光合作用與呼吸作用

重點大綱 前言 ATP/化學滲透假說 能量與代謝作用─偶聯作用(coupling reaction) 光合作用概論 葉綠體構造 光合作用圖示 光合作用流程說明 影響光合作用之因素 Engleman(英格曼)的光合作用實驗 呼吸作用概論 粒線體的組成與呼吸作用 呼吸作用過程與圖示 無氧呼吸 影響呼吸作用的因素 光合作用與呼吸作用的討論

前言

在生態學原理中提到生態系的組成條件有二：能量流動和物質循環。前者若以生命世界與無生物世界為討論背景，則光合作用與呼吸作用恰為能量流動的橋樑。透過光合作用，生物得以將日光能轉為化學能儲存起來；再透過呼吸作用，將能量釋出，並表現出種種生命現象。

能量貨幣─ATP ATP(三磷酸腺苷)是細胞新陳代謝所需能量的直接來源，可視為細胞的「能量貨幣」(energy currency) 分子組成包括一分子腺嘌呤、一分子核糖和三分子磷酸，能量儲存在磷酸鍵上，當磷酸鍵水解時，能量就被釋放。 ATP＋H2O →ADP＋Pi＋能量 ATP結構式 ATP、ADP、AMP的關係

ATP合成酶與化學滲透假說 化學滲透假說 (Chemiosmosis hypothesis）由英國生化學家米契爾(Peter Mitchell)提出。簡言之，透過膜內外的質子濃度梯度，使ATP合成酶可以將ADP+Pi轉變成ATP的理論，可以解釋光反應和粒線體電子傳遞鏈產生ATP的過程。 磷酸化(ADP+Pi→ATP) 光合磷酸化：ATP的能量來自光能 氧化磷酸化：ATP的能量來自其他物質(NADH或FADH2)的氧化

能量與代謝─coupling reaction 細胞代謝作用包括分解(異化)與合成(同化)前者釋出能量，後者需要能量；而能量傳遞者主要就是ATP 細胞的新陳代謝可促使ATP 分解為ADP，也可使ADP合成ATP，兩者循環不息，故稱為偶聯作用(coupling reaction)

光合作用概論

葉綠體構造 兩層膜的胞器，內有： 葉綠餅：由囊狀膜(葉綠囊)堆成，為光反應場所。膜上又有 光系統：由光合色素構成 電子傳遞鏈：電子載體 ATP合成酶 基質：含多種酵素，為碳反應場所

光合作用產物可以從葡萄糖轉為蔗糖或其他物質 光合作用圖示 光合作用產物可以從葡萄糖轉為蔗糖或其他物質

光合作用流程：第一階段(光反應) 光合色素吸光 葉綠素a電子吸收光能成激態(高能)電子 電子進入電子傳遞鏈，能量轉入ATP和NADPH(電子接受者) 水光解成H+和e-，其中e-補充葉綠素失去的電子(故水分子的角色只是要補充葉綠素a失去的電子)

光合作用流程： 第二階段(暗反應/碳反應) 卡爾文循環 CO2固定 合成磷酸甘油醛 雙磷酸核酮糖再生 ps.兩個磷酸甘油醛形成一個葡萄糖 註：學測只需知道卡爾文循環產生的三碳糖會形成蔗糖、澱粉或其他有機物，及光反應產生的能量在第二階段的利用方式

影響因素 生物因素 葉的發育與外形：因為葉綠素、酵素、氣孔數與葉肉組織的成熟度都和光合作用密切相關 光合作用產物輸出：產物堆積在葉綠體內會迴饋抑制二氧化碳的固定速率，影響光合作用的光反應速率 非生物因素： 光照：在正常情況下，光照強度愈強，光反應也愈旺盛(如右上圖) 溫度：溫度主要影響酵素的活性，間接影響氣孔的開閉。 水分：水是光反應的原料，亦會影響氣孔的開閉。 二氧化碳：二氧化碳是暗反應的原料。一般而言，二氧化碳濃度愈高，光合作用愈大，但太高時可能導致氣孔關閉，間接抑制了光合作用的進行。 無機養分：如鎂和氮是構成葉綠素的基本元素，所以當植物缺乏上述兩種元素時，葉不能正常合成葉綠素，因此不能進行光合作用。

註：英格曼光合作用實驗 實驗目的：色光與光合作用的關係。 實驗設計：利用絲狀水綿及好氧細菌，以三稜鏡折射成的光譜照射水綿。 實驗結果：發現細菌聚集在紫光、藍光、紅光部位 推論：水綿吸收紫光、藍光、紅光進行光合作用而產生氧氣供給好氧細菌。

呼吸作用概論

呼吸作用respiration 廣義而言，呼吸作用指養分分解釋出ATP的過程，不論過程是否有無O2參與；由此可見，呼吸作用包含有氧呼吸和無氧呼吸。 狹義解釋時，呼吸作用通常指葡萄糖氧化分解，產生36~38ATP的過程，簡式如下： C6H12O6+O2→CO2+H2O+36~38ATP 討論呼吸作用時，同學們必須注意： 人類的呼吸運動是氣體交換過程，而非呼吸作用 植物也必須隨時進行呼吸作用，才能提供細胞足夠的ATP，不像光合作用是受到光線影響

粒線體構造 在真核細胞中，粒線體可以進行呼吸作用的多數反應。 構造包括內外膜與基質，其中內膜向內凹陷形成內褶膜(或稱為嵴，cristae) 粒線體和葉綠體的比較： 都具有雙層膜 都有部分DNA可以製造蛋白質 前者與呼吸作用(能量釋出)有關，後者與光合作用(能量轉化與儲存)有關

呼吸作用過程 雖然我們說呼吸作用在粒線體進行，不過第一階段的糖解作用卻是在細胞質中進行，且無氧呼吸只在細胞質中進行；換言之，有氧呼吸的部分過程才會和粒線體有關 糖解作用：葡萄糖分解成丙酮酸，在細胞質中進行 乙醯輔酶A形成：在粒線體基質中進行 克列伯循環：在粒線體基質中進行 電子傳遞鏈：在粒線體內膜上進行，產生ATP

無氧呼吸 無氧呼吸過程 糖解作用 發酵作用：分為酒精發酵(如酵母菌)與乳酸發酵(如肌肉細胞)等

有氧與無氧呼吸 比較項目 無氧呼吸 有氧呼吸 作用過程 糖解作用 發酵作用 克氏循環 電子傳遞鏈 發生地點 細胞質 粒線體 產物 乳酸(乳酸發酵) 酒精+二氧化碳 二氧化碳 水 釋出能量 2ATP 36~38ATP

光合作用與呼吸作用的討論

光合作用與呼吸作用的比較 比較項目 光合作用 呼吸作用 簡式 作用流程 吸收光能→電子傳遞鏈→卡爾文循環→葡萄糖 CO2+H2O→C6H12O6+O2 C6H12O6+O2→CO2+H2O 作用流程 吸收光能→電子傳遞鏈→卡爾文循環→葡萄糖 葡萄糖→克列伯循環→電子傳遞鏈→釋出能量 相關胞器 葉綠體 細胞質+粒線體 水與氧氣 水光解成氧氣+電子 氧氣接受電子產生水 除了相關胞器不同之外，其他各項比較，怎麼看都覺得兩者是逆反應。 從目的上可知，生命世界透過光合與呼吸，使生物得以將光能轉為化學能，並藉以表現出生命現象。

演化的聯想 演化上，生物從原始異營生物開始，逐漸演化出自營生物，大氣中才可能出現氧氣。以此為前提，則有氧呼吸的演化應在光合作用之後；換言之，早期的生物只能透過無氧呼吸來產生能量。 無氧呼吸 有氧呼吸 光合作用