植物的呼吸作用.ppt

第二篇 植物体内的 物质和能量的转变 内容简介 第一篇主要讲述了植物如何合成初级有机 物并将光能贮藏在有机物之中 本篇主要讨论植物体内的物质和能量的转 变过程： 其中第四篇“植物的呼吸作用”主要讲解 能量的转变，也涉及到一些物质转变问题 第五章“植物体内的有机物代谢” 第六章“植物体内的有机物运输”主要讲 授有机物的转变和运输过程 第四章 植物的呼吸 作用 生物的新陈代谢可以概括为两类反应：同化作用 (assimilation)和异化作用（disassimilation） 同化作用是把非生活物质转化为生活物质。异化作用则 是把生活物质分解成非生活物质。光合作用是将CO2和水 转变成为有机物，把日光能转化为可贮存在体内的化学 能, 属于同化作用；而呼吸作用是将体内复杂的有机物 分解为简单的化合物，同时把贮藏在有机物中的能量释 放出来，属于异化作用。 呼吸作用是一切生活细胞的共同特征，呼吸停止，也就 意味着生命的终止。 了解植物呼吸作用的转变规律，对于调控植物生长发育 ，指导农业生产有着十分重要的理论意义和实际意义 第一节 呼吸作用 的概念和生理意义 一、呼吸作用的概念 呼吸作用（respiration）是指生活细胞内的有机 物,在酶的参与下，逐步氧化分解并释放能量的过 程。 呼吸作用的产物因呼吸类型的不同而有差异。依 据呼吸过程中是否有氧的参与，可将呼吸作用分 为有氧呼吸（aerobic respiration）和无氧呼吸 （anaerobic respiration）两大类型 （一）有氧呼吸 有氧呼吸是指生活细胞利用分子氧(O2),将某些有机 物彻底氧化分解,形成CO2和H2O，同时释放能量的过 程 呼吸作用中被氧化的有机物称为呼吸底物或呼吸基 质(respiratory substrate)，碳水化合物、有机酸 、蛋白质、脂肪都可以作为呼吸底物。一般来说,淀 粉、葡萄糖、果糖、蔗糖等碳水化合物是最常利用 的呼吸底物。以葡萄糖作为呼吸底物，则有氧呼吸 的总反应可用下式表示： C6H12O6+6O26CO2+6H2O ，G-2870kJmol-1 G是指pH为7时标准自由能的变化 有氧呼吸时，呼吸底物被彻底氧化为CO2和H2O，O2 被还原为H2O。有氧呼吸总反应式和燃烧反应式相 同，但是在燃烧时底物分子与O2反应迅速激烈，能 量以热的形式释放；而在呼吸作用中氧化作用则分 为许多步骤进行，能量是逐步释放的，一部分转移 到ATP和NADH分子中，成为随时可利用的贮备能， 另一部分则以热的形式放出 有氧呼吸是高等植物呼吸的主要形式，通常所说的 呼吸作用，主要是指有氧呼吸 （二）无氧呼吸 无氧呼吸是指生活细胞在无氧条件下，把某些有机物分 解成为不彻底的氧化产物，同时释放能量的过程。微生 物的无氧呼吸通常称为发酵（fermentation）。例如酵 母菌，在无氧条件下分解葡萄糖产生酒精，这种作用称 为酒精发酵，其反应式如下： C6H12O62C2H5OH+2CO2 ，G=-226 kJmol-1 高等植物也可发生酒精发酵，例如甘薯、苹果、香蕉贮 藏久了，稻种催芽时堆积过厚，都会产生酒味，这便是 酒精发酵的结果。 乳酸菌在无氧条件下产生乳酸，这种作用称为乳酸发酵 ，其反应式如下： C6H12O62CH3CHOHCOOH， G=-197 kJmol-1 高等植物也可发生乳酸发酵，例如，马铃薯块茎、甜菜 块根、玉米胚和青贮饲料在进行无氧呼吸时就产生乳酸 呼吸作用的进化与地球上大气成分的变化有密切 关系：地球上本来是没有游离的氧气的，生物只 能进行无氧呼吸 光合生物的问世，大气中氧含量提高了，生物体 的有氧呼吸才相伴而生 现今高等植物的呼吸类型主要是有氧呼吸，但也 仍保留着能进行无氧呼吸的能力。如种子吸水萌 动，胚根、胚芽等在未突破种皮之前，主要进行 无氧呼吸；成苗之后遇到淹水时，可进行短时期 的无氧呼吸，以适应缺氧条件 二 呼吸作用的生理意义 呼吸作用对植物生命活动具有十分重要 的意义，主要表现在以下几个方面 1.为植物生命活动提供能量 除绿色细胞可直接利用光能进行 光合作用外，其它生命活动所需 的能量都依赖于呼吸作用。呼吸 作用将有机物质生物氧化，使其 中的化学能以ATP形式贮存起来 。当ATP在ATP酶作用下分解时， 再把贮存的能量释放出来，以不 断满足植物体内各种生理过程对 能量的需要(图)，未被利用的能 量就转变为热能而散失掉 呼吸放热，可提高植 物体温，有利于种子 萌发、幼苗生长、开 花传粉、受精等 2.中间产物是合成植物体内重要有机物质的原料 呼吸作用在分解有机物质过 程中产生许多中间产物，其 中有一些中间产物化学性质 十分活跃，如丙酮酸、-酮 戊二酸、苹果酸等，它们是 进一步合成植物体内新的有 机物的物质基础。当呼吸作 用发生改变时，中间产物的 数量和种类也随之而改变， 从而影响着其他物质代谢过 程。呼吸作用在植物体内的 碳、氮和脂肪等代谢活动中 起着枢纽作用。 3.在植物抗病免疫方面有着重要作用 植物和病原微生物的相互作用中，植物依 靠呼吸作用氧化分解病原微生物所分泌的 毒素，以消除其毒害 植物受伤或受到病菌侵染时，也通过旺盛 的呼吸，促进伤口愈合，加速木质化或栓 质化，以减少病菌的侵染 呼吸作用的加强还可促进具有杀菌作用的 绿原酸、咖啡酸等的合成，以增强植物的 免疫能力 4为代谢活动提供还原力 呼吸过程中形成的NAD（P）H， UQH2等可为一些还原过程提供还原力 高等植物呼吸代谢的特点 复杂性：呼吸作用的整个过程是一系列复杂的酶 促反应 物质代谢和能量代谢的中心：它的中间产物又是 合成多种重要有机物的原料，起到物质代谢的枢 纽作用 呼吸代谢的多样性：表现在呼吸途径的多样性。 如植物呼吸代谢并不只有一种途径，不同的植物 、同一植物的不同器官或组织在不同的生育时期 、不同环境条件下，呼吸底物的氧化降解可以走 不同的途径 表现在电子传递系统的多样性和末端氧化酶的多 样性 第二节 植物的呼吸代谢 途径 在高等植物中存在着 多条呼吸代谢的生化 途径化这是植物在长 期进化过程中，对多 变环境条件适应的体 现。在缺氧条件下进 行酒精发酵和乳酸发 酵，在有氧条件下进 行三羧酸循环和戊糖 磷酸途径，还有脂肪 酸氧化分解的乙醛酸 循环以及乙醇酸氧化 途径等 一、糖酵解 己糖在细胞质中分解成丙酮酸的过程，称为糖酵 解（glycolysis）。整个糖酵解化学过程于1940 年得到阐明。为纪念在研究这一途径中有突出贡 献的三位生物化学家：G.Embden,O.Meyerhof和 J.K.Parnas，又把糖酵解途径称为 EmbdenMeyerhofParnas途径，简称EMP途径（EMP pathway）。糖酵解普遍存在于动物、植物、微生 物的细胞中 糖酵解途径化学 历程 1.己糖的活化是糖酵解的起始 阶段。己糖在己糖激酶作用下 ，消耗两个ATP逐步转化成果糖 -1，6二磷酸(F-1，6-BP) 2.己糖裂解，即F-1，6-BP在 醛缩酶作用下形成甘油醛-3- 磷酸和二羟丙酮磷酸，后者在 异构酶(isomerase)作用下可 变为甘油醛-3-磷酸 3.丙糖氧化甘油醛-3-磷酸氧化 脱氢形成磷酸甘油酸，产生1个 ATP和1个NADH，同时释放能量 糖酵解过程中糖的氧化分解是在没有分子氧的参与下进行的，其 氧化作用所需要的氧来自水分子和被氧化的糖分子 在糖酵解过程中，每1mol葡萄糖产生2mol丙酮酸时，净产生 2molATP和2molNADH+H+ 糖酵解的总反应可归纳为： C6H12O6+2NAD+2ADP+2H3PO42CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP （二）糖酵解的生理意义 1.糖酵解普遍存在于生物体中，是有氧呼吸和无氧呼吸途径的共同部分 2.糖酵解的产物丙酮酸的化学性质十分活跃， 可以通过各种代谢途径，生成不同的物质 3.通过糖酵解产生ATP和NADH，生物体 可获得生命活动所需的部分能量 4. 糖酵解途径中，除了由己糖激酶、磷酸果糖 激酶、丙酮酸激酶等所催化的反应以外，多数反 应均可逆转，这就为糖异生作用提供了基本途径 二、无氧呼吸 生活细胞在无氧条件下进行戊糖磷酸途径、酒精 发酵和乳酸发酵。糖酵解实际上是丙酮酸的无氧 降解，反应在细胞质中进行。 高等植物无氧呼吸，包括了从己糖经糖酵解形成 丙酮酸，随后进一步产生乙醇或乳酸的全过程。 植物在无氧条件下通常是发生酒精发酵（alcohol fermentation）。 在无氧条件下，通过酒精发酵或乳酸发酵，实现 了NAD+的再生，这就使糖酵解得以继续进行 无氧呼吸过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。可见，发酵作用的能量利用效率是 很低的，有机物质耗损大，而且发酵产物酒精和乳酸的累 积，对细胞原生质有毒害作用 长期进行无氧呼吸的植物会受到容易伤害，甚至会死亡 生物体中重要的发酵作用有酒精发酵和乳酸发酵。在酒精 发酵(alcohol fermentation)过程中,糖类经过糖酵解生 成丙酮酸。然后,丙酮酸先在丙酮酸脱羧酶(pyruvic acid decarboxylase)作用下脱羧生成乙醛 CH3COCOOHCO2CH3CHO 乙醛再在乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase)的作用下 ，被还原为乙醇CH3CHONADHH+CH3CH2OHNAD+ 在缺少丙酮酸脱羧酶而含有乳酸脱氢酶(lactic acid dehydrogenase)的组织里， 丙酮酸便被NADH还原为乳酸 ，即乳酸发酵(lactate fermentation) CH3COCOOHNADHH+CH3CHOHCOOHNAD+ 三羧酸循环 酵解产物丙酮酸在有氧条件下进入线粒体，通过一个包括 三羧酸和二羧酸的循环逐步脱羧脱氢，彻底氧化分解,这一 过程称为三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA) TCA循环普遍存在于动物、植物、微生物细胞中，是在线粒 体基质中进行 TCA循环是糖、脂肪、蛋白质三大类物质的共同氧化途径 （一）三羧酸循环的化 学历程 （二）三羧酸循环的回补机制 1.丙酮酸的羧化 丙酮酸在丙酮酸羧 化酶催化下形成草酰乙酸。 PyrCO2H2OATPOAA+ADP+Pi 2.PEP的羧化作用 在糖酵解 中形成的PEP不转变为丙酮酸 ，而是在PEP羧化激酶作用下 形成草酰乙酸，草酰乙酸再 被还原为苹果酸 3.天冬氨酸的转氨作用 天冬 氨酸和酮戊二酸在转氨酶 作用下可形成草酰乙酸和谷 氨酸： ASP-酮戊二酸OAA+Glu （三）三羧酸循环的特点和生理意义 1.在TCA循环中底物(含丙酮酸)脱下5对氢原子，其中4对氢在丙酮酸 、异柠檬酸、-酮戊二酸氧化脱羧和苹果酸氧化时用以还原NAD+， 一对氢在琥珀酸氧化时用以还原FAD。生成的NADH和FADH2，经呼吸链 将H+和电子传给O2生成H2O,同时偶联氧化磷酸化生成ATP 2.乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个碳原子进入循环 3.在每次循环中消耗2分子H2O。一分子用于柠檬酸的合成，另 一分子用于延胡索酸加水生成苹果酸。水的加入相当于向中间 产物注入了氧原子，促进了还原性碳原子的氧化 4.TCA循环中并没有分子氧的直接参与，但该循环必须在有氧条 件下才能进行，因为只有氧的存在，才能使NAD+和FAD在线粒体 中再生，否则TCA循环就会受阻 5.该循环既是糖、脂肪、蛋白彻底氧化分解的共同途径；又 可通过代谢中间产物与其他代谢途径发生联系和相互转变 四 戊糖磷 酸途径 戊糖磷酸途径是指葡萄糖在细胞质内 直接氧化脱羧，并以戊糖磷酸为重要 中间产物的有氧呼吸途径。该途径可 分为两个阶段 1.葡萄糖氧化脱羧阶段 (1)脱氢反应 在葡萄糖-6-磷酸 脱氢酶(glucose6phosphate dehydrogenase)的催化下以NADP+ 为氢受体，葡萄糖-6-磷酸(G6P)脱 氢生成6-磷酸葡萄糖酸内 (2)水解反应 在6-磷酸葡萄糖酸 内酯酶(lactonase)的催化下，6- PGL被水解为6-磷酸葡萄糖酸 (6phosphogluconate,6-PG)。反 应是可逆的 (3)脱氢脱羧反应 在6-磷酸葡萄 糖酸脱氢酶(6-phosphogluconate dehydrogenase)催化下，以NADP+ 为氢受体，6-PG氧化脱羧，生成 核酮糖-5-磷酸(Ru5P) 本阶段的总反应是： G6P2NADP+H2ORu5PCO2 2NADPH2H+ 2.分子重组阶段 经过一系列糖之 间的转化，最终可将6个Ru5P转变 为5个G6P(图中反应4-12) 从整个戊糖磷酸途径来看，6分子 的G6P经过两个阶段的运转，可以 释放6分子CO2、12分子NADPH，并 再生5分子G6P。 戊糖磷酸途径的 总反应式可写成： 6G6P12NADP+ 7H2O6CO212NADPH12H+ 5G6PPi 戊糖磷酸途径的特点和生理意义 1.PPP是葡萄糖直接氧化分解的生化途径，每氧化1分 子葡萄糖可产生12分子的NADPH+H+，有较高的能量转 化效率 2.该途径中生成的NADPH在脂肪酸、固醇等的生物合 成、非光合细胞的硝酸盐、亚硝酸盐的还原以及氨的 同化、丙酮酸羧化还原成苹果酸等过程中起重要作用 3.该途径中的一些中间产物是许多重要有机物质生物 合成的原料，如Ru5P和R5P是合成核苷酸的原料。 4.该途径分子重组阶段形成的丙糖、丁糖、戊糖、己 糖和庚糖的磷酸酯及酶类与卡尔文循环的中间产物和 酶相同，因而戊糖磷酸途径和光合作用可以联系起来 5.PPP在许多植物中普遍存在，特别是在植物感病、 受伤、干旱时，该途径可占全部呼吸的50%以上 第三节 电子传递与氧化磷 酸化 三羧酸循环等呼吸代谢过程中脱下的氢被NAD+或 FAD所接受。细胞内的辅酶或辅基数量是有限的， 它们必须将氢交给其它受体之后，才能再次接受氢 在需氧生物中，氧气便是这些氢的最终受体 这种有机物在生物活细胞中所进行的一系列传递氢 和电子的氧化还原过程，称为生物氧化 (biological oxidation) 生物氧化与非生物氧化的化学本质是相同的，都是 脱氢、失去电子或与氧直接化合，并产生能量 线粒体中氧化磷酸化反应的一般机理 一 呼吸链的概念和组成 呼吸链(respiratory chain)即呼吸电子传递链 (electron transport chain)，是线粒体内膜上由 呼吸传递体组成的电子传递总轨道 呼吸链传递体能把代谢物脱下的电子有序地传递给 氧，呼吸传递体有两大类：氢传递体与电子传递体 氢传递体包括一些脱氢酶的辅助因子，主要有NAD+、 FMN、FAD、UQ等 它们既传递电子，也传递质子；电子传递体包括细 胞色素系统和某些黄素蛋白、铁硫蛋白 呼吸链传递体传递电子的顺序是：代谢物 NAD+FADUQ细胞色素系统O2 植物线粒体内膜上的复合体及其电子传递 1.复合体 又称NADH泛醌氧化还原酶(NADHubiquinone oxidoreductase) 复合体的功能在于催化位于线粒体基质中由TCA循环产生的 NADHH+中的2个H+经FMN转运到膜间空间，同时再经过Fe-S将 2个电子传递到UQ(又称辅酶Q,CoQ)；UQ再与基质中的H+结合 ，生成还原型泛醌(ubiquinol,UQH2) 该酶的作用可为鱼藤酮(rotenone)、杀粉蝶菌素 A(piericidin A)、巴比妥酸(barbital acid)所抑制。它们 都作用于同一区域，都能抑制Fe-S簇的氧化和泛醌的还原 2.复合体 又称琥珀酸 泛醌氧化还原酶(succinateubiquinone oxidoreductase)分子量约140103，含有45种不同的蛋白质 ，主要成分是琥珀酸脱氢酶(succinate dehydro genase,SDH)、 黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD)、细 胞色素b(cytochrome b)和3个Fe-S蛋白 复合体的功能是催化琥珀酸氧化为延胡索酸，并将H转移到FAD 生成FADH2，然后再把H转移到UQ生成UQH2 该酶活性可被2-噻吩甲酰三氟丙酮 (thenoyltrifluoroacetone,TTFA)所抑制 3.复合体 又称UQH2细胞色素C氧化还原酶 (ubiquinonecytochrome c oxidoreductase),分子 量250103，含有910种不同蛋白质一般都含有2个 Cyt b，1个Fe-S蛋白和1个Cyt c1 复合体的功能是催化电子从UQH2经Cyt bFeSCytc1传递到Cyt c，这一反应与跨膜质子转 移相偶联，即将2个H+释放到膜间空间 4.复合体 又称Cyt c细胞色素氧化酶(Cyt ccytochrome oxidase)分子量约 160-170103，含有多种不同的蛋白质，主要成分是Cyta和Cyta3及2个 铜原子，组成两个氧化还原中心即Cyta CuA和Cyta3 CuB，第一个中心 是接受来自Cyt c 的电子受体，第二个中心是氧还原的位置 其功能是将 Cyt c中的电子传递给分子氧，氧分子被Cyta3、CuB还原 至过氧化物水平；然后接受第三个电子，O-O键断裂，其中一个氧原子 还原成H2O；在另一步中接受第四个电子，第二个氧原子进一步还原 CO、氰化物(cyanide,CN-)、叠氮化物(azide,N3-)同O2竞争与Cytaa3中 Fe的结合，可抑制从Cytaa3到O2的电子传递 5.复合体 又称ATP合成酶(adenosine triphosphate synthase)或H+-ATP酶 复合物。由8种不同亚基组成,分子量分别是8.210355.2103 ，它们又分别组成两个蛋白质复合体(F1-F0) F1从内膜伸入基质中，突出于膜表面，具有亲水性，酶的催化部 位就位于其中。F0疏水，嵌入内膜磷脂之中，内有质子通道,它 利用呼吸链上复合体、运行产生的质子能，将ADP和Pi 合成ATP，也能催化与质子从内膜基质侧向内膜外侧转移相联的 ATP水解 二 氧化磷酸化 1.底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)指 底物脱氢(或脱水）,其分子内部所含的能量重新分布，即可 生成某些高能中间代谢物，再通过酶促磷酸基团转移反应直 接偶联ATP的生成 糖酵解过程中有两个步骤发生底物水平磷酸化： (1) 甘油醛-3-磷酸被氧化脱氢，生成一个高能硫酯键，再 转化为高能磷酸键，其磷酸基团再转移到ADP上，形成ATP (2) 2-磷酸甘油酸通过烯醇酶的作用，脱水生成高能中间化 合物(PEP)，经激酶催化转移磷酸基团到ADP上，生成ATP 在TCA循环中，-酮戊二酸经氧化脱羧形成高能硫酯键,然 后再转化形成高能磷酸键生成ATP （一）磷酸化的概念及类型 2. 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 是指 电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给分子氧生成 水,并偶联ADP和Pi生成ATP的过程。它是需氧生物合 成ATP的主要途径。电子沿呼吸链由低电位流向高电 位是个逐步释放能量的过程 氧化磷酸化作用的活力指标为P/O比，是指每消耗一 个氧原子有几个ADP变成ATP 氧化磷酸化的解偶联剂和抑制 三 末端氧化酶系统 参与生物氧化反应的有多种氧化酶，其中处于呼 吸链一系列氧化还原反应最末端，能活化分子态 氧的酶被称为末端氧化酶(terminal oxidase) （一）细胞色素氧化酶 细胞色素氧化酶在植物体内是最主要的末端氧化 酶，其作用是将Cyta3中的电子传递给O2生成H2O。 它在幼嫩组织中较活跃，在某些成熟组织中活性 比较小。呼吸所耗O2的80%由它完成；包括cyta和 cyta3，含有2个铁卟啉和2Cu,将电子从cyta3传给 O2；与氧的亲和力高。受氰化物、CO的抑制这个 酶与氧的亲和力最高，易受CN-、CO和N-3的抑制 4Cyta （Fe2+）+O24H2O 2H2O+4Cyta（Fe3+） （二）交替氧化酶（AO） 含Fe,将电子从UQ经FP传给O2；对氧的亲和力较高。易受水 杨基氧肟酸(SHAM)所抑制。对氰化物不敏感。即抗氰呼吸， 电子从NADH经FMN、Fe-S、UQ、FP，由交替氧化酶传至氧， P/O比为1 汤佩松在1932年报导了CO不能完全抑制羽扇豆细胞对氧气的 吸收。这种在氰化物存在条件下仍运行的呼吸作用，称为抗 氰呼吸(cyanide resistant respiration)，也即是对氰化 物不敏感的那一部分呼吸。抗氰呼吸可以在某些条件下与电 子传递主路交替运行，抑制正常电子传递途径就可促进抗氰 呼吸的发生，因此，抗氰呼吸这一呼吸支路又称为交替途径 (alternative pathway) NADHFMNFeSUQCyt bFeS、Cytc1.CytcCytaa3O2 抗氰呼吸的生理意义 抗氰呼吸的生理意义尚不十分清楚。据推测，有 以下几方面 1.放热增温，促进植物开花、种子萌发 抗氰呼吸释放大量热量，有助于某些植物花粉的成熟及授粉、受精过程； 有利于挥发引诱剂(如NH3、胺类、吲哚等），以吸引昆虫帮助传粉。放热 增温也有利于种子萌发。种子在萌发早期或吸胀过程中都有抗氰呼吸的存 在。例如棉花种子吸胀开始时抗氰呼吸占35%，6h后达到70 2.增加乙烯生成，促进果实成熟 促进衰老在正常条件下，抗氰呼吸的出现常与衰老相联系。 随着植株年龄的增长、果实的成熟，抗氰呼吸随之升高。同 时，乙烯与抗氰呼吸上升有平行的关系。乙烯刺激抗氰呼吸 ，诱发呼吸跃变产生，促进果实成熟和植物组织器官衰老。 1961年，梁厚果发现白兰瓜果实成熟期的“跃变呼吸”是由 抗氰氧化酶控制的，即主要依赖于抗氰呼吸的提高 3.在防御真菌的感染中起作用 甘薯块根组织受到黑斑病菌侵染后抗氰呼吸成倍增长，而 且抗病品种感染组织总是明显高于感病品种感染组织，由 此可知，抗氰呼吸的强弱与甘薯块根组织对黑斑病菌的抗 性有着密切关系 4.分流电子 当细胞含糖量高(如光合作用旺盛)，EMP-TCA循环迅速 进行时，交替氧化酶活性很高。一些人认为，当细胞色 素主路电子饱和发生满溢(overflow)时，交替途径起到 了分流电子的作用 四 线粒体外末端氧化酶 （一）酚酶氧化酶 酚氧化酶可分为单元酚氧化（monophenol oxidase）如酪氨 酸酶（tyrosinase）和多元酚氧化酶（polyphenol oxidase ）如儿茶酚氧化酶（catechol oxidase) 酚氧化酶存在于质体、微体中，它可催化分子氧对多种酚的 氧化，酚氧化后变成醌，并进一步聚合成棕褐色物质。这些 酶与植物的“愈伤反应”有密切关系。植物组织受伤后呼吸 作用增强，这部分呼吸作用称为“伤呼吸”(wound respiration) 伤呼吸把伤口处释放的酚类氧化为醌类，而醌类往往对微生 物是有毒的，这样就可避免感染 （二）抗坏血酸氧化酶 分布在细胞质中，含Cu，将维生素C(抗坏血酸)氧 化为脱氢抗坏血酸；与植物的受精作用、能量代 谢、物质合成有密切关系；对氧的亲和力低，受 氰化物抑制，对CO不敏感 抗坏血酸氧化酶催化分子氧，将抗坏血酸氧化为 脱氢抗坏血酸，它存在于细胞质中或与细胞壁相 结合 （三）乙醇酸氧化酶体系 乙醇酸氧化酶能把乙醇酸氧化为乙醛酸并产生H2O2 。乙醇酸氧化酶所催化的反应，可与某些底物的 氧化相偶联。它还与甘氨酸的合成有密切关系， 在光呼吸中及水稻根部的氧化还原反应中起重要 作用 未端氧化酶的多样性 细胞色素氧化酶对O2的亲和 力大，所以在低氧浓度时 仍能发挥作用。酚氧化酶 、黄酶对氧的亲和力较低 ，故只能在高O2时起作用。 在苹果果肉外以酚氧化酶 和黄酶为主，而内部以细 胞色素氧化酶为主。 细胞色素氧化酶对温度 最敏感，黄酶对温度不敏 感，故低温、成熟时苹果 以黄酶为主，未成熟成气 温高时以细胞色素氧化酶 为主 植物体内的末端氧化酶的多样性能使 植物在一定范围内适应各种外界环境 第四节 呼吸过程中能 量的贮存和利用 一 贮存能量 呼吸代谢中伴随着物质的氧化分解，不断释放能 量。除部分以热能散失外，其余能量以高能键形 成贮存。植物体内的高能键主要是高能磷酸键ATP 或GTP(动物TCA中a-酮戊二酸的氧化脱羧生成琥珀 酰辅酶A，它在硫激酶作用下高能硫酯键中的能量 转移到GTP，再传递给ATP)，其次是硫酯键。其中 以腺苷三磷酸（adenosine triphosphate,ATP） 中的高能磷酸键最重要。 生成ATP的方式有两种 ：一是氧化磷酸化，二是底物水平的磷酸化（ substrate-level phosphorylation） 二 利用能量 从呼吸作用的能量效率来看，真核细胞中每mol葡萄糖在 pH7的标准条件下经EMP-TCA循环-呼吸链彻底氧化，标准 自由能变化（G0）为2870kJ，而1molATP水解时，其 末端高能磷酸键（-P）可释放能量为30.5kJ,36molATP释 放的能量为30.5KJ36=1098KJ,因此，高等植物和真菌中 葡萄糖经EMP-TCA循环呼吸链进行有氧呼吸时，能量利 用效率为1098/2870100%=38.25% 在植物生命活动过程中，对矿质营养的吸收和运输、有机 物合成和运输、细胞的分裂和分化、植物的生长、运动、 开花、受精、结果等等都依赖于ATP分解所释放的能量 三 光合作用与呼吸作用的关系 绿色植物通过光合作用把CO2和H2O转变成富含能量的 有机物质并释放氧气；同时也通过呼吸作用把有机物 质氧化分解为CO2和H2O同时放出能量供生命活动利用 。光合作用和呼吸作用既相互对立，又相互依赖，它 们共同存在于统一的有机体中。光合作用与呼吸作用 在原料、产物、发生部位、发生条件以及物质、能量 转换等方面有明显的区别 光合作用与呼吸作用又有相互依赖，紧密相连的关 系。两大基本代谢过程互为原料与产物，光合作用 释放的O2可供呼吸作用利用，而呼吸作用释放的CO2 也可被光合作用所同化。光合作用的卡尔文循环与 呼吸作用的戊糖磷酸途径基本上是正反对应的关系 光合作用与呼吸作用的关系 1光合作用所需的ADP （供光合磷酸产生ATP） 和辅酶NADP+（供产生NADPH+H+），与呼吸作用所 需的ADP盒NADP+是相同的。 2光合作用的碳循环与呼吸作用的戊糖磷酸途径 基本上是正反反应关系。中间的产物同样是三碳 糖、四碳糖、五碳糖等。 3光合作用释放出O2供呼吸作用利用，而呼吸作 用释放的CO2为光合作用所同化 第五节 呼吸作 用的调节和控 制 植物呼吸作用多条途径都具有自动调节和控制能力。 细胞内呼吸代谢的调节机理主要是反馈调节 所谓反馈调节(feedback regulation)就是指反应体 系中的某些中间产物或终产物对其前面某一步反应速 度的影响 凡是能加速反应的称为正效应物(positive effector)(正反馈物)；凡是能使反应速度减慢者称 负效应物(negative effector)(负反馈物)。对于呼 吸代谢来说反馈调节主要是效应物对酶的调控，包括 酶的形成(基因的表达)和酶的活性这两方面的调控, 这里着重介绍反馈调节酶活性方面的内容 一 巴斯德效应和糖酵解的调节 巴斯德效应：有氧条件下酒精发酵 受抑制的现象。即O2可以降低糖类 的分解代谢和减少EMP产物的积累 EMP两个关键酶：磷酸果糖激酶和 丙酮酸激酶。ATP、柠檬酸、PEP为 主要负效应物，而K、Mg、Pi可提 高酶活性 在有氧时丙酮酸进入线粒体生成ATP 和柠檬酸抑制丙酮酸激酶，导致PEP 、3-PGA量上升，进而对磷酸果糖激 酶有反馈抑制作用；无氧时积累较多 的Pi和ADP，有促进作用；有氧时细 胞质中的NADH进入线粒体内膜的呼吸 链，因缺乏NADH而丙酮酸不能被还原 为酒精，因而发酵作用受抑制 （二）TCA循环的调节 丙酮酸脱氢酶系：活性受CoA和 NAD+的促进，受乙酰CoA和NADH的 抑制；ATP浓度高时该酶被磷酸 化而失活；丙酮酸浓度高时则会 降低该酶的磷酸化程度提高此酶 的活性，促进TCA循环 其他：NADH和ATP对柠檬酸合成 酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱 氢酶等有抑制作用，NAD+、高比 例的NAD+/NADH和ADP则为其激活 剂；AMP对a-酮戊二酸脱氢酶有 促进作用；反馈抑制：如a-酮戊 二酸对异柠檬酸脱氢酶的抑制， 草酰乙酸对苹果酸脱氢酶的抑制 （三）腺苷酸能荷的调节 受NADPH/NADP+调节。G6P脱氢酶为PPP的关键酶，受NADPH 抑制，NADP+促进其活性；NADPH抑制6-磷酸葡萄糖酸脱氢 酶活性；降低NADPH/NADP+可促进PPP进行。光照充分、供 氧可促进NADPH被利用，促进PPP；植物受旱、受伤、衰老 、种子成熟过程PPP加强 （四）电子传递途径的调节 两条主要电子传递途径：细胞色素途径(CP)和交替氧化途 径(AP)。内源水杨酸(SA)可诱导交替氧化途径的进行；缺 磷时PPP增加，细胞色素途径减弱 能荷(energycharge) 能荷库:ATP,ADP,AMP. 能荷:总的腺苷酸系统中所负荷的高能磷酸基数量,是 细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，体现着细胞 中腺甘酸系统的能量状态。 能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。它的值可以从0- 1,一般为0.75-0.95范围。当全部腺苷酸都转化成ATP 时,能荷为1.0；全为ADP时EC=0.5；当全为AMP时EC=0 ATP的生成和消耗途径以及细胞内的反应是和细胞内 能量载荷状态相呼应的。能荷高时,ATP生成过程受抑 制,合成代谢增强从而促进ATP的利用。能荷低时,减 少利用ATP,增加分解代谢从而增加产生ATP 第六节 影响呼吸作用的 因素 一 呼吸速率和呼吸商 （一）呼吸速率 呼吸速率(respiratory rate)是最常用的代表呼吸强 弱的生理指标，它可以用单位时间单位重量(干重、鲜 重)的植物组织或单位细胞、毫克氮所放出的CO2的量 (Qco2)或吸收的O2的量(Qo2)来表示。常用单位有： molg-1h-1, lg-1h-1等 测定呼吸速率的方法有多种 。比如：用红外线CO2气体分析 仪测定CO2的释放量；用氧电极测氧装置测定O2吸收量；还有 广口瓶法(小篮子法)、气流法、瓦布格微量呼吸检压法等 （二）呼吸商 植物组织在一定时间内，放出二氧化碳的量与吸收氧气 的量的比值叫做呼吸商(respiratory quotient,RQ),又 称呼吸系数(respiratory coefficient)。 RQ=放出的CO2量/吸收的O2量 碳水化合物是主要的呼吸底物，脂肪、蛋白质以及有机 酸等也可作为呼吸底物。底物种类不同，呼吸商也不同 小麦和亚麻种子萌发及幼苗 生长过程中呼吸商的变化 呼吸商的大小和呼吸底物的性质关系密切 ，故可根据呼吸商的大小大致推测呼吸作 用的底物及其性质的改变 氧气供应状况对呼吸商影响也很大，在无 氧条件下发生酒精发酵,只有CO2释放，无 O2的吸收，则RQ。植物体内发生合成 作用,呼吸底物不能完全被氧化,其结果使 RQ增大，如有羧化作用发生，则RQ减小 内部因素对呼吸速率的影响 不同的植物种类、代谢类型、生育特性、生理状况， 呼吸速率各有所不同；一般而言，凡是生长快的植物 呼吸速率就高，生长慢的植物呼吸速率就低 一年生植物开始萌发时， 呼吸迅速增强，随着植株 生长变慢，呼吸逐渐平稳 ，并有所下降，开花时又 有所提高。多年生植物的 呼吸速率表现出季节周期 性变化。温带植物的呼吸 速率以春季发芽和开花时 最高，冬天降到最低点 植物的不同器官或组织，呼吸速率也有明显的差异 三 外界条件对呼吸速率的影响 温度对呼吸作用的影响 主要在于温度对呼吸酶 活性的影响 在一定范围内，呼吸速 率随温度的增高而增高 ，达到最高值后，继续 增高温度，呼吸速率反 而下降。呼吸作用有温 度三基点，即最低、最 适、最高点 1.温度 所谓最适温度是保持稳态的最高呼吸速率的温度，一 般温带植物呼吸速率的最适温度为25-30 而呼吸作用的最适温度总是比光合作用的最适温度高 ，因此，当温度过高和光线不足时，呼吸作用强，光 合作用弱，就会影响植物生长 最低温度则因植物种类不同而有很 大差异。一般植物在接近0时，呼 吸作用进行得很微弱，而冬小麦在 0至-7下仍可进行呼吸作用;耐寒 的松树针叶在-25下仍未停止呼吸 ，但在夏季温度降至-4-5，呼吸 便完全停止。呼吸作用的最高温度一 般在3545之间，最高温度在短时 间内可使呼吸速率较最适温度的高， 但时间稍长后，呼吸速率就会急剧下 降，这是因为高温加速了酶的钝化或 失活 （二）氧气 氧是进行有氧呼吸的必要条件，当氧浓度下降到20%以下时，植 物呼吸速率便开始下降；氧浓度低于10%时，无氧呼吸出现并逐 步增强，有氧呼吸迅速下降。研究表明，在缺氧条件下玉米的 丙酮酸脱羧酶活性可提高5-9倍，其mRNA含量可提高20倍。在缺 氧条件下提高O2浓度时，无氧呼吸会随之减弱，直至消失。一 般把无氧呼吸停止进行的最低氧含量(10%左右)称为无氧呼吸的 消失点 由于氧浓度对呼吸类型有重要影响，因而 在不同氧浓度下呼吸商也不一样。以葡萄 糖为呼吸底物，当氧浓度低于无氧呼吸消 失点时，呼吸商大于1；当氧浓度高于消 失点时，无氧呼吸停止，呼吸商等于1。 过高的氧浓度(70%-100%)对植物有毒，这 可能与活性氧代谢形成自由基有关。相反 ，过低的氧浓度会由于无氧呼吸增强，过 多消耗体内养料，甚至产生酒精中毒，原 生质蛋白变性而导致植物受伤死亡 （三）二氧化碳 二氧化碳是呼吸作用的最终产物，当外界环境中二氧 化碳浓度增高时，脱羧反应减慢，呼吸作用受到抑制 。实验证明，二氧化碳浓度高于5%时，有明显抑制呼 吸作用的效应，这可在果蔬、种子贮藏中加以利用 土壤中由于植物根系的呼吸作用特 别是土壤微生物的呼吸作用会产生 大量的二氧化碳，如土壤板结，深 层通气不良，积累的二氧化碳可达 4-10，甚至更高，如不及时进 行中耕松土，就会使植物根系呼吸 作用受阻 （四） 水分 植物组织的含水量与呼吸作 用有密切的关系。在一定范 围内，呼吸速率随组织含水 量的增加而升高 燥种子的呼吸作用很微弱， 例如豌豆种子呼吸速率只有 0.00012lCO2g-1DWh-1。 当种子吸水后，呼吸速率迅 速增加。因此，种子含水量 是制约种子呼吸作用强弱的 重要因素 对于整体植物来说，接近萎 蔫时，呼吸速率有所增加， 如萎蔫时间较长，细胞含水 量则成为呼吸作用的限制因 素 影响呼吸作用的外界因素除了温度、氧气 、二氧化碳、水分之外,呼吸底物的含量( 如可溶性糖）、机械损伤、一些矿质元素 （如磷、铁、铜等）对呼吸也