第五章 植物的呼吸作用

1、 生物的新陳代謝可概括為兩類反應： 1.同化作用同化作用(assimilation)-把非生活物質轉化為生活物質。 2.異化作用異化作用（disassimilation）-把生活物質分解成非生活物質。 光合作用屬于同化作用；呼吸作用屬于異化作用。 呼吸作用是所有生物的基本生理功能，是一切生活細胞的共同特征，呼吸停止，也就意味著生命的終止。 因此，了解植物呼吸作用的規(guī)律，對于調控植物生長發(fā)育，指導農業(yè)生產(chǎn)有著十分重要的理論意義和實際意義。一、呼吸作用的概念 有氧呼吸是高等植物呼吸的主要形式，通常所說的呼吸作用，主要是指有氧呼吸。 有氧呼吸總反應式和燃燒反應式相同.但是 呼吸作用與物質燃燒的主要區(qū)

2、別： 1.燃燒時,有機物被劇烈氧化散熱,呼吸作用中氧化作用分步驟進行,能量逐步釋放.一部分能量轉移到ATP和NAD(P)H分子中,成為隨時可利用的貯備能,另一部分以熱的形式放出。 2.燃燒是物理過程，呼吸作用是生理過程，在常溫、常壓下進行。二、呼吸作用的生理意義二、呼吸作用的生理意義 1.為植物生命活動提供能量為植物生命活動提供能量 呼吸氧化有機物，將其中的化學能以ATP形式貯存起來。當ATP分解時，釋放能量以滿足各種生理過程的需要。 呼吸放熱可提高植物體溫，有利種子萌發(fā)、開花傳粉受精等2.中間產(chǎn)物是合成植物體內重要有機物質的原料中間產(chǎn)物是合成植物體內重要有機物質的原料 呼吸產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，

3、其中有些十分活躍，是進一步合成其他有機物的物質基礎。 3.在植物抗病免疫方面有著重要作用在植物抗病免疫方面有著重要作用 呼吸作用氧化分解病原微生物分泌的毒素，以消除其毒害。 植物受傷或受到病菌侵染時，通過旺盛的呼吸，促進傷口愈合，加速木質化或栓質化，以減少病菌的侵染。 高等植物中存在著多條呼吸代謝的生化途徑，這是植物在長期進化過程中，對多變環(huán)境條件適應的體現(xiàn)。 一、糖酵解（一、糖酵解（glycolysis） 1940年得到闡明。為紀念在研究這一途徑的三位生化學家：G.Embden,O.Meyerhof和J.K.Parnas，把糖酵解途徑簡稱EMP途徑（EMP pathway）（一）糖酵解的化學

4、歷程（一）糖酵解的化學歷程 （二）糖酵解的生理意義（二）糖酵解的生理意義 1.存在于所有生物體中包括原核生物和真核生物?？赡苁巧镞M化出光合放氧之前，產(chǎn)生能量的主要方式，是最古老的呼吸途徑。 2.產(chǎn)物丙酮酸的化學性質活躍，可以通過多種代謝途徑，生成不同的物質。 3.通過糖酵解，生物體可獲得生命活動所需的部分能量。對于厭氧生物來說，糖酵解是糖分解和獲取能量的主要方式。 4.糖酵解途徑中，除了由己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶等所催化的反應以外，多數(shù)反應均可逆轉，這就為糖異生作用提供了基本途徑。二、發(fā)酵作用二、發(fā)酵作用 (一一)反應歷程：反應歷程： 1,酒精發(fā)酵酒精發(fā)酵(alcohol ferm

5、entation) 糖酵解生成丙酮酸在丙酮酸脫羧酶作用下脫羧生成乙醛。再在乙醇脫氫酶的作用下，接受糖酵解中產(chǎn)生的NADHH+的氫，乙醛被還原為乙醇。 酵母菌的酒精發(fā)酵是釀酒工業(yè)中的主要生物化學過程。 厭氧下每分子葡萄糖經(jīng)酒精發(fā)酵后產(chǎn)生2分子乙醇、2分子CO2和2分子ATP。 2、乳酸發(fā)酵、乳酸發(fā)酵(lactate fermentation) 在含有乳酸脫氫酶的組織里，丙酮酸便被NADH還原為乳酸，每分子葡萄糖經(jīng)乳酸發(fā)酵產(chǎn)生2分子乳酸和2分子ATP。 許多細菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，產(chǎn)生乳酸的這類細菌通常稱為乳酸菌。 利用乳酸菌的發(fā)酵可以制造酸牛奶、泡菜、酸菜和青貯飼料的發(fā)酵等。由于乳酸菌缺少蛋白

6、酶，它不會消化組織細胞中的原生質，而只利用了汁液中的糖分及氨基酸等可溶性含氮物質作為營養(yǎng)，因而組織仍保持堅脆狀態(tài)。由于乳酸的積累，PH值可降至4 ，從而又抑制了其它分解蛋白質的腐敗細菌及丁酸菌的生長，起到了防腐作用。 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。圖圖 植物植物體內體內主要主要呼吸呼吸代謝代謝途徑途徑相互相互關系關系示意示意圖圖 淀粉、蔗糖淀粉、蔗糖磷酸己糖磷酸己糖磷酸丙糖磷酸丙糖丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)CO2+H2O磷酸戊糖磷酸戊糖PPPPPP途徑途徑中間代謝產(chǎn)物是合成糖類、脂類、蛋白質和維生素及中間代謝產(chǎn)物是合成

7、糖類、脂類、蛋白質和維生素及各種次生物質的原料各種次生物質的原料正常情況下正常情況下PPP途徑占呼吸途徑占呼吸3%30%，處于逆境時，處于逆境時，PPP上上升，油料作物結實期升，油料作物結實期PPP上升上升糖酵解糖酵解脂脂肪肪 氧化氧化有氧有氧無氧無氧乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶脫羧酶脫羧酶乳酸（淹酸菜、泡菜、青貯飼料）乳酸（淹酸菜、泡菜、青貯飼料）乙乙醛醛乙醇乙醇灑精發(fā)酵灑精發(fā)酵有氧有氧乙酸（醋）乙酸（醋）乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)乙酸乙酸乙醇酸乙醇酸草酸草酸甲酸甲酸琥珀酸琥珀酸乙醇酸循環(huán)乙醇酸循環(huán)EMPTCA環(huán)或環(huán)或Krebs環(huán)環(huán)PPP或或HMP植物的有氧呼吸過程植物的有氧呼吸過程 物質在生物體內進行氧

8、化稱物質在生物體內進行氧化稱生物氧化生物氧化，主，主要指要指糖、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋糖、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，最終生成放能量，最終生成CO2 和和 H2O的過程的過程。此過程此過程需耗氧、排出需耗氧、排出CO2，又在活細胞內進行，故又稱，又在活細胞內進行，故又稱細胞呼吸細胞呼吸( (cellular respiration) )。生物氧化（biological oxidation）的概念 糖糖 脂肪脂肪 蛋白質蛋白質 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP熱能熱能生物氧化的一般過程 物質代謝物質代謝 代謝代謝 能量代謝能量代謝 代謝與能量代謝與能量分解分

9、解合成合成產(chǎn)能產(chǎn)能耗能耗能體內代謝體內代謝體外燃燒體外燃燒生物生物氧化氧化 轉化轉化物質物質 能量能量生物氧化與體外氧化之相同點生物氧化與體外氧化之相同點 生物氧化中物質的氧化方式有加氧、脫生物氧化中物質的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應的一般氫、失電子，遵循氧化還原反應的一般規(guī)律。規(guī)律。 物質在體內外氧化時所消耗的氧量、最物質在體內外氧化時所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（終產(chǎn)物（CO2，H2O）和釋放能量均相）和釋放能量均相同。同。生物氧化與體外氧化生物氧化與體外氧化之區(qū)別之區(qū)別 1. 1. 溫度：體溫，溫度：體溫，3737度度 高溫高溫 2. 2. 反應溫和：酶促反應溫和：酶促, ,

10、逐步氧化逐步氧化, ,逐步放能逐步放能, ,可調可調節(jié)節(jié) 反應劇烈：短時間內以光、熱能形式放能反應劇烈：短時間內以光、熱能形式放能 3. 3. 效率：以高能鍵儲存，效率：以高能鍵儲存，4055%4055% 不能儲存，不能儲存，0%0% 4. CO4. CO2 2來源：有機羧酸脫羧而來來源：有機羧酸脫羧而來 碳和氫直接與氧結合生成碳和氫直接與氧結合生成。 一、一、 呼吸鏈的概念和組成呼吸鏈的概念和組成 三羧酸循環(huán)等脫下的氫被三羧酸循環(huán)等脫下的氫被NAD+或或FAD所接受。細胞內的所接受。細胞內的輔酶或輔基數(shù)量是有限的，必須將氫交給其它受體后，才輔酶或輔基數(shù)量是有限的，必須將氫交給其它受體后，才能

11、再次接受氫。在需氧生物中，氧氣便是這些氫的最終受能再次接受氫。在需氧生物中，氧氣便是這些氫的最終受體。體。1 呼吸鏈(respiratory chain)是線粒體內膜上由呼吸傳遞體組成的電子傳遞總軌道。 線粒體中氧化磷酸化反應的一般機理：在糖酵解的氧化步驟過程中釋放電子，一個檸檬酸循環(huán)產(chǎn)生20個分子NADH和4分子FADH2。這些還原型輔酶隨后被線粒體電子傳遞鏈氧化。在氧化過程中釋放自由能。同時與氧化過程偶聯(lián)發(fā)生了質子通過線粒體內膜從基質進入膜間空間，在內膜上產(chǎn)生電化學質子成分（H+）。接著，質子經(jīng)過ATP合成酶復合物的F0質子路徑返回跨過線粒體內膜釋放的自由能被該復合物中F1成分上的催化反應

12、部位所利用。 2.呼吸鏈的組成呼吸鏈的組成 呼吸傳遞體有五種酶復合體呼吸傳遞體有五種酶復合體 復合體復合體(NADH:泛醌氧化還原酶泛醌氧化還原酶) 復合體復合體(琥珀酸琥珀酸:泛醌氧化還原酶泛醌氧化還原酶) 復合體復合體(UQH2 :細胞色素細胞色素C氧化還原酶氧化還原酶) 復合體復合體(Cytc:細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶) 復合體復合體(ATP合成酶合成酶)呼吸鏈的組成四種具有傳遞電子功能的酶復合體四種具有傳遞電子功能的酶復合體(complex) * * 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四種復合體中。均不包含在上述四種復合體中。人線粒體呼吸鏈復合體人線粒體呼吸鏈復合體復復合合

13、體體酶酶名名稱稱復復合合體體復復合合體體復復合合體體復復合合體體NADH-泛泛醌醌還還原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌還還原原酶酶泛泛醌醌-細細胞胞色色素素C還還原原酶酶細細胞胞色色素素c氧氧化化酶酶輔輔基基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟卟啉啉，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟卟啉啉，Cu 多多肽肽鏈鏈數(shù)數(shù)394 1013 復復合合體體酶酶名名稱稱復復合合體體復復合合體體復復合合體體復復合合體體NADH-泛泛醌醌還還原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌還還原原酶酶泛泛醌醌-細細胞胞色色素素C還還原原酶酶細細胞胞色色素素c氧氧化化酶酶輔輔基基FMN，F(xiàn)e-S FAD，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟卟啉啉，F(xiàn)e-S 鐵鐵卟

14、卟啉啉，Cu 多多肽肽鏈鏈數(shù)數(shù)394 1013 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側胞液側 基質側基質側 線粒體內膜線粒體內膜 e-e-e-e-e-復合體復合體 又稱又稱NADH 泛醌氧化還原酶泛醌氧化還原酶,含有含有25種蛋白質種蛋白質,包括以包括以黃素單核苷酸黃素單核苷酸(FMN)為輔基的為輔基的黃素蛋白黃素蛋白，多種，多種鐵硫蛋白鐵硫蛋白(Fe-s)和泛醌和泛醌(UQ，又稱輔酶，又稱輔酶Q,CoQ)。 功能功能 催化線粒體基質中由催化線粒體基質中由TCA循環(huán)產(chǎn)生的循環(huán)產(chǎn)生的NADHH中的中的2個個H經(jīng)經(jīng)FMN轉運到膜間

15、空間，再經(jīng)過轉運到膜間空間，再經(jīng)過Fe-S將將2個電子傳遞到個電子傳遞到UQ；UQ再與基質中的再與基質中的H結合，生成結合，生成還原型泛醌還原型泛醌(UQH2)。 抑制劑抑制劑 魚藤酮、殺粉蝶菌素魚藤酮、殺粉蝶菌素A、巴比妥酸、巴比妥酸 它們都作用它們都作用于同一區(qū)域，都能抑制于同一區(qū)域，都能抑制FeS簇的氧化和泛醌的還原。簇的氧化和泛醌的還原。線粒體復合物線粒體復合物I（NADHUQ氧化還原氧化還原酶）的假想結構與膜局部結構酶）的假想結構與膜局部結構復合體復合體的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型還原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2復合體復合體 又稱琥珀

16、酸又稱琥珀酸 泛醌氧化還原酶, 含有45種不同的蛋白質，主要成分是琥珀酸脫氫酶(SDH)、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、細胞色素b和3個Fe-S蛋白。 功能功能 催化琥珀酸氧化為延胡索酸，并將H轉移到FAD生成FADH2，然后再把H轉移到UQ生成UQH2。 抑制劑抑制劑 2噻吩甲酰三氟丙酮(TTFA) 線粒體復合物線粒體復合物（琥珀酸泛醌）（琥珀酸泛醌）的假想結構與膜局部結構的假想結構與膜局部結構 復合體復合體 又稱又稱UQH2 細胞色素細胞色素C氧化還原酶氧化還原酶,分子量分子量250103，含有，含有910種不同蛋白質，一種不同蛋白質，一般都含有般都含有2個個Cytb，1個個Fe-S蛋白蛋

17、白和和1個個Cytc1。 功能功能 催化電子從催化電子從UQH2經(jīng)經(jīng)CytbFeSCytc1傳遞到傳遞到Cytc，這一反，這一反應與應與跨膜質子轉移跨膜質子轉移相偶聯(lián)，即將相偶聯(lián)，即將2個個H釋釋放到膜間空間。放到膜間空間。線粒體復合物線粒體復合物（泛醌細胞色素（泛醌細胞色素c 氧化氧化還原酶）的假想構成和膜局部構造還原酶）的假想構成和膜局部構造 復合體復合體 又稱又稱Cytc 細胞色素氧化酶，含有多種不同的蛋白質，細胞色素氧化酶，含有多種不同的蛋白質，主要成分是主要成分是Cyta和和Cyta3及及2個銅原子個銅原子，組成兩個氧化，組成兩個氧化還原中心，第一個中心是接受來自還原中心，第一個中心

18、是接受來自Cyt c 的電子受體，的電子受體，第二個中心是氧還原的位置。它們通過第二個中心是氧還原的位置。它們通過Cu+Cu2+的的變化，在變化，在Cyta和和Cyta3間傳遞電子。間傳遞電子。 功能功能 將將Cytc中的電子傳遞給分子氧，氧分子被中的電子傳遞給分子氧，氧分子被Cyta3、CuB還原至過氧化物水平；然后接受第三個電子，還原至過氧化物水平；然后接受第三個電子，O-O鍵斷裂，其中一個氧原子還原成鍵斷裂，其中一個氧原子還原成H2O；在另一步中接受；在另一步中接受第四個電子，第二個氧原子進一步還原。第四個電子，第二個氧原子進一步還原。 抑制劑抑制劑 CO 氰化物氰化物(CN-)、疊氮化

19、物、疊氮化物(N3-)同同O2競爭與競爭與Cytaa3中中Fe的結合，可抑制從的結合，可抑制從Cytaa3到到O2的電子傳遞。的電子傳遞。u 功能：將電子從細胞色素功能：將電子從細胞色素c傳遞給氧傳遞給氧 復合體復合體還原型還原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位將電子交給形成的活性部位將電子交給O2。線粒體復合物線粒體復合物（細胞色素（細胞色素c氧化酶）氧化酶）的假想結構和膜局部結構的假想結構和膜局部結構 復合體復合體 又稱又稱ATP合成酶合成酶或或H+-ATP酶復合物酶復合物。由。由8種種不同亞基組成兩個蛋白質復合體不同亞基組成兩個蛋白質復合

20、體(F1-F0)。 功能功能 F1從內膜伸入基質中，從內膜伸入基質中，突出于膜表面突出于膜表面，具有具有親水親水性，酶的催化部位就位于其中。性，酶的催化部位就位于其中。F0疏水，嵌入內膜磷脂之中疏水，嵌入內膜磷脂之中，內有質子通道，內有質子通道，它利用呼吸鏈電子傳遞產(chǎn)生的質子動力，將它利用呼吸鏈電子傳遞產(chǎn)生的質子動力，將ADP和和Pi合成合成ATP，也能催化，也能催化ATP水解。水解。ATP合成酶示意圖合成酶示意圖 示傳遞質子的F0單位和合成ATP的F1單位 呼吸傳遞體有兩大類：氫傳遞體氫傳遞體:NAD、FMN、FAD、UQ等等,既傳遞電子也既傳遞電子也傳遞質子；傳遞質子； 電子傳遞體電子傳遞

21、體:細胞色素系統(tǒng)和某些黃素蛋白、鐵硫蛋白，細胞色素系統(tǒng)和某些黃素蛋白、鐵硫蛋白，只傳遞電子。只傳遞電子。 UQ(泛醌、輔酶泛醌、輔酶Q、CoQ )脂溶性的苯醌衍生物，能在脂溶性的苯醌衍生物，能在膜脂質內自由移動，通過醌膜脂質內自由移動，通過醌/酚結構互變，在復合體酚結構互變，在復合體、與與之間傳遞質子和電子之間傳遞質子和電子. 還原的泛醌在把電子傳給還原的泛醌在把電子傳給Cyt 時把時把H釋放至膜間空隙，這對膜內外質子梯度的釋放至膜間空隙，這對膜內外質子梯度的建立起重要作用。建立起重要作用。 細胞色素細胞色素 一類含有鐵卟啉基團的電子傳遞蛋白，以一類含有鐵卟啉基團的電子傳遞蛋白，以Cyta 、

22、b 、c 等表示，呼吸鏈最末端的等表示，呼吸鏈最末端的Cyta3稱細胞色稱細胞色素氧化酶，可將電子傳至氧分子。素氧化酶，可將電子傳至氧分子。 呼吸鏈傳遞體傳遞電子的順序是：呼吸鏈傳遞體傳遞電子的順序是： 代謝物代謝物NADFMNUQ細胞色素系統(tǒng)細胞色素系統(tǒng)O2NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH 復合體復合體Q 復合體復合體Cyt c 復合體復合體O2琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸琥珀酸 復合體復合體 Q 復合體復合體Cyt c 復合體復合體O2NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈電子傳遞鏈電子傳遞鏈基質中基質中NADH H 的的2個個H傳至復合體傳至復合體的

23、的FMN再傳至再傳至FeS，F(xiàn)eS只傳遞電只傳遞電子子, 2個個H 轉運到膜間空間轉運到膜間空間;2個電子傳到個電子傳到UQ, UQ與基質中的與基質中的2 H 結合，結合，UQH2將將2個電子傳遞到復合體個電子傳遞到復合體,2個個H釋放到膜間空間。釋放到膜間空間。電子經(jīng)電子經(jīng)CytbFeSCytc1傳到傳到Cytc，再傳遞給復合體再傳遞給復合體經(jīng)經(jīng)Cyta和和Cyta3，由，由 Cyta3 (細胞色素氧化酶）把電子傳遞細胞色素氧化酶）把電子傳遞給給O2生成生成H2O。琥珀酸氧化時生成的。琥珀酸氧化時生成的FADH2上的上的H經(jīng)復合體經(jīng)復合體轉移到轉移到UQ 由以下實驗確定由以下實驗確定 標準氧

24、化還原電位標準氧化還原電位 拆開和重組拆開和重組 特異抑制劑阻斷特異抑制劑阻斷 還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧呼吸鏈成分的排列順序氧氧化化還還原原對對E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/2 O2/ H2O 0.82呼呼吸吸鏈鏈中中各各種種氧氧化化還還原原對對的的標標

25、準準氧氧化化還還原原電電位位呼吸鏈中各物質在氧化還原作用中呼吸鏈中各物質在氧化還原作用中的位置的位置 二、氧化磷酸化 （一）概念（一）概念 氧化磷酸化氧化磷酸化 線粒體內膜上電子從線粒體內膜上電子從NADH或或FADH2經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給分子氧生成水經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給分子氧生成水,并偶并偶聯(lián)聯(lián)ADP和和Pi生成生成ATP的過程。的過程。 需氧生物合成ATP的主要途徑。 電子沿呼吸鏈由低電位流向高電位是個逐步釋放能量的過程。電子在兩個電子傳遞體之間傳遞轉移時釋放的能量如可滿足ADP磷酸化形成ATP的需要時, 即可視為氧化磷酸化的偶聯(lián)部位或氧化磷酸化位點。* 定義定義氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxi

26、dative phosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又稱為，又稱為偶聯(lián)磷酸化偶聯(lián)磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子內部能量重新分是底物分子內部能量重新分布，生成高能鍵，使布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的的過程。過程。P/O比比 - 每消耗一個氧原子有幾個每消耗一個氧原子有幾個ADP變成變成ATP。 P/O比為氧化磷酸化作用的活力指標比為氧化磷酸化作用的活力指標。 呼吸鏈從NADH開始至氧化成水，可形成

27、3分子的ATP，即P/O比是3。 如從琥珀酸脫氫生成的FADH2通過泛醌進入呼吸鏈,則只形成分子的ATP，即P/O比是2。 2mol電子從NADH傳遞到O2這一氧化過程中,自由能變化G為-220kJmol-1。 ADP磷酸化形成ATP至少需要 35.1kJmol-1的能量， 電子從電子從NADH到到UQ之間之間G為為-51.90kJmol-1 (部位部位I), 從從Cytb到到Cytc之間之間G為為-38.5kJmol-1 (部位部位)， 從從Cytaa3到到O2之間之間G為為-103.81kJmol-1 (部位部位）, 這樣在三個部位釋放的能量都足以合成這樣在三個部位釋放的能量都足以合成 1

28、molATP。（二） 氧化磷酸化的偶聯(lián)機理1. 化學滲透假說化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質子（電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質子（H+）從線）從線粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，產(chǎn)生膜內外粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，產(chǎn)生膜內外質子電化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回質子電化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回流時驅動流時驅動ADP與與Pi生成生成ATP。 線粒體基質線粒體基質 線粒體膜線粒體膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化學滲透假說簡單示意圖化學滲透假說簡單示意圖化學滲透假說化學

29、滲透假說目目 錄錄 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液側胞液側 基質側基質側 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化學滲透假說詳細示意圖化學滲透假說詳細示意圖化學滲透偶聯(lián)機制示意圖化學滲透學說的實驗證據(jù)化學滲透學說的實驗證據(jù)當把線粒體懸浮在無當把線粒體懸浮在無O2緩沖液中緩沖液中,通入通入O2時，時，介質很快酸化，跨膜的介質很快酸化，跨膜的H+濃度差可以達到濃度差可以達到1.5pH單位，電勢差達單位，電勢差達0.5V，內膜的外

30、表面，內膜的外表面對內表面是正的對內表面是正的,并保持相對穩(wěn)定，證實并保持相對穩(wěn)定，證實內內膜不允許外側的膜不允許外側的H+滲漏回內膜內側滲漏回內膜內側。 但當加入解偶聯(lián)劑但當加入解偶聯(lián)劑2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚(DNP)時，時，跨膜的跨膜的H+濃度差和電勢差就不能形成，就濃度差和電勢差就不能形成，就會阻止會阻止ATP的產(chǎn)生。的產(chǎn)生。ATP生成過程中構造變化生成過程中構造變化 F1復合物有三個核苷酸結合位點。每一部位有三種完全不同的結構狀態(tài)。松散的核苷酸結合部位（L），緊密核苷酸結合部位（T）和開放核苷酸結合部位（O）。在任何時候。 F1復合物包括這三種不同的結構，其中有一個與酶復合物的每

31、一個催化中心相連。ADP和Pi開始被結合到開放狀態(tài)未被占有的部位（1） 質子運動通過F0釋放能量引起亞單位旋轉。 這種旋轉自發(fā)改變了三個核苷酸結合位點的構造。結合有ATP的T型被轉變成O型，ATP被釋放出來。同時，結合有ADP和Pi的L型被轉化成T型，疏水性的結合正有利于ATP生成。 結合ADP和Pi的開放部位轉化或松散型結構（2）。被緊密結合的ADP和Pi轉化生成ATP，此步驟不需消耗能量和構型改變（3） 圖圖 5-14 ATP生成過程中構造變化的模型生成過程中構造變化的模型 （三）氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑（三）氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑和抑制劑 線粒體電線粒體電子傳遞鏈子傳遞鏈的抑制劑。的抑

32、制劑。圖中表示圖中表示了每一線了每一線粒體電子粒體電子傳遞復合傳遞復合物的特定物的特定抑制劑及抑制劑及抑制劑競抑制劑競爭結合的爭結合的底物。底物。影響氧化磷酸化的因素1. 呼吸鏈抑制劑呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞。2. 解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。使氧化與磷酸化偶聯(lián)過程脫離。如：解偶聯(lián)蛋白如：解偶聯(lián)蛋白 3. 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑 對電子傳遞及對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 抑制劑抑制劑1、呼吸電子傳遞鏈抑制劑：、呼吸電子傳遞鏈抑制劑： 復合體 為魚藤酮魚藤酮所抑制。 復合體

33、 為萎秀靈萎秀靈、丙二酸、戊二酸丙二酸、戊二酸所抑制。 復合體 Cyt bCytc1 之間為抗菌素抗菌素A所抑制。 復合體 CO、氰化物、氰化物(CN-)、疊氮化物疊氮化物(N3-) 等同Cyta3中Fe的結合，抑制從Cyta3到O2的電子傳遞。 復合體 被寡霉素寡霉素所抑制，寡霉素可以阻止膜間空間中的H+通過ATP合成酶的Fo進入線粒體基質. 這是因為像寡霉素(oligomycin)這一類的化學物質可以阻止膜間空間中的H+通過ATP合成酶的Fo進入線粒體基質，這樣不僅會阻止ATP生成，還會維持和加強質子動力勢,對電子傳遞產(chǎn)生反饋抑制,O2的消耗就會相應減少。 魚藤酮魚藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A

34、A異戊巴比妥異戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巰基丙醇二巰基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點各種呼吸鏈抑制劑的阻斷位點2.解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑(uncoupler) 解除電子傳遞與磷酸化反應之間解除電子傳遞與磷酸化反應之間偶聯(lián)的試劑。 常見的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚二硝基酚(DNP)，在酸性環(huán)境中， DNP接受質子后成為不解離的形式而變?yōu)橹苄?，同時將一個H+從膜外帶入膜內，從而破壞了跨內膜的質子梯度，抑制了ATP的生成。其他一些酸性芳香族化合物也有這樣的作用。 解偶聯(lián)時會促進電子傳遞的進行，O2的消耗加大。3.離子載體抑制劑(ionophore depressant

35、) 離子載體抑制劑離子載體抑制劑與解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于它不是H+載體，而是可能和某些陽離子結合，生成脂溶性的復合物，并作為離子載體使這些離子能夠穿過內膜，這樣就增大了內膜對某些陽離子的通透性，而破壞氧化磷酸化過程。 例如纈氨霉素(valinomycin)與K形成脂溶性的復合物容易使K通過內膜進入基質，又如短桿菌肽(gramicidin)可使K、 Na和其他一些一價陽離子穿過膜，而抑制氧化磷酸化過程。 4.ATP合酶抑制劑合酶抑制劑寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止質子從可阻止質子從F0質子通道回流，抑制質子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶結構模式圖合酶結構模式圖解偶聯(lián)蛋白作用機制

36、（棕色脂肪組織線粒體）解偶聯(lián)蛋白作用機制（棕色脂肪組織線粒體）Cyt cQ胞液側胞液側 基質側基質側 解偶聯(lián)解偶聯(lián) 蛋白蛋白熱能熱能 ADP+Pi ATP 四、末端氧化酶四、末端氧化酶(terminal oxidase）的多樣性的多樣性 末端氧化酶末端氧化酶-處于生物氧化一系列反應的最末端的氧化酶. 研究得比較清楚的有： 線粒體內膜上線粒體內膜上: 細胞色素氧化酶和抗氰氧化酶; 細胞質中的細胞質中的：酚氧化酶和抗壞血酸氧化酶 過氧化體中的乙醇酸氧化酶等。1.細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶(cytochrome oxidase) Cytaa3以復合物以復合物的形式存在,是最主要的末端氧化酶，作用是

37、從細胞色素c接受電子傳遞給O2生成H2O。在幼嫩組織中較活躍;與氧的親和力最高，易受CN-、CO和N3-的抑制。 細胞色素類細胞色素類都以血紅素作為輔基，使這類蛋白具有紅色或褐色。細胞色素類為含鐵的電子傳遞體，鐵原子處于卟啉的結構中心，構成血紅素(heme），細胞色素b1、c、c1含有鐵原卟啉，細胞色素a和a3含有一個被修飾的血紅素，稱為血紅素A，它和血紅素不同的是在第8位以一個甲?；婕谆诘? 位上以一個長的疏水基代替乙烯基。2.交替氧化酶交替氧化酶 又名抗氰氧化酶抗氰氧化酶 作用是將經(jīng)UQH2、FP的電子傳給O2生成H2O 。交替氧化酶的分子量為2710337103，F(xiàn)e2+是其活性

38、中心的金屬。該酶對O2的親和力高，易被水楊基氧肟酸(SHAM)所抑制。 （1）抗氰呼吸的電子傳遞途徑）抗氰呼吸的電子傳遞途徑及其特性及其特性 1929 Genevois 在豌豆觀察到抗氰性，湯佩松在1932年報導了CO不能完全抑制羽扇豆細胞對氧氣的吸收。 在氰化物存在條件下仍運行的呼吸作用稱為抗氰呼吸抗氰呼吸，也即是對氰化物不敏感的那一部分呼吸。 抗氰呼吸可以在某些條件下與細胞色素電子傳遞主路(CP)交替運行，抑制正常電子傳遞途徑就可促進抗氰呼吸的發(fā)生，因此，抗氰呼吸又稱為交替途徑(alternative pathway AP 電子自NADH脫下后,經(jīng)FMNFeS傳遞到UQ，然后不是進入細胞色

39、素電子傳遞系統(tǒng)，而是從UQ處分岔，經(jīng)FP和交替氧化酶(alternative oxidase AO ,也即抗氰氧化酶),把電子交給分子氧. 該途徑可被魚藤酮抑制，不被抗霉素A和氰化物抑制，其P/O比為1或低于1。 用非典型的抗氰植物小麥為材料，通過改變其生理條件（如不同氧分壓）而導致高度抗氰支路的形成。 用乙烯處理甘薯切片，細胞線粒體內膜磷脂減少，抗氰呼吸顯著增強。表明呼吸電子傳遞途徑是可以改變的。 在高等植物中抗氰呼吸是廣泛存在的,例如天南星科、睡蓮科和白星海芋科的花器官與花粉，玉米、水稻、豌豆、綠豆和棉花的種子、馬鈴薯的塊莖、甘薯的塊根和胡蘿卜的根等。此外在黑粉菌、酵母菌（許多真菌、藻類、

40、原生動物、酵母）等多種微生物中也發(fā)現(xiàn)有抗氰呼吸的存在。抗氰呼吸雖然普遍,但并非存在于所有植物中，而且抗氰的程度也有很大差別。 抗氰呼吸例子 最著名的抗氰呼吸例子是天南星科植物的佛焰花序，它的呼吸速率很高，O2的吸收可達每g鮮重15 00020 000lg-1h-1，比一般植物呼吸速率快100倍以上，同時由于呼吸放熱，可使組織溫度比環(huán)境溫度高出1020。 抗氰呼吸又稱為放熱呼吸。 海海 竽竽Alocasia macrorrhiza (Linn.) Schott 天南星科是單子葉植物中主產(chǎn)于熱帶的大科。本科多為蔭濕環(huán)境下的多汁草本植物，大型佛焰苞包圍的肉穗花序是本科的重要特征。 以海竽為例，看佛焰

41、苞和肉穗花序。花后果序紅色艷麗，亦具有觀賞意義。 海竽屬大型草本，葉盾狀著生，闊卵形，基部心狀箭形，佛焰苞粉綠色。生蔭濕林下，有毒植物，根莖亦入藥。玉簪玉簪 白鶴草花燭花燭 南蛇棒南蛇棒 （2）抗氰呼吸的生理意義）抗氰呼吸的生理意義 1.放熱增溫，促進植物開花、種子萌發(fā)放熱增溫，促進植物開花、種子萌發(fā) 抗氰呼吸釋放大量熱量，有助于某些植物花粉的成熟及授粉、受精過程；有利于揮發(fā)引誘劑(如NH3、胺類、吲哚等），以吸引昆蟲幫助傳粉。放熱增溫也有利于種子萌發(fā)。 2.增加乙烯生成，促進果實成熟，促進衰老增加乙烯生成，促進果實成熟，促進衰老 抗氰呼吸的出現(xiàn)常與衰老相聯(lián)系。隨著植株年齡的增長、果實的成熟，

42、抗氰呼吸隨之升高。同時，乙烯與抗氰呼吸上升有平行的關系。乙烯刺激抗氰呼吸，誘發(fā)呼吸躍變產(chǎn)生，促進果實成熟和植物組織器官衰老。 3.在防御真菌的感染中起作用在防御真菌的感染中起作用 甘薯塊根組織受到黑斑病菌侵染后抗氰呼吸成倍增長，而且抗病品種感染組織總是明顯高于感病品種感染組織.4.分流電子分流電子 當細胞含糖量高(如光合作用旺盛)，EMP-TCA循環(huán)迅速進行時，交替氧化酶活性很高。交替途徑起到了分流電子的作用。3.酚氧化酶酚氧化酶(phenol oxidase) 也稱多酚氧化酶、酚酶， 普遍存在的質體、微體中，可催化分子氧對多種酚的氧化，酚氧化后變成醌，并進一步聚合成棕褐色物質。 (1)酚酶與

43、植物的“愈傷反應”有關系 植物組織受傷后呼吸作用增強，這部分呼吸作用稱為“傷呼吸傷呼吸” (wound respiration)。傷呼吸把傷口處釋放的酚類氧化為醌，而醌類往往對微生物是有毒的，這樣就可避免感染。當蘋果或馬鈴薯被切傷后，傷口迅速變褐，就是酚氧化酶的作用。在沒有受到傷害的組織細胞中，酚類大部分都在液泡中，酚酶在質體中，底物與酶不在一處，所以酚類不被氧化。(2)酚酶與植物的呈色、褐變有關 在制茶，烤煙和水果加工中都要根據(jù)酚酶的特性加以利用在制茶工藝制茶工藝上酚酶是決定茶品質的關鍵酶類： 綠茶綠茶：鮮葉經(jīng)殺青揉捻干燥殺青揉捻干燥3 個工序 殺青：殺青：100300，破壞酚酶活性，保留較

44、多的葉綠素、 多酚類、維生素C等 揉捻：揉捻：使葉卷成條形，破壞其組織，以利于沖泡浸出茶汁， 干燥干燥：可用炒、烘或曬3種方法除去水分。 紅茶紅茶：鮮葉經(jīng)萎淍揉捻發(fā)酵干燥萎淍揉捻發(fā)酵干燥4個工序 萎淍：萎淍：將鮮葉攤成薄層，水分蒸發(fā)，脫去20%-30%的水，增強酶活性，以利多酚類氧化 揉捻揉捻：要求對葉細胞組織有較大的破壞，使酚類和酚酶酚類和酚酶與空氣充分接觸 發(fā)酵發(fā)酵：使多酚類的沒食子茶素及其沒食子酸酯先行氧化為鄰醌，再逐步氧化縮合，成為茶黃素和茶紅素（2040） 干燥：干燥：蒸發(fā)水分，破壞酶活性，固定發(fā)酵過程中形成的有效物質。 烤煙加工：烤煙達到變黃末期，要采取使煙葉迅速脫水的措施，抑制酚

45、酶的活性，防止煙草中存在的多酚類物質 (如咖啡酸、綠原酸)被氧化成黑色，保持煙葉鮮明的黃色，提高烤煙的品質。 水果加工 為了防止水果褐變，保持水果的新鮮性，生產(chǎn)上運用多種方法來降低水果中酚酶的活性， 例如，加熱，絕氧、調節(jié)pH、抗氧化劑等 如杏用沸水燙4分鐘基本控制酚酶活性；酚酶的最適pH為6-7，3無活性，加以抗壞血酸、檸檬酸為主劑的復合護色劑等。加抗壞血酸600mg/kg水果制品，能有效防止褐變。4.抗壞血酸氧化酶(ascorbate oxidase)催化分子氧將抗壞血酸氧化為脫氫抗壞血酸，催化分子氧將抗壞血酸氧化為脫氫抗壞血酸，它存在于細胞質中或與細胞壁相結合。它它存在于細胞質中或與細胞

46、壁相結合。它可以通過谷胱甘肽而與某些脫氫酶相偶聯(lián)，可以通過谷胱甘肽而與某些脫氫酶相偶聯(lián)，抗壞血酸氧化酶還與抗壞血酸氧化酶還與PPP中所產(chǎn)生的中所產(chǎn)生的NADPH起作用，可能與細胞內某些合成反起作用，可能與細胞內某些合成反應有關。應有關。5.乙醇酸氧化酶(glycolate oxidase) -把乙醇酸氧化為乙醛酸并產(chǎn)生把乙醇酸氧化為乙醛酸并產(chǎn)生H2O2。乙醇酸氧。乙醇酸氧化酶所催化的反應，可與某些底物的氧化相偶聯(lián)?；杆呋姆磻?，可與某些底物的氧化相偶聯(lián)。 光呼吸代謝途徑中它在過氧化體中催化乙醇酸氧光呼吸代謝途徑中它在過氧化體中催化乙醇酸氧化為乙醛酸，且與甘氨酸的合成有關。化為乙醛酸，且與甘

47、氨酸的合成有關。 在水稻根部特別是根端部分活性最強，產(chǎn)生在水稻根部特別是根端部分活性最強，產(chǎn)生H2O2放出放出O2，使根系周圍保持較高的氧化狀態(tài)，使根系周圍保持較高的氧化狀態(tài)，氧化各種還原物質，使水稻能順利地在水中生長。氧化各種還原物質，使水稻能順利地在水中生長。 線粒體外的氧化酶僅起輔助作用，因為： (1)與氧化磷酸化不相偶聯(lián)，不能產(chǎn)生可利用的能量， (2)與氧的親和力都較低， (3)正常情況下，呼吸被CN-、CO等所抑制，表明電子傳遞的末端氧化酶主要是細胞色素氧化酶。 線粒體外末端體系的作用或特點 (1)催化某些特殊底物的氧化還原反應， (2)可能能除去細胞中過多的特別是激活形式的氧分子，

48、 (3)由于植物體內含有多種呼吸氧化酶，這就使植物能適應各種外界條件。五、呼吸鏈電子傳遞多條途徑五、呼吸鏈電子傳遞多條途徑 在高等植物中的呼吸鏈電子傳遞具有多種途徑，使呼吸能適應環(huán)境的變化，這是進化的表現(xiàn)。至少有下列五條 植物中雖然存在多種電子傳遞途徑，但是細胞色素途徑細胞色素途徑和交替途徑交替途徑是主要的兩條途徑。 有人證明在水稻幼苗線粒體中同時存在著四條不同的電子傳遞途徑，并認為這是水稻這種半沼澤植物能適應不同水分生態(tài)條件的重要原因。 1.電子傳遞主路 即細胞色素系統(tǒng)途徑細胞色素系統(tǒng)途徑，分布最廣泛。 2.電子傳遞支路之一脫氫酶的輔基是一種黃素蛋白脫氫酶的輔基是一種黃素蛋白(FP2) ， 電子從NADH上脫