植物生理学-呼吸作用.ppt

第四章 植物的呼吸作用,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,第一节 植物呼吸作用的概念、类型 及生理意义,一、呼吸作用的概念及类型,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。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。,（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+6O26CO2+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。,酒精发酵:C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量（G=-226 kJmol-1）,酶,乳酸发酵：C6H12O6 2CH3CHOHCOOH+能量 G=-197 kJmol-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,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）。,呼吸放热可提高植物体温，有利种子萌发、开花、传粉、受精等。,图4-1 呼吸作用主要功能示意图,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。,第二节 高等植物呼吸代谢的多样性,一、呼吸化学途径的多样性,主要有糖酵解-三羧酸循环、乙醛酸氧化途径和磷酸戊糖途径，此外，还有乙醛酸循环途径和乙醇酸氧化途径等（图4-2）。,图4-2 植物体内主要呼吸代谢途径的相互联系,（一）糖酵解-三羧酸循环,1.糖酵解,糖酵解是指己糖在无氧条件下分解成丙酮酸的过程（图4-3）。,糖酵解是在细胞质中进行的。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。,图4-3 糖酵解途径,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,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。提供部分能量，是厌氧生物能量的主要来源。,糖酵解的生理意义：,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。,图4-4 三羧酸循环,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。,（二）乙醇酸氧化途径,图4-5 水稻根中乙醇酸途径、乙醇酸氧化酶 黄素氧化酶 草酸脱羧酶 草酸氧化酶 甲酸脱氢酶 过氧化氢酶,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。,（三）磷酸戊糖途径,1954年Racker，1955年Gunsalus等人发现了磷酸戊糖途径（PPP），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+。,图4-6 磷酸戊糖途径,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。,（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。,二、呼吸链电子传递系统的多样性,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。,呼吸链的传递体分为两大类：电子传递体和质子传递体。,复合体：含有NADH脱氢酶，FMN,4个Fe-S蛋白 复合体：琥珀酸脱氢酶（FAD,Fe-S蛋白)复合体：含有2个Cytb(b560和b565)，Cytc 和Fe-S。复合体：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。复合体：又称 ATP合成酶或称H+-ATP酶复合体,（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。,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。,2.氧化磷酸化,（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。,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。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。,电子传递支路：脱氢酶辅基是一种黄素蛋白（FP2）。P/O比2。电子传递支路：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：脱氢酶辅基是另一种黄素蛋白（FP4），其P/O比=1。,三、末端氧化酶系统的多样性,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。,（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。,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,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。,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）。,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。,第三节 呼吸代谢的调节,一、巴斯德效应和糖酵解的调节,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4-15）。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。,二、TCA循环的调节,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4-16）。,图4-16 三羧酸循环中的调节部位和效应物的图解,琥,珀,酸,-,酮,戊,二,酸,柠,檬,酸,异,柠,檬,酸,苹,果,酸,丙,酮,酸,乙,酰,C,o,A,琥,珀,酰,C,o,A,草,酰,乙,酸,N,A,D,H,乙,酰,C,o,A,N,A,D,H,A,M,P,琥,珀,酰,C,o,A,N,A,D,H,A,T,P,草,酰,乙,酸,C,o,A,N,A,D,H,A,T,P,琥,珀,酰,C,o,A,三、PPP的调节,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。,第四节 呼吸作用的度量指标及其影响因素,一、呼吸作用度量指标,（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,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。,二、内部因素对呼吸速率的影响,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）,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,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,（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4-17）。,图4-17 温度对豌豆幼苗呼吸速率的影响（预先在25培养4d的豌豆幼苗相对呼吸速率为10，再放到不同温度下，3h后测定呼吸速率的变化）,由于呼吸作用的最适温度总是比光合作用的最适温度高，因此，当温度过高和光线不足时，呼吸作用强，光合作用弱，就会影响植物生长。,温度每增高10，呼吸速率增长的倍数称为温度系数（Q10）。它表示呼吸作用增长速度的。在035生理温度范围内，植物呼吸作用的温度系数为22.5。,（二）氧气,氧是进行有氧呼吸的必要条件，当氧浓度下降到20%以下时，植物呼吸速率便开始下降；氧浓度低于10%时，无氧呼吸出现并逐步增强，有氧呼吸迅速下降（图4-18）。,图4-18 苹果在不同氧分压下的气体交换,（三）二氧化碳,二氧化碳是呼吸作用的最终产物，当外界环境中二氧化碳浓度增高时，脱羧反应减慢，呼吸作用受到抑制。实验证明，二氧化碳浓度高于10%时，有明显抑制呼吸作用的效应。,（四）水分,植物组织的含水量与呼吸作用有密切的关系。在一定范围内，呼吸速随组织含水量的增加而升高。干燥种子的呼吸作用很微弱,当种子吸水后，呼吸速率迅速增加。因此，种子含水量是制约种子呼吸作用强弱的重要因素。,（五）机械损伤,机械损伤会显著加快植物组织的呼吸速率。目前认为，组织受伤后呼吸速率升高的原因可能有三个：,破坏了细胞中酚氧化酶与其底物在结构上间隔，促使酚类化合物迅速地被氧化。,细胞破坏后，底物与呼吸酶接近，于是正常的糖酵解和氧化分解代谢加强。,机械损伤使某些细胞转变为分生组织，呼吸速度升高，称为伤呼吸。通过细胞分裂促进伤区形成愈伤组织。,第五节 植物呼吸作用与农业生产的关系,一、呼吸效率的概念,呼吸效率是指每消耗1g葡萄糖可合成生物大分子物质的克数。,根据植物的生长状况来分，植物的呼吸可分为生长呼吸和维持呼吸两大类。生长呼吸是指植物用于生物大分子的合成、离子吸收、细胞分裂和生长等；维持呼吸是指用于维持细胞的活性。,二、呼吸作用与作物栽培,在农业生产上的许多栽培管理措施都是直接或间接地保证作物呼吸作用的正常进行。例如水稻浸种催芽时，用温水淋种和时常翻堆，目的是控制温度和通气，保证呼吸的顺利进行。,三、呼吸作用与粮食贮藏,干燥种子的呼吸作用与粮食贮藏有密切关系。含水量很低的风干种子呼吸速率微弱。,（二）呼吸作用与果蔬贮藏,当果实成熟到一定时期，其呼吸速率突然增高，然后又迅速下降的现象称之为呼吸跃变现象。按成熟过程中是否出现呼吸跃变现象可将果实分两类：一类是呼吸跃变型，如苹果、梨、香蕉、番茄等；另一类是非呼吸跃变型，如柑橘、葡萄、菠萝等（图4-20）。,4-20,1、高等植物呼吸作用有哪两种类型?其生理意义是什么？2、为什么说长时间的无氧呼吸会使陆生植物受伤，甚至死亡？3、EMP途径产生的丙酮酸可能进入那些反应途径？4、确定呼吸作用的最适温度是应注意什么?为什么？5、呼吸作用与谷物种子储藏的关系如何？,作 业,Thanks!,