植物生理第四章-呼吸作用.ppt
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1、第三章 植物的呼吸作用,3.1 呼吸作用的概念及生理意义3.2 呼吸代谢的多样性*3.3 呼吸作用的指标及影响因素3.4 呼吸作用与农业生产*,返回总目录,3.1 呼吸作用的概念及生理意义,绿色植物代谢的特点3.1.1 呼吸作用的概念及类型3.1.2 呼吸作用的生理意义,绿色植物代谢的特点:,代谢(metabolism)是指维持生命活动过程中各种化学变化的总称。从性质上分:物质代谢和能量代谢;从方向上分:同化(或合成)和异化(或分解)。绿色植物代谢的一个最大特点是其自养性(autotropism),能进行光合作用,这是植物代谢生理研究的一个重点领域。,3.1.1 呼吸作用的概念及类型,呼吸作用
2、(respiration)是指生活细胞内的有机物,在酶的参与下,逐步氧化分解成简单物质,并释放能量的过程。依据呼吸过程中是否有氧参与,可将呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两大类型。,3.1.1.1 有氧呼吸 有氧呼吸(aerobic respiration)是指生活细胞利用氧(O2),将某些有机物质彻底氧化分解,生成CO2和H2O,并释放能量的过程。,如以葡萄糖作为呼吸底物,则有氧呼吸的总过程可用下列总反应式来表示:C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+G G=-2870KJmol-1 G 表示在pH=7下标准自由能的变化。,有氧呼吸的特点:,1底物分解完全(逐步被分解);2.
3、释放能量多。在正常情况下,有氧呼吸是高等植物进行呼吸的主要形式。,3.1.1.2 无氧呼吸 无氧呼吸(anaerobic respiration)指生活细胞在无氧条件下,把某些有机物分解成为不彻底的氧化产物,同时释放出部分能量的过程。,微生物中称为发酵(fermentation)酒精发酵(酵母菌):C6H12O62 C2H5OH+2CO2+G o G o=-226KJmol-1 乳酸发酵(乳酸菌):C6H12O62CH3CHOHCOOH+G o G o=-197KJmol-1,无氧呼吸的特点:1.底物分解不彻底;2.释放的能量少。,有氧呼吸是由无氧呼吸进化而来的。苹果、香蕉贮藏久了产生的酒味,
4、便是酒精发酵的结果;胡萝卜、甜菜块根和青贮饲料在储藏时也会产生乳酸等。动物组织中也会进行乳酸发酵。,3.1.2 呼吸作用的生理意义 1.为生命活动提供能量,需呼吸作用提供能量的生理过程有:离子的主动吸收和运输、细胞的分裂和伸长、有机物的合成和运输、种子萌发等。不需要呼吸直接提供能量的生理过程有:干种子的吸胀吸水、离子的被动吸收、蒸腾作用、光反应等;,2.为重要有机物质提供合成原料。,呼吸作用是有机物质代谢的中心,3.为代谢活动提供还原力。在呼吸底物降解过程中形成的NADH、NADPH、UQH2等可为脂肪、蛋白质生物合成、硝酸盐还原等生理过程提供还原力;,4.增强植物抗病免疫能力。植物受病菌侵染
5、时,侵染部位呼吸速率急剧升高,以通过生物氧化分解有毒物质;受伤时,也通过旺盛的呼吸,促进伤口愈合,使伤口迅速木质化或栓质化,以阻止病菌的侵染。呼吸作用的加强还可促进具有杀菌作用的绿原酸、咖啡酸的合成。,3.2 呼吸代谢的多样性*,概述3.2.1 化学途径的多样性3.2.2 电子传递途径的多样性3.2.3 末端氧化系统的多样性3.2.4 呼吸代谢多样性的生理意义,呼吸代谢多样性概述:植物呼吸代谢具有多种途径,不同植物、同一植物的不同器官或组织在不同生育时期或不同环境条件下,底物的氧化降解可走不同的途径。,呼吸代谢多条路线观点(汤佩松,1965):阐述了呼吸代谢与其他生理功能之间控制和被控制的相互
6、制约的关系。,基因通过酶控制的代谢,调控植物的形态结构和生理功能;在一定限度内,代谢类型、生理功能和环境条件也调控基因的表达,3.2.1 化学途径的多样性,3.2.1.1 糖酵解3.2.1.2 无氧呼吸 3.2.1.3 三羧酸循环 3.2.1.4 戊糖磷酸途径 3.2.1.5 乙醛酸循环 3.2.1.6 乙醇酸氧化途径,3.2.1.1 糖酵解 糖酵解(glycolysis)指葡萄糖在无氧条件下被酶降解为丙酮酸,并释放能量的过程。也称之为EMP途径(Embden,Meyerhof,Parnas)。,1940,G.Embden,Q.Meyerhof,J.K.Parnast 等提出,故也称为EMP途
7、径.,生化历程:已糖的磷酸化,磷酸已糖的裂解,ATP和丙酮酸的生成.,细胞质进行.,细胞质进行.,/70,17,糖酵解中糖的氧化分解所需要的氧是来自组织内的含氧物质(水分子和被氧化的糖分子),因此糖酵解途径也称分子内呼吸(intramolecular respiration)。,C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2C3H4O3+2NADH+2H+2ATP+2H2O,/70,19,EMP的生理意义:,1提供物质合成的中间产物;如甘油醛-3-磷酸是合成其他有机物质的重要原料;丙酮酸通过氨基化作用可生成丙氨酸。在有氧条件下,丙酮酸进入三羧酸循环和呼吸链,被彻底氧化成CO2和H2O;在无氧条
8、件下进行无氧呼吸,会生成酒精或乳酸。2 提供部分ATP和NADH。为生活细胞提供部分能量和还原力。(1分子葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸时也生成2分子ATP,生物体获得部分能量.)3.EMP是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径.,EMP是葡萄糖进行有氧或无氧分解的共同代谢途径.,3.2.1.2 无氧呼吸 高等植物在无氧条件下,催化丙酮酸形成乙醇或乳酸的全过程。,乙醇脱氢酶,丙酮酸脱羧酶,在无氧条件下,通过酒精发酵或乳酸发酵,实现了NAD+的再生,这就使糖酵解得以继续进行。,3.2.1.3 三羧酸循环,进行的部位:细胞线粒体衬质(mitochondrial stroma),丙酮酸的有氧降解 1 由
9、丙酮酸形成乙酰辅酶A 丙酮酸在有氧条件下进入线粒体 丙酮酸脱氢酶系(mt内膜上),脱羧,脱氢,氧化生成乙酰辅酶A.,/70,23,丙酮酸脱氢酶系:多酶复合体:丙酮酸脱氢酶(PDH),二氢硫辛酸乙酰转移酶(DLT),二氢硫辛酸脱氢酶(DLDH),还有若干调控酶。动物 大肠杆菌 丙酮酸脱氢酶(E1)30 24二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)60 24二氢硫辛酸脱氢酶(E3)10 12 参加反应的辅助因子(6):TPP、FAD、硫辛酸、NAD+、CoA、Mg2+,/70,24,2.TCA循环的化学历程 1937年德国Hans Krebs提出了三羧酸循环(TCA),又称柠檬酸循环(TCA循环),或Kreb
10、s循环,/70,25,生化历程,/70,26,/70,27,TCA循环的特点:二次脱羧:草酰琥珀酸-酮戊二酸 琥珀酰CoA。四次氧化:三次NADH+H+、一次FADH2 一次底物磷酸化,产生GTP:琥珀酰CoA琥珀酸 消耗 2mol H2O:OAA+乙酰辅酶A 柠檬酸,延胡索酸 Mal。CH3COSCoA+3NAD+FAD+ADP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+FADH2+ATP,/70,28,3 EMP-TCA循环的化学和能量计量 每一次TCA循环:3(NADH+H+)经NADH呼吸链的氧化磷酸产生 33=9ATP FADH2经 FADH2呼吸链氧化产生 1 2 A
11、TP.底物磷酸化产生 1ATP 每次TCA共产生12 ATP 丙酮酸脱氢生成乙酰辅酶A:NADH+H+3 ATP,传统的统计数,/70,29,1 mol葡萄糖经EMP-TCA彻底氧化时可产生36 mol的ATP,/70,30,现经测定:NADH电子链:产生ATP为2.5。FADH2呼吸链:产生1.5。,1 mol葡萄糖经EMP-TCA彻底氧化时可产生30 mol的ATP。,/70,31,/70,32,4 TCA生理意义:,生命活动所需能量来源的主要途径。体内各类有机物相互转变的中心环节.TCA循环不仅是糖代谢的重要途径,也是脂肪、蛋白质和核酸代谢的最终氧化成CO2和H2O的重要途径。发酵产物重
12、新氧化的途径.,TCA循环的意义和特点:,1是有氧呼吸产生CO2的主要来源 当外界环境中CO2浓度增高时,脱羧反应受抑制,呼吸速率下降;2形成还原物质NADH+H+,经过电子传递链偶联ATP的形成;3提供物质合成的中间产物 如丙酮酸可以转变成丙氨酸,草酰乙酸可以转变成天冬氨酸等。,3.2.1.4 戊糖磷酸途径 戊糖磷酸途径(Pentose phosphate pathway,PPP),又称已糖磷酸途径(hexose monophosphate pathway,HMP),PPP/HMP是指葡萄糖在细胞质内进行的直接氧化降解的酶促反应过程。,氧化阶段,非氧化阶段,戊糖磷酸途径的意义:,/70,36
13、,可看作是葡萄糖代谢的一条支路。因为高等植物要适应环境,就需要多条代谢途径,在正常情况下,葡萄糖的分解是以中心代谢(EMP-TCA)途径为主。,在逆境条件下,即不良环境中,植物体内的PPP途径加强,如受伤和感病的组织,干旱的植物PPP途径都加强,因为PPP途径中的中间产物E-4-P可以合成莽草酸,莽草酸继续合成氯原酸,多酚类的氯原酸可以起到抗病和抵抗不良环境的作用。,3.2.1.5 乙醛酸循环 脂肪酸经-氧化分解为乙酰CoA,在乙醛酸体(glyoxysome)内经催化生成琥珀酸、乙醛酸、苹果酸和草酰乙酸的过程,称为乙醛酸循环(glyoxylic acid cycle.GAC)。又称“脂肪呼吸”
14、。,GAC途径中形成的琥珀酸可转化为糖类,将脂肪代谢与糖类代谢起来。有利于油料种子的萌发以及光合产物向贮藏物质脂肪的转化。GAC是油料种子特有的一种呼吸代谢途径。,乙醛酸循环:,草酰乙酸,3.2.1.6 乙醇酸氧化途径,乙醇酸氧化途径(glycolic acid oxidation pathway,GAOP)是水稻根系特有的糖降解途径。参与乙醇酸氧化途径的关键酶是-乙醇酸氧化酶(glycolate oxidase)。,(植物体内主要呼吸代谢途径图解),乙醇酸氧化途径,H2O2分解产生的新生态氧,可氧化各种还原性物质,抑制还原性物质对水稻根的毒害。,返回上一页,3.2.2 电子传递途径的多样性
15、电子传递链(electron transport chain)是指负责传递氢(H+e)或电子到分子氧的一系列传递体按一定顺序排列所组成的总轨道,又称呼吸链(respiratory chain)。,呼吸传递体的类型:(1)氢传递体-既传递电子,也传递质子;如NAD+、FMN(FAD)、UQ等;(2)电子传递体-只传递电子,不传递质子;如细胞色素系统、某些黄素蛋白、铁硫蛋白、铁氧还蛋白等。,NADH或FADH2等还原性物质中的电子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,称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。每吸收一个氧原子与所酯化的无机磷
16、分子数之比,或每传递两个电子与产生的ATP数之比,称为P/O比,是衡量线粒体氧化磷酸化作用的活力指标。呼吸链的四个复合体中,复合体、和是ATP的形成偶联部位,复合体不能偶联ATP 的形成。,(线粒体内膜上电子传递体及其酶复合体)(线粒体ATP合酶与偶联ATP的形成),TCA中的NADH的P/O=?EMP中的NADH的P/O=?NADPH的P/O=?琥珀酸脱氢形成的UQH2的P/O=?,解偶联作用(uncoupling):有些化合物能消除跨膜的质子梯度或电位差,使ATP不能形成,从而解除电子传递与磷酸化的偶联作用。解偶联剂(uncoupler):如2,4-二硝基苯酚(2,4-dinitrophe
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