植物生理第四章呼吸作用课件

第三章植物的呼吸作用 3 1呼吸作用的概念及生理意义3 2呼吸代谢的多样性 3 3呼吸作用的指标及影响因素3 4呼吸作用与农业生产 返回总目录 3 1呼吸作用的概念及生理意义 绿色植物代谢的特点3 1 1呼吸作用的概念及类型3 1 2呼吸作用的生理意义 绿色植物代谢的特点 代谢 metabolism 是指维持生命活动过程中各种化学变化的总称 从性质上分 物质代谢和能量代谢 从方向上分 同化 或合成 和异化 或分解 绿色植物代谢的一个最大特点是其自养性 autotropism 能进行光合作用 这是植物代谢生理研究的一个重点领域 3 1 1呼吸作用的概念及类型 呼吸作用 respiration 是指生活细胞内的有机物 在酶的参与下 逐步氧化分解成简单物质 并释放能量的过程 依据呼吸过程中是否有氧参与 可将呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两大类型 3 1 1 1有氧呼吸有氧呼吸 aerobicrespiration 是指生活细胞利用氧 O2 将某些有机物质彻底氧化分解 生成CO2和H2O 并释放能量的过程 如以葡萄糖作为呼吸底物 则有氧呼吸的总过程可用下列总反应式来表示 C6H12O6 6H2O 6O2 6CO2 12H2O G G 2870KJ mol 1 G 表示在pH 7下标准自由能的变化 有氧呼吸的特点 1 底物分解完全 逐步被分解 2 释放能量多 在正常情况下 有氧呼吸是高等植物进行呼吸的主要形式 3 1 1 2无氧呼吸无氧呼吸 anaerobicrespiration 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 同时释放出部分能量的过程 微生物中称为发酵 fermentation 酒精发酵 酵母菌 C6H12O6 2C2H5OH 2CO2 Go Go 226KJ mol 1乳酸发酵 乳酸菌 C6H12O6 2CH3CHOHCOOH Go Go 197KJ mol 1 无氧呼吸的特点 1 底物分解不彻底 2 释放的能量少 有氧呼吸是由无氧呼吸进化而来的 苹果 香蕉贮藏久了产生的酒味 便是酒精发酵的结果 胡萝卜 甜菜块根和青贮饲料在储藏时也会产生乳酸等 动物组织中也会进行乳酸发酵 3 1 2呼吸作用的生理意义1 为生命活动提供能量 需呼吸作用提供能量的生理过程有 离子的主动吸收和运输 细胞的分裂和伸长 有机物的合成和运输 种子萌发等 不需要呼吸直接提供能量的生理过程有 干种子的吸胀吸水 离子的被动吸收 蒸腾作用 光反应等 2 为重要有机物质提供合成原料 呼吸作用是有机物质代谢的中心 3 为代谢活动提供还原力 在呼吸底物降解过程中形成的NADH NADPH UQH2等可为脂肪 蛋白质生物合成 硝酸盐还原等生理过程提供还原力 4 增强植物抗病免疫能力 植物受病菌侵染时 侵染部位呼吸速率急剧升高 以通过生物氧化分解有毒物质 受伤时 也通过旺盛的呼吸 促进伤口愈合 使伤口迅速木质化或栓质化 以阻止病菌的侵染 呼吸作用的加强还可促进具有杀菌作用的绿原酸 咖啡酸的合成 3 2呼吸代谢的多样性 概述3 2 1化学途径的多样性3 2 2电子传递途径的多样性3 2 3末端氧化系统的多样性3 2 4呼吸代谢多样性的生理意义 呼吸代谢多样性概述 植物呼吸代谢具有多种途径 不同植物 同一植物的不同器官或组织在不同生育时期或不同环境条件下 底物的氧化降解可走不同的途径 呼吸代谢多条路线观点 汤佩松 1965 阐述了呼吸代谢与其他生理功能之间控制和被控制的相互制约的关系 基因通过酶控制的代谢 调控植物的形态结构和生理功能 在一定限度内 代谢类型 生理功能和环境条件也调控基因的表达 3 2 1化学途径的多样性 3 2 1 1糖酵解3 2 1 2无氧呼吸3 2 1 3三羧酸循环3 2 1 4戊糖磷酸途径3 2 1 5乙醛酸循环3 2 1 6乙醇酸氧化途径 3 2 1 1糖酵解糖酵解 glycolysis 指葡萄糖在无氧条件下被酶降解为丙酮酸 并释放能量的过程 也称之为EMP途径 Embden Meyerhof Parnas 1940 G Embden Q Meyerhof J K Parnast等提出 故也称为EMP途径 生化历程 已糖的磷酸化 磷酸已糖的裂解 ATP和丙酮酸的生成 细胞质进行 细胞质进行 70 17 糖酵解中糖的氧化分解所需要的氧是来自组织内的含氧物质 水分子和被氧化的糖分子 因此糖酵解途径也称分子内呼吸 intramolecularrespiration C6H12O6 2NAD 2ADP 2Pi 2C3H4O3 2NADH 2H 2ATP 2H2O 70 19 EMP的生理意义 1 提供物质合成的中间产物 如甘油醛 3 磷酸是合成其他有机物质的重要原料 丙酮酸通过氨基化作用可生成丙氨酸 在有氧条件下 丙酮酸进入三羧酸循环和呼吸链 被彻底氧化成CO2和H2O 在无氧条件下进行无氧呼吸 会生成酒精或乳酸 2 提供部分ATP和NADH 为生活细胞提供部分能量和还原力 1分子葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸时也生成2分子ATP 生物体获得部分能量 3 EMP是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径 EMP是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径 3 2 1 2无氧呼吸高等植物在无氧条件下 催化丙酮酸形成乙醇或乳酸的全过程 乙醇脱氢酶 丙酮酸脱羧酶 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 3 2 1 3三羧酸循环 进行的部位 细胞线粒体衬质 mitochondrialstroma 丙酮酸的有氧降解1由丙酮酸形成乙酰辅酶A 丙酮酸在有氧条件下进入线粒体 丙酮酸脱氢酶系 mt内膜上 脱羧 脱氢 氧化生成乙酰辅酶A 70 23 丙酮酸脱氢酶系 多酶复合体 丙酮酸脱氢酶 PDH 二氢硫辛酸乙酰转移酶 DLT 二氢硫辛酸脱氢酶 DLDH 还有若干调控酶 动物大肠杆菌丙酮酸脱氢酶 E1 3024二氢硫辛酸乙酰转移酶 E2 6024二氢硫辛酸脱氢酶 E3 1012 参加反应的辅助因子 6 TPP FAD 硫辛酸 NAD CoA Mg2 70 24 2 TCA循环的化学历程1937年德国HansKrebs提出了三羧酸循环 TCA 又称柠檬酸循环 TCA循环 或Krebs循环 70 25 生化历程 70 26 70 27 TCA循环的特点 二次脱羧 草酰琥珀酸 酮戊二酸 琥珀酰CoA 四次氧化 三次NADH H 一次FADH2 一次底物磷酸化 产生GTP 琥珀酰CoA 琥珀酸 消耗2molH2O OAA 乙酰辅酶A 柠檬酸 延胡索酸 Mal CH3COSCoA 3NAD FAD ADP Pi 2H2O 2CO2 CoASH 3NADH 3H FADH2 ATP 70 28 3EMP TCA循环的化学和能量计量 每一次TCA循环 3 NADH H 经NADH呼吸链的氧化磷酸产生3 3 9ATP FADH2经FADH2呼吸链氧化产生1 2ATP 底物磷酸化产生1ATP每次TCA共产生12ATP 丙酮酸脱氢生成乙酰辅酶A NADH H 3ATP 传统的统计数 70 29 1mol葡萄糖经EMP TCA彻底氧化时可产生36mol的ATP 70 30 现经测定 NADH电子链 产生ATP为2 5 FADH2呼吸链 产生1 5 1mol葡萄糖经EMP TCA彻底氧化时可产生30mol的ATP 70 31 70 32 4TCA生理意义 生命活动所需能量来源的主要途径 体内各类有机物相互转变的中心环节 TCA循环不仅是糖代谢的重要途径 也是脂肪 蛋白质和核酸代谢的最终氧化成CO2和H2O的重要途径 发酵产物重新氧化的途径 TCA循环的意义和特点 1 是有氧呼吸产生CO2的主要来源当外界环境中CO2浓度增高时 脱羧反应受抑制 呼吸速率下降 2 形成还原物质NADH H 经过电子传递链偶联ATP的形成 3 提供物质合成的中间产物如丙酮酸可以转变成丙氨酸 草酰乙酸可以转变成天冬氨酸等 3 2 1 4戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径 Pentosephosphatepathway PPP 又称已糖磷酸途径 hexosemonophosphatepathway HMP PPP HMP是指葡萄糖在细胞质内进行的直接氧化降解的酶促反应过程 氧化阶段 非氧化阶段 戊糖磷酸途径的意义 70 36 可看作是葡萄糖代谢的一条支路 因为高等植物要适应环境 就需要多条代谢途径 在正常情况下 葡萄糖的分解是以中心代谢 EMP TCA 途径为主 在逆境条件下 即不良环境中 植物体内的PPP途径加强 如受伤和感病的组织 干旱的植物PPP途径都加强 因为PPP途径中的中间产物E 4 P可以合成莽草酸 莽草酸继续合成氯原酸 多酚类的氯原酸可以起到抗病和抵抗不良环境的作用 3 2 1 5乙醛酸循环脂肪酸经 氧化分解为乙酰CoA 在乙醛酸体 glyoxysome 内经催化生成琥珀酸 乙醛酸 苹果酸和草酰乙酸的过程 称为乙醛酸循环 glyoxylicacidcycle GAC 又称 脂肪呼吸 GAC途径中形成的琥珀酸可转化为糖类 将脂肪代谢与糖类代谢起来 有利于油料种子的萌发以及光合产物向贮藏物质脂肪的转化 GAC是油料种子特有的一种呼吸代谢途径 乙醛酸循环 草酰乙酸 3 2 1 6乙醇酸氧化途径 乙醇酸氧化途径 glycolicacidoxidationpathway GAOP 是水稻根系特有的糖降解途径 参与乙醇酸氧化途径的关键酶是 乙醇酸氧化酶 glycolateoxidase 植物体内主要呼吸代谢途径图解 乙醇酸氧化途径 H2O2分解产生的新生态氧 可氧化各种还原性物质 抑制还原性物质对水稻根的毒害 返回上一页 3 2 2电子传递途径的多样性电子传递链 electrontransportchain 是指负责传递氢 H e 或电子到分子氧的一系列传递体按一定顺序排列所组成的总轨道 又称呼吸链 respiratorychain 呼吸传递体的类型 1 氢传递体 既传递电子 也传递质子 如NAD FMN FAD UQ等 2 电子传递体 只传递电子 不传递质子 如细胞色素系统 某些黄素蛋白 铁硫蛋白 铁氧还蛋白等 NADH或FADH2等还原性物质中的电子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 称为氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 每吸收一个氧原子与所酯化的无机磷分子数之比 或每传递两个电子与产生的ATP数之比 称为P O比 是衡量线粒体氧化磷酸化作用的活力指标 呼吸链的四个复合体中 复合体 和 是ATP的形成偶联部位 复合体 不能偶联ATP的形成 线粒体内膜上电子传递体及其酶复合体 线粒体ATP合酶与偶联ATP的形成 TCA中的NADH的P O EMP中的NADH的P O NADPH的P O 琥珀酸脱氢形成的UQH2的P O 解偶联作用 uncoupling 有些化合物能消除跨膜的质子梯度或电位差 使ATP不能形成 从而解除电子传递与磷酸化的偶联作用 解偶联剂 uncoupler 如2 4 二硝基苯酚 2 4 dinitrophenol DNP 呈弱酸性和脂溶性 可结合H 并进入膜内 从而消除跨膜质子梯度 抑制ATP的形成 3 2 2 1电子传递主路 广泛存在于动物 植物及微生物中 3 2 2 2电子传递支路 电子传递主路 P O 3支路1 P O 2支路2 P O 2支路3 P O 1支路4 P O 1 交替途径 AP 又称抗氰支路 NADH FMN Fe S UQ Cytb Fe S Cytc1 Cytc Cytaa3 O2 化学渗透假说示意图 3 2 3末端氧化系统的多样性末端氧化酶 terminaloxidase 是指处于呼吸链的末端将电子传给O2 使其活化并形成H2O或H2O2的酶类 3 2 3 1细胞色素氧化酶 cytochromeoxidase 在植物组织中普遍存在 位于线粒体中 该酶包括Cyta和Cyta3 含有铁和铜 各两个 是植物体内主要的末端氧化酶 承担细胞内约80 的耗O2量 与氧的亲和力极高 受氰化物 CO的抑制 3 2 3 2交替氧化酶 alternativeoxidase AO 又称抗氰氧化酶 cyanide resistantoxidase 该酶含有Fe2 对氧的亲和力高 对氰化物不敏感 易被水杨基氧肟酸 SHAM 所抑制 抗氰呼吸最典型的例子是天南星科植物的佛焰花序 其呼吸速率比一般植物高100倍以上 呼吸放热很多 形成的ATP少 使组织温度比环境温度高出10 20oC 抗氰呼吸又称放热呼吸 thermogenicrespiration 抗氰呼吸的生理意义 1 放热效应 有利于早春时节植物的开花或种子萌发 2 促进果实成熟 在果实成熟过程中出现的呼吸跃变现象 与抗氰呼吸速率增强有关 3 增强抗病力 抗黑斑病的甘薯块根组织的抗氰呼吸速率明显高于感病品种 3 2 3 3酚氧化酶 phenoloxidase 在植物体内普遍存在 定位于质体和微体中 含铜 催化酚氧化成醌 酚氧化酶对氧的亲和力中等 易受氰化物和CO的抑制 1 单元酚氧化酶 monopheoloxidase 如酪氨酸酶 tyrosinase 2 多元酚氧化酶 polyphenoloxidase 如儿茶酚氧化酶 catecholoxidase 酚氧化酶在生活中的应用 马铃薯 苹果 梨等受伤后出现伤口褐变 就是酚氧化酶作用的结果 形成的醌对微生物有毒 可对植物组织起到保护作用 植物组织受伤后因酚氧化酶的活性加强而使呼吸增强的部分称为伤呼吸 woundrespiration 制红茶时 采用短时发酵 利用多酚氧化酶将茶叶中的酚类氧化 并聚合成红褐色的色素 使茶色更艳 制绿茶时 要及时杀青 抑制多酚氧化酶的活性 使茶色更绿 MH2 3 2 3 4抗坏血酸氧化酶 ascorbicacidoxidase 在植物中普遍存在 果蔬中含量多 定位于细胞质中 含Cu 该酶对氧的亲和力低 受氰化物抑制 对CO不敏感 NADPH H 3 2 3 5乙醇酸氧化酶 glycolateoxidase 存在于过氧化物体内 是一种黄素蛋白酶 含FMN 不含金属 该酶与氧的亲和力极低 不受氰化物和CO抑制 4 2 3 6黄素氧化酶 黄酶 乙醛酸体 辅基中不含金属 含FAD 把脂肪分解 最后形成H2O2 对O2的亲和力极低 不受氰化物抑制 此外还有CAT POD等 植物呼吸代谢的概括图解 3 2 4呼吸代谢多样性的生理意义 呼吸代谢的多样性 是植物在长期进化过程中对不断变化的外界环境的一种适应性表现 以不同方式为植物提供新的物质和能量 3 3呼吸作用的指标及影响 3 3 1呼吸作用的指标3 3 2呼吸商的影响因素3 3 3呼吸速率的影响因素 3 3 1呼吸作用的指标 1 呼吸速率 respiratoryrate 呼吸强度常以单位时间内单位鲜重或干重植物组织或原生质释放CO2的量 Q 或吸收O2的量 Q 来表示 单位 molCO2 g 1 FW或DW h 1 molO2 g 1 FW或DW h 1等 2 呼吸商 respiratoryquotient RQ 又称呼吸系数 respiratorycoefficient 是指植物组织在一定时间内 释放CO2与吸收O2的数量 mL或mol 之比 3 3 2呼吸商的影响因素 底物类型完全氧化时RQ葡萄糖 1C6H12O6 6O2 6CO2 6H2ORQ 6 6 1 0富含氢的脂肪 蛋白质1如苹果酸 C4H6O5 3O2 4CO2 3H2O RQ 4 3 1 33 呼吸商的大小与呼吸底物的性质关系密切 根据呼吸商的大小可大致推测呼吸底物的类型 植物材料的呼吸商也往往来自多种呼吸底物的平均值 氧气 对呼吸商影响很大 如无氧条件下发生的酒精发酵 只有CO2释放 无O2的吸收 则RQ远大于1 如 C6H12O6 3O2 C4H6O5 2CO2 3H2ORQ 0 67 3 3 3呼吸速率的影响因素 3 3 3 1内部因素植物种类 凡是生长快的植物其呼吸速率也高 不同器官或组织 生殖器官的呼吸 营养器官 生长旺盛的 生长缓慢的 幼嫩器官的 成熟器官等 3 3 3 2外界条件的影响 1 温度呼吸速率随温度变化的曲线呈钟罩形 在0 35 范围内温度系数 Q10 2 2 5 温度每升高10 反应速率增加的倍数 呼吸作用最适温度 是指能长期维持较高呼吸速率的温度 呼吸作用最适温度 25 35 最高温度 35 45 呼吸作用最低温度则依植物种类不同有较大差异 温度与处理时间对豌豆幼苗呼吸速率的影响25 4d时的呼吸速率为10 再放到不同温度下3h后测定相对呼吸速率的变化 2 氧气氧浓度影响呼吸速率和呼吸类型 氧浓度在10 20 无氧呼吸不进行 全部是有氧呼吸 当氧浓度 10 时 无氧呼吸出现 有氧呼吸迅速下降 无氧呼吸停止时环境中的最低氧含量 10 称为无氧呼吸熄失点 anaerobicrespirationextinctionpoint 呼吸速率一般随氧浓度的增大而增强 但氧浓度增至一定程度时 呼吸速率不再增加 这一氧浓度称为氧饱和点 oxygensaturationpoint 氧饱和点与温度密切相关 一般是温度升高 氧饱和点也相应提高 3 二氧化碳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 如CO2浓度 5 时 呼吸速率明显下降 因此 土壤板结 引起通气不良 影响根系的呼吸和生长 适时中耕松土 开沟排水 减少CO2 增加O2 4 水分整体植物组织的含水量增加 其呼吸速率也升高 除环境因素影响呼吸强度外 机械损伤可促使呼吸加强 一些矿质元素 如磷 铁 铜 锰等 也影响呼吸 内部因素如呼吸底物的多少也会使呼吸作用加强或减弱 3 4呼吸作用与农业生产 呼吸与生长关系概述3 4 1种子的呼吸与贮藏3 4 2果实的呼吸作用与贮藏3 4 3呼吸作用与作物栽培 呼吸与生长关系概述 呼吸效率 生长效率 1克葡萄糖氧化时所能生成的生物大分子或合成新组织的克数 合成生物大分子的克数 g葡萄糖 幼嫩 生长旺盛和生理活性高部位呼吸效率高 水稻营养生长时生长效率为60 65 维持呼吸 maintenancerespiration 提供保持细胞活性所需能量的呼吸部分 效率低 随植物种类 温度不同而表现出显著差异 生长呼吸 growthrespiration 提供植物生长发育所需能量和物质 包括结构大分子合成 离子吸收等 不同的植物种类 不同 水稻 品种的生长呼吸似乎变化不大 受温度影响不大 植株幼嫩生长活跃时 生长呼吸是呼吸的主要部分 模拟表明 马铃薯的维持呼吸消耗占光合作用的21 而生长呼吸占20 3 4 1种子的呼吸与贮藏3 4 1 1种子形成与呼吸 种子形成过程中 其贮藏物质累积最快时 呼吸速率也最大 在种子成熟过程中 呼吸途径也发生变化 水稻开花初期的籽粒呼吸以EMP TCA为主 随着籽粒成熟 PPP加强 3 4 1 2种子的安全贮藏与呼吸作用 种子安全贮藏时所允许的最大含水量称之为安全含水量 一般油料种子的安全含水量在8 9 淀粉种子在12 14 安全含水量与温度有关 如东北的玉米含水量在14 15 时可在当地贮藏 运往温度较高 湿度较大的南方地区时很快就会霉变 种子安全贮藏的措施 控制进仓种子的含水量 安全含水量 注意库房通风 以便散热和水分蒸发 降低贮藏温度 减少粮仓中的氧含量 充入氮气或CO2 3 4 2果实的呼吸作用与贮藏呼吸跃变 respiratoryclimacteric 果实成熟中出现呼吸速率突然增高的高峰 1 呼吸跃变型 如苹果 梨 香蕉 番茄等 2 非呼吸跃变型 如柑桔 柠檬 橙 菠萝等 呼吸跃变型果实其内含物一般较为复杂 成熟过程中发生内含物的强烈水解而导致呼吸增强 呼吸跃变产生的原因 果实内产生乙烯导致细胞透氧量增加 乙烯利处理可促进呼吸跃变 催熟果实 推迟呼吸跃变措施 1 降温 香蕉贮藏的最适温度是11 14 苹果4 2 降低氧浓度 增加环境的CO2和N2的浓度 利用果实 块根 块茎自体呼吸降低储藏室内O2 增加CO2浓度 即所谓 自体保藏法 3 4 3呼吸作用与作物栽培 早稻浸种催芽 换水 翻堆 温水淋种 控制温度和保证氧气供应