呼吸代謝專題知識講座

呼吸代謝專題知識講座呼吸代謝專題知識講座第1頁1.呼吸作用概念與生理意義1.1

概念與類型:

有氧呼吸(aerobicrespiration)：

C6H2O6+6O2→6CO2+6H2O△G0ˊ=-2870kJ.mol-1

無氧呼吸(anaerobicrespiration)C6H12O2→2C2H5OH+2CO2△G0ˊ=-226kJ.mol-1

C6H12O2→2CH3CHOHCOOH

△G0ˊ=-197kJ.mol-1呼吸代謝專題知識講座第2頁1.2呼吸作用生理意義

:(1)為植物生命活動提供能量.(2)為植物體內(nèi)其它主要有機物質(zhì)合成提供原料，是植物代謝中心.(3)在植物抗病免疫方面起著主要作用.

Intermediatesproducedduringthereactionsofglycolysisandthecitricacidcycleassubstratesfornumerousplantbiosyntheticpathways.呼吸代謝專題知識講座第3頁2.植物呼吸代謝路徑

呼吸代謝過程包含底物降解（底物氧化）和能量產(chǎn)生（末端氧化）。

2.1底物氧化路徑

呼吸代謝專題知識講座第4頁植物體內(nèi)主要呼吸代謝路徑相互聯(lián)絡(luò)呼吸代謝專題知識講座第5頁2.1.1淀粉和蔗糖降解

（1）淀粉降解淀粉是植物最主要儲備多糖。

淀粉降解可經(jīng)過淀粉磷酸化分解和淀粉水解。

呼吸代謝專題知識講座第6頁Debranchingenzyme：Branched(1

6),(1

4)

-GlucanLinear(1

4)

-GlucanGlucosyltransferase：

-Glucan(m)+

-Glucan(n)

-Glucan(m+n-1)+glucose

Starchphosphorylase:從非還原端裂解單個葡萄糖，需要最少4個葡萄糖殘基鏈，主要存在于質(zhì)體中。

-Glucan(n)+Pi

-Glucan(n)+glucose-1-P淀粉磷酸化分解：呼吸代謝專題知識講座第7頁Phosphorolaticstarchdegradation呼吸代謝專題知識講座第8頁淀粉水解由淀粉酶（amlyase)催化.-amlyase:從鏈內(nèi)隨機水解

-14糖苷鍵，受Ca2+激活。(1

4)

-D-Glucan(n)(1

4)

-D-Glucan)(x)

+(1

4)

-D-Glucan)(y)(n>3),x+y=n)

-amlyase:于淀粉非還原端將淀粉水解產(chǎn)生麥芽糖。(1

4)

-D-Glucan(n)(1

4)

-D-Glucan(n-2)+maltose

-Glucosidase:(1

4)

-D-Glucan(n)(1

4)

-D-Glucan(n-1)+D-GlucanDebranchingenzyme呼吸代謝專題知識講座第9頁Hydrolyticstarchdegradation淀粉水解酶主要在種子萌發(fā)過程中尤其活躍。其活性受赤霉素調(diào)整。呼吸代謝專題知識講座第10頁

（2）蔗糖降解：有兩種酶可催化蔗糖降解：轉(zhuǎn)化酶(inverase），蔗糖合酶(sucrosesynthase)呼吸代謝專題知識講座第11頁酸性轉(zhuǎn)化酶最適pH4—5.5，存在于液泡和質(zhì)外體，對底物親和力高。

堿性轉(zhuǎn)化酶pH7-8,親對底物和力低.主要分布在細胞基質(zhì)中。轉(zhuǎn)化酶促進蔗糖水解從而維持細胞較低水平蔗糖濃度，促進韌皮部卸出包含共質(zhì)體，質(zhì)外體卸出。呼吸代謝專題知識講座第12頁Sucrosesynthasecatalyzeareversiblereaction

蔗糖合酶位于細胞質(zhì)，催化可逆反應(yīng)。Mg++促進合成蔗糖。在儲備淀粉器官中，促進蔗糖分解，形成淀粉。而在生長組織中，為壁物質(zhì)合成提供UDPG.呼吸代謝專題知識講座第13頁Degradationofsucrose呼吸代謝專題知識講座第14頁2.1.2糖酵解(glycolysis)

C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COOH+2NADH+2H++2ATPGluG6PF6PF1,6BP3PGA+DHAP呼吸代謝專題知識講座第15頁植物糖酵解過程有多條只路，以確保植物代謝靈活性。1.由PPi-PFK催化F6P磷酸化。2.由非磷酸化3-磷酸甘油醛脫氫酶催化GAP脫氫。3.由液泡定位PEP磷酸酶催化PEP水解形成丙酮酸。呼吸代謝專題知識講座第16頁

植物糖酵解過程另一個不一樣點是：PEP能夠被細胞質(zhì)酶PEP羧化酶羧化形成草酰乙酸，草酰乙酸被還原為蘋果酸后，直接進入線粒體后被氧化。這些支路可能確保了植物在磷酸饑餓脅迫下，能基礎(chǔ)正常生長。呼吸代謝專題知識講座第17頁2.1.3發(fā)酵作用（Fermentation)

酒精發(fā)酵

CH3COCOOHCO2+CH3CHOCH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH乳酸發(fā)酵CH3COCOOH+NADH+H+CH3CHOHCOOH+NAD+

Pyruvatedecarboxylase

alcoholdehydrogenase

Lactatedehydrogenase呼吸代謝專題知識講座第18頁2.1.4三羧酸循環(huán)（TCAcycle)Structureorganizationofthemitochondrion植物線粒體直徑為0.5～1.0mm，長1.5～3mm圓柱體和橢球體。一個植物細胞含有大約數(shù)百個線粒體。呼吸代謝專題知識講座第19頁糖酵解產(chǎn)生丙酮酸經(jīng)過丙酮酸轉(zhuǎn)運器（pyruvatetranslocator）輸入線粒體基質(zhì)。丙酮酸轉(zhuǎn)運器位于線粒體內(nèi)膜，促進丙酮酸和線粒體基質(zhì)中OH-進行電中性交換，使丙酮酸進入線粒體基質(zhì)。呼吸代謝專題知識講座第20頁TCAcycleCH3COCOOH+4NAD++FAD++ADP+Pi+2H2O3CO2+4NADH+H++FADH2+ATP呼吸代謝專題知識講座第21頁（1）由琥珀酰輔酶A合成酶催化從琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)化為琥珀酸反應(yīng)，在植物中是生成ATP，而在動物中生成是GTP。（2）在植物線粒體中普遍存在NAD+蘋果酸酶，它催化蘋果酸氧化脫羧反應(yīng)。NAD+蘋果酸酶存在使植物能夠在缺乏丙酮酸情況下，完全氧化有機酸，比如蘋果酸、檸檬酸、

-酮戊二酸等。這可能也是為何在許多植物液泡中貯存許多蘋果酸原因。植物三羧酸循環(huán)特點：呼吸代謝專題知識講座第22頁2.1.5戊糖磷酸路徑(Pentosephosphatepathway,PPP)呼吸代謝專題知識講座第23頁36G6P+12NADP++7H2O6CO2+12NADPH+12H++5G6P+Pi呼吸代謝專題知識講座第24頁戊糖磷酸路徑特點和生理意義:1.在細胞基質(zhì)中進行。2.脫氫產(chǎn)生NADPH，為其它過程（如脂肪酸合成）提供還原劑。NADPH也可被進入電子傳遞鏈，為細胞代謝提供能量。3.該路徑中間產(chǎn)物是許多主要有機物生物合成原料，如Ru5P，R5P是核苷酸原料，E4P與PEP可合成莽草酸，深入合成芳香族氨基酸，由芳香族氨基酸合成與生長、抗病性相關(guān)生長素，木質(zhì)素、綠原酸、咖啡酸。在感病時，該路徑增強。呼吸代謝專題知識講座第25頁4.該路徑中間產(chǎn)物如丙、丁、戊、己、庚糖與卡爾文循環(huán)中間產(chǎn)物相同，在葉片發(fā)育早期，該路徑可能為光合碳循環(huán)提供中間產(chǎn)物。

5.PPP路徑在植物中普遍在在.因植物種類、器官、年紀不一樣，所占百分比不一樣。呼吸代謝專題知識講座第26頁以器官而論：莖>葉，葉>根以年紀而論，老組織>幼嫩組織植物遇逆境時,如病害、干旱、受傷，HMP路徑增強。

怎樣確定HMP和EMP-TCA百分比？普通經(jīng)過標識C1位葡萄糖和C6位葡萄糖，分別供給植物，短期內(nèi)測定放出14CO2量，并進行比較：

=1時，只進行EMP-TCA<1時，則存在HMP路徑。比值越小，HMP所占百分比越大。標識C6-G，釋放14CO2標識C1-G，釋放14CO2C6C1C6C1呼吸代謝專題知識講座第27頁2.1.6乙醛酸循環(huán)（Glyoxylicacidcycle)植物種子萌發(fā)過程中將脂肪轉(zhuǎn)化為糖路徑。2乙酰CoA+NAD+琥珀酸+2CoA+NADH+H+呼吸代謝專題知識講座第28頁2.1.7乙醇酸氧化路徑（glycolicacidoxidation)

水稻根呼吸產(chǎn)生個別乙酰CoA不進入TCA環(huán)，而是形成乙酸，再深入氧化，在水稻根周圍形成一個氧化圈，抑制土壤中各種還原物質(zhì)（如H2S,Fe2+)對水稻根毒害。呼吸代謝專題知識講座第29頁①、②乙醇酸氧化酶③黃素氧化酶④草酸脫羧酶⑤草酸氧化酶⑥甲酸脫氫酶⑦過氧化氫酶水稻根中乙醇酸氧化路徑呼吸代謝專題知識講座第30頁2.2電子傳遞與氧化磷酸化（electrontransportandoxidativephosphorylation)2.2.1細胞色素呼吸鏈電子傳遞與氧化磷酸化呼吸代謝專題知識講座第31頁（1）細胞色素呼吸鏈魚藤酮不敏感NADH:UQ氧化還原酶琥珀酸：UQ氧化還原酶UQH2：Cytc氧化還原酶Cytc氧化酶呼吸代謝專題知識講座第32頁該路徑對魚藤酮，抗霉素A，氰化物和CO敏感。細胞色素呼吸鏈主路可寫成：呼吸代謝專題知識講座第33頁

在線粒體中，電子經(jīng)電子傳遞鏈傳遞到氧過程，伴隨自由能釋放，用于ADP磷酸化形成ATP，稱為氧化磷酸化。

用P/O表示電子傳遞與磷酸化偶聯(lián)程度。

NADH經(jīng)細胞色素電子傳遞主路傳遞至氧，可形成3ATP,形成部位分別在NADH—UQ,Cytb—Cytc,Cytaa3—O2

FADH2進入呼吸鏈傳遞至氧，形成2ATP。（2）氧化磷酸化呼吸代謝專題知識講座第34頁

氧化磷酸化機理：化學滲透學說.經(jīng)過線粒體膜上ATP合酶復(fù)合物（復(fù)合體V)合成ATP。

呼吸代謝專題知識講座第35頁（3）細胞色素呼吸鏈支路支路一支路二(P/O≤2)(P/O≤2)Rotenone–insensitiveNADHandNADPHdehydrogenasesofinnermitochondrialmembrane.呼吸代謝專題知識講座第36頁2.2.2抗氰呼吸鏈（cyanide-resistantrespirationchain）高等植物存在著對氰化物不敏感呼吸，即在氰化物存在時仍有一定呼吸作用，稱為抗氰呼吸（cyanide-resistantrespiration）。電子傳遞路徑以下：

NADH→FMN-FeS→UQ………………O2 ↓FP→AlternativeOxidase→O2

又稱交替路徑（alternativepathway,AP）。P/O≤1,以放熱為主。呼吸代謝專題知識講座第37頁

AO將電子交給O2形成H2O2。

AO對O2親和力低于細胞素氧化酶。特異抑制劑：水楊基氧肟酸（SHAM)。丙基沒食子酸呼吸代謝專題知識講座第38頁交替氧化酶（AO)

定位：線粒體內(nèi)膜，含鐵（非血紅素）二聚體形式起作用有兩種狀態(tài)：S-S連接氧化型二聚體，還原態(tài)二聚體（-HS，HS-）。還原型二聚體活性高4-5倍。Proposedstructureofalternativeoxidase.呼吸代謝專題知識講座第39頁AO活性受酮酸及二硫鍵還原劑調(diào)整：受

酮酸調(diào)整,如丙酮酸、乙醛酸均提升AO活性。TCA循環(huán)中間產(chǎn)物如檸檬酸、異檸檬酸能誘導二硫鍵還原。異檸檬酸脫氫產(chǎn)生NADPH經(jīng)過線粒體中硫氧還蛋白(Thioredoxin)對AO進行還原。限制CP電子流因子（如高ATP/ADP,低ADP,低溫等），會提升基質(zhì)中NADH，抑制TCA環(huán)，增加丙酮酸濃度，這些都前饋調(diào)整AO活性。呼吸代謝專題知識講座第40頁AO也受基因表示水平調(diào)整

在植物中已檢測到多個AO基因，其表示具組織特異性。逆境脅迫誘導AO表示。逆境條件包含：低溫、干旱、活性氧，蟲害，果實成熟等TCA循環(huán)中間產(chǎn)物誘導AO合成（煙草培養(yǎng)細胞）。呼吸代謝專題知識講座第41頁AO酶活性激活與基因表示都與細胞碳代謝及能量狀態(tài)相關(guān)呼吸代謝專題知識講座第42頁抗氰呼吸意義：放熱增溫，促進開花受粉，種子萌發(fā)等呼吸代謝專題知識講座第43頁抵抗逆境

已知在各種逆境下（在真菌感染）AP活性提升。分流電子當呼吸底物積累大于生長、儲備、ATP合成需要時，經(jīng)過該路徑將多出能量消耗掉。缺乏AO轉(zhuǎn)基因植物分析將深入揭示AP路徑在植物中所含有主要意義。呼吸代謝專題知識講座第44頁ThemodelsforregulationofelectronflowthroughAP呼吸代謝專題知識講座第45頁2.2.3非線粒體末端氧化酶

(1)酚氧化酶含銅氧化酶，存在于質(zhì)體和微體，催化酚類物質(zhì)氧化為醌類物質(zhì).

作用:預(yù)防微生物感染.

生產(chǎn)上應(yīng)用:制茶、烤煙呼吸代謝專題知識講座第46頁(2)抗壞血酸氧化酶含銅氧化酶，位于細胞基質(zhì)或與細胞壁相結(jié)合?？箟难嵫趸改軌蚺c其它氧化還原體系偶聯(lián)擴大末端氧化作用

NADP-蘋果酸酶呼吸代謝專題知識講座第47頁(3)乙醇酸氧化酶：乙醇酸氧化酶催化乙醇酸氧化，在光呼吸及水稻根部氧化還原反應(yīng)中起主要作用。（4）過氧化物酶與過氧化氫酶含鐵卟啉酶。

過氧化物酶催化H2O2對芳香族胺類或酚類化合物氧化。過氧化氫酶催化H2O2分解。

呼吸代謝專題知識講座第48頁3.植物呼吸代謝調(diào)控3.1糖酵解調(diào)控

主要調(diào)整酶：磷酸果糖激酶丙酮酸激酶磷酸果糖激酶調(diào)整：ATP-PFK主要抑制物是PEP，抑制作用能夠被Pi解除，PEP和Pi比率是調(diào)整植物糖酵解路徑中磷酸果糖激酶活性關(guān)鍵因子。呼吸代謝專題知識講座第49頁植物細胞質(zhì)中存在果糖-2,6-二磷酸,它抑制FBPase活性，激活PPi-PFK活性，對ATP-PFK無影響。所以F-2,6BP可能促進PPi-PFK路徑糖酵解，而抑制了糖異生。呼吸代謝專題知識講座第50頁丙酮酸激酶調(diào)整：TCA循環(huán)中間產(chǎn)物檸檬酸、

-酮戊二酸、蘋果酸,ATP都抑制該酶活性。NAD-/NADH比率對糖酵解也有調(diào)控作用。呼吸代謝專題知識講座第51頁3.2三羧酸循環(huán)調(diào)控丙酮酸脫氫酶系檸檬酸合酶異檸檬酸脫氫酶

-酮戊二酸氧化脫氫酶丙酮酸脫氫酶系丙酮酸促進酶活性

ATP和NADH抑制酶活性呼吸代謝專題知識講座第52頁檸檬酸合酶：TCA循環(huán)第一個限速酶。

ATP是該酶變構(gòu)負效應(yīng)物。降低酶對乙酰輔酶A親和力。

異檸檬酸脫氫酶：受ADP激活，與底物親和力增加

-酮戊二酸氧化脫氫酶系：琥珀酰輔酶A、NADH和ATP是該酶系抑制物。呼吸代謝專題知識講座第53頁3.3腺苷酸庫與能荷(energycharge)對植物呼

吸代謝調(diào)整

ATP、ADP和AMP組成腺苷酸庫（adenylatepool）。

Atkinson提出能荷（energycharge）概念，能荷表示腺苷酸庫中高能磷酸鍵含有程度。

[ATP]＋1/2[ADP]能荷（EC）＝—————————————[ATP]＋[ADP]＋[AMP]呼吸代謝專題知識講座第54頁植物呼吸代謝酶并不受能荷控制，而ADP和Pi濃度可能是控制呼吸速率主要因子。離體線粒體試驗表明：ADP和Pi缺乏時，ATPase

Fo質(zhì)子通道關(guān)閉。

加入ADP和Pi后，F(xiàn)o功效快速恢復(fù)。呼吸代謝專題知識講座第55頁活體植物中，線粒體ADP濃度又受到ATP運出線粒體速率和ATP在細胞質(zhì)中周轉(zhuǎn)速率控制?？傊毎鸄DP濃度調(diào)整著氧化磷酸化和電子傳遞速率，它反過來又調(diào)整著TCA環(huán)活性，最終調(diào)整著糖酵解速率。呼吸代謝專題知識講座第56頁3.呼吸作用生理指標及其影響原因3.1呼吸速率(RespiratoryRate)

單位時間單位重量（鮮重、干重）植物組織或單位細胞、毫克氮所放出CO2量或吸收O2量來表示。

CO2μmol.g-1.h-1O2μl.g-1.

h-1

呼吸代謝專題知識講座第57頁3.2呼吸商：（RespiratoryQuotientRQ）

放出CO2摩爾數(shù)吸收O2摩爾數(shù)呼吸商（RQ)=呼吸商反應(yīng)植物呼吸底物性質(zhì)及呼吸類型，以葡萄糖為底物時:C6H12O6+6O2→6CO2+6H2ORQ=6/6=1呼吸代謝專題知識講座第58頁以機酸為底物時，RQ>1。以檸檬酸為例：

C6H8O12+4.5O2→6CO2+4H2ORQ=6/4.5=1.33以富含氫物質(zhì)為底物時，RQ<1，如以棕櫚酸為例：

C16H32O2+23O2→16CO2+16H2ORQ=16/23=0.7當進行無氧呼吸時：RQ→

呼吸代謝專題知識講座第59頁3.3影響呼吸強度原因3.3.1內(nèi)部原因?qū)粑鼜姸扔绊?/p>

不一樣植物，呼吸速率不一樣

同一植物不一樣器官或組織，或不一樣發(fā)育時期同一器官呼吸速率不一樣

呼吸代謝專題知識講座第60頁3.3.2外界條件對呼吸速率影響（1）溫度

呼吸溫度最低點:大多數(shù)植物在0℃以下時已無呼吸或僅有微弱呼吸。呼吸溫度最高點，普通在35-45℃。使呼吸過程以最快，且是連續(xù)穩(wěn)定速度進行溫度，稱為呼吸最適溫度。溫帶植物呼吸作用最適溫度普通在25℃-35℃之間。呼吸代謝專題知識講座第61頁溫度對豌豆幼苗呼吸速率影響呼吸代謝專題知識講座第62頁（2）氧氣

氧分壓和溫度對洋蔥根尖呼吸速率影響呼吸代謝專題知識講座第63頁

蘋果在不一樣氧分壓下氣體交換實心點為耗氧量，空心點為CO2釋