第四章呼吸作用

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(diào)節(jié)和控制呼吸作用的調(diào)節(jié)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)呼吸作用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)第一節(jié)第一節(jié) 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(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物，在一系列酶的參指生活細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物，在一系列酶的參與下，

2、逐步氧化分解成簡單物質(zhì)并釋放能與下，逐步氧化分解成簡單物質(zhì)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(xì)胞在氧氣的參與下，高等植物生活細(xì)胞在氧氣的參與下，分解有機(jī)物，并放出分解有機(jī)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(xì)胞把某些有機(jī)物分解成為不徹底的氧條件下，細(xì)胞把某些有機(jī)物分解成為不徹底的氧化產(chǎn)物，同時(shí)釋放能

3、量的過程氧化產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量的過程 高等植物在無氧呼吸時(shí)，先形成丙酮酸，高等植物在無氧呼吸時(shí)，先形成丙酮酸，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭倪^程。然后轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭倪^程。 G0= -226 kJmol-1 高等植物在無氧呼吸時(shí)，先形成高等植物在無氧呼吸時(shí)，先形成丙酮丙酮酸酸，然后轉(zhuǎn)變?yōu)椋缓筠D(zhuǎn)變?yōu)槿樗崛樗岬倪^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(dòng)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(dòng)提供還原力 增強(qiáng)植物抗病免疫的能力 第二節(jié)植物的呼吸代謝途徑第二節(jié)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(huán) 進(jìn)行的場所： 胞質(zhì)溶膠和線粒體內(nèi)進(jìn)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(tài)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(jì)念對這方面工作貢獻(xiàn)較大的三位德國生物化學(xué)家：G. Embden，O. Meyerhof和J.K. Parnas 糖酵解的化學(xué)反應(yīng)（Chemical reaction of glycolysis ） 可分為3個(gè)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(gè)階段反應(yīng)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(zhuǎn)化,它的己糖磷酸和丙糖磷酸也可能來自質(zhì)體。 3ATP和丙酮酸的生成 這個(gè)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(gè)階段也稱為氧化產(chǎn)能階段。由于底物的分子磷酸直接轉(zhuǎn)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(nèi)的含氧物質(zhì)，即水分子和被氧化的糖分子，因此糖酵解也稱為分子內(nèi)呼吸（intromolecular respiration）。 糖酵解的反應(yīng)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(dòng)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(chǎn)物（如丙糖磷酸）和最終產(chǎn)物丙酮酸，化學(xué)性質(zhì)十分活躍，產(chǎn)生不同的物質(zhì)。 3糖酵解除了有3步反應(yīng)不可逆外，其余反應(yīng)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(fā)酵作用(fermentation)無氧呼吸 酒精發(fā)酵： CH3COCOOH CO2 + CH3CHO（丙酮酸脫羧酶） CH3CHO + NADH + H+ CH3CH2OH + NAD+ 酒精

7、發(fā)酵（alcoholic fermentation）主要在酵母菌作用下進(jìn)行，可是高等植物在氧氣不足條件下，也會(huì)進(jìn)行酒精發(fā)酵。 乳酸發(fā)酵(lactic acid fermentation)的反應(yīng)式如下： CH3COCOOH + NADH + H+ CH3CHOHCOOH + NAD+（乳酸脫氫酶） 乳酸發(fā)酵多發(fā)生于乳酸菌，但高等植物在低氧或缺氧條件下，也會(huì)發(fā)生乳酸發(fā)酵，玉米種子在缺氧下，不同時(shí)期形成不同發(fā)酵類型：初期發(fā)生乳酸發(fā)酵，后來轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭l(fā)酵。 無氧呼吸在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行 無氧呼吸有機(jī)物消耗大，能量利用效率低 產(chǎn)生酒精和乳酸的積累，對細(xì)胞原生質(zhì)有毒害作用 三羧酸循環(huán)（tricarboxylic

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

9、DH，反應(yīng)式如下： CH3COCOOH + CoA-SH + NAD+ CH3COSCoA + CO2 + NADH + H+ 三羧酸循環(huán)的化學(xué)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(huán)反應(yīng)可寫成下列方程式：2CH3COCOOH + 8NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2Pi + 4H2O 6CO2 + 2ATP + 8NADH + 8H+ + 2FADH2 三羧酸循環(huán)的生理意義 1三羧酸循環(huán)是提供生命活動(dòng)所需能量的主來源。 2三羧酸循環(huán)是物質(zhì)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(fā)現(xiàn)可以不經(jīng)過無氧呼吸生成丙酮酸而進(jìn)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(yīng)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(chǎn)生大量NADPH，為細(xì)胞各種合成反應(yīng)提供主要的還原力 2該途徑的中間產(chǎn)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(chǎn)物及酶，與光合作用中卡爾文循環(huán)的大多數(shù)中間產(chǎn)物和酶相同，所以戊糖磷酸途徑可與光合作用聯(lián)系

11、起來。 乙醛酸循環(huán)：油料種子萌發(fā)時(shí) 乙醇酸氧化途徑：水稻根系特有的第三節(jié) 電子傳遞與氧化磷酸化 生物氧化（biological oxdation) 指在生物體細(xì)胞的線粒體內(nèi)的一系列傳遞氫和電子的氧化還原反應(yīng) 糖酵解和三羧酸循環(huán)中所產(chǎn)生的NADH+H+不能直接與游離的氧分子結(jié)合，需要經(jīng)過電子傳遞鏈傳遞后，才能與氧結(jié)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(chǎn)物的電子和質(zhì)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(zhì)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(jìn)行氧化還原反應(yīng)。 電子傳遞體是指細(xì)胞色素體系和鐵硫蛋白（Fe-S），它們只傳遞電子。細(xì)胞色素是一類以鐵卟啉為輔基的結(jié)合蛋白質(zhì)，根據(jù)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(xì)胞色素傳遞電子的機(jī)理，主要是通過鐵卟啉輔基中的鐵離子完成的，F(xiàn)e3+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(nèi)膜上，由5種蛋白復(fù)合體（protei

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

14、合物（Cytochrome bc1 complex）,它氧化還原型泛醌，生成UQH2 ,UQH2把電子經(jīng)過1個(gè)Fe-S中心，2個(gè)Cytb（Cytb565和Cytb560）和1個(gè)Cytc1最后傳到Cytc。Cytc是小蛋白體，疏松地附在內(nèi)膜的外表面，其功能是在復(fù)合體和之間傳遞電子。此復(fù)合體泵出4個(gè)質(zhì)子到膜間間隙 復(fù)合體，又稱細(xì)胞色素氧化酶（Cytochrome oxidase），含2個(gè)銅中心（CuA和CuB），Cyta和Cyta3。復(fù)合體是末端氧化酶（terminal oxidase），把Cytc的電子傳給O2,激發(fā) O2并與基質(zhì)中的H+結(jié)合形成H2O，每傳遞一對電子時(shí)，有2個(gè)H+泵出 復(fù)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(zhuǎn)變?yōu)锳TP 電子在呼吸鏈上傳遞的動(dòng)力是電勢梯度，每個(gè)傳遞體都具有其標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)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(guān)于氧化和磷酸化的耦聯(lián)的機(jī)理 -（英，1961）P. Mitchell 提出的化學(xué)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(gè)重要指標(biāo)，它是指氧化磷酸化中每消耗一摩爾氧時(shí)所消耗的無機(jī)磷酸摩爾數(shù)之比 線粒體的電子傳遞有3個(gè)貯存能量的位置，即復(fù)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(xì)胞色素氧化酶（cytochrome oxidase） 22224()424cyta FeOH OH OC 細(xì)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(lián)，所以不產(chǎn)生ATP，只能放熱，或者只能產(chǎn)生1個(gè)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(qiáng)抗逆性 交替途徑是植物對各種逆境（缺磷、冷害、旱害、滲透調(diào)節(jié)等）的反應(yīng). 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(jié) 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(huán)境中，其

18、余部分則以高能鍵的形式貯存起來。植物體內(nèi)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(zhuǎn)移磷酸基給ADP，生成ATP 真核細(xì)胞中1mol葡萄糖經(jīng)EMP-TCA循環(huán)，呼吸鏈徹底氧化之后生成多少個(gè)ATP NADH在線粒體和細(xì)胞中形成的ATP有何不同，為什么 原核細(xì)胞中1mol葡萄糖經(jīng)EMP-TCA循環(huán)，呼吸鏈徹底氧化之后生成多少個(gè)ATP 利用

19、能量 一分子蔗糖完全氧化為CO2時(shí)約形成60分子ATP 蔗糖徹底氧化時(shí)共生成60個(gè)ATP。在活體內(nèi)，合成ATP實(shí)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(jì)算，則綠色植物有氧呼吸過程蔗糖分解時(shí)，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(guān)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O(shè)2和有機(jī)物為原料2、產(chǎn)生有機(jī)物糖類和O22、產(chǎn)生CO2和H2O3、葉綠

20、素等捕獲光能3、有機(jī)物的化學(xué)能暫時(shí)貯存于ATP中或以熱能消失4、通過光合磷酸化把光能轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP4、通過氧化磷酸化把有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化形成ATP5、H2O的氫主要轉(zhuǎn)移至NADP+，形成NADPH+H+5、有機(jī)物的氫主要轉(zhuǎn)移至NAD+，形成NADH+H+6、糖合成過程主要利用ATP和NADPH+H+6、細(xì)胞活動(dòng)是利用ATP和NADH+H+（或NADPH+H+）作功7、僅有含葉綠素的細(xì)胞才能進(jìn)行光合作用7、活的細(xì)胞都能進(jìn)行呼吸作用8、只有光照下發(fā)生8、在光照下或黑暗里都可發(fā)生9、發(fā)生于真核細(xì)胞植物的葉綠體中9、糖酵解和戊糖磷酸途徑發(fā)生于細(xì)胞質(zhì)中，三羧酸循環(huán)和生 物氧化則發(fā)生于線粒體中 聯(lián)系1、光合

21、作用所需的ADP（供光合磷酸化產(chǎn)生ATP之用）和輔酶NADP+（供產(chǎn)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(zhì)在光合和呼吸中可共用。2、光合作用的碳循環(huán)與呼吸作用的戊糖磷酸途徑基本上是正反反應(yīng)的關(guān)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(jié) 呼吸作用的調(diào)節(jié)和控制 一、巴斯德效應(yīng)和糖酵解的調(diào)節(jié) 巴斯德（B.L.Pasteur）早就觀察到氧有抑制酒精發(fā)酵的現(xiàn)象，即氧可以降低糖類的分解代謝和減少糖酵解產(chǎn)物的積累，這種現(xiàn)象被稱為巴斯德效應(yīng)（Pasteur effect）。對這種效應(yīng)的解釋，正說明糖酵解的調(diào)節(jié)機(jī)理 糖酵解的調(diào)節(jié)酶是磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。 二、三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié) 三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)是多方面 NADH是主要負(fù)效應(yīng)物，NADH水平過高，會(huì)抑制丙酮酸脫氫酶（多酶復(fù)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(jù)質(zhì)量作用原理，產(chǎn)物（如乙酰CoA、琥珀酰CoA和草酰乙酸）的濃度過高時(shí)也會(huì)抑制各自有關(guān)酶的活性 三、腺苷酸能荷的調(diào)節(jié) 能荷（energy charge,EC）：是細(xì)胞中腺苷酸系統(tǒng)的能量狀態(tài) ATP+AMP=2ADP 活