第五章 植物的呼吸作用

1、 生物的新陈代谢可概括为两类反应： 1.同化作用同化作用(assimilation)-把非生活物质转化为生活物质。 2.异化作用异化作用（disassimilation）-把生活物质分解成非生活物质。 光合作用属于同化作用；呼吸作用属于异化作用。 呼吸作用是所有生物的基本生理功能，是一切生活细胞的共同特征，呼吸停止，也就意味着生命的终止。 因此，了解植物呼吸作用的规律，对于调控植物生长发育，指导农业生产有着十分重要的理论意义和实际意义。一、呼吸作用的概念 有氧呼吸是高等植物呼吸的主要形式，通常所说的呼吸作用，主要是指有氧呼吸。 有氧呼吸总反应式和燃烧反应式相同.但是 呼吸作用与物质燃烧的主要区

2、别： 1.燃烧时,有机物被剧烈氧化散热,呼吸作用中氧化作用分步骤进行,能量逐步释放.一部分能量转移到ATP和NAD(P)H分子中,成为随时可利用的贮备能,另一部分以热的形式放出。 2.燃烧是物理过程，呼吸作用是生理过程，在常温、常压下进行。二、呼吸作用的生理意义二、呼吸作用的生理意义 1.为植物生命活动提供能量为植物生命活动提供能量 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。 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.中间产物是合成植物体内重要有机物质的原料中间产物是合成植物体内重要有机物质的原料 呼吸产生许多中间产物，

3、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.在植物抗病免疫方面有着重要作用在植物抗病免疫方面有着重要作用 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。 高等植物中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，对多变环境条件适应的体现。 一、糖酵解（一、糖酵解（glycolysis） 1940年得到阐明。为纪念在研究这一途径的三位生化学家：G.Embden,O.Meyerhof和J.K.Parnas，把糖酵解途径简称EMP途径（EMP pathway）（一）糖酵解的化学

4、历程（一）糖酵解的化学历程 （二）糖酵解的生理意义（二）糖酵解的生理意义 1.存在于所有生物体中包括原核生物和真核生物。可能是生物进化出光合放氧之前，产生能量的主要方式，是最古老的呼吸途径。 2.产物丙酮酸的化学性质活跃，可以通过多种代谢途径，生成不同的物质。 3.通过糖酵解，生物体可获得生命活动所需的部分能量。对于厌氧生物来说，糖酵解是糖分解和获取能量的主要方式。 4.糖酵解途径中，除了由己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶等所催化的反应以外，多数反应均可逆转，这就为糖异生作用提供了基本途径。二、发酵作用二、发酵作用 (一一)反应历程：反应历程： 1,酒精发酵酒精发酵(alcohol ferm

5、entation) 糖酵解生成丙酮酸在丙酮酸脱羧酶作用下脱羧生成乙醛。再在乙醇脱氢酶的作用下，接受糖酵解中产生的NADHH+的氢，乙醛被还原为乙醇。 酵母菌的酒精发酵是酿酒工业中的主要生物化学过程。 厌氧下每分子葡萄糖经酒精发酵后产生2分子乙醇、2分子CO2和2分子ATP。 2、乳酸发酵、乳酸发酵(lactate fermentation) 在含有乳酸脱氢酶的组织里，丙酮酸便被NADH还原为乳酸，每分子葡萄糖经乳酸发酵产生2分子乳酸和2分子ATP。 许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，产生乳酸的这类细菌通常称为乳酸菌。 利用乳酸菌的发酵可以制造酸牛奶、泡菜、酸菜和青贮饲料的发酵等。由于乳酸菌缺少蛋白

6、酶，它不会消化组织细胞中的原生质，而只利用了汁液中的糖分及氨基酸等可溶性含氮物质作为营养，因而组织仍保持坚脆状态。由于乳酸的积累，PH值可降至4 ，从而又抑制了其它分解蛋白质的腐败细菌及丁酸菌的生长，起到了防腐作用。 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。图图 植物植物体内体内主要主要呼吸呼吸代谢代谢途径途径相互相互关系关系示意示意图图 淀粉、蔗糖淀粉、蔗糖磷酸己糖磷酸己糖磷酸丙糖磷酸丙糖丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA三羧酸循环三羧酸循环CO2+H2O磷酸戊糖磷酸戊糖PPPPPP途径途径中间代谢产物是合成糖类、脂类、蛋白质和维生素及中间代谢产物是合成

7、糖类、脂类、蛋白质和维生素及各种次生物质的原料各种次生物质的原料正常情况下正常情况下PPP途径占呼吸途径占呼吸3%30%，处于逆境时，处于逆境时，PPP上上升，油料作物结实期升，油料作物结实期PPP上升上升糖酵解糖酵解脂脂肪肪 氧化氧化有氧有氧无氧无氧乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶脱羧酶脱羧酶乳酸（淹酸菜、泡菜、青贮饲料）乳酸（淹酸菜、泡菜、青贮饲料）乙乙醛醛乙醇乙醇洒精发酵洒精发酵有氧有氧乙酸（醋）乙酸（醋）乙醛酸循环乙醛酸循环乙酸乙酸乙醇酸乙醇酸草酸草酸甲酸甲酸琥珀酸琥珀酸乙醇酸循环乙醇酸循环EMPTCA环或环或Krebs环环PPP或或HMP植物的有氧呼吸过程植物的有氧呼吸过程 物质在生物体内进行氧

8、化称物质在生物体内进行氧化称生物氧化生物氧化，主，主要指要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成放能量，最终生成CO2 和和 H2O的过程的过程。此过程此过程需耗氧、排出需耗氧、排出CO2，又在活细胞内进行，故又称，又在活细胞内进行，故又称细胞呼吸细胞呼吸( (cellular respiration) )。生物氧化（biological oxidation）的概念 糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能生物氧化的一般过程 物质代谢物质代谢 代谢代谢 能量代谢能量代谢 代谢与能量代谢与能量分解分

9、解合成合成产能产能耗能耗能体内代谢体内代谢体外燃烧体外燃烧生物生物氧化氧化 转化转化物质物质 能量能量生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。规律。 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（终产物（CO2，H2O）和释放能量均相）和释放能量均相同。同。生物氧化与体外氧化生物氧化与体外氧化之区别之区别 1. 1. 温度：体温，温度：体温，3737度度 高温高温 2. 2. 反应温和：酶促反应温和：酶促, ,

10、逐步氧化逐步氧化, ,逐步放能逐步放能, ,可调可调节节 反应剧烈：短时间内以光、热能形式放能反应剧烈：短时间内以光、热能形式放能 3. 3. 效率：以高能键储存，效率：以高能键储存，4055%4055% 不能储存，不能储存，0%0% 4. CO4. CO2 2来源：有机羧酸脱羧而来来源：有机羧酸脱羧而来 碳和氢直接与氧结合生成碳和氢直接与氧结合生成。 一、一、 呼吸链的概念和组成呼吸链的概念和组成 三羧酸循环等脱下的氢被三羧酸循环等脱下的氢被NAD+或或FAD所接受。细胞内的所接受。细胞内的辅酶或辅基数量是有限的，必须将氢交给其它受体后，才辅酶或辅基数量是有限的，必须将氢交给其它受体后，才能

11、再次接受氢。在需氧生物中，氧气便是这些氢的最终受能再次接受氢。在需氧生物中，氧气便是这些氢的最终受体。体。1 呼吸链(respiratory chain)是线粒体内膜上由呼吸传递体组成的电子传递总轨道。 线粒体中氧化磷酸化反应的一般机理：在糖酵解的氧化步骤过程中释放电子，一个柠檬酸循环产生20个分子NADH和4分子FADH2。这些还原型辅酶随后被线粒体电子传递链氧化。在氧化过程中释放自由能。同时与氧化过程偶联发生了质子通过线粒体内膜从基质进入膜间空间，在内膜上产生电化学质子成分（H+）。接着，质子经过ATP合成酶复合物的F0质子路径返回跨过线粒体内膜释放的自由能被该复合物中F1成分上的催化反应

12、部位所利用。 2.呼吸链的组成呼吸链的组成 呼吸传递体有五种酶复合体呼吸传递体有五种酶复合体 复合体复合体(NADH:泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶) 复合体复合体(琥珀酸琥珀酸:泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶) 复合体复合体(UQH2 :细胞色素细胞色素C氧化还原酶氧化还原酶) 复合体复合体(Cytc:细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶) 复合体复合体(ATP合成酶合成酶)呼吸链的组成四种具有传递电子功能的酶复合体四种具有传递电子功能的酶复合体(complex) * * 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体人线粒体呼吸链复合体复复合合

13、体体酶酶名名称称复复合合体体复复合合体体复复合合体体复复合合体体NADH-泛泛醌醌还还原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌还还原原酶酶泛泛醌醌-细细胞胞色色素素C还还原原酶酶细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶辅辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Cu 多多肽肽链链数数394 1013 复复合合体体酶酶名名称称复复合合体体复复合合体体复复合合体体复复合合体体NADH-泛泛醌醌还还原原酶酶琥琥珀珀酸酸-泛泛醌醌还还原原酶酶泛泛醌醌-细细胞胞色色素素C还还原原酶酶细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶辅辅基基FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁铁卟卟啉啉，Fe-S 铁铁卟

14、卟啉啉，Cu 多多肽肽链链数数394 1013 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-复合体复合体 又称又称NADH 泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶,含有含有25种蛋白质种蛋白质,包括以包括以黄素单核苷酸黄素单核苷酸(FMN)为辅基的为辅基的黄素蛋白黄素蛋白，多种，多种铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-s)和泛醌和泛醌(UQ，又称辅酶，又称辅酶Q,CoQ)。 功能功能 催化线粒体基质中由催化线粒体基质中由TCA循环产生的循环产生的NADHH中的中的2个个H经经FMN转运到膜间

15、空间，再经过转运到膜间空间，再经过Fe-S将将2个电子传递到个电子传递到UQ；UQ再与基质中的再与基质中的H结合，生成结合，生成还原型泛醌还原型泛醌(UQH2)。 抑制剂抑制剂 鱼藤酮、杀粉蝶菌素鱼藤酮、杀粉蝶菌素A、巴比妥酸、巴比妥酸 它们都作用它们都作用于同一区域，都能抑制于同一区域，都能抑制FeS簇的氧化和泛醌的还原。簇的氧化和泛醌的还原。线粒体复合物线粒体复合物I（NADHUQ氧化还原氧化还原酶）的假想结构与膜局部结构酶）的假想结构与膜局部结构复合体复合体的功能的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2复合体复合体 又称琥珀

16、酸又称琥珀酸 泛醌氧化还原酶, 含有45种不同的蛋白质，主要成分是琥珀酸脱氢酶(SDH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、细胞色素b和3个Fe-S蛋白。 功能功能 催化琥珀酸氧化为延胡索酸，并将H转移到FAD生成FADH2，然后再把H转移到UQ生成UQH2。 抑制剂抑制剂 2噻吩甲酰三氟丙酮(TTFA) 线粒体复合物线粒体复合物（琥珀酸泛醌）（琥珀酸泛醌）的假想结构与膜局部结构的假想结构与膜局部结构 复合体复合体 又称又称UQH2 细胞色素细胞色素C氧化还原酶氧化还原酶,分子量分子量250103，含有，含有910种不同蛋白质，一种不同蛋白质，一般都含有般都含有2个个Cytb，1个个Fe-S蛋白蛋

17、白和和1个个Cytc1。 功能功能 催化电子从催化电子从UQH2经经CytbFeSCytc1传递到传递到Cytc，这一反，这一反应与应与跨膜质子转移跨膜质子转移相偶联，即将相偶联，即将2个个H释释放到膜间空间。放到膜间空间。线粒体复合物线粒体复合物（泛醌细胞色素（泛醌细胞色素c 氧化氧化还原酶）的假想构成和膜局部构造还原酶）的假想构成和膜局部构造 复合体复合体 又称又称Cytc 细胞色素氧化酶，含有多种不同的蛋白质，细胞色素氧化酶，含有多种不同的蛋白质，主要成分是主要成分是Cyta和和Cyta3及及2个铜原子个铜原子，组成两个氧化，组成两个氧化还原中心，第一个中心是接受来自还原中心，第一个中心

18、是接受来自Cyt c 的电子受体，的电子受体，第二个中心是氧还原的位置。它们通过第二个中心是氧还原的位置。它们通过Cu+Cu2+的的变化，在变化，在Cyta和和Cyta3间传递电子。间传递电子。 功能功能 将将Cytc中的电子传递给分子氧，氧分子被中的电子传递给分子氧，氧分子被Cyta3、CuB还原至过氧化物水平；然后接受第三个电子，还原至过氧化物水平；然后接受第三个电子，O-O键断裂，其中一个氧原子还原成键断裂，其中一个氧原子还原成H2O；在另一步中接受；在另一步中接受第四个电子，第二个氧原子进一步还原。第四个电子，第二个氧原子进一步还原。 抑制剂抑制剂 CO 氰化物氰化物(CN-)、叠氮化

19、物、叠氮化物(N3-)同同O2竞争与竞争与Cytaa3中中Fe的结合，可抑制从的结合，可抑制从Cytaa3到到O2的电子传递。的电子传递。u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞色素c传递给氧传递给氧 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB形成的活性部位将电子交给形成的活性部位将电子交给O2。线粒体复合物线粒体复合物（细胞色素（细胞色素c氧化酶）氧化酶）的假想结构和膜局部结构的假想结构和膜局部结构 复合体复合体 又称又称ATP合成酶合成酶或或H+-ATP酶复合物酶复合物。由。由8种种不同亚基组成两个蛋白质复合体不同亚基组成两个蛋白质复合

20、体(F1-F0)。 功能功能 F1从内膜伸入基质中，从内膜伸入基质中，突出于膜表面突出于膜表面，具有具有亲水亲水性，酶的催化部位就位于其中。性，酶的催化部位就位于其中。F0疏水，嵌入内膜磷脂之中疏水，嵌入内膜磷脂之中，内有质子通道，内有质子通道，它利用呼吸链电子传递产生的质子动力，将它利用呼吸链电子传递产生的质子动力，将ADP和和Pi合成合成ATP，也能催化，也能催化ATP水解。水解。ATP合成酶示意图合成酶示意图 示传递质子的F0单位和合成ATP的F1单位 呼吸传递体有两大类：氢传递体氢传递体:NAD、FMN、FAD、UQ等等,既传递电子也既传递电子也传递质子；传递质子； 电子传递体电子传递

21、体:细胞色素系统和某些黄素蛋白、铁硫蛋白，细胞色素系统和某些黄素蛋白、铁硫蛋白，只传递电子。只传递电子。 UQ(泛醌、辅酶泛醌、辅酶Q、CoQ )脂溶性的苯醌衍生物，能在脂溶性的苯醌衍生物，能在膜脂质内自由移动，通过醌膜脂质内自由移动，通过醌/酚结构互变，在复合体酚结构互变，在复合体、与与之间传递质子和电子之间传递质子和电子. 还原的泛醌在把电子传给还原的泛醌在把电子传给Cyt 时把时把H释放至膜间空隙，这对膜内外质子梯度的释放至膜间空隙，这对膜内外质子梯度的建立起重要作用。建立起重要作用。 细胞色素细胞色素 一类含有铁卟啉基团的电子传递蛋白，以一类含有铁卟啉基团的电子传递蛋白，以Cyta 、

22、b 、c 等表示，呼吸链最末端的等表示，呼吸链最末端的Cyta3称细胞色称细胞色素氧化酶，可将电子传至氧分子。素氧化酶，可将电子传至氧分子。 呼吸链传递体传递电子的顺序是：呼吸链传递体传递电子的顺序是： 代谢物代谢物NADFMNUQ细胞色素系统细胞色素系统O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O2NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链电子传递链电子传递链基质中基质中NADH H 的的2个个H传至复合体传至复合体的

23、的FMN再传至再传至FeS，FeS只传递电只传递电子子, 2个个H 转运到膜间空间转运到膜间空间;2个电子传到个电子传到UQ, UQ与基质中的与基质中的2 H 结合，结合，UQH2将将2个电子传递到复合体个电子传递到复合体,2个个H释放到膜间空间。释放到膜间空间。电子经电子经CytbFeSCytc1传到传到Cytc，再传递给复合体再传递给复合体经经Cyta和和Cyta3，由，由 Cyta3 (细胞色素氧化酶）把电子传递细胞色素氧化酶）把电子传递给给O2生成生成H2O。琥珀酸氧化时生成的。琥珀酸氧化时生成的FADH2上的上的H经复合体经复合体转移到转移到UQ 由以下实验确定由以下实验确定 标准氧

24、化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 特异抑制剂阻断特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧呼吸链成分的排列顺序氧氧化化还还原原对对E (V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/ FMNH2-0.30FAD/ FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/ Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+ / Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+ / Fe2+ 0.551/2 O2/ H2O 0.82呼呼吸吸链链中中各各种种氧氧化化还还原原对对的的标标

25、准准氧氧化化还还原原电电位位呼吸链中各物质在氧化还原作用中呼吸链中各物质在氧化还原作用中的位置的位置 二、氧化磷酸化 （一）概念（一）概念 氧化磷酸化氧化磷酸化 线粒体内膜上电子从线粒体内膜上电子从NADH或或FADH2经电子传递链传递给分子氧生成水经电子传递链传递给分子氧生成水,并偶并偶联联ADP和和Pi生成生成ATP的过程。的过程。 需氧生物合成ATP的主要途径。 电子沿呼吸链由低电位流向高电位是个逐步释放能量的过程。电子在两个电子传递体之间传递转移时释放的能量如可满足ADP磷酸化形成ATP的需要时, 即可视为氧化磷酸化的偶联部位或氧化磷酸化位点。* 定义定义氧化磷酸化氧化磷酸化 (oxi

26、dative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP，又称为，又称为偶联磷酸化偶联磷酸化。 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分是底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使布，生成高能键，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的的过程。过程。P/O比比 - 每消耗一个氧原子有几个每消耗一个氧原子有几个ADP变成变成ATP。 P/O比为氧化磷酸化作用的活力指标比为氧化磷酸化作用的活力指标。 呼吸链从NADH开始至氧化成水，可形成

27、3分子的ATP，即P/O比是3。 如从琥珀酸脱氢生成的FADH2通过泛醌进入呼吸链,则只形成分子的ATP，即P/O比是2。 2mol电子从NADH传递到O2这一氧化过程中,自由能变化G为-220kJmol-1。 ADP磷酸化形成ATP至少需要 35.1kJmol-1的能量， 电子从电子从NADH到到UQ之间之间G为为-51.90kJmol-1 (部位部位I), 从从Cytb到到Cytc之间之间G为为-38.5kJmol-1 (部位部位)， 从从Cytaa3到到O2之间之间G为为-103.81kJmol-1 (部位部位）, 这样在三个部位释放的能量都足以合成这样在三个部位释放的能量都足以合成 1

28、molATP。（二） 氧化磷酸化的偶联机理1. 化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动流时驱动ADP与与Pi生成生成ATP。 线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学渗透假说简单示意图化学渗透假说简单示意图化学渗透假说化学

29、渗透假说目目 录录 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图化学渗透偶联机制示意图化学渗透学说的实验证据化学渗透学说的实验证据当把线粒体悬浮在无当把线粒体悬浮在无O2缓冲液中缓冲液中,通入通入O2时，时，介质很快酸化，跨膜的介质很快酸化，跨膜的H+浓度差可以达到浓度差可以达到1.5pH单位，电势差达单位，电势差达0.5V，内膜的外

30、表面，内膜的外表面对内表面是正的对内表面是正的,并保持相对稳定，证实并保持相对稳定，证实内内膜不允许外侧的膜不允许外侧的H+渗漏回内膜内侧渗漏回内膜内侧。 但当加入解偶联剂但当加入解偶联剂2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚(DNP)时，时，跨膜的跨膜的H+浓度差和电势差就不能形成，就浓度差和电势差就不能形成，就会阻止会阻止ATP的产生。的产生。ATP生成过程中构造变化生成过程中构造变化 F1复合物有三个核苷酸结合位点。每一部位有三种完全不同的结构状态。松散的核苷酸结合部位（L），紧密核苷酸结合部位（T）和开放核苷酸结合部位（O）。在任何时候。 F1复合物包括这三种不同的结构，其中有一个与酶复合物的每

31、一个催化中心相连。ADP和Pi开始被结合到开放状态未被占有的部位（1） 质子运动通过F0释放能量引起亚单位旋转。 这种旋转自发改变了三个核苷酸结合位点的构造。结合有ATP的T型被转变成O型，ATP被释放出来。同时，结合有ADP和Pi的L型被转化成T型，疏水性的结合正有利于ATP生成。 结合ADP和Pi的开放部位转化或松散型结构（2）。被紧密结合的ADP和Pi转化生成ATP，此步骤不需消耗能量和构型改变（3） 图图 5-14 ATP生成过程中构造变化的模型生成过程中构造变化的模型 （三）氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂（三）氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂 线粒体电线粒体电子传递链子传递链的抑制剂。的抑

32、制剂。图中表示图中表示了每一线了每一线粒体电子粒体电子传递复合传递复合物的特定物的特定抑制剂及抑制剂及抑制剂竞抑制剂竞争结合的争结合的底物。底物。影响氧化磷酸化的因素1. 呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链中某些部位电子传递。阻断呼吸链中某些部位电子传递。2. 解偶联剂解偶联剂使氧化与磷酸化偶联过程脱离。使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：解偶联蛋白如：解偶联蛋白 3. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 对电子传递及对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。磷酸化均有抑制作用。如：寡霉素如：寡霉素 抑制剂抑制剂1、呼吸电子传递链抑制剂：、呼吸电子传递链抑制剂： 复合体 为鱼藤酮鱼藤酮所抑制。 复合体

33、 为萎秀灵萎秀灵、丙二酸、戊二酸丙二酸、戊二酸所抑制。 复合体 Cyt bCytc1 之间为抗菌素抗菌素A所抑制。 复合体 CO、氰化物、氰化物(CN-)、叠氮化物叠氮化物(N3-) 等同Cyta3中Fe的结合，抑制从Cyta3到O2的电子传递。 复合体 被寡霉素寡霉素所抑制，寡霉素可以阻止膜间空间中的H+通过ATP合成酶的Fo进入线粒体基质. 这是因为像寡霉素(oligomycin)这一类的化学物质可以阻止膜间空间中的H+通过ATP合成酶的Fo进入线粒体基质，这样不仅会阻止ATP生成，还会维持和加强质子动力势,对电子传递产生反馈抑制,O2的消耗就会相应减少。 鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A

34、A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点2.解偶联剂解偶联剂(uncoupler) 解除电子传递与磷酸化反应之间解除电子传递与磷酸化反应之间偶联的试剂。 常见的解偶联剂有2,4-二硝基酚二硝基酚(DNP)，在酸性环境中， DNP接受质子后成为不解离的形式而变为脂溶性，同时将一个H+从膜外带入膜内，从而破坏了跨内膜的质子梯度，抑制了ATP的生成。其他一些酸性芳香族化合物也有这样的作用。 解偶联时会促进电子传递的进行，O2的消耗加大。3.离子载体抑制剂(ionophore depressant

35、) 离子载体抑制剂离子载体抑制剂与解偶联剂的区别在于它不是H+载体，而是可能和某些阳离子结合，生成脂溶性的复合物，并作为离子载体使这些离子能够穿过内膜，这样就增大了内膜对某些阳离子的通透性，而破坏氧化磷酸化过程。 例如缬氨霉素(valinomycin)与K形成脂溶性的复合物容易使K通过内膜进入基质，又如短杆菌肽(gramicidin)可使K、 Na和其他一些一价阳离子穿过膜，而抑制氧化磷酸化过程。 4.ATP合酶抑制剂合酶抑制剂寡霉素寡霉素(oligomycin) 可阻止质子从可阻止质子从F0质子通道回流，抑制质子通道回流，抑制ATP生成生成ATP合酶结构模式图合酶结构模式图解偶联蛋白作用机制

36、（棕色脂肪组织线粒体）解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）Cyt cQ胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 解偶联解偶联 蛋白蛋白热能热能 ADP+Pi ATP 四、末端氧化酶四、末端氧化酶(terminal oxidase）的多样性的多样性 末端氧化酶末端氧化酶-处于生物氧化一系列反应的最末端的氧化酶. 研究得比较清楚的有： 线粒体内膜上线粒体内膜上: 细胞色素氧化酶和抗氰氧化酶; 细胞质中的细胞质中的：酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶 过氧化体中的乙醇酸氧化酶等。1.细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶(cytochrome oxidase) Cytaa3以复合物以复合物的形式存在,是最主要的末端氧化酶，作用是

37、从细胞色素c接受电子传递给O2生成H2O。在幼嫩组织中较活跃;与氧的亲和力最高，易受CN-、CO和N3-的抑制。 细胞色素类细胞色素类都以血红素作为辅基，使这类蛋白具有红色或褐色。细胞色素类为含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素(heme），细胞色素b1、c、c1含有铁原卟啉，细胞色素a和a3含有一个被修饰的血红素，称为血红素A，它和血红素不同的是在第8位以一个甲酰基代替甲基，在第2 位上以一个长的疏水基代替乙烯基。2.交替氧化酶交替氧化酶 又名抗氰氧化酶抗氰氧化酶 作用是将经UQH2、FP的电子传给O2生成H2O 。交替氧化酶的分子量为2710337103，Fe2+是其活性

38、中心的金属。该酶对O2的亲和力高，易被水杨基氧肟酸(SHAM)所抑制。 （1）抗氰呼吸的电子传递途径）抗氰呼吸的电子传递途径及其特性及其特性 1929 Genevois 在豌豆观察到抗氰性，汤佩松在1932年报导了CO不能完全抑制羽扇豆细胞对氧气的吸收。 在氰化物存在条件下仍运行的呼吸作用称为抗氰呼吸抗氰呼吸，也即是对氰化物不敏感的那一部分呼吸。 抗氰呼吸可以在某些条件下与细胞色素电子传递主路(CP)交替运行，抑制正常电子传递途径就可促进抗氰呼吸的发生，因此，抗氰呼吸又称为交替途径(alternative pathway AP 电子自NADH脱下后,经FMNFeS传递到UQ，然后不是进入细胞色

39、素电子传递系统，而是从UQ处分岔，经FP和交替氧化酶(alternative oxidase AO ,也即抗氰氧化酶),把电子交给分子氧. 该途径可被鱼藤酮抑制，不被抗霉素A和氰化物抑制，其P/O比为1或低于1。 用非典型的抗氰植物小麦为材料，通过改变其生理条件（如不同氧分压）而导致高度抗氰支路的形成。 用乙烯处理甘薯切片，细胞线粒体内膜磷脂减少，抗氰呼吸显著增强。表明呼吸电子传递途径是可以改变的。 在高等植物中抗氰呼吸是广泛存在的,例如天南星科、睡莲科和白星海芋科的花器官与花粉，玉米、水稻、豌豆、绿豆和棉花的种子、马铃薯的块茎、甘薯的块根和胡萝卜的根等。此外在黑粉菌、酵母菌（许多真菌、藻类、

40、原生动物、酵母）等多种微生物中也发现有抗氰呼吸的存在。抗氰呼吸虽然普遍,但并非存在于所有植物中，而且抗氰的程度也有很大差别。 抗氰呼吸例子 最著名的抗氰呼吸例子是天南星科植物的佛焰花序，它的呼吸速率很高，O2的吸收可达每g鲜重15 00020 000lg-1h-1，比一般植物呼吸速率快100倍以上，同时由于呼吸放热，可使组织温度比环境温度高出1020。 抗氰呼吸又称为放热呼吸。 海海 竽竽Alocasia macrorrhiza (Linn.) Schott 天南星科是单子叶植物中主产于热带的大科。本科多为荫湿环境下的多汁草本植物，大型佛焰苞包围的肉穗花序是本科的重要特征。 以海竽为例，看佛焰

41、苞和肉穗花序。花后果序红色艳丽，亦具有观赏意义。 海竽属大型草本，叶盾状着生，阔卵形，基部心状箭形，佛焰苞粉绿色。生荫湿林下，有毒植物，根茎亦入药。玉簪玉簪 白鹤草花烛花烛 南蛇棒南蛇棒 （2）抗氰呼吸的生理意义）抗氰呼吸的生理意义 1.放热增温，促进植物开花、种子萌发放热增温，促进植物开花、种子萌发 抗氰呼吸释放大量热量，有助于某些植物花粉的成熟及授粉、受精过程；有利于挥发引诱剂(如NH3、胺类、吲哚等），以吸引昆虫帮助传粉。放热增温也有利于种子萌发。 2.增加乙烯生成，促进果实成熟，促进衰老增加乙烯生成，促进果实成熟，促进衰老 抗氰呼吸的出现常与衰老相联系。随着植株年龄的增长、果实的成熟，

42、抗氰呼吸随之升高。同时，乙烯与抗氰呼吸上升有平行的关系。乙烯刺激抗氰呼吸，诱发呼吸跃变产生，促进果实成熟和植物组织器官衰老。 3.在防御真菌的感染中起作用在防御真菌的感染中起作用 甘薯块根组织受到黑斑病菌侵染后抗氰呼吸成倍增长，而且抗病品种感染组织总是明显高于感病品种感染组织.4.分流电子分流电子 当细胞含糖量高(如光合作用旺盛)，EMP-TCA循环迅速进行时，交替氧化酶活性很高。交替途径起到了分流电子的作用。3.酚氧化酶酚氧化酶(phenol oxidase) 也称多酚氧化酶、酚酶， 普遍存在的质体、微体中，可催化分子氧对多种酚的氧化，酚氧化后变成醌，并进一步聚合成棕褐色物质。 (1)酚酶与

43、植物的“愈伤反应”有关系 植物组织受伤后呼吸作用增强，这部分呼吸作用称为“伤呼吸伤呼吸” (wound respiration)。伤呼吸把伤口处释放的酚类氧化为醌，而醌类往往对微生物是有毒的，这样就可避免感染。当苹果或马铃薯被切伤后，伤口迅速变褐，就是酚氧化酶的作用。在没有受到伤害的组织细胞中，酚类大部分都在液泡中，酚酶在质体中，底物与酶不在一处，所以酚类不被氧化。(2)酚酶与植物的呈色、褐变有关 在制茶，烤烟和水果加工中都要根据酚酶的特性加以利用在制茶工艺制茶工艺上酚酶是决定茶品质的关键酶类： 绿茶绿茶：鲜叶经杀青揉捻干燥杀青揉捻干燥3 个工序 杀青：杀青：100300，破坏酚酶活性，保留较

44、多的叶绿素、 多酚类、维生素C等 揉捻：揉捻：使叶卷成条形，破坏其组织，以利于冲泡浸出茶汁， 干燥干燥：可用炒、烘或晒3种方法除去水分。 红茶红茶：鲜叶经萎淍揉捻发酵干燥萎淍揉捻发酵干燥4个工序 萎淍：萎淍：将鲜叶摊成薄层，水分蒸发，脱去20%-30%的水，增强酶活性，以利多酚类氧化 揉捻揉捻：要求对叶细胞组织有较大的破坏，使酚类和酚酶酚类和酚酶与空气充分接触 发酵发酵：使多酚类的没食子茶素及其没食子酸酯先行氧化为邻醌，再逐步氧化缩合，成为茶黄素和茶红素（2040） 干燥：干燥：蒸发水分，破坏酶活性，固定发酵过程中形成的有效物质。 烤烟加工：烤烟达到变黄末期，要采取使烟叶迅速脱水的措施，抑制酚

45、酶的活性，防止烟草中存在的多酚类物质 (如咖啡酸、绿原酸)被氧化成黑色，保持烟叶鲜明的黄色，提高烤烟的品质。 水果加工 为了防止水果褐变，保持水果的新鲜性，生产上运用多种方法来降低水果中酚酶的活性， 例如，加热，绝氧、调节pH、抗氧化剂等 如杏用沸水烫4分钟基本控制酚酶活性；酚酶的最适pH为6-7，3无活性，加以抗坏血酸、柠檬酸为主剂的复合护色剂等。加抗坏血酸600mg/kg水果制品，能有效防止褐变。4.抗坏血酸氧化酶(ascorbate oxidase)催化分子氧将抗坏血酸氧化为脱氢抗坏血酸，催化分子氧将抗坏血酸氧化为脱氢抗坏血酸，它存在于细胞质中或与细胞壁相结合。它它存在于细胞质中或与细胞

46、壁相结合。它可以通过谷胱甘肽而与某些脱氢酶相偶联，可以通过谷胱甘肽而与某些脱氢酶相偶联，抗坏血酸氧化酶还与抗坏血酸氧化酶还与PPP中所产生的中所产生的NADPH起作用，可能与细胞内某些合成反起作用，可能与细胞内某些合成反应有关。应有关。5.乙醇酸氧化酶(glycolate oxidase) -把乙醇酸氧化为乙醛酸并产生把乙醇酸氧化为乙醛酸并产生H2O2。乙醇酸氧。乙醇酸氧化酶所催化的反应，可与某些底物的氧化相偶联。化酶所催化的反应，可与某些底物的氧化相偶联。 光呼吸代谢途径中它在过氧化体中催化乙醇酸氧光呼吸代谢途径中它在过氧化体中催化乙醇酸氧化为乙醛酸，且与甘氨酸的合成有关。化为乙醛酸，且与甘

47、氨酸的合成有关。 在水稻根部特别是根端部分活性最强，产生在水稻根部特别是根端部分活性最强，产生H2O2放出放出O2，使根系周围保持较高的氧化状态，使根系周围保持较高的氧化状态，氧化各种还原物质，使水稻能顺利地在水中生长。氧化各种还原物质，使水稻能顺利地在水中生长。 线粒体外的氧化酶仅起辅助作用，因为： (1)与氧化磷酸化不相偶联，不能产生可利用的能量， (2)与氧的亲和力都较低， (3)正常情况下，呼吸被CN-、CO等所抑制，表明电子传递的末端氧化酶主要是细胞色素氧化酶。 线粒体外末端体系的作用或特点 (1)催化某些特殊底物的氧化还原反应， (2)可能能除去细胞中过多的特别是激活形式的氧分子，

48、 (3)由于植物体内含有多种呼吸氧化酶，这就使植物能适应各种外界条件。五、呼吸链电子传递多条途径五、呼吸链电子传递多条途径 在高等植物中的呼吸链电子传递具有多种途径，使呼吸能适应环境的变化，这是进化的表现。至少有下列五条 植物中虽然存在多种电子传递途径，但是细胞色素途径细胞色素途径和交替途径交替途径是主要的两条途径。 有人证明在水稻幼苗线粒体中同时存在着四条不同的电子传递途径，并认为这是水稻这种半沼泽植物能适应不同水分生态条件的重要原因。 1.电子传递主路 即细胞色素系统途径细胞色素系统途径，分布最广泛。 2.电子传递支路之一脱氢酶的辅基是一种黄素蛋白脱氢酶的辅基是一种黄素蛋白(FP2) ， 电子从NADH上脱