《呼吸作用》PPT課件.ppt

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1、第二章 呼吸作用,植物中最重要的同化作用當(dāng)為光合作用，最重要的異化作用即是呼吸作用，呼吸作用在植物的物質(zhì)代謝，能量代謝和形態(tài)建成上均有十分重要的意義。,第一節(jié) 呼吸途徑的研究方法,中間化合物分離 酶的鑒定 抑制劑使用 加入中間產(chǎn)物觀察其變化 同位素示蹤法,中間化合物分離,植物的各個(gè)呼吸途徑均可分為若干步驟，要確定特定植物是否具有某一途徑，首先應(yīng)確定該途徑中間產(chǎn)物是否存在。如要確定TCA在植物內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)先證明該途徑中間產(chǎn)物是否存在。,酶的鑒定,要確定特定代謝途徑的存在，鑒定或分離催化各反應(yīng)特定的酶應(yīng)是十分重要的。因?yàn)槊傅拇呋匦詾閷Ｒ恍?，即一種酶只能催化一種反應(yīng)或者少數(shù)幾種反應(yīng)。所以催化某反應(yīng)的

2、酶存在，便意味著該反應(yīng)肯定存在。,抑制劑使用,這和前述關(guān)聯(lián)。不同的酶有不同的抑制劑，如丙二酸是琥珀酸脫氫酶之抑制劑，這種酶催化琥珀酸脫氫產(chǎn)生延胡索酸，如加入丙二酸后琥珀酸積累，而延胡索酸產(chǎn)生受抑制，即可證明此步反應(yīng)存在。,加入中間產(chǎn)物觀察其變化,如加入某途徑中間產(chǎn)物至植物中，此種中間產(chǎn)物可迅速參與代謝，證明此種呼吸途徑存在。,同位素示蹤法,同位素之間的區(qū)別僅為原子核內(nèi)中子數(shù)目不同，而核外電子數(shù)一樣，故其化學(xué)性質(zhì)完全相同。如12C和14C有完全相同的化學(xué)性質(zhì)，但14C有放射性，容易檢測(cè)。故以同位素標(biāo)記呼吸途徑中間產(chǎn)物或底物，檢測(cè)其轉(zhuǎn)變，即可了解呼吸途徑。,第二節(jié) 呼吸代謝的多條途徑,高等植物處于

3、一個(gè)經(jīng)常變動(dòng)的環(huán)境中，為了生存，在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中植物發(fā)展出許多適應(yīng)特征，呼吸代謝多條途徑便是其中之一。由于有多條途徑，故植物在環(huán)境變化時(shí)有多種途徑可供選擇，繼續(xù)為生長(zhǎng)發(fā)育提供能量及中間產(chǎn)物。,呼吸代謝多條途徑表現(xiàn)三方面,底物氧化途徑 呼吸鏈電子傳遞途徑 末端氧化酶,底物氧化途徑,目前已知底物氧化途徑包括EMP、TCA、HMP等。這些途徑雖然常常同時(shí)存在，但其運(yùn)行比例卻并不一定均等。不同途徑運(yùn)行比例常因植物種類、器官、 年齡及環(huán)境條件的變化而變化。,EMP,EMP在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，其生物化學(xué)歷程如下：,EMP生物化學(xué)歷程三階段,己糖磷酸化 1，6-二磷酸果糖裂解 ATP和丙酮酸生成,己糖磷酸化,此

4、階段通過磷酸化反應(yīng)將己糖（葡萄糖、果糖等）轉(zhuǎn)變?yōu)?，6-二磷酸果糖。,1，6-二磷酸果糖裂解,在醛縮酶作用下，1，6-二磷酸果糖裂解為3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮兩個(gè)磷酸丙糖。,ATP和丙酮酸生成,此階段包括了磷酸丙糖的氧化及ATP和丙酮酸的生成。磷酸丙糖經(jīng)過幾步反應(yīng)氧化為丙酮酸，同時(shí)生成NADH+H+ 和ATP，其中ATP通過底物水平的磷酸化生成。 可見經(jīng)過EMP己糖被氧化為丙酮酸，己糖中的能量被釋放并以NADH+H+ 和ATP的形式儲(chǔ)藏。,TCA,TCA在線粒體中進(jìn)行，其生物化學(xué)歷程如下：,TCA,由圖可見，有氧條件下EMP產(chǎn)物丙酮酸進(jìn)入線粒體，在丙酮酸脫氫酶復(fù)合體催化下氧化脫羧生成乙

5、酰輔酶A，后者與草酰乙酸反應(yīng)生成檸檬酸從而進(jìn)入TCA。在TCA中經(jīng)過兩次脫羧作用和四次脫氫作用又生成草酰乙酸。,TCA,在線粒體中丙酮酸經(jīng)過三次脫羧反應(yīng)和五次脫氫反應(yīng)徹底氧化，共釋放3分子CO2并生成4分子NADH+H+ 和1分子FADH2，并通過底物水平磷酸化生成1分子ATP。這樣丙酮酸中儲(chǔ)藏的能量便以NADH+H+、FADH2和ATP的形式儲(chǔ)藏。,HMP,HMP在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，其生物化學(xué)歷程下：,HMP,由圖見，6-磷酸葡萄糖經(jīng)過兩次脫氫反應(yīng)和一次脫羧反應(yīng)生成5-磷酸核酮糖和NADPH+H+ 并釋放CO2，然后5-磷酸核酮糖經(jīng)過異構(gòu)化、集團(tuán)轉(zhuǎn)移和縮合等反應(yīng)又重組為果糖-6-磷酸再轉(zhuǎn)變?yōu)?-

6、磷酸葡萄糖。 可見經(jīng)過HMP，6-磷酸葡萄糖被氧化為CO2，其中的能量以NADPH+H+的形式儲(chǔ)藏。,呼吸鏈電子傳遞途徑,底物氧化途徑中所產(chǎn)生的還原型輔酶（主要有NADH、 NADPH+H+等）經(jīng)電子傳遞，導(dǎo)致跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子動(dòng)力建立，以此推動(dòng)氧化磷酸化發(fā)生并產(chǎn)生ATP，這樣碳水化合物中儲(chǔ)藏的太陽能就轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持植物生命活動(dòng)的ATP。,呼吸鏈電子傳遞途徑,電子傳遞在電子傳遞鏈上進(jìn)行，電子傳遞鏈由不同氫傳遞體和電子傳遞體組成。 氫傳遞體包括一些脫氫酶的輔酶（NAD+、FMN等），它們既傳遞電子，亦傳遞H+。 電子傳遞體包括細(xì)胞色素系統(tǒng)、Fe-S蛋白、某些黃素蛋白等。 氫傳遞體和電子傳遞體均與蛋白

7、質(zhì)結(jié)合為復(fù)合體，嵌入線粒體內(nèi)膜上（UQ除外）。,四種復(fù)合體,復(fù)合體I （NADH脫氫酶） 復(fù)合體II（琥珀酸脫氫酶） 復(fù)合體III（細(xì)胞色素bc1復(fù)合物） 復(fù)合體IV（細(xì)胞色素氧化酶）,四種復(fù)合體,復(fù)合體I （NADH脫氫酶）,組成 黃素蛋白、Fe-S中心，其中黃素蛋白的輔基為FMN。 功能 黃素蛋白催化線粒體基質(zhì)中NADH+H+的H+ 轉(zhuǎn)運(yùn)到膜間空間，同時(shí)經(jīng)Fe-S中心將e傳遞到UQ。UQ再與來自線粒體基質(zhì)的H+結(jié)合形成還原型泛醌UQH2。 抑制劑 魚藤酮、安米妥，二者均抑制Fe-S中心的氧化和UQ的還原。,復(fù)合體II（琥珀酸脫氫酶）,組成 FAD、Fe-S中心等。 功能 催化琥珀酸氧化為延

8、胡索酸，并將H+轉(zhuǎn)移到UQ生成UQH2，此復(fù)合體不泵出H+。 抑制劑 TTFA（2-噻吩甲酰三氟丙酮）。,復(fù)合體III（細(xì)胞色素bc1復(fù)合物）,組成 2Cytb、Fe-S中心、Cytc1 功能 催化電子從UQH2CytbFe-SCytc1Cytc同時(shí)將H+釋放到膜間空間。 抑制劑 抗霉素A，抑制電子從UQH2復(fù)合體III，或抑制復(fù)合體III中電子由CytbCytc1傳遞。,復(fù)合體IV（細(xì)胞色素氧化酶）,組成和功能 含有多種不同蛋白質(zhì)，主要成分為Cyta、Cyta3及2個(gè)銅原子，組成2個(gè)氧化還原中心，即CytaCuA和Cyta3CuB。其中之一為Cytc的電子受體，另一個(gè)則是氧還原的位置。兩個(gè)氧

9、化還原中心中的Cu發(fā)生一和二價(jià)互變傳遞電子給O2，激活的O2再與基質(zhì)中H結(jié)合成水。復(fù)合體IV亦有將H+ 釋放到膜間空間的功能。 抑制劑 CO、CN-、N3-（疊氮化物）。三者均可與O2競(jìng)爭(zhēng)同Cyta3中的Fe結(jié)合，抑制Cyta3到O2的電子傳遞。,呼吸鏈電子傳遞途徑,末端氧化酶,直接催化電子交給O2生成H2O的酶稱末端氧化酶。,末端氧化酶,細(xì)胞色素氧化酶 交替氧化酶,細(xì)胞色素氧化酶,為細(xì)胞內(nèi)最主要的末端氧化酶，該酶包括酶蛋白和Cyta、Cyta3（各含一個(gè)Fe卟啉）二個(gè)輔基，另外還有2個(gè)Cu原子。其作用為催化Cyta3的電子傳給O2生成水。其抑制劑為CO、CN-、N3-等。,交替氧化酶,該酶包

10、括酶蛋白、Fe2+等。其作用為將UQH2的電子傳給O2生成水，可被水楊基氧肟酸抑制。 由于交替氧化酶不受CN-抑制，所以不少植物在CN-存在時(shí)仍有呼吸，稱為抗氰呼吸，目前已發(fā)現(xiàn)抗氰呼吸在植物界廣泛存在。,第三節(jié) 呼吸作用調(diào)節(jié),巴斯德效應(yīng)和糖酵解的調(diào)節(jié) TCA調(diào)節(jié) HMP調(diào)節(jié) 能荷調(diào)節(jié) 電子傳遞途徑調(diào)節(jié),巴斯德效應(yīng)和糖酵解的調(diào)節(jié),巴斯德效應(yīng) EMP調(diào)節(jié),巴斯德效應(yīng),O2抑制酵解產(chǎn)物積累，減少碳水化合物消耗的現(xiàn)象即為巴斯德效應(yīng)。,巴斯德效應(yīng),有O2時(shí)，碳水化合物依下式分解： C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O 由此式可見每釋放1分子CO2要消耗1/6分子葡萄糖，無酵解產(chǎn)物酒精產(chǎn)

11、生。 無O2時(shí)，碳水化合物依下式分解： C6H12O6 2C2H5OH +2CO2 由此式可見每釋放1分子CO2要消耗1/2分子葡萄糖，有酵解產(chǎn)物酒精積累。,EMP調(diào)節(jié),EMP調(diào)節(jié),由圖可見，EMP中6-P-果糖激酶和丙酮酸激酶均是重要調(diào)節(jié)酶，前者催化F-6-P FBP，后者催化PEP 丙酮酸，ATP和檸檬酸分別為二者的負(fù)效應(yīng)劑，而ADP及Pi為正效應(yīng)劑。當(dāng)有O2時(shí)ATP生成，檸檬酸水平增加，故抑制上述二酶，使EMP水平下降。缺氧時(shí)Pi及ADP水平增加，二者都可使二酶活性增加，因而促進(jìn)EMP。,EMP調(diào)節(jié),由圖還可見，3-磷酸甘油酸、2-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸三者之間的反應(yīng)均為可

12、逆反應(yīng)，所以ATP和檸檬酸抑制丙酮酸激酶活性還會(huì)導(dǎo)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，它們亦是6-P-果糖激酶的負(fù)效應(yīng)劑。,TCA調(diào)節(jié),TCA調(diào)節(jié),由圖可見，TCA中丙酮酸脫氫酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶、-酮戊二酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶均為調(diào)節(jié)酶。 NADH是主要的負(fù)效應(yīng)劑，ATP亦是。另外還有一些中間產(chǎn)物如乙酰輔酶A等通過質(zhì)量作用定律抑制相關(guān)酶活性。 AMP、CoA等則為正效應(yīng)劑。,HMP調(diào)節(jié),HMP中6-P-葡萄糖脫氫酶是一個(gè)調(diào)節(jié)酶，NADP+是其正效應(yīng)劑，而NADPH+H+則為負(fù)效應(yīng)劑。故NADPH/NADP+比值決定HMP運(yùn)行情況，高時(shí)抑制，低時(shí)促進(jìn)HMP。

13、,能荷調(diào)節(jié),能荷 ATP及其等效物質(zhì)占總腺苷酸代謝庫的摩爾分?jǐn)?shù)。 能荷可以下式表示： 能荷=ATP+1/2ADP/ATP+ADP+AMP,能荷調(diào)節(jié),可見細(xì)胞中腺苷酸全為ATP時(shí)，能荷為1，全為ADP時(shí)能荷為0.5，全為AMP時(shí)能荷為0。 能荷值表示細(xì)胞的能量狀況，并控制呼吸作用的強(qiáng)度。小時(shí)，即AMP高時(shí)，呼吸加強(qiáng)，ATP合成增加；大時(shí)即ATP多時(shí)，利用ATP反應(yīng)加快?；罴?xì)胞能荷值一般在0.8左右。能荷調(diào)節(jié)主要因?yàn)榉答佉种圃斐伞?電子傳遞途徑調(diào)節(jié),烏杜百合開花時(shí)交替途徑運(yùn)行比例大增，而細(xì)胞色素途徑幾乎無活性，這可滿足這類植物開花對(duì)產(chǎn)熱的需要，其調(diào)節(jié)機(jī)理還不甚清楚，但已知天南星科植物開花時(shí)在交替

14、途徑比例增加同時(shí)，內(nèi)源水楊酸含量增加，外源水楊酸也可誘導(dǎo)此類植物的交替途徑，包括促進(jìn)交替氧化酶基因表達(dá)。,第四節(jié) 呼吸作用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn),種子呼吸與儲(chǔ)藏 果、蔬儲(chǔ)藏 呼吸作用與作物栽培,種子呼吸與儲(chǔ)藏,干燥種子含水量低，原生質(zhì)膠體處于凝膠狀態(tài)，代謝活性低，呼吸酶活性亦低，故呼吸強(qiáng)度小，隨著種子含水量增加，呼吸作用便增強(qiáng)，不僅消耗儲(chǔ)藏物質(zhì)，還會(huì)產(chǎn)熱變質(zhì)，或者利于微生物活動(dòng)。因此種子儲(chǔ)藏時(shí)往往通過降低含水量控制呼吸以保證種子質(zhì)量不至于下降。 另外還可通過降低儲(chǔ)藏溫度，降低O2含量，適當(dāng)提高CO2含量及充氮等措施降低種子呼吸，以保證儲(chǔ)藏效果。,果、蔬儲(chǔ)藏,這類器官儲(chǔ)藏時(shí)亦通過降低呼吸作用以保證儲(chǔ)藏物質(zhì)不因呼吸降解而消耗，但此類器官降低呼吸的方式不可以干燥，所以往往采用降溫、降O2、提高CO2濃度等措施。,呼吸作用與作物栽培,栽培的作物自然要進(jìn)行呼吸作用以保證生命活動(dòng)對(duì)能量的需要，許多栽培措施均以調(diào)節(jié)植物呼吸為目的。中耕除草即是為保證根系O2供應(yīng)而采取的農(nóng)業(yè)措施，但亦有其它效應(yīng)。,