植物的呼吸作用教案

光合作用与呼吸作用是植物代谢的两大核心内容。前者是物质合成与能量贮存过程，属于同化作用；后者是物质分解与能量释放过程，属于异化作用。生物的生长发育过程离不开能量，一切代谢过程都需要能量的推动。呼吸作用正是为生命活动提供能量的过程。没有呼吸就没有生命。

第一节 呼吸作用

一、呼吸作用的概念及特点

（一）呼吸作用的概念

呼吸作用是指生活细胞，在酶的参与下，逐步氧化分解有机物并释放能量的过程。根据是否需

要氧气，分为有氧呼吸(aerobic respiration)与无氧呼吸(anaerobic respiration)：

1、有氧呼吸

指生活细胞吸收O2，把有机物进行彻底的氧化分解，形成H2O和CO2，同时释放能量的过程。呼吸作用分解的有机物称呼吸底物或者呼吸基质（respiratory substrate），以糖为主，一些有机酸、蛋白质、脂肪也可以作为呼吸底物。若以葡萄糖为呼吸底物，则有氧呼吸可用下式表示：

C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O＋能量 △Gº‘=2872.1kJ

其中△Gº‘是指pH为7时标准自由能的变化。

有氧呼吸总反应式与燃烧反应式相同，但应该注意的是，在燃烧时底物分子与O2反应激烈，能量以热的形式释放；而在呼吸作用过程中，能量是逐步释放的，一部分能量首先转移到ATP和NADH中贮备，成为活跃的化学能，随时供应生命活动使用；另一部分则以热的形式放出。有氧呼吸是高等植物呼吸作用的主要形式。

2、无氧呼吸

指生活细胞在无氧条件下，把有机物进行不彻底的氧化分解，同时释放出部分能量的过程。与有氧呼吸相比，无氧呼吸的特点是不吸收O2，底物分解不彻底，释放能量少。

微生物的无氧呼吸又称发酵（fermentation）。有酒精发酵和乳酸发酵。例如酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖产生酒精称为酒精发酵，其反应式是：

C6H12O6→2C2H5OH＋2CO2+能量 △G Gº‘'=100.5kJ

高等植物也可以发生酒精发酵，例如苹果贮存久了有酒味，便是酒精发酵的结果，甘薯、苹果、香蕉贮藏久了也会发生酒精发酵。

乳酸菌在无氧条件下产生乳酸，称乳酸发酵。其反应式为：

C6H12O6→2CH3CHOHCOOH＋能量 △Gº‘'=75.4kJ

马铃薯块茎、甜菜块根以及青贮饲料或腌酸菜时都会发生这种发酵作用。

由此看来，广义的呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸；狭义的呼吸作用专指有氧呼吸，通常所说的呼吸主要是指有氧呼吸。正常情况下，有氧呼吸是高等植物呼吸的主要形式，但在某些情况下，植物也进行无氧呼吸，如遇缺氧以及植物的深层组织中常有无氧呼吸的发生。

（二）呼吸作用的特点

从呼吸作用的总反应式来看，它同光合作用一样是一个氧化还原过程。C6H12O6是还原剂，O2是氧化剂。在这一过程中伴随着物质的分解与能量的释放。另外，反应过程中有H2O的参与，所以，呼吸作用的反应式应写为：

C6H12O6＋6H2O＋6O2→6CO2＋12H2O＋能量

二、光合作用与呼吸作用的关系

光合作用是制造有机物，贮存能量的过程，呼吸作用是分解有机物，释放能量的过程。两者既相互对立又相互依存，共同存在于统一的有机体中。没有光合作用形成的有机物，就不可能有呼吸

作用，没有呼吸作用，光合作用也无法完成。

光合作用与呼吸作用在原料、产物、发生部位、发生条件以及物质、能量转换等方面有明显的区别。

总结光合作用与呼吸作用的相互依存关系，主要有以下几个方面。

第一，互为原料和产物。光合释放的O2可供呼吸利用，呼吸释放的CO2为光合作用原料。 第二，能量代谢。光合与呼吸过程中都有ATP和NADPH产生，所需ADP和NADP在光合与呼吸中共用。

第三，光合卡尔文循环与呼吸的PPP途径基本上是逆过程，许多中间产物，如三碳糖（磷酸甘油醛）、四碳糖（磷酸赤藓糖）、五碳糖（磷酸核糖、核酮糖、木酮糖）、六碳糖（磷酸葡萄糖和果糖）、七碳糖（磷酸景天庚糖）等可以交替使用。

三、呼吸作用的生理意义

呼吸作用的生理意义可以概括为以下几个方面：

1、呼吸作用为生命活动提供直接能源ATP

生物体内的一切代谢过程都需要能量维持，生命活动所需的能量都依赖于呼吸作用。呼吸作用释放的能量除一部分转变为热能被散失掉外，大部分则以ATP的形式贮存起来，供生命活动利用。没有呼吸提供的ATP，生命活动就会停止。

2、呼吸作用为生物合成提供还原力

植物的生长发育过程以物质合成为基础，而这些合成过程常需要还原力。如硝酸盐的还原和氨基酸的合成需糖酵解提供NADH；PPP途径为脂肪合成提供NADPH。呼吸作用产生的还原力一部分通过电子传递与氧化磷酸化产生ATP，另一部分则直接作为生物合成的还原力。

3、呼吸作用为其它生物合成提供原料

呼吸作用在分解有机物质的过程中产生了许多中间产物，其中有些中间产物的化学性质非常活跃，如丙酮酸、α-酮戊二酸、苹果酸等，它们是合成核酸、蛋白质、糖以及其它物质的原料。如α-酮戊二酸是氨基酸、蛋白质合成的原料之一。

4、呼吸作用在植物抗病免疫方面有着重要作用

植物感病后，在与病原微生物相互作用过程中，依靠呼吸作用氧化分解病原微生物分泌的毒素，消除其毒害。同时通过旺盛的呼吸作用，促进伤口愈合，加速木质化或者栓质化，以减少病菌的浸染。其次，呼吸作用还可以加强绿原酸、咖啡酸等具有杀菌作用的物质的合成，增强植物的免疫力。

另外，呼吸放热可以提高体温，有利于种子萌发、幼苗生长、开花、传粉、受精等。

四、呼吸作用的指标与测定方法

衡量呼吸作用的指标主要有两个，一是呼吸速率，另一个是呼吸商。

1、呼吸速率

呼吸速率（respiratory rate） 又称呼吸强度，是常用的呼吸指标。指单位植物材料（鲜重、干

重、原生质），在单位时间内，呼吸释放的CO2或吸收O2的量。它是反映细胞代谢强度的指标。常用单位有：O2微升（μL）·克鲜重（干重）-·小时-，CO2微升（μL）·克鲜重（干重）-·小１１１时-，O2微升（μL）·mgN-·小时- 等等。 １１１

呼吸速率具体的测定方法有多种。常用的有：用红外线CO2分析仪测定CO2的释放量；用氧电极测氧装置测定O2的吸收量。另外还有广口瓶法、瓦布格呼吸计微量检压法等。通常进行气态检测时常用测定CO2的方法，进行液态检测时常用测定O2的方法。

2、呼吸商

呼吸商（respiratory quotient, RQ）又称呼吸系数(respiratory coefficient)，是呼吸作用释放的CO2摩尔数或体积与吸收O2的摩尔数或体积之比。即RQ＝ QCO2 / QO2

影响呼吸商大小的因素主要有两个方面：一是呼吸底物的性质；二是氧气的供应情况。

（1）呼吸底物的性质

a．当呼吸底物是碳水化合物，又被完全氧化时，RQ＝1。如：以葡萄糖为底物。

C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O RQ＝6/6＝1

b．当呼吸底物是富氢物质时，氧化分解需氧较多，RQ

C16H32O2＋11O2→C12H22O11＋4CO2＋5H2O RQ＝4/11＝0.36

c．当呼吸底物是富氧物质时，氧化分解需氧较少，RQ>1。如以苹果酸为呼吸底物：

C4H6O5＋3O2→4CO2＋3H2O RQ＝4/3＝1.33

由此可见，呼吸商大小是表示呼吸底物性质的良好指标。

（2）氧气的供应情况 在缺氧状态下，RQ会异常地升高。相反，若呼吸过程中形成了不完全氧化的中间产物，释放CO2少，氧较多地保留在中间产物中，RQ就会小于1。

第二节 植物呼吸作用的过程

呼吸作用是呼吸底物氧化降解的过程。呼吸作用的底物主要是糖类，其生化过程主要是指糖的氧化降解过程。呼吸代谢生化过程脱下的氢被NAD或者FAD所接受，产生NADH或FADH2，然后通过电子传递和氧化磷酸化过程，由一系列的传递H和电子的传递体将氢交给其它的受体，在需氧生物中氢最后交给氧，形成H2O，并产生ATP，以满足生命活动的需要。

一、呼吸代谢的生化途径

高等植物中，存在着多条呼吸代谢的生化途径，这是植物在长期进化过程中对多变环境条件的适应。呼吸作用的生化过程主要是指糖的氧化降解过程，主要的途径有三条：糖酵解（EMP）——酒精或乳酸发酵；糖酵解-三羧酸循环（TCA）；磷酸戊糖途径（PPP）。 ＋

（一）糖酵解

糖酵解（glycolysis）是在无氧条件下，淀粉、葡萄糖或果糖分解成丙酮酸的过程，亦称EMP途径，以纪念为此作出巨大贡献的三位生物化学家Embden，Meyerhof和Parnas。这一过程是在细胞质内进行的。

糖酵解的生化历程（图4-3）可分为己糖活化、果糖-1,6-二磷酸的裂解和丙酮酸的形成三个阶段。己糖首先在己糖激酶的作用下，消耗2个ATP逐步转化为果糖-1,6-二磷酸（F-1，6-BP）；活化的己糖在醛缩酶的作用下形成甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸，后者在异构酶的作用下可以转变为甘油醛-3-磷酸；甘油醛-3-磷酸氧化脱氢形成磷酸甘油酸，释放能量产生1个ATP和1个NADH。然后，磷酸甘油酸经脱水、脱磷酸形成丙酮酸，并产生一个ATP。

通过糖酵解，C6H12O6被降解成丙酮酸，同时产生2个NADH和2个ATP。

丙酮酸在缺氧条件下脱羧成乙醛，再被NADH还原成乙醇，或者丙酮酸直接被NADH还原成乳酸；在有氧条件下丙酮酸进入TCA环，完全氧化成H2O和CO2，NADH则进入呼吸链（图4-4）。所以，糖酵解是有氧呼吸与无氧呼吸共同经历的阶段，从丙酮酸开始分道扬镳。

EMP过程中净得2个ATP，这种不经过呼吸链而由底物氧化直接产生ATP的过程，称底物水平磷酸化。底物水平磷酸化是由于在底物氧化过程中形成了某些高能磷酸化合物，如甘油酸-1,3-二磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸等，此类化合物的能量在酶的催化下，转移到ADP上，生成ATP。

X～P＋ADP→ATP＋X

糖酵解总反应式可概括为：

C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH＋2ATP＋2(NADH＋H)＋2H2O ＋

（二）三羧酸循环（TCA循环）

三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）是指糖酵解产生的丙酮酸在有氧条件下，经过一个包括三羧酸和二羧酸的循环完全氧化，产生H2O和CO2的过程。这一过程是英国生物化学家Hans krebs首先发现的，所以，又称krebs循环。

三羧酸循环在线粒体基质中进行，生化过程如图4-5。

丙酮酸在进入循环前首先脱掉一个CO2，产生一个NADH和一个乙酰CoA。NADH进入呼吸链，含有2个碳的乙酰CoA进入TCA环，然后经二次脱羧放出2个CO2，4次脱H，产生3个NADH和一个FADH2，进入呼吸链。通过底物氧化还产生一个高能化合物GTP。

这样，通过糖酵解-三羧酸循环，一个分子葡萄糖分解得：

C6H12O6＋O2→2CH3COCOOH＋2H2O＋2ATP＋2NADH＋2H+

2CH3COCOOH＋6H2O→6CO2＋8NADH＋10H＋2GTP＋2FADH2

2GTP＋2ADP→2GDP＋2ATP

61262222+ ＋

（三）磷酸戊糖途径（PPP）

EMP-TCA途径是呼吸作用底物氧化的主要途径，但不是唯一途径。20世纪50年代已发现，生物体内还有一条不经过糖酵解，葡萄糖-6-磷酸直接被氧化的途径，称磷酸戊糖途径或磷酸戊糖支路。它在植物体内普遍存在，在细胞质中进行，磷酸戊糖是其中间产物（图4-6）。

PPP途径从C1位脱羧，用C1位标记的葡萄糖-6-磷酸饲喂植物，测定释放的标记CO2的量，即可测出PPP途径与糖酵解途径的比例。比值越小，PPP途径所占比例越高。

呼吸作用的糖酵解与磷酸戊糖途径都是在细胞质内进行。在一个无结构的溶液中，各种酶之所以能保持有序的催化功能和相当高的活性，主要决定于酶与底物的浓度与亲和力。另外还有NAD

＋＋＋＋和NADP的比例。若NADP浓度高于NAD，PPP占主要地位，如脂肪酸和甾醇合成速度快时，NADPH迅速被利用，NADP+浓度升高，则有利于PPP途径。若氧浓度较高，NADH被线粒体迅速氧化，NAD浓度升高，促进EMP-TCA环进行。

PPP途径的特点与意义主要有以下几个方面：

1、氧化还原辅酶不是NAD而是NADP

产生的还原力NADPH不进入呼吸链，主要作为还原力，NADPH为脂肪合成所必需。在年老组织、受干旱或受伤时PPP比例较大。

2、PPP途径的许多中间产物是沟通各种代谢的原料

如核酮糖-5-磷酸和核糖-5-磷酸是合成核酸的原料。丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖也是光合作用过程中卡尔文循环的中间产物，把呼吸与光合联系起来。

3、提高植物的抗逆性

赤藓糖-4-磷酸与PEP合成莽草酸，经过莽草酸途径合成具有抗病作用的绿原酸、咖啡酸等酚类物质。所以，在逆境条件下，PPP途径占比例较高。

植物呼吸代谢的生化途径除了糖酵解、糖酵解-三羧酸循环、磷酸戊糖途径这三个主要途径外，还有脂肪酸氧化分解的乙醛酸循环以及乙醇酸氧化途径，这里不再祥述。 ＋＋＋

二、电子传递与氧化磷酸化

三羧酸循环等呼吸代谢过程脱下的氢被NAD或者FAD所接受，产生NADH或FADH2，它们在将氢交给其它的受体，在需氧生物中，氢最后交给氧，形成H2O。这种在生物体内进行的氧化作用，称为生物氧化（biological oxidation）。这一氧化还原反应过程发生在线粒体内，由一系列的传递H和电子的传递体完成，因而有别于体外的直接氧化。体外燃烧或者纯化学的氧化一般是在高温、高压、强酸、强碱条件下短时间内完成的，并伴随着大量能量的急剧释放；而生物氧化则是在细胞内、常温、常压、接近中性的pH值和有水的环境下，由一系列的酶、辅酶、辅基以及中间传递体的共同作用下逐步完成的，氧化反应分阶段进行，能量是逐步释放的。生物氧化过程中释放的能量一部分以热能的形式散失，另一部分则贮存在ATP中，以满足生命活动的需要。生物氧化过程可以分为电子传递和氧化磷酸化两个过程。 ＋

（一）电子传递

呼吸作用经糖酵解和TCA环脱H，产生NADH和FADH2。这些H不能与O2直接结合成H2O，必须经过一系列电子或H传递体传递，最后与O2结合。这一过程在线粒体膜上进行。这些呼吸传递体可以分为两类：氢传递体和电子传递体。各种电子与H传递体按氧化还原电位势高低排列成一条轨道，称为呼吸链或呼吸电子传递链。呼吸链传递体传递电子的顺序是： O2。

线粒体膜上的5种酶复合体如下：

1、复合体Ⅰ 又称NADH：泛醌氧化还原酶，含25种不同的蛋白质。其功能是催化线粒体基质中TCA环产生的NDAH＋H的2个H经FMN转运到膜间空间，同时再经过Fe-S将2个电子传递到UQ（又称辅酶Q，CoQ）；UQ再与基质中的H结合，生成还原型泛醌（ubiquinol, UQH2）。该酶可被鱼藤酮（rotenone）、杀粉蝶菌素A（piericidin A）、巴比妥酸（barbital acid）所抑制。

2、复合体II 又称琥珀酸：泛醌氧化还原酶，含4～5种不同蛋白质。功能是催化琥珀酸氧化为延胡索酸，并将H转移到FAD生成FADH2，然后再把H转移到UQ生成UQH2。该酶活性可被2-噻吩甲酰三氟丙酮（thenoyltrifluoroacetone, TTFA）所抑制。

3、复合体 Ⅲ 又称UQH2：细胞色素c氧化还原酶，含9～10种不同的蛋白质。其功能是催化电子从UQH2经Cyt b、Fe-S、Cyt c1传递到Cyt c，这一反应与跨膜质子转移相偶联，将2个H释放到膜间空间。

4、复合体Ⅳ 又称Cyt c：细胞色素氧化酶，含多种不同蛋白质。主要成分是Cyt a 和 Cyt a3及2个Cu原子，组成2个氧化还原中心Cyt a、CuA和Cyt a3、CuB。其功能是将Cyt c中的电子传递给分子氧，氧原子还原成H2O。

5、复合体Ⅴ 又称ATP合成酶，或H-ATP酶复合体，由8种不同的亚基组成，它们又分别构成2个蛋白复合体（F1-F0）。它利用呼吸链上复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ运行产生的质子能，将ADP和Pi合成ATP。

其中氢传递体主要有3个：NAD、FAD和UQ；电子传递体属于细胞色素类，是含Fe的血红素蛋白，包括细胞色素b、c、a、a3。

当氢（2H＝2H+＋2e-）通过UQ（泛醌）后，分离成2H和2e-，2e-沿着细胞色素c、c1、a，＋＋＋＋＋＋＋＋＋

最后传递给a3，a3把电子交给O2，活化O2成O2-，O2-与H结合成H2O。由于细胞色素氧化酶所起的作用在整个生物氧化过程的末端，也是整个有氧呼吸的末端，故称这种酶为末端氧化酶。

在呼吸链中，各种电子或H载体的顺序是固定不变的，电子只能从底物流向氧分子，其原因一方面是各个系统有专一性，另一方面各电子载体的氧化还原电位不同，底物脱H时电位最高，顺次下来，分子氧最低。电子总是由高电位流向低电位。

（二）氧化磷酸化

底物脱下的H通过呼吸链传递到O2的过程中，伴随着ATP的合成。即氧化作用与磷酸化作用同时进行，这一过程称氧化磷酸化作用或者氧化磷酸化偶联反应。

氧化与磷酸化的偶联关系可用P/O比表示。P/O表示每消耗一个氧原子有几个ADP变成ATP。

NADH的P/O比约为3，FADH2的P/O比约为2。

有两类物质能破坏氧化磷酸化作用，一类是解偶联剂，如2，4-二硝基苯酚（DNP），可以阻碍磷酸化而不影响氧化，不产生ATP，呼吸空转。旱害、寒害或缺钾都会造成氧化磷酸化解偶联。另一类是电子传递抑制剂，打断电子传递过程，使磷酸化作用因得不到能量而受阻。如鱼藤酮可阻断H从NADH向FMN的传递；抗霉素A打断电子从Cytb向Cytc的传递；氰化物（CN-）、叠氮化合物（N3-）、CO则阻碍电子从Cyta向Cyta3的传递。

关于氧化磷酸化的机理目前有三种学说：化学渗透学说、构象偶联学说和化学偶联学说，其中化学渗透学说最重要，这里仅此作一介绍。

化学渗透学说是英国生物化学家P. Mitchell于1961年提出的，其主要论点是：呼吸链存在于内膜上，内膜对离子的透性极小。当呼吸链中的递H体从内膜内侧接受从底物传来的氢（2H）时，将其中的电子（2e-）传给其后的电子传递体，而将2H泵出内膜。由于质子不能自由通过内膜，在＋

内膜外侧氢离子浓度高于内侧。于是，在内膜两侧形成质子浓度差和电位差，外正内负，两者合称为质子动力势（pmf），它是质子返回膜内的动力。当质子通过膜上的F1-F0复合物（ATP酶）返回内侧时，ADP与Pi结合形成ATP。

在呼吸链中，每传递1个分子NADH＋H泵出6个H，每2个H通过ATP酶可产生一个ATP，所以，NADH氧化产生3个ATP。而一个FADH2则泵出4个H，所以，FADH2氧化产生2个ATP。

只有线粒体内膜保持完整，电子传递与磷酸化才能偶联，否则，若不能维持膜内侧的质子浓度差和电位差，也就不能产生ATP。2，4—二硝基苯酚能使H穿过内膜，因为这种药剂脂溶性很强，能在线粒体内膜中穿来穿去，破坏了电子传递所造成的质子动力势，以致于不能合成ATP。 ＋＋

三、末端氧化酶

细胞内的末端氧化系统具有多样性。复杂多样的末端氧化酶类能够适应不同的呼吸底物和不断变化的环境条件，从而保证植物生命活动的正常进行。这些酶有的存在于线粒体内，也有的存在于线粒体外，前者产生ATP，后者不产生ATP。

1、细胞色素氧化酶

这是植物体内最主要的末端氧化酶，位于线粒体内膜的嵴上，是一种血红蛋白，含有两个铁卟啉辅基和两个铜原子。通过铁的电子得失传递电子。当e-从一个载体向另一个载体传递时，要释放能量，能量多少等于两个载体的能位差。若释放的能量够产生一个高能磷酸键，则产生一个ATP，若不能，则以热能的形式释放掉。细胞色素系统有3个部位可产生ATP（见呼吸链）。

2、交替氧化酶或抗氰呼吸

细胞色素氧化酶受KCN、NaN3与CO所抑制。但线粒体中还存在一种对氰化物不敏感的氧化酶，这种酶含Fe，也可将电子传给O2，称交替氧化酶或抗氰氧化酶

在这一途径中，2H在呼吸链中仅产生1个ATP。绝大部分能量以热能的形式散失，故温度很高。贮藏的马铃薯、胡萝卜、果实等都有抗氰呼吸存在。

以上两种酶类存在线粒体内，还有一些末端氧化酶，存在于线粒体外的细胞浆、质体与微体内。如黄素氧化酶、酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、乙醇酸氧化酶和过氧化物酶等。

3、酚氧化酶

包括一元酚氧化酶(如酪氨酸氧化酶)和多元酚氧化酶(如儿茶酚氧化酶)。含Cu，存在于质体和微体中，将酚氧化成醌，它们可与其它底物氧化相偶联，起到末端氧化酶的作用。

正常情况下，酚氧化酶和底物在细胞质中是分隔开的。当细胞受轻微破坏或组织衰老时，酚氧化酶与底物接触，发生反应，将酚氧化成棕褐色的醌。果实、块茎、块根等受伤后出现褐变就是这一原因。醌对微生物有毒，可以防止植物感染。在制绿茶时要迅速杀青，破坏此酶，以保持茶叶的绿色和清香。

4、抗坏血酸氧化酶

这种酶在植物组织中广泛存在，蔬菜和果实中较多，含有Cu，位于细胞浆中或与细胞壁结合。能催化抗坏血酸的氧化，与其它氧化还原反应相偶联可起到末端氧化酶的作用。这一反应体系在细胞内物质代谢中具有重要作用。

四、呼吸过程中能量的贮存和利用

1、贮存能量 呼吸代谢中伴随着物质氧化释放能量。这些能量一部分以热量的形式散失，另一部分则贮存于高能键中。生物体内的高能键主要是高能磷酸键，其次还有辅酶A中的硫脂键。

呼吸作用过程中生成ATP的方式有两种：一是氧化磷酸化，二是底物水平磷酸化，以前者为主。两种方式产生ATP的数量见表4-1，从表中可以看出1分子己糖经EMP-TCA环，总共产生38个ATP，去掉消耗的2个，净得36个ATP。

2、能量利用效率 每分子呼吸底物氧化时的能量利用效率主要以产生ATP的数量来衡量。已知通过EMP-TCA环，1分子葡萄糖氧化净得36个ATP，每合成一个ATP吸收能量30.56J，36个ATP所贮存的能量为30.56J×36＝1100.2J。在实验室条件下，每摩尔（180g）葡萄糖氧化可放出2 872.1J的自由能。这样，能量转化效率约为38.31%，还是比较高的。

第三节 呼吸作用的调节控制与影响因素

一、呼吸作用的调节控制

生活细胞的呼吸作用并非以均衡状态进行，而是受到各种因素的调节与控制。调节机理主要是反馈控制。所谓反馈控制是指反应体系中的某些中间产物或者终产物对其前面某一步反应速度的影响。凡是能使反应速度加快的称正效应物（positive effector）或者正反馈物；凡是能使反应速度减慢的称负效应物（negative effector）或者负反馈物。这种反馈调节主要是效应物对酶的调节，包括对酶的形成（基因表达）和酶的活性的调节。

（一）巴斯德效应与糖酵解的调节

巴斯德早就发现，酵母菌的发酵从有氧条件转为无氧条件时发酵作用增强，而从无氧转向有氧时发酵作用受到抑制。氧抑制发酵作用的现象称巴斯德效应（Pasteur effect）。

关于巴斯德效应的机理，主要解决两个问题：一是为什么有氧条件下发酵作用会停止？二是为什么有氧条件下糖酵解速度减慢了？

发酵过程的正常进行，需要NAD+和NADH的周转。当3-磷酸甘油酸氧化为1,3-二磷酸甘油酸时，NAD被还原成NADH；当丙酮酸还原为乳酸或乙醛还原为乙醇时，NADH又被氧化成NAD＋＋。有氧条件下，NADH不断被氧化，致使丙酮酸或乙醛不能被还原，发酵过程停止。同时丙酮酸通过脱氢酶形成乙酰辅酶A，促进了TCA环的进行。

糖酵解途径中有2个调节酶，即果糖-6-磷酸激酶和丙酮酸激酶，是调节糖酵解速度的两个关键酶。果糖-6-磷酸激酶活性受Mg2和Pi的促进，却受ATP和柠檬酸的抑制。丙酮酸激酶受ATP、＋

柠檬酸和Ca2+的抑制，受ADP、Mg2和K的促进。有氧条件下，ADP浓度低，而ATP和柠檬酸＋＋

浓度高，上述两种酶活性均受到抑制，糖酵解速度变慢。这是一种反馈抑制。通过这种反馈抑制把呼吸作用的速度控制在恰当的水平上，不致于造成糖的浪费。

（二）磷酸戊糖途径和三羧酸循环的调节

磷酸戊糖途径主要受NADPH的调节。NADPH/NADP+比例高时，抑制葡糖-6-磷酸脱氢酶的活性，产生反馈抑制。而光照和供氧都可以提高NADP+的生成，促进PPP途径。植物受到干旱、衰老、受伤、种子成熟过程中PPP都有明显加强，在总呼吸中占的比例加大。

三羧酸循环的调节则是多方面的。NADH是主要的负效应物。NADH水平过高，抑制丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和苹果酸酶等的活性，而NAD则是这些酶的变构激活剂。ATP对柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶有抑制作用，而ADP对这些酶有促进作用；AMP对α-酮戊二酸脱氢酶活性有促进作用；CoA促进苹果酸酶活性。此外，柠檬酸的含量可以调节丙酮酸进入TCA环的速度，柠檬酸多时还会反馈抑制丙酮酸激酶，减少柠檬酸的合成。α-酮戊二酸对异柠檬酸脱氢酶的抑制以及草酰乙酸对苹果酸脱氢酶的抑制属于终产物对的反馈调节。 ＋

（三）能荷调节

细胞中能够贮藏能量的物质主要是ATP、ADP和AMP，而且一个细胞中ATP＋ADP＋AMP的腺苷酸库是恒定的。Atkinson用“能荷 ”说明腺苷酸系统的能量状态。若所有腺苷酸全部以ATP形式存在，能荷为1.0；全部为ADP，能荷为0.5；全部为AMP，能荷为0。

合成ATP的反应和利用ATP的反应受ATP/AMP比值的控制，或受能荷控制。能荷高，ATP合成减慢，利用加快；能荷低时，合成加快，利用变慢。通过这种反馈抑制，活细胞内能荷一般稳定在0.75～0.95。

反馈抑制维持细胞内能荷的图解如图4-11所示。

（四）电子传递途径的调节

线粒体中电子传递途径会由于内外因素的影响发生改变。植物在感病、受旱、衰老时交替途径

有明显加强。如马铃薯的伤呼吸，刚开始时80％～100％是对CO和CN敏感的，24h以后CO对呼吸只起到极小的抑制作用，CN的抑制作用也减小。这表明电子传递途径已经由细胞色素氧化系统转变为以抗氰呼吸途径。内源与外源乙烯和水杨酸以及缺磷都能诱导交替途径的增强。 二、影响呼吸作用的因素 －－

（一）内部因素对呼吸作用的影响

首先不同植物的呼吸速率不同，见表4-3。一般来说，生长快的植物呼吸也快，如细菌繁殖快，呼吸比高等植物快的多；同一植物不同器官呼吸差异也很大。生长旺盛、幼嫩器官的呼吸较生长慢、年老的器官快。生殖器官呼吸强于营养器官。花比叶快3～4倍。雌雄蕊呼吸较花瓣强；同一器官在不同生育期呼吸差异也很大。幼叶呼吸快，成年后下降，成熟时又上升。成熟期呼吸上升，但P/O比很低，随后又下降。果实成熟期还会出现呼吸跃变。

（二）外部因素对呼吸作用的影响

1、温度

温度通过影响酶的活性对呼吸产生影响。在呼吸最低温度和最高温度之间，随着温度上升，呼吸加快。能够持续地维持较快的呼吸速率的温度称呼吸最适温度。最高与最低温度都是呼吸的极限温度。呼吸的最低、最适和最高温度称温度三基点。高温在短时间内可以提高呼吸速率，但持续时间不长。这是由于呼吸酶和细胞质都不耐高温。

温度对呼吸的影响常用温度系数Q10来表示。Q10是指温度每升高10℃时呼吸速率相当于原温度的倍数。不同发育时期的Q10与器官发育需要的自然温度相符合。

2、氧气和二氧化碳

O2供应状况直接影响呼吸速率与呼吸性质。O2供应不足，不仅引起呼吸速率下降，还会使无氧呼吸升高（图4-14）。长时间无氧呼吸致使植物受害死亡，其原因有三方面：一是无氧呼吸产生酒精，引起蛋白质变性；二是无氧呼吸产生能量少，物质消耗多；三是没有丙酮酸氧化过程，许多中间产物不能合成。作物受涝死亡就是无氧呼吸过久所致。生产上要经常中耕松土，增加土壤通气。

但O2也并非愈多愈好。过高的O2浓度对植物反而有毒。这可能与形成氧自由基有关。多数情况下O2浓度达10％以下已饱和。呼吸速率不再提高时的氧分压称氧饱和点。这时无氧呼吸已停止，使无氧呼吸停止进行的最低氧含量称无氧呼吸熄灭点。

提高CO2浓度呼吸减弱，甚至被抑制。高于5％的CO2浓度就有抑制作用。

在果实、种子贮藏过程中，常用降低温度和O2浓度，提高CO2浓度的方法来延长贮存期。

3、水分

植物组织的含水量与呼吸作用密切相关。在一定范围内，呼吸速率随着植物组织含水量的增加而升高。干燥种子因为缺乏自由水，呼吸非常微弱，当种子吸水以后，呼吸速率迅速增加。对于整株植物来说，接近萎蔫时呼吸速率有所增加，如萎蔫时间较长，细胞含水量则成为呼吸作用的限制因子。

4、机械损伤

机械损伤会加快呼吸速率。其原因是：第一，正常情况下，末端氧化酶与底物是隔开的，机械损伤破坏了这种分隔，底物迅速被氧化；第二，机械损伤使某些细胞转变为分生组织状态，形成愈伤组织去修补伤口，这些生长旺盛的细胞呼吸提高。

还有很多因素可以影响呼吸作用，如可溶性糖浓度、N肥、2，4-D等会对呼吸作用产生影响。

第四节 呼吸作用与农业生产

呼吸作用是代谢的中心环节之一。植物的生长发育过程需要呼吸作用提供物质与能量。农业生产中增强生长发育的许多手段都是通过促进呼吸作用来实现的。没有呼吸就没有生命活动。但呼吸又是一个物质消耗过程。在某些情况下又需要通过控制呼吸的方法来控制物质消耗，以获取较高的产量，或延长机体寿命。

一、 呼吸效率的概念与意义

呼吸作用的功能之一是为生物大分子的合成提供原料。所谓呼吸效率（respiratory ratio）是指每消耗1克葡萄糖可合成生物大分子物质的克数，可用下式表示：

呼吸效率％＝（合成生物大分子的克数/1克葡萄糖氧化）×100％

生长旺盛和生理活性高的部位，活性作用所产生的能量和中间产物，大多数用来合成细胞生长的物质，如蛋白质、脂肪、核酸和纤维素等，因此呼吸效率较高。在生长活动已经停止的成熟组织或者器官中，呼吸作用产生的物质与能量除了一部分用于维持细胞的活性以外，很大一部分能量以热的方式散失掉，因而呼吸效率低。

根据以上两种情况，我们把呼吸分为两类：维持呼吸和生长呼吸。维持呼吸（maintenance respiratoin）是指为了维持细胞活性所进行的呼吸作用。生长呼吸（growth respiration）是指用于生物大分子的合成、离子的吸收、细胞的分裂生长等进行的呼吸。一般来说，维持呼吸是相对稳定的，而生长呼吸则随生长发育状况而发生变化。在植物的一生中，从种子萌发到苗期主要进行生长呼吸，呼吸效率高；随着营养体的生长，生长呼吸所占的比例下降，而维持活性所占的比例增加。 二、呼吸作用与作物栽培

作物栽培中的许多措施都是为了保证呼吸作用的正常进行。播种前的温汤浸种，通过提高温度，增加种子含水量来促进呼吸，加速有机物质的转化，促进种子萌发；浸种过程中通过翻种，增加通气，促进有氧呼吸；田间中耕松土，一方面增加土壤通气，另一方面还可以提高地温，保持水分，保证根系呼吸的正常进行和根系的健康生长；水稻的排水晒田，同样增加了土壤通气，提高了地温。

自然条件下，很多现象与呼吸作用密切相关。涝害致死是由于土壤缺氧，根系长时间进行无氧呼吸所致；干旱、缺K导致氧化磷酸化解偶联；低温破坏线粒体结构，引起呼吸“空转”，代谢紊乱，能量缺乏；自然条件下白天温度高，夜间温度低，则可以减少夜间有机物质的消耗，有利于有机物的积累。

三、呼吸作用与粮食、种子贮藏

粮食贮藏首先要保证粮食的商品价值，不发霉、不变质。作为种子，在此基础上还要保持种子的生活力，延长种子寿命。控制水分含量是保证安全贮藏的基本措施。保证种子或粮食安全贮藏的含水量称安全含水量。不同作物种子安全含水量标准不一（见表4-4）。达到安全含水量时，种子基本上处于风干状态，这时种子中的水大都是束缚水，自由水含量极少，呼吸很弱。随着种子含水量的提高，自由水含量增加，酶活性大大提高，呼吸加强。一方面引起有机物大量消耗，另一方面又会放出水分和热量，使粮堆的温度、湿度提高，反过来促进呼吸。最后导致微生物大量繁殖，发霉变质。所以，粮食、种子进库前，水分含量必须控制在安全含水量以下。

四、呼吸作用与果蔬贮藏

许多果实在成熟过程中，呼吸首先降低，然后突然升高，而后又降低，这一过程称呼吸跃变或呼吸峰。也有一些果实没有呼吸跃变。通过呼吸跃变期，有机物质进行氧化分解，而后达到可食程度，呼吸峰过后，果实达到可食程度。呼吸跃变的出现与乙烯有关。

与粮食贮存不同，果实贮存期间不能降低水分。因为干燥会造成果实皱缩，失去新鲜状态。通常采用降低温度和O2浓度，提高CO2浓度的方法。“自体保鲜法”是近年来常用的贮存方法，就是把果实放在密封的袋子中，利用自身呼吸释放CO2和吸收O2，使袋子中O2浓度不断降低，CO2浓度不断升高，再加上低温，可以达到良好的贮存效果。

五、呼吸作用与作物抗病

患病植株呼吸大大加强。其原因有以下几个方面：①酶与底物的隔离被打破，底物直接被氧化，呼吸加强；②患病部位集中了大量糖分，作为呼吸底物；③呼吸途径发生改变，EMP-TCA途径减弱，PPP途径加强，多酚氧化酶、过氧化物酶活性升高；④病原微生物本身具有强烈的呼吸。由于氧化磷酸化解偶联，患病部位温度升高。

患病后呼吸的增强与植物的抗病性相关。通过呼吸可以产生抑制病原微生物的物质，分解毒素，进行伤口愈合，或者形成保护圈，抑制病斑的继续扩大。在病原菌侵入植物体时，体内产生某种对病原菌有毒的化合物（大多数是次生代谢产物），以防止病原菌侵染，这些化合物称为植保素，对侵入的病原菌有毒杀作用或防御反应。