光能。
3．关于ATP的两个认识问题
(1)生物的所有生理活动并不都是靠ATP直接供能的。
我们知道，从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、转移和利用都是以ATP为中心的，ATP可以把分解代谢的放能反应与合成代谢的储能反应偶联在一起，许多生理活动所需要的能量都与ATP有关。例如，原生质的流动，肌肉的收缩，电鳗放出的电能，萤火虫发出的光能，以及动植物分泌、吸收的渗透能，细胞核内推动DNA复制的能量都直接来自于ATP，但这并不是说所有生命活动所需要的能量都要靠ATP直接供能。例如，多糖的合成代谢中用到的是尿苷三磷酸(UTP)，在磷脂的合成中要用到胞苷三磷酸(CTP)，而在蛋白质的合成中用到的却是鸟苷三磷酸(GTP)。因此认为“生物的所有生理活动都是靠ATP直接供能”是错误的。
(2)“ATPADP+Pi+能量”这个反应是可逆的吗?
从能量的来源看：当反应由左向右进行时，为能量的利用过程，即ATP水解时释放的能量，可直接供给生命活动的需要。而当反应由右向左进行时，为能量的转移过程，所需要的能量对于动物和人说，来自细胞内的呼吸作用分解糖类等有机物释放的能量；而对于绿色植物来说，ADP转化成ATP时所需要的能量，除了来自呼吸作用以外，还来自光合作用吸收的太阳能转变而来的。因此反应中的能量来源是不同的。
从反应所需酶的种类看：
ATP分解是一种水解反应，所需酶应为水解酶，而ATP的形成是一种合成反应，催化该反应的酶应属合成酶。所以，其转化式应写成：ATPADP+Pi+能量。
从反应的场所看：
ATP的合成与分解的场所是不同的。例如，能合成ATP的场所主要有细胞质基质、线粒体和叶绿体。而分解的场所是较多的，一般情况下，哪里的生理活动需要供能，哪里就会有ATP的水解。因此我们认为ATP的合成与分解反应并不是同时进行的，所以我们解释这个问题时，可解释为物质是循环的，才会使ATP不会因消耗而枯竭，而能量是不循环的，主要依靠呼吸作用分解有机物等生理活动源源不断地供给，只有这样才能保证生命活动顺利进行。
4．超分子、高分子、低分子、大分子、小分子
高分子与低分子的最根本区别是相对分子质量的大小。高分子，是指以共价键结合而形成的相对分子质量很高的化合物。它的相对分子质量一般在104～106之间，习惯上将相对分子质量高于10000的分子，称为高分子。而普通化合物的相对分子质量一般不超过3000，通常称它们为低分子化合物。比如，血红蛋白、淀粉、纤维素、核酸属于高分子，而蔗糖、硬脂酸甘油脂为低分子。但高分子与低分子的相对分子质量并没有十分明确的界限。比如，胰岛素的相对分子质量虽小于10000，但乃属于高分子。
大分子与小分子的区别主要在于此分子是否能透过半透膜。能透过半透膜的分子为小分子，不能透过半透膜的分子为大分子。能透过半透膜的物质的直径一般小于10－9m，不能透过半透膜的物质的直径一般大于10－9m。比如，淀粉、蔗糖其直径都大于10－9m，故为大分子；葡萄糖其直径小于10－9m，故为小分子。
超分子是指各种生物高分子彼此结合形成的复合物。比如，脂类和蛋白质结合成脂蛋白，它是构成各种生物膜的超分子；核酸和蛋白质组成核蛋白，它是构成染色体及核糖体的超分子。
大分子可以是高分子，也可以是低分子。比如，淀粉是大分子，又是高分子；蔗糖是大分子，又是低分子。小分子可以是高分子，也可以是低分子。比如，鱼精蛋白是小分子，又是高分子；葡萄糖是小分子，又是低分子。
5．渗透和渗透压的概念
渗透是半透膜隔开的有浓度差别的溶液，其溶剂由低浓度溶液透入高浓度溶液的现象。渗透之所以能够发生，是因为溶液中的溶质对溶剂具有吸引力。渗透作用发生时，在高浓度溶液上所加的恰好能够阻止溶剂进入该溶液的机械压强就是渗透压。溶液愈浓，溶液的渗透压愈大。一般盐生植物、旱生植物细胞内的渗透压较高，水生植物的渗透压较低。
渗透压的形成原因和大小可用水分子浓度改变的概念来理解。当水被半透膜分隔开时，由于半透膜两侧水分子浓度相等，因此两侧彼此之间是相互对等性移动。如果在一侧加入溶质微粒，或两侧均有溶质微粒但有一侧较多，同时半透膜对该微粒不通透，则两侧水分子浓度出现不等(微粒较少侧可认为溶液被稀释)，从而两侧水分子呈不对等移动，水从微粒较少侧移向较多侧。随后较多侧静水压增高。直到升高的压力差可以抗衡因水分子浓度下降导致水移动的压力，该升高的静水压即为两侧渗透压之差。如果从溶质浓度来理解，则渗透压是溶液中溶质微粒对水的吸引力。
6．光合色素的几个问题
(1)光合色素的分类
叶绿体是进行光合作用的细胞器，叶绿体中的光合色素主要有叶绿素和类胡萝卜素两类，高等植物和绿藻的叶绿素分为叶绿素a和叶绿素b两种，类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素两种。光合细菌(红硫菌和绿硫菌)依赖细菌叶绿素进行光合作用，但光合作用过程中不放出氧气；而蓝藻是依赖叶绿素和藻胆素进行光合作用，可以放出氧气。
(2)光合色素的物理性质
叶绿素和类胡萝卜素均不溶于水，但易溶于酒精、丙酮、四氯化碳、石油醚等有机溶剂。叶绿素a的分子式为C55H72O5N4Mg，呈蓝绿色；叶绿素b的分子式为C55H70O6N4Mg，呈黄绿色。叶绿素吸收光的能力极强，如果把叶绿素的丙酮提取液放在光源与透镜之间，可以看到光谱中有些波长的光被吸收了。因此，在光谱上就出现了黑线或暗带，这种光谱叫做吸收光谱。叶绿素吸收光谱的最强区域有两个：一个是在波长为640nm～660nm的红光部分，另一个在波长为430nm～450nm的蓝紫光部分，对其他光吸收较少，其中对绿光吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。胡萝卜素的分子式为C40H56，颜色是橙黄色；叶黄素的分子式是C40H56O2，颜色为黄色；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
(3)光合色素与叶片的颜色
植物叶子呈现的颜色是叶片中各种色素的综合表现。其中主要是绿色的叶绿素和黄色的类胡萝卜素之间的比例。一般来说，正常的叶子中，叶绿素和类胡萝卜素的分子比例约为4：1，叶绿素a和叶绿素b的比例约为3：1，叶黄素与胡萝卜素之比约为2：1，由于绿色的叶绿素比黄色的类胡萝卜素多，所以正常的叶片总是绿色的。在叶片结构中，紧靠上表皮的栅栏组织比接近下表皮的海绵组织含有叶绿体多，所以叶片的上表面比下表面颜色要深。
阳生植物叶片中叶绿素a和叶绿素b的比值较大，叶片一般小而厚、颜色深。阴生植物叶片中叶绿素a和叶绿素b的比值较小，即含有叶绿素b较多，叶片一般大而薄、颜色浅，能最大效率地吸收光能。
(4)光合色素的荧光现象
我们在做叶绿素的提取和分离实验时，还会看到一种现象：试管中的叶绿素的丙酮提取液在透射光下是翠绿色的。而在反射光下是棕红色的(叶绿素a为血红色，叶绿素b为棕红色)，这是叶绿素的荧光现象，因为叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部的振动上，辐射出的能量就小，根据波长与光子能量成反比的规律，反射光(红光)的波长比入射光的波长要长一些。
(5)光合色素的作用
光合色素的主要作用是在光反应中吸收、传递和转换光能，并因功能的不同而分成两类：作用中心色素和聚光色素。作用中心色素是指少数处于特殊状态的叶绿素a的二聚体，它既能吸收光能又能把光能转换为电能；聚光色素是指大部分的叶绿素a和全部的叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素等，它们只能吸收光能。聚光色素吸收光能后，成为激发状态，然后将能量不可逆地传递给作用中心色素，作用中心色素就产生电荷分离，释放出高能电子，于是光能就转换成了电能。而作用中心色素空缺的电子则由水光解后释放的电子补充。
类胡萝卜素除了可以吸收光能，并将能量传递给作用中心色素之外，还具有保护叶绿体，防止强烈光照伤害叶绿素的功能。
(6)叶绿素的生物合成
影响植物体内叶绿素合成的因素主要有：光、温度、矿质元素和水等。
光是影响叶绿素形成的主要条件，一般在黑暗中生长都不能合成叶绿素，叶片发黄。例如根不见光部位不能合成叶绿素，故根为无色的。
叶绿素的生物合成过程，绝大部分都有酶的参与。一般来说，叶绿素形成的最低温度是2℃～4℃，最适宜的温度在30℃左右，最高温度为40℃，秋天叶片变黄和早春寒潮过后水稻变白等现象，都与低温抑制叶绿素的形成有关。植物缺N、Mg、Fe、Mn、Cu或Zn等元素时，就不能形成叶绿素，呈缺绿病。N、Mg都是组成叶绿素的元素，不可缺少。Fe、Mn、Cu、Zn等可能是叶绿素形成过程中某些酶的活化剂，在叶绿素形成过程中起到间接作用。叶绿素的形成与水有密切的关系，在缺水的情况下，叶绿素的形成减少，而分解加快。
(7)叶绿素的分解
叶绿素分子在酸性条件下容易受到破坏，在做叶绿体中色素的提取和分离实验时，要加入少量的碳酸钙，就是为了中和提取液中的叶酸等酸性物质，防止叶绿素被破坏。秋天，因低温、紫外线强烈等外界因素和叶片自身衰老，营养不足等内部因素，植物体内的叶绿素合成速度低于分解的速度，叶绿素含量相对减少，而类胡萝卜素分子比较稳定，不易破坏。所以叶片逐渐呈现类胡萝卜素的颜色——黄色。至于红叶，是因为降温，体内积累较多的糖分以适应寒冷，体内的可溶性糖多了，就形成了较多的花青素，同时秋天叶片内的pH改变，叶片内部呈现酸性，使花青素表现出红色。
为什么常绿植物的叶绿素在秋天不被分解呢?那是因为常绿植物的叶绿体受低温影响较小，主要是由于植物在以下几个方面保护：逆境适应性强、膜结构稳定、伤害性的自由基被清除等。
(8)光合色素与三种质体的关系
质体只存在于植物细胞中，共有三种：白色体、有色体和叶绿体。三种质体之间是可以相互转化的，引起它们之间相互转化的因素有：植物体内的生理因素如衰老等；也有非生物因素的影响，如温度和光照。当然其中最主要的因素是光照，如豆芽菜的培育过程是在无光的条件下进行的，如果豆芽菜见光，就会发绿，白色体就转变成为叶绿体了。控制合成叶绿素的基因存在于叶绿体中的DNA上，这种基因是否表达受光照的影响，这说明基因的表达受到环境因素的影响。下表列出色素种类与三种质体之间的关系。
种类
含有色素
分布
实例
白色体
无
不见光部位
根、茎的深层组织
有色体
类胡萝卜素或叶绿素外的其他色素
花瓣、果实中
番茄、辣椒等的红色
叶绿体
叶绿素和类胡萝卜素等
见光部位
叶肉细胞、幼茎
7．如何提高农作物的光能利用率
要提高光能利用率，主要是通过延长光合作用时间、增加光合作用面积和提高光合作用效率等途径。
(1)延长光合作用时间
延长光合作用时间就是最大限度地利用光照时间，提高光能利用率。措施有：
提高复种指数：复种指数就是全年内农作物的收获面积与耕地面积之比。提高复种指数就是增加收获面积，延长单位土地面积上农作物的光合时间。如将一年一熟制改为一年两熟制，两熟制改为三熟制，使复种指数不断提高。也可以通过轮、间、套种，在一年内巧妙地搭配各种作物，从时间上和空间上更好地利用光能，缩短田地空闲时间，增加光能的利用率。
延长生育期：在不影响耕作制度的前提下，适当延长作物的生育期。例如，前期要求早生快发，较早就有较大的光合作用面积；后期要求叶片不早衰。这样，就可延长光合作用时间。当然，延长叶片寿命要注意不能造成贪青，因为贪青徒长，光合作用产物多用于形成营养器官，反而造成减产。
补充人工光照：在小面积的栽培中，当阳光不足或日照时间过短时，还可利用人工补充光照。
(2)增加光合作用面积
光合作用面积即植物的绿色面积，主要是指叶面积。它对作物产量影响最大，但又是最容易控制的一个条件。应注意的是：叶面积过大，会影响群体中的通风透光，所以，光合作用面积要适当。
合理密植：合理密植是提高光能利用率的主要措施之一，因为它能够使群体得到最好的发展，有较合适的光合面积，充分利用日光能和地力。种得过稀，个体发展较好，但群体得不到充分发展，光能利用率低。种得过密，下层叶子受到光照少，变成消费器官，光合生产效率减弱，也会造成减产。
改变株型：高产新品种(如水稻、小麦、玉米)株型都具有共同的特征，即秆矮，叶直、小而厚，分蘖密集。改善株型就能增加密植程度，增大光合面积，耐旱抗倒伏，使光能利用充分，从而提高光能利用率。
(3)提高光合作用效率
阳光、温度、水分、矿质元素和CO2等都可以影响绿叶单位面积的光合作用效率。C4植物利用CO2效率较高，光合作用效率也高。分析见下表。
因素
对光合作用的影响
在生产上的应用
光照
光照时间的长短、光质、光照强度的高低都可以影响光合作用速率。①光照时间：光照时间越长，产生的光合产物越多；②光质：色素吸收可见太阳光中的红光和蓝紫光最多，吸收绿光最少；③光照强度：在一定光照强度范围内，增加光照强度可提高光合作用速率
①适当提高光照强度；②延长光合作用时间——轮作；③增加光合作用面积——合理密植；④温室用无色透明的玻璃作顶棚
温度
温度是通过影响光合作用中酶的效率来影响光合作用速率的。一般植物以10℃～35℃为最适温度，35℃以上时光合作用速率开始下降，40℃～50℃即停止。高温：一方面破坏叶绿体和细胞质的结构，并使叶绿体酶钝化；另一方面，在高温时，呼吸速率大于光合速率；低温时，酶促反应下降，限制了光合作用的进行
①适时播种；②温室栽培植物时，白天适当提高温度，晚上适当降低温度
CO2浓度
CO2是光合作用的原料，原料增加，产物必然增加。大气中的CO2浓度是0.03％，如果浓度提高到0.1％，产量可提高1倍左右；当浓度提高到一定程度后，产量不再提高；如果CO2浓度降低到0.005％，就会出现午休现象(夏日中午)
①施用有机肥；②温室栽培植物时，可以适当提高室内CO2浓度
水分
水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质；另外，水分还能影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物体，所以，水对光合作用的影响很大
①预防干旱；②及时灌溉
矿质元素
矿质元素是光合作用的产物——葡萄糖进一步合成许多有机物时所必需的物质，如缺少N，就会影响蛋白质的生物合成；缺少P就会影响ATP的合成；缺少Mg就会影响叶绿素的合成，而这些物质又进一步影响光合作用
合理施肥
8．光合作用的产物究竟是什么?
在过去相当长的时间内，一直认为糖类是光合作用的惟一产物，但在采用14CO2饲喂小球藻，照光后，发现在未形成糖类之前，14C已参与到氨基酸(如甘氨酸、丝氨酸等)和有机酸(如丙酮酸、苹果酸、乙醇酸等)中。当以14C醋酸饲喂离体叶绿体，照光后，又发现14C很快参与到叶绿体中的某些脂肪酸(棕榈酸、亚油酸)中。由此可见，氨基酸、脂肪酸和有机酸也都是光合作用的直接产物。
不同植物的光合直接产物的种类和数量是有差别的。大多数高等植物的光合产物是淀粉，如棉花、烟草、大豆等。而洋葱、大蒜等植物的光合产物是葡萄糖和果糖，不形成淀粉。茶树体内的有机物质，如糖、脂肪、蛋白质、核酸、游离氨基酸、茶多酚、咖啡碱等，都是光合作用的产物和衍生物。植物的生育期和环境条件也影响光合产物的形成。一般成龄叶片主要形成糖类，幼龄叶片除糖类之外，还形成较多的蛋白质。强光和高浓度CO2有利于蔗糖和淀粉的形成，而弱光则有利于谷氨酸、天冬氨酸和蛋白质的形成。
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