乙醇酸氧化酶.ppt

,第四章植物的呼吸作用,植物物生理学,教师：李侠学院：生命科学学院,一、概念生物体内的有机物，在酶的参与下，逐步氧化分解并释放能量的过程。,第一节呼吸作用的概念和意义,二、分类（一）有氧呼吸1.概念生活细胞在氧气的参与下，把某些有机物质彻底氧化分解，放出CO2并形成H2O，同时释放能量的过程。2.分子式,C6H12O6+6O2酶6CO2+6H2OG=-2870kJmol-1,（二）无氧呼吸1.概念在无氧条件下，细胞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。2.分子式酒精发酵C6H12O6酶2C2H5OH+2CO2G=-226kJmol-1乳酸发酵C6H12O6酶2CH3CHOHCOOHG=-197kJmol-1,三、生理意义（一）为植物生命活动提供能量和还原力,（二）中间产物为其他化合物合成提供原料,（三）在植物抗病免疫方面有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。植物受伤或受到病菌侵染时，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。,第二节植物呼吸代谢途径,糖酵解三羧酸循环戊糖磷酸途径,一、糖酵解（Glycolysis）EMP（一）概念胞质溶胶中的己糖在无氧状态或有氧状态下均能分解成丙酮酸的过程。,（二）反应过程1.己糖的磷酸化，消耗2ATP2.己糖磷酸的裂解3.ATP和丙酮酸的生成,生成4ATP，2NADH+H+,底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)由高能化合物水解，放出能量直接使ADP和Pi形成ATP的磷酸化作用。通式:XP+ADPX+ATP反应方程式C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2ATP+2H+2H2O,（三）糖酵解的生理意义1.所有生物体呼吸的共同途径。2.中间产物和最终产物，参与不同物质的合成。3.糖酵解释放一些能量，供生物体需要，尤其是对厌氧生物。4.糖酵解途径中，除3步不可逆外，其余反应均可逆转，这就为糖异生作用提供了基本途径。,二、发酵作用（一）两种途径酒精发酵：CH3COCOOHCO2+CH3CHOCH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+乳酸发酵CH3COCOOH+NADH+H+CH3CHOHCOOH+NAD+,（二）生理意义1.NAD+再生2.能量利用率低3.酒精、乳酸对细胞、酶有害4.不同时期有不同发酵类型,三、三羧酸循环（一）概念糖酵解进行到丙酮酸后，在有氧的条件下，通过一个包括三羧酸和二羧酸的循环而逐步氧化分解，直到形成二氧化碳为止，,（二）作用部位,（三）丙酮酸氧化脱羧,丙酮酸生成乙酰COA：EMPTCA的纽带,丙酮酸脱氢酶复合体,硫辛酸、Mg2+、FAD,CH3COCOOH+CoA-SH+NAD+CH3COSCoA+CO2+NADH+H+,（四）三羧酸循环途径1.柠檬酸生成阶段2.氧化脱羧阶段生成2CO2，1ATP，2NADH+H+3.草酰乙酸再生阶段生成FADH2，NADH+H+,反应式:2CH3COCOOH+8NAD+2FAD+2ADP+2Pi+4H2O6CO2+2ATP+8NADH+8H+2FADH2（五）生理意义1.三羧酸循环是提供生命活动所需能量的主来源。2.三羧酸循环是物质代谢的枢纽。3.虽没有氧气参与，但必须在有氧条件下进行,四、磷酸戊糖途径（PentosePhosphatePathway,PPP）（HMP）（一）概念指葡萄糖在胞质溶胶和质粒中的可溶性酶直接氧化，产生NADPH和一些磷酸糖的酶促过程。,（二）反应过程1.氧化脱羧阶段不可逆生成1CO2，2NADPH+H+2.底物再生阶段可逆,反应式：C6H12O6+12NADP+6CO2+12NADPH2（循环六次）6G-6-P+12NADP+7H2O6CO2+12NADPH2+5G-6-P+Pi（三）生理意义（1）为细胞各种合成反应提供主要还原力（2）中间产物为许多重要化合物合成提供原料。（3）己糖重组阶段的一系列中间产物及酶，与光合作用中卡尔文循环的大多数中间产物和酶相同，所以戊糖磷酸途径可与光合作用联系起来。,五、三种途径联系,第三节电子传递与氧化磷酸化,一、呼吸链(respiratorychain)（一）概念线粒体内膜上由呼吸传递体组成的电子传递总轨道。,呼吸链各组分是线粒体内膜的固有成分，多数组分以复合体形式嵌入膜内，少数可移动的组分(如Cytc)则疏松地结合在内膜的外表面。,（二）呼吸链的组成,1.呼吸传递体有五种酶复合体（1）复合体组成：黄素单核苷酸(FMN)为辅基的黄素蛋白，多种铁硫蛋白(Fe-s)和泛醌(UQ)。功能：2个H经FMN转运到膜间空间，再经过Fe-S将2个电子传递到UQ；UQ再与基质中的H结合，生成还原型泛醌(UQH2)。,(2)复合体成分：琥珀酸脱氢酶(SDH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、细胞色素b和3个Fe-S蛋白。功能：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。,UQ(泛醌、辅酶Q、CoQ)脂溶性的苯醌衍生物，能在膜脂质内自由移动，通过醌/酚结构互变，在复合体、与之间传递质子和电子。还原的泛醌在把电子传给Cyt时把H释放至膜间空隙，这对膜内外质子梯度的建立起重要作用。,(3)复合体又称UQH2细胞色素C氧化还原酶成分：含有2个Cytb，1个Fe-S蛋白和1个Cytc1。功能：催化电子从UQH2经CytbFeSCytc1传递到Cytc，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Cytc细胞色素氧化酶成分：Cyta和Cyta3及2个铜原子，组成两个氧化还原中心；功能：将Cytc中的电子传递给分子氧，与机制中H+生成H2O；抑制剂：CO、氰化物(CN-)、叠氮化物(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)ATP合成酶成分：由8种不同亚基组成两个蛋白质复合体(F1-F0)。功能利用呼吸链电子传递产生的质子动力，将ADP和Pi合成ATP，也能催化ATP水解。,2.呼吸传递体有两大类：（1）氢传递体:NAD、FMN、FAD、UQ等,既传递电子也传递质子；（2）电子传递体:细胞色素系统和某些黄素蛋白、铁硫蛋白，只传递电子。3.呼吸链传递体传递电子的顺序是：,UQ复合体复合体O2,复合体复合体,二、氧化磷酸化（一）概念指电子从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。需氧生物合成ATP的主要途径。,（二）氧化磷酸化的机理化学渗透假说(P.Mitchell1961年)要点:呼吸传递体不对称地分布在线粒体内膜上。呼吸链的复合体中递氢体有质子泵作用,它可以将H+从线粒体内膜的内侧泵至外侧,在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度。由质子动力势梯度推动ADP和Pi合成ATP。,（三）氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂1.解偶联剂(uncoupler)指能对呼吸链产生氧化磷酸化解偶联作用的化学试剂。如2，4-二硝基苯酚(DNP)。2.抑制剂（depressant)不仅抑制ATP的形成，还同时抑制氧的消耗。如寡霉素。3.离子载体抑制剂：它不是H+载体，而是可能和某些阳离子结合，生成脂溶性的复合物，并作为这些离子能够穿过内膜，,三、线粒体上的末端氧化酶能将底物所脱下的氢中的电子最后传给O2，并形成H2O或H2O2的酶类。（一）细胞色素c氧化酶特点：对氧气的亲和力极高易受HCN、叠氧化物和CO抑制。,（二）交替氧化酶抗氰呼吸：在氰化物存在条件下仍运行的呼吸作用。抗氰呼吸可以在某些条件下与细胞色素电子传递主路(CP)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，抗氰呼吸又称为交替途径(alternativepathwayAP)；交替氧化酶：线粒体中还存在一种对氰化物不敏感的氧化酶，可将电子传递给O2，称为交替氧化酶，又称抗氰氧化酶。,雌花,1.最著名的抗氰呼吸例子：天南星科植物的佛焰花序，它的呼吸速率很高，O2的吸收可达1500020000lg-1h-1，比一般植物呼吸速率快100倍以上，同时由于呼吸放热，可使组织温度比环境温度高出1020。抗氰呼吸又称为放热呼吸。,天南星科植物的佛焰花序,海竽Alocasiamacrorrhiza(Linn.)Schott天南星科是单子叶植物中主产于热带的大科。本科多为荫湿环境下的多汁草本植物，大型佛焰苞包围的肉穗花序是本科的重要特征。以海竽为例，看佛焰苞和肉穗花序。花后果序红色艳丽，亦具有观赏意义。海竽属大型草本，叶盾状着生，阔卵形，基部心状箭形，佛焰苞粉绿色。生荫湿林下，有毒植物，根茎亦入药。,天南星科,白鹤草,花烛,马蹄莲,南蛇棒,玉簪,2.抗氰呼吸的生理意义放热增温，促进植物开花、种子萌发增加乙烯生成，促进果实成熟，促进衰老在防御真菌的感染中起作用分流电子,四、线粒体外的末端氧化酶（一）酚氧化酶(phenoloxidase)1.种类：单酚氧化酶和多酚氧化酶2.机理：普遍存在的质体、微体中，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。,3.应用酚酶与植物的“愈伤反应”有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”(woundrespiration)。伤呼吸把伤口处释放的酚类氧化为醌，而醌类往往对微生物是有毒的，这样就可避免感染。,酚酶与植物的呈色、褐变有关在制茶，烤烟和水果加工中都要根据酚酶的特性加以利用在制茶工艺上酚酶是决定茶品质的关键酶类：绿茶：鲜叶经杀青揉捻干燥3个工序红茶：鲜叶经萎淍揉捻发酵干燥4个工序烤烟加工，烤烟达到变黄末期，要采取使烟叶迅速脱水的措施，抑制酚酶的活性，防止烟草中存在的多酚类物质(如咖啡酸、绿原酸)被氧化成黑色，保持烟叶鲜明的黄色，提高烤烟的品质。水果加工，为了防止水果褐变，保持水果的新鲜性，生产上运用多种方法来降低水果中酚酶的活性，例如，加热，绝氧、调节pH、抗氧化剂等,绿茶,揉捻：使叶卷成条形，并破坏其组织，以利于冲泡浸出茶汁。,杀青：100300，破坏酚酶活性,干燥：可用炒、烘或晒3种方法,（二）抗坏血酸氧化酶(ascorbateoxidase)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。,+,抗坏血酸氧化酶,（三）乙醇酸氧化酶(glycolateoxidase)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。光呼吸代谢途径中它在过氧化体中催化乙醇酸氧化为乙醛酸，且与甘氨酸的合成有关。在水稻根部特别是根端部分活性最强，产生H2O2放出O2，使根系周围保持较高的氧化状态，氧化各种还原物质，使水稻能顺利地在水中生长。,（四）线粒体外末端氧化酶作用线粒体外的氧化酶仅起辅助作用，原因：(1)与氧化磷酸化不相偶联，不能产生可利用的能量，(2)与氧的亲和力都较低，(3)正常情况下，呼吸被CN-、CO等所抑制，表明电子传递的末端氧化酶主要是细胞色素氧化酶。线粒体外末端体系的作用或特点(1)催化某些特殊底物的氧化还原反应，(2)可能能除去细胞中过多的特别是激活形式的氧分子，(3)由于植物体内含有多种呼吸氧化酶，这就使植物能适应各种外界条件。,五、植物呼吸代谢具有多样性（一）呼吸途径的多样性,（二）电子传递链的多样性,（三）末端氧化酶的多样性,第四节呼吸过程中能量贮存和利用,一、形成ATP方式（一）底物水平磷酸化（二）氧化磷酸化二、贮存的能量一分子蔗糖完全氧化时约形成60分子ATP。,三、光合作用和呼吸作用的关系植物的光合作用和呼吸作用是相互对立又相互依存的两个过程（一）光合作用和呼吸作用的区别,（二）联系主要表现在下列3个方面：光合作用所需的ADP（供光合磷酸化产生ATP之用）和辅酶NADP+（供产生NADPH+H+之用），与呼吸作用所需的ADP和NADP+是相同的，这两种物质在光合和呼吸中可共用。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的关系，它们之间的许多糖类是可以交替使用的。光合释放的O2可供呼吸利用，而呼吸作用释放的CO2亦能为光合作用所同化。,第六节影响呼吸作用的因素,一、呼吸作用指标（一）呼吸速率(respiratoryrate)1.概念单位时间单位重量(干重、鲜重)的植物组织或单位细胞、毫克氮所放出的CO2的量或吸收的O2的量。2.测定方法细胞、线粒体的耗氧速率可用氧电极和瓦布格检压计等测定；叶片、块根、块茎、果实等器官释放CO2的速率，用红外线CO2气体分析仪、广口瓶法和干燥器法测定。,（二）呼吸商(respiratoryquotient,RQ)1.概念：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RQ=放出的CO2量/吸收的O2量2.呼吸底物种类不同，呼吸商也不同：以葡萄糖作为呼吸底物，且完全氧化时，呼吸商是1C6H12O6+6O26CO2+6H2ORQ=6/6=1.0以脂肪或其它高度还原的化合物为呼吸底物，呼吸商小于1，如以棕榈酸作为呼吸底物C16H32O2+23O216CO2+16H2ORQ=16/23=0.7,以有机酸等含氧较多的有机物作为呼吸底物,呼吸商则大于1，如柠檬酸的呼吸商为1.33。C6H8O74.5O26CO24H2ORQ=6/4.5=1.33(5-24)如以蛋白质作为呼吸底物时，呼吸商可大于1或小于1，取决于蛋白质所含氨基酸的性质。如谷氨酸的RQ值为1.11，而亮氨酸的RQ值为0.8。2C5H9O4N9O210CO22NH36H2ORQ=10/9=1.112C6H13O2N15O212CO22NH310H2ORQ=12/15=0.8,小麦和亚麻种子萌发及幼苗生长过程中呼吸商的变化,二、内部因素对呼吸速率的影响（一）不同植物种类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。,（二）同一植物的不同器官或组织，呼吸速率也有明显的差异。（三）同一器官不同生长期呼吸速率不同。,生长快的生长慢的，细菌、真菌高等植物生长旺盛的衰老休眠的，喜温植物耐寒植物，草本植物木本植物，阴生植物阳生植物，生殖器官营养器官，雌蕊雄蕊花瓣花萼，茎顶端茎基部，种子内胚胚乳，多年生植物春季冬季，受伤、感病的正常健康的,三、外界条件对呼吸速率的影响（一）温度1.温度三基点：即最低、最适、最高点2.温度系数Q10：温度每增高10，呼吸速率增加的倍数。Q10=(t+10)时的呼吸速率/t时的呼吸速率在035生理温度范围内,呼吸作用的Q10为22.5，即温度每增高10，呼吸速率增加22.5，进一步增高温度，Q10开始下降。,（二）氧气无氧呼吸消失点：无氧呼吸停止进行的最低氧含量(10%左右)；氧饱和点：在氧浓度较低的情况下，有氧呼吸随氧浓度的增大而增强，但增至一定程度时，有氧呼吸就不再增强了，这一氧浓度称为氧饱和点；过高的氧浓度对植物有毒。,图5-21苹果在不同氧分压下的气体交换实点为耗氧量，空点为CO2释放量，虚线为无氧条件下CO2的释放，消失点表示无氧呼吸停止。,（三）二氧化碳大气中CO2的含量约为0.033，不会抑制植物组织的呼吸作用；当CO2的含量增加到35时，对呼吸有一定的抑制。这种效应可在果蔬、种子贮藏中加以利用。土壤中植物根系的呼吸特别是微生物的呼吸会产生大量的CO2，如通气不良，积累的二氧化碳可达410，甚至更高，因此需要及时进行中耕松土，防止板结。一些植物（如豆科）的种子由于种皮限制,使呼吸作用释放的CO2难以释出，抑制了呼吸作用，