第五章植物的呼吸作用

§4-1.呼吸作用的概念和生理意義§4-2.呼吸代謝的生化途徑§4-3.電子傳遞與氧化磷酸化§4-4.呼吸作用的指標(biāo)及影響因素§4-5.呼吸作用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)第五章植物的呼吸作用§4-1.呼吸作用的概念和意義一.概念

是指生活細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物，在酶的參與下，逐步氧化分解并釋放能量的過程，分為有氧呼吸和無氧呼吸兩大類型。1.有氧呼吸

是指生活細(xì)胞利用O2，將某些有機(jī)物質(zhì)徹底氧化分解，形成CO2和H2O，同時釋放能量的過程。2.無氧呼吸

是指生活細(xì)胞在無氧條件下，把某些有機(jī)物分解成為不徹底的氧化產(chǎn)物，同時釋放能量的過程。二.生理意義為植物生命活動提供能量呼吸氧化有機(jī)物，將其中的化學(xué)能以ATP形式貯存起來。當(dāng)ATP分解時，釋放能量以滿足各種生理過程的需要。2.中間產(chǎn)物是合成重要有機(jī)物質(zhì)的原料呼吸產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，其中有些十分活躍，是進(jìn)一步合成其他有機(jī)物的物質(zhì)基礎(chǔ)。3.提供還原力植物的生長發(fā)育過程以物質(zhì)合成為基礎(chǔ)，而這些合成過程常需要還原力。4.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。植物受傷或受到病菌侵染時，通過旺盛的呼吸，促進(jìn)傷口愈合，加速木質(zhì)化或栓質(zhì)化，以減少病菌的侵染?！?-2.呼吸代謝的生化途徑

高等植物體內(nèi)存在著多條呼吸代謝的生化途徑，這是植物在長期進(jìn)化過程中所形成的對多變環(huán)境的一種適應(yīng)性。主要有糖酵解途徑、磷酸戊糖途徑、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化途徑，它們通過交流中間代謝產(chǎn)物而相互聯(lián)系和相互影響。（一）糖酵解途徑

糖酵解(glycolysis)是指己糖在無氧條件下分解成丙酮酸的過程（圖4-3）。糖酵解亦稱為EMP途徑，以紀(jì)念在這方面工作貢獻(xiàn)較大的三位生物化學(xué)家：Embden,Meyerhof和Parnas。

糖酵解是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的，參與糖酵解各反應(yīng)的酶都存在于細(xì)胞質(zhì)中。它的化學(xué)歷程包括己糖的活化、己糖裂解和丙糖氧化3個階段。圖4-3糖酵解途徑糖酵解過程中，1分子葡萄糖大約要經(jīng)過10個步驟逐步氧化最終形成2分子丙酮酸。糖酵解總反應(yīng)式是：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP

在缺氧的情況下，NADH就去還原乙醛生成乙醇或還原丙酮酸生成乳酸，這就是無氧呼吸或發(fā)酵。無氧呼吸的最終產(chǎn)物是酒精、CO2或乳酸及2分子ATP。有氧情況下，丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán)，完全氧化生成水和CO2

，NADH進(jìn)入呼吸鏈。

糖酵解的生理意義：是有氧呼吸與無氧呼吸的共同途徑。產(chǎn)物丙酮酸化學(xué)性質(zhì)活躍，參與其它物質(zhì)代謝。大部分反應(yīng)可逆，是糖異生的基本途徑。提供部分能量，是厭氧生物能量的主要來源?！?

三羧酸循環(huán)途徑高等植物的呼吸是在線粒體和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中完成線粒體是一些大小不一的球狀、棒狀或細(xì)絲狀顆粒，一般直徑0.5～1μm，長度1～2μm。一個細(xì)胞中約有500～1000個，但衰老或休眠細(xì)胞中較少，缺氧的細(xì)胞可能無線粒體。一、線粒體結(jié)構(gòu)線粒體由雙層膜包裹，外膜平滑，內(nèi)膜向內(nèi)褶皺，形成許多擱板狀或管狀突起稱為嵴，線粒體內(nèi)膜由于嵴的存在，大大增加了表面積。內(nèi)膜與外膜之間的空間稱為嵴內(nèi)空間，腔內(nèi)充滿著透明的膠體狀態(tài)的襯質(zhì)，襯質(zhì)的化學(xué)成分主要是可溶性蛋白質(zhì)。內(nèi)膜以內(nèi)是襯質(zhì)，由蛋白質(zhì)和脂肪組成。線粒體膜結(jié)構(gòu)圖內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)表面有許多帶柄的球狀顆粒直徑約為70?，叫做F1-ATPase，借30?左右長的柄附著于膜的內(nèi)表面叫F0顆粒。這些結(jié)構(gòu)與ATP合成有關(guān)。內(nèi)膜的外側(cè)和外膜的內(nèi)外側(cè)都沒有這種顆粒。外膜的磷脂含量比內(nèi)膜高2～3倍，外膜的透性也比內(nèi)膜高得多。外膜透性高，有利于線粒體內(nèi)外物質(zhì)交流，內(nèi)膜透性差，可使酶系統(tǒng)存留與內(nèi)膜中保證代謝正常進(jìn)行。三羧酸循環(huán)總反應(yīng)式是：CH3COCOOH+4NAD++FAD+ADP+Pi+2H2O3CO2+4NADH+4H++FADH2+ATP三羧酸循環(huán)途徑概念

糖酵解形成的丙酮酸，在有氧的條件下，先氧化脫羧成乙酰輔酶A再進(jìn)入一個包括三羧酸和二羧酸的循環(huán)，從而逐步氧化分解，直到形成CO2和水，故稱這個過程為三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）（圖4-4）。這個循環(huán)是由英國生物化學(xué)家HansKrebs首先發(fā)現(xiàn)的，所以又稱Krebs循環(huán)。整個過程在線粒體中進(jìn)行。圖4-4三羧酸循環(huán)TCA循環(huán)的特點和生理意義：1、在TCA循環(huán)中底物脫下5對氫原子，4對以NAD+為氫的受體，一對以FAD為氫的受體,生成的NADH和FADH2，經(jīng)呼吸鏈將H+和電子傳遞給O2生成水，同時偶聯(lián)氧化磷酸化生成ATP。所以說TCA循環(huán)是生物體利用糖或者其他物質(zhì)氧化獲得能量的有效途徑。2、每次循環(huán)消耗2分子水，生成1分子ATP,3分子CO2（3次脫羧反應(yīng)），這就是有氧呼吸釋放CO2的來源。3、氧雖然不直接參加反應(yīng)，但只有氧才能使NAD+和FAD在線粒體中再生，否則，TCA循環(huán)就會受阻。4、起始底物乙酰CoA不僅是糖代謝的中間產(chǎn)物，也是糖、脂肪、蛋白質(zhì)及其他物質(zhì)的代謝產(chǎn)物，所以說該循環(huán)是糖、脂肪、蛋白質(zhì)徹底氧化分解的共同途徑，又可以通過代謝中間產(chǎn)物和其他代謝途徑發(fā)生聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)變。注意：

⒈在線粒體中進(jìn)行。⒉EMP不產(chǎn)生CO2，只有在TCA中才產(chǎn)生CO2。⒊TCA中釋放的CO2，不是靠大氣中的O2直接把C氧化，而是靠氧化底物中的氧和水分子中的氧來實現(xiàn)的。⒋TCA循環(huán)是糖、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸及其它物質(zhì)共同的代謝過程。3.磷酸戊糖途徑（PPP）

20世紀(jì)50年代初的研究表明EMP-TCA循環(huán)途徑并不是高等植物有氧呼吸的唯一途徑。1954年Racker,1955年Gunsalus等人發(fā)現(xiàn)了磷酸戊糖途徑，它是葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)直接氧化脫羧，并以戊糖磷酸為重要中間產(chǎn)物的有氧呼吸途徑。因為此途徑的起始物是己糖磷酸，所以又稱為己糖磷酸支路（簡稱為HMP途徑）（圖4-6）。PPP途徑的酶系統(tǒng)和EMP途徑的一樣，都位于細(xì)胞質(zhì)中，但EMP途徑的脫氫輔酶是NAD+，而PPP途徑的脫氫輔酶是NADP+。磷酸戊糖途徑的化學(xué)歷程(1)葡萄糖氧化脫羧階段脫氫反應(yīng)水解反應(yīng)脫氫脫羧反應(yīng)(2)非氧化分子的重組階段磷酸戊糖途徑的總反應(yīng)式為：6G6P＋12NADP+＋7H2O→6CO2＋12NADPH＋12H+＋5G6P＋Pi圖4-6磷酸戊糖途徑注意：⒈發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中。⒉PPP途徑是直接氧化葡萄糖。⒊H的受體是NADP+，所形成的NADPH如果要形成ATP時，必須穿梭進(jìn)入線粒體，才進(jìn)入呼吸鏈，如不穿梭，則用于脂肪酸的合成。⒋其中間產(chǎn)物雖然簡單，但其生理活性較高，它可以溝通其它代謝途徑。⒌PPP途徑在成熟和老年組織中及受害時發(fā)生較多。磷酸戊糖途徑的生理意義：產(chǎn)生大量NADPH為體內(nèi)反應(yīng)提供還原力。為其它物質(zhì)代謝提供原料。Ru5P可合成核酸。重組階段的酶和產(chǎn)物與光合C3途徑相同，可相互交流。產(chǎn)生綠原酸、咖啡酸等抗病物質(zhì)，可增強(qiáng)抗病性。（四）乙醛酸循環(huán)

油料種子萌發(fā)時能夠?qū)Ⅲw內(nèi)脂肪降解為乙酰CoA,再在乙醛酸循環(huán)體內(nèi)通過乙醛酸循環(huán)生成琥珀酸、乙醛酸和蘋果酸。乙醛酸和蘋果酸經(jīng)蘋果酸脫氫酶催化，重新生成草酰乙酸，于是構(gòu)成一個循環(huán)，故稱為乙醛酸循環(huán)（圖4-7)。圖4-7油料種子萌發(fā)時脂肪的代謝途徑乙醛酸循環(huán)總反應(yīng)式是：2乙酰CoA+NAD+

琥珀酸+2CoA+NADH+H+乙醛酸循環(huán)的特點及生理學(xué)意義：乙醛酸循環(huán)和三羧酸循環(huán)中存在某些相同的酶類和中間產(chǎn)物。乙醛酸循環(huán)在乙醛酸循環(huán)體內(nèi)進(jìn)行，是脂肪轉(zhuǎn)化成糖的過程，糖的形成依賴于線粒體、乙醛酸體和細(xì)胞質(zhì)的協(xié)同作用。乙醛酸循環(huán)是油料種子所特有的一種呼吸代謝途徑。動物細(xì)胞中不存在乙醛酸循環(huán)。乙醛酸循環(huán)只存在于一些細(xì)菌、藻類和油料種子的乙醛酸體中。乙醇酸氧化途徑

圖4-5水稻根中乙醇酸途徑①、②乙醇酸氧化酶③黃素氧化酶④草酸脫羧酶⑤草酸氧化酶⑥甲酸脫氫酶⑦過氧化氫酶

乙醇酸氧化途徑是水稻根系中的一種糖酵解途徑（圖4-5）。水稻根呼吸產(chǎn)生的部分乙酰CoA不進(jìn)入TCA環(huán)，而是形成乙酸，乙酸在一系列酶作用下依次形成乙醇酸、乙醛酸、草酸、甲酸及CO2，并不斷形成H2O2,H2O2能氧化各種還原物質(zhì)是根系免遭毒害，確保根系正常的生理功能。淀粉、蔗糖磷酸己糖磷酸丙糖丙酮酸乙酰CoA三羧酸循環(huán)CO2+H2O磷酸戊糖PPP途徑中間代謝產(chǎn)物是合成糖類、脂類、蛋白質(zhì)和維生素及各種次生物質(zhì)的原料正常情況下PPP途徑占呼吸3%~30%，處于逆境時，PPP上升，油料作物結(jié)實期PPP上升糖酵解脂肪β–氧化有氧無氧乳酸脫氫酶脫羧酶乳酸（淹酸菜、泡菜、青貯飼料）乙醛乙醇灑精發(fā)酵有氧乙酸（醋）乙醛酸循環(huán)乙酸乙醇酸草酸甲酸琥珀酸乙醇酸循環(huán)§4-3.電子傳遞與氧化磷酸化

糖酵解和三羧酸循環(huán)、戊糖磷酸途徑中脫氫生成的NADH、FADH2和NADPH，它們中的氫不能直接與氧分子結(jié)合，需經(jīng)過呼吸鏈傳遞后，才能與氧結(jié)合。這種在生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化作用，是在由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)中進(jìn)行的。當(dāng)電子傳遞與ADP的磷酸化過程相偶聯(lián)時，即發(fā)生氧化磷酸化，生成ATP。

一、呼吸鏈概念及其組成

呼吸鏈又稱為電子傳遞鏈，呼吸作用的中間產(chǎn)物氧化脫下的氫（電子和質(zhì)子），沿著一系列呼吸傳遞體傳給氧而生成水，這一系列傳遞體稱呼吸鏈。

組成呼吸鏈的傳遞體分為兩大類：電子傳遞體和質(zhì)子傳遞體。電子傳遞體包括細(xì)胞色素體系和某些黃素蛋白、鐵硫蛋白，它們只傳遞電子；質(zhì)子傳遞體包括一些脫氫酶的輔助因子，主要有NAD+、FMN、FAD、泛醌（UQ或Q）等，它們既傳遞質(zhì)子又傳遞電子。除了UQ和細(xì)胞色素c（Cytc）外，組成呼吸鏈的有4種酶復(fù)合體，另外還有一種ATP合酶復(fù)合體，它們嵌在線粒體內(nèi)膜上（圖4-8）。

植物線粒體的電子傳遞鏈位于線粒體的內(nèi)膜上，有4種蛋白復(fù)合體組成。

復(fù)合體Ⅰ：含有NADH脫氫酶，F(xiàn)MN,3個Fe-S蛋白

NADH泛醌(UQ或Q)

復(fù)合體Ⅱ：琥珀酸脫氫酶（FAD,Fe-S蛋白)

FADH2UQ

復(fù)合體Ⅲ：含有2個Cytb(b560和b565)，Cytc和Fe-S。把還原泛醌的電子經(jīng)CytbCytc

復(fù)合體Ⅳ：含有細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合物，Cyta,Cyta3。把Cytc的電子傳給O2，形成水。Cyta3O2ee圖4-8植物線粒體內(nèi)膜上的復(fù)合體及其電子傳遞二、氧化磷酸化

細(xì)胞將有機(jī)物（糖、脂、蛋白質(zhì)等）氧化分解，最終生成CO2、H2O和放出能量的過程，稱為生物氧化。生物氧化過程中釋放的能量，一部分轉(zhuǎn)化成熱能而散失，其余則與生物氧化相伴隨而發(fā)生磷酸化作用，促使ADP轉(zhuǎn)化成ATP，稱為氧化磷酸化作用。

生物氧化合成ATP的方式有兩種：底物水平磷酸化和氧化磷酸化。1.底物水平磷酸化

底物水平磷酸化是指物質(zhì)在生物氧化過程中生成的一些含有高能鍵的化合物，它們可以不經(jīng)電子傳遞鏈，而直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。

在高等植物中以這種形式形成的ATP只占一小部分。甘油醛-3-磷酸被氧化脫氫，生成一個高能硫酯鍵，再轉(zhuǎn)化為高能磷酸鍵，其磷酸基團(tuán)再轉(zhuǎn)移到ADP上，形成ATP。在TCA循環(huán)中，由琥珀酰CoA形成琥珀酸時通過底物水平磷酸化生成ATP。2.氧化磷酸化氧化磷酸化是指電子從NADH或FADH2經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給分子氧生成水,并偶聯(lián)ADP和Pi生成ATP的過程。

關(guān)于氧化和磷酸化如何偶聯(lián)的機(jī)理，目前被人們普遍接受的是Mitchell（米切爾）提出的化學(xué)滲透假說。⑴呼吸鏈上的遞氫體與電子傳遞體在線粒體內(nèi)膜上有特定的位置，彼此間隔排列，質(zhì)子和電子定向傳遞。⑵遞氫體有質(zhì)子泵的作用，當(dāng)遞氫體從線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)接受從底物傳來的氫（2H+

）后，可將其中的電子（2e）傳給其后的電子傳遞體，而將兩個H+泵出內(nèi)膜。使內(nèi)膜外側(cè)的H+

濃度高于內(nèi)側(cè)，造成跨膜的質(zhì)子濃度梯度和外正內(nèi)負(fù)的膜電勢差，二者構(gòu)成跨膜的H+電化學(xué)梯度，即形成跨膜的質(zhì)子動力。⑶質(zhì)子動力使H+

流沿著ATP合酶的H+通道進(jìn)入線粒體基質(zhì)時，在ATP合酶的作用下推動ADP和Pi合成ATP?；瘜W(xué)滲透假說質(zhì)子動力使H+流沿著ATP合酶的H+通道進(jìn)入線粒體基質(zhì)時，在ATP合酶的作用下推動ADP和Pi合成ATP（圖4-10）。圖4-10氧化磷酸化作用機(jī)理示意

P/O比值指每消耗1摩爾的氧原子所用去的磷酸摩爾數(shù)。

P/O比是線粒休氧化磷酸化活力功能的重要指標(biāo)，代表呼吸效率。P/O比高，呼吸效率高。

NADH：P/O=3FADH2：P/O=2

NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2NAD++3ATP+4H2O

琥珀酸+2ADP+2Pi+1/2O2

延胡索酸+2ATP+3H2O三、氧化磷酸化的抑制有兩類物質(zhì)能破壞氧化磷酸化作用:一類是解偶聯(lián)劑，解偶聯(lián)指呼吸鏈與氧化磷酸化的偶聯(lián)遭到破壞的現(xiàn)象。如2，4-二硝基苯酚（DNP），可以阻礙磷酸化而不影響氧化，不產(chǎn)生ATP，呼吸空轉(zhuǎn)。旱害、寒害或缺鉀都會造成氧化磷酸化解偶聯(lián)。另一類是電子傳遞抑制劑，打斷電子傳遞過程，使磷酸化作用因得不到能量而受阻。如魚藤酮可阻斷H+從NADH向FMN的傳遞；抗霉素A打斷電子從Cytb向Cytc的傳遞；氰化物（CN-）、疊氮化合物（N3-）、CO則阻礙電子從Cyta向Cyta3的傳遞。圖4-9高等植物呼吸鏈四、抗氰呼吸

在氰化物存在下，某些植物呼吸不受抑制，這種呼吸途徑稱為抗氰呼吸。抗氰呼吸可以在某些條件下與電子傳遞主路交替運行，因此，抗氰呼吸又稱交替途徑。NADHFMNUQCytbCytc1

CytcCytaa3O2交替氧化酶

該途徑可被魚藤酮抑制，不被抗霉素A和氰化物抑制，水楊基肟酸是此途徑專一抑制劑。放熱增溫，促進(jìn)植物開花、種子萌發(fā)。增加乙烯生成，促進(jìn)果實成熟，促進(jìn)衰老。增強(qiáng)抗逆性。五、呼吸鏈電子傳遞的多條途徑

高等植物電子傳遞途徑有多條路線（圖4-11）?，F(xiàn)已知至少有5條，它們各自具有不同的性質(zhì)。電子傳遞主路：電子傳遞主路即細(xì)胞色素系統(tǒng)途徑。對魚藤酮、抗霉素A、氰化物都敏感，P/O比≤3。交替途徑（抗氰呼吸鏈）：對氰化物不敏感，在氰化物存在時，仍能進(jìn)行呼吸。P/O比=1。圖4-11植物呼吸鏈不同電子傳遞途徑示意圖電子傳遞支路Ⅰ：脫氫酶輔基是一種黃素蛋白（FP2）。不被魚藤酮抑制、對抗霉素A、氰化物都敏感，P/O比≤2。電子傳遞支路Ⅱ：脫氫酶輔基是另一種黃素蛋白（FP3），其P/O比=2。電子傳遞支路Ⅲ：脫氫酶輔基是另一種黃素蛋白（FP4），對魚藤酮、抗霉素A敏感、可被氰化物抑制，其P/O比=1。五、末端氧化酶系統(tǒng)的多樣性

位于電子傳遞途徑的末端，能把電子直接傳遞給分子氧的氧化酶稱為末端氧化酶。根據(jù)末端氧化酶在細(xì)胞內(nèi)的分布，分為線粒體內(nèi)末端氧化酶和線粒體外末端氧化酶兩大類。（一）線粒體內(nèi)末端氧化酶1.細(xì)胞色素氧化酶

這是植物體內(nèi)最主要的末端氧化酶，其作用是將Cyta3中的電子交給O2生成水。它與氧的親和力高，易受CN-、CO、N3-的抑制。2.交替氧化酶

交替氧化酶又稱抗氰氧化酶，它將UQH2的電子交給O2生成H2O。它與氧的親和力高，不受CN-、CO、N3-的抑制。（二）線粒體外末端氧化酶

線粒體外末端氧化體系的特點是催