IB 生物/细胞呼吸和光合作用
说明氧化涉及元素失去电子，而还原涉及电子获得，氧化通常涉及获得氧气或失去氢，而还原涉及失去氧气或获得氢。
Oxidation is loss. Reduction is gain. To remember this, there is the acronym OILRIG.
你也可以想“LEO 狮子说 GER”（失去电子：氧化；获得电子：还原）
概述糖酵解过程，包括磷酸化、裂解、氧化和 ATP 生成。
糖酵解是一个十步过程
1. 葡萄糖被己糖激酶磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，在此过程中将一个 ATP 转化为 ADP。
2. 葡萄糖-6-磷酸被磷酸葡萄糖异构酶转化为果糖-6-磷酸。
3. 果糖-6-磷酸被磷酸果糖激酶磷酸化为果糖-1,6-二磷酸，在此过程中将一个 ATP 转化为 ADP。
4. 果糖-1,6-二磷酸被醛缩酶裂解为二羟丙酮磷酸 (DHAP) 和 3-磷酸甘油醛 (PGAl)。
5. 异构酶迅速将 DHAP 转化为第二个 PGAl 分子。
6. 两个 PGAl 分子被 2 个 NAD+ 分子氧化，产生 2 个 NADH + H+。氧化还原反应为磷酸甘油醛脱氢酶将磷酸基团连接到每个 PGAl 提供能量，生成两个 1,3-二磷酸甘油酸 (BPG) 分子。
7. 两个 BPG 分子在磷酸甘油酸激酶 (底物水平磷酸化) 的帮助下用于磷酸化两个 ADP 分子，产生 2 个 ATP 和两个 3-磷酸甘油酸分子。
8. 两个 3-磷酸甘油酸分子被磷酸甘油酸变位酶转移其磷酸基团，生成两个 2-磷酸甘油酸分子。
9. 两个 2-磷酸甘油酸分子被烯醇化酶转化为两个磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 分子，通过去除水。
10. 两个 PEP 分子在丙酮酸激酶的帮助下用于磷酸化两个 ADP 分子，产生 2 个 ATP 和两个丙酮酸分子。
糖酵解的净产率为 2 个 ATP（产生 4 个，消耗 2 个）、2 个 NADH + H+ 和两个丙酮酸分子/葡萄糖。
绘制线粒体在电子显微镜下的结构图。
解释有氧呼吸，包括丙酮酸的氧化脱羧、三羧酸循环、NADH + H+、电子传递链和氧气的作用。
有氧呼吸严格来说是指细胞呼吸中称为三羧酸循环、电子传递链和氧化磷酸化的步骤。这些步骤通常在真核细胞中糖酵解完成之后发生。糖酵解的 3 碳终产物丙酮酸是有氧呼吸的起点。丙酮酸首先去除其羧基，产生 CO2 气体作为废物。接下来，它被 NAD+ 氧化，形成乙酸盐（一个 C2 化合物）和 NADH + H+。乙酸盐与辅酶 A 连接形成乙酰辅酶 A 复合物。乙酰辅酶 A 进入线粒体基质并被输入三羧酸循环。
在三羧酸循环的第一步，乙酰辅酶 A 将其乙酸盐传递出去，与上一次循环中剩余的 C4 化合物草酰乙酸结合，形成柠檬酸，一种 C6 化合物。辅酶 A 退出循环以循环利用。柠檬酸被转化为异柠檬酸，然后失去一个 CO2，然后被氧化，将 NAD+ 还原为 NADH + H+，并形成 α-酮戊二酸 (C5)。反过来，它又会失去另一个 CO2，被氧化，将 NAD+ 还原为 NADH + H+，然后剩余的分子与辅酶 A 连接形成琥珀酰辅酶 A。琥珀酰辅酶 A 然后被用来磷酸化 GDP 为 GTP。GTP 然后磷酸化 ADP 为 ATP。剩余的 C4 化合物琥珀酸再次被氧化，这次将 FAD 还原为 FADH2，并且在添加水后，形成苹果酸。苹果酸再次被氧化，将 NAD+ 还原为 NADH + H+，并形成草酰乙酸，这是一种 C4 化合物，开启了循环。三羧酸循环总共产生 2 个 CO2、1 个 ATP、3 个 NADH + H+ 和 1 个 FADH2/丙酮酸。NADH + H+ 和 FADH2 继续参与电子传递链。
电子传递链发生在线粒体内膜的磷脂双层中嵌入的多蛋白复合物中。在电子传递链中，NADH + H+ 被氧化回 NAD+，将两个电子传递给黄素蛋白，这是复合物中的第一个分子。黄素蛋白然后将电子传递给泛醌 (Q)，泛醌将电子传递给细胞色素家族中的许多蛋白质中的第一个，这些蛋白质构成了电子传递链的其余部分。FADH2 实际上将两个电子传递给 Q（通过一个铁硫蛋白），而不是黄素蛋白。电子传递链的最后一步是细胞色素 a3 将电子传递给氧气。因此，氧气是链中电子的最终受体，一旦被还原，它就会迅速吸收两个氢离子并形成水，这是有氧呼吸的废物。
有氧呼吸的最后阶段是氧化磷酸化，这是电子传递链实现的。所有被泵入膜间隙的 H+ 离子在线粒体内膜上形成了浓度和电荷梯度。H+ 离子想要扩散回基质。通过化学渗透，H+ 扩散回基质通过专门的通道蛋白提供 ATP 合成酶将 ADP 磷酸化为 ATP 的能量。对于每个扩散回基质的 H+，一个 ADP 被磷酸化为 ATP。
用化学渗透解释氧化磷酸化。
电子被传递给嵌入线粒体基质和内膜/嵴之间膜中的质子泵。泵被还原，使它们有能量将质子泵入膜间隙。电子沿着泵链传递，不断损失能量。质子泵在膜间隙中形成高浓度的质子 (H+) 梯度。因此，质子通过 ATP 合成酶 (通道蛋白和酶) 的促进扩散扩散回基质。当质子通过该蛋白质通道时，质子的动能导致 ATP 合成酶分子略微转动，暴露活性位点，这些活性位点通过将 ADP 与无机磷酸分子结合来产生 ATP。结果是氧化磷酸化产生了 36 个 ATP。
解释线粒体结构与其功能之间的关系。
线粒体有一个大的内基质，允许三羧酸循环发生。在三羧酸循环完成之后，线粒体有一个相当小的膜间隙，质子被泵入其中。由于它的尺寸，质子扩散回基质的速度很快，导致 ATP 以更快的速度产生。内膜包含许多电子传递链的质子泵和 ATP 合成酶，允许产生大量 ATP。膜的结构也防止质子通过膜扩散，迫使它们只通过 ATP 合成酶分子进入基质。
描述乙酰辅酶 A 在碳水化合物和脂肪代谢中的核心作用。
碳水化合物和脂肪代谢都是通过将分子分解成 2 碳结构来完成的。这些结构然后与辅酶 A 连接，形成乙酰辅酶 A，并允许分子通过到线粒体的内基质中以完成三羧酸循环和化学渗透。
绘制叶绿体在电子显微镜下的结构图
叶绿体 - 5 皮米
说明光合作用包括光依赖反应和光独立反应。
光照射到叶绿体类囊体中的天线色素上，该色素位于光合作用系统2中。类囊体中的叶绿素色素吸收光能，使电子跃迁到更高的能级。能量沿着天线色素传递，直到到达P680分子。能量激发P680分子上的电子，该电子被转移到反应中心和电子传递链。为了补充失去的电子，从水的分解（光解）中获取一个电子，同时产生O2作为副产物。当电子沿着传递链移动时，它会释放能量给蛋白质泵，使泵将质子泵入类囊体空间。然后这些质子通过ATP合酶的质子通道扩散出类囊体，产生ATP。能量较低的电子可以通过从光合作用系统1获取光能而被光合作用系统2循环利用。电子从光合作用系统1获得的能量重新获得能量，并将该能量传递给P700叶绿素分子，该分子将一个高能电子传递给另一个电子传递链。然而，它不是利用电子中的能量来泵送质子，而是可以利用能量和酶活性将2个电子与NADP结合，形成NADPH+H+。然而，如果植物需要更多的ATP，来自光合作用系统1的电子可以返回光合作用系统2，用于磷酸化。这个过程被称为循环光合磷酸化。
解释化学渗透作用中的光合磷酸化。
光合磷酸化的过程是利用光能并将光能转化为ATP分子磷酸键中的化学能。光照射到叶绿体类囊体中的天线色素上，该色素位于光合作用系统2中。类囊体中的叶绿素色素吸收光能，使电子跃迁到更高的能级。能量沿着天线色素传递，直到到达P680分子。能量激发P680分子上的电子，该电子被转移到反应中心和电子传递链。为了补充失去的电子，从水的分解（光解）中获取一个电子，同时产生O2作为副产物。当电子沿着传递链移动时，它会释放能量给蛋白质泵，使泵将质子泵入类囊体空间。然后这些质子通过ATP合酶的质子通道扩散出类囊体，产生ATP。
解释光合作用的暗反应。
光合作用的暗反应发生在卡尔文循环中，它利用光反应中产生的ATP和电子载体将二氧化碳转化为糖。从周围环境中获得的3个二氧化碳分子与3个核酮糖二磷酸（RuBP）（C5）在Rubisco酶的作用下结合，形成磷酸甘油酸（P-C-C-C-P）（PGal）。消耗1个ATP分子，氧化一个电子载体（NADPH+H+ -> NADP+），并在分子中添加一个无机磷酸盐分子，最终形成6个三磷酸甘油醛（G3P）。1个G3P被储存，而其他的被利用另一个ATP分子转化回RuBP，以便循环利用。
解释叶绿体结构与其功能之间的关系。
叶绿体包含类囊体，类囊体膜中嵌入光合色素，这些色素以簇状排列，吸收光并将光能转化为化学能。叶绿体在基质中有很大的空间，而在类囊体内部有很小的空间，这有助于ATP的合成。类囊体提供了一个封闭的空间，质子可以被泵入其中，并被迫通过ATP合酶通道蛋白扩散，从而更快地产生ATP。类囊体紧紧地排列在一起，这意味着照射到叶绿体的光会引起多个光反应同时发生，从而增加能量并最终增加产生的糖。
绘制光合作用的光谱。
解释绿色植物中光合色素的光谱与吸收光谱之间的关系。
可见光谱（400-700纳米）被植物用于光合作用。如果植物是绿色的，那么它会反射绿色的光波长，而吸收红色、橙色、部分黄色、蓝色、靛蓝色和紫色的光波长。这意味着绿色植物中光合色素的吸收光谱在低波长和高波长光中都很高，但在中间波长光（绿色）中则很低，因为这些光被光合色素反射而不是吸收。
解释限制因素的概念，并参考光强度、温度和二氧化碳浓度。
随着光强度、温度和二氧化碳浓度的增加，光合作用速率也会增加。然而，这种看似线性的关系存在限制。如果温度过高，光合作用速率会下降，因为用于糖类生产的酶会被变性。增加光强度和二氧化碳浓度也会受到限制，因为植物在任何时候都只能产生一定量的糖，这意味着没有无限量的蛋白质泵、酶和类囊体来进行光合作用，以应对高水平的二氧化碳和光照。
要点
- 光合作用随着光的增加而增加
- 在特定光强度后，光合作用达到平台期
- 光合作用随着温度的增加而增加
- 存在最佳温度
- 过高的温度会使叶绿体变性/融化，减缓光合作用
- 光合作用随着CO2的增加而增加
- 光合作用对CO2[]存在最大速率
描述三种测量光合作用速率的方法。
- 测量氧气产生的速率
- 由于氧气是光合作用的产物，可以通过测量氧气来测量光合作用速率，方法有：
- 计算水中释放的气泡数量
- 测量释放到量筒中的氧气体积
- 测量CO2吸收速率
- 由于二氧化碳是反应物，在给定时间内使用的二氧化碳量将表明发生的光合作用量
- 为此，可以使用CO2探针来检测当前的CO2并计算差异
- 测量生物量的变化