IB 生物学/光合作用
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非依赖反应。
光照射在叶绿体内类囊体上的天线色素上。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，直到到达一个P680分子。能量激发P680分子上的一个电子，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，从水的光解中获取一个电子，产生O2作为副产物。随着电子沿着链传递，它向蛋白质泵提供能量，导致蛋白质泵将质子泵入类囊体空间。然后这些质子通过ATP合酶质子通道从类囊体中扩散出来，产生ATP。低能电子可以通过从光系统1接收光能而被循环利用到光系统2。电子从光系统1获得的能量再次被激发，并将能量传递给一个P700叶绿素分子，P700叶绿素分子将一个高能电子传递到另一个电子传递链。然而，它不是利用电子能量来泵质子，而是可以使用能量和酶活性将2个电子与NADP结合，产生NADPH + H+。然而，如果植物需要更多的ATP，来自光系统1的电子可以返回到光系统2，用于磷酸化。这个过程被称为循环光磷酸化。
解释光合作用的化学渗透机理。
光合作用中的光磷酸化过程利用光能并将光能转化为ATP分子中磷酸键中的化学能。光照射在叶绿体内类囊体上的天线色素上。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，直到到达一个P680分子。能量激发P680分子上的一个电子，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，从水的光解中获取一个电子，产生O2作为副产物。随着电子沿着链传递，它向蛋白质泵提供能量，导致蛋白质泵将质子泵入类囊体空间。然后这些质子通过ATP合酶质子通道从类囊体中扩散出来，产生ATP。
解释光非依赖反应。
光合作用的光非依赖反应发生在卡尔文循环中，利用光依赖反应中产生的ATP和电子载体将二氧化碳转化为糖类。从周围大气中获得的3个二氧化碳分子与3个核酮糖二磷酸（RuBP）（C5）结合，在Rubisco酶的作用下生成磷酸甘油酸（P-C-C-C-P）（PGal）。消耗1个ATP分子，氧化1个电子载体（NADPH + H+ -> NADP+），并将一个无机磷酸分子添加到分子中，从而产生6个三磷酸甘油醛（G3P）。1个G3P被储存，而其他G3P则使用另一个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，类囊体膜上嵌入了光合色素，这些色素以簇状形式吸收光并将其转化为化学能。叶绿体在基质中有一个大的空间，在类囊体内部有一个小的空间，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，并且被迫通过ATP合酶通道蛋白扩散，从而以更快的速度产生ATP。类囊体紧密地排列在一起，这意味着照射在叶绿体上的光会导致多个光依赖反应同时发生，从而增加能量，最终增加糖类的生成。
绘制光合作用的动作光谱图。
解释光合作用的动作光谱与绿色植物光合色素的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，并吸收红色、橙色、一些黄色、蓝色、靛蓝色和紫色的光波长。这意味着绿色植物光合色素的吸收光谱在低波长和高波长的光上较高，但在中等波长的光（绿色）上较低，这些光被光合色素反射而不是被吸收。
解释限制因素的概念，并参考光照强度、温度和二氧化碳浓度。
随着光照强度、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着限制。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。增加光照强度和二氧化碳浓度也会有限制，因为植物在任何时候只能产生一定量的糖类，这意味着蛋白质泵、酶和类囊体并没有无限的供应，无法在高浓度的二氧化碳和光照条件下进行光合作用。
要点
- 光合作用随着光照强度的增加而增加
- 光合作用在特定的光照强度后达到平台期
- 光合作用随着温度的增加而增加
- 存在一个最佳温度
- 过高的温度会使叶绿体变性/熔化，降低光合作用
- 光合作用随着CO2浓度的增加而增加
- 光合作用速率对CO2浓度存在一个最大值
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，因此可以通过测量氧气来测量光合作用速率，方法如下
- 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，因此在一定时间内使用的二氧化碳量将表明光合作用的活性
- 为此，使用CO2探头检测当前CO2浓度，并计算差值
- 测量生物量的变化