植物生理学―植物呼吸作用

第五章植物的呼吸作用•§1呼吸作用的概念和意义•§2植物的呼吸代谢途径•§3生物氧化•§4呼吸作用的调节和控制•§5影响呼吸作用的因素•§6呼吸作用与农业生产植物代谢中心•呼吸作用和光合作用共同组成了绿色植物代谢核心。•植物通过光合作用捕获太阳能，合成有机物，而通过呼吸作用将有机物氧化分解，释放能量用于生命活动，它的中间产物在植物体各种主要物质转变中起枢纽作用，所以呼吸作用是植物代谢中心。§1呼吸作用的概念和意义一.呼吸作用的概念respiration•生活细胞在一系列酶的催化下，降解有机物并释放能量的过程。特点：生活细胞酶促反应•呼吸作用是一切生活细胞所共有的生命活动，一般来说，生命活动越旺盛，呼吸越强，呼吸停止就意味着死亡。呼吸作用的分类呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸两大类型。1.有氧呼吸：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和H2O，同时释放出能量的过程。•一般说来，葡萄糖是植物细胞呼吸最常利用的底物，释放的能量多，方程式如下：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2870kJ/mol2.无氧呼吸：在无氧条件下，生活细胞把有机物分解为不彻底氧化物，释放出少量能量的过程。C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+226kJ/molC6H12O6→2CH3CHOHCOOH+197kJ/mol高等植物主要进行有氧呼吸，在暂时缺氧条件下进行无氧呼吸弥补能量的不足。二、呼吸作用的生理意义呼吸作用有很重要的生理意义：1.呼吸作用提供植物生命活动所需要的大部分能量；ATP分解释放能量,供植物营养吸收及生长等活动2.呼吸过程为其它化合物合成提供原料；产生进一步合成其它物质的原料.如丙酮酸,α-酮戊二酸——氨基酸原料乙酰辅酶A——脂肪酸3.呼吸作用在植物抗病免疫方面也有重要意义。伤呼吸三、呼吸指标及其测定（一）呼吸作用指标1.呼吸速率（呼吸强度）植物的单位鲜重、干重或原生质（以含氮量），在一定时间内所放出的CO2或吸收O2的量（以气体重量或容积表示）。•μlO2（或μlCO2）•g-1（FW或DW）•h-1•mgO2（或mgCO2）•g-1（FW或DW）•h-1植物呼吸速率常随植物种类、器官、组织不同而有很大差异，应根据情况选择适宜单位。2.呼吸商（R.Q）呼吸系数的摩尔数吸收的摩尔数放出22OCORQ呼吸商是表示呼吸底物的性质和氧气供应状态的一种指标。指植物组织在一定时间内，呼吸作用放出CO2与吸收O2的摩尔数的比率。呼吸底物与呼吸商•当呼吸底物是碳水化合物并完全氧化时，RQ=1C6H12O6+6O2→6CO2+6H2OR.Q=6molCO2/6molO2=1.0•当呼吸底物是富含氢的物质，如脂肪或蛋白质，RQ＜1C16H32O2+11O2→6C12H22O11+4CO2+5H2OR.Q=4molCO2/11molO2=0.36•当呼吸底物是比碳水化合物含氧高的物质，如有机酸，RQ＞1C4H6O5+3O2→4CO2+3H2OR.Q=4molCO2/3molO2=1.33供氧状况与呼吸商•供氧状况对呼吸商影响很大：在缺氧情况下，虽然是以糖为底物，由于无氧呼吸的存在，氧化不完全，R.Q1。如果在呼吸过程中形成不完全氧化的中间产物（如有机酸），吸收的氧较多地保留在中间产物里，放出CO2相对较少，所以R.Q1。•所以呼吸商不是反映呼吸作用强弱，而是反映呼吸底物性质和氧气供应状况的指标。（二）植物测定方法•基本原理：测定O2的吸收、CO2的释放或有机物的消耗。•常用方法：1.微量定积检压技术（瓦氏呼吸计法）2.氧电极法3.根据呼吸作用中释放CO2的量测定（1）小筐子法（2）干燥器法4.红外线CO2分析仪§2植物的呼吸代谢途径•高等植物的呼吸是在线粒体和细胞质基质中完成•线粒体是一些大小不一的球状、棒状或细丝状颗粒，一般直径0.5～1μm，长度1～2μm。一个细胞中约有500～1000个，但衰老或休眠细胞中较少，缺氧的细胞可能无线粒体。一、线粒体结构•线粒体由双层膜包裹，外膜平滑，内膜向内褶皱，形成许多搁板状或管状突起称为嵴，线粒体内膜由于嵴的存在，大大增加了表面积。•内膜与外膜之间的空间称为嵴内空间，腔内充满着透明的胶体状态的衬质，衬质的化学成分主要是可溶性蛋白质。内膜以内是衬质，由蛋白质和脂肪组成。二、呼吸代谢途径•植物长期适应环境形成了呼吸代谢途径的多样性。（一）糖酵解（glycolysis）：淀粉、葡萄糖和其它六碳糖经过一系列生物化学反应产生丙酮酸的途径。Embden-Meyerhof-ParnasEMP•反应特点：1.不需要氧气参与；2.最终产物：丙酮酸；3.反应部位：细胞质中进行。•糖酵解专一抑制剂：碘代乙酸、氟化物•糖酵解全过程净产生2个ATP，2个NADH，折合8个ATP。C6H12O6+2Pi+2ADP+2NAD+-------→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH+2H+•无氧条件下丙酮酸脱羧还原成酒精或直接还原成乳酸；•有氧条件下脱羧形成乙酰辅酶A(Ac-CoA)，进入TCAC。可见，EMP是有氧呼吸和无氧呼吸必经的共同途径。（二）三羧酸循环•丙酮酸在有氧条件下，通过一个包括三羧酸和二羧酸的循环逐步氧化分解，直到形成水和CO2为止，故称此过程为三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle,TCAC，又名Krebscycle,柠檬酸循环citricacidcycle）。•TCAC中有三个不可逆过程：1.丙酮酸氧化脱羧形成乙酰辅酶A；2.α－Ket(ketoglutarate)氧化脱羧形成琥珀酰辅酶A；3.苹果酸脱氢形成OAA。专一抑制剂：琥珀酸的竞争性底物丙二酸和丁二酸。•TCAC在线粒体基质中进行•TCAC循环分为两个阶段：第一阶段：氧化脱羧形成乙酰CoA；第二阶段有三步反应：柠檬酸氧化脱羧；α-酮戊二酸氧化脱羧；琥珀酸和苹果酸脱氢。pyruvatetranslocaseTCAC的生物学意义1.生命活动中的主要供能过程：1个乙酰辅酶A净产生1个GTP（相当于1个ATP），4个NADH和1个FADH，经氧化电子传递和氧化磷酸化共产生合计15个ATP，两轮30个ATP；2CH3COCOOH+8NAD++2FAD+2ADP+2Pi+4H2O→6CO2+2ATP+8NADH+8H++2FADH22.EMP-TCAC是生物体内各种有机物质相互转变的枢纽。一分子葡萄糖降解产能（三）戊糖磷酸途径（PPP）又称为己糖磷酸途径（HMP）•PPP和EMP一样在细胞质中进行。•在有氧条件下，大多数植物细胞内葡萄糖的氧化是通过糖酵解分解为两分子丙酮酸，然后再经TCAC进行有氧分解；但是，在一些植物中，或同一植物处于不同的生理状态下，可通过PPP进行有氧呼吸。磷酸戊糖途径反应阶段•PPP可分为两个阶段：第一个阶段是葡萄糖氧化阶段：G-6-P脱氢形成葡萄糖酸-6-P，再氧化脱羧放出CO2生成Ru5P；G-6-P+H2O+NADP+——→葡萄糖酸-6-P+NADPH+H+葡萄糖酸-6-P+NADP+—→Ru5P+CO2+NADPH+H+•第二个阶段是糖的非氧化重新排列组合阶段：Ru5P经一系列中间代谢，进行转化，其中间产物有C3、C4、C5、C7糖，最终产物有三分子CO2，一分子GAP和二分子G-6-P。•PPP产物G-6-P可以重新进入氧化脱羧，直至葡萄糖完全氧化为止，其总反应为G-6-P+12NADP+→6CO2+12NADPH+12H++H3PO4•PPP和EMP-TCAC相比，其重要区别是氢受体不同，EMP-TCAC是NAD+，PPP是NADP+，并在反应第一阶段产生。PPP途径的特点PPP的生理意义①.PPP产生大量NADPH为生物合成脂肪酸、固醇等物质提供还原力②.PPP产生的大量中间产物为其它物质代谢提供了充足原料：Ru5P可以进入光合碳循环与核酸代谢；③.抗病免疫中有特殊作用：E-4-P+PEP→莽草酸→酚类、木质素、生长素一般病原微生物入侵时PPP增强。有关供能问题，一般植物细胞不依靠PPP提供能量。GAP呼吸代谢和其他代谢反应中间产物之间的关系§3生物氧化•生物氧化：是指有机物在生物体内的氧化还原过程，包括消耗O2，生成CO2和H2O，释放能量的过程。•它不同于高温或酸、碱性环境下短时间内完成，并骤然放出大量的纯化学氧化，而是发生在活细胞内，在正常体温和水环境中逐步放出能量的氧化过程。一、呼吸电子传递链和氧化磷酸化（一）呼吸电子传递链：呼吸代谢中间产物的电子和质子，沿着一系列有顺序的（按照氧化还原电位高低排列）的传递体（包括氢传递体和电子传递体）组成的电子传递途径传递给分子氧的总轨道，又称为电子传递链或呼吸链。呼吸链中的呼吸传递体氢传递体：传递氢（包括H+和e，可写为2H++2e）作为脱氢酶的辅酶或辅基NAD+，辅酶Ⅰ（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）NADP+，辅酶Ⅱ（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）FMN黄素单核苷酸（flavinmononucleotide）FAD黄素腺嘌呤二核苷酸(flavinadeninedinucleotide)UQ泛醌（ubiquinone）辅酶Q（UQ或CoQ）电子传递体：在呼吸链中指细胞色素体系和Fe-S蛋白，只传递电子。细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白，可分为Cyta、Cytb、Cytc三类。呼吸链上电子传递体的排列顺序•各复合体之间及内在的传递体之间，电子传递的顺序仍按氧化还原电位梯度进行，并取决于二者之间的结构特异性，呈不对称地分布于线粒体内膜的不同位置。在每一复合体内，都有贮备足量的供电子或受电子的能力，在某种程度上，可对氧化还原起缓冲作用。电子传递复合体及其抑制剂ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP（二）氧化磷酸化1.呼吸底物氧化分解脱出的电子，经呼吸链传递给O2时，伴随着一连串氧化还原反应，其结果是NADH被氧化为NAD+，释放出的能量用于ATP的合成：ADT+Pi+能量ATP呼吸链上氧化作用释放的能量与ADP的磷酸化作用偶联形成ATP的过程称为氧化磷酸化，也称氧化磷酸化偶联反应。因此氧化磷酸化特指呼吸链上的磷酸化作用，有别于底物水平的磷酸化。氧化磷酸化过程中的能量来源呼吸链中:NADHO22eE’0=-0.32E’0=+0.82差值1.14V自由能改变52千卡~P约为10千卡，可合成5分子ATP，而实际只合成了3分子ATP，其余以热的形式释放.电子传递中自由能降低及三个磷酸化部位呼吸链与氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化活力功能指标•氧化磷酸化的大小常用P/O比值来表示，P/O比是线粒体氧化磷酸化活力功能的重要指标，指每消耗一个氧原子有几个ADP转化为ATP。•从NADH开始氧化生成H2O，形成3个ATP，P/O=3•从FAD开始氧化生成H2O，形成2个ATP，P/O=2呼吸链与氧化磷酸化的关系•氧化磷酸化是氧化——电子传递和磷酸化的偶联反应，磷酸化作用所需的能量由氧化作用供给，氧化作用所形成的能量要通过磷酸化作用贮存，二者相互联系，相互依赖，如果破坏一方或二者之间的偶联，氧化磷酸化作用就受到阻碍，甚至严重影响生存。氧化磷酸化抑制剂•氧化磷酸化抑制剂分两类：（1）电子传递抑制剂：如果将电子传递链打断，磷酸化作用因得不到氧化作用释放出的能量，氧化磷酸化无法进行；（2）解偶联剂：不影响电子传递，只使基质氧化与磷酸化解偶联，中断能量传递；常用解偶联剂为2,4-二硝基苯酚（简写为DNP）。底物磷酸化不受DNP影响。DNP可携带H+跨膜运输，破坏电子传递造成的质子电动势，阻碍ATP合成。干旱、寒冷或缺钾等也会破坏磷酸化，不能形成高能磷酸键，可是氧化作用仍能进行，能量未用于形成ATP而以热的形式散出，成为“无效呼吸”。二、植物的其它呼吸代谢途径•呼吸电子传递途径除了电子传递细胞色素系统主路之外，还存在不同的电子传递支路不同电子传递途径的性质比较途径定位NADH来源NADH脱氢酶鱼藤酮抑制抗霉素抑制CN－抑制P/OA主路内膜内源FMN敏感敏感敏感3或2B支路1内膜内侧内源FP2不敏感敏感敏感2或2C支路2内膜外测外源F