IB Biology HL 代谢、细胞呼吸与光合作用（HL 拓展）— 完整学习指南

适用对象：备考 IB Biology HL 的中国学生。

本章覆盖：IB Topic 8（仅 HL）— 酶的别构调节、细胞呼吸完整机制（糖酵解、连接反应、Krebs 循环、ETC、ATP 合成酶化学渗透）、光合作用完整机制（光反应、Calvin 循环）、对比。

关于练习题的说明：下文练习题均为我们按 IB Biology HL 风格原创的教学题。

1. 为什么 HL 代谢重要

Topic 8 是生命两大能量处理路径的分子机器。占 HL Paper 1+2 的 6-9%。考试要求详细记忆酶名、中间物、每步位置（胞浆 vs 线粒体基质 vs 嵴 vs 叶绿体基质 vs 类囊体）。

2. 酶调控

竞争性抑制：抑制剂模仿底物，竞争活性位点。提高 [底物] 可克服。

非竞争性抑制：抑制剂结合别处（别构位点），改变酶形状。提高 [底物] 不能克服。

别构调节：调节物结合别构位点 → 酶形状改变 → 活性变。允许复杂反馈（终产物抑制早期酶 — 稳态）。

终产物抑制：代谢链 $A\to B\to C\to D$ 中，终产物 $D$ 抑制催化首步的酶。$D$ 够多时停止生产。

3. 细胞呼吸概览

葡萄糖 + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ~30-32 ATP（细胞实际产量，非理论 38）。

四阶段：

1. 糖酵解（胞浆）：葡萄糖 → 2 丙酮酸。净：2 ATP、2 NADH。
2. 连接反应（线粒体基质）：丙酮酸 → 乙酰-CoA + CO₂ + NADH。
3. Krebs 循环（基质）：乙酰-CoA + 草酰乙酸 → 柠檬酸 → ... → 草酰乙酸。每乙酰-CoA：1 ATP、3 NADH、1 FADH₂、2 CO₂。
4. 电子传递链 + 化学渗透（内膜）：NADH/FADH₂ 给电子 → H⁺ 泵到膜间隙 → H⁺ 经 ATP 合成酶回流 → 生 ATP。

4. 糖酵解细节

10 步酶反应。要点：

• 磷酸化：早期消耗 2 ATP "活化" 葡萄糖。
• 底物水平磷酸化：直接生 4 ATP。净 2 ATP。
• 2 NAD⁺ 还原为 NADH。

终点：每葡萄糖（6C）→ 2 丙酮酸（3C）。

无氧时 → 发酵（无氧）：丙酮酸 → 乳酸（动物）或乙醇 + CO₂（酵母）。NAD⁺ 再生维持糖酵解。

5. Krebs 循环细节

每乙酰-CoA 进入；经 8 步再生草酰乙酸。每转：

• 3 NADH（异柠檬酸、α-酮戊二酸、苹果酸脱氢酶产生）。
• 1 FADH₂（琥珀酸脱氢酶，嵌内膜中）。
• 1 ATP（底物水平磷酸化）。
• 2 CO₂。

每葡萄糖（2 转）：6 NADH、2 FADH₂、2 ATP、4 CO₂。

6. 电子传递 + 化学渗透

NADH 与 FADH₂ 被氧化，电子给内线粒体膜上的载体链（细胞色素）。能量泵 H⁺ 从基质到膜间隙 → 质子梯度。

H⁺ 经 ATP 合成酶（旋转马达）回流 → ADP + Pi → ATP。

终电子受体：O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O。

每 NADH ≈ 2.5 ATP（3 个 H⁺ 泵位点）。每 FADH₂ ≈ 1.5 ATP（2 个位点 — FADH₂ 在第 2 位点进）。

每葡萄糖总 ATP：~30-32（依生物体与穿梭机制变化）。

7. 光合作用概览

6 CO₂ + 6 H₂O + 光 → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂（净）。

叶绿体内两阶段：

1. 光反应（类囊体膜）：光 → 裂解 H₂O → 产 ATP + NADPH + O₂。
2. 暗反应/Calvin 循环（基质）：用 ATP + NADPH 把 CO₂ 固定为葡萄糖。

8. 光反应

光系统 II（PSII）吸光 → e⁻ 激发 → 能量泵 H⁺ 进入类囊体腔 → H⁺ 经 ATP 合成酶回流 → ATP。

PSII 激发的 e⁻ 经质体醌、细胞色素复合物、质蓝素到 PSI。H₂O 被裂解补给 PSII 失去的 e⁻：2 H₂O → 4 H⁺ + 4 e⁻ + O₂。

PSI 吸光 → e⁻ 再激发 → 把 NADP⁺ 还原为 NADPH。

净产物：ATP + NADPH（用于暗反应）+ O₂（释放）。

9. Calvin 循环（暗反应）

每转三阶段：

1. 碳固定：酶 RuBisCO 把 CO₂ 加到 RuBP（5C）→ 2 × 3-PGA（3C）。
2. 还原：ATP 与 NADPH 还原 3-PGA → G3P（3C）。
3. 再生：多数 G3P 用于再生 RuBP（耗 ATP）。每 6 个 G3P 中 1 个作为净产物离开。

每葡萄糖：6 转，耗 18 ATP + 12 NADPH。

10. 例题精讲

植物在密闭舱内黎明开始光合。

(a) 为何舱内 O₂ 浓度上升？ (b) O₂ 分子从哪来？ (c) 若某化学物阻断 H⁺ 经 ATP 合成酶回流，ATP、NADPH、O₂ 产量会怎样？

解答。

(a) 光合裂解水释放 O₂；净 O₂ 产量超过呼吸消耗。

(b) 来自水，不是 CO₂。PSII 裂解 H₂O 取电子；O₂ 是副产品。

(c) ATP 产量停（化学渗透 ATP 合成停）。H⁺ 在腔内积累 → 梯度不能耗散 → 最终 e⁻ 流停 → NADPH 产量停。O₂ 也停（PSII 不能流出 e⁻）。三者都降到零。

11. 易错点

• 位置：糖酵解胞浆。Krebs 基质。ETC 内膜。Calvin 基质。光反应类囊体。AP 评分考具体位置。
• NADPH vs NADH：NADPH 用于生物合成（Calvin）；NADH 用于能量收获（呼吸）。不同分子。
• RuBisCO：地球上最丰富的酶；很慢但不可替代。
• 每葡萄糖净 ATP：~30-32，不是 38。旧课本估算更高。

12. 练习题

1. 按顺序列出葡萄糖中一个电子到达终点 O₂ 经过的分子。
2. 植物缺 CO₂ 但有光照。叶绿体内会积累什么？为什么？
3. 比较氧化磷酸化与光合磷酸化在化学机理（化学渗透）上的异同。

13. 速查表

• 糖酵解：胞浆，葡萄糖 → 2 丙酮酸，净 2 ATP + 2 NADH。
• Krebs：基质，乙酰-CoA → CO₂。每葡萄糖：6 NADH、2 FADH₂、2 ATP。
• ETC + 化学渗透：内膜。每葡萄糖 ~30-32 ATP。
• O₂ 入：呼吸（终受体）。O₂ 出：光合（H₂O 裂解）。
• 光反应：类囊体，产 ATP + NADPH + O₂。
• Calvin：基质，18 ATP + 12 NADPH 每葡萄糖。
• RuBisCO：把 CO₂ 固定到 RuBP。

14. 下一步

Topic 8 连接 Topic 11（动物生理） 肌肉代谢 与 Topic 9（植物生物） 与光合相关的运输。具体路径或 ATP 计算可问小欧。