高中生物競賽教程第4章植物的呼吸作用

1、第四章 植物的呼吸作用一、教學時數(shù) 計劃教學時數(shù) 7 學時。其中理論課 4 學時，實驗課 3 學時。 二、教學大綱基本要求 1. 了解呼吸作用的概念及其生理意義； 2. 了解線粒體的結構和功能； 3. 熟悉糖酵解、三羧酸循環(huán)和戊糖磷酸循環(huán)等呼吸代謝的生化途徑； 4. 熟悉呼吸鏈的概念、組成、電子傳遞多條途徑和末端氧化系統(tǒng)的多樣性； 5. 了解氧化磷酸化、呼吸作用中的能量代謝和呼吸代謝的調控； 6. 了解呼吸作用的生理指標及其影響因素； 7. 掌握測定呼吸速率的基本方法； 8. 了解種子、果實、塊根、塊莖等器官的呼吸特點和這些器官貯藏保鮮的關系， 9. 了解呼吸作用和光合作用的關系。 三、教學重

2、點和難點 ( 一 ) 重點 1 有氧和無氧兩大呼吸類型的特點、反應式、生理意義和異同點； 2 主要呼吸途徑的生化歷程：糖酵解、酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、三羧酸循環(huán)和戊糖磷酸途徑等； 3 呼吸鏈的組成、氧化磷酸化和呼吸作用中的能量代謝； 4 外界條件對呼吸速率的影響：溫度、氧氣、二氧化碳、水分； 5 種子的安全貯藏與呼吸作用、果實的呼吸作用。 ( 二 ) 難點 1 呼吸代謝的生化途徑； 2 氧化磷酸化機理； 3 呼吸代謝的調節(jié)。本章內容提要呼吸作用是高等植物的重要生理功能。呼吸作用的停止，就意味生物體的死亡。呼吸作用將植物體內的物質不斷分解，提供了植物體內各種生命活動所需的能量和合成重要有機物質的原料

3、，還可增強植物的抗病力。呼吸作用是植物體內代謝的中心。呼吸作用按照其需氧狀況，可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩大類型。在正常情況下，有氧呼吸是高等植物進行呼吸的主要形式，但至今仍保留著無氧呼吸的能力。呼吸代謝通過多條途徑控制其他生理過程的運轉，同時又受基因和激素、環(huán)境等通過影響酶活性所控制。呼吸代謝的多樣性是植物長期進化中形成的一種對多變環(huán)境的適應性表現(xiàn)。EMP-TCAC是植物體內有機物質氧化分解的主要途徑，而PPP、GAC途徑和抗氰呼吸在植物呼吸代謝中也占有重要地位。呼吸底物的徹底氧化，包括CO2的釋放與H2O的產生，同時將底物中的能量轉換成ATP形式的活躍化學能。EMP-TCAC只有CO2的形成

4、，沒有H2O的形成，絕大部分能量還貯存在NADH和UQH2中。這些物質經過電子傳遞和氧化磷酸化將部分能量貯存于高能鍵中，ATP中的高能磷酸鍵是最重要的能量貯存形式，因而，呼吸電子傳遞鏈和氧化磷酸化在植物生命活動中至關重要。呼吸代謝與植物體內氨基酸、蛋白質、脂肪、激素、次生物質的合成、轉化有密切關系。植物呼吸代謝各條途徑都可通過中間產物，輔酶、無機離子及能荷加以反饋調節(jié)。植物呼吸代謝受著內、外多種因素（主要是生理狀態(tài)、溫度、O2、CO2）的影響。呼吸作用影響植物生命活動的全局，因而與農作物栽培、育種和種子、果蔬、塊根塊莖的貯藏都有著密切的關系?？筛鶕祟惖男枰秃粑饔米陨淼囊?guī)律采取有效措施，加

5、以調節(jié)、利用。植物的一個重要特征就是新陳代謝（metabolism）進行物質與能量的轉變,新陳代謝包括許多物質與能量的同化（assimilation）與異化（disassimilation)過程。植物呼吸代謝集物質代謝與能量代謝為一體，是植物生長發(fā)育得以順利進行的物質、能量和信息的源泉，是代謝的中心樞紐，沒有呼吸就沒有生命。因此，了解呼吸作用的規(guī)律，對于調控植物的生長發(fā)育，指導農業(yè)生產有著重要的理論意義和實踐意義。2.1呼吸作用的概念及其生理意義2.1.1呼吸作用的概念呼吸作用（respiration）是生物界非常普通的現(xiàn)象，是一切生物細胞的共同特征。呼吸作用是指生活細胞內的有機物，在一系列酶

6、的參與下，逐步氧化分解成簡單物質，并釋放能量的過程。然而，呼吸作用并不一定伴隨著氧的吸收和CO2的釋放。依據呼吸過程中是否有氧參與，可將呼吸作用分為有氧呼吸和無氧呼吸兩大類型。有氧呼吸是由無氧呼吸進化而來的。有氧呼吸(aerobicrespiration):是指生活細胞利用分子氧（O2），將某些有機物質徹底氧化分解釋放CO2，同時將O2還原為H2O，并釋放能量的過程。這些有機物稱為呼吸底物（respiratorysubstrate），碳水化合物、有機酸、蛋白質、脂肪等均可以作為呼吸底物。在正常情況下，有氧呼吸是高等植物進行呼吸的主要形式，然而，在某些條件下，植物也被迫進行無氧呼吸。以葡萄糖為底

7、物的總反應式為：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量G=-2870kJ/mol無氧呼吸（anaerobicrespiration）:指生活細胞在無氧條件下，把某些有機物分解成為不徹底的氧化產物（酒精、乳酸等），同時釋放出部分能量的過程。微生物的無氧呼吸統(tǒng)稱為發(fā)酵（fermentation），如酵母菌的發(fā)酵產物為酒精，稱為酒精發(fā)酵。如酒精發(fā)酵反應式為：C6H12O62C2H5OH+2CO2+2ATPG=-226kJ/mol如乳酸發(fā)酵反應式為：C6H12O62CH3CHOHCOOH+2ATPG=-197kJ/mol2.1.2呼吸作用的生理意義（1）為生命活動提供能量。呼吸過程中釋放的能量

8、一部分以熱的形式散失，另一部分以ATP、NAD（P）H等形式儲存，當ATP等分解時，將其能量釋放出來供生命活動的需要。（2）為重要有機物質提供合成原料。呼吸過程中產生一系列中間產物，其中有一些中間產物化學性質十分活躍，如丙酮酸、-酮戊二酸、蘋果酸等，它們是進一步合成植物體內各種重要化合物（核酸、氨基酸、蛋白質、脂肪、有機酸等）的原料。（3）為代謝活動提供還原力。呼吸過程中形成的NAD（P）H，UQH2等可為一些還原過程提供還原力。（4）增強植物抗病免疫能力。植物受傷或受到病菌浸染時，呼吸速率升高，加速木質化或木栓化，促進傷口愈合，以減少病菌的浸染。呼吸作用加強可促進具有殺菌作用的綠原酸、咖啡酸

9、等物質的合成，以增強植物的免疫力。高等植物呼吸代謝的特點，一是復雜性，呼吸作用的整個過程是一系列復雜的酶促反應；二是物質代謝和能量代謝的中心，它的中間產物又是合成多種重要有機物的原料，起到物質代謝的樞紐作用；三是呼吸代謝的多樣性，表現(xiàn)在呼吸途徑的多樣性。如植物呼吸代謝并不只有一種途徑，不同的植物、同一植物的不同器官或組織在不同的生育時期、不同環(huán)境條件下，呼吸底物的氧化降解可以走不同的途徑。此外，表現(xiàn)在電子傳遞系統(tǒng)的多樣性和末端氧化酶的多樣性。2.2.1糖酵解在無氧條件下酶將葡萄糖降解成丙酮酸，并釋放能量的過程，稱為糖酵解（glycolysis）。為紀念在研究糖酵解途徑方面有突出貢獻的三位德國生

10、物化學家Embden,Meyerhof和Parnas,又把糖酵解途徑稱為Embden-Meyerhof-Parnas途徑（EMPPathway）。糖酵解普遍存在于動物、植物、微生物的所有細胞中，是在細胞質中進行的。雖然糖酵解的部分反應可以在質體或葉綠體中進行，但不能完成全過程。糖酵解過程中糖分子的氧化分解是沒有氧分子的參與下進行的，其氧化作用所需的的氧是來自水分子和被氧化的糖分子，故又稱為分子內氧化。以葡萄糖為例，糖酵解的反應式如下：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2C3H4O3+2NADH+2H+2ATP+2H2O糖酵解具有多種功能。（1）糖酵解的一些中間產物（如甘油醛-3-磷酸等

11、）是合成其他有機物質的重要原料，其終產物丙酮酸在生化上十分活躍，可通過各種代謝途徑，產生不同物質。（2）糖酵解中生成的ATP和NADH，可使生物體獲得生命活動所需要的部分能量和還原力。（3）糖酵解普遍存在生物體中，是有氧呼吸和無氧呼吸經歷的共同途徑。（4）糖酵解有三個不可逆反應,但其它反應均是可逆的,它為糖異生作用提供基本途徑。糖酵解的調控。糖酵解過程中有3個不可逆反應,分別由已糖激酶,磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶所催化.磷酸果糖激酶(PFK):ADP和AMP為它的別構激活劑,ATP為抑制劑。該酶的活性中心對ATP有低的Km,別構中心對ATP有高的Km。當ATP濃度高時,與別構中心結合引起構象變化

12、而抑制酶的活性。受檸檬酸、NADH、脂肪酸的別構抑制.EMP過快時TCA途徑生成的檸檬酸過多抑制PFK活性,使EMP減緩.此外，還受到F-2,6-BP的調節(jié)及氫離子的抑制。丙酮酸激酶:受高濃度ATP,Ala,乙酰輔酶A等的反饋抑制。已糖激酶:G6P為其別構抑制劑。3-磷酸甘油醛脫氫酶:被NAD+激活.過快的EMP使NAD+濃度降低,脫氫作用減速,限制EMP。2.2.2無氧呼吸生活細胞在無氧條件下進行戊糖磷酸途徑、酒精發(fā)酵和乳酸發(fā)酵。糖酵解實際上是丙酮酸的無氧降解，反應在細胞質中進行。高等植物無氧呼吸，包括了從己糖經糖酵解形成丙酮酸，隨后進一步產生乙醇或乳酸的全過程。植物在無氧條件下通常是發(fā)生酒

13、精發(fā)酵（alcohol fermentation）。在無氧條件下，通過酒精發(fā)酵或乳酸發(fā)酵，實現(xiàn)了NAD+的再生，這就使糖酵解得以繼續(xù)進行。無氧呼吸過程中葡萄糖分子的大部分能量仍保存在丙酮酸、乳酸或乙醇分子中?？梢?，發(fā)酵作用的能量利用效率是很低的，有機物質耗損大，而且發(fā)酵產物酒精和乳酸的累積，對細胞原生質有毒害作用。因此，長期進行無氧呼吸的植物會受到傷害，甚至會死亡。參與發(fā)酵作用的酶都存在于細胞質中，所以發(fā)酵作用是在細胞質中進行的。2.2.3三羧酸循環(huán)糖酵解的產物丙酮酸，在有氧條件下進入線粒體，通過一個包括三羧酸和二羧酸循環(huán)而逐步氧化分解，最終形成水和二氧化碳并釋放能量的過程，稱為三羧酸循環(huán)（t

14、ricarboxylic acid cycle，簡稱TCA或TCAC）。這個循環(huán)首先由英國生物化學家HansKrebs發(fā)現(xiàn)的，所以又稱Krebs環(huán)（Krebs cycle）。三羧酸循環(huán)普遍存在于動物、植物、微生物細胞中，整個反應都在細胞線粒體襯質（matrix）中進行。TCA循環(huán)的總反應式：2CH3COCOOH+8NAD+2FAD+2ADT+2Pi+4H2O6CO2+8NADH+8H+2FADH2 +2ATP參與各反應的酶包括：丙酮酸脫氫酶復合體、檸檬酸合成酶、順烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶、脫羧酶、-酮戊二酸脫氫酶復合體、琥珀酸硫激酶、琥珀酸脫氫酶、延胡索酸酶、蘋果酸脫氫酶。TCA是多步可逆,但

15、檸檬酸的合成,-酮戊二酸脫氫脫羧上不可逆的,故整個循環(huán)是單方向的。TCA循環(huán)可以通過產物調節(jié)和底物調節(jié),調節(jié)的關鍵因素是:NADH/NAD、ATP/TDP、OAA和乙酰CoA濃度等代謝物的濃度。酶的調控主要在三個調控酶，包括：檸檬酸合成酶:關鍵限速酶,NAD+為別構激活劑,NADH和ATP為別構抑制劑。OAA,乙酰CoA濃度高時可激活,琥珀酰CoA抑制此酶。異檸檬酸脫氫酶:NAD+為別構激活劑,NADH和ATP為別構抑制劑。ADP激活，琥珀酰CoA抑制。-酮戊二酸脫氫酶:NAD+為別構激活劑,NADH和ATP為別構抑制劑,受琥珀酰CoA抑制。TCA循環(huán)的生理意義：（1）生命活動所需能量來源的主

16、要途徑。丙酮酸經過TCA循環(huán)有5步氧化反應脫下5對氫，其中4對氫用于還原NAD+，形成NADH+H+，另一對從琥珀酸脫下的氫，是將膜可溶性的泛醌（UQ）還原為UQH2，它們再經過呼吸鏈將H+和電子傳給分子氧結合成水，同時發(fā)生氧化磷酸化生成ATP。由琥珀酰CoA形成琥珀酸時發(fā)生底物水平磷酸化直接生成1molATP。這些ATP可為植物生命活動提供能量。（2）體內各類有機物相互轉變的中心環(huán)節(jié)。TCA循環(huán)不僅是糖代謝的重要途徑,也是脂肪、蛋白質和核酸代謝的最終氧化成CO2和H2O的重要途徑。（3）發(fā)酵產物重新氧化的途徑。如糖酵解中形成的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）可不轉變?yōu)楸幔窃赑EP羧化酶催化

17、下形成草酰乙酸（OAA），草酰乙酸再被還原為蘋果酸，蘋果酸可經線粒體內膜上的二羧酸傳遞體與無機磷酸（Pi）進行交換進入線粒體襯質，可直接進入TCA循環(huán)；蘋果酸在襯質中，也可在蘋果酸酶的作用下脫羧形成丙酮酸，或在蘋果酸脫氫酶的作用下生成草酰乙酸，再進入TCA循環(huán)，可起到補充草酰乙酸和丙酮酸的作用。實驗證實，蘋果酸比丙酮酸更容易進入線粒體，并參加TCA循環(huán)。（4）影響果實品質的形成。2.2.4磷酸戊糖途徑Racker(1954)、Gunsalus(1955)等人發(fā)現(xiàn)植物體內有氧呼吸代謝除EMP-TCA途徑以外，還存在戊糖磷酸途徑(Pentose phosphate pathway,PPP),又稱已

18、糖磷酸途徑（hexose monophosphate pathway,HMP）。磷酸戊糖途徑的總反應式為：6G6P+12NADP+ +7H2O6CO2 +12NADPH+12H+5G6P+Pi這是個由葡萄糖-6-磷酸直接氧化的過程，經歷了氧化階段（不可逆）和非氧化階段（可逆）。氧化階段將6碳的6-磷酸葡萄糖（G6P）轉變成5碳的5-磷酸核酮糖Ru5P，釋放1分子CO2，產生2分子NADPH。非氧化階段，也稱為葡萄糖再生階段，由Ru5P經一系列轉化，形成6-磷酸果糖（F6P）和3-磷酸甘油醛（PGALd），再轉變?yōu)?-磷酸果糖（F6P），最后又轉變?yōu)?-磷酸葡萄糖（G6P），重新循環(huán)。意義：（1

19、）該途徑是一個不需要通過糖酵解，而對葡萄糖進行直接氧化的過程，生成的NADPH也可能進入線粒體，通過氧化磷酸化作用生成ATP。（2）產生大量的NADPH,為細胞的各種合成反應提供主要的還原力。NADPH作為主要的供氫體,為脂肪酸、固醇、四氫葉酸等的合成,非光合細胞中硝酸鹽、亞硝酸鹽的還原以及氨的同化,由丙酮酸羧化還原成蘋果酸等反應所必需。（3）為合成代謝提供原料。5-磷酸核糖是合成核苷酸的原料,也是NAD、FAD、NADP等輔酶的組分,4-磷酸赤蘚糖與PEP可合成莽草酸,這個途徑可分成木質素、生長素和抗病性有關的物質。植物在感病或受傷情況下該途徑明顯加強。在逆境條件下，即不良環(huán)境中，植物體內的

20、PPP途徑加強，如受傷和感病的組織，干旱的植物PPP途徑都加強,因為PPP途徑中的中間產物E-4-P可以合成莽草酸，莽草酸繼續(xù)合成氯原酸，多酚類的氯原酸可以起到抗病和抵抗不良環(huán)境的作用。（4）PPP與光合作用的C3途徑的大多數(shù)中間產物和酶相同，兩者可聯(lián)系起來并實現(xiàn)某些單糖間的互變。如該途徑中的一些中間產物丙糖、丁糖、戊糖、已糖及庚糖的磷酸酯也是光合作用卡爾文循環(huán)的中間產物；因而呼吸作用和光合作用可以聯(lián)系起來，相互溝通。PPP的調節(jié)主要通過6-磷酸葡萄糖脫氫酶調節(jié):因為6-磷酸葡萄糖脫氫酶是PPP的限速酶。NADPH/NADP+調節(jié)該酶活性，NADPH+H+競爭性抑制6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷

21、酸葡萄糖酸脫氫酶。2.2.5乙醛酸循環(huán)油料種子萌發(fā)時，貯藏的脂肪會分解為脂肪酸和甘油。脂肪酸經-氧化分解為乙酰CoA，在乙醛酸體（glyoxysome）內生成琥珀酸、乙醛酸、蘋果酸和草酰乙酸的酶促反應過程，稱為乙醛酸循環(huán)（glyoxylic acid cycle, GAC）素有“脂肪呼吸”之稱。該途徑中產生的琥珀酸可轉化為糖。在乙醛酸循環(huán)中，異檸檬酸裂解酶與蘋果酸合成酶是GAC中兩種特有的酶類。該途徑每循環(huán)一次向線粒體輸送1mol琥珀酸，并參與TCA循環(huán)的部分反應轉變?yōu)檠雍魉?、蘋果酸，然后進入細胞質，被氧化為草酰乙酸，在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEP carboxykinase）催化下脫羧生

22、成磷酸烯醇式丙酮酸（phosphenol pruvate,PEP），PEP再通過糖酵解的逆轉而轉變?yōu)槠咸烟?-磷酸并形成蔗糖。油料種子在發(fā)芽過程中，細胞中出現(xiàn)許多乙醛酸體，貯藏脂肪首先水解為甘油和脂肪酸，然后脂肪酸在乙醛酸體氧化分解為乙酰CoA，并通過乙醛酸循環(huán)轉化為糖類，淀粉種子萌發(fā)時不發(fā)生乙醛酸循環(huán)。可見，乙醛酸循環(huán)是富含脂肪的油料種子所特有的一種呼吸代謝途徑。Mettler和Beevers等在研究蓖麻種子萌發(fā)時脂肪向糖類的轉化過程中，對上述乙醛酸循環(huán)轉化為蔗糖的途徑做了重要修改。一是在乙醛酸體內乙醛酸與乙酰CoA結合所形成的蘋果酸不發(fā)生脫氫，而是直接進入細胞質后再脫氫、逆著糖酵解途徑轉變

23、為蔗糖。二是在乙醛酸體和線粒體之間有“蘋果酸穿梭”發(fā)生。三是在線粒體中蘋果酸脫氫變成草酰乙酸，草酰乙酸與谷氨酸進行轉氨基反應，生成天冬氨酸與-酮戊二酸，并同時透膜進入乙醛酸體，再次發(fā)生轉氨基反應，所產生的谷氨酸透膜返回線粒體，而草酰乙酸，可繼續(xù)參與乙醛酸循環(huán)。通過“蘋果酸穿梭”和轉氨基反應解決了乙醛酸體內NAD+的再生和不斷補充OAA途徑問題，這對保證GAC的正常運轉是至關重要的。2.2.6乙醇酸氧化途徑乙醇酸氧化途徑（glycolic acid oxidate pathway,GAP）是水稻根系特有的糖降解途徑。它的主要特征是具有關鍵酶乙醇酸氧化酶（glycolate oxidase）。水稻

24、一直生活在供氧不足的淹水條件下，當根際土壤存在某些還原性物質時，水稻根中的部分乙酰CoA不進入TCA循環(huán)，而是形成乙酸，然后，乙酸在乙醇酸氧化酶及多種酶類催化下依次形成乙醇酸、乙醛酸、草酸和甲酸及CO2，并且每次氧化均形成H2O2，而H2O2又在過氧化氫酶（catalase，CAT）催化下分解釋放氧，可氧化水稻根系周圍的各種還原性物質（如H2S、Fe2+等），從而抑制土壤中還原性物質對水稻根的毒害，以保證根系旺盛的生理機能，使水稻能在還原條件下的水田中正常生長發(fā)育。2.2.7植物呼吸代謝途徑具有多樣性這是植物在長期進化過程中對多變環(huán)境的適應表現(xiàn)。然而，植物體內存在著的多條化學途徑并不是同等運行

25、的。隨著不同的植物種類、不同的發(fā)育時期、不同的生理狀態(tài)和環(huán)境條件而有很大的差異。在正常情況下以及在幼嫩的部位，生長旺盛的組織中均是TCA途徑占主要地位。在缺氧條件下，植物體內丙酮酸有氧分解被抑制而積累，并進行無氧呼吸，其產物也是多種多樣的。而在衰老，感病、受旱、受傷的組織中，則戊糖磷酸途徑加強。富含脂肪的油料種子在吸水萌發(fā)過程中，則會通過乙醛酸循環(huán)將脂肪酸轉變?yōu)樘?。水稻根系在淹水條件下則有乙醇酸氧化途徑運行。2.3呼吸鏈電子傳遞途徑的多樣性生物氧化（biological oxidation）細胞將有機物（糖、脂、蛋白質等）氧化分解，最終生成CO2、 H2O和放出能量的過程，稱為生物氧化（bio

26、logical oxidation）。它是發(fā)生在生物體細胞的線粒體內的一系列傳遞氫和電子的氧化還原反應，因而有別于體外的直接氧化。生物氧化合成ATP的方式有兩種，既底物水平磷酸化和氧化磷酸化。2.3.1線粒體電子傳遞體系呼吸鏈電子傳遞鏈(ElectronTransportChainETC,electrontransportsystemETS),又稱呼吸鏈（respiratorychain），是指按一定順序排列互相銜接傳遞氫（H+e ）或電子到分子氧的一系列呼吸傳遞體的總軌道。在生物氧化過程中,代謝物上脫下的氫經過一系列的按一定順序排列的氫傳遞體和電子傳遞體的傳遞,最后傳遞給分子氧并生成水。真核

27、細胞的電子傳遞鏈位于線粒體內膜，原核細胞的電子傳遞鏈則定位于質膜。2.3.2電子傳遞途徑（1）電子傳遞主路既細胞色素系統(tǒng)途徑。在生物界分布最廣泛，為動物、植物、微生物所共有。主要特征：電子通過UQ及細胞色素系統(tǒng)到達O2。對魚藤酮、抗霉素A、氰化物（KCN）、疊氮化物（NaN3）、CO都敏感。P/O比3。（2）交替途徑（抗氰呼吸鏈）對氰化物不敏感，既在氰化物存在時，仍能進行呼吸。電子自NADH脫下后，傳給FMN、Fe-S、UQ、不經細胞色素電子傳遞系統(tǒng)，而是經FP和交替氧化酶傳給氧生成水，其P/O比為1。水楊氧肟酸是交替途徑的專一性抑制劑。抗氰呼吸的生理意義如下：放熱效應。其產生的熱量對產熱植物

28、早春開花有保護作用，也有利于低溫下種子的萌了；促進果實成熟。乙烯的形成與抗氰呼吸呈平行關系；增強抗病能力；代謝協(xié)同調控。當?shù)孜锖瓦€原力豐富或過剩時，細胞色素途徑電子傳遞呈飽和狀態(tài)，此時能量“溢流”。抗氰呼吸活躍可分流電子，將多余的底物和還原力消耗。當細胞色素氧化酶途徑受阻時，抗氰呼吸產生或加強，可以保證EMP-TCA循環(huán)和PPP能正常進行，保證底物繼續(xù)氧化，維持生命活動各方面的需要。（3）電子傳遞支路I脫氫酶輔基是一種黃素蛋白（FP2）。電子從NADH脫下后經FP2直接傳到UQ，不被魚藤酮抑制，而對抗霉素A、氰化物敏感。P/O比為2或低于2。（4）電子傳遞支路II脫氫酶輔基是另一種黃素蛋白（F

29、P3），其P/O比為2。其他與支路之一相同。（5）電子傳遞支路III脫氫酶輔基是另恢只撲氐鞍祝P4），電子從NADH脫下后經FP4和Cytb5直接傳給Cytc，對魚藤酮、抗霉素A敏感，可被氰化物所抑制，其P/O比為1。2.3.3與呼吸鏈有關的酶和電子載體（1）煙酰胺脫氫酶類：需NAD+(EMP-TCA中的脫氫酶,將氫和電子傳遞給氧),NADP+為輔酶.將電子和氫傳遞給需要電子的生物合成過程。（2）黃素蛋白類(黃酶)：以FAD,FMN為輔基,常寫為FP。如NADH脫氫酶:以FMN為輔基，琥珀酸脫氫酶以FAD為輔基。兩者都含有不同數(shù)目的非血紅素鐵,與硫結合成鐵硫蛋白。（3）鐵-硫蛋白類(鐵硫中心)

30、：是一族與蛋白質的四個Cys結合在一起的含鐵，和對酸不穩(wěn)定的硫原子的蛋白質，亦稱非血紅鐵蛋白。鐵-硫中心的鐵原子能夠以氧化態(tài)(Fe3+)或還原態(tài)(Fe2+)存在，其作用是通過Fe的價態(tài)變化而起到傳遞電子的作用。（4）輔酶Q(CoQ),也稱泛醌：為電子傳遞鏈上唯一的非蛋白質成分,是脂溶性化合物。它是一個帶有長的異戊二烯側鏈的醌類化合物。不同輔酶Q的異戊二烯側鏈數(shù)不同。輔酶Q通過醌/酚結構的互變傳遞電子。（5）細胞色素類:細胞色素類是含鐵的電子傳遞體。鐵原子處于卟啉結構的中心，構成血紅素。通過輔基中Fe2+、Cu2+離子價可逆變化進行電子傳遞。細胞色素類都以血紅素為輔基，這類蛋白具有紅色，在電子傳

31、遞鏈中也依靠鐵的化合價變化來傳遞電子。cytbc1caa3O2Cytaa3以復合物形式存在,也稱為細胞色素氧化酶,含有兩個必需的銅離子,在cyta與cyta3間傳遞電子.唯有cytaa3的鐵原子形成個配位鍵，還留有一個配位位置,能與O2,CO,CN-等結合,正常功能是與O2結合。Cytaa3的血紅素A與cytb、c、c1中血紅素的不同之處主要是在第8位以一個甲?；婕谆?，在第2位以一個長的疏水鏈代替乙烯基。（6）傳遞體組成（四個復合體，除CoQ和cytc外)復合物I(NADH脫氫酶或NADH-泛醌氧化還原酶):25種不同蛋白質,包含F(xiàn)MN,Fe-S蛋白,催化電子從NADH到泛醌(UQ)，將2

32、H轉移到膜間空間。復合物II(琥珀酸脫氫酶或琥珀酸-泛醌氧化還原酶):4-5種蛋白質,包含F(xiàn)AD為輔基的黃素蛋白,琥珀酸脫氫酶，3種Fe-S蛋白,cytb560,催化電子從琥珀酸到泛醌.將2H轉移到UQ生成UQH2。復合物III(泛醌-細胞色素c氧化還原酶):包含2個cytb,c1,Fe-S蛋白，催化電子從還原型泛醌到cytc，同時將2H轉移到膜間空間。復合物IV(細胞色素氧化酶):至少有13種蛋白質,包含cyta和cyta3,含2Cu,催化電子從還原型cytc到O2，被激活的O2可與線粒體基質中的氫結合生成水。2.3.4電子傳遞抑制劑（1）魚藤酮、安密妥(amytal,即5-乙基-5-異戊基

33、巴比妥酸barbitalacid)、殺粉蝶菌素A:可阻斷電子從NADH到CoQ的傳遞。（2）抗霉素A:可阻斷電子從cytb到cytc1的傳遞。（3）CN-、H2S,、CO、N3-:可阻斷電子從cytaa3到O2的傳遞。2.3.5氧化磷酸化作用氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）指電子從NADH或FADH2經電子傳遞鏈傳遞給分子氧生成水，并偶聯(lián)ADP和Pi生成ATP的過程，它是需氧生物合成ATP的主要過程。底物磷酸化是指伴隨著高能磷酸基團的轉移或其它高能鍵的水解而直接偶聯(lián)生成ATP的過程。（1）氧化磷酸化的偶聯(lián)作用：電子傳遞中的能量變化G0=nFE0,E0=E0電子受

34、體-E0電子供體電子從NADH到O2:E0=0.82-(-0.32)=1.14,G0=-223.0631.14=-52.6kcal/mol=-220.07kj/mol.FADH2呼吸鏈:G0=-43.4kcal/mol=-181.58kj/mol.（2）ATP的生成部位:形成一個高能磷酸鍵,至少需G0-30.5kJ/mol,E00.158V電子鏈中:NADH與CoQ間,Cytb與c間,Cytaa3與O2間的電位差滿足此要求,故在這三個部位可生成ATP.（3）P/O比:呼吸作用中每利用一個氧原子,或每對電子通過呼吸鏈傳遞給氧所產生的ATP分子數(shù)。最新測定表明：NADH呼吸鏈的P/O=2.5，F(xiàn)A

35、DH2呼吸鏈的P/O=1.5，EMP途徑中3-PGAld脫氫生成的NADH+H+，其P/O=1.5。（4）氧化磷酸化的偶聯(lián)機理:目前被人們普遍接受的是P.Mitchell提出的化學滲透假說（chemiosmotic hypothesis）。線粒體襯質的NADH傳遞電子給O2同時，也3次將襯質的H+由內膜內側泵到內膜外側。由于內膜不讓泵出的H+自由的返回襯質，因此膜外側的H+高于膜內側而形成跨膜PH梯度（PH）和膜電位差（），二者構成跨膜的電化學勢梯度（H+），于是使內膜外的H+通過F0-F1（ATP酶）的H+通道進入線粒體襯質時是釋放的自由能，驅動ADP和Pi結合形成ATP氫傳遞體包括一些脫氫

36、酶的輔助因子，主要有NAD+、FMN（FAD）、UQ等。它們既傳遞電子，也傳遞質子；電子傳遞體包括細胞色素系統(tǒng)和某些黃素蛋白、鐵硫蛋白。呼吸傳遞體除了UQ外，大多數(shù)組分與蛋白質結合以復合體形式嵌入膜內。（5）氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制解偶聯(lián)劑(uncoupler):使電子傳遞和ATP生成過程分離,只抑制ATP的形成過程,不抑制電子傳遞過程,使電子傳遞產生的自由能以熱的形式散失.對底物磷酸化沒有影響。解除電子傳遞與磷酸化(ATP形成過程)偶聯(lián)的作用稱為解偶聯(lián)作用。如2,4-二硝基苯酚(DNP)：在酸性環(huán)境下DNP接受質子成為脂溶性物質,透過內膜,同時將質子H+帶入內膜,破壞了跨膜H+梯度而引起解偶

37、聯(lián)現(xiàn)象。這類破壞跨膜質子梯度而導致解偶聯(lián)的試劑稱為質子載體。植物在不良環(huán)境如干旱、冷害、或缺鉀等時也會導致氧化磷酸化解偶聯(lián)。氧化磷酸化抑制劑:能抑制氧的吸收利用和阻止ATP生成.有別于電子傳遞的抑制劑.如寡霉素：與FoF1-ATP酶的Fo的一個組分蛋白結合,“堵塞”了其內的質子能道,阻止膜外的H+回流到基質內.離子載體抑制劑:為脂溶性物質,能與某些離子結合并作為載體使這些離子能夠穿過膜進入線粒體.這樣就破壞了跨膜電位,最終破壞氧化磷酸化過程.如纈氨霉素:與K+結合,從而使K+通過膜。短桿菌肽：可使K+、Na+及其它一價離子穿過膜.。2.4未端氧化系統(tǒng)的多樣性2.4.1末端氧化酶(termina

38、l oxidase)定義：指能將底物上脫下的電子最終傳給O2，使其活化并形成H2O或H2O2的酶類。分布：存在于線粒體內，本身就是電子傳遞體；也存在于細胞質基質和其它細胞器中。（1）細胞色素氧化酶主要的末端氧化酶。呼吸所耗O2的80%由它完成；包括cyta和cyta3，含有2個鐵卟啉和2Cu,將電子從cyta3傳給O2；與氧的親和力高。受氰化物、CO的抑制。（2）交替氧化酶(AO)含F(xiàn)e,將電子從UQ經FP傳給O2；對氧的親和力較高。易受水楊基氧肟酸(SHAM)所抑制。對氰化物不敏感。（3）線粒體外的氧化酶參與的電子傳遞途徑沒有能量截留和利用。如：酚氧化酶：含Cu，分布于微粒體和質體中，分為單

39、酚氧化酶(酪氨酸氧化酶)和多酚氧化酶(兒茶酚氧化酶)。它與酚類底物分別被間隔在細胞的不同部位.與植物的木質化、木栓化、抗病性有關。受氰化物和CO的抑制。當馬鈴薯塊莖、蘋果果實受到傷害后出現(xiàn)褐色就是此酶將酚氧化為醌的結果。制紅茶時要揉破細胞，通過酚氧化酶的作用將茶葉中的酚類(兒茶酚，即鄰苯二酚)氧化并聚合紅褐色的色素從而制紅茶。制綠茶時先需馬上殺青以破壞酚氧化酶。傷呼吸：植物組織受傷后呼吸增強的部分。它與酚氧化酶活性增加有關?？箟难嵫趸福悍植荚诩毎|中，含Cu，將維生素C(抗壞血酸)氧化為脫氫抗壞血酸；與植物的受精作用、能量代謝、物質合成有密切關系；對氧的親和力低，受氰化物抑制，對CO不敏感

40、。乙醇酸氧化酶：為一種黃素蛋白，含F(xiàn)MN，不含金屬；催化乙醇酸氧化為乙醛酸并產生H2O2，與甘氨酸和草酸的合成有關；與氧的親和力極低，不受氰化物、CO的抑制。黃素氧化酶(黃酶)：不含金屬；存在于乙醛酸循環(huán)體，把脂肪氧化分解最后形成H2O2。過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物岐化酶：生物體內在逆境、衰老、物質氧化等時體內會產生過氧化物、H2O2和自由基(活性氧)。O2+e-O2.+2H+H2O2(SOD催化)SOD:Cu-Zn-SOD(高等植物的葉綠體和細胞質)，Mn-SOD(線粒體,細菌)，F(xiàn)e-SOD(細菌)。H2O2的清除:H2O2在過氧化氫酶(CAT)作用下生成水和O2；酚類、胺類等物質在

41、過氧化物酶(POD)作用下被氧化,脫下的氫用于生成水。2.4.2未端氧化酶的多樣性植物體內的末端氧化酶的多樣性能使植物在一定范圍內適應各種外界環(huán)境。細胞色素氧化酶對O2的親和力大，所以在低氧濃度時仍能發(fā)揮作用。酚氧化酶、黃酶對氧的親和力較低，故只能在高O2時起作用。在蘋果果肉外以酚氧化酶和黃酶為主，而內部以細胞色素氧化酶為主。細胞色素氧化酶對溫度最敏感，黃酶對溫度不敏感，故低溫、成熟時蘋果以黃酶為主，未成熟成氣溫高時以細胞色素氧化酶為主。2.5呼吸代謝的能量變化及調節(jié)2.5.1呼吸代謝能量的貯存呼吸代謝中伴隨著物質的氧化分解，不斷釋放能量。除部分以熱能散失外，其余能量以高能鍵形成貯存。植物體內

42、的高能鍵主要是高能磷酸鍵ATP或GTP(動物TCA中a-酮戊二酸的氧化脫羧生成琥珀酰輔酶A，它在硫激酶作用下高能硫酯鍵中的能量轉移到GTP，再傳遞給ATP)，其次是硫酯鍵。其中以腺苷三磷酸（adenosine triphosphate,ATP）中的高能磷酸鍵最重要。 生成ATP的方式有兩種：一是氧化磷酸化，二是底物水平的磷酸化（substrate-level phosphorylation）。二者相比，前者為主，后者僅占一小部分。氧化磷酸化在線粒體內膜上的呼吸鏈和ATP合酶復合體中完成，需要O2參加。底物水平磷酸化在細胞質基質和線粒體襯質中進行，沒有O2參加，只需要代謝物脫氫（或脫水），其分子

43、內部所含能量的重新分布，即可生成高能鍵，接著高能磷酸基轉移到ADP上，生成ATP。真核細胞中1mol葡萄糖經EMP-TCA循環(huán)、呼吸鏈徹底氧化后共生成36(30)molATP。2.5.2呼吸代謝能量的利用率從呼吸作用的能量效率來看，真核細胞中每mol葡萄糖在pH7的標準條件下經EMP-TCA循環(huán)-呼吸鏈徹底氧化，標準自由能變化（G0）為2870kJ，而1molATP水解時，其末端高能磷酸鍵（P）可釋放能量為30.5kJ,36molATP釋放的能量為30.5KJ36=1098KJ,因此，高等植物和真菌中葡萄糖經EMP-TCA循環(huán)呼吸鏈進行有氧呼吸時，能量利用效率為1098/2870100%=38

44、.25%，其余的61%以熱的形式散失了。對原核生物來說，EMP中形成的2molNADH可直接經氧化磷酸化產生6molATP，因此mol葡萄糖的徹底氧化共生成38molATP,其能量利用率為30.538/2870100%=40.38%,比真核細胞要高一些。在植物生命活動過程中，對礦質營養(yǎng)的吸收和運輸、有機物合成和運輸、細胞的分裂和分化、植物的生長、運動、開花、受精、結果等等都依賴于ATP分解所釋放的能量。2.5.3呼吸代謝與物質轉化呼吸代謝在植物體內蛋白質、脂肪、糖類及核酸等有機物代謝轉化中起樞紐作用。植物體的構建所需的原料由呼吸代謝的中間物所提供。2.5.4呼吸作用的調節(jié)（1）EMP途徑的調節(jié)

45、巴斯德效應：有氧條件下酒精發(fā)酵受抑制的現(xiàn)象。即O2可以降低糖類的分解代謝和減少EMP產物的積累。EMP兩個關鍵酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。ATP、檸檬酸、PEP為主要負效應物，而K、Mg、Pi可提高酶活性。在有氧時丙酮酸進入線粒體生成ATP和檸檬酸抑制丙酮酸激酶，導致PEP、3-PGA量上升，進而對磷酸果糖激酶有反饋抑制作用；無氧時積累較多的Pi和ADP，有促進作用；有氧時細胞質中的NADH進入線粒體內膜的呼吸鏈，因缺乏NADH而丙酮酸不能被還原為酒精，因而發(fā)酵作用受抑制。（2）TCA循環(huán)的調節(jié)丙酮酸脫氫酶系：活性受CoA和NAD+的促進，受乙酰CoA和NADH的抑制；ATP濃度高時該酶被磷

46、酸化而失活；丙酮酸濃度高時則會降低該酶的磷酸化程度提高此酶的活性，促進TCA循環(huán)。其他：NADH和ATP對檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等有抑制作用，NAD+、高比例的NAD+/NADH和ADP則為其激活劑；AMP對a-酮戊二酸脫氫酶有促進作用；反饋抑制：如a-酮戊二酸對異檸檬酸脫氫酶的抑制，草酰乙酸對蘋果酸脫氫酶的抑制。（3）PPP的調節(jié)受NADPH/NADP+調節(jié)。G6P脫氫酶為PPP的關鍵酶，受NADPH抑制，NADP+促進其活性；NADPH抑制6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶活性；降低NADPH/NADP+可促進PPP進行。光照充分、供氧可促進NADPH被利用，促進PPP；植物受旱、

47、受傷、衰老、種子成熟過程PPP加強。（4）電子傳遞途徑的調節(jié)兩條主要電子傳遞途徑：細胞色素途徑(CP)和交替氧化途徑(AP)。內源水楊酸(SA)可誘導交替氧化途徑的進行；缺磷時PPP增加，細胞色素途徑減弱。（5）能荷(energycharge)能荷庫:ATP,ADP,AMP.能荷:總的腺苷酸系統(tǒng)中所負荷的高能磷酸基數(shù)量,是細胞中高能磷酸狀態(tài)一種數(shù)量上的衡量，體現(xiàn)著細胞中腺甘酸系統(tǒng)的能量狀態(tài)。 能荷的大小決定于ATP和ADP的多少。它的值可以從01,一般為0.750.95范圍。當全部腺苷酸都轉化成ATP時,能荷為1.0；全為ADP時EC=0.5；當全為AMP時EC=0。ATP的生成和消耗途徑以及

48、細胞內的反應是和細胞內能量載荷狀態(tài)相呼應的。能荷高時,ATP生成過程受抑制,合成代謝增強從而促進ATP的利用。能荷低時,減少利用ATP,增加分解代謝從而增加產生ATP。如高濃度ATP,低水平AMP會降低檸檬酸合酶和異檸檬酸脫氫酶的活性,從而使TCA活性降低。表明生物體內ATP的利用和形成有自我調節(jié)與控制的作用。2.6 影響呼吸作用的因素2.6.1呼吸作用的指標呼吸作用的強弱和性質，一般可以用呼吸速率和呼吸商兩種生理指標來表示。 （1）呼吸速率（respiratory rate）又稱呼吸強度，是最常用的生理指標。通常以單位時間內單位鮮重或干重植物組織或原生質釋放的CO2 2.4.1末端氧化酶(t

49、erminal oxidase) 定義：指能將底物上脫下的電子最終傳給O2，使其活化并形成H2O或H2O2的量（QCO2）或吸收O2的量（QO2）來表示。常用單位有：molCO2/g(FW或DW)/h，molO2/g(FW或DW)/h，molO2/mg（蛋白）/h，lO2/g(DW)/h等。（2）呼吸商（respiratory quotient,R.Q），又稱呼吸系數(shù)（respiratory coefficient），同一植物組織在一定時間內所釋放的CO2與所吸收的O2的量(體積或摩爾數(shù))的比值。它表示呼吸底物的性質及氧氣供應狀態(tài)的一種指標。RQ=釋放的CO2/吸收O2的量呼吸底物不同，RQ不

50、同：糖徹底氧化時RQ=1；葡萄糖氧化時RQ=1；富含氫的脂肪、蛋白質為呼吸底物時吸收的氧多，RQ1。蘋果酸(C4H6O)氧化時RQ=1.33。環(huán)境的氧供應對RQ影響很大。如糖在無氧時發(fā)生酒精發(fā)酵，只有CO2產生，無O2的吸收，則RQ遠大于1。如不完全氧化吸收的氧保留在中間產物中放出的CO2量相對減少，RQ會小于1。2.6.2影響呼吸速率的內部因素（1）植物種類生長快的植物呼吸速率高于生長慢的植物。（2）同一植株不同器官，呼吸速率有所不同。主要因代謝不同、非代謝組成成分的相對比重不同等影響。生長旺盛、細嫩部位呼吸速率高；生殖器官比營養(yǎng)器官呼吸速率高。雌蕊較高，雄蕊中以花粉為最強。（3）同一器官不

51、同組織的呼吸速率不同。（4）同一器官在不同的生長發(fā)育時期中呼吸速率也表現(xiàn)不同。（5）呼吸速率與植物年齡有關。（6）呼吸速率也表現(xiàn)出周期性變化，與外界環(huán)境、體內的代謝強度、酶活性、呼吸底物的供應情況等有關。（7）呼吸底物充足時呼吸強度高。（8）水分含量高時呼吸增強。糧食貯藏時要曬干。2.6.3影響呼吸速率的外部因素環(huán)境對呼吸作用的影響表現(xiàn)在：影響酶的活性進而影響呼吸速率；影響呼吸途徑：EMP-TCA、PPP、有氧呼吸與無氧呼吸、抗氰呼吸；影響呼吸底物，RQ可表現(xiàn)出變化。（1）溫度呼吸在一定溫度范圍內隨溫度的升高而呼吸增高，達到最大值后，繼續(xù)升高時呼吸則下降。最適溫度：指呼吸保持穩(wěn)態(tài)的最高呼吸強度

52、時的溫度，一般為2535(溫帶植物)。比同種植物光合作用的最適溫度高。最低溫度因植物種類、同一植物不同生理狀態(tài)有很大差異。一般在0時呼吸就進行很慢。冬小麥在0-7仍可進行呼吸。有些多年生越冬植物在-25仍呼吸，但在夏天溫度低于-4-5時就不能忍受低溫而停止呼吸。呼吸作用最高溫度一般為3545間。最高溫度在短時間內可使呼吸速率較最適溫度時要高，但溫度越高時間越長，呼吸迅速下降；溫度過高或過低都會影響酶活性，進而影響呼吸速率。溫度升高10所引起的呼吸速率增加的倍數(shù)，稱為溫度系數(shù)(Temperature coefficient,Q10)。Q10=(t+10)時的呼吸速率/t時的呼吸速率。大部分植物器

53、官，025溫度范圍內Q10為22.5，但溫度進一步增加至3035，呼吸速率雖仍增加，但Q10開始下降?？赡茉蚴荗2的擴散到細胞中去的速率限制了反應速率的加快，CO2或O2的擴散作用的Q10僅為1.1，溫度對提高擴散速率作用不大。個體發(fā)育過程中，器官的Q10與該器官發(fā)育所需的自然溫度相符合。北方冬小麥葉子在溫度較低時呼吸作用的Q10比在高溫下高，而在后期，氣溫較高時葉子在高溫下的Q10比在低溫下的高。種子的低溫貯藏是利用低溫下呼吸減弱以減少呼吸消耗，但不能太低到破壞植物組織的程度。早稻浸種時用溫水淋沖翻堆是為了控制溫度、通風以利于種子萌發(fā)。（2）氧氣氧濃度影響著呼吸速率。當濃度低于20%時呼吸

54、速率開始下降。氧濃度影響著呼吸類型。在低氧濃度時逐漸增加氧，無氧呼吸會隨之減弱，直至消失；無氧呼吸停止進行時的組織周圍空氣中最低氧含量稱為無氧呼吸的消失點。水稻和小麥的消失點約為18%，蘋果果實的消失點約為10%。在組織內部，由于細胞色素氧化酶對O2的親和力極高，當內部氧濃度為大氣氧濃度時的0.05%時有氧呼吸仍可進行。隨著氧濃度的增高，有氧呼吸也增加，此時呼吸速率也增加，但氧濃度增加到一定程度時對呼吸作用就沒有促進作用。此氧濃度稱為呼吸作用的氧飽和點。在常溫下許多植物在大氣氧濃度(21%)下即表現(xiàn)飽和。一般溫度升高，氧飽和點也提高。氧濃度過高：對植物有害，這可能與活性氧代謝形成自由基有關。氧濃度低時，無氧呼吸增強，產生酒精中毒；過多在消耗體內營養(yǎng)，正常合成代謝缺乏原料和能量；根系缺氧會抑制根系生長跋於鑰籩視退值奈鍘?Br（3）CO2環(huán)境中CO2濃度增高時脫羧反應減慢，呼吸作用受抑制。當CO2濃度高于5%呼吸作用受明顯抑制，達10%時可使植物死亡。因此可用高濃度CO2來貯藏果疏。（4）水分整體植物的呼吸速率一般是隨著植物組織含水量的增加而升高。干