IB 生物學/光合作用
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非依賴反應。
光照射在葉綠體內類囊體上的天線色素上。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，直到到達一個P680分子。能量激發P680分子上的一個電子，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，從水的光解中獲取一個電子，產生O2作為副產物。隨著電子沿著鏈傳遞，它向蛋白質泵提供能量，導致蛋白質泵將質子泵入類囊體空間。然後這些質子透過ATP合酶質子通道從類囊體中擴散出來，產生ATP。低能電子可以透過從光系統1接收光能而被迴圈利用到光系統2。電子從光系統1獲得的能量再次被激發，並將能量傳遞給一個P700葉綠素分子，P700葉綠素分子將一個高能電子傳遞到另一個電子傳遞鏈。然而，它不是利用電子能量來泵質子，而是可以使用能量和酶活性將2個電子與NADP結合，產生NADPH + H+。然而，如果植物需要更多的ATP，來自光系統1的電子可以返回到光系統2，用於磷酸化。這個過程被稱為迴圈光磷酸化。
解釋光合作用的化學滲透機理。
光合作用中的光磷酸化過程利用光能並將光能轉化為ATP分子中磷酸鍵中的化學能。光照射在葉綠體內類囊體上的天線色素上。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，直到到達一個P680分子。能量激發P680分子上的一個電子，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，從水的光解中獲取一個電子，產生O2作為副產物。隨著電子沿著鏈傳遞，它向蛋白質泵提供能量，導致蛋白質泵將質子泵入類囊體空間。然後這些質子透過ATP合酶質子通道從類囊體中擴散出來，產生ATP。
解釋光非依賴反應。
光合作用的光非依賴反應發生在卡爾文迴圈中，利用光依賴反應中產生的ATP和電子載體將二氧化碳轉化為糖類。從周圍大氣中獲得的3個二氧化碳分子與3個核酮糖二磷酸（RuBP）（C5）結合，在Rubisco酶的作用下生成磷酸甘油酸（P-C-C-C-P）（PGal）。消耗1個ATP分子，氧化1個電子載體（NADPH + H+ -> NADP+），並將一個無機磷酸分子新增到分子中，從而產生6個三磷酸甘油醛（G3P）。1個G3P被儲存，而其他G3P則使用另一個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，類囊體膜上嵌入了光合色素，這些色素以簇狀形式吸收光並將其轉化為化學能。葉綠體在基質中有一個大的空間，在類囊體內部有一個小的空間，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，並且被迫透過ATP合酶通道蛋白擴散，從而以更快的速度產生ATP。類囊體緊密地排列在一起，這意味著照射在葉綠體上的光會導致多個光依賴反應同時發生，從而增加能量，最終增加糖類的生成。
繪製光合作用的動作光譜圖。
解釋光合作用的動作光譜與綠色植物光合色素的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，並吸收紅色、橙色、一些黃色、藍色、靛藍色和紫色的光波長。這意味著綠色植物光合色素的吸收光譜在低波長和高波長的光上較高，但在中等波長的光（綠色）上較低，這些光被光合色素反射而不是被吸收。
解釋限制因素的概念，並參考光照強度、溫度和二氧化碳濃度。
隨著光照強度、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著限制。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。增加光照強度和二氧化碳濃度也會有限制，因為植物在任何時候只能產生一定量的糖類，這意味著蛋白質泵、酶和類囊體並沒有無限的供應，無法在高濃度的二氧化碳和光照條件下進行光合作用。
要點
- 光合作用隨著光照強度的增加而增加
- 光合作用在特定的光照強度後達到平臺期
- 光合作用隨著溫度的增加而增加
- 存在一個最佳溫度
- 過高的溫度會使葉綠體變性/熔化，降低光合作用
- 光合作用隨著CO2濃度的增加而增加
- 光合作用速率對CO2濃度存在一個最大值
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，因此可以透過測量氧氣來測量光合作用速率，方法如下
- 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，因此在一定時間內使用的二氧化碳量將表明光合作用的活性
- 為此，使用CO2探頭檢測當前CO2濃度，並計算差值
- 測量生物量的變化