1、第四章第四章 植物的呼吸作用植物的呼吸作用 呼吸作用的概念及其生理作用呼吸作用的概念及其生理作用 植物的呼吸代謝途徑植物的呼吸代謝途徑 生物氧化生物氧化 呼吸過程中能量的貯存和利用呼吸過程中能量的貯存和利用 呼吸作用的調節和控制呼吸作用的調節和控制 影響呼吸作用的因素影響呼吸作用的因素 呼吸作用與農業生產呼吸作用與農業生產第一節第一節 呼吸作用的概念及其生理意呼吸作用的概念及其生理意義義 呼吸作用的概念呼吸作用的概念(Concept of respiration )(Concept of respiration ) 指生活細胞內的有機物，在一系列酶的參指生活細胞內的有機物，在一系列酶的參與下，

2、逐步氧化分解成簡單物質并釋放能與下，逐步氧化分解成簡單物質并釋放能量的過程量的過程 呼吸作用的類型呼吸作用的類型 有氧呼吸有氧呼吸 無氧呼吸無氧呼吸有氧呼吸有氧呼吸（aerobic respirationaerobic respiration） 高等植物生活細胞在氧氣的參與下，高等植物生活細胞在氧氣的參與下，分解有機物，并放出分解有機物，并放出COCO2 2和能量的過程。和能量的過程。-2870kj/mol無氧呼吸（無氧呼吸（anaerobic respiration）一般指在無）一般指在無氧條件下，細胞把某些有機物分解成為不徹底的氧條件下，細胞把某些有機物分解成為不徹底的氧化產物，同時釋放能

3、量的過程氧化產物，同時釋放能量的過程 高等植物在無氧呼吸時，先形成丙酮酸，高等植物在無氧呼吸時，先形成丙酮酸，然后轉變為酒精的過程。然后轉變為酒精的過程。 G0= -226 kJmol-1 高等植物在無氧呼吸時，先形成高等植物在無氧呼吸時，先形成丙酮丙酮酸酸，然后轉變為，然后轉變為乳酸乳酸的過程。的過程。G0= -197 kJmol-1 呼吸作用的生理意義(Significances) 呼吸作用提供植物生命活動所需要的大部 分能量 呼吸過程為其他化合物合成提供原料 為代謝活動提供還原力 增強植物抗病免疫的能力 第二節植物的呼吸代謝途徑第二節植物的呼吸代謝途徑 呼吸作用糖的分解代謝途徑有3種：

4、糖酵解 戊糖磷酸途徑 三羧酸循環 進行的場所： 胞質溶膠和線粒體內進行 植物的有氧呼吸過程植物的有氧呼吸過程 糖酵解（glycolysis） 己糖在無氧狀態下分解成丙酮酸的過程，通稱為糖酵解（glycolysis）。糖酵解亦稱為EMP途徑（EMP pathway），以紀念對這方面工作貢獻較大的三位德國生物化學家：G. Embden，O. Meyerhof和J.K. Parnas 糖酵解的化學反應（Chemical reaction of glycolysis ） 可分為3個階段： 1己糖的磷酸化 這一階段是淀粉或己糖活化，將果糖活化為果糖-1，6-二磷酸， 2己糖磷酸的裂解 這個階段反應包括己

5、糖磷酸裂解為2分子丙糖磷酸，以及丙糖磷酸之間的相互轉化,它的己糖磷酸和丙糖磷酸也可能來自質體。 3ATP和丙酮酸的生成 這個階段葡萄糖氧化釋放能量，并形成ATP和NADH + H+，最終生成丙酮酸，因此這個階段也稱為氧化產能階段。由于底物的分子磷酸直接轉到ADP而形成ATP，所以一般稱之為底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）。 糖酵解過程中的氧化分解是沒有分子氧參與的，它所需的氧是來自組織內的含氧物質，即水分子和被氧化的糖分子，因此糖酵解也稱為分子內呼吸（intromolecular respiration）。 糖酵解的反應可歸納為： 葡萄糖 + 2

6、NAD+ + 2ADP + 2Pi2丙酮酸 +2NADH+2H+ +2ATP + 2H2O 糖酵解的生理意義 1糖酵解普遍存在于動物、植物和微生物中，是有氧呼吸和無氧呼吸的共同途徑。 2糖酵解的一些中間產物（如丙糖磷酸）和最終產物丙酮酸，化學性質十分活躍，產生不同的物質。 3糖酵解除了有3步反應不可逆外，其余反應是可逆的，所以，它為糖提供基本途徑。 4糖酵解釋放一些能量，供生物體需要，尤其是對厭氧生物 發酵作用(fermentation)無氧呼吸 酒精發酵： CH3COCOOH CO2 + CH3CHO（丙酮酸脫羧酶） CH3CHO + NADH + H+ CH3CH2OH + NAD+ 酒精

7、發酵（alcoholic fermentation）主要在酵母菌作用下進行，可是高等植物在氧氣不足條件下，也會進行酒精發酵。 乳酸發酵(lactic acid fermentation)的反應式如下： CH3COCOOH + NADH + H+ CH3CHOHCOOH + NAD+（乳酸脫氫酶） 乳酸發酵多發生于乳酸菌，但高等植物在低氧或缺氧條件下，也會發生乳酸發酵，玉米種子在缺氧下，不同時期形成不同發酵類型：初期發生乳酸發酵，后來轉變為酒精發酵。 無氧呼吸在細胞質中進行 無氧呼吸有機物消耗大，能量利用效率低 產生酒精和乳酸的積累，對細胞原生質有毒害作用 三羧酸循環（tricarboxylic

8、 acid cycle，簡寫為TCA環）-有氧呼吸 糖酵解進行到丙酮酸后，在有氧的條件下，通過一個包括三羧酸和二羧酸的循環而逐步氧化分解，直到形成水和二氧化碳為止。這個循環是英國生物化學家HKrebs首先發現的，所以又名Krebs環（Krebs cycle）。 三羧酸循環是在細胞中的線粒體內進行的。 丙酮酸的氧化脫羧 在有氧條件下，丙酮酸進入線粒體，通過氧化脫羧生成乙酰CoA，然后再進入三羧酸循環徹底分解。因而丙酮酸的氧化脫羧反應是連接糖酵解和三羧酸循環的橋梁。 丙酮酸在丙酮酸脫氫酶復合體（pyruvic acid dehydrogenase complex）催化下氧化脫羧生成乙酰CoA和NA

9、DH，反應式如下： CH3COCOOH + CoA-SH + NAD+ CH3COSCoA + CO2 + NADH + H+ 三羧酸循環的化學歷程（The processes of tricarboxylic acid cycle） 1檸檬酸生成階段 2氧化脫羧階段 3草酰乙酸的再生階段 三羧酸循環反應可寫成下列方程式：2CH3COCOOH + 8NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2Pi + 4H2O 6CO2 + 2ATP + 8NADH + 8H+ + 2FADH2 三羧酸循環的生理意義 1三羧酸循環是提供生命活動所需能量的主來源。 2三羧酸循環是物質代謝的樞紐 戊糖磷酸途徑（p

10、entose phosphate pathway，PPP） 在高等植物中，還發現可以不經過無氧呼吸生成丙酮酸而進行有氧呼吸的途徑。又稱已糖磷酸途徑（hexose monophosphate pathway，HMP） 戊糖磷酸途徑總的反應是： 6G6P+12NADP+7H2O 5G6P+6CO2+ Pi +12NADPH+12H+ p54 戊糖磷酸途徑的生理意義 1該途徑產生大量NADPH，為細胞各種合成反應提供主要的還原力 2該途徑的中間產物為許多重要化合物合成提供原料。 3該途徑己糖重組階段的一系列中間產物及酶，與光合作用中卡爾文循環的大多數中間產物和酶相同，所以戊糖磷酸途徑可與光合作用聯系

11、起來。 乙醛酸循環：油料種子萌發時 乙醇酸氧化途徑：水稻根系特有的第三節 電子傳遞與氧化磷酸化 生物氧化（biological oxdation) 指在生物體細胞的線粒體內的一系列傳遞氫和電子的氧化還原反應 糖酵解和三羧酸循環中所產生的NADH+H+不能直接與游離的氧分子結合，需要經過電子傳遞鏈傳遞后，才能與氧結合。 電子傳遞鏈（electron transport chain）亦稱呼吸鏈（respiratory chain），就是呼吸代謝中間產物的電子和質子，沿著一系列有順序的電子傳遞體組成的電子傳遞途徑，傳遞到分子氧的總過程 組成電子傳遞鏈的傳遞體可分為氫傳遞體和電子傳遞體。 氫傳遞體傳遞

12、氫（包括質子和電子，以2H+2e-表示），它們作為脫氫酶的輔助因子，有下列幾種：NAD（即輔酶）、NADP（即輔酶）、黃素單核苷酸（FMN）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它們都能進行氧化還原反應。 電子傳遞體是指細胞色素體系和鐵硫蛋白（Fe-S），它們只傳遞電子。細胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的結合蛋白質，根據吸收光譜的不同分為a、b和c 3類，每類又再分為若干種。細胞色素傳遞電子的機理，主要是通過鐵卟啉輔基中的鐵離子完成的，Fe3+在接受電子后還原為Fe2+， Fe2+傳出電子后又氧化為Fe3+ 。Figure 4-6 植物線粒體的電子傳遞鏈位于線粒體的內膜上，由5種蛋白復合體（protei

13、n complex）組成 復合體（complex I）也稱NADH脫氫酶（NADH dehydrogenase），輔基FMN和幾個Fe-S中心組成，作用是將線粒體基質中的NADH+H+的2對電子即4個質子泵到膜間間隙（intermembrane space）,同時復合體也經過Fe-S中心將電子轉移給泛醌（ubiquinone, UQ或Q）。 復合體（complex ） 又叫琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase）,由FAD和3個Fe-S中心組成。功能：催化琥珀酸氧化為延胡索酸，并把H轉移到UQ生成UQH2。此復合體不泵出質子 復合體（complex） 又稱細胞色素bc1復

14、合物（Cytochrome bc1 complex）,它氧化還原型泛醌，生成UQH2 ,UQH2把電子經過1個Fe-S中心，2個Cytb（Cytb565和Cytb560）和1個Cytc1最后傳到Cytc。Cytc是小蛋白體，疏松地附在內膜的外表面，其功能是在復合體和之間傳遞電子。此復合體泵出4個質子到膜間間隙 復合體，又稱細胞色素氧化酶（Cytochrome oxidase），含2個銅中心（CuA和CuB），Cyta和Cyta3。復合體是末端氧化酶（terminal oxidase），把Cytc的電子傳給O2,激發 O2并與基質中的H+結合形成H2O，每傳遞一對電子時，有2個H+泵出 復合體V

15、，又稱ATP合酶（ATPsynthase），由Fo和F1兩部分組成，所以亦稱為FoF1-ATP合酶，它能催化ADP和Pi轉變為ATP 電子在呼吸鏈上傳遞的動力是電勢梯度，每個傳遞體都具有其標準電位。電子只能從低電位向高電位傳遞，例如NADH的E0為-0.320 V，UQ為+0.070 V，O2為+0.816 V 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。 在生物氧化中，電子經過線粒體的電子傳遞鏈傳遞到氧，伴隨ATP合酶催化，使ADP和磷酸合成ATP的過程 關于氧化和磷酸化的耦聯的機理 -（英，1961）P. Mitchell 提出的化學滲透假說（chemiosmotic

16、 hypothesis） 磷/氧比（P/O ratio）是線粒體氧化磷酸化活力的一個重要指標，它是指氧化磷酸化中每消耗一摩爾氧時所消耗的無機磷酸摩爾數之比 線粒體的電子傳遞有3個貯存能量的位置，即復合體、 末端氧化酶（terminal oxidase）是把底物的電子傳遞到分子氧并形成水或過氧化氫的酶 細胞色素氧化酶（cytochrome oxidase） 22224()424cyta FeOH OH OC 細胞色素氧化酶3+yta(Fe ) 交替氧化酶（alternative oxidase）在氰化物存在下，某些植物呼吸不受抑制，所以把這種呼吸稱為抗氰呼吸（cyanide-resistant

17、respiration） 交替途徑放出的電子也不與磷酸化耦聯，所以不產生ATP，只能放熱，或者只能產生1個ATP，P/O=1。 抗氰呼吸有什么生理意義？ 利于授粉 天南星科海芋 能量溢流 能量溢流假說（energy overflow hypothesis） 增強抗逆性 交替途徑是植物對各種逆境（缺磷、冷害、旱害、滲透調節等）的反應. 線粒體外的末端氧化酶線粒體外的末端氧化酶 酚氧化酶：酚氧化成醌，對微生物有毒 抗壞血酸氧化酶： 乙醇酸氧化酶 (glycolate oxidase)，是一種黃素蛋白。第四節 呼吸過程中能量的貯存和利用 貯存能量 呼吸作用放出的能量，一部分以熱的形式散失于環境中，其

18、余部分則以高能鍵的形式貯存起來。植物體內的高能鍵主要是高能磷酸鍵，其次是硫酯鍵。 高能磷酸鍵中以三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）中的高能磷酸鍵最重要。生成ATP的方式有兩種：一是氧化磷酸化；二是底物水平磷酸化作用（substrate-level phosphorylation）。 底物水平磷酸化是從底物分子直接轉移磷酸基給ADP，生成ATP 真核細胞中1mol葡萄糖經EMP-TCA循環，呼吸鏈徹底氧化之后生成多少個ATP NADH在線粒體和細胞中形成的ATP有何不同，為什么 原核細胞中1mol葡萄糖經EMP-TCA循環，呼吸鏈徹底氧化之后生成多少個ATP 利用

19、能量 一分子蔗糖完全氧化為CO2時約形成60分子ATP 蔗糖徹底氧化時共生成60個ATP。在活體內，合成ATP實際需用50 kJmol-1自由能(31.8*60-7版）。所以每摩爾蔗糖有氧呼吸氧化生成的ATP貯存約3010 kJmol-1。按每摩爾蔗糖有氧氧化釋放出的自由能5760 kJmol-1計算，則綠色植物有氧呼吸過程蔗糖分解時，能量利用率約為52%（33.2%-7版），其余能量以熱的形式散失了。 光合作用和呼吸作用的關系 表4-4 光合作用和呼吸作用的比較光 合 作 用呼 吸 作 用1、以CO2和H20為原料1、以O2和有機物為原料2、產生有機物糖類和O22、產生CO2和H2O3、葉綠

20、素等捕獲光能3、有機物的化學能暫時貯存于ATP中或以熱能消失4、通過光合磷酸化把光能轉變為ATP4、通過氧化磷酸化把有機物的化學能轉化形成ATP5、H2O的氫主要轉移至NADP+，形成NADPH+H+5、有機物的氫主要轉移至NAD+，形成NADH+H+6、糖合成過程主要利用ATP和NADPH+H+6、細胞活動是利用ATP和NADH+H+（或NADPH+H+）作功7、僅有含葉綠素的細胞才能進行光合作用7、活的細胞都能進行呼吸作用8、只有光照下發生8、在光照下或黑暗里都可發生9、發生于真核細胞植物的葉綠體中9、糖酵解和戊糖磷酸途徑發生于細胞質中，三羧酸循環和生 物氧化則發生于線粒體中 聯系1、光合

21、作用所需的ADP（供光合磷酸化產生ATP之用）和輔酶NADP+（供產生NADPH+H+之用），與呼吸作用所需的ADP和NADP+是相同的，這兩種物質在光合和呼吸中可共用。2、光合作用的碳循環與呼吸作用的戊糖磷酸途徑基本上是正反反應的關系。3、光合釋放的O2可供呼吸利用，而呼吸作用釋放的CO2亦能為光合作用所同化。第五節 呼吸作用的調節和控制 一、巴斯德效應和糖酵解的調節 巴斯德（B.L.Pasteur）早就觀察到氧有抑制酒精發酵的現象，即氧可以降低糖類的分解代謝和減少糖酵解產物的積累，這種現象被稱為巴斯德效應（Pasteur effect）。對這種效應的解釋，正說明糖酵解的調節機理 糖酵解的調節酶是磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。 二、三羧酸循環的調節 三羧酸循環的調節是多方面 NADH是主要負效應物，NADH水平過高，會抑制丙酮酸脫氫酶（多酶復合體）、異檸檬酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶和蘋果酸酶等的活性。ATP對檸檬酸合成酶和蘋果酸脫氫酶起抑制作用。根據質量作用原理，產物（如乙酰CoA、琥珀酰CoA和草酰乙酸）的濃度過高時也會抑制各自有關酶的活性 三、腺苷酸能荷的調節 能荷（energy charge,EC）：是細胞中腺苷酸系統的能量狀態 ATP+AMP=2ADP 活