第四章 植物的呼吸作用 Respiration of Plants

1. 第四章 植物的呼吸作用 Respiration of Plants

2. 植物呼吸作用的概念、类型及生理意义 高等植物呼吸代谢的多样性 呼吸代谢的调节 呼吸作用的度量指标及其影响因素 植物呼吸作用与农业生产的关系

3. 能量是植物体进行生命活动的基础，植物通过呼吸作用将其体内复杂的有机物分解为简单的无机物，同时把贮藏在有机物中的能量释放出来，为植物的生命活动提供所需要的能量。能量是植物体进行生命活动的基础，植物通过呼吸作用将其体内复杂的有机物分解为简单的无机物，同时把贮藏在有机物中的能量释放出来，为植物的生命活动提供所需要的能量。

4. 第一节植物呼吸作用的概念、类型及生理意义Concepts,Types and Physiological Roles of Plant Respiration 一、呼吸作用的概念及类型（Concepts and Types of Respiration） 呼吸作用是指生活细胞在酶的催化下，将有机物逐步地氧化分解，并释放能量的过程。 被氧化分解的有机物主要是碳水化合物，称为呼吸底物。呼吸作用根据是否有氧的参与可以分为有氧呼吸和无氧呼吸两大类型。

5. （一）有氧呼吸 有氧呼吸是指生活细胞在有氧条件下，将某些有机物彻底地氧化分解，生成二氧化碳和水，同时释放能量的过程。 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量 （二）无氧呼吸 无氧呼吸是指生活细胞在无氧条件下，将某些有机物分解为不彻底的氧化产物（如酒精、乳酸等），同时释放能量的过程。其特点是不需要氧气和底物氧化不彻底，因而释放能量较少。 酒精发酵: C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 +能量 （△G°′= -226 kJ·mol-1） 酶

6. 乳酸发酵： C6H12O6 2CH3CHOHCOOH +能量 △G°′= -197 kJ·mol-1 酶 在高等植物中称为无氧呼吸，在微生物中称为发酵。高等植物通常是以有氧呼吸为主，但在特定的条件下，如暂时缺氧也可进行无氧呼吸。 二、呼吸作用的生理意义（Physiological Roles of Respiration） 1.为植物生命活动提供所需的大部分能量 • 呼吸氧化有机物，将其中的化学能以ATP形式贮存起来。当ATP分解时，释放能量以满足各种生理过程的需要（图4-1）。

7. 图4-1 呼吸作用主要功能示意图

8. 呼吸放热可提高植物体温，有利种子萌发、开花、传粉、受精等。呼吸放热可提高植物体温，有利种子萌发、开花、传粉、受精等。 2.为其他有机物合成提供原料 呼吸产生许多中间产物，其中有些十分活跃，是进一步合成其他有机物的物质基础。 3.提高植物抗病、抗伤害的能力 • 呼吸作用氧化分解病原微生物分泌的毒素，以消除其毒害。 • 植物受伤或受到病菌侵染时，通过旺盛的呼吸，促进伤口愈合，加速木质化或栓质化，以减少病菌的侵染。

9. 第二节 高等植物呼吸代谢的多样性 Diversity of Respiratory Metabolism 一、呼吸化学途径的多样性（Diversity of Respiratory Chemical Pathways） 高等植物体内存在着多条呼吸代谢的生化途径，这是植物在长期进化过程中所形成的对多变环境的一种适应性。主要有糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径，此外，还有乙醛酸循环途径和乙醇酸氧化途径等（图4-2）。

10. 图4-2 植物体内主要呼吸代谢途径的相互联系

11. （一）糖酵解-三羧酸循环 1.糖酵解 糖酵解(glycolysis)是指己糖在无氧条件下分解成丙酮酸的过程（图4-3）。糖酵解亦称为EMP途径，以纪念在这方面工作贡献较大的三位生物化学家：Embden,Meyerhof和Parnas。 糖酵解是在细胞质中进行的，参与糖酵解各反应的酶都存在于细胞质中。它的化学历程包括己糖的活化、己糖裂解和丙糖氧化3个阶段。

12. 图4-3 糖酵解途径

13. 糖酵解过程中，1分子葡萄糖大约要经过10个步骤逐步氧化最终形成2分子丙酮酸。糖酵解过程中，1分子葡萄糖大约要经过10个步骤逐步氧化最终形成2分子丙酮酸。 糖酵解总反应式是： C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP 在缺氧的情况下，NADH2就去还原乙醛生成乙醇或还原丙酮酸生成乳酸，这就是无氧呼吸或发酵。无氧呼吸的最终产物是酒精、CO2或乳酸及2分子ATP。

14. 糖酵解的生理意义： • 是有氧呼吸与无氧呼吸的共同途径。 • 产物丙酮酸化学性质活跃，参与其它物质代谢。 • 大部分反应可逆，是糖异生的基本途径。 • 提供部分能量，是厌氧生物能量的主要来源。 2.三羧酸循环 糖酵解形成的丙酮酸，在有氧的条件下，先氧化脱羧成乙酰辅酶A再进入一个包括三羧酸和二羧酸的循环，从而逐步氧化分解，直到形成CO2和水，故称这个过程为三羧酸循环（TCA循环）（图4-4）。这个循环是由英国生物化学家Hans Krebs首先发现的，所以又称Krebs循环。整个过程在线粒体中进行。

15. 图4-4 三羧酸循环

16. 三羧酸循环总反应式是： CH3COCOOH+4NAD++FAD+ADP+Pi+2H2O 3CO2+4NADH+4H++FADH2+ATP TCA循环的要点： 1、在TCA循环中底物脱下5对氢原子，4对以NAD+为氢的受体，一对以FAD为氢的受体。 2、每次循环消耗2分子水，生成1分子ATP,3分子CO2。 3、氧虽然不直接参加反应，但只有氧才能使 NAD+和FAD在线粒体中再生。 4、起始底物乙酰CoA不仅是糖代谢的中间产物，也是脂肪、蛋白质和核酸及其他物质的代谢产物。

17. （二）乙醇酸氧化途径 乙醇酸氧化途径是水稻根系中的一种糖酵解途径（图4-5）。水稻根呼吸产生的部分乙酰CoA不进入TCA环，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，并不断形成H2O2,H2O2能氧化各种还原物质是根系免遭毒害，确保根系正常的生理功能。 图4-5 水稻根中乙醇酸途径 ①、②乙醇酸氧化酶 ③黄素氧化酶 ④草酸脱羧酶 ⑤草酸氧化酶 ⑥甲酸脱氢酶 ⑦过氧化氢酶

18. （三）磷酸戊糖途径 20世纪50年代初的研究表明EMP-TCA循环途径并不是高等植物有氧呼吸的唯一途径。1954年Racker,1955年Gunsalus等人发现了磷酸戊糖途径，它是葡萄糖在细胞质内直接氧化脱羧，并以戊糖磷酸为重要中间产物的有氧呼吸途径。因为此途径的起始物是己糖磷酸，所以又称为己糖磷酸支路（简称为HMP途径）（图4-6）。 HMP途径的酶系统和EMP途径的一样，都位于细胞质中，但EMP途径的脱氢辅酶是NAD+，而HMP途径的脱氢辅酶是NADP+。

19. 图4-6 磷酸戊糖途径

20. 磷酸戊糖途径的生理意义： • 产生大量NADPH为体内反应提供还原力。 • 为其它物质代谢提供原料。Ru5P可合成核酸。 • 重组阶段的酶和产物与光合C3途径相同，可相互交流。 • 产生绿原酸、咖啡酸等抗病物质，可增强抗病性。 （四）乙醛酸循环 油料种子萌发时能够将体内脂肪降解为乙酰CoA,再在乙醛酸循环体内通过乙醛酸循环生成琥珀酸、乙醛酸和苹果酸。乙醛酸和苹果酸经苹果酸脱氢酶催化，重新生成草酰乙酸，于是构成一个循环，故称为乙醛酸循环（图4-7)。

21. 图4-7 油料种子萌发时脂肪的代谢途径

22. 乙醛酸循环总反应式是： 2乙酰CoA+NAD+琥珀酸+2CoA+NADH+H+ 乙醛酸循环的特点及生理学意义： • 乙醛酸循环和三羧酸循环中存在某些相同的酶类和中间产物。乙醛酸循环在乙醛酸循环体内进行，是脂肪转化成糖的过程，糖的形成依赖于线粒体、乙醛酸体和细胞质的协同作用。 • 乙醛酸循环是油料种子所特有的一种呼吸代谢途径。动物细胞中不存在乙醛酸循环。乙醛酸循环只存在于一些细菌、藻类和油料种子的乙醛酸体中。

23. 二、呼吸链电子传递系统的多样性（Diversity of Electron Transport Systems in Respiratory Chain） 糖酵解和三羧酸循环、戊糖磷酸途径中脱氢生成的NADH、FADH2和NADPH，它们中的氢不能直接与氧分子结合，需经过呼吸链传递后，才能与氧结合。这种在生物体内进行的氧化作用，是在由载体组成的电子传递系统中进行的。当电子传递与ADP的磷酸化过程相偶联时，即发生氧化磷酸化，生成ATP。呼吸链电子传递系统也具有多样性，即电子传递具有多条途径，这是植物长期适应多变环境的结果。

24. （一）呼吸链概念及其组成 呼吸链又称为电子传递链，呼吸作用的中间产物氧化脱下的氢（电子和质子），沿着一系列呼吸传递体传给氧而生成水，这一系列传递体称呼吸链。 组成呼吸链的传递体分为两大类：电子传递体和质子传递体。电子传递体包括细胞色素体系和某些黄素蛋白、铁硫蛋白，它们只传递电子；质子传递体包括一些脱氢酶的辅助因子，主要有NAD+、FMN、FAD、泛醌（UQ或Q）等，它们既传递质子又传递电子。除了UQ和细胞色素c（Cytc）外，组成呼吸链的有4种酶复合体，另外还有一种ATP合酶复合体，它们嵌在线粒体内膜上（图4-8）。

25. 图4-8 植物线粒体内膜上的复合体及其电子传递

26. 植物线粒体的电子传递链位于线粒体的内膜上，有4种蛋白复合体组成。植物线粒体的电子传递链位于线粒体的内膜上，有4种蛋白复合体组成。 复合体Ⅰ：含有NADH脱氢酶，FMN,3个Fe-S蛋白 NADH 泛醌(UQ或Q) 复合体Ⅱ：琥珀酸脱氢酶（FAD, Fe-S蛋白) FADH2 UQ 复合体Ⅲ：含有2个Cytb(b560和b565)，Cytc 和Fe-S。把还原泛醌的电子经Cytb Cytc 复合体Ⅳ：含有细胞色素氧化酶复合物， Cyta,Cyta3。把Cytc的电子传给O2，形成水。 Cyta3 O2 e e

27. （二）生物氧化 细胞将有机物（糖、脂、蛋白质等）氧化分解，最终生成CO2、H2O和放出能量的过程，称为生物氧化。生物氧化过程中释放的能量，一部分转化成热能而散失，其余则与生物氧化相伴随而发生磷酸化作用，促使ADP转化成ATP，称为氧化磷酸化作用。生物氧化合成ATP的方式有两种：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底物脱氢(或脱水）,其分子内部所含的能量重新分布，即可生成某些高能中间代谢物，再通过酶促磷酸基团转移反应直接偶联ATP的生成。

28. 在高等植物中以这种形式形成的ATP只占一小部分。在高等植物中以这种形式形成的ATP只占一小部分。 • 甘油醛-3-磷酸被氧化脱氢，生成一个高能硫酯键，再转化为高能磷酸键，其磷酸基团再转移到ADP上，形成ATP。 • 2-磷酸甘油酸通过烯醇酶的作用，脱水生成高能中间化合物(PEP)，经激酶催化转移磷酸基团到ADP上，生成ATP。 • 在TCA循环中，由琥珀酰CoA形成琥珀酸时通过底物水平磷酸化生成ATP。 2.氧化磷酸化 氧化磷酸化是指电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给分子氧生成水,并偶联ADP和Pi生成ATP的过程（图4-9）。

29. 图4-9 高等植物呼吸链

30. 关于氧化和磷酸化如何偶联的机理，目前被人们普遍接受的是Mitchell（米切尔）提出的化学渗透假说。关于氧化和磷酸化如何偶联的机理，目前被人们普遍接受的是Mitchell（米切尔）提出的化学渗透假说。 • 呼吸链上的递氢体与电子传递体在线粒体内膜上有特定的位置，彼此间隔排列，质子和电子定向传递。 • 递氢体有质子泵的作用，当递氢体从线粒体内膜内侧接受从底物传来的氢（2H）后，可将其中的电子（2e）传给其后的电子传递体，而将两个H+泵出内膜。使内膜外侧的H+ 浓度高于内侧，造成跨膜的质子浓度梯度和外正内负的膜电势差，二者构成跨膜的H+电化学梯度，即形成跨膜的质子动力。

31. 质子动力使H+流沿着ATP合酶的H+通道进入线粒体基质时，在ATP合酶的作用下推动ADP 和Pi合成ATP（图4-10）。 图4-10 氧化磷酸化作用机理示意

32. P/O比值指每消耗1摩尔的氧原子所用去的磷酸摩尔数。P/O比是线粒休氧化磷酸化活力功能的重要指标，代表呼吸效率。P/O比高，呼吸效率高。P/O比值指每消耗1摩尔的氧原子所用去的磷酸摩尔数。P/O比是线粒休氧化磷酸化活力功能的重要指标，代表呼吸效率。P/O比高，呼吸效率高。 NADH：P/O=3 FADH2：P/O=2 NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2 NAD++3ATP+4H2O 琥珀酸+2ADP+2Pi+1/2O2 延胡索酸+2ATP+3H2O

33. （三）抗氰呼吸 1.抗氰呼吸的概念 在氰化物存在下，某些植物呼吸不受抑制，这种呼吸途径称为抗氰呼吸。抗氰呼吸可以在某些条件下与电子传递主路交替运行，因此，抗氰呼吸又称交替途径。 NADH FMN UQ Cytb Cytc1 Cytc Cytaa3 O2 交替氧化酶 该途径可被鱼藤酮抑制，不被抗霉素A和氰化物抑制，水杨基肟酸是此途径专一抑制剂。其P/O比为1或低于1。

34. 2.植物抗氰呼吸的生理意义 • 放热增温，促进植物开花、种子萌发 。 • 增加乙烯生成，促进果实成熟，促进衰老。 • 代谢的协同调控。 • 增强抗逆性。 （四）呼吸链电子传递的多条途径 高等植物电子传递途径有多条路线（图4-11）。现已知至少有5条，它们各自具有不同的性质。 • 电子传递主路：电子传递主路即细胞色素系统途径。P/O比≤3。 • 交替途径（抗氰呼吸链）：对氰化物不敏感，在氰化物存在时，仍能进行呼吸。P/O比=1。

35. 图4-11 植物呼吸链不同电子传递途径示意图 • 电子传递支路Ⅰ：脱氢酶辅基是一种黄素蛋白（FP2）。P/O比≤2。 • 电子传递支路Ⅱ：脱氢酶辅基是另一种黄素蛋白（FP3），其P/O比=2。 • 电子传递支路Ⅲ：脱氢酶辅基是另一种黄素蛋白（FP4），其P/O比=1。

36. 三、末端氧化酶系统的多样性（Diversity of Terminal Oxidase Systems） 位于电子传递途径的末端，能把电子直接传递给分子氧的氧化酶称为末端氧化酶。根据末端氧化酶在细胞内的分布，分为线粒体内末端氧化酶和线粒体外末端氧化酶两大类。 （一）线粒体内末端氧化酶 1.细胞色素氧化酶 这是植物体内最主要的末端氧化酶，其作用是将Cyta3中的电子交给O2生成水。它与氧的亲和力高，易受CN-、CO、N3-的抑制。

37. 2.交替氧化酶 交替氧化酶又称抗氰氧化酶，它将UQH2的电子交给O2生成H2O。它与氧的亲和力高，不受CN-、CO、N3-的抑制。 （二）线粒体外末端氧化酶 线粒体外末端氧化体系的特点是催化某些特殊底物的氧化还原反应，一般不能产生可利用的能量。 1.酚氧化酶 酚氧化酶分为单酚氧化酶和多酚氧化酶，它是一种含铜的氧化酶，存在于质体、微体中。它催化分子氧对多种酚类的氧化，生成棕褐色的醌。醌能杀害多种微生物，防止伤口感染，提高抗病力。

38. 2.抗坏血酸氧化酶 抗坏血酸氧化酶催化分子氧将抗坏血酸氧化生成脱氢抗坏血酸。它是一种含铜的氧化酶，存在于细胞质中或与细胞壁结合。它可通过谷胱甘肽而与某些脱氢酶相偶联，扩大末端氧化酶的作用（图4-12、13）。 图4-12 抗坏血酸氧化酶体系与其它氧化还原体系相偶联

39. 3.乙醇酸氧化酶 乙醇酸氧化酶催化乙醇酸氧化为乙醛酸并产生H2O2。它催化反应可与某些底物的氧化相偶联，如植物的光呼吸就是由乙醛酸还原酶、乙醇酸氧化酶和过氧化氢酶所组成的氧化还原酶体系完成的。 植物多条呼吸作用的电子传递途径概括于图4-13。植物呼吸代谢的多样性，是植物长期进化过程中不断适应环境的表现。在不同的环境条件和发育状况下植物呼吸代谢的多条途径和类型也会由于内外因素的影响而发生改变。

40. 图4-13 植物呼吸作用的电子传递途径概括

41. 第三节 呼吸代谢的调节 Regulation of Respiratory Metabolism 植物呼吸代谢的多条途径都具有自动调节和控制能力，其调节机理主要是反馈调节，即反应体系中某些中间产物或终产物对其前面某一步酶促反应速度的影响。能加速反应的物质称为正效应物；反之，称为负效应物。植物呼吸代谢的反馈调节主要是效应物对酶的调控，包括酶的形成（基因的表达）和酶的活性的调控，本节主要介绍酶活性调节方面的内容。 一、巴斯德效应和糖酵解的调节（Pasteur Effect and Glycolysis Regulation）

42. 法国生物学家巴斯德Pasteur（1860）在酵母发酵时发现，低氧浓度有利于发酵，高氧浓度抑制发酵。如果氧浓度逐渐升高，发酵产物积累则逐渐减少，说明糖酵解速率下降。这种氧抑制乙醇发酵的现象，称为“巴斯德效应”。法国生物学家巴斯德Pasteur（1860）在酵母发酵时发现，低氧浓度有利于发酵，高氧浓度抑制发酵。如果氧浓度逐渐升高，发酵产物积累则逐渐减少，说明糖酵解速率下降。这种氧抑制乙醇发酵的现象，称为“巴斯德效应”。 关于巴斯德效应产生的原因： • 氧对细胞内ATP/ADP的调节效应。 • 糖酵解途径中有两个调节酶，即果糖-6-磷酸激酶和丙酮酸激酶。这两个调节酶来调节糖酵解的速度（图4-14）。所谓的调节酶就是指其活性的大小能受一种小分子调节的酶。

43. 图4-14 糖酵解的调节

44. 二、TCA循环的调节（TCA Cycle Regulation） TCA循环的调节是多方面的。调节TCA循环主要有3个部位：柠檬酸合成酶催化反应的部位、异柠檬酸脱氢酶催化反应的部位和a-酮戊二酸脱氢酶催化反应部位（图4-15）。 图4-15 三羧酸循环中的调节部位和效应物的图解

45. NADH抑制丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、苹果酸酶活性。NADH抑制丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、苹果酸酶活性。 • ATP抑制柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶活性。 • 乙酰CoA促进苹果酸酶活性。 • 产物（如a-酮戊二酸、乙酰CoA、琥珀酰CoA和草酰乙酸）浓度高也会抑制各自有关酶的活性。 三、PPP的调节（PPP Regulation） PPP主要受NADPH/NADP+比值的调节。比值高时，抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性，使6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸葡萄糖酸的速率下降；也抑制6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶活性，使6-磷酸葡萄糖酸转变为5-磷酸核酮糖的速率下降。所以NADPH过多会对PPP起反馈抑制。

46. 第四节 呼吸作用的度量指标及其影响因素 Measurement and Affecting Factors of Respiration 一、呼吸作用度量指标（Measurement of Respiration） （一）呼吸速率 单位时间单位重量的植物组织进行呼吸所释放CO2或吸收O2的数量（又称呼吸强度）。 单位依具体情况而定，如吸收氧气：O2微升/克鲜重(干重)/h。 （二）呼吸商

47. 植物组织在一定时间内，放出二氧化碳的量与吸收氧气的量的比值叫做呼吸商（RQ），又称呼吸系数。植物组织在一定时间内，放出二氧化碳的量与吸收氧气的量的比值叫做呼吸商（RQ），又称呼吸系数。 RQ=放出的CO2量/吸收的O2量 呼吸底物种类不同，呼吸商也不同。 • 以葡萄糖作为呼吸底物，且完全氧化时，呼吸商是1。 • 以脂肪或蛋白质为呼吸底物，氧化过程中脱下的氢相对较多(H/O比大)，形成H2O时消耗的O2多，呼吸商小于1，如以棕榈酸作为呼吸底物，呼吸商为0.7。 • 以有机酸等含氧较多的有机物作为呼吸底物,呼吸商则大于1，如柠檬酸的呼吸商为1.33。

48. 二、内部因素对呼吸速率的影响（Internal Factors Affecting Respiratory Rate） • 不同的植物种类具有不同的呼吸速率（表4-1）。一般而言，凡是生长快的植物呼吸速率就快，生长慢的植物呼吸速率就慢。 表4-1 不同种类植物的呼吸速率（以鲜重计算） 植物种类 呼吸速率 （μL·g-1·h-1） 仙人鞭 3.00 蚕豆 96.60 小麦 251.00 细菌 10 000.00

49. 同一植物的不同器官或组织具有不同的呼吸速率（表4-2）。同一植物的不同器官或组织具有不同的呼吸速率（表4-2）。 表4-2 不同种类植物器官的呼吸速率 植物 器官 呼吸速率 （μL·g-1·h-1） 胡萝卜 根 25 叶 440 苹果 果肉 30 果皮 95 大麦 种子(浸泡15h) 胚 715 胚乳 76

50. 同一器官的不同生长过程呼吸亦有极大变化。 三、外界条件对呼吸速率的影响（External Factors Affecting Respiratory Rate） 影响呼吸速率的外部因素主要有温度、水分、氧气、二氧化碳及机械损伤五个方面。 （一）温度 温度对呼吸作用的影响主要在于温度对呼吸酶活性的影响。在一定范围内，呼吸速率随温度的增高而增高，达到最高值后，继续增高温度，呼吸速率反而下降（图4-16）。呼吸作用有温度三基点，即最低、最适、最高点。所谓最适温度是保持稳态的最高呼吸速率的温度，一般温带植物呼吸速率的最适温度为25～30℃。