第二章-呼吸作用课件.ppt

第二章 呼吸作用 植物中最重要的同化作用当为光合作用，最重要的异化作用即是呼吸作用，呼吸作用在植物的物质代谢，能量代谢和形态建成上均有十分重要的意义。第一节 呼吸途径的研究方法n 中间化合物分离 n 酶的鉴定 n 抑制剂使用 n 加入中间产物观察其变化 n 同位素示踪法 中间化合物分离 植物的各个呼吸途径均可分为若干步骤，要确定特定植物是否具有某一途径，首先应确定该途径中间产物是否存在。如要确定TCA在植物内进行，应先证明该途径中间产物是否存在。酶的鉴定 要确定特定代谢途径的存在，鉴定或分离催化各反应特定的酶应是十分重要的。因为酶的催化特性为专一性，即一种酶只能催化一种反应或者少数几种反应。所以催化某反应的酶存在，便意味着该反应肯定存在。加入中间产物观察其变化 如加入某途径中间产物至植物中，此种中间产物可迅速参与代谢，证明此种呼吸途径存在。同位素示踪法 同位素之间的区别仅为原子核内中子数目不同，而核外电子数一样，故其化学性质完全相同。如12C和14C有完全相同的化学性质，但14C有放射性，容易检测。故以同位素标记呼吸途径中间产物或底物，检测其转变，即可了解呼吸途径。第二节 呼吸代谢的多条途径 高等植物处于一个经常变动的环境中，为了生存，在长期进化过程中植物发展出许多适应特征，呼吸代谢多条途径便是其中之一。由于有多条途径，故植物在环境变化时有多种途径可供选择，继续为生长发育提供能量及中间产物。底物氧化途径 目前已知底物氧化途径包括EMP、TCA、HMP等。这些途径虽然常常同时存在，但其运行比例却并不一定均等。不同途径运行比例常因植物种类、器官、年龄及环境条件的变化而变化。EMP EMP在细胞质中进行，其生物化学历程如下：己糖磷酸化 此阶段通过磷酸化反应将己糖（葡萄糖、果糖等）转变为1，6-二磷酸果糖。ATP和丙酮酸生成 此阶段包括了磷酸丙糖的氧化及ATP和丙酮酸的生成。磷酸丙糖经过几步反应氧化为丙酮酸，同时生成NADH+H+和ATP，其中ATP通过底物水平的磷酸化生成。可见经过EMP己糖被氧化为丙酮酸，己糖中的能量被释放并以NADH+H+和ATP的形式储藏。TCATCA在线粒体中进行，其生物化学历程如下：TCA 在线粒体中丙酮酸经过三次脱羧反应和五次脱氢反应彻底氧化，共释放3分子CO2并生成4分子NADH+H+和1分子FADH2，并通过底物水平磷酸化生成1分子ATP。这样丙酮酸中储藏的能量便以NADH+H+、FADH2和ATP的形式储藏。HMP HMP在细胞质中进行，其生物化学历程下：HMPn 由图见，6-磷酸葡萄糖经过两次脱氢反应和一次脱羧反应生成5-磷酸核酮糖和NADPH+H+并释放CO2，然后5-磷酸核酮糖经过异构化、集团转移和缩合等反应又重组为果糖-6-磷酸再转变为6-磷酸葡萄糖。n 可见经过HMP，6-磷酸葡萄糖被氧化为CO2，其中的能量以NADPH+H+的形式储藏。呼吸链电子传递途径 底物氧化途径中所产生的还原型辅酶（主要有NADH、NADPH+H+等）经电子传递，导致跨线粒体内膜的质子动力建立，以此推动氧化磷酸化发生并产生ATP，这样碳水化合物中储藏的太阳能就转变为维持植物生命活动的ATP。呼吸链电子传递途径n 电子传递在电子传递链上进行，电子传递链由不同氢传递体和电子传递体组成。n 氢传递体包括一些脱氢酶的辅酶（NAD+、FMN等），它们既传递电子，亦传递H+。n 电子传递体包括细胞色素系统、Fe-S蛋白、某些黄素蛋白等。n 氢传递体和电子传递体均与蛋白质结合为复合体，嵌入线粒体内膜上（UQ除外）。四种复合体复合体I（NADH脱氢酶）n 组成 黄素蛋白、Fe-S中心，其中黄素蛋白的辅基为FMN。n 功能 黄素蛋白催化线粒体基质中NADH+H+的H+转运到膜间空间，同时经Fe-S中心将e传递到UQ。UQ再与来自线粒体基质的H+结合形成还原型泛醌UQH2。n 抑制剂 鱼藤酮、安米妥，二者均抑制Fe-S中心的氧化和UQ的还原。复合体II（琥珀酸脱氢酶）n 组成 FAD、Fe-S中心等。n 功能 催化琥珀酸氧化为延胡索酸，并将H+转移到UQ生成UQH2，此复合体不泵出H+。n 抑制剂 TTFA（2-噻吩甲酰三氟丙酮）。复合体IV（细胞色素氧化酶）n 组成和功能 含有多种不同蛋白质，主要成分为Cyta、Cyta3及2个铜原子，组成2个氧化还原中心，即CytaCuA和Cyta3CuB。其中之一为Cytc的电子受体，另一个则是氧还原的位置。两个氧化还原中心中的Cu发生一和二价互变传递电子给O2，激活的O2再与基质中H结合成水。复合体IV亦有将H+释放到膜间空间的功能。n 抑制剂 CO、CN-、N3-（叠氮化物）。三者均可与O2竞争同Cyta3中的Fe结合，抑制Cyta3到O2的电子传递。呼吸链电子传递途径末端氧化酶n 细胞色素氧化酶 n 交替氧化酶 细胞色素氧化酶 为细胞内最主要的末端氧化酶，该酶包括酶蛋白和Cyta、Cyta3（各含一个Fe卟啉）二个辅基，另外还有2个Cu原子。其作用为催化Cyta3的电子传给O2生成水。其抑制剂为CO、CN-、N3-等。交替氧化酶n 该酶包括酶蛋白、Fe2+等。其作用为将UQH2的电子传给O2生成水，可被水杨基氧肟酸抑制。n 由于交替氧化酶不受CN-抑制，所以不少植物在CN-存在时仍有呼吸，称为抗氰呼吸，目前已发现抗氰呼吸在植物界广泛存在。第三节 呼吸作用调节n 巴斯德效应和糖酵解的调节n TCA调节 n HMP调节 n 能荷调节 n 电子传递途径调节 巴斯德效应和糖酵解的调节n 巴斯德效应 n EMP调节 巴斯德效应 O2抑制酵解产物积累，减少碳水化合物消耗的现象即为巴斯德效应。巴斯德效应 有O2时，碳水化合物依下式分解：C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O 由此式可见每释放1分子CO2要消耗1/6分子葡萄糖，无酵解产物酒精产生。无O2时，碳水化合物依下式分解：C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 由此式可见每释放1分子CO2要消耗1/2分子葡萄糖，有酵解产物酒精积累。EMP调节EMP调节 由图可见，EMP中6-P-果糖激酶和丙酮酸激酶均是重要调节酶，前者催化F-6-P FBP，后者催化PEP 丙酮酸，ATP和柠檬酸分别为二者的负效应剂，而ADP及Pi为正效应剂。当有O2时ATP生成，柠檬酸水平增加，故抑制上述二酶，使EMP水平下降。缺氧时Pi及ADP水平增加，二者都可使二酶活性增加，因而促进EMP。EMP调节 由图还可见，3-磷酸甘油酸、2-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸三者之间的反应均为可逆反应，所以ATP和柠檬酸抑制丙酮酸激酶活性还会导致3-磷酸甘油酸、2-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸水平增加，它们亦是6-P-果糖激酶的负效应剂。TCA调节TCA调节n 由图可见，TCA中丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶均为调节酶。n NADH是主要的负效应剂，ATP亦是。另外还有一些中间产物如乙酰辅酶A等通过质量作用定律抑制相关酶活性。n AMP、CoA等则为正效应剂。HMP调节 HMP中6-P-葡萄糖脱氢酶是一个调节酶，NADP+是其正效应剂，而NADPH+H+则为负效应剂。故NADPH/NADP+比值决定HMP运行情况，高时抑制，低时促进HMP。能荷调节 能荷 ATP及其等效物质占总腺苷酸代谢库的摩尔分数。能荷可以下式表示：能荷=ATP+1/2ADP/ATP+ADP+AMP能荷调节n 可见细胞中腺苷酸全为ATP时，能荷为1，全为ADP时能荷为0.5，全为AMP时能荷为0。n 能荷值表示细胞的能量状况，并控制呼吸作用的强度。小时，即AMP高时，呼吸加强，ATP合成增加；大时即ATP多时，利用ATP反应加快。活细胞能荷值一般在0.8左右。能荷调节主要因为反馈抑制造成。电子传递途径调节 乌杜百合开花时交替途径运行比例大增，而细胞色素途径几乎无活性，这可满足这类植物开花对产热的需要，其调节机理还不甚清楚，但已知天南星科植物开花时在交替途径比例增加同时，内源水杨酸含量增加，外源水杨酸也可诱导此类植物的交替途径，包括促进交替氧化酶基因表达。第四节 呼吸作用与农业生产n 种子呼吸与储藏 n 果、蔬储藏 n 呼吸作用与作物栽培 种子呼吸与储藏n 干燥种子含水量低，原生质胶体处于凝胶状态，代谢活性低，呼吸酶活性亦低，故呼吸强度小，随着种子含水量增加，呼吸作用便增强，不仅消耗储藏物质，还会产热变质，或者利于微生物活动。因此种子储藏时往往通过降低含水量控制呼吸以保证种子质量不至于下降。n 另外还可通过降低储藏温度，降低O2含量，适当提高CO2含量及充氮等措施降低种子呼吸，以保证储藏效果。果、蔬储藏 这类器官储藏时亦通过降低呼吸作用以保证储藏物质不因呼吸降解而消耗，但此类器官降低呼吸的方式不可以干燥，所以往往采用降温、降O2、提高CO2浓度等措施。呼吸作用与作物栽培 栽培的作物自然要进行呼吸作用以保证生命活动对能量的需要，许多栽培措施均以调节植物呼吸为目的。中耕除草即是为保证根系O2供应而采取的农业措施，但亦有其它效应。