植物的呼吸作用教案

1、課 題植物的呼吸作用課 時(shí)2教學(xué)目的與要 求了解呼吸作用的概念及其生理意義；了解呼吸作用的生理指標(biāo)及其影響因素；掌握測定呼吸速率的基本方法；了解果實(shí)、塊根、塊莖等器官的呼吸特點(diǎn)和這些器官貯藏保鮮的關(guān)系；了解呼吸作用和光合作用的關(guān)系 教學(xué)重點(diǎn)與難 點(diǎn)（一）重點(diǎn)1、有氧和無氧兩大呼吸類型的特點(diǎn)、反應(yīng)式、生理意義和異同點(diǎn)； 2、外界條件對呼吸速率的影響：溫度、氧氣、二氧化碳、水分；(二) 難點(diǎn) 種子的安全貯藏與呼吸作用、果實(shí)的呼吸作用教學(xué)過程主 要 內(nèi) 容 及 步 驟備 注第一節(jié) 呼吸作用一、呼吸作用的概念及特點(diǎn)二、光合作用與呼吸作用的關(guān)系三、呼吸作用的生理意義四、呼吸作用的指標(biāo)與測定方法 光合作用

2、與呼吸作用是植物代謝的兩大核心內(nèi)容。前者是物質(zhì)合成與能量貯存過程，屬于同化作用；后者是物質(zhì)分解與能量釋放過程，屬于異化作用。生物的生長發(fā)育過程離不開能量，一切代謝過程都需要能量的推動(dòng)。呼吸作用正是為生命活動(dòng)提供能量的過程。沒有呼吸就沒有生命。第一節(jié) 呼吸作用 一、呼吸作用的概念及特點(diǎn)（一）呼吸作用的概念呼吸作用是指生活細(xì)胞，在酶的參與下，逐步氧化分解有機(jī)物并釋放能量的過程。根據(jù)是否需要氧氣，分為有氧呼吸(aerobic respiration)與無氧呼吸(anaerobic respiration)：1、有氧呼吸 指生活細(xì)胞吸收O2，把有機(jī)物進(jìn)行徹底的氧化分解，形成H2O和CO2，同

3、時(shí)釋放能量的過程。呼吸作用分解的有機(jī)物稱呼吸底物或者呼吸基質(zhì)（respiratory substrate），以糖為主，一些有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、脂肪也可以作為呼吸底物。若以葡萄糖為呼吸底物，則有氧呼吸可用下式表示：C6H12O66O26CO26H2O能量 Gº=2872.1kJ其中Gº是指pH為7時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化。有氧呼吸總反應(yīng)式與燃燒反應(yīng)式相同，但應(yīng)該注意的是，在燃燒時(shí)底物分子與O2反應(yīng)激烈，能量以熱的形式釋放；而在呼吸作用過程中，能量是逐步釋放的，一部分能量首先轉(zhuǎn)移到ATP和NADH中貯備，成為活躍的化學(xué)能，隨時(shí)供應(yīng)生命活動(dòng)使用；另一部分則以熱的形式放出。有氧呼吸是高等植物

4、呼吸作用的主要形式。2、無氧呼吸 指生活細(xì)胞在無氧條件下，把有機(jī)物進(jìn)行不徹底的氧化分解，同時(shí)釋放出部分能量的過程。與有氧呼吸相比，無氧呼吸的特點(diǎn)是不吸收O2，底物分解不徹底，釋放能量少。微生物的無氧呼吸又稱發(fā)酵（fermentation）。有酒精發(fā)酵和乳酸發(fā)酵。例如酵母菌在無氧條件下分解葡萄糖產(chǎn)生酒精稱為酒精發(fā)酵，其反應(yīng)式是：C6H12O62C2H5OH2CO2+能量 G Gº'=100.5kJ 高等植物也可以發(fā)生酒精發(fā)酵，例如蘋果貯存久了有酒味，便是酒精發(fā)酵的結(jié)果，甘薯、蘋果、香蕉貯藏久了也會(huì)發(fā)生酒精發(fā)酵。乳酸菌在無氧條件下產(chǎn)生乳酸，稱乳酸發(fā)酵。其反應(yīng)式為：C6H12O62

5、CH3CHOHCOOH能量 Gº'=75.4kJ馬鈴薯塊莖、甜菜塊根以及青貯飼料或腌酸菜時(shí)都會(huì)發(fā)生這種發(fā)酵作用。由此看來，廣義的呼吸作用包括有氧呼吸和無氧呼吸；狹義的呼吸作用專指有氧呼吸，通常所說的呼吸主要是指有氧呼吸。正常情況下，有氧呼吸是高等植物呼吸的主要形式，但在某些情況下，植物也進(jìn)行無氧呼吸，如遇缺氧以及植物的深層組織中常有無氧呼吸的發(fā)生。（二）呼吸作用的特點(diǎn)從呼吸作用的總反應(yīng)式來看，它同光合作用一樣是一個(gè)氧化還原過程。C6H12O6是還原劑，O2是氧化劑。在這一過程中伴隨著物質(zhì)的分解與能量的釋放。另外，反應(yīng)過程中有H2O的參與，所以，呼吸作用的反應(yīng)式應(yīng)寫為：C6H1

6、2O66H2O6O26CO212H2O能量 二、光合作用與呼吸作用的關(guān)系光合作用是制造有機(jī)物，貯存能量的過程，呼吸作用是分解有機(jī)物，釋放能量的過程。兩者既相互對立又相互依存，共同存在于統(tǒng)一的有機(jī)體中。沒有光合作用形成的有機(jī)物，就不可能有呼吸作用，沒有呼吸作用，光合作用也無法完成。光合作用與呼吸作用在原料、產(chǎn)物、發(fā)生部位、發(fā)生條件以及物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換等方面有明顯的區(qū)別?？偨Y(jié)光合作用與呼吸作用的相互依存關(guān)系，主要有以下幾個(gè)方面。第一，互為原料和產(chǎn)物。光合釋放的O2可供呼吸利用，呼吸釋放的CO2為光合作用原料。第二，能量代謝。光合與呼吸過程中都有ATP和NADPH產(chǎn)生，所需ADP和NADP在

7、光合與呼吸中共用。第三，光合卡爾文循環(huán)與呼吸的PPP途徑基本上是逆過程，許多中間產(chǎn)物，如三碳糖（磷酸甘油醛）、四碳糖（磷酸赤蘚糖）、五碳糖（磷酸核糖、核酮糖、木酮糖）、六碳糖（磷酸葡萄糖和果糖）、七碳糖（磷酸景天庚糖）等可以交替使用。三、呼吸作用的生理意義呼吸作用的生理意義可以概括為以下幾個(gè)方面：1、呼吸作用為生命活動(dòng)提供直接能源ATP 生物體內(nèi)的一切代謝過程都需要能量維持，生命活動(dòng)所需的能量都依賴于呼吸作用。呼吸作用釋放的能量除一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙簧⑹У敉?，大部分則以ATP的形式貯存起來，供生命活動(dòng)利用。沒有呼吸提供的ATP，生命活動(dòng)就會(huì)停止。2、呼吸作用為生物合成提供還原力 植物的生長發(fā)育過

8、程以物質(zhì)合成為基礎(chǔ)，而這些合成過程常需要還原力。如硝酸鹽的還原和氨基酸的合成需糖酵解提供NADH；PPP途徑為脂肪合成提供NADPH。呼吸作用產(chǎn)生的還原力一部分通過電子傳遞與氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，另一部分則直接作為生物合成的還原力。3、呼吸作用為其它生物合成提供原料 呼吸作用在分解有機(jī)物質(zhì)的過程中產(chǎn)生了許多中間產(chǎn)物，其中有些中間產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，如丙酮酸、-酮戊二酸、蘋果酸等，它們是合成核酸、蛋白質(zhì)、糖以及其它物質(zhì)的原料。如-酮戊二酸是氨基酸、蛋白質(zhì)合成的原料之一。4、呼吸作用在植物抗病免疫方面有著重要作用 植物感病后，在與病原微生物相互作用過程中，依靠呼吸作用氧化分解病原微生物分泌的毒

9、素，消除其毒害。同時(shí)通過旺盛的呼吸作用，促進(jìn)傷口愈合，加速木質(zhì)化或者栓質(zhì)化，以減少病菌的浸染。其次，呼吸作用還可以加強(qiáng)綠原酸、咖啡酸等具有殺菌作用的物質(zhì)的合成，增強(qiáng)植物的免疫力。另外，呼吸放熱可以提高體溫，有利于種子萌發(fā)、幼苗生長、開花、傳粉、受精等。四、呼吸作用的指標(biāo)與測定方法衡量呼吸作用的指標(biāo)主要有兩個(gè)，一是呼吸速率，另一個(gè)是呼吸商。1、呼吸速率呼吸速率（respiratory rate） 又稱呼吸強(qiáng)度，是常用的呼吸指標(biāo)。指單位植物材料（鮮重、干重、原生質(zhì)），在單位時(shí)間內(nèi)，呼吸釋放的CO2或吸收O2的量。它是反映細(xì)胞代謝強(qiáng)度的指標(biāo)。常用單位有：O2微升（L）·克鮮重（干重）-&#

10、183;小時(shí)-，CO2微升（L）·克鮮重（干重）-·小時(shí)-，O2微升（L）·mgN-·小時(shí)- 等等。呼吸速率具體的測定方法有多種。常用的有：用紅外線CO2分析儀測定CO2的釋放量；用氧電極測氧裝置測定O2的吸收量。另外還有廣口瓶法、瓦布格呼吸計(jì)微量檢壓法等。通常進(jìn)行氣態(tài)檢測時(shí)常用測定CO2的方法，進(jìn)行液態(tài)檢測時(shí)常用測定O2的方法。2、呼吸商呼吸商（respiratory quotient, RQ）又稱呼吸系數(shù)(respiratory coefficient)，是呼吸作用釋放的CO2摩爾數(shù)或體積與吸收O2的摩爾數(shù)或體積之比。即RQ QCO2 / QO2影響

11、呼吸商大小的因素主要有兩個(gè)方面：一是呼吸底物的性質(zhì)；二是氧氣的供應(yīng)情況。（1）呼吸底物的性質(zhì)a當(dāng)呼吸底物是碳水化合物，又被完全氧化時(shí)，RQ1。如：以葡萄糖為底物。C6H12O66O26CO26H2O RQ6/61b當(dāng)呼吸底物是富氫物質(zhì)時(shí)，氧化分解需氧較多，RQ<1。如以棕櫚酸為呼吸底物：C16H32O211O2C12H22O114CO25H2O RQ4/110.36c當(dāng)呼吸底物是富氧物質(zhì)時(shí)，氧化分解需氧較少，RQ>1。如以蘋果酸為呼吸底物：C4H6O53O24CO23H2O RQ4/31.33由此可見，呼吸商大小是表示呼吸底物性質(zhì)的良好指標(biāo)。（2）氧氣的供應(yīng)情況 在缺氧狀態(tài)下，RQ

12、會(huì)異常地升高。相反，若呼吸過程中形成了不完全氧化的中間產(chǎn)物，釋放CO2少，氧較多地保留在中間產(chǎn)物中，RQ就會(huì)小于1。  第二節(jié) 植物呼吸作用的過程 呼吸作用是呼吸底物氧化降解的過程。呼吸作用的底物主要是糖類，其生化過程主要是指糖的氧化降解過程。呼吸代謝生化過程脫下的氫被NAD或者FAD所接受，產(chǎn)生NADH或FADH2，然后通過電子傳遞和氧化磷酸化過程，由一系列的傳遞H和電子的傳遞體將氫交給其它的受體，在需氧生物中氫最后交給氧，形成H2O，并產(chǎn)生ATP，以滿足生命活動(dòng)的需要。 一、呼吸代謝的生化途徑高等植物中，存在著多條呼吸代謝的生化途徑，這是植物在長期進(jìn)

13、化過程中對多變環(huán)境條件的適應(yīng)。呼吸作用的生化過程主要是指糖的氧化降解過程，主要的途徑有三條：糖酵解（EMP）酒精或乳酸發(fā)酵；糖酵解-三羧酸循環(huán)（TCA）；磷酸戊糖途徑（PPP）。（一）糖酵解糖酵解（glycolysis）是在無氧條件下，淀粉、葡萄糖或果糖分解成丙酮酸的過程，亦稱EMP途徑，以紀(jì)念為此作出巨大貢獻(xiàn)的三位生物化學(xué)家Embden，Meyerhof和Parnas。這一過程是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的。糖酵解的生化歷程（圖4-3）可分為己糖活化、果糖-1,6-二磷酸的裂解和丙酮酸的形成三個(gè)階段。己糖首先在己糖激酶的作用下，消耗2個(gè)ATP逐步轉(zhuǎn)化為果糖-1,6-二磷酸（F-1，6-BP）；活化的己糖

14、在醛縮酶的作用下形成甘油醛-3-磷酸和二羥丙酮磷酸，后者在異構(gòu)酶的作用下可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦视腿?3-磷酸；甘油醛-3-磷酸氧化脫氫形成磷酸甘油酸，釋放能量產(chǎn)生1個(gè)ATP和1個(gè)NADH。然后，磷酸甘油酸經(jīng)脫水、脫磷酸形成丙酮酸，并產(chǎn)生一個(gè)ATP。通過糖酵解，C6H12O6被降解成丙酮酸，同時(shí)產(chǎn)生2個(gè)NADH和2個(gè)ATP。丙酮酸在缺氧條件下脫羧成乙醛，再被NADH還原成乙醇，或者丙酮酸直接被NADH還原成乳酸；在有氧條件下丙酮酸進(jìn)入TCA環(huán)，完全氧化成H2O和CO2，NADH則進(jìn)入呼吸鏈（圖4-4）。所以，糖酵解是有氧呼吸與無氧呼吸共同經(jīng)歷的階段，從丙酮酸開始分道揚(yáng)鑣。EMP過程中凈得2個(gè)ATP，這種不

15、經(jīng)過呼吸鏈而由底物氧化直接產(chǎn)生ATP的過程，稱底物水平磷酸化。底物水平磷酸化是由于在底物氧化過程中形成了某些高能磷酸化合物，如甘油酸-1,3-二磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸等，此類化合物的能量在酶的催化下，轉(zhuǎn)移到ADP上，生成ATP。XPADPATPX糖酵解總反應(yīng)式可概括為：C6H12O62NAD+2ADP2Pi2CH3COCOOH2ATP2(NADHH)2H2O（二）三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）是指糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸在有氧條件下，經(jīng)過一個(gè)包括三羧酸和二羧酸的循環(huán)完全氧化，產(chǎn)生H2O和CO2的過程。這一過程是英國生物化學(xué)家Hans k

16、rebs首先發(fā)現(xiàn)的，所以，又稱krebs循環(huán)。三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行，生化過程如圖4-5。丙酮酸在進(jìn)入循環(huán)前首先脫掉一個(gè)CO2，產(chǎn)生一個(gè)NADH和一個(gè)乙酰CoA。NADH進(jìn)入呼吸鏈，含有2個(gè)碳的乙酰CoA進(jìn)入TCA環(huán)，然后經(jīng)二次脫羧放出2個(gè)CO2，4次脫H，產(chǎn)生3個(gè)NADH和一個(gè)FADH2，進(jìn)入呼吸鏈。通過底物氧化還產(chǎn)生一個(gè)高能化合物GTP。這樣，通過糖酵解-三羧酸循環(huán)，一個(gè)分子葡萄糖分解得： C6H12O6O22CH3COCOOH2H2O2ATP2NADH2H+ 2CH3COCOOH6H2O6CO28NADH10H2GTP2FADH2 2GTP2ADP2GDP2ATP6 C6H12O6

17、6O26CO26H2O10NADH2FADH24ATP12H+ （三）磷酸戊糖途徑（PPP）EMP-TCA途徑是呼吸作用底物氧化的主要途徑，但不是唯一途徑。20世紀(jì)50年代已發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)還有一條不經(jīng)過糖酵解，葡萄糖-6-磷酸直接被氧化的途徑，稱磷酸戊糖途徑或磷酸戊糖支路。它在植物體內(nèi)普遍存在，在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，磷酸戊糖是其中間產(chǎn)物（圖4-6）。PPP途徑從C1位脫羧，用C1位標(biāo)記的葡萄糖-6-磷酸飼喂植物，測定釋放的標(biāo)記CO2的量，即可測出PPP途徑與糖酵解途徑的比例。比值越小，PPP途徑所占比例越高。呼吸作用的糖酵解與磷酸戊糖途徑都是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行。在一個(gè)無結(jié)構(gòu)的溶液中，各種酶之所

18、以能保持有序的催化功能和相當(dāng)高的活性，主要決定于酶與底物的濃度與親和力。另外還有NAD和NADP的比例。若NADP濃度高于NAD，PPP占主要地位，如脂肪酸和甾醇合成速度快時(shí)，NADPH迅速被利用，NADP+濃度升高，則有利于PPP途徑。若氧濃度較高，NADH被線粒體迅速氧化，NAD濃度升高，促進(jìn)EMP-TCA環(huán)進(jìn)行。PPP途徑的特點(diǎn)與意義主要有以下幾個(gè)方面：1、氧化還原輔酶不是NAD而是NADP 產(chǎn)生的還原力NADPH不進(jìn)入呼吸鏈，主要作為還原力，NADPH為脂肪合成所必需。在年老組織、受干旱或受傷時(shí)PPP比例較大。2、PPP途徑的許多中間產(chǎn)物是溝通各種代謝的原料 如核酮糖-5-磷酸和核糖-

19、5-磷酸是合成核酸的原料。丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖也是光合作用過程中卡爾文循環(huán)的中間產(chǎn)物，把呼吸與光合聯(lián)系起來。3、提高植物的抗逆性 赤蘚糖-4-磷酸與PEP合成莽草酸，經(jīng)過莽草酸途徑合成具有抗病作用的綠原酸、咖啡酸等酚類物質(zhì)。所以，在逆境條件下，PPP途徑占比例較高。植物呼吸代謝的生化途徑除了糖酵解、糖酵解-三羧酸循環(huán)、磷酸戊糖途徑這三個(gè)主要途徑外，還有脂肪酸氧化分解的乙醛酸循環(huán)以及乙醇酸氧化途徑，這里不再祥述。二、電子傳遞與氧化磷酸化 三羧酸循環(huán)等呼吸代謝過程脫下的氫被NAD或者FAD所接受，產(chǎn)生NADH或FADH2，它們在將氫交給其它的受體，在需氧生物中，氫最后交給氧，形成H2O。這

20、種在生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化作用，稱為生物氧化（biological oxidation）。這一氧化還原反應(yīng)過程發(fā)生在線粒體內(nèi)，由一系列的傳遞H和電子的傳遞體完成，因而有別于體外的直接氧化。體外燃燒或者純化學(xué)的氧化一般是在高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下短時(shí)間內(nèi)完成的，并伴隨著大量能量的急劇釋放；而生物氧化則是在細(xì)胞內(nèi)、常溫、常壓、接近中性的pH值和有水的環(huán)境下，由一系列的酶、輔酶、輔基以及中間傳遞體的共同作用下逐步完成的，氧化反應(yīng)分階段進(jìn)行，能量是逐步釋放的。生物氧化過程中釋放的能量一部分以熱能的形式散失，另一部分則貯存在ATP中，以滿足生命活動(dòng)的需要。生物氧化過程可以分為電子傳遞和氧化磷酸化兩個(gè)過程

21、。（一）電子傳遞呼吸作用經(jīng)糖酵解和TCA環(huán)脫H，產(chǎn)生NADH和FADH2。這些H不能與O2直接結(jié)合成H2O，必須經(jīng)過一系列電子或H傳遞體傳遞，最后與O2結(jié)合。這一過程在線粒體膜上進(jìn)行。這些呼吸傳遞體可以分為兩類：氫傳遞體和電子傳遞體。各種電子與H傳遞體按氧化還原電位勢高低排列成一條軌道，稱為呼吸鏈或呼吸電子傳遞鏈。呼吸鏈傳遞體傳遞電子的順序是：代謝物 NAD FAD UQ 細(xì)胞色素系統(tǒng) O2。線粒體膜上的5種酶復(fù)合體如下：1、復(fù)合體 又稱NADH：泛醌氧化還原酶，含25種不同的蛋白質(zhì)。其功能是催化線粒體基質(zhì)中TCA環(huán)產(chǎn)生的NDAHH的2個(gè)H經(jīng)FMN轉(zhuǎn)運(yùn)到膜間空間，同時(shí)再經(jīng)過Fe-S將2個(gè)電子傳

22、遞到UQ（又稱輔酶Q，CoQ）；UQ再與基質(zhì)中的H結(jié)合，生成還原型泛醌（ubiquinol, UQH2）。該酶可被魚藤酮（rotenone）、殺粉蝶菌素A（piericidin A）、巴比妥酸（barbital acid）所抑制。2、復(fù)合體II 又稱琥珀酸：泛醌氧化還原酶，含45種不同蛋白質(zhì)。功能是催化琥珀酸氧化為延胡索酸，并將H轉(zhuǎn)移到FAD生成FADH2，然后再把H轉(zhuǎn)移到UQ生成UQH2。該酶活性可被2-噻吩甲酰三氟丙酮（thenoyltrifluoroacetone, TTFA）所抑制。3、復(fù)合體 又稱UQH2：細(xì)胞色素c氧化還原酶，含910種不同的蛋白質(zhì)。其功能是催化電子從UQH2經(jīng)Cy

23、t b、Fe-S、Cyt c1傳遞到Cyt c，這一反應(yīng)與跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)，將2個(gè)H釋放到膜間空間。 4、復(fù)合體 又稱Cyt c：細(xì)胞色素氧化酶，含多種不同蛋白質(zhì)。主要成分是Cyt a 和 Cyt a3及2個(gè)Cu原子，組成2個(gè)氧化還原中心Cyt a、CuA和Cyt a3、CuB。其功能是將Cyt c中的電子傳遞給分子氧，氧原子還原成H2O。5、復(fù)合體 又稱ATP合成酶，或H-ATP酶復(fù)合體，由8種不同的亞基組成，它們又分別構(gòu)成2個(gè)蛋白復(fù)合體（F1-F0）。它利用呼吸鏈上復(fù)合體、運(yùn)行產(chǎn)生的質(zhì)子能，將ADP和Pi合成ATP。其中氫傳遞體主要有3個(gè)：NAD、FAD和UQ；電子傳遞體屬于細(xì)胞色素類，

24、是含F(xiàn)e的血紅素蛋白，包括細(xì)胞色素b、c、a、a3。當(dāng)氫（2H2H+2e-）通過UQ（泛醌）后，分離成2H和2e-，2e-沿著細(xì)胞色素c、c1、a，最后傳遞給a3，a3把電子交給O2，活化O2成O2-，O2-與H結(jié)合成H2O。由于細(xì)胞色素氧化酶所起的作用在整個(gè)生物氧化過程的末端，也是整個(gè)有氧呼吸的末端，故稱這種酶為末端氧化酶。在呼吸鏈中，各種電子或H載體的順序是固定不變的，電子只能從底物流向氧分子，其原因一方面是各個(gè)系統(tǒng)有專一性，另一方面各電子載體的氧化還原電位不同，底物脫H時(shí)電位最高，順次下來，分子氧最低。電子總是由高電位流向低電位。（二）氧化磷酸化底物脫下的H通過呼吸鏈傳遞到O2的過程中，

25、伴隨著ATP的合成。即氧化作用與磷酸化作用同時(shí)進(jìn)行，這一過程稱氧化磷酸化作用或者氧化磷酸化偶聯(lián)反應(yīng)。氧化與磷酸化的偶聯(lián)關(guān)系可用P/O比表示。P/O表示每消耗一個(gè)氧原子有幾個(gè)ADP變成ATP。NADH的P/O比約為3，F(xiàn)ADH2的P/O比約為2。有兩類物質(zhì)能破壞氧化磷酸化作用，一類是解偶聯(lián)劑，如2，4-二硝基苯酚（DNP），可以阻礙磷酸化而不影響氧化，不產(chǎn)生ATP，呼吸空轉(zhuǎn)。旱害、寒害或缺鉀都會(huì)造成氧化磷酸化解偶聯(lián)。另一類是電子傳遞抑制劑，打斷電子傳遞過程，使磷酸化作用因得不到能量而受阻。如魚藤酮可阻斷H從NADH向FMN的傳遞；抗霉素A打斷電子從Cytb向Cytc的傳遞；氰化物（CN-）、疊氮

26、化合物（N3-）、CO則阻礙電子從Cyta向Cyta3的傳遞。關(guān)于氧化磷酸化的機(jī)理目前有三種學(xué)說：化學(xué)滲透學(xué)說、構(gòu)象偶聯(lián)學(xué)說和化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說，其中化學(xué)滲透學(xué)說最重要，這里僅此作一介紹。化學(xué)滲透學(xué)說是英國生物化學(xué)家P. Mitchell于1961年提出的，其主要論點(diǎn)是：呼吸鏈存在于內(nèi)膜上，內(nèi)膜對離子的透性極小。當(dāng)呼吸鏈中的遞H體從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)接受從底物傳來的氫（2H）時(shí)，將其中的電子（2e-）傳給其后的電子傳遞體，而將2H泵出內(nèi)膜。由于質(zhì)子不能自由通過內(nèi)膜，在內(nèi)膜外側(cè)氫離子濃度高于內(nèi)側(cè)。于是，在內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子濃度差和電位差，外正內(nèi)負(fù)，兩者合稱為質(zhì)子動(dòng)力勢（pmf），它是質(zhì)子返回膜內(nèi)的動(dòng)力。當(dāng)質(zhì)子通過

27、膜上的F1-F0復(fù)合物（ATP酶）返回內(nèi)側(cè)時(shí)，ADP與Pi結(jié)合形成ATP。在呼吸鏈中，每傳遞1個(gè)分子NADHH泵出6個(gè)H，每2個(gè)H通過ATP酶可產(chǎn)生一個(gè)ATP，所以，NADH氧化產(chǎn)生3個(gè)ATP。而一個(gè)FADH2則泵出4個(gè)H，所以，F(xiàn)ADH2氧化產(chǎn)生2個(gè)ATP。只有線粒體內(nèi)膜保持完整，電子傳遞與磷酸化才能偶聯(lián)，否則，若不能維持膜內(nèi)側(cè)的質(zhì)子濃度差和電位差，也就不能產(chǎn)生ATP。2，4二硝基苯酚能使H穿過內(nèi)膜，因?yàn)檫@種藥劑脂溶性很強(qiáng)，能在線粒體內(nèi)膜中穿來穿去，破壞了電子傳遞所造成的質(zhì)子動(dòng)力勢，以致于不能合成ATP。三、末端氧化酶細(xì)胞內(nèi)的末端氧化系統(tǒng)具有多樣性。復(fù)雜多樣的末端氧化酶類能夠適應(yīng)不同的呼吸底

28、物和不斷變化的環(huán)境條件，從而保證植物生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。這些酶有的存在于線粒體內(nèi)，也有的存在于線粒體外，前者產(chǎn)生ATP，后者不產(chǎn)生ATP。1、細(xì)胞色素氧化酶這是植物體內(nèi)最主要的末端氧化酶，位于線粒體內(nèi)膜的嵴上，是一種血紅蛋白，含有兩個(gè)鐵卟啉輔基和兩個(gè)銅原子。通過鐵的電子得失傳遞電子。當(dāng)e-從一個(gè)載體向另一個(gè)載體傳遞時(shí)，要釋放能量，能量多少等于兩個(gè)載體的能位差。若釋放的能量夠產(chǎn)生一個(gè)高能磷酸鍵，則產(chǎn)生一個(gè)ATP，若不能，則以熱能的形式釋放掉。細(xì)胞色素系統(tǒng)有3個(gè)部位可產(chǎn)生ATP（見呼吸鏈）。2、交替氧化酶或抗氰呼吸細(xì)胞色素氧化酶受KCN、NaN3與CO所抑制。但線粒體中還存在一種對氰化物不敏感的氧

29、化酶，這種酶含F(xiàn)e，也可將電子傳給O2，稱交替氧化酶或抗氰氧化酶在這一途徑中，2H在呼吸鏈中僅產(chǎn)生1個(gè)ATP。絕大部分能量以熱能的形式散失，故溫度很高。貯藏的馬鈴薯、胡蘿卜、果實(shí)等都有抗氰呼吸存在。以上兩種酶類存在線粒體內(nèi)，還有一些末端氧化酶，存在于線粒體外的細(xì)胞漿、質(zhì)體與微體內(nèi)。如黃素氧化酶、酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶、乙醇酸氧化酶和過氧化物酶等。3、酚氧化酶包括一元酚氧化酶(如酪氨酸氧化酶)和多元酚氧化酶(如兒茶酚氧化酶)。含Cu，存在于質(zhì)體和微體中，將酚氧化成醌，它們可與其它底物氧化相偶聯(lián)，起到末端氧化酶的作用。正常情況下，酚氧化酶和底物在細(xì)胞質(zhì)中是分隔開的。當(dāng)細(xì)胞受輕微破壞或組織衰老時(shí)，

30、酚氧化酶與底物接觸，發(fā)生反應(yīng)，將酚氧化成棕褐色的醌。果實(shí)、塊莖、塊根等受傷后出現(xiàn)褐變就是這一原因。醌對微生物有毒，可以防止植物感染。在制綠茶時(shí)要迅速殺青，破壞此酶，以保持茶葉的綠色和清香。4、抗壞血酸氧化酶這種酶在植物組織中廣泛存在，蔬菜和果實(shí)中較多，含有Cu，位于細(xì)胞漿中或與細(xì)胞壁結(jié)合。能催化抗壞血酸的氧化，與其它氧化還原反應(yīng)相偶聯(lián)可起到末端氧化酶的作用。這一反應(yīng)體系在細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝中具有重要作用。四、呼吸過程中能量的貯存和利用1、貯存能量 呼吸代謝中伴隨著物質(zhì)氧化釋放能量。這些能量一部分以熱量的形式散失，另一部分則貯存于高能鍵中。生物體內(nèi)的高能鍵主要是高能磷酸鍵，其次還有輔酶A中的硫脂鍵。

31、呼吸作用過程中生成ATP的方式有兩種：一是氧化磷酸化，二是底物水平磷酸化，以前者為主。兩種方式產(chǎn)生ATP的數(shù)量見表4-1，從表中可以看出1分子己糖經(jīng)EMP-TCA環(huán)，總共產(chǎn)生38個(gè)ATP，去掉消耗的2個(gè)，凈得36個(gè)ATP。2、能量利用效率 每分子呼吸底物氧化時(shí)的能量利用效率主要以產(chǎn)生ATP的數(shù)量來衡量。已知通過EMP-TCA環(huán)，1分子葡萄糖氧化凈得36個(gè)ATP，每合成一個(gè)ATP吸收能量30.56J，36個(gè)ATP所貯存的能量為30.56J×361100.2J。在實(shí)驗(yàn)室條件下，每摩爾（180g）葡萄糖氧化可放出2 872.1J的自由能。這樣，能量轉(zhuǎn)化效率約為38.31%，還是比較高的。第

32、三節(jié) 呼吸作用的調(diào)節(jié)控制與影響因素 一、呼吸作用的調(diào)節(jié)控制生活細(xì)胞的呼吸作用并非以均衡狀態(tài)進(jìn)行，而是受到各種因素的調(diào)節(jié)與控制。調(diào)節(jié)機(jī)理主要是反饋控制。所謂反饋控制是指反應(yīng)體系中的某些中間產(chǎn)物或者終產(chǎn)物對其前面某一步反應(yīng)速度的影響。凡是能使反應(yīng)速度加快的稱正效應(yīng)物（positive effector）或者正反饋物；凡是能使反應(yīng)速度減慢的稱負(fù)效應(yīng)物（negative effector）或者負(fù)反饋物。這種反饋調(diào)節(jié)主要是效應(yīng)物對酶的調(diào)節(jié)，包括對酶的形成（基因表達(dá)）和酶的活性的調(diào)節(jié)。（一）巴斯德效應(yīng)與糖酵解的調(diào)節(jié)巴斯德早就發(fā)現(xiàn)，酵母菌的發(fā)酵從有氧條件轉(zhuǎn)為無氧條件時(shí)發(fā)酵作用增強(qiáng)，而從無氧轉(zhuǎn)向有氧

33、時(shí)發(fā)酵作用受到抑制。氧抑制發(fā)酵作用的現(xiàn)象稱巴斯德效應(yīng)（Pasteur effect）。關(guān)于巴斯德效應(yīng)的機(jī)理，主要解決兩個(gè)問題：一是為什么有氧條件下發(fā)酵作用會(huì)停止？二是為什么有氧條件下糖酵解速度減慢了？發(fā)酵過程的正常進(jìn)行，需要NAD+和NADH的周轉(zhuǎn)。當(dāng)3-磷酸甘油酸氧化為1,3-二磷酸甘油酸時(shí)，NAD被還原成NADH；當(dāng)丙酮酸還原為乳酸或乙醛還原為乙醇時(shí)，NADH又被氧化成NAD。有氧條件下，NADH不斷被氧化，致使丙酮酸或乙醛不能被還原，發(fā)酵過程停止。同時(shí)丙酮酸通過脫氫酶形成乙酰輔酶A，促進(jìn)了TCA環(huán)的進(jìn)行。糖酵解途徑中有2個(gè)調(diào)節(jié)酶，即果糖-6-磷酸激酶和丙酮酸激酶，是調(diào)節(jié)糖酵解速度的兩個(gè)關(guān)

34、鍵酶。果糖-6-磷酸激酶活性受Mg2和Pi的促進(jìn)，卻受ATP和檸檬酸的抑制。丙酮酸激酶受ATP、檸檬酸和Ca2+的抑制，受ADP、Mg2和K的促進(jìn)。有氧條件下，ADP濃度低，而ATP和檸檬酸濃度高，上述兩種酶活性均受到抑制，糖酵解速度變慢。這是一種反饋抑制。通過這種反饋抑制把呼吸作用的速度控制在恰當(dāng)?shù)乃缴希恢掠谠斐商堑睦速M(fèi)。（二）磷酸戊糖途徑和三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)磷酸戊糖途徑主要受NADPH的調(diào)節(jié)。NADPH/NADP+比例高時(shí)，抑制葡糖-6-磷酸脫氫酶的活性，產(chǎn)生反饋抑制。而光照和供氧都可以提高NADP+的生成，促進(jìn)PPP途徑。植物受到干旱、衰老、受傷、種子成熟過程中PPP都有明顯加強(qiáng)，在總

35、呼吸中占的比例加大。三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)則是多方面的。NADH是主要的負(fù)效應(yīng)物。NADH水平過高，抑制丙酮酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶和蘋果酸酶等的活性，而NAD則是這些酶的變構(gòu)激活劑。ATP對檸檬酸合成酶、蘋果酸脫氫酶有抑制作用，而ADP對這些酶有促進(jìn)作用；AMP對-酮戊二酸脫氫酶活性有促進(jìn)作用；CoA促進(jìn)蘋果酸酶活性。此外，檸檬酸的含量可以調(diào)節(jié)丙酮酸進(jìn)入TCA環(huán)的速度，檸檬酸多時(shí)還會(huì)反饋抑制丙酮酸激酶，減少檸檬酸的合成。-酮戊二酸對異檸檬酸脫氫酶的抑制以及草酰乙酸對蘋果酸脫氫酶的抑制屬于終產(chǎn)物對的反饋調(diào)節(jié)。（三）能荷調(diào)節(jié)細(xì)胞中能夠貯藏能量的物質(zhì)主要是ATP、ADP和AMP，而且一個(gè)細(xì)

36、胞中ATPADPAMP的腺苷酸庫是恒定的。Atkinson用“能荷 ”說明腺苷酸系統(tǒng)的能量狀態(tài)。若所有腺苷酸全部以ATP形式存在，能荷為1.0；全部為ADP，能荷為0.5；全部為AMP，能荷為0。合成ATP的反應(yīng)和利用ATP的反應(yīng)受ATP/AMP比值的控制，或受能荷控制。能荷高，ATP合成減慢，利用加快；能荷低時(shí)，合成加快，利用變慢。通過這種反饋抑制，活細(xì)胞內(nèi)能荷一般穩(wěn)定在0.750.95。反饋抑制維持細(xì)胞內(nèi)能荷的圖解如圖4-11所示。（四）電子傳遞途徑的調(diào)節(jié)線粒體中電子傳遞途徑會(huì)由于內(nèi)外因素的影響發(fā)生改變。植物在感病、受旱、衰老時(shí)交替途徑有明顯加強(qiáng)。如馬鈴薯的傷呼吸，剛開始時(shí)80100是對C

37、O和CN敏感的，24h以后CO對呼吸只起到極小的抑制作用，CN的抑制作用也減小。這表明電子傳遞途徑已經(jīng)由細(xì)胞色素氧化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥骨韬粑緩健?nèi)源與外源乙烯和水楊酸以及缺磷都能誘導(dǎo)交替途徑的增強(qiáng)。 二、影響呼吸作用的因素（一）內(nèi)部因素對呼吸作用的影響首先不同植物的呼吸速率不同，見表4-3。一般來說，生長快的植物呼吸也快，如細(xì)菌繁殖快，呼吸比高等植物快的多；同一植物不同器官呼吸差異也很大。生長旺盛、幼嫩器官的呼吸較生長慢、年老的器官快。生殖器官呼吸強(qiáng)于營養(yǎng)器官?；ū热~快34倍。雌雄蕊呼吸較花瓣強(qiáng)；同一器官在不同生育期呼吸差異也很大。幼葉呼吸快，成年后下降，成熟時(shí)又上升。成熟期呼吸上升，

38、但P/O比很低，隨后又下降。果實(shí)成熟期還會(huì)出現(xiàn)呼吸躍變。（二）外部因素對呼吸作用的影響1、溫度 溫度通過影響酶的活性對呼吸產(chǎn)生影響。在呼吸最低溫度和最高溫度之間，隨著溫度上升，呼吸加快。能夠持續(xù)地維持較快的呼吸速率的溫度稱呼吸最適溫度。最高與最低溫度都是呼吸的極限溫度。呼吸的最低、最適和最高溫度稱溫度三基點(diǎn)。高溫在短時(shí)間內(nèi)可以提高呼吸速率，但持續(xù)時(shí)間不長。這是由于呼吸酶和細(xì)胞質(zhì)都不耐高溫。溫度對呼吸的影響常用溫度系數(shù)Q10來表示。Q10是指溫度每升高10時(shí)呼吸速率相當(dāng)于原溫度的倍數(shù)。不同發(fā)育時(shí)期的Q10與器官發(fā)育需要的自然溫度相符合。2、氧氣和二氧化碳 O2供應(yīng)狀況直接影響呼吸速率與呼吸性質(zhì)。

39、O2供應(yīng)不足，不僅引起呼吸速率下降，還會(huì)使無氧呼吸升高（圖4-14）。長時(shí)間無氧呼吸致使植物受害死亡，其原因有三方面：一是無氧呼吸產(chǎn)生酒精，引起蛋白質(zhì)變性；二是無氧呼吸產(chǎn)生能量少，物質(zhì)消耗多；三是沒有丙酮酸氧化過程，許多中間產(chǎn)物不能合成。作物受澇死亡就是無氧呼吸過久所致。生產(chǎn)上要經(jīng)常中耕松土，增加土壤通氣。但O2也并非愈多愈好。過高的O2濃度對植物反而有毒。這可能與形成氧自由基有關(guān)。多數(shù)情況下O2濃度達(dá)10以下已飽和。呼吸速率不再提高時(shí)的氧分壓稱氧飽和點(diǎn)。這時(shí)無氧呼吸已停止，使無氧呼吸停止進(jìn)行的最低氧含量稱無氧呼吸熄滅點(diǎn)。提高CO2濃度呼吸減弱，甚至被抑制。高于5的CO2濃度就有抑制作用。在果

40、實(shí)、種子貯藏過程中，常用降低溫度和O2濃度，提高CO2濃度的方法來延長貯存期。3、水分 植物組織的含水量與呼吸作用密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，呼吸速率隨著植物組織含水量的增加而升高。干燥種子因?yàn)槿狈ψ杂伤?，呼吸非常微弱，?dāng)種子吸水以后，呼吸速率迅速增加。對于整株植物來說，接近萎蔫時(shí)呼吸速率有所增加，如萎蔫時(shí)間較長，細(xì)胞含水量則成為呼吸作用的限制因子。4、機(jī)械損傷 機(jī)械損傷會(huì)加快呼吸速率。其原因是：第一，正常情況下，末端氧化酶與底物是隔開的，機(jī)械損傷破壞了這種分隔，底物迅速被氧化；第二，機(jī)械損傷使某些細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚M織狀態(tài)，形成愈傷組織去修補(bǔ)傷口，這些生長旺盛的細(xì)胞呼吸提高。還有很多因素可以影響呼吸

41、作用，如可溶性糖濃度、N肥、2，4-D等會(huì)對呼吸作用產(chǎn)生影響。第四節(jié) 呼吸作用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)  呼吸作用是代謝的中心環(huán)節(jié)之一。植物的生長發(fā)育過程需要呼吸作用提供物質(zhì)與能量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增強(qiáng)生長發(fā)育的許多手段都是通過促進(jìn)呼吸作用來實(shí)現(xiàn)的。沒有呼吸就沒有生命活動(dòng)。但呼吸又是一個(gè)物質(zhì)消耗過程。在某些情況下又需要通過控制呼吸的方法來控制物質(zhì)消耗，以獲取較高的產(chǎn)量，或延長機(jī)體壽命。一、   呼吸效率的概念與意義呼吸作用的功能之一是為生物大分子的合成提供原料。所謂呼吸效率（respiratory ratio）是指每消耗1克葡萄糖可合成生物大分子物質(zhì)的克數(shù)，可用下式表示：呼吸效率（合成生物大分子的克數(shù)/1克葡萄糖氧化）×100生長旺盛和生理活性高的部位，活性作用所產(chǎn)生的能量和中間產(chǎn)物，大多數(shù)用來合成細(xì)胞生長的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂肪、核酸和纖維素等，因此呼吸效率較高。在生長活動(dòng)已經(jīng)停止的成熟組織或者器官中，呼吸作用產(chǎn)生的物質(zhì)與能量除了一部分用于維持細(xì)胞的活性以外，很大一部分能量以熱的方式散失掉，因而呼吸效率低。根據(jù)以上兩種情況，我們把呼吸分為兩類：維持呼吸和生長呼吸。維持呼吸（maintenance respirat