《植物生理学》第四章

会计学1《植物生理学》第四章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1页/共68页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。第2页/共68页（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+能量第3页/共68页（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:C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量（△G°′=-226kJ·mol-1）酶第4页/共68页乳酸发酵：

C6H12O62CH3CHOHCOOH+能量△G°′=-197kJ·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。第5页/共68页二、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。第6页/共68页图4-1呼吸作用主要功能示意图物质合成细胞构造原生质细胞壁细胞器等细胞成分淀粉蛋白质脂肪核酸激素等生理活动细胞分裂原生质运动离子吸收硝酸还原等光碳水化合物呼吸作用中间产物ATPNAD(P)H放热CO2+H20光合作用第7页/共68页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。第8页/共68页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9页/共68页

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）。第10页/共68页图4-2植物体内主要呼吸代谢途径的相互联系淀粉己糖磷酸丙糖磷酸蔗糖戊糖磷酸丙酮酸乙酰辅酶A乙醇乳酸酒精发酵乳酸发酵丙二酰辅酶A甘油脂肪脂肪酸柠檬酸琥珀酸草酰乙酸三羧酸循环柠檬酸异柠檬酸草酰乙酸乙醛酸循环乙醛乙酸乙醇酸草酸甲酸乙醇酸氧化途径琥珀酸戊糖磷酸途径糖酵解第11页/共68页（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。第12页/共68页图4-3糖酵解途径第13页/共68页

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+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP第14页/共68页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。

糖酵解的生理意义：第15页/共68页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HansKrebs首先发现的，所以又称Krebs循环。整个过程在线粒体中进行。第16页/共68页图4-4三羧酸循环第17页/共68页三羧酸循环总反应式是：

CH3COCOOH+4NAD++FAD+ADP+Pi+2H2O3CO2+4NADH+4H++FADH2+ATP第18页/共68页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。第19页/共68页（二）乙醇酸氧化途径图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

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。葡萄糖乙酰CoA乙酸乙醇酸乙醛酸草酸甲酸O2+H20H2O2CO22CO2NAD+NADH+H+①②③④⑤⑥⑦O2+H20H2O2[O]+H20H2O2O2+H20H2O2H2O2O22CO2第20页/共68页（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+。第21页/共68页图4-6磷酸戊糖途径第22页/共68页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。第23页/共68页（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。第24页/共68页（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第25页/共68页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。第26页/共68页复合体Ⅰ：含有NADH脱氢酶，FMN,4个Fe-S蛋白复合体Ⅱ：琥珀酸脱氢酶（FAD,Fe-S蛋白)复合体Ⅲ：含有2个Cytb(b560和b565)，Cytc和Fe-S。

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。复合体ⅴ：又称

ATP合成酶或称H+-ATP酶复合体第27页/共68页（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。第28页/共68页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。第29页/共68页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.氧化磷酸化第30页/共68页（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。第31页/共68页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。第32页/共68页（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。第33页/共68页电子传递支路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。第34页/共68页三、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。第35页/共68页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。第36页/共68页（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。第37页/共68页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）。第38页/共68页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。第39页/共68页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40页/共68页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”。第41页/共68页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。第42页/共68页二、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）。第43页/共68页图4-16三羧酸循环中的调节部位和效应物的图解琥珀酸α-酮戊二酸

柠檬酸

异柠檬酸苹果酸丙酮酸乙酰CoA琥珀酰CoA草酰乙酸NADH

乙酰CoANADHAMP琥珀酰CoANADHATP草酰乙酸CoANADHATP

琥珀酰CoA第44页/共68页三、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45页/共68页

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。第46页/共68页（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量第47页/共68页呼吸底物种类不同，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。第48页/共68页二、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）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10000.00第49页/共68页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第50页/共68页同一器官的不同生长过程呼吸亦有极大变化。第51页/共68页三、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）。第52页/共68页

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）01234568790510152045℃40℃35℃20℃30℃25℃0℃10℃相对呼吸速率第53页/共68页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0～35℃生理温度范围内，植物呼吸作用的温度系数为2～2.5。第54页/共68页（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）。第55页/共68页图4-18苹果在不同氧分压下的气体交换第56页/共68页（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。第57页/共68页（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，呼吸速率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。第58页/共68页（五）机械损伤