AP 生物学 光合作用 — AP 生物学

1. 什么是光合作用？ ★★☆☆☆ ⏱ 3 min

光合作用是光合自养生物（植物、藻类、蓝细菌）进行的同化过程，将太阳的光能转化为储存在葡萄糖和其他有机碳水化合物中的化学能。

6\text{CO}_2 + 12\text{H}_2\text{O} + \text{light energy} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 + 6\text{H}_2\text{O}

这是一个氧化还原反应：二氧化碳被还原形成葡萄糖，而水被氧化释放出氧气作为副产物。光合作用占AP生物学考试总分的4~6%，频繁出现在选择题和自由问答题中。

2. 叶绿体结构与光反应 ★★★☆☆ ⏱ 4 min

在真核光合自养生物中，光合作用完全发生在双层膜细胞器叶绿体中。凝胶状的基质（卡尔文循环的场所）包含扁平的膜结合类囊体，类囊体堆叠成基粒，内部有空的类囊体腔。类囊体膜承载光反应，含有色素分子和电子传递蛋白复合物。

叶绿素a是核心反应中心色素，吸收光能激发电子。辅助色素（叶绿素b、类胡萝卜素）吸收额外波长的能量，传递给叶绿素a，并提供光保护。光能首先激发光系统II（PSII）中的电子；失去的电子由水的光解（裂解）补充，水解释放氧气。激发的电子沿电子传递链（ETC）移动到光系统I（PSI），能量被用于将H+泵入类囊体腔，产生质子梯度。ATP合酶利用这个梯度通过化学渗透合成ATP。电子在PSI中被再次激发，用于将NADP+还原为NADPH。最终产物：ATP、NADPH（运往卡尔文循环）和氧气（废物）。

Exam tip: 在关于化学渗透的自由问答题中，一定要明确说出ATP合酶的名称，并将质子梯度与ATP生成联系起来才能获得满分。

3. 卡尔文循环与光呼吸 ★★★☆☆ ⏱ 3 min

卡尔文循环发生在基质中，利用光反应产生的ATP和NADPH将无机CO2固定为有机葡萄糖。它有三个核心阶段：

1. **碳固定**: RuBisCo 将CO2连接到五碳起始分子RuBP上，产生两个三碳的3-PGA分子。
2. **还原**: ATP 将3-PGA磷酸化，NADPH 将产物还原为 G3P（甘油醛-3-磷酸），一种三碳糖。
3. **再生**: 每固定3个CO2产生6个G3P，只有1个G3P离开循环用于合成葡萄糖。剩余5个G3P在ATP参与下重新排列，再生出RuBP。

RuBisCo既可以结合CO2也可以结合O2到RuBP上。当O2代替CO2结合时，就会发生光呼吸：它消耗ATP，释放已固定的CO2，不产生净葡萄糖，因此是浪费的。在炎热干燥的日子，气孔关闭保水，叶片内氧气浓度升高、二氧化碳浓度降低，光呼吸就会增强。

Exam tip: 永远记住每6个G3P中只有1个离开卡尔文循环用于合成葡萄糖——忘记再生步骤是AP生物学考试中计算错误的最常见原因。

4. C3、C4和CAM光合作用适应方式 ★★★★☆ ⏱ 3 min

为了避免在炎热干燥环境中发生浪费的光呼吸，许多植物进化出了改造后的途径，在RuBisCo周围富集CO2，降低RuBisCo结合O2的概率：

• **C3 植物**: 大多数植物（小麦、水稻）没有特殊适应。它们直接在叶肉细胞中将CO2固定为3-PGA，在炎热干燥条件下光呼吸水平高。
• **C4 植物**: (玉米、甘蔗) 空间上分离碳固定和卡尔文循环。CO2首先在叶肉细胞中固定为四碳分子，然后运输到维管束鞘细胞，在那里释放CO2供卡尔文循环进行。这让RuBisCo周围的CO2浓度维持高位，消除了大部分光呼吸。
• **CAM 植物**: (仙人掌、菠萝) 时间上分离碳固定和卡尔文循环。它们在夜间开放气孔吸收CO2，将其固定为四碳分子储存在液泡中。白天关闭气孔保水，释放储存的CO2供卡尔文循环使用。

三类植物都使用相同的卡尔文循环生产葡萄糖，只有初始碳固定步骤不同。

Exam tip: 比较C4和CAM时，一定要明确说出分离类型：C4是空间（位置）分离，CAM是时间（时序）分离——混淆这一点会直接失分。

5. 概念检测 ★★★☆☆ ⏱ 3 min