1、第五章 植物的呼吸作用（Respiration）線粒體結構和功能定位（Mitochondrial）常呈棒狀，球形，卵圓形等，0.5-1.0mm´2-10mm，一個細胞約500-2000個，自己分裂。（圖）（1） 外膜厚6-7nm，光滑而有彈性，含高比例磷脂，和一般膜類似，一些跨膜的內在蛋白構成小孔（2-3nm）分子量一萬以下的水分子和離子可以透過。 有幾種酶，不是參與氧化磷酸化的，如磷脂酶，卵磷脂合成酶類。（2）膜間空間：約25nm，內有一些可溶性酶，底物，輔助因子，一般能自由出入于線粒體與胞漿，如有腺苷酸激酶，二磷酸核苷激酶等。（3）內膜厚約5-7nm，向內反復折迭形成嵴，上有許多

2、顆粒，透性很小，H2O、CO2、NH3等不帶電子分子可透，其它則要經一定孔道或特殊載體。膜上嵌有各種電子傳遞體和偶聯因子，Cytb, c1, c, a, a3，NADH脫氫酶，脂肪酰CoA脫氫酶，各種代謝物載體，所以內膜蛋白質比例很高，在內膜上發生電子傳遞與能量轉換。（4）襯質（matrix）蛋白質50%，含70-100種酶，細胞中一半代謝在線粒體中發生。全部三羧酸循環的酶，脂肪酸氧化的酶，氨基酸分解及蛋白質合成的酶。還有Ca2+ ，Mg2+，Mn2+，Zn2+，等離子。進行物質轉化的場所。DNA，RNA，部分自主性，可復制，轉錄，翻譯一些酶類。植物細胞線粒體DNA分子不均一性大大高于動物的，

3、以蛋白質為基礎的耗氧速率也高，而脂肪酸氧化速率極低或檢測不到。活細胞中，線粒體的形狀大小也會發生變化。第一節 呼吸作用在生命活動中的意義植物在生命活動進程中，需要不斷地消耗能量，植物通過光合作用把光能轉變為化學能貯存在糖、淀粉、脂肪和蛋白質中，植物利用這些化學能進行生命活動，就要對這些有機化合物進行氧化分解。所以在整個植物生命活動中不斷進行著物質和能量兩方面的變化：同化作用（Assimilation）異化作用（Dissimilation） 呼吸作用是物質代謝的中心。一、概念呼吸作用是指在生活細胞內有機物進行有控制的生物氧化，同時放出能量的過程。呼吸作用包括：有氧呼吸（Aerobic Respi

4、ration） 無氧呼吸（Anaerobic Respiration）廣義的概念應包括有氧呼吸和無氧呼吸在內，狹義的概念僅指有氧呼吸，我們平常經常所說的呼吸作用往往是指有氧呼吸。1. 有氧呼吸（Aerobic Respiration）生活細胞在氧的參與下，把某些有機物徹底氧化、分解，放出二氧化碳并形成水，同時釋放能量的過程。一般葡萄糖是植物細胞最常利用的物質，因此呼吸作用的過程可用方程式表示：C6H12O6 6O2 ® 6CO2 + 6H2O（+686千卡）但此方程式沒有準確說明呼吸作用的真正過程，葡萄糖降解需要水分子參與，產生的H+再與O2結合而還原成H2OC6H12O6 6O2

5、6H2O ® 6CO2 + 12H2O釋放的能量一部分以ATP形式去參與代謝活動，一部分以熱的形式釋放耗損。2. 無氧呼吸（Anaerobic Respiration）在無氧條件下，細胞把某些有機物質分解成為不徹底的氧化產物，并釋放出較少能量的過程。這個過程用于高等植物無氧呼吸，如在微生物中就是常說的發酵（Fermentation）。C6H12O6 ® 2C2HSOH + 2CO2 + 24千卡 酒精發酵C6H12O6 ® 2CH2CHOHKOOH + 18千卡 乳酸發酵從進化現點看，有氧呼吸是由無氧呼吸進化而來的，高等植物進行有氧呼吸，能量利用效率高，但在淹水缺

6、O2情況下，也能進行短時間無氧呼吸，產生部分能量以適應不利環境，又如種子萌發，種皮未破裂之前，也進行無氧呼吸，體積大的塊根，塊基和果實內部也進行無氧呼吸，水稻等沼澤植物有較強的無氧呼吸系統。但無氧呼吸與有氧呼吸比較：（1）氧化不徹底，產生能量少，是個低效率的放能過程。（2）產生酒精，乳酸，積累下來會使細胞中毒，影響TCA的正常運行，所以高等植物長期處于缺O2條件下時，就會受到傷害以至死亡。 種子堆積受潮，產生酒味，酸味，發熱等均是無氧呼吸的結果。但短暫的無氧呼吸是對不利環境的一種適應。3. 呼吸作用的特點（1）吸O2，放出CO2，把復雜的有機物變為簡單的無機物的生物氧化過程。（2）是一系列酶促

7、反應，在常溫常壓下進行，逐步釋放能量，把糖或其它呼吸底物的化學能轉移到ATP和NADH2中成為活躍的化學能供生理活動利用。（3）任何生活細胞都進行呼吸作用，與生命活動緊密聯系，不限定于某些專門部位。二、呼吸作用的生理意義1. 植物生命過程中能量供應的來源呼吸作用是逐步釋放能量的過程，而且以ATP 形式暫存，適于植物生理活動需用，（1）如植物根系礦質營養的吸收和利用運輸。（2）植物體內有機物的合成和運輸；（3）細胞的分裂，伸長，細胞分化。（4）植株的生長發育等無一不需要能量供應，呼吸停止則生命死亡。2. 提供各種生物合成的原料呼吸作用中產生的各種中間產物成為合成許多高分子化合物的原料。丙酮酸&#

8、174;丙氨酸®蛋白質草酰乙酸®無冬氨酸®蛋白質a-酮戊二酸®谷氨酸®蛋白質乙酰CoA®脂肪酸 ®脂肪磷酸甘油醛®甘油 ®由于呼吸作用供給能量帶動各種生理過程，其中間產物又能參與合成其它重要的有機物，所以說呼吸作用是植物代謝的中心，呼吸作用的強弱標志著植物生理活動的旺盛與否。歸納如圖第二節 植物的呼吸代謝途徑（Respiratory Metabolism）復習植物的有氧呼吸及無氧呼吸的生化過程：有氧呼吸包括三步：糖酵解 ® 三羧酸循環®（細胞色素系統）呼吸鏈電子傳遞。一、高等植物呼吸系

9、統的多樣性1糖酵解（Glycolysis）1897年Hans Buchner和Eduard Buchner研究酵母時發現了關鍵，1940年才完全了解。糖酵解，也叫EMP途徑（紀念三位生化學家：Embden， Meyerhof ，Parnas）在細胞漿中進行。反應過程（圖）小結糖酵解過程：（1）總反應式： C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi ® 2CH3COCOOH + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O（2）反應物是葡萄糖，產物是丙酮酸，沒有徹底氧化。（3）產生的能量少，但其中許多物質是細胞代謝的重要中間物。反應中共產生2個NADH2，進入呼吸鏈

10、可產生6個ATP，直接產生2個ATP，共8個ATP。NADH2也可不進入線粒體，而在胞漿中用于各種合成和還原過程。（4）不需要O2，可在無氧條件下進行，也無CO2產生，產生的丙酮酸在無氧條件下生成乙醇，乳酸等，在有氧條件下，進入TCA，繼續徹底氧化，生成CO2和H2O，可產生大量ATP。（5）糖酵解的控制點：（不可遞反應部位）（a）磷酸果糖激酶（PFK， Phosphofructokinase）是最重要的控制部分，它是變構酶，4個亞基的四聚體，340KD。它被高水平ATP抑制，它降低酶對F6P的親合力，ATP結合在高度專一的調節部位上引起酶的變構效應，而AMP可以逆轉這種作用，因此當ATP/A

11、MP下降時，酶活性就增加，也就是說EMP是被能荷下降所刺激的。也被H+ 抑制，以防止過多乳酸形成和造成血液酸中毒。（b）由于EMP還為生物合成供應碳素骨架，所以PFK會受原材料多少的信號控制，TCA環中，ACC接受乙酰CoA，首先形成檸檬酸（citrate），當其水平高時，表示有豐富的生物合成前體物，因此不需要降解更多的葡萄糖，它通過加強ATP的抑制效應來抑制PFK活性。細胞的生理活動既需要能量，又需要原材料，所以ATP/AMP低以及檸檬酸低時，PFK活性增高，加強葡萄糖的分解。1980年在植物體內發現F-2.6-P2，它能促進PFK活性而促進糖酵解，（Henri-Gery Hers and

12、Emile Van Schaftingen），存在于葉綠細胞的細胞質中，它還促進另一種酶活性即PFP（焦磷酸果糖-6-磷酸-1-磷酰基轉移酶） PFKF-6-P + ATP ® F-1.6-P2 + ADP F-6-P + PPi ® F-1.6-P2 Pi (CAM植物中廣泛)F-2.6-P2 + ATP還能使PFP®PFK（“代謝物調節的催化轉變”）F-2.6-P2 還能調節抑制FBP酶活性以調節蔗糖合成。所以它能調節光合作用中的蔗糖合成及糖酵解速率（PFK，PFP，FBPase）關系到植物細胞光合產物的分配及碳代謝的走向。動物細胞中，F-2.6-P2是PFK

13、最強的正效應物，調節動物細胞（特別肝細胞）的糖酵解和糖異生代謝。受Mg、Pi、ADP、AMP、F-2.6-P2 促進；受高ATP、H和檸檬酸抑制。（2）已糖激酶（Hexokinase）也是變構酶，被G-6-抑制，當ATP/AMP高時及檸檬酸高時，PFK受抑制，F-6-P水平升高，而F6P和G6P間有平衡關系，所以G6P也升高，而對此酶產生抑制作用。（3）丙酮酸激酶（Pyruvate Kinase）它的活性受ATP抑制，檸檬酸Ca2+抑制受mg2+、K+、NH4+、Mn2+、ADP促進。（4）磷酸甘油醛脫氫酶（Phosphoglyceraldehyde Dehydrogenase）4個亞基的蛋白

14、質，活性中心有-SH每年亞基上連一個NAD+（輔酶）甘油醛的H+傳給NAD+二、三羧酸循環（TCA cycle）也叫檸檬酸環或Krebs環（ Hams,A.Krebs,1937）糖酵解產生的丙酮酸，在線粒體中在有氧條件下，通過一個包括二羧酸和三羧酸的循環而逐步氧化分解，直到形成CO2和H2O，這個過程稱為三羧酸循環（The Tricarboxylic Acid Cycle）。1. 丙酮酸氧化脫羧 丙酮酸脫氫酶CH3CCOOH + HS-CA + NAD+ 復合體 Mg2+ CH3CO-SCoA + NADH + H+ +CO2 （乙酰輔酶A） 這一步反應是連接糖酵解與TCA的中心，催化的酶復合

15、體包括：丙酮酸脫氫酶，硫辛酸轉乙酰基酶，二氫硫辛酸脫氫酶，CoA-SH，FAD，NAD+，硫辛酸，Mg2+ , 硫胺素焦磷酸（TPP+）2. 進入TCA： 檸檬酸合成酶（1） CH3CO-SCoA + 草酰乙酸 + H2O檸檬酸 + CoASH 順烏頭酸酶 順烏頭酸酶（2）檸檬酸 順烏頭酸異檸檬酸 -H2O +H2O 異檸檬酸脫氫酶（3）異檸檬酸 + NAD+ 草酰琥珀酸 + NADH +H+ 異檸檬酸脫氫酶（4）草酰琥珀酸 a-酮戍二酸 + CO2 a-酮戊二酸脫氫酶（5）a-酮戊二酸+NAD+CoASH 琥珀酰COA+CO2+NADH+H+ 酶系的輔助因子有：TPP+，硫辛酸，HSCoA

16、，FAD， NAD+ 琥珀酸合成酶（6）琥珀酰CoA+GDP+H3PO4 琥珀酸+GTP+CoASH H2O Mg+ 琥珀酸脫氫酶（7）琥珀酸+FAD 延胡索酸+FADH2 延胡索酸酶（8）延胡索酸+H2O 蘋果酸 蘋果酸脫氫酶（9）蘋果酸 + NAD+ 草酰乙酸+NADH+H+小結TCA Cycle：（1）總方程式 CH3COCOOH + 4NAD+ + FAD+ + GDP + Pi + 3H2O ®3CO2 + 4NADH2 + FADH2 + GTP（2）進行部位，在線粒體基質中進行。（3）在TCA中，一分子丙酮酸產生三個分子CO2，這中間的一系列脫羧反應是呼吸作用釋放CO2

17、來源，糖酵解中是不產生CO2的，只有TCA中才產生CO2。（4）在TCA中，有五次脫氫過程，產生4分子NADH2，分子FADH2，進入呼吸鏈，么放出能量，H與氧結合，生成H2O（5）糖，脂肪，蛋白質，核酸可以通過TCA發生代謝上的聯系，成為植物體內各種物質相互轉變的樞扭（6）能量的產生一分子丙酮酸在TCA中產生4分子NADH2®12個ATP。一分子FADH2®2個ATP+GTP，共15個ATP一分子葡萄糖產生的ATP15´2+8=38個ATP。但實際只有36個ATP，因為糖酵解產生的NADH進入線粒體消耗2個ATP。TCA的生理意義：提供了大量的能量（物質），供植

18、物生命活動需要，是三大代謝的中心樞，成為一個代謝磨，可以說是所有物質的主要氧化途徑。產生的CO2，一部分供有機體生物合成，一部分排出體外。提供有機物合成的碳骨架。TCA的調控： 檸檬酸合成酶乙酰COA 檸檬酸草酰乙酸 ­ ATP是變構抑制劑 異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸 a酮戍二酸 ­ADP促進酶與底物親和力 a-酮戊二酸脫H酶復合體a-酮戍二酸 琥珀酰COA 琥珀酰CoA、NADH抑制丙酮酸脫氫酶（pyruvic acid dehydrogenase）是一多酶復合體，呈圓球形，三種酶的多個亞單位組成，還有六種輔助因子，在完成丙酮酸氧化脫羧的約五步反應中，還有二種酶起調節作用。M

19、odel of the PDHC from E. coli(4600KD)60個多肽鏈，D=300AE1： 丙酮酸脫氫酶，24條，輔基TPP 、Mg2+ 單體96KD。氧化脫羧。E2：雙氫硫辛酸轉乙酰酶，24條，單體70KD 輔基硫辛酸COA Mg2+ 轉移乙酰基到COAE3：雙氫硫辛酸脫氫酶單體56KD 輔基 NAD、 FAD、 Mg2+ 氧化型硫辛酰胺再生。兩種調節酶：Kinase激酶，Phosphatase 磷酸酯酶。存在可逆的磷酸化和去磷酸化的調節。在線粒體高ATP/ADP，高乙酰CoA/CoA，高NADH/NAD情況下，Kinase利用ATP使酶復合體上蘇氨酸殘基磷酸化，而使復合體鈍

20、化，丙酮酸氧化速度減慢，TCA Cycle運轉也慢。相反CoA，NAD+，AMP使磷酸酯酶活化，從蘇aa殘基上水解磷酸，另外高Ca2+，胰島素也促進去磷酸化，使酶復合體活化，TCA Cycle加速運轉。同時，脫氫酶復合體磷酸化與否的一個重要因子是線粒體中Pyr濃度，當Pyr濃度高時，可以部分克服由ATP高引起的抑制，使線粒呼吸繼續正常進行。三、磷酸戊糖途徑（Pentose Phosphate Pathway, PPP）（HMP）在高等植物中，還有可以不經過糖酵解而進行有氧呼吸途徑，即葡萄糖可以直接氧化脫氫，成為6-磷酸葡萄糖酸，在脫羧酶的作用下，在NADP+ 的參與下，6-磷酸葡萄糖酸氧化為5

21、-P核酮糖，放出CO2，所以叫磷酸戊糖途徑。產生的五碳糖經一系列轉酮轉醛作用，分子內部基團交換，重新排組生成三、四、五、六、七碳糖。總方程式是： C6H12O6+12NADP+®6CO2+12NADPH2（循環六次） 6 G-6-P + 12NADP+ + 7H2O® 6CO2 + 12 NADPH2 + 5 G-6-P + Pi特點：（1）不經糖酵解，葡萄糖直接脫羧，脫氫。（2）（是非氧化的）分子間基因轉移，重排（3）所有的酶都在細胞漿中，所以PPP在細胞漿中進行（4）葡萄糖循環一次放出一分子CO2，產生2分子NADPH2，所以一個葡萄糖分子徹底氧化經6次循環產生6分子C

22、O2，12分子NADPH2。磷酸戊糖途徑的生理意義（1）這個途徑產生的中間產物在生理活動中十分活躍，溝通各個代謝反應，與光合、呼吸連系。如5-P-核酮糖和5-P-核糖是核酸的原料，3-P-甘油醛與糖酵介相溝通。磷酸果糖，7-P-景天庚酮糖使呼吸與光合作用連系。（2）給合成反應提供NADPH2，特別是脂肪合成需要NADPH2供給，NADPH能被植物線粒體氧化形成ATP。（3）與抗病有關：4-P-赤蘚糖和3-磷酸甘油醛可以合成莽草酸，它是多種具抗病作用和異株先生作用的多酚物質的前體。如木質素，花菁苷等。各組織中EMP與PPP途徑各占比例不同，用標記實驗中的C6/C1來衡量。 C6 標記C6-G釋放

23、的14CO2 = （PPP中的CO2來自C1） C1 標記C1-G釋放的14CO2多數組織的比值在之間，但如胡蘿卜只有0.36，玉米根尖則為0.91。調控因素：（1）酶濃度及活性，G6P脫氫酶活性高，則PPP增加。（2）細胞內NAD/NADP比值，NADP多則PPP高，但在多數高等植物體內，EMP是占優勢的。不同植物C6/C1比不同，呼吸途徑有差別，不同器官不同，根的比值比葉大，即根中EMP-TCA占比重大些。同一器官越近頂端C6/C1比大。隨年令增長C6/ C1比變小，PPP漸增加。四、呼吸鏈的電子傳遞及氧化磷酸化作用 （The Electron-Transport System and o

24、xidation Phosphorylation）1. 生物氧化（Biological Oxidation）普通的純化學反應中的氧化常常是在高溫、高壓或強酸、強堿的環境下完成的，并且驟然放出大量的能量，而生物氧化則不同：首先，生物氧化是（1）在活細胞內，正常體溫和有水的環境下進行的；（2）反應逐步完成，逐步釋放能量；（3）需要耗O2，放出CO2和H2O，在氧化一還原酶類的催化下進行。所以把在生物體內，有機物質逐步氧化、釋放能量的過程叫生物氧化，也叫細胞呼吸或細胞氧化。生物氧化方式：（1） 加氧：（2）脫氫（2） 脫電子步驟：底物氧化脫氫；H與電子經呼吸鏈傳遞；分子氧與傳遞的H結合形成H2O。2

25、電子傳遞鏈（The Electron Transport Chain） 呼吸代謝的中間產物氧化脫氫，電子和質子沿著在線粒體膜上按一定順序排列的一組電子傳遞體傳遞到分子氧，這個軌道稱呼吸鏈。這些H和電子傳遞體包括：氫傳遞體：主要是NAD，FAD。作為脫氫酶的輔酶或輔基。 2H 2H2e電子傳遞體：主要是傳遞電子的細胞色素體系。細胞色素以鐵卟啉為輔基的結合蛋白，可分a, b, c幾類。 Fe3+Fe2+ 。根據各傳遞體的標準氧化還原電位，以及用特異的抑制劑切斷呼吸鏈或在體外組成一條鏈進行模擬電子傳遞試驗，最終研究高等植物呼吸鏈的排列：電子順氧化還原電位在各傳遞體間傳遞，而氫通過CoQ后，質子2H+

26、脫離出來，游離在溶液中，電子2e繼續沿細胞色素b, c, a, a3順序傳遞，最終在Cyt a3把電子交給氧分子，使其活化，結合生成水，所以呼吸過程中的吸氧即是在這一步進行的。由于Cyt a3是在這個生物氧化過程的末端起作用，所以這種酶又叫末端氧化酶（Terminal Oxidase）。在呼吸鏈中合成ATP，有三個部位，所以一個分子NADH2經過呼吸鏈產生三個分子ATP，而一分子FADH2產生二個分子ATP。3. 氧化磷酸化作用（Oxidative Phosphorylation）（1） 氧化磷酸化經呼吸鏈的氧化過程是個放能的過程，伴隨著ATP的合成，把底物氧化放出的能量又吸收貯存起來，所以是

27、氧化作用與磷酸化作用偶聯進行，這一過程稱為氧化磷酸化作用。磷酸化作用指：ADP + Pi ® ATP的過程。（2）P/0比（P:0）是線粒體氧化磷酸化活力功能的一個重要指標，每吸收一個氧原子所酯化無機磷酸分子數的比。實質是每消耗一個氧原子，由ADP形成ATP的數目。在呼吸鏈中，從NADH開始氧化，P/0為3；從FADH開始，P/0則為2；HCN抑制細胞色素末端氧化酶，P/0則為1。（3）磷酸化類型： 光合磷酸化：與光合電子傳遞鏈偶聯，使ADP磷酸化產生ATP的過程。 氧化磷酸化：與呼吸電子傳遞鏈偶聯，使ADP磷酸化產生ATP的過程。 底物磷酸化：不經過光合鏈或呼吸鏈，呼吸作用分解的中

28、間產物通過分子內部能量的重新分配，并將部分能量交給ADP形成ATP的過程。如1,3二磷酸甘油酸生成3磷酸甘油酸時，產生一個ATP；一分子PEP轉化為丙酮酸時也產生一個ATP。影響磷酸化過程進行的藥劑：如解偶聯劑DNP，不影響電子傳遞，但阻礙了磷酸化。還有魚藤酮、安密妥；抗霉素A；KCN、NaN3、CO等。（4）能量計算：一分子葡萄糖徹底氧化生成CO2和H2O可產生686千卡能量。形成38個ATP（圖）7.3千卡 ´ 38 = 277.4千卡 277.4 / 686 = 40%但在糖酵介中產生的NADH要進入線粒體，還要消耗能量，用去2個ATP，所以實際只生成36個ATP。7.3千卡

29、´ 36 = 262.8千卡 262.8 / 686 = 38%五、抗氰呼吸（Cyanide-Resistant Respiration）在實驗中知道，細胞色素氧化酶的作用受KCN，NaN3，CO抑制，它們與Fe卟啉結合破壞酶活性，減少氧化磷酸化作用。但有些植物不敏感，在有氰化物存在的條件下，仍有一定的呼吸作用，這種呼吸叫抗氰呼吸。 這條途徑只產生一個ATP，因此，P/O比=1.0 但放出大量熱。天南星科（馬蹄蓮）的佛焰花序，可達20000ml O2/gfw.hr，呼吸放熱使組織溫度增高十幾到二十幾度。熱量使胺和吲哚揮發可引誘昆蟲進入花苞傳粉，有些有毒，產熱前積累大量淀粉，而后經EM

30、P-TCA氧化分解，線粒體活性很高。其它如馬鈴薯，胡蘿卜，一些果實等也有。六、線粒體外末端氧化酶（Terminal Oxidase Out of Mitochondria）1. 抗壞血酸氧化酶（Ascorbic Acid Oxidase）一種含Cu的氧化酶，存在于細胞質中或結合在細胞壁上。抗壞血酸 + 1/2O2 ® 去氫抗壞血酸 + H2O蔬菜和果實中較多。2. 酚氧化酶（Phenol Oxidase）含Cu的氧化酶，存在于質體，微體內，使酚 + 1/2O2 ® 醌 + H2O馬鈴茹，蘋果切口，由于酚氧化酶的作用，使變褐色，醌對微生物有毒害作用，所以可以保護植物的傷口，這

31、時傷口呼吸增高，也叫傷呼吸。制茶工業中，做綠茶要先炒，殺青，即殺死酚氧化酶，避免產生醌，保持綠色清香。3. 過氧化物酶（Peroxidase），過氧化氫酶（Catalase）， 乙醇酸氧化酶（Glycollic Oxidase）。七、呼吸作用的控制（Control of Respiration）1. 巴斯德效應和糖酵解的調節（Pasteur Effect）巴斯德最早發現把酵母菌從有氧條件轉到無氧條件時，發酵作用增加，而從無氧轉到有氧時，發酵作用受到抑制，所以把氧對發酵作用的抑制現象叫巴斯德效應。所以在無氧時，細胞內進行發酵，無氧呼吸，隨氧濃度增加，無氧呼吸減弱，有氧呼吸增加，到某一氧濃度時，發

32、酶作用停止，這時的氧濃度叫無氧呼吸的熄滅點。無氧呼吸比有氧呼吸消耗底物快，為什么？巴斯德效應的本質：（1）O2對細胞內ATP/ADP的調節糖酵解和氧化磷酸決定于ADP的有效濃度，有O2存在時，氧化磷酸化作用活躍進行，大量消耗ADP，產生ATP，因而限制酵解作用進行；無O2時，氧化磷酸化受阻，過剩的ADP刺激糖酵進行。無O2時高濃度的ADP和Pi提高磷酸果糖激酶的活性，也能促進糖酵解。（2）在糖酵解中產生的NADH在有O2時進入線粒體電子傳遞鏈，被氧化。在無O2時，直接還原丙酮酸為乙醇或乳酸，促進酵解。NADHNAD的調節。貯藏水果，降低O2濃度，使有氧呼吸降到最低限度，又不刺激糖酵解，以免過分

33、消耗貯藏物或乙醇產生。2代謝調節（Metabolic Control）代謝調節是呼吸作用的主要調節途徑。（1）質量作用原理 可逆反應中底物與產物之間按質量作用關系調節反應平衡。（2）變構調節某種物質結合在酶的某個結構部位，雖沒改變酶的催化部分，但也改變了酶的活性，如磷酸化酶，無活性的b狀態在調節部位上接受一個AMP時，發生變構作用，成為有活性的a狀態，AMP是它的變構正效應子，而ATP在同一部位結合時，使酶又變成無活性態，所以ATP是它的變構負效應子。（3）PPP的調節NADPH / NADP競爭性抑制，NADPH高時，抑制G6P脫氫酶的活性。 （4）TCA檸檬酸多時，控制碳流進入TCA的速度

34、，反饋抑制丙酮酸激酶的活性，加強ATP的抑制效應，減少檸檬酸的合成。3. 能荷調節（Energy Charge Regulation）能荷是細胞中高能磷酸狀態水平的一種量度，通過細胞內腺苷酸之間轉化對呼吸代謝的調節是能荷調節。 ATP + 1/2ADP能荷 = ATP + ADP + AMP所以歸結起來：ATP的調節是很重要的，能荷高時，ATP積累多，呼吸受抑制，細胞內要維持適量的ADP，呼吸才能正常進行。一般能荷保持在。ATP還能調節抑制丙酮酸脫氫酶，檸檬酸脫氫酶，a-酮戊二酸脫氫酶等。CoA也有反饋抑制。小結：一、高等植物呼吸系統的多樣性及其生理意義1呼吸代謝途徑多樣性 糖 EMP TCA

35、 年輕旺盛組織 PPP 特殊發育階段，次生物形成 脂肪酸氧化：乙醛酸循環。 共同途徑是糖酵介（EMP）：葡萄糖®丙酮酸 無氧時，丙酮酸 ® 酒精 + CO2 有氧時：進入TCA環：丙酮酸®乙酰CoA®草酰乙酸，在TCA中®CO2+H2O PPP途徑：葡萄糖®G6P®CO2+H2O2呼吸鏈電子傳遞系統的多樣性（圖）反應生產的NADH2進入呼吸鏈，經氧化磷酸化產生ATP。主路支路：黃蛋白由于NADH脫氫酶不同而有4種抗氰的呼吸電子傳遞支路。3末端氧化的系統的多樣性細胞色素氧化酶，多酚氧化酶，抗壞血酸氧化酶，乙醇酸氧化酶，抗氰的交

36、換氧化酶植物不像動物，其內環境隨生活環境的變化而不斷變化，生理狀況也隨生長發育進程而變化，在長期的進化中，發展出呼吸系統的多樣性，是高度適應性的表現，在某些植物，某一時期，特定情況下，可能以一條途徑為主導，和一些生理功能，物質代謝相連系，某些途徑可作為一種補償。二、細胞內定位EMP：細胞質中（細胞囊）TCA環：線粒體襯質PPP：細胞質中（細胞漿）呼吸鏈：線粒體內膜嵴上，氧化磷酸化滅氧呼吸：細胞質中（細胞漿）三、能量利用EMP：一分子葡萄糖®2個丙酮酸，2NADH2，2ATPTCA：丙酮酸 ® CO2 + H2O 4NADH2，1FADH2，1ATPPPP：G6P ®

37、; CO2 + H2O 12NADPH2 無氧呼吸：葡萄糖®乙醇，乳酸 2ATP第三節 影響呼吸作用的因素（Factors Affecting Respiration）一、呼吸速率（Respiratory Rate）表示呼吸作用大小的指標。單位植物材料、單位時間內所吸收O2的量或放出CO2的量。吸O2ml/克鮮重/小時，放出CO2ml/g.fw/hr單位時間每mg N 的吸O2量各植物種類不同，則呼吸強度不同，同一植物不同器官， 處于不同狀態或不同發育時期，呼吸強度均不同，用紅外線CO2分析儀，氧電極等可測得氣體交換量。瓦氏呼吸計或小籃子法。植物材料溫度0ml O2/gfw/h大麥干

38、谷粒220.06萌發大麥22108大麥根20960-1480大麥葉23266小麥植株13251天南星花序3015600-31800（dw）二、呼吸商（The Respiratory Quotient）1. 這是呼吸作用另一重要指標，指植物組織在一定時間內，呼吸作用放出的CO2與所吸收O2的克分子數或體積的比值。 放出CO2 RQ 吸收O22. 決定呼吸商值大小的因素（1）呼吸底物 在呼吸過程中被氧化的有機物是呼吸底物，碳水化合物是高等植物細胞中最主要的呼吸底物，特別是葡萄糖，果糖，蔗糖，淀粉等，其它還有有機酸，脂肪，蛋白質。不同的呼吸底物氧化時，RQ值不同。 糖：C6H12O4 + 6 O2

39、® 6 CO2 + 6 H2O RQ = 6 / 6 = 1 脂肪或脂肪酸蛋白質： 2 C57H104O9 + 157 O2 ® 114 CO2 + 104 H2O（蓖麻油） RQ = 114 / 157 = 0.73 < 1 有機酸：C4H6O5 + 3 O2 ® 4 CO2 + 3 H2O（蘋果酸） RQ = 4 / 3 = 1.3 >1（2）氧濃度：缺O2時進行無氧呼吸，則呼吸商會大大提高。（3）物質沒有徹底氧化，則RQ會減少（4）其它代謝的影響油脂轉化為糖，是一種氧化作用，則吸氧量增多，呼吸商減小，如發生合成作用，則呼吸底物不能完全氧化，呼吸商

40、加大。討論種子萌發時呼吸商的變化油料種子播種時應注意淺播，給予足夠的氧氣，如播得過深，土壤板結，溫度又低時，常造成爛種。種子萌發時，多數RQ = 1淀粉種子萌發時，RQ可從1.0 ® 1.3；脂肪種子可由0.4逐漸上升。三、影響呼吸的內部因素1. 原生質各組織間呼吸強度不同，與每克鮮重所含的原生質有關，一般是含原生質的量越高，呼吸強度越大（如幼嫩的分生組織，富含原生質，故以每克鮮重計算呼吸強度時，常高過衰老組織）。2. 線粒體由于TCA環和呼吸鏈都在線粒體內進行，線粒體為細胞的“發電站”，細胞中線粒體數量多，則呼吸強度高。3. ATP/ADP的比值如果在呼吸過程中，ATP產生速度大于

41、利用速度即ATP >ADP， 就會抑制ATP的產生，降低呼吸，反之，ATP利用多時，求大于供，則促進呼吸。 ATP + 1/2 ADP能荷 = 一 一般在 ATP + ADP + AMP4呼吸底物含量細胞內呼吸底物增加，呼吸速率上升。100克缺碳水化合物的黃化葉片在室溫下，釋放CO2為896 mg/h，如在蔗糖中2天，測得值為1043 mg/h。5植物種類、組織類型及植物年齡 不同植物的種類、同一植物的不同器官、組織、以及不同年齡，呼吸強度都不盡相同。一般低等植物呼吸強度較高等植物高；陽生植物較陰生植物高。 同一植物不同器官的呼吸強度有很大差別： 幼嫩器官 > 衰老器官 花、果實等

42、生殖器官 > 葉片等營養器官。（花比葉高約34倍）四、環境條件對呼吸的影響1. 溫度呼吸作用是一個酶促反應，與溫度關系很密切，呼吸作用也有個最高和最低的限度，即最高點和最低點，這是指能使呼吸進行的最高和最低溫度。最適溫度：能使呼吸過程持續地，最快地進行的溫度，或是指保持呼吸強度長期處于最高穩定狀態的溫度。在最低點與最適點之間，呼吸作用隨溫度升高而增加。超過最適點，隨溫度升高而下降。一般在溫度增加到10以上時（10-30中），呼吸作用的溫度系數Q10約為22.5。（Q10溫度增加10，反應速度增加的倍數。）呼吸作用的最適溫度并不是最利于植物生長發育的溫度，因為這時植物消耗的底物最多，對有機

43、物的積累不利，所以生長的最適溫度一般都低于呼吸的最適溫度。2. 水分植物體內器官和組織含水量對植物呼吸強度的影響也很大。如谷類作物種子在風干狀態下，呼吸極微弱，這時種子含水量約12%左右，但當種子含水量超過15%時，呼吸強度迅速提高，到30-35%時，呼吸比開始增加幾十倍。對于莖葉，果實等含水量較多、正在生長的器官，如干旱萎蔫，呼吸反而加強， 是因為在組織缺水時，細胞內水介酶活躍，淀粉分解成糖，則有較多的可供直接利用的呼吸基質。3. 氧分壓O2是植物進行正常呼吸的重要因子，缺氧會直接影響呼吸強度和呼吸性質。氧分壓低時，呼吸隨之增加而增加，當氧分壓達一定值時，呼吸不再增加，這時的氧分壓叫氧飽和點

44、。不同植物，不同溫度下氧飽和點不同。大氣中O2含量一般在21%左右，變化范圍不大，但土壤中O2含量卻因土壤結構，土壤含水量等有很大變化。O2在水中溶解速度和擴散速度。一般是隨O2的降低，呼吸強度下降。 在果實、塊根、塊莖內部常有部分無氧呼吸。4. CO2CO2是呼吸作用的產物，當CO2濃度高時，呼吸強度就會降低。由于高濃度CO2使脫羧反應逆向進行，所以會抑制呼吸底物的氧化脫羧。在地上部因CO2濃度低，不會發生這種情況，但在通氣不良的土壤里，植物根系呼吸和微生物呼吸，使土壤中CO2積累，會抑制根系呼吸，因而會影響根系生長和吸收功能。大約CO2從0.03% 110時呼吸受抑制，果蔬和種子貯藏的氣調

45、。5. 光（1）光下除有暗呼吸外還有光呼吸，因而呼吸增高。（2）光合作用提供了較多的呼吸底物。（3）光下溫度升高，也影響呼吸。（4）光影響氣孔開閉。總的來講，照光能提高呼吸強度。6. 創傷及機械刺激植物組織受傷時，可暫時提高呼吸強度（傷呼吸）（1）傷口擴大了與O2的接觸面。（2）受傷后，細胞需加強生物合成，這是自身保護反應，細胞轉為分生組織狀態，呼吸提高。（3）受傷使水解酶活躍，水解淀粉，增加糖含量，增加了呼吸底物的供應。（4）受傷或感病后PPP途徑增強也使呼吸增加。7. 有毒物質 CN、CO、NaN3等；DNP，NaF、丙二酸，抑制呼吸，第四節 呼吸知識的應用一、呼吸作用與其它代謝活動的關系

46、我們說呼吸作用是植物代謝活動的中心，直接影響各生理生化過程和生長發育。1. 呼吸作用和光合作用的關系光合作用和呼吸作用總方程式是互為逆反應的，它們是既相互對立，又相互依存的兩個重要生理過程；（1）光合作用所需的ADP和NADP+與呼吸作用所需的ADP（氧化磷酸化用）和PPP途徑的NADP+是相同的。（2）光合作用的碳循環和呼吸作用的磷酸戊糖途徑（PPP）基本上是正、反反應的關系，它們的中間產物，3磷酸甘油醛， 4磷酸赤蘚糖，5磷酸核酮糖，磷酸葡萄糖， 磷酸果糖，景天庚酮糖等都是可以交替使用的。（3）光合作用釋放的O2可供呼吸利用，呼吸放出的CO2也被光合作用所同化。（4）光合作用形成有機物成為

47、呼吸作用的底物，沒有呼吸作用使種子長成幼苗，也不可有有光合作用。（5）光合作用和呼吸作用的比較光合作用呼吸作用原料CO2 + H2O有機物 + O2產物（CH2O）+ O2CO2 + H2O發生的細胞器 葉綠體EMP-細胞質，TCA、呼吸鏈在線粒體內條件光下發生光暗均可進行細胞含葉綠素細胞任何生活細胞能源光能有機物化學能輔酶NADP+ NADPH2NAD+ NADH2磷酸化光合磷酸化氧化磷酸化，底物磷酸化新陳代謝同化作用異化作用比較葉綠體，線粒體比較光合磷酸化與氧化磷酸化比較光呼吸和暗呼吸2. 呼吸作用與脂肪，蛋白質，核酸代謝的關系呼吸作用供給脂肪，蛋白質，核酸代謝的中間產物和能量。（1）糖酵

48、解和PPP中都有磷酸甘油酸產生，脫去磷酸就是甘油；呼吸的重要中間產物丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA可進一步縮合形成脂肪酸，這二種化合物再經脂肪酶催化，可合成脂肪。（2）呼吸中產生的丙酮酸，a-酮戊二酸，草酰乙酸，延胡索酸，經氨基化后可轉變為丙氨酸，谷氨酸，天門冬氨酸，可進行蛋白質合成。（3）PPP中的核糖是核糖核酸的主要原料 所有合成過程中的能量來源于呼吸作用。磷酸甘油酸 甘油 丙酮酸 乙酰CoA 脂肪酸丙酮酸丙氨酸 a-酮戊二酸谷氨酸 草酰乙酸天冬氨酸（4）由PPP可產生色氨酸 IAA TCA中天冬氨酸 蛋氨酸 乙烯（5）PPP 細胞壁物質二、呼吸與細胞生長發育（Respiration and

49、 Development of Cell）細胞的發育： 分裂 伸長 分化 成熟以根尖為例，從尖端向基部推進，細胞則從分裂經伸長分化至成熟。以鮮重表示，呼吸最高在根尖0-2mm，也就是分生區，這部分細胞不斷分裂，原生質濃，無液泡，胞壁薄。隨細胞伸長和分化，因胞壁和液泡占比例多了，表現呼吸下降（圖），但以干重為單位則無明顯變化。如以細胞為單位或以mg N來表示，則分裂期細胞呼吸強度并不是最高的，這時線粒體分化尚未完全，有一部分無氧呼吸，而在細胞伸長時，呼吸速率增加地最快。在葉片中類似，在細胞充分擴大，葉片伸展最快時，呼吸強度也最高。所以生長速率快，呼吸也最高。要注意以什么單位來表示。三、呼吸效率與

50、作物生長呼吸作用在植物生命活動中的重要性在于為代謝與生理活動提供能量（ATP NADH NADPH）及為合成各種生物大分子提供原料（有機酸）所以呼吸作用是植物生命活動的基礎，但不同植物、器官、組織，呼吸作用的效率有很大差別。 合成生物大分子的克數呼吸效率 ´ 100% 一克葡萄糖氧化一克葡萄糖氧化所能生成生物大分子的克數。可以用呼吸效率來衡量呼吸作用對生長所產生的效應。把用以維持細胞活性的呼吸稱維持呼吸（Maintenance Respiration）用于生長的呼吸，包括結構大分子合成，離子吸收等，叫生長呼吸（Growth Respiration）。幼嫩部位，生長旺盛，生長呼吸/維持

51、呼吸高，則呼吸效率高。成熟組織內，除用于維持細胞活性外，相當部分的能量以熱能散失，因而呼吸效率低。（1）植物生長首先要吸收礦質，進行物質運輸等都要能量，來自呼吸作用產生的ATP。（2）植物生長表現為原生質的增加和細胞器的建成等，這些物質的合成原料和能量也都來自呼吸。在植物生長發育過程中，為了維持旺盛的生命活動和正常的生長發育，就要有一定的呼吸強度，如根的呼吸受阻，礦質的吸收就會減少。（3）但過旺的呼吸并不一定有利，呼吸總還是要消耗干物質，植物生長季節氣溫過高，特別是夜間氣溫高，呼吸強，干物質積累少，作物產量會下降，同一作物如處于白天氣溫較高，夜間氣溫較低情況下即晝液溫差較大，作物生長發育良好，

52、產量高，如青海省小麥產量高的原因之一即晝夜溫差大。（4）在作物本身，生長量和呼吸量大小是相互適應的，如生長旺盛的組織，器官，呼吸強度就高些，而處于休眠狀態的器官呼吸就很弱。浸種催芽，水稻濕潤育秧（半旱育秧），落干烤田，中耕松土等栽培措施都是使呼吸順利進行，有利于作物生長。四、種子的呼吸1. 種子成熟與呼吸種子成熟過程中，細胞分裂和擴大最快時，原生質增多，呼吸酶活躍，大量物質向其中運輸（如禾谷類作物灌漿期，開花后十幾天），以后逐漸下降，干鮮重增加也從高峰下降。在此過程中呼吸途徑也有變化，初期以EMP-TCA為主，成熟時PPP途徑加強。2. 萌發種子的呼吸（1）種子萌發的先決條件是吸水，隨原生質從

53、凝膠溶膠，呼吸強度逐漸增加，所以幾乎是和含水量增加相平行的。隨種子萌發幼苗開始生長，呼吸一直維持在高水平。（2）同時呼吸商各不相同，一般種子利用糖作呼吸底物，RQ = 1，呼吸加強后，也利用有機酸，RQ增大到23而以蛋白質和脂肪為貯藏物的種子RQ可以低到0.3左右。但如種子萌發時缺O2，進行無氧呼吸，RQ則無限大，浪費了大量貯存物，做不到苗齊苗壯。水稻等沼澤植物種子萌發同樣需水、氧氣和適宜的溫度，但對缺O2有一定的適應能力（酒精發酵少，進行乳酸發酵，毒害小，發達的通氣組織從地上部輸入O2到根部）但水稻仍是需要O2的，“旱長根，水長苗”即在通氣好時，有氧呼吸促進根的分化，細胞分裂，根系發育好，而缺氧時，胚芽鞘伸長，根不下扎，直至芽鞘露出水面。所以半旱育秧或旱育秧可培育水稻