第四章呼吸作用zj精.docx

1、第四章呼吸作用zj精一、章(节、目授课计划第页授课章节名称第四章植物的呼吸作用授课时数3教学目的 呼吸作用生理意义、主要类型 影响呼吸商的因素呼吸代谢的多样性呼吸知识在农业上的应用教学要求1、掌握呼吸作用生理意义、主要类型2、熟悉呼吸代谢的多样性3、了解呼吸知识在农业上的应用教学重点呼吸作用生理意义、主要类型教学难点呼吸作用主要类型,影响呼吸商的因素,呼吸代谢的多样性教学方法与手段讲授法、师生互动法作业与思考题课后作业阅读书目或参考资料教学后记二、课时教学内容第页教学内容小结第一节呼吸作用的类型及意义一、呼吸作用类型:1、有氧呼吸生活细胞在有氧气参与下,将有机物彻底氧化分解,放出CO2和H2O

2、,同时释放能量的过程。C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 能量r G=2870kJ2、无氧呼吸在无氧条件下,生活细胞把某些有机物分解为不彻底的氧化产物,同时释放能量的过程。C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 能r G=100kJ二、呼吸作用生理意义1、能量代谢:提供生命活动大部分能量2、物质代谢:中间产物是许多物质合成的原料3、自卫作用方面意义:增强免疫力*呼吸加强,使伤口木质化、栓质化,使伤口愈合*产生杀菌物质,杀灭病菌*分解病原微生物分泌的毒素三、呼吸作用的指标(一呼吸速率:在一定时间内,单位植物组织所放出的CO2的量(QCO2 或吸收O2的量(QO2(二

3、呼吸商(呼吸系数1、概念呼吸商植物组织在一定时间内,放出CO2的量与吸收O2的量的比率。RQ=放出CO2的量/吸收O2的量2、影响RQ的因素呼吸底物碳水化合物:RQ = 1C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O RQ= 6CO2/ 6O2=1.0脂肪、油脂、蛋白质:RQ 12C57H104O9 + 157O2 114CO2 + 104H2O(蓖麻油RQ=114CO2/157O2=0.73有机酸: RQ 1C4H6O5+ 3O2 4CO2 + 3H2O (苹果酸RQ= 4CO2/3H2O=1.332C4H6O6+5O28CO2 + 6H2O (酒石酸 RQ=8CO2/6H2O=1.6

4、氨基酸:RQ 或 12C5H9O4N + 9O210CO2 + 6H2O + 2NH3(Glu RQ=10CO2/9O2=1.112C6H13O2N + 15O2 12CO2 + 10H2O + 2NH3(Leu RQ=12CO2/15O2=0.8、无氧呼吸的存在、物质的转化、合成和羧化作用、物理因素、其它物质的还原第二节高等植物呼吸代谢的多样性呼吸途径的多样性呼吸链的多样性末端氧化酶的多样性一、呼吸途径的多样性(一糖酵解(EMP淀粉或葡萄糖丙酮酸定位:细胞质生理意义:* 是有氧和无氧呼吸的共同阶段* 提供部分能量* 提供一些中间产物注意 巴斯德效应是指氧气对无氧呼吸的抑制现象;瓦布格效应是指

5、氧气对光合作用的抑制现象(二三羧酸循环(TCA定位:线粒体基质三羧酸循环的生理意义* 生命活动所需能量的主要来源* 物质代谢的枢纽* EMP-TCA是细胞主要的呼吸途径* 是有氧呼吸产生CO2的主要来源(三磷酸戊糖途径(PPP或HMP定位:细胞质PPP途径与EMP-TCA途径的区别氧化还原酶不同在植物体内所占的比率不同PPP途径的生理意义:NADPH的主要来源、提供能量、提供合成原料、联系呼吸和光合作用的环节、与抗病、衰老、脱落有关(四乙醛酸循环(GAC:乙醛酸体(五乙醇酸氧化途径:(光呼吸叶绿体、过氧化物体、线粒体(六DCA(二羧酸循环定位:线粒体基质最早发现于微生物中二、呼吸链电子传递的多

6、样性(一呼吸链的概念和组成呼吸链指植物代谢中间产物的电子和质子,沿着一系列排列有序的传递体传递到分子氧的总轨道。呼吸链的组成:图氢传递体(包括质子和电子:NAD 或 NADP 、FMN 、 FAD电子传递体:只传递电子,有细胞色素体系(Cytb、 Cytc1、Cytc、Cyta、 Cyta3和铁硫蛋白。(二高等植物的呼吸链线粒体内膜上电子传递体及其酶复合体1、电子传递主路丙酮酸异柠檬酸ADP ATP ADP ATP ADP ATP苹果酸NADHFMNFeSUQCytbCytcCytaCyta3O2a-酮戊二酸鱼藤酮 Fe-S抗霉素A 氰化物FAD琥珀酸2 电子传递支路(一ADP ATP ADP

7、 ATPNAD FP2UQCy bCyt CCyt aCyta3O2特点:不受鱼藤酮的抑制,P/O = 2磷/氧比:是线粒体氧化磷酸化活力的一个重要指标,指氧化磷酸化中每消耗1mol氧时所消耗的无机磷酸摩尔数之比。3 电子传递支路(二ADP ATP ADP ATPNADHFP3UQCytbCyt CCyt aCyta3O2特点:不受鱼藤酮抑制,P/O=24 电子传递支路(三ADP ATPNAD FP4Cyt b5Cyt CCyt aCyta3O2特点:不受鱼藤酮和抗霉素A抑制,P/O=1FP1、FP2:位于线粒体内膜内侧 FP3:位于线粒体内膜外侧 FP4:位于线粒体外膜上5 抗氰呼吸的电子传

8、递支路NADHFP 1UQxO2 X: 交替氧化酶特点: P/o= 1,不受氰化物抑制抗氰呼吸生理意义:利于授粉、促进果实成熟、代谢协同调控、抗病、增加抗逆性、能量溢流(光合过快碳水化合物过剩,细胞色素系统被电子饱和时发生,该途径速率提高保证TCA继续进行,而不产生氧化磷酸化,起能量溢流作用,大部分能量以热能散出.不同电子传递途径的性质比较二、末端氧化酶的多样性:v末端氧化酶把底物的电子传递到分子氧并形成水或过氧化氢的酶,因该酶将电子传递给分子氧的作用处于生物氧化系列反应的最末端,故称为末端氧化酶。线粒体膜上的氧化酶:细胞色素氧化酶、交替氧化酶线粒体膜外的氧化酶:酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、黄素

9、氧化酶、乙醇酸氧化酶(一细胞色素氧化酶:位于线粒体,含Cu、FeCyt a( Fe2+ 1/2O2+ 2H+ 2Cyta(Fe3+H2O(二交替氧化酶(抗氰氧化酶位于线粒体 ,含非血红素铁。能使花器官维持较高温度。(三抗氰呼吸氰化物存在条件下仍运行的呼吸作用,与正常电子传递途径交替进行,故又叫交替途径。UQ X O2(四酚氧化酶:位于细胞质,含Cu能增强对伤病抵抗力儿茶酚儿茶醌聚合成褐色多聚体(五抗坏血酸氧化酶:位于细胞质、细胞壁,含Cu(六乙醇酸氧化酶:过氧化物体,不含金属(七黄素氧化酶: 乙醛酸体,不含金属辅基,能使植物适应低温环境。各种末端氧化酶主要特性比较氧化磷酸化1、定义:MH2代谢

10、物上的一对电子被传递到分子氧时,所发生的ADP被磷酸化为ATP的偶联反应。2.指标: P/O比3解偶联剂 :2,4-二硝基酚(DNP区别:呼吸抑制剂与解偶联剂4.机理:化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说化学渗透假说示意图5.呼吸作用的能量转化效率6.光合作用和呼吸作用的关系两者是相互独立的过程(见比较表光合作用和呼吸作用相互依存(三方面光合作用与呼吸作用的比较光合作用和呼吸作用相互依存的表现光合作用与呼吸作用的ADP和NADP+是相同的,可共用。光合作用的C3环和呼吸作用的HMP途径基本上是正反反应关系,其中间产物C3、C4、C5、C6、C7可交替使用。光合释放的O2可供呼吸用,呼吸释放的C

11、O2可为光合所用。第三节呼吸代谢的调节与控制1.与植物的生理过程相结合2.与环境因素相结合3.与激素的作用相结合4.与细胞器的功能相结合5.与基因的表达相结合呼吸代谢途径的调节一、巴斯德效应与EMP途径的调节v 为什么有氧条件下,发酵作用会停止?v 为什么有氧条件下,EMP的速率减慢了?二 TCA途径的调节三 PPP途径的调节四能荷的调节能荷 = ATP +ADP/ ATP + ADP + AMP五、PH值的调节作用六、膜的调节作用第四节影响呼吸作用的因素一、内因:不同种类、器官、组织、生育期二、外因 1 温度(一般呼吸最适温比光合最适温高2 氧气氧饱和点O2浓度升高而呼吸不再增强时的O2浓度

12、无氧呼吸熄灭点无氧呼吸停止时环境中O2的浓度3、CO2浓度4、机械损伤5、盐类三、呼吸作用与农业生产呼吸作用与作物栽培问题:油料作物为什么不能深播?(一种子呼吸与粮食贮藏安全含水量:使粮食在较长时间内不变质的含水量,一般为风干状态的含水量(二果实呼吸与果蔬贮藏保鲜、催熟(三呼吸代谢与植物抗病思考题植物呼吸代谢多条路线有何生物学意义?TCA循环的特点和意义如何?油料种子呼吸作用有何特点?长时间的无氧呼吸为什么会使植物受到伤害?以化学渗透假说说明氧化磷酸化的机理呼吸作用与谷物种子、果蔬贮藏、作物栽培有何关系? Chl*将一个电子传递给原初电子受体(A,A获得一个电子而Chl缺少一个电子。Chl*

13、(P* + A Chl+( P+ + A- Chl+从原初电子供体(D获得一个电子,Chl+ 恢复原状,D失去一个电子被氧化。Chl+ (P+ + D Chl (p + D+反应结果:D被氧化,A被还原 D + A D+ + A原初反应轮廓原初反应的特点反应速度快,产物极微量,寿命短能量传递效率高与温度无关的光物理、光化学过程。四、电子传递(一光合作用两个光系统量子产额以量子为单位的光合效率,即每吸收一个光量子所引起的释放O2的分子数或固定CO2的分子数(或量子效率量子需要量量子效率的倒数,即释放1分子O2或还原1分子CO2所需吸收的光量子数(8个红降在大于685nm的单一红光下,光合作用的量

14、子效率下降的现象。双光增益效应在波长大于685nm的远红光条件下,再补加波长约为650nm的短波红光,这两种波长的光协同作用大大增加(大于单独照射的总和光合效率的现象称(Emerson效应。证明光合电子传递由两个光系统参与的证据:1、红降现象和双光增益效应2、光合量子需要量为8(传递1个电子需一个光量子,释放一个O2需4个电子3、类囊体膜上存在 PS和PS色素蛋白复合体光系统光合色素分子与蛋白质结合形成的色素蛋白集团定位在光合膜上。PSI:小颗粒,中心色素P700,D是PC,A是AoPS:大颗粒,中心色素P680,D是Tyr,A是Pheo(二电子传递和质子传递光合链定位在光合膜上的许多电子传递

15、体与PS、 PSI相互连接组成的电子传递总轨道,又叫“Z”链光合链组成 传递电子和质子的4个复合体见图(1PS:基粒片层垛叠区a核心复合体:D1、D2、P680b放氧复合体OEC:多肽、锰复合体、Cl-、Ca+cPS捕光复合体LHC:功能:氧化水释放H+、O2、电子类囊体膜腔侧还原质体醌PQ基质一侧(2Ctyb6-f 复合体:分布均匀*组成:Ctyb6、Ctyf、FeS、一个亚单位(3PS核心复合体:位于:基质片层和基粒片层的非垛叠区组成:PS捕光复合体LHC、P700、A0 (chla、A1(叶醌,vitK1、Fe4-S4(FX、FA、FB (4ATP合酶复合体(偶联因子位于:基质片层和基粒

16、片层的非垛叠区组成:头部CF1(五种多肽33,亲水柄部CF0(H+通道,有ATP酶活性见图(5PQ:质体醌可移动的电子载体,传递电子和质子-PQ穿梭(6PC:质体青(质体蓝素,存在于类囊体腔中ATP合酶的结构“PQ穿梭” PQ是双电子双H+传递体,可以在膜内或膜表面移动,在传递电子的同时,将H+从类囊体膜外移入膜内,造成跨类囊体膜的H+梯度,又称“PQ穿梭”。光合电子传递类型(一非环式电子传递:水光解放出电子经PS和PS最终传递给NADP+的电子传递。其电子传递是开放的。Z链1、途径:H2O PSPQ Cytb6f PC PSFd FNR NADP+2、结果:产物有O2、ATP、NADPH3、

17、特点:*电子传递路径是开放的,电子传递中偶联磷酸化*两个光系统串联协同作用, PQ、PC、Fd可移动*最初电子供体H2O,最终电子受体NADP+光合链的特点*光合链中有两处是逆电势梯度的“上坡”电子传递,需光能来推动(P680-P680*,P700-P700* *光合链中的主要电子传递体有PQ、Cytf、Fe-S、PC、Fd等,其中PQ也为H+传递体。*每传递4个电子分解2分子H2O,释放1个O2,还原2NADP+,需吸收8个光量子,量子产额为1/8,同时运转8个H+进入类囊体腔,其中4个来自水的光解,另外4个由“PQ穿梭”完成。PQ循环Cytb6f 也可能不把电子传给PC,而传给另一个氧化态

18、PQ,生成半醌。此后又从腔外接近H+,形成PQH2,构成PQ循环。(二环式电子传递:定义:PS产生的电子传给Fd,再到Cytb5f复合体,然后经PC返回PS的电子传递。可能还存在一条经FNR或NADPH传给PQ的途径途径: PSFd (NADPH PQCytb5fPC PS特点:电子传递路径是闭路只涉及PS产物无O2和NADPH ,只有ATP示循环及非循环电子传递图(三假环式电子传递:定义:水光解放出的电子经PS和PS最终传递给O2的电子传递,也称Mehler反应。与非环式电子传递区别:最终电子受体是O2,不是NADP+,一般在强光、NADP+供应不足时发生。途径:H2O PSPQ Cytb5

19、f PC PSFd O2特点:电子传递路径是开放的产物有O2、ATP、无NADPH最终电子受体是O2生成超氧阴离子自由基O2-*PS的H2O裂解放氧希尔反应(Hill反应 1939年英国生物化学家希尔发现,在分离的叶绿体悬浮液中加入高铁盐,照光时会放出O2,同时高铁盐被还原成低铁盐,这个反应即为希尔反应。4 Fe3+ + 2 H2O 4 Fe2+ + 4H+ + O22H2O O2 + 4H+ + 4e 需Mn、Cl、Ca水氧化钟或KOK钟 KOK等根据一系列瞬间闪光处理叶绿体与放氧的关系提出的解释光合作用中水氧化机制的一种模型:叶绿体中的放氧复合体(根据带正电荷的多少,依次称为S0、S1、S

20、2、S3、S4在每次闪光后积累一个正电荷,积累到四个正电荷时(S4能裂解2个H2O释放1个O2,获得4个电子,并回到初始状态S0。此模型中每吸收1个光量子推动氧化钟前进一步。五、光合磷酸化1 定义:叶绿体在光下将ADP和Pi转化为ATP。2 类型:(1非环式光合磷酸化:基粒片层进行2ADP+2Pi+2NADP+2H2O 2ATP+2NADPH+2H+O2(2循环式光合磷酸化:基质片层中补充ATP不足ADP + Pi ATP(3假环式光合磷酸化与假环式电子传递偶联产生ATP的反应。此种光合磷酸化既放氧又吸氧,还原的电子受体最后又被氧所氧化。3、光合磷酸化机理化学渗透假说的要点* PS光解水时在类

21、囊体膜内释放H+* “PQ穿梭”将膜外基质中的H+传递至类囊体腔内* PS引起NADP+还原时引起膜外H+的降低。H2O光解、PQ穿梭、NADP+还原 PH梯度PH 、膜电位差质子动力势 H+经偶联因子CF0返回 CF1构象能 ATP形成质子动力势pmf =PH + 光合电子传递抑制剂:DCMU(敌草隆抑制PS上Q向PQ传递电子羟胺抑制H2O向PS的电子传递解偶联剂:DNP、NH4+ 可增加膜对H+的透性,抑制ATP形成寡霉素可作用于CF0,抑制ATP的形成总结经非环式光合电子传递时,每分解2mol H2O,释放1mol O2,4 mol 电子经传递使类囊体膜内增加8 mol H+,偶联形成约

22、3 mol ATP和1 mol NADPH。形成同化力:ATP、NADPH六光合作用的碳同化(一C3途径(光合环* CO2受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸RUBP,故又称还原戊糖磷酸途径RPPP* CO2被固定形成的最初产物是三碳化合物,故称C3途径* 卡尔文等在50年代提出的,故称卡尔文循环(Calvin循环C3途径分三个阶段:羧化、还原、再生1、羧化阶段Rubisco(RUBPC/RUBPO全称:核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶含量:植物体内含量最丰富的蛋白质,约占叶中可溶蛋白总量的40%以上,受光、Mg+激活结构:8个大亚基和8个小亚基L8S8 大亚基:56KD,活性部位,叶绿体基因编码

23、小亚基:14KD,核基因编码2、还原阶段3、再生阶段:由PGAld(GAP经一系列转变重新合成CO2受体RUBP的过程包括 3-、4- 、5-、6-、7- 碳糖的一系列反应,最后由核酮糖-5-磷酸激酶(RU5PK催化,并消耗1分子ATP,再形成RUBP,构成一个循环。总结* CO2最初受体是RuBP,固定CO2最初产物PGA,最初形成糖是PGAld* 物质转化:要中间产物收支平衡,净得一个3C糖(磷酸丙糖GAP或DHAP,需羧化三次,即3RuBP固定3CO2* 能量转化:同化1CO2,需3ATP和2NADPH,同化力消耗主要在还原阶段* 总反应式:3CO2+3H2O+3RuBP+9ATP+6N

24、ADPHPGAld+6NADP+9ADP+9PiC3途径的调节自身催化:中间产物浓度的增加促进C3环注:当RUBP含量低时,最初同化CO2形成的磷酸丙糖不运到别处,而用于RUBP的再生,以加速CO2的固定,当循环达到稳态后,磷酸丙糖才输出。光的调节(1离子移动:Mg/H+交换(2通过铁氧还蛋白-硫氧还蛋白(Fd-Td系统:光使酶的二硫基还原成硫氢基而活化(3光增加Rubisco活性:光Rubisco活化酶作用Rubisco氨甲酰化 Rubisco活化光合产物转运:磷酸转运体反向转运磷酸丙糖/Pi(二C4途径(四碳二羧酸途径,Hatch-slack途径C4植物叶片解剖及生理学特点C4植物 C3植

25、物维管鞘细胞大、多. 小,较少.束鞘具较大叶绿体,多,无基粒无(或不发达.细胞能产生淀粉粒不能.叶叶绿体小、少,有基粒. 具正常叶绿体.肉有“花环”结构. 无“花环”结构、排列松.细与鞘细胞间有大量胞间连丝不是大量.胞不形成淀粉粒. 形成淀粉粒.反应历程:四个阶段1、羧化:叶肉细胞中,PEP羧化酶作用,固定CO2为草酰乙酸OAA,后形成四碳二羧酸(Mal或Asp,2、转移:C4酸通过胞间连丝转运到鞘细胞内.3、脱羧与还原:鞘细胞中,C4酸脱羧放出CO2形成C3酸,CO2进入C3途径还原为光合产物。4、再生:脱羧形成的C3酸(Pyr或Ala 转运回叶肉细胞,再生成CO2的受体PEP。C4途径特点

26、1、CO2最初受体是PEP2、最初产物四碳二羧酸OAA3、在两种细胞中完成:叶肉细胞、鞘细胞4、起“CO2”泵作用,不能将CO2转变为糖C4途径三种类型: 脱羧酶不同,转运物不同1 NADP-ME型:依赖NADP苹果酸酶的苹果酸型PEP OAA Mal(鞘细胞 CO2+ Pyr(叶肉细胞 PEP2 NAD - ME型:依赖NAD苹果酸酶的天冬氨酸型PEPOAAAsp(鞘细胞Pyr+CO2ala(叶肉细胞PEP3 PEP - CK型:依赖PEP羧激酶的天冬氨酸型PEPOAAAsp(鞘细胞ala、PEP(叶肉细胞PEPC4途径的调节光调节酶活性:苹果酸脱氢酶、丙酮酸磷酸二激酶PPDK效应剂调节PE

27、P羧化酶的活性:Mal、Asp抑制,G6P增加其活性二价金属离子都是C4植物脱羧酶的活化剂:Mg+或Mn+(三CAM途径(景天科酸代谢途径1、CAM植物解剖学、生理学特点(1解剖学特点:剑麻、仙人掌、菠萝、芦荟、百合(2生理学特点:*气孔夜间开放,吸收CO2,白天关闭*绿色细胞有机酸含量夜间上升,白天下降*细胞淀粉含量夜间下降,白天上升2、CAM途径化学历程:CAM途径与C4途径比较相同点:都有羧化和脱羧两个过程都只能暂时固定CO2 ,不能将CO2还原为糖CO2最初受体是PEP,最初产物是OAA催化最初羧化反应的酶是PEP羧化酶不同点:C4途径羧化和脱羧在空间上分开羧化叶肉细胞、脱羧鞘细胞CA

28、M途径羧化和脱羧在时间上分开羧化夜晚、脱羧白天1CAM植物与C4植物在碳代谢途径上有何异同?相同点:两者固定与还原CO2的途径基本相同,都是靠C4途径固定CO2,C3途径还原CO2,都由PEPC固定空气中的CO2,由Rubisco羧化四碳二羧酸脱羧释放的CO2。区别:C4植物是在同一时间(白天、不同空间完成CO2固定和还原,而CAM植物是在不同时间和同一空间(叶肉细胞完成上述两个过程。CAM的调节短期调节:PEP羧化酶夜间有活性,吸收固定CO2;PEP脱羧酶白天才有活性,释放CO2,进行光合作用,满足CAM昼夜调节的要求。长期调节:在长期(季节的干旱条件下,某些兼性或诱导的CAM植物保持CAM

29、类型;但在水分充足时,则转变为C3类型,即气孔白天开放,夜晚关闭。第四节光呼吸一、概念* 光呼吸-植物绿色细胞依赖光照,吸收O2释放CO2的过程。* 高光呼吸植物-具有明显的光呼吸。如小麦、大豆、烟草等C3植物。* 低光呼吸植物光呼吸很微弱,几乎检测不出来。如高粱、玉米、甘蔗、苋菜等C4植物。二、光呼吸和暗呼吸比较对光和O2的要求不同:需O2和光底物不同:乙醇酸进行部位不同:绿色细胞进行细胞器不同:叶绿体、过氧化物体、线粒体代谢途径不同:C2途径中间产物、能量需求不同:耗能过程生理意义不同一、光呼吸的生化历程(乙醇酸代谢途径,C2途径关键酶:1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(双功能RUBPCase、Rubisco、RUBP羧化酶-加氧酶2 3-磷酸甘油酸RUBP3-磷酸甘油酸 + 2-磷酸乙醇酸(+H2O乙醇酸磷酸总结乙醇酸在叶绿体中生成(需O2过氧化物体中氧化(需O2线粒体中脱羧(放CO2注:C3植物叶肉细胞的过氧化物体较多,而C4植物的过氧化物体大多数在维管束鞘的薄壁细胞内。四、光呼吸的生理意义* 光呼吸是处理乙醇酸的有效途径* 光呼吸消耗多余能量,保护叶绿体免受干旱、高温、强光破坏,避免产生光抑制。* 减轻O2对光合碳同化