IB 生物/細胞呼吸和光合作用
說明氧化涉及元素失去電子，而還原涉及電子獲得，氧化通常涉及獲得氧氣或失去氫，而還原涉及失去氧氣或獲得氫。
Oxidation is loss. Reduction is gain. To remember this, there is the acronym OILRIG.
你也可以想“LEO 獅子說 GER”（失去電子：氧化；獲得電子：還原）
概述糖酵解過程，包括磷酸化、裂解、氧化和 ATP 生成。
糖酵解是一個十步過程
1. 葡萄糖被己糖激酶磷酸化為葡萄糖-6-磷酸，在此過程中將一個 ATP 轉化為 ADP。
2. 葡萄糖-6-磷酸被磷酸葡萄糖異構酶轉化為果糖-6-磷酸。
3. 果糖-6-磷酸被磷酸果糖激酶磷酸化為果糖-1,6-二磷酸，在此過程中將一個 ATP 轉化為 ADP。
4. 果糖-1,6-二磷酸被醛縮酶裂解為二羥丙酮磷酸 (DHAP) 和 3-磷酸甘油醛 (PGAl)。
5. 異構酶迅速將 DHAP 轉化為第二個 PGAl 分子。
6. 兩個 PGAl 分子被 2 個 NAD+ 分子氧化，產生 2 個 NADH + H+。氧化還原反應為磷酸甘油醛脫氫酶將磷酸基團連線到每個 PGAl 提供能量，生成兩個 1,3-二磷酸甘油酸 (BPG) 分子。
7. 兩個 BPG 分子在磷酸甘油酸激酶 (底物水平磷酸化) 的幫助下用於磷酸化兩個 ADP 分子，產生 2 個 ATP 和兩個 3-磷酸甘油酸分子。
8. 兩個 3-磷酸甘油酸分子被磷酸甘油酸變位酶轉移其磷酸基團，生成兩個 2-磷酸甘油酸分子。
9. 兩個 2-磷酸甘油酸分子被烯醇化酶轉化為兩個磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 分子，透過去除水。
10. 兩個 PEP 分子在丙酮酸激酶的幫助下用於磷酸化兩個 ADP 分子，產生 2 個 ATP 和兩個丙酮酸分子。
糖酵解的淨產率為 2 個 ATP（產生 4 個，消耗 2 個）、2 個 NADH + H+ 和兩個丙酮酸分子/葡萄糖。
繪製線粒體在電子顯微鏡下的結構圖。
解釋有氧呼吸，包括丙酮酸的氧化脫羧、三羧酸迴圈、NADH + H+、電子傳遞鏈和氧氣的作用。
有氧呼吸嚴格來說是指細胞呼吸中稱為三羧酸迴圈、電子傳遞鏈和氧化磷酸化的步驟。這些步驟通常在真核細胞中糖酵解完成之後發生。糖酵解的 3 碳終產物丙酮酸是有氧呼吸的起點。丙酮酸首先去除其羧基，產生 CO2 氣體作為廢物。接下來，它被 NAD+ 氧化，形成乙酸鹽（一個 C2 化合物）和 NADH + H+。乙酸鹽與輔酶 A 連線形成乙醯輔酶 A 複合物。乙醯輔酶 A 進入線粒體基質並被輸入三羧酸迴圈。
在三羧酸迴圈的第一步，乙醯輔酶 A 將其乙酸鹽傳遞出去，與上一次迴圈中剩餘的 C4 化合物草醯乙酸結合，形成檸檬酸，一種 C6 化合物。輔酶 A 退出迴圈以迴圈利用。檸檬酸被轉化為異檸檬酸，然後失去一個 CO2，然後被氧化，將 NAD+ 還原為 NADH + H+，並形成 α-酮戊二酸 (C5)。反過來，它又會失去另一個 CO2，被氧化，將 NAD+ 還原為 NADH + H+，然後剩餘的分子與輔酶 A 連線形成琥珀醯輔酶 A。琥珀醯輔酶 A 然後被用來磷酸化 GDP 為 GTP。GTP 然後磷酸化 ADP 為 ATP。剩餘的 C4 化合物琥珀酸再次被氧化，這次將 FAD 還原為 FADH2，並且在新增水後，形成蘋果酸。蘋果酸再次被氧化，將 NAD+ 還原為 NADH + H+，並形成草醯乙酸，這是一種 C4 化合物，開啟了迴圈。三羧酸迴圈總共產生 2 個 CO2、1 個 ATP、3 個 NADH + H+ 和 1 個 FADH2/丙酮酸。NADH + H+ 和 FADH2 繼續參與電子傳遞鏈。
電子傳遞鏈發生線上粒體內膜的磷脂雙層中嵌入的多蛋白複合物中。在電子傳遞鏈中，NADH + H+ 被氧化回 NAD+，將兩個電子傳遞給黃素蛋白，這是複合物中的第一個分子。黃素蛋白然後將電子傳遞給泛醌 (Q)，泛醌將電子傳遞給細胞色素家族中的許多蛋白質中的第一個，這些蛋白質構成了電子傳遞鏈的其餘部分。FADH2 實際上將兩個電子傳遞給 Q（透過一個鐵硫蛋白），而不是黃素蛋白。電子傳遞鏈的最後一步是細胞色素 a3 將電子傳遞給氧氣。因此，氧氣是鏈中電子的最終受體，一旦被還原，它就會迅速吸收兩個氫離子並形成水，這是有氧呼吸的廢物。
有氧呼吸的最後階段是氧化磷酸化，這是電子傳遞鏈實現的。所有被泵入膜間隙的 H+ 離子線上粒體內膜上形成了濃度和電荷梯度。H+ 離子想要擴散回基質。透過化學滲透，H+ 擴散回基質透過專門的通道蛋白提供 ATP 合成酶將 ADP 磷酸化為 ATP 的能量。對於每個擴散回基質的 H+，一個 ADP 被磷酸化為 ATP。
用化學滲透解釋氧化磷酸化。
電子被傳遞給嵌入線粒體基質和內膜/嵴之間膜中的質子泵。泵被還原，使它們有能量將質子泵入膜間隙。電子沿著泵鏈傳遞，不斷損失能量。質子泵在膜間隙中形成高濃度的質子 (H+) 梯度。因此，質子透過 ATP 合成酶 (通道蛋白和酶) 的促進擴散擴散回基質。當質子透過該蛋白質通道時，質子的動能導致 ATP 合成酶分子略微轉動，暴露活性位點，這些活性位點透過將 ADP 與無機磷酸分子結合來產生 ATP。結果是氧化磷酸化產生了 36 個 ATP。
解釋線粒體結構與其功能之間的關係。
線粒體有一個大的內基質，允許三羧酸迴圈發生。在三羧酸迴圈完成之後，線粒體有一個相當小的膜間隙，質子被泵入其中。由於它的尺寸，質子擴散回基質的速度很快，導致 ATP 以更快的速度產生。內膜包含許多電子傳遞鏈的質子泵和 ATP 合成酶，允許產生大量 ATP。膜的結構也防止質子透過膜擴散，迫使它們只通過 ATP 合成酶分子進入基質。
描述乙醯輔酶 A 在碳水化合物和脂肪代謝中的核心作用。
碳水化合物和脂肪代謝都是透過將分子分解成 2 碳結構來完成的。這些結構然後與輔酶 A 連線，形成乙醯輔酶 A，並允許分子透過到線粒體的內基質中以完成三羧酸迴圈和化學滲透。
繪製葉綠體在電子顯微鏡下的結構圖
葉綠體 - 5 皮米
說明光合作用包括光依賴反應和光獨立反應。
光照射到葉綠體類囊體中的天線色素上，該色素位於光合作用系統2中。類囊體中的葉綠素色素吸收光能，使電子躍遷到更高的能級。能量沿著天線色素傳遞，直到到達P680分子。能量激發P680分子上的電子，該電子被轉移到反應中心和電子傳遞鏈。為了補充失去的電子，從水的分解（光解）中獲取一個電子，同時產生O2作為副產物。當電子沿著傳遞鏈移動時，它會釋放能量給蛋白質泵，使泵將質子泵入類囊體空間。然後這些質子透過ATP合酶的質子通道擴散出類囊體，產生ATP。能量較低的電子可以透過從光合作用系統1獲取光能而被光合作用系統2迴圈利用。電子從光合作用系統1獲得的能量重新獲得能量，並將該能量傳遞給P700葉綠素分子，該分子將一個高能電子傳遞給另一個電子傳遞鏈。然而，它不是利用電子中的能量來泵送質子，而是可以利用能量和酶活性將2個電子與NADP結合，形成NADPH+H+。然而，如果植物需要更多的ATP，來自光合作用系統1的電子可以返回光合作用系統2，用於磷酸化。這個過程被稱為迴圈光合磷酸化。
解釋化學滲透作用中的光合磷酸化。
光合磷酸化的過程是利用光能並將光能轉化為ATP分子磷酸鍵中的化學能。光照射到葉綠體類囊體中的天線色素上，該色素位於光合作用系統2中。類囊體中的葉綠素色素吸收光能，使電子躍遷到更高的能級。能量沿著天線色素傳遞，直到到達P680分子。能量激發P680分子上的電子，該電子被轉移到反應中心和電子傳遞鏈。為了補充失去的電子，從水的分解（光解）中獲取一個電子，同時產生O2作為副產物。當電子沿著傳遞鏈移動時，它會釋放能量給蛋白質泵，使泵將質子泵入類囊體空間。然後這些質子透過ATP合酶的質子通道擴散出類囊體，產生ATP。
解釋光合作用的暗反應。
光合作用的暗反應發生在卡爾文迴圈中，它利用光反應中產生的ATP和電子載體將二氧化碳轉化為糖。從周圍環境中獲得的3個二氧化碳分子與3個核酮糖二磷酸（RuBP）（C5）在Rubisco酶的作用下結合，形成磷酸甘油酸（P-C-C-C-P）（PGal）。消耗1個ATP分子，氧化一個電子載體（NADPH+H+ -> NADP+），並在分子中新增一個無機磷酸鹽分子，最終形成6個三磷酸甘油醛（G3P）。1個G3P被儲存，而其他的被利用另一個ATP分子轉化回RuBP，以便迴圈利用。
解釋葉綠體結構與其功能之間的關係。
葉綠體包含類囊體，類囊體膜中嵌入光合色素，這些色素以簇狀排列，吸收光並將光能轉化為化學能。葉綠體在基質中有很大的空間，而在類囊體內部有很小的空間，這有助於ATP的合成。類囊體提供了一個封閉的空間，質子可以被泵入其中，並被迫透過ATP合酶通道蛋白擴散，從而更快地產生ATP。類囊體緊緊地排列在一起，這意味著照射到葉綠體的光會引起多個光反應同時發生，從而增加能量並最終增加產生的糖。
繪製光合作用的光譜。
解釋綠色植物中光合色素的光譜與吸收光譜之間的關係。
可見光譜（400-700奈米）被植物用於光合作用。如果植物是綠色的，那麼它會反射綠色的光波長，而吸收紅色、橙色、部分黃色、藍色、靛藍色和紫色的光波長。這意味著綠色植物中光合色素的吸收光譜在低波長和高波長光中都很高，但在中間波長光（綠色）中則很低，因為這些光被光合色素反射而不是吸收。
解釋限制因素的概念，並參考光強度、溫度和二氧化碳濃度。
隨著光強度、溫度和二氧化碳濃度的增加，光合作用速率也會增加。然而，這種看似線性的關係存在限制。如果溫度過高，光合作用速率會下降，因為用於糖類生產的酶會被變性。增加光強度和二氧化碳濃度也會受到限制，因為植物在任何時候都只能產生一定量的糖，這意味著沒有無限量的蛋白質泵、酶和類囊體來進行光合作用，以應對高水平的二氧化碳和光照。
要點
- 光合作用隨著光的增加而增加
- 在特定光強度後，光合作用達到平臺期
- 光合作用隨著溫度的增加而增加
- 存在最佳溫度
- 過高的溫度會使葉綠體變性/融化，減緩光合作用
- 光合作用隨著CO2的增加而增加
- 光合作用對CO2[]存在最大速率
描述三種測量光合作用速率的方法。
- 測量氧氣產生的速率
- 由於氧氣是光合作用的產物，可以透過測量氧氣來測量光合作用速率，方法有：
- 計算水中釋放的氣泡數量
- 測量釋放到量筒中的氧氣體積
- 測量CO2吸收速率
- 由於二氧化碳是反應物，在給定時間內使用的二氧化碳量將表明發生的光合作用量
- 為此，可以使用CO2探針來檢測當前的CO2並計算差異
- 測量生物量的變化