第四章 呼吸作用 （ Respiration） 第一节 意义、指标与细胞定位 一、概念和生物学意义 1、历史与概念 1797年， Saussure，发现呼吸作用的气体交 换现象； 了解呼吸作用的化学性质，氧化分解，形 成了呼吸作用是单纯的异化作用。 20世纪以来，不但注意到气体交换现 象，而且对其内部所进行的生化过程与 酶的活动，进行了深入研究，揭露了呼 吸作用中包含的一系列复杂的中间产 物，能量的逐步释放，不只是异化过 程，认识到呼吸作用是植物生命活动中 一个不可缺少的过程。 20世纪六十年代后，对呼吸代谢的性质、变 化及其与其他生命活动和环境条件的关系等 进行广泛研究，有了新发展。 汤佩松先生提出的“植物呼吸代谢的多条路 线”学说：植物呼吸作用不只是一个重要的 代谢过程，还是控制并联结植物的形态结 构、生理功能及生长发育等方面的 枢纽 ；呼 吸代谢本身也受到生长发育、植物激素与外 界条件的 控制与影响，呼吸代谢处于一个联 系并调控各种生命活动的中心位置 。 1、定义： （ 1）吸收 O 2 ，释放 CO 2 ， （ 2）对有机物的氧化分解， （ 3）能量的转化， （ 4）食物的燃烧。 单独均不完善，汤佩松先生综合四点提 出（植物学报 1979， 21（ 2）： 93-106) 呼吸作用是这样一个过程：植物把贮存于其 机体内的化学能（糖、淀粉等）一部分转化 为生物功（呼吸、运输等），一部分转化为 具有更高序性的结构（负熵增加）和组合形 式（器官建成），以维护有机体的存在和功 能，在基因浅势所确定的限度内为酶所控制 的呼吸代谢作用控制着植物的形态和生理功 能，在一定范围内叶受到内因（生长发育、 激素等）和外界条件（ H 2 O、 O 2 分压、温度 等）的影响和调节。 （ 1）把储存物转化为功外，为其他生理功能体供 能量，物质和能量转化； （ 2）不是单纯的异化过程，异化中存在同化过 程，其中间产物和其所释放出的能量又提供植物 体内合成代谢的原料和能量； （ 3）表达了呼吸作用与其他生命活动（生理功 能）间的相互联系，突出重要的生物学意义； （ 4）把呼吸代谢的多样性看成是基因通过酶的一 种表达，而且也受外因（环境等）的影响 。 CH 2 O + O 2 X 1 X 2 -- CO 2 + H 2 O + ΔG Y 1 Y 2 2、类型： （1）有氧呼吸(aerobic respiration) （2）无氧呼吸（anaerobic respiration） 3、生物学意义 二、呼吸作用的指标及其测定 1、呼吸强度（速度、活性）强弱（ respiratory intensity\ rate\activity） 定义：指在一定环境条件下，单位时间内单位 植物部分的氧吸收量或释放量，干物质的减少 量。 O 2 吸收量 （ Q O 2 ） /单位植物部分 /单位时间 CO 2 释放量 （ Q CO 2 ） /单位植物部分 /单位时间 μl 或微克分子 /克鲜重、克干重、豪克蛋白 / hr 干物质减少量（克、毫克） /单位植物部分 /单位时间 2、呼吸商（呼吸系数） respiratory quotient,R.Q（ coefficient）， 同一植物组织在一定时间内所释放的CO 2 与所 吸收的O 2 的量(体积或摩尔数)的比值。它表示 呼吸底物的性质及氧气供应状态的一种指标。 RQ=释放的CO 2 /吸收O 2 的量 （1）底物类型：RQ不同： 糖： RQ=1； 富含氢的脂肪、蛋白质：吸收的氧多， RQ<1； 棕榈酸(C １6 H 32 O 2 )转变为蔗糖时RQ=0.36； 富含氧的有机酸(氧含量高于糖)： RQ>1 苹果酸(C 4 H 6 O ５ )氧化时RQ=1.33。 （2）无氧呼吸的存在情况（环境的氧供应）： 如糖在无氧时发生酒精发酵，只有CO 2 产生，无 O 2 的吸收，则RQ远大于1。如不完全氧化吸收的 氧保留在中间产物中放出的 CO 2 量相对减少， RQ会小于 1。氧分压降低，RQ增加。 （ 3）与植物内部代谢有关 进行呼吸的同时， 脂肪 糖，氧化过程，使吸氧量增加， RQ降低，反之RQ增加。 羧化反应，吸收 CO 2 ，RQ降低， 脱酸反应，产生 CO 2 ，RQ增大 （ 4）外界条件的影响： 凡是影响 O2吸收或 CO2释放的因素均影 响 RQ。 3、测定 （ 1）瓦氏呼吸计 （ Warburg manometric apparatus) （ 2）气流法 （ 3）红外线：利用 CO 2 对红外线的特殊专一 吸收来确定。 （ 4）氧电极 三、呼吸作用在细胞中的定位（区域 化） 20世纪 30~60年代的主要研究成果，汤佩松先 生提出了呼吸代谢的多条（路线）途径的观 点。可分为两个阶段：底物的氧化降解与电 子传递途径。 呼吸作用的多条途径: 呼吸作用 无氧呼吸 酒精发酵 乳酸发酵 有氧呼吸 糖酵解 磷酸戊糖途径 三羧酸循环 交替氧化系统 多酚氧化酶系统 糖酵解 细胞色素氧化系统 过氧化物氧化酶系统 抗坏血酸氧化酶系统 乙醇酸氧化酶系统 乙醛酸氧化酶系统 末端氧化系统 定位： 细胞质： 糖酵解与磷酸戊糖途径， 线粒体： 三羧酸循环、电子传递与氧 化磷酸化， 乙醛酸体： 乙醛酸循环。 线粒体结构 形态与分布 光镜下，线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物 种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线 状、分杈状或其它形状。一般直径 0.5~1μ m， 长 1.5~3.0μ m，数目一般数百到数千个，植物 因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少； 电镜下，精细的内部结构，内外两层膜组成的 囊状体，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个 功能区隔。外膜平滑，是界限膜，内膜的不同 部位向内折叠，形成隔板状或管状的脊。 在内膜内侧表面分布有许多带柄的 球状小体，即 ATP合酶复合体，该 酶的功能是催化 ATP合成。电子传 递和氧化磷酸化就发生在内膜上。 线粒体的 TEM照片 第二节 呼吸作用底物水平的代谢途径 一、糖酵解途径（ EMP） （ Embden,Meyerhof,Parnas） 有氧呼吸与无氧呼吸的共同阶段，存在于动、植物及 微生物的所有细胞中。 糖酵解途径分三个阶段： (1)已糖的活化（磷酸化） (2)已糖的裂解（果糖-1，6-二磷酸裂解，2三碳 糖） (3)丙糖的氧化（脱氢形成磷酸甘油酸） 总反应式为： C 6 H 12 O 6 + 2NAD + + 2ADP+2Pi 2CH 3 COCOOH+2NADH+2H + +2ATP+2H 2 O 1、定义： 2、丙酮酸的进一步氧化 有氧氧化： 彻底氧化分解为 CO 2 和 H 2 O 无氧氧化： 不彻底的分解，产生 CO 2 合其 它未完全氧化的物质（酒精、乳 酸） 3、产能：无 O 2 ， 2ATP （底物水平） 有 O 2 ， 8ATP（ 2+6） 4、专一性抑制剂： 碘乙酸（ 1mM ）， 3-磷酸甘油醛脱氢酶， NaF（ 0.025M） ,烯醇化酶 5、糖酵解的生理意义 (1)糖酵解普遍存在于生物体中, 是有氧呼吸和 无氧呼吸的共同途径。 (2)糖酵解过程中产生的一系列中间产物,在不同 外界条件和生理状态下,可以通过各种代谢途 径,产生不同的生理反应,在植物体内呼吸代谢 和有机物质转化中起着枢纽作用。 (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,除了己糖激酶、果糖磷酸激酶 、丙酮酸激酶所催化的反应以外,其余反应均 可逆转,这就为糖异生作用提供了基本途径。 二、发酵作用 1.酒精发酵 在无氧条件下, 丙酮酸脱羧生成CO 2 和乙醛，乙醛再被还原为乙醇的过 程。 2.乳酸发酵 在无氧条件下, 丙酮酸被NADH+H + 直 接还原为乳酸的过程 。 三、三羧酸循环（ TCAC) Tricarboxylic acid cycle 1.概念： 指丙酮酸CO 2 在有氧条件下，通过一个 包括三羧酸和二羧酸循环而逐步 氧化分解，最终 形成水和二氧化碳并释放能量的 过程，又称为柠 檬酸环或Krebs环，简称 TCAC 。 作用：EMP途径产生的丙酮酸脱羧和脱氢，最终形 成CO 2 +H 2 O的过程。 总反应式： 2CH 3 COCOOH+8NAD + +2FAD+2ADT+2Pi+4H 2 O 6CO 2 +8NADH+8H + +2FADH 2 +2ATP 1、特殊酶 （ 1）丙酮酸脱氢酶复合物和 α-酮戊二酸脱氢 酶复合物 三种酶：脱羧酶（丙酮酸、 α-酮戊二酸） 转移酶（双氢硫辛酸转移酶乙酰基 / 琥珀酰基） 脱氢酶（双氢硫辛酸脱氢酶） 六种辅助因子：焦磷酸硫胺素（ TPP）、辅酶 A、 NAD + 、 FAD、硫辛酸和 Mg 2+ （ 2）琥珀酸脱氢酶： FAD为辅基的黄蛋白 （ 3）丙酮酸的彻底氧化：两个阶段 A：脱羧、脱氢，产生 3CO 2 ， 4NADH， FADH 2 丙酮酸 乙酰 CoA，异柠檬酸 α-酮戊二酸 α-酮戊二酸 琥珀酰 CoA ； 苹果酸 草酰乙酸，琥珀酸 延胡羧酸 B：氢受体经呼吸电子传递链，最终把电子交 给 O 2 ，形成 H 2 O。 2、产能： ATP: (4NADHx3+FADH 2 x2) + 2ATP=15 EMP-TCAC: 1x15 +8 = 38 ATP TCAC产生能量比 EMP多。 3、专一性抑制剂 丙二醛（ 0.05M， pH4.5）抑制琥珀酸脱氢 酶， 亚砷酸钠（ 0.005M） α-酮戊二酸脱氢酶 , αα‘- 联吡啶（ 0.02% ），柠檬酸合成酶与顺 乌头酸酶。 4、生物学意义（特点） 四、磷酸戊糖途径 (pentose phosphate pathway） 1.概念 指在细胞质内进行的一种 将葡萄糖直接 氧化降解的酶促反应过程 。或称为已糖 磷酸支路 ( hexose monophosphate pathway)。简称 PPP/HMP。也称为葡萄糖 直接氧化途径。 2、磷酸戊糖途径的化学历程 脱氢反应 （1）葡萄糖氧化脱羧阶段 脱羧反应 不可逆 脱氢脱羧反应 (2)非氧化分子的重组阶段（可逆，分子 内中排） 总反应式为： 6G6P+12NADP + +7H 2 O 6CO 2 +12NADPH+12H + +5G6P+Pi HMP途径放出的 CO 2 全部来源于 G-6-P的第一碳 3、产能： 两步氧化反应中各产生 1分子 NADPH ，产生 6CO 2 时， 12NADPH，进入呼吸链时可通过 两种方式： （1）H交给泛醌，在行传递，泛醌 O 2 的电 子传递只产生2ATP，2x12ATP； （2）H先转给 NAD + ，使其还原成 NADH， 3x12ATP 减去葡萄糖磷酸化时消耗的ATP，实际35ATP 产生 ATP数量来说， HMP途径（ 35）与 EMP-TCAC途经（ 38）相差不大， HMP途 径的能量利用率与 EMP-TCAC途径同样有 效。但是，电子传递链的细胞色素系统接受 NADPH上 H的能力很低，因此，只能说 HMP 途径产生了 NADPH ，而不是 ATP， （ 3） NADPH主要是作为还原剂（供氢 体），用于还原性的生物合成（更实际）。 4、磷酸戊糖途径的生理意义 （ 1）葡萄糖直接氧化过程，有较高的能量转化效 率。 （ 2）生成的大量 NADPH可作为主要供氢体，在脂肪 酸、固醇等的生物合成、氨的同化中起重要作用。 （ 3）该途径中一些中间产物使许多重要有机物质生 物合成的原料。 RuBP--核酸， E4P,PEP--莽草酸、芳 香族氨基酸、生长素、绿原酸、咖啡酸。 （ 4）该途径非氧化分子重排阶段形成的丙糖、丁 糖、戊糖、己糖和庚糖的磷酸酯及酶类与光合作用卡 尔文循环中间产物和酶相同，因而磷酸戊糖途径和光 合作用可以联系起来，相互沟通。 （ 5）在许多植物中普遍存在，特别是在植物感病和 受伤、干旱时，组织衰老时可占全部呼吸的 50%以 上 五、乙醛酸循环 1、发现： 1957年 ，Kornberg&Krebs细菌中发现，乙 酸为唯一碳源时，乙酸可经与相类似，以乙醛酸为中 间产物的特殊代谢循环而氧化分解，称为“乙醛酸循 环”，不久，Kornberg&Beevers ( 1957) 蓖麻胚乳中 有类似主要步骤存在， 1961年 ，Beevers证明此途径 是含脂肪器官的代谢特点，在植物中广泛存在。油料 种子萌发时，贮藏的脂肪会分解为脂肪酸和甘油。脂 肪酸经β-氧化分解为乙酰CoA，在乙醛酸体 （glyoxysome）内生成琥珀酸、乙醛酸、苹果酸和草 酰乙酸的酶促反应称乙醛酸循环（Glyoxylic acid cycle, GAC），素有“脂肪呼吸”之称。该途径中产 生的琥珀酸可转化为糖。 2、化学途径 3、关键酶 （ 1）异柠檬酸裂解酶 （ 2）苹果酸合成酶 其它酶与 TCAC完全相同 4、 GAC 与 TCAC的区别 （ 1）微生物中只有当乙酸是唯一碳源时， 进行 GAC ， （ 2）分布于定位不同： GAC 定位于乙醛酸体， TCAC定位于线粒体 （ 3）生理作用不同： GAC 实现脂肪向糖的转化， TCAC糖的氧化分解。 5、生理意义： （ 1）脂肪氧化分解的途径， （ 2）产生了琥珀酸，一方面进入 TCAC， 另一方面转化为糖。 适应油料种子萌发时物质转化的需要。 六、乙醇酸途径 （ glycolic acid oxidation pathway） 是水稻根系特有的糖酵解途径。 参与的关键酶是 （ glycolate oxidase） 水稻一直生活在供氧不足的淹水条件下，当根 际土壤存在某些还原性物质时，水稻根中的部 分乙酰 CoA不进入 TCA循环，而是形成乙酸， 然后，乙酸在乙醇酸氧化酶及多种酶类催化下 依次形成乙醇酸、乙醛酸、草酸和甲酸及 CO2，并且每次氧化均形成 H 2 O 2 ，而 H2O2又 在过氧化氢酶催化下分解释放氧，可氧化水稻 根系周围的各种还原性物质（如 H2S、 Fe2+ 等），从而抑制土壤中还原性物质对水稻根的 毒害，以保证根系旺盛的生理机能，使水稻能 在还原条件下的水田中正常生长发育。 第三节 呼吸链与氧化磷酸化 一、线粒体的电子传递链及其结构组成 1、概念： 底物代谢的各种途径，有 H的释放 （ NADH、 NADPH 2 、 FADH 2 ），这些不 能直接与分子氧结合成水，经过一系列 传递体的传递，最后传给能自身氧化的 物质，将 H交给 O 2 ，形成 H 2 O。 电子传递链 (Electron Transport ChainETC, electron transport system ETS)，又称呼吸链（ respiratory chain），是指按一定顺序排列互相衔 接传递氢（ H + ）或电子到分子氧的一 系列呼吸传递体的总轨道。 H + 或电子传递系统。 2、组成： 由能够进行迅速而可逆氧化还原反应的传递 系统组成，包括氢传递系统和电子传递系 统。 氢传递体： 传递 H（ H + +e） , 主要是脱氢酶的 辅助因子， NAD+,FMN(FAD),UQ 等； 电子传递体： 传递电子， 细胞色素系统、黄素蛋白、铁硫蛋白、铁氧 还蛋白等。 （ 1） NAD + （烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）：许多 脱氢酶的辅酶， EMP-TCAC中，除琥珀酸脱氢 酶外，其它均为 NAD + 。 （ 2）黄素蛋白类 (黄酶 )：以 FAD或 FMN为辅基 , 的酶，常写为 FP。 FAD--黄素腺嘌呤二核苷酸， FMN--黄素单核苷酸； A、按辅基分： FAD和 FMN两种， B、按功能分：分为四种。 a、 NADH脱氢酶：以 FMN为辅基，作用是接 受 NADH脱下的 H， b、 琥珀酸脱氢酶：以 FAD为辅基，含铁，作 用接受琥珀酸脱下的 H。 两者都含有不同数目的非血红素铁 ,与硫结合 成铁硫蛋白。 c、 二氢硫辛酸脱氢酶：丙酮酸脱氢酶和 α-酮 戊二酸脱氢酶系中的，辅基，不含铁，作用是 从二氢硫辛酸脱氢，交给 NAD + 。 d、 传递电子的黄蛋白：辅基 FAD，不含铁， 作用是在各种蛋白与泛醌（ UQ）或 Cyt.b复合 物之间传递电子。 （ 3）铁 -硫蛋白类 (铁硫中心 )：是一族与蛋白 质的四个 Cys结合在一起的含铁，和对酸不稳 定的硫原子的蛋白质，亦称非血红铁蛋白。 铁 -硫中心的铁原子能够以氧化态 (Fe 3+ )或还原 态 (Fe 2+ )存在，其作用是通过 Fe的价态变化而 起到传递电子的作用。 （ 4）辅酶 Q(CoQ),也称泛醌：是呼吸链上唯 一的非蛋白质成分 ,是脂溶性化合物，可以在 线粒体膜上自由移动，能在 Cyt与 Fe-S间来回 穿梭。它是一个带有长的异戊二烯侧链的醌类 化合物。不同辅酶 Q的异戊二烯侧链数不同。 辅酶 Q通过醌 /酚结构的互变传递电子。 （ 5）细胞色素类： Cytochrome 是呼吸链中的电子传递系统，只能传递电 子。含铁的电子传递体。铁原子处于卟啉结 构的中心，构成血红素。通过辅基中 Fe 2+ 、 Cu 2+ 离子价可逆变化进行电子传递，都以血红 素为辅基，这类蛋白具有红色。 Cyt成分首先由 MacMunn (1885) 在动物组织中 发现，取名组织血红素，提出这类物质能参加 呼吸代谢的氧化作用。 1921年， Keilin重复研 究，证明广泛存在于需氧细胞中，改名为 Cyt， 提出还原态 Cyt在可见光部分出现四条带，有三 种化合物引起的，分别称 Cyta\b\c。 随分光光度技术的发展，特别是低温差异光谱 的应用，发现 Cyt组分在动物、植物及微生物中 并不完全相同，而且本身又可再分成不同的种 类，分别按其吸收峰的 nm数表示。 A、 Cyt b ：一种复合物，植物线粒体中至 少有三种，不同看法， a、 b 557 、 b 560 、 b 566 b、 b 553 、 b 557 、 b 562 B、 Cyt C：两种， Cyt C 549 、 Cyt C 547 C、 Cyt a：两种， Cyt a Cyt a 3 ，不易分开，有两种叫法， a、 Cyt a a 3 称为细胞色素氧化酶， b、 Cyt a 3 称为细胞色素氧化酶。 Cyt aa 3 以复合物形式存在 , 含有两个血红素分 子和两个的铜离子 , 在 cyt a与 cyt a 3 间传递电 子，电子传递过程中铁和铜都发生价态的变 化， Fe 3+ Fe 2+ ， Cu 2+ Cu + ， 两个血红素分子的功能不同， Cyt a 与 Cyt c起 作用，而 Cyt a 3 与 O 2 起作用，整个呼吸链中除 Cyt a 3 外，其余都不能被氧分子所氧化。由于 Cyt aa 3 分子中的铁能与 CO， CN - ， N 3 - 等结 合，而使电子传递受阻，是氧呼吸的抑制剂。 3、定位与复合体 （ 1）定位：真核细胞的电子传递链位于 线粒体内膜，原核细胞的电子传递链则定 位于质膜。 （ 2）复合体： 四种或五种 。 (1)复合体Ⅰ ( NADH脱氢酶或NADH-泛醌氧 化还原酶) 25种不同蛋白质 ,包含 FMN,Fe-S蛋白 ,催化电子 从 NADH到泛醌 (UQ)，将 2H转移到膜间空间 。 (2)复合体Ⅱ (琥珀酸脱氢酶或琥珀酸 -泛醌氧化 还原酶) 4-5种蛋白质 ,包含 FAD为辅基的黄素蛋白 ,琥珀 酸脱氢酶， 3种 Fe-S蛋白 ,cytb560,催化电子从琥 珀酸到泛醌 .将 2H转移到 UQ生成 UQH 2 。 (3)复合体Ⅲ (泛醌-细胞色素c氧化还原酶):包 含cytb,c,Fe-S蛋白，催化电子从还原型泛醌 （被复合物I和II还原的）到cytc，同时将2H 转移到膜间空间。 (4)复合体Ⅳ (细胞色素c氧化酶) 至少有13种蛋白质,包含cyta和cyta 3 ,含2Cu,催 化电子从还原型cytc到O 2 ，被激活的O 2 可与线 粒体基质中的氢结合生成水。 (5)复合体Ⅴ (ATP合成酶) 不是呼吸电子传递链的成员，但因定位于内 膜，主要作用是氧化磷酸化，称为复合体V， 四种复合体时，归属于复合体IV。 主要作用是氧化磷酸化，由F 0 F 1 两部分组 成，又称F 0 F 1 -ATP合酶，F 0 由4个不同亚基组 成，是复合物的“柄”。镶嵌在内膜种，内 有传递H的通道，F 1 由五种9条亚基组成，是 复合物的 “头 ”，伸入膜内的基质中，与F 0 结 合在一起，催化ATP合成。 UQ和 Cyt c 可移动， UQ脂溶性的，含量 高，广泛存在于生物界，也称泛醌，一般 由 9-10异戊二烯单位组成，非蛋白的成员， 在线粒体膜内，不与蛋白质结合，能在膜 脂质内自由移动，是复合物体 I和复合物体 II与复合物体 III之间的电子载体。 Cyt c是一种外周蛋白 , 电子传递链中唯一可 移动的色素蛋白，不是膜整合蛋白复合物 的成员，通过辅基中离子价的可逆变化， 在复合体 III与 IV之间传递电子。 电子传递体在线粒体内膜上的分布是严格有 序的，由各组分具有的氧化还原电位 （ E°′）的大小决定的， E°′值越小，还原势 越强，供电子的能力越强， E°′值越大，氧 化势越强，接受电子的能力越强。电子总是 从低氧化还原电位流向高氧化还原电位， NADH的 E°′ = -0.32V， O 2 E°′= +0.82V，电 子由 NADH传递到 O 2 。 二、氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 1、概念： 在生物氧化过程中发生的磷酸化作用 称为氧化磷酸化。是需氧生物合成 ATP的主要 途径。 2、机制： P.Mitchell的化学渗透假说，跨膜的 质子动势是推动 ATP合成的原动力。 呼吸传递体在线粒体内膜上有着特定的不对称 分布，彼此相间排列，定向传递。将 H+从线粒 体内膜内侧泵至外侧。一对电子从 NADH传递 到 O2时，共泵出 6个 H+；从琥珀酸的 UQH2开 始，则共泵出 4个 H+。泵至外侧的 H+，不能自 由通过线粒体内膜而返回内侧。 3、活力指标： P/O比。 无机磷消耗量和原子氧消耗量的比值，或每消 耗一个氧原子（ 1/2O 2 ）与所用去的 Pi或产生 的 ATP的分子数的比值。 呼吸链四个复合体中，复合体 I、 III和 IV是 ATP的形成偶联部位，复合体 II不能偶联 ATP 的形成。 最新测定表明： NADH呼吸链的 P/O=2.5， FADH 2 呼吸链的 P/O=1.5， EMP途径中 3- PGAld 脱氢生成的 NADH+H+，其 P/O=1.5。 4、解偶联与抑制剂： 解偶联作用： 解除电子传递与磷酸化 (ATP形成过 程 )偶联的作用称为解偶联作用。 解偶联剂 (uncoupler):使电子传递和 ATP生成过程分 离 ,只抑制 ATP的形成过程 ,不抑制电子传递过程 , 如 2,4-二硝基苯酚 (DNP)： 在酸性环境下接受质子成 为脂溶性物质 ,透过内膜 ,同时将质子 H + 带入内膜 ,破 坏了跨膜 H + 梯度而引起解偶联现象。植物在不良环 境如干旱、冷害、或缺钾等时也会导致氧化磷酸化 解偶联。 抑制剂 :能抑制氧的吸收利用和阻止 ATP生 成，有别于电子传递的抑制剂 .如寡霉素： 与 FoF1-ATP酶的 Fo的一个组分蛋白结 合 ,“堵塞 ”了其内的质子能道 ,阻止膜外的 H + 回流到基质内 . 三、电子传递的多样性 :主路与支路 在生物界分布最广泛，为动、植物、 微生物所共有。主要特征：电子通过 UQ及细胞色素系统到达 O 2 。对鱼藤 酮、抗霉素 A、氰化物（ KCN）、叠 氮化物（ NaN 3 ）、 CO都敏感。 P/O比 ≤ 3 。 支路 I： 脱氢酶辅基是一种黄素蛋白（ FP 2 ）。 电子从 NADH脱下后经 FP 2 直接传到 UQ，不被 鱼藤酮抑制，而对抗霉素 A、氰化物敏感。 P/O 比为 2 或低于 2 。 支路 II： 脱氢酶辅基是另一种黄素蛋白 （ FP 3 ），其 P/O比为 2。其他与支路之一相同。 支路 III： 脱氢酶辅基是另一种黄素蛋白 （ FP4），电子从 NADH脱下后经 FP4和 Cytb5 直接传给 Cytc，对鱼藤酮、抗霉素 A敏感，可 被氰化物所抑制，其 P/O 比为 1 。 支路 IV： 交替途径（抗氰呼吸链）对氰化 物不敏感，既在氰化物存在时，仍能进行 呼吸。电子自 NADH脱下后，传给 FMN、 Fe-S、 UQ、不经细胞色素电子传递系统， 而是经 FP和交替氧化酶传给氧生成水，其 电子传递过程仅能产生少量 的跨膜势能(位 于位点Ⅰ，即 NADH脱氢酶处)，其 P/O比 为 1，是非磷酸化的，水杨基氧肟酸是交替 途径的专一性抑制剂。 四、末端氧化酶系统的多样性 末端氧化酶（ terminal oxidase） ： 指能将底物脱 下的 电子 最终传给 O 2 ， 使其活化，并形成 H 2 O或 H 2 O 2 的 E类。 有的存在于线粒体内，本身就是电子传递体。 有的存在于细胞质基质和其它细胞器中。 1、细胞色素氧化酶（线粒体） 植物体内最主要的末端氧化酶，与 O 2 的亲和力 极高，承担细胞内约 80%的耗氧量。该酶含 铁和 铜 ， 其作用是将 Cyta 3 电子传给 O 2 ，生成 H 2 O，受 氰化物、 CO抑制。 2、 交替氧化酶（线粒体）：（alternative oxidase）\抗氰氧化酶（cyanide-resistant oxidase） 含 Fe，将电子从 UQ经 FP传给 O 2 ；对氧的亲和力 较高。易受 SHAM所抑制。对氰化物不敏感。 最初是在研究天南星科植物佛焰花序开花时的产 热现象中发现的( Meeuse, 1975)，呼吸高100倍以 上，是组织温度比环境高出10-20 °C。现已发现 该途径几乎存在于所有的高等植物中，在某些真 菌，原生生物中亦有存在 ( Day et al.,1995)。 放热呼吸：thermogenic respiration 抗氰呼吸在调节碳代谢和电子传递之间的平 衡以及在植物的抗逆性等过程中起重要作 用(Vanlerberghe and McIntosh,1997)。 抗氰呼吸研究成为近年来植物呼吸代谢领 域的热门课题。目前，研究主要集中在对 交替氧化酶的生化及分子特性，交替氧化 酶的表达及调控，抗氰呼吸的调节机制及 其生理意义等方面。 （ 4） 低温胁迫，伤诱导和磷亏缺等生理条件或状 态，对交替途径均有诱导作用(梁峥和梁厚果， 1998) （5） 代谢协同调控： （A） 当底物和NADH过剩时，分流 电子； （B） cyt 途径受阻时 ，保证EMP- TCA途径、PPP正常运转。维持生命 活动各方面的需要。 3、线粒体外末端氧化酶： 参与的电子传递途径没有能量 截留和利用 对氰 化物 敏感 对O 2 亲 和力 所含 金属 分布 部位 乙醇 酸氧 化 E Vc氧 化 E 酚氧 化 E 交替 氧化 E 细胞色 素氧化 E 线粒体 线粒体 质体 细胞质 过氧化 微体 物体 铁和铜 铁 铜 铜 无 极高 高 中等 低 极低 敏感 不敏感 敏感 敏感 不敏感 植物体内的末端氧化酶的多样性能使植物在 一定范围内适应各种外界环境。细胞色氧化 酶对 O 2 的亲和力大，所以在低氧浓度时仍能 发挥作用。酚氧化酶、黄酶对氧的亲和力较 低，故只能在高 O 2 时顺利起作用。在苹果果 肉外以酚氧化酶和黄酶为主，而内部以细胞 色素氧化酶为主。 细胞色素氧化酶对温度最敏感，黄酶对 温度不敏感，故低温、成熟时苹果以黄酶为 主，未成熟、气温高时以细胞色素氧化酶为 主。 第四节 呼吸作用的调节与调控 一、巴斯德效应与糖酵解调节 1、巴斯德效应（ Pastuer effect）的概 念： 有氧条件下酒精发酵受抑制的现象。即O 2 可以降低糖类的分解代谢和减少EMP产物 的积累。 2、糖酵解调节 EMP两个关键酶：磷酸果糖激酶和丙酮酸 激酶。ATP、柠檬酸、PEP为主要负效应 物，而K、Mg、Pi可提高酶活性。 二、三羧酸途径与磷酸戊糖途径的调节 1、三羧酸途径： 丙酮酸脱氢酶系：CoA和NAD + 促进，乙酰CoA和NADH抑制；[ATP]高时该酶被磷 酸化而失活；丙酮酸浓度高时则会降低该酶的磷 酸化程度提高此酶的活性，促进TCA循环。 NADH和ATP对柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、 苹果酸脱氢酶等有抑制作用，NAD + 、高比例的 NAD + /NADH和ADP则为其激活剂；AMP对a-酮戊二酸 脱氢酶有促进作用；反馈抑制：如a-酮戊二酸对 异柠檬酸脱氢酶的抑制，草酰乙酸对苹果酸脱氢 酶的抑制。 2、磷酸戊糖途径 受NADPH/NADP + 调节。G6P脱氢酶为PPP 的关键酶，受NADPH抑制，NADP + 促进 其活性；NADPH抑制6-磷酸葡萄糖酸脱 氢酶活性；降低NADPH/NADP + 可促进 PPP进行。光照充分、供氧可促进 NADPH被利用，促进PPP；植物受旱、 受伤、衰老、种子成熟过程PPP加强。 三、腺苷酸能荷（ energe charge）的 调节 能荷库:ATP,ADP,AMP. 能荷:总的腺苷酸系统中所负荷的高 能磷酸基数量,是细胞中高能磷酸状态 一种数量上的衡量，体现着细胞中腺 甘酸系统的能量状态 。 能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。0～1,一般 为0.75～0.95。当全部腺苷酸都转化成ATP时,能 荷为1.0；全为ADP时EC=0.5；当全为AMP时 EC=0。 ATP的生成和消耗途径以及细胞内的反应是和细 胞内能量载荷状态相呼应的。能荷高时, ATP生 成过程受抑制,合成代谢增强从而促进ATP的利 用。能荷低时,减少利用ATP,增加分解代谢从而 增加产生ATP。如高浓度ATP,低水平AMP会降低柠 檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶的活性,从而使TCA活 性降低。表明生物体内ATP的利用和形成有自我 调节与控制的作用。