第一节 呼吸作用和呼吸商

　　一、呼吸作用的定义

　　呼吸作用（respiration）包括了有氧呼吸和无氧呼吸两大类型。有氧呼吸（aerobic respiration）是生活细胞吸收O2，将淀粉、葡萄糖、蔗糖等有机物质彻底氧化，放出CO2和形成H2O，并释放能量的过程。例如以葡萄糖为底物时，有氧呼吸的总反应式如下：

　　C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量

　　无氧呼吸（anaerobic respiration）是指生活细胞在无氧条件下，把某些有机物如葡萄糖、果糖等分解成不彻底的氧化产物，同时释放出能量的过程，这个过程又叫发酵作用（fermentation）。高等植物的呼吸主要是有氧呼吸，无氧呼吸时产生酒精。因此，以葡萄糖为底物时，无氧呼吸的总反应式是：

　　C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量

　　植物进行呼吸时，释放的能量大部分以热量形式转移到大气和土壤中，这部分热量对植物本身并没有什么作用和好处，只有少数种类的植物在外界温度低时，这些热量可以促进代谢和生长。呼吸作用释放的另一部分能量则以ATP，NADH和NADPH的形式贮存起来，这些化合物特别是ATP为植物生命活动的许多基本过程所必需。

　　呼吸作用有两种定义。一种是广义的定义，即包括有氧呼吸和无氧呼吸。另一种是狭义的定义，专指有氧呼吸，平时所说的呼吸作用往往是指有氧呼吸。

　　有氧呼吸和无氧呼吸的总反应式似乎是将呼吸作用简单化了。实际上呼吸作用包含一系列的不同酶催化的反应过程，以及包含电子传递和能量转换过程。更为复杂的是呼吸作用的中间代谢产物被用作蛋白质、核酸、脂肪、色素等植物体内许多重要物质的合成原料。因此，往往只有一部分呼吸底物被全部氧化产生CO2和H2O，而另一部分则用于细胞物质的生物合成过程。

　　二、呼吸商

　　呼吸商（respiratory quotient，简称RQ），是指呼吸作用所释放的CO2和吸收的O2的分子比。当蔗糖、葡萄糖或淀粉等碳水化合物作为呼吸底物时，如果它们被完全氧化，则细胞的耗氧量和释放CO2量相等，即RQ值约等于1。例如，多种植物叶片的RQ约为1.05，禾谷类种子或其它淀粉类种子萌发时，RQ接近1。一些含油和脂肪类种子萌发时，RQ约为0.7。以油或脂肪作呼吸底物时，需要消耗大量的O2。可以通过呼吸底物完全氧化的方程式来计算呼吸商。例如：

　　C6H12O6+6O2→6CO2＋6H2O

　　六碳糖 RQ=6/6=1

　　2C57H104O9＋157O2→114CO2＋104H2O

　　蓖麻油 RQ＝114/157＝0.73

　　通过测定植物不同组织或器官的RQ，可以判断呼吸底物的类型。不过，呼吸商往往还受到许多其它因素的影响而变得更为复杂。例如：无氧呼吸时，没有O2的吸收，只有CO2的释放，此时RQ值为无穷大；当植物体内发生物质的转化，呼吸作用中间产物用于其他物质的生物合成时，RQ值会受到影响；植物体内往往是多种呼吸底物同时进行呼吸作用，其呼吸商实际上是这些物质氧化时细胞耗O2量和释放CO2量的总体结果；此外，一些物理因素如种皮不透气性，很难获得种子萌发时的耗O2量和CO2释放量的真实数据，因而测定的RQ值的可信程度低。

　　第二节 碳水化合物降解的途径

　　一、贮藏物质转化为己糖

　　1.淀粉的贮藏和降解

　　植物中的淀粉以直链淀粉和支链淀粉的形式贮存在非水溶性的淀粉粒中。叶片中的淀粉积累在叶绿体中，而在植物的贮存器官或根和茎中，淀粉则贮藏在淀粉体中。多年生植物在冬季积累淀粉为来年春季的生长利用。植物的块茎以及种子的胚乳和子叶中含有丰富的淀粉，这些淀粉大部分在幼苗生长发育期间利用。

　　淀粉的水解有两种途径，即水解途径和磷酸解途径。淀粉水解时每切断一个糖苷键吸收一分子水，主要的水解酶有α-淀粉酶和β-淀粉酶。淀粉磷酸解作用使磷酸根和产物葡萄糖结合在一起产生磷酸葡萄糖，主要的酶为淀粉磷酸化酶。

　　α-淀粉酶又叫淀粉内切酶，能随机催化水解直链和支链淀粉上的α-1，4-糖苷键，产生的低聚糖进一步由α-淀粉酶水解，直至产生葡萄糖和麦芽糖：

　　植物中α-淀粉酶具有许多同工酶。例如用等电聚焦电泳发现萌发的小麦种子存在20多种不同等电点的同工酶。α-淀粉酶不能水解支链淀粉分支上的α-1，6-糖苷键。因此，α-淀粉酶水解支链淀粉的结果会产生葡萄糖、麦芽糖和带分支链的极限糊精（limit dextrin）：

　　脱支酶可以水解极限糊精上的α-1，6-糖苷键产生低聚葡萄糖，后者再由α-淀粉酶进一步水解产生葡萄糖和麦芽糖：

　　β-淀粉酶又称淀粉外切酶。该酶可以催化水解淀粉链上的α-1，4-糖苷键，但只能从淀粉链上的非还原端逐个麦芽糖进行水解。β-淀粉酶不能水解支链α-1，6-糖苷键，因此在水解支链淀粉时有极限糊精存在：

　　由α和β-淀粉酶产生的麦芽糖，经α-葡萄糖苷酶水解产生两个分子的葡萄糖。α-葡萄糖苷酶也可以水解一些低分子量的麦芽低聚糖。

　　淀粉磷酸化酶在直链或支链淀粉的非还原端开始逐个切割淀粉链上的α-1，4-糖苷键，产生葡萄糖-1-磷酸：

　　直链淀粉可以被淀粉磷酸化酶完全水解，而支链淀粉则剩下带分支的极限糊精，这些极限糊精进一步由脱支酶和α-葡萄糖苷酶水解成葡萄糖。值得注意的是，淀粉磷酸化酶既可以催化淀粉的降解，又可催化淀粉的合成。不过，在植物淀粉粒内，淀粉磷酸化酶的主要功能是催化淀粉的降解。

　　淀粉磷酸化酶和α-淀粉酶一样，广泛存在于植物中。但目前很难判定α-和β-淀粉酶中哪一种酶在淀粉降解中更为重要。不过，有理论认为非水溶性的淀粉粒只有经过α-淀粉酶的初步水解后，β-淀粉酶和淀粉磷酸化酶才能起作用。图2-1显示了这些酶在支链淀粉链上的作用位点。禾谷类种子萌发后淀粉的降解主要由α-和β-淀粉酶进行水解，而淀粉磷酸化酶的作用不大。但在其他种类植物种子以及所有植物的叶片和其他组织中，淀粉的降解可能由几种酶的协同作用。例如叶绿体中淀粉的降解可能存在下列步骤：（1）淀粉粒被水解成可溶性的葡聚糖；（2）a可溶性葡聚糖在淀粉磷酸化酶和脱支酶的作用下产生葡萄糖-1-磷酸；（2）b可溶性葡聚糖继续水解；（3）磷酸己糖和葡萄糖进一步转化为丙糖磷酸（磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸）；（4）丙糖磷酸由磷酸载体转运到细胞质中。到达细胞质中的磷酸丙糖再组装成磷酸六碳糖或直接进入糖酵解途径。

　　2.果聚糖的水解

　　在一些植物中，如大麦属、燕麦属和一些双子叶植物，它们的叶、茎和花等组织中的主要贮藏碳水化合物为果聚糖，而种子中主要为淀粉。对于果聚糖的代谢现在知道的不多。果聚糖的降解主要通过β-呋喃果糖苷酶水解β-1，2或β-2，6-糖苷键，产生果糖和蔗糖：

　　

　　果糖可以直接进入糖酵解途径，蔗糖则需经过水解成葡萄糖和果糖后才能进入糖酵解途径。

　　3.蔗糖的水解

　　蔗糖的水解存在两种不同的机制。一种是由转化酶催化的反应，另一种是蔗糖合酶催化的反应。

　　转化酶存在于细胞质、液泡和细胞壁中。细胞质中的转化酶为碱性酶，最适pH为7.5。而在液泡和细胞壁中的转化酶为酸性酶，最适pH为5或更低些。转化酶催化的反应如下：

　　蔗糖合酶主要存在于细胞质中，催化的反应是双方向的：

　　UDP-葡萄糖在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶的作用下产生葡萄糖-1-磷酸和UTP。

　　实验结果表明，蔗糖合酶是淀粉贮藏器官以及迅速生长的组织中分解蔗糖的主要酶。而转化酶则在生长较慢的组织以及成熟细胞的蔗糖水解中起主导作用。

　　二、糖酵解

　　呼吸作用可以分为三个主要阶段。第一个准备阶段称为糖酵解（glycoysis），第二和第三阶段是发生在线粒体中的三羧酸循环和电子传递途径。

　　糖酵解是指葡萄糖、葡萄糖-1-磷酸或果糖分解成丙酮酸的一系列反应，是糖的无氧酵解，在细胞质中进行。虽然糖酵解的部分反应可以在叶绿体或质体中进行，但这些细胞器均不能完成糖酵解的全过程。糖酵解反应所需要的酶，除己糖激酶外，都存在细胞质中。图2-2列出了糖酵解的全过程。每一步反应都有特定的酶催化，每个中间产物都含有磷酸基。当一分子葡萄糖分解成二分子丙酮酸时，可由ADP和NAD+生成2分子ATP和2分子NADH，总反应式为：

　　糖酵解具有下列几方面的功能：

　　1.糖酵解使一分子己糖转变成二分子丙酮酸，并发生了部分氧化作用。虽然没有O2的吸收和CO2的释放，但发生了2分子NAD+被还原成NADH。每分子NADH进入线粒体氧化成NAD+可产生2分子ATP。部分不进入线粒体的NADH，在细胞质中推动生物合成过程。

　　2.ATP的产生。在糖酵解中既消耗一些ATP，又产生一些新的ATP。一分子葡萄糖和果糖分解成2分子磷酸丙糖，而每一分子磷酸丙糖转化成丙酮酸时可产生2分子ATP，这样一共生成4分子ATP。至于净生产多少分子ATP则要看生成1，6-二磷酸果糖的途径而异。葡萄糖和果糖进入糖酵解后，分别由己糖激酶和果糖激酶催化，各消耗1分子ATP形成葡萄糖-6-磷酸或果糖-6-磷酸。后由果糖-6-磷酸转变成1，6－二磷酸果糖有两条途径。一条是由ATP-磷酸果糖激酶（ATP-PFK）催化的磷酸化作用，消耗1分子ATP。另一条途径是70年代末至80年代初发现的由PPi-磷酸果糖激酶（PPi-PFK）催化的磷酸化作用，磷酸供体为焦磷酸。由此可见，由葡萄糖或果糖转化成1，6-二磷酸果糖，如果通过ATP-PFK途径，需用去2分子ATP；如果通过PPi-PFK途径则只需要1分子ATP。因此，1分子六碳糖酵解净生成2分子或3分子ATP。

　　3.糖酵解形成的中间产物可以用于植物其他物质的合成。详见本章第四节。

　　4.糖酵解的产物丙酮酸进入线粒体进一步被氧化，产生比糖酵解更多的ATP。

　　三、发酵作用

　　虽然糖酵解过程能在缺氧的条件下进行，但其产物丙酮酸和NADH在线粒体中进一步氧化需要O2的参与。在缺氧的情况下，细胞质中积累丙酮酸和NADH，细胞进行发酵作用产生乙醇或乳酸（图2-3）。植物的发酵作用通常只产生乙醇。产生乙醇时，丙酮酸在丙酮酸脱羧酶的作用下脱羧产生乙醛和CO2。乙醛被NADH迅速还原成乙醇，催化这一反应的酶为乙醇脱氢酶。一些细胞存在乳酸脱氢酶，该酶利用NADH将丙酮酸还原为乳酸。细胞中两条途径的酶活性决定着乙醇或乳酸的生成。此外，两条途径中NADH都作为还原剂。只有在无氧情况下，细胞质中才会有足够的NADH促进丙酮酸或乙醛的还原作用。在一些植物中，当氧缺乏时NADH被用于其他物质如苹果酸和甘油的积累。

　　发酵作用即无氧呼吸，包括了从己糖经糖酵解产生丙酮酸，随后进一步产生乙醇或乳酸的全过程。糖酵解中产生的2分子NADH用于乙醛或丙酮酸的还原作用。因此，葡萄糖经发酵作用产生乙醇的总反应式为：

　　四、三羧酸循环

　　在有氧条件下，己糖被彻底氧化成CO2和H2O，是细胞内糖分解产生能量的主要途径。前面已经讲述了糖经过磷酸化后氧化成丙酮酸的糖酵解过程。丙酮酸进入线粒体后，经氧化脱羧变成乙酰辅酶A（乙酰CoA）。乙酰CoA进入三羧酸循环（tricarboxylicacid cycle，TAC）彻底氧化。

　　催化丙酮酸氧化脱羧反应的酶为丙酮酸脱氢酶。实际上该酶是由五种酶组成的多酶复合体，其中三种酶催化丙酮酸的氧化脱羧反应，而另外两种酶则调节前三种酶的活性。丙酮酸转化为乙酰辅酶A过程中，除了产生CO2外，脱出的两个氢原子被NAD+接受产生NADH（图2-4）。

　　三羧酸循环又称柠檬酸循环（citric acid cycle）和Krebs循环。严格地说，三羧酸循环是从乙酰CoA与草酰乙酸缩合成含三个羧基的柠檬酸开始的。但为了叙述的方便，往往将丙酮酸氧化成乙酰CoA归入三羧酸循环加以讨论，如图2-4所示。柠檬酸经过一系列反应，一再氧化脱羧经α-酮戊二酸、琥珀酸再降解成草酰乙酸。参与这一循环的乙酰CoA的二个碳原子，经过循环后生成2分子CO2。三羧酸循环中，从有机酸中间产物脱出的电子转移到NAD+形成NADH，或转移到泛醌辅酶Q（UQ）形成UQH2。此外，由琥珀酰CoA转变为琥珀酸的反应中还形成1分子ATP。

　　三羧酸循环最主要的功能如下：

　　1.使NAD+和UQ还原成NADH和UQH2。这些电子供体进一步氧化产生ATP。

　　2.直接合成ATP。每一分子丙酮酸氧化产生1分子ATP。

　　3.三羧酸循环的中间产物为氨基酸合成提供碳骨架（详见本章第四节）。

　　由糖酵解产生的2分子丙酮酸，经过氧化脱羧后进入三羧酸循环彻底氧化，总反应式可写成：

　　2丙酮酸+8NAD++2UQ+2ADP+2H2PO4-+4H2O→

　　6CO2+2ATP+8NADH+8H++2UQH2

　　五、磷酸戊糖途径

　　植物除了通过糖酵解和三羧酸循环使糖氧化成CO2和H2O而获得能量之外，还有另一条途径，称为磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）或称为磷酸葡萄糖酸支路（phosphogluconate pathway）。磷酸戊糖途径存在于细胞质中，其反应过程见图2-5。

　　磷酸戊糖途径的第一步反应是6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶的作用下氧化成6-磷酸葡萄糖酸内酯（反应1）。6-磷酸葡萄糖可以由淀粉的磷酸解作用产生的1-磷酸葡萄糖转变而产生，也可以由葡萄糖经己糖激酶作用产生，也可以直接来源于光合作用。6-磷酸葡萄糖内酯在内酯酶的作用下迅速水解成6-磷酸葡萄糖酸（反应2）。后者在6-磷酸葡萄糖脱氢酶的作用下氧化脱羧转变成5-磷酸核酮糖（反应3）。在反应1和3中，NADP+是电子受体。有别于糖酵解中以NAD+作为电子受体。在第4至第8个反应中，有关酶催化的反应是可逆的过程。5-磷酸核酮糖在异构酶（反应4）和表异构酶（反应5）的催化下转化成5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖。这些中间产物在转酮基酶（反应6和8）和转醛基酶（反应7）的作用下，产生3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。糖酵解途径也产生这两种中间产物。由于细胞质中同时存在糖酵解和磷酸戊糖途径所需要的酶，因而由磷酸戊糖途径产生的3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖可以逆着糖酵解途径转化成6-磷酸葡萄糖，也可以进入糖酵解途径进一步被分解。

　　磷酸戊糖途径最重要的功能有：

　　1.NADPH的生成。NADPH的主要作用有两个方面，一是在线粒体中氧化产生ATP；二是参与某些依赖NADPH的生物合成反应，作为供氢体。

　　2.4-磷酸赤藓糖的生成。这种化合物是大多数酚类化合物如花色素苷和木质素的重要合成前体。

　　3.磷酸核糖的生成。它是核酸包括RNA和DNA合成所需的核糖和脱氧核糖的前体。由此可见，磷酸戊糖途径与糖酵解途径和三羧酸循环一样，对植物具有同等重要的作用。

　　第三节 电子传递和能量转换

　　一、电子传递系统

　　线粒体中的NADH主要来源于下列反应过程：三羧酸循环、糖酵解和叶片光呼吸时甘氨酸的氧化作用。当NADH氧化时产生ATP，由三羧酸循环中琥珀酸脱氢酶催化产生的UQH2也可以氧化产生ATP。所有这些氧化过程都涉及到O2的吸收和H2O的产生。不过，无论是NADH或UQH2都不能直接将电子传递给O2而生成H2O。电子供体上的电子要将O2还原产生H2O，要经过几种中间化合物（载体），这些电子载体组成线粒体电子传递系统（electron-transport system）。在这个系统中，能量水平较高的电子经过不同的载体传递到能量较低的水平，最后电子（e）和质子（H2）结合氧形成水（图2-6）。电子载体以四种主要蛋白复合体的方式排列在线粒体的内膜上，每个线粒体存在几千个电子传递系统。

　　线粒体电子传递系统的主要成分有：细胞色素（含铁的蛋白，包括4种cyt.b和2种cyt.c）、Fe-S蛋白、黄素蛋白（FP，含FMN或FAD）、辅酶Q（UQ，电子传递链中的非蛋白成员）和细脱色素氧化酶（包含有cyt.a和a3）。关于电子传递的途径，如图2-6所示为：内源NADH→FP（含FMN）→Fe-S蛋白→辅酶Q→cyt.b→Fe-S蛋白→辅酶Q→cyt.c1→c→a→a3→O2。在这个电子传递链上，Fe-S蛋白和细胞色素每次只传递1个电子，不接受质子。黄素蛋白和辅酶Q每次可接受2个电子和2个质子。因此，电子传递过程中辅酶Q和黄素蛋白从线粒体基质接受质子后不再往下传递，而是将质子传递到膜间腔。由于电子传递而引起H+的跨膜运转，建立起跨膜的pH梯度（基质的pH约为8.5，膜间腔pH接近7），进而推动ATP的合成。

　　二、氧化磷酸化作用

　　氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation），是指线粒体中NADH上的一对电子被传递到O2时，推动ADP磷酸化形成ATP的作用。Mitchell提出的化学渗透学说能较好解释电子传递与ATP形成的机制。可以将电子传递系统看作是一个质子泵，由此产生的质子电化学势梯度，推动ATP的合成（图2－7）。线粒体的ATP合成酶（F1－F0复合体）与叶绿体的ATP合成酶相似，具有小球体头部和柄部。头部嵌入内膜并伸入线粒体基质内，柄部则横跨内膜向外伸展到膜间腔。在基质的头部合成ATP后，ATP通过内膜上的反向运转体运到膜间腔，同时反方向运转ADP。线粒体外膜的透性较大，具有允许小于5kD的分子通过的通道。代谢物很容易通过线粒体外膜，ATP通过这些通道进入细胞质中。

　　如图2－6所示，由线粒体基质内三羧酸循环产生的内源NADH＋H+首先将2个电子和2个H+传递给内膜内侧含FMN的黄素蛋白。黄素蛋白将电子传递给Fe-S蛋白。由于Fe－S蛋白不接受H+，所以2个H+以某种方式运送到膜间腔。这是电子传递链上跨膜转运到膜间腔的第一对质子。第二和第三对质子的跨膜运转是在UQ从Fe-S蛋白接受2个电子时，从基质中吸收2个H+还原成UQH2，Cyt.b或Cyt.c1只接受电子，2个H+被运送到膜间腔。最近的研究指出，Cyt.c被细胞色素氧化酶氧化时，伴随着一对H+从基质运到膜间腔。不过，具体机制还不清楚。

　　从还原势（ψ0）来看，NADH的ψ0为-0.32伏，而O2为+0.82伏，总变化△ψ0为+1.14伏。在线粒体中，每氧化1mol由三羧酸循环产生的NADH释放220kJ的能量，4对H+由线粒体基质跨内膜运转到膜间腔，产生的pH梯度足够推动ATP合成酶合成3分子ATP。许多研究也表明，植物的离体线粒体每氧化一分子三羧酸循环NADH，产生3分子ATP。

　　由糖酵解产生的NADH以及琥珀酸产生的UQH2的电子没有参与电子传递系统中产生第一对H+跨膜的过程（图2-6）。因而它们氧化时产生较小的pH梯度差异。植物线粒体还可以氧化戊糖磷酸途径产生的NADPH，电子传递途径与糖酵解NADH的相同。

　　线粒体的氧化与磷酸化作用可以被一些解偶联化合物抑制。大多数解偶联剂通过运载H+进入线粒体基质而中和pH梯度。在这种情况下，电子传递仍然进行，甚至更为迅速。但ATP的合成则因缺乏质子驱动力而不能进行。如图2－7所示，线粒体膜间腔的质子由解偶联剂（如对三氟甲酰基羰基氰苯腙，简称FCCP）运转进入基质，而不再通过ATP合成酶。因此，解偶联剂抑制了ATP的合成。线粒体氧化磷酸化的解偶联剂还有羧基氰-m-氯苯腙（CCCP），和二硝基苯酚（DNP）等。

　　除解偶联剂外，一些化合物对氧化磷酸化虽然不起解偶联作用，但却分别抑制电子传递和磷酸化过程。例如寡霉素通过抑制ATP合成酶的活性而抑制ATP合成。一些化合物通过抑制H+/Pi的同向运转体或通过抑制ADP/ATP以反向运转体的作用而阻碍ATP合成。电子传递链上也存在一些抑制剂，如鱼藤酮抑制电子由内源NADH向FP和Fe-S蛋白传递；抗霉素是细胞色素的抑制剂，可能阻碍电子由cyt.b向Fe-S蛋白或相邻的电子载体的传递；氰化物和一氧化碳则对细胞色素氧化酶具有抑制作用。

　　三、抗氰呼吸

　　大多数生物包括部分植物的有氧呼吸会被一些能与细胞色素氧化酶中的铁原子结合的阴离子强烈地抑制。这些阴离子中以氰化物（CN-）和叠氮物（N3-）最为有效。此外，一氧化碳（CO）也能与铁原子形成极强的复合物而阻碍电子的传递和毒害呼吸作用。但是对于一些植物组织，在细胞色素氧化酶抑制剂存在时呼吸作用仍然进行，这类抑制剂对呼吸作用的影响并不大。这时的呼吸作用称为抗氰呼吸（cyanide－reststantrespiration）。

　　当细胞色素氧化酶活性受到抑制时呼吸作用仍然进行，这是由于抗氰线粒体的电子传递途径中存在一条较短的电子传递支路。这一分支起始于泛醌辅酶Q，经黄素蛋白至末端氧化酶。这个电子传递支路称为交替途径（alternative pathway），末端氧化酶称为交替氧化酶（alternative oxidase）。交替氧化酶对O2的亲和力很高。但相对细胞色素氧化酶来说，交替氧化酶对O2的亲和力稍低些。抗氰呼吸时很少或无氧化磷酸化作用。即主要是释放热量，而不是产生ATP。这些热量对于促进一些植物的授粉作用有一定的生理意义。例如，许多沼泽地带植物如天南星科植物在早春开花时，环境温度较低，通过抗氰呼吸放热，使花器官的温度大大高于环境温度，从而保证了花序的发育和授粉作用的进行（图2-8）。此外种子萌发初期的抗氰呼吸有促进萌发的作用。

　　近年来已有人分离得到交替氧化酶，并对该酶的一些特性进行研究。在佛焰花序附属物存在下，交替氧化酶活性增加7倍，而正常电子传递途径（细胞色素途径）活性下降10倍。这种活性的改变迫使电子通过交替途径传递给O2，并产生大量热量。但是在植物体内交替途径与正常途径之间运作的比例如何，人们还不甚了解。许多的研究结果都是在加入CN-、N3-或CO使细胞色素氧化酶活性受到抑制的非自然情况下得到的，因而不能说明植物体内的真实情况。不过，可以肯定植物中交替途径是经常运行着的。例如，在经光合作用积累了大量糖分的细胞中，糖酵解和三羧酸循环进行得非常迅速，正常的电子传递途径不能处理供给过剩的电子。这时细胞中交替氧化酶活性达到最高。因此，有研究认为，糖酵解和三羧酸循环的迅速进行，使细胞色素途径电子传递呈饱和状态时，交替途径则通过流出机制运走那些过剩的电子。

　　第四节 呼吸作用的生理意义

　　植物呼吸作用的生理意义主要有两点：（1）呼吸作用产生的能量是许多其他生命活动过程的能源；（2）呼吸作用的中间产物是植物体内许多重要物质生物合成的原料。下面对这两方面分别讨论。

　　一、糖酵解、三羧酸循环和电子传递系统的能量学

　　在本章第一节中已提到，葡萄糖经有氧呼吸彻底氧化后产生的能量，部分以ATP的形式贮存起来，部分以热的形式释放。但是，这些能量中有多少贮存在ATP中，多少由热量散失了呢？要回答这个问题，需要回顾一下有关反应过程。在糖酵解中，每个己糖可产生2个ATP和2个NADH。因而糖酵解时每分子己糖可产生6个ATP。在三羧酸循环中，每分子己糖或2分子丙酮酸产生2分子ATP和8个NADH。这些线粒体内的NADH经氧化后，每个NADH可产生3个ATP，合计24个ATP。另外2个UQH2经氧化磷酸化后产生4个ATP。由此可见，三羧酸循环可产生30个ATP。这30个ATP加上糖酵解产生的6个ATP，即每个己糖经呼吸作用完全氧化共产生36个ATP。

　　现在我们计算呼吸作用的能量转换效率。葡萄糖经呼吸作用后其中的能量有多少贮存在ATP中呢？1克分子葡萄糖或果糖完全氧化时的自由能变化（△G′0）为-2870kJ（-686千卡）。在呼吸终产物方面，只有ATP是可以利用的能量。每克分子ATP的末端磷酸水解的△G′0为-31.8kJ（-7.6千卡）。36molATP的末端磷酸水解的△G′0约为-1140kJ。因此，呼吸作用的效率为-1140/-2870，约为40％。其余的60％以热的形式散失了。

　　二、植物呼吸作用的中间产物用于其它生物合成过程

　　呼吸作用的许多中间产物被用作其他化合物合成的原料。这些化合物包括脂肪、蛋白质、叶绿素和核酸等。这些化合物的合成需要ATP，往往还需要NADH或NADPH。例如，在硝酸还原为亚硝酸时需要大量的NADH，这一过程明显依赖于线粒体的呼吸作用。

　　在介绍磷酸戊糖途径时已强调这一途径的作用。图2-9是糖酵解和Krebs环产生的碳骨架被用于其他化合物合成的简图。从图中可见，呼吸作用过程并不是所有的原始底物（如葡萄糖）的全部碳原子都被氧化成CO2，而NADH或NADPH中的电子也并不全用在与O2结合形成H2O的过程。不过，由于大分子化合物的合成依赖于氧化磷酸化提供足够的ATP，肯定会有部分原始底物会被彻底氧化。

　　此外，另一个重要问题是当三羧酸环中的有机酸被用于天冬氨酸、谷氨酸、叶绿素和细胞色素等化合物合成时，最后会造成草酰乙酸缺乏。因此，除非存在草酰乙酸的补充机制，否则有机酸的消耗很快会造成三羧酸循环停止运行。幸好在所有植物中，昼夜都有CO2（或HCO3-）在PEP羧化酶和苹果酸酶的作用下固定在草酰乙酸和苹果酸

　　以上反应具有补充有机酸和维持Krebs环不断进行的作用，在植物的生长过程中是十分必需的。

　　第五节 呼吸作用的生化调节

　　植物的一切生理活动都是以物质和能量代谢为基础的。研究植物生命活动过程中的代谢变化及其调节是植物生理学的一个重要研究领域。代谢的调节实际上是对参与代谢过程酶的调节。酶的调节包括酶的合成和活性的调节。酶合成亦即酶蛋白基因的表达。从根本上讲，对酶的调节最终是对基因表达过程的调节。不过，到目前为止，从分子水平上研究呼吸酶的代谢调控的工作不多。本节主要介绍酶活性的调节问题。

　　呼吸作用的各个代谢途径都有许多反应步骤，其中有少数步骤的酶起着关键作用。因此抓住关键酶或控制点（control Point）的调节就可以达到对整个途径的调节。例如，在糖酵解开始时，存在一个非常重要的控制点，这个控制点调控着细胞质中己糖进入呼吸代谢，或者用于合成贮藏碳水化合物或合成细胞壁成分。

　　此外，细胞中ATP，ADP和Pi浓度对呼吸作用起着重要的调节作用。这种调节作用往往又是通过调节呼吸代谢的关键酶活性来实现的。ATP是底物彻底氧化时唯一重要产物，而ADP和Pi则控制着ATP合成的速度。细胞中ATP的浓度通常只在毫摩尔范围内，但ATP合成和利用的速度相当惊人！例如每毫克玉米根尖每天可以将5克ADP转化成ATP。细胞中ATP→ADP+Pi的反应每分钟可逆进行一次至数次。植物生长的物质合成需要大量的ATP，而ADP和Pi继而又被用来合成ATP。因此呼吸作用和生长相互依赖。即使停止生长的细胞也需要ATP来维持其生命活动。

　　一、糖酵解的调节

　　蔗糖、淀粉、和果聚糖等都是糖酵解底物的主要来源。降解这些寡糖的酶活性并不受呼吸底物或产物的调节。不过，某些激素（如赤霉素）可以诱导这些寡糖水解成己糖。通常己糖大量存在时，糖酵解和呼吸作用进行比缺乏己糖时更加迅速。

　　ATP-磷酸果糖激酶（ATP-PFK）是糖酵解的关键酶，作用于糖酵解途径的第一步反应，催化果糖-6-磷酸形成果糖-1，6-二磷酸。这个反应阻止了果糖-6-磷酸用于合成蔗糖和淀粉的过程，起着控制整个糖酵解过程的作用。ATP-PFK受到一些代谢产物如ATP，磷酸烯醇式丙酮酸和柠檬酸的抑制。Pi，Mg2+、Na+和K+等离子促进该酶的活性。当细胞中ATP，PEP和柠檬酸水平较高时，ATP-PFK活性受到抑制，糖酵解途径速度下降，避免糖酵解产物过剩。相反，当细胞中ATP、PEP和柠檬酸减少而Pi水平增加时，促进ATP-PFK活性提高，使糖酵解速度加快。有实验表明ADP和AMP对该酶有一定的抑制作用，这种抑制作用目前难以解释。

　　在植物体中，果糖-6-磷酸转化为果糖-1，6-二磷酸的另一途径是由焦磷酸-磷酸果糖激酶（PPi-PFK）催化的。该酶同样是糖酵解的关键酶，植物体内的果糖-2，6-二磷酸是PPi-PFK的活化剂。果糖-2，6-二磷酸还抑制果糖-1，6-二磷酸酯酶的活性，该酶催化果糖-1，6-二磷酸水解成果糖-6-磷酸。这种抑制作用有利于果糖-1，6-二磷酸的形成和糖酵解的进行。糖酵解的这些调节关系可以用图2—10来表示。如果糖酵解占优势，则蔗糖的形成受到抑制，因为这两个过程竞争共同底物果糖-6-磷酸。这种竞争可能是决定蔗糖是用于呼吸还是运往植物其他部分的控制机制。这种竞争依赖于果糖-2，6-二磷酸的迅速变化水平。细胞质中果糖-2，6-二磷酸通常含量在1～10μmol/L之间。

　　糖酵解途径中的丙酮酸激酶，长期被认为是糖酵解的关键酶。该酶催化PEP转化成丙酮酸。ATP，柠檬酸抑制该酶活性，而ADP促进其活性。此外，Ca2+抑制丙酮酸激酶活性，而K+和Mg2+则为该酶的活化剂。

　　除了上述关键酶之外，细胞中NAD+/NADH比值也是糖酵解的重要调节因子。NAD+是糖酵解的重要底物，而NADH为糖酵解的产物。由于O2在NADH氧化产生NAD+中的重要作用，因而植物组织在有氧条件下，细胞质中NADH缺乏，有利于糖酵解的进行。NAD+/NADH比值的调节常常归结为氧浓度的调节。这种氧抑制酒精发酵的现象叫巴斯德效应（Pasteur effect）。

　　二、线粒体呼吸作用的调节

　　1.ADP对线粒体呼吸作用的调节

　　线粒体呼吸作用包括三羧酸循环、电子传递系统和氧化磷酸化。在这三个互相依赖的过程中，存在着许多控制点，线粒体中ADP浓度是直接的调控因子。ADP浓度高时，氧化磷酸化的电子传递加速，而三羧酸循环速度更快。由此可见，线粒体呼吸速率高低取决于线粒体中产生的ATP向外运输至细胞质，ATP在那里被用于生物合成过程转变成ADP，以及ADP运进线粒体基质等一连串代谢活动的能力。在生长迅速的器官组织或细胞中，呼吸作用加强。其中一个主要原因是生长迅速时许多需能反应中需要将大量的ATP水解成ADP。ADP的调节作用，除了作为氧化磷酸化的底物外，对于三羧酸循环的许多关键酶还有重要的活化作用。

　　2.三羧酸循环关键酶活性的调节

　　三羧酸循环的关键酶有丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶。其中又以丙酮酸脱氢酶特别重要。

　　丙酮酸脱氢酶是一个十分重要的关键酶。该酶是由五种酶组成的多酶复合体。其中二种酶调节另外三种酶的活性。这两种起调节作用的酶中，一种是磷酸激酶，一种是磷酸酯酶。磷酸激酶利用ATP作磷酸供体，使丙酮酸脱氢酶上某一部位的苏氨酸残基上的羧基发生磷酸化作用，导致酶活性迅速钝化，使得三羧酸循环停止运行，磷酸酯酶与激酶的作用相反，它水解苏氨酸残基上的磷酸，重新活化丙酮酸脱氢酶，使丙酮酸的氧化继续进行。因此，当线粒体中ATP水平高而且磷酸激酶又处于活化状态时，三羧酸循环速度减慢以减少ATP的形成。直至丙酮酸脱氢酶上的磷酸脱去，三羧酸循环速度才会增加。调节丙酮酸脱氢酶的加磷酸（失活）和脱磷酸（活化）作用的重要因子是线粒体中丙酮酸的浓度。当丙酮酸浓度高时，使该酶脱磷酸而保证更高的活性，加速三羧酸循环的进行。

　　线粒体的柠檬酸合成酶活性受ATP抑制。但当乙酰辅酶A浓度增加时，ATP的抑制作用减弱。异柠檬酸脱氢酶受ATP和NADH抑制，而AMP，ADP，柠檬酸和异柠檬酸却可以促进酶活性的提高。NADH和ATP均能抑制苹果酸脱氢酶的活性，而草酰乙酸也表现出一定的抑制作用，这是终点产物的反馈抑制。

　　三、戊糖磷酸途径的调节

　　PPP途径的关键酶是催化第一步反应的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。该酶受到NADPH的抑制。由于该酶需要NADP+作底物，因而任何促使NADPH转化为NADP+的反应过程均可加速PPP途径的进行。例如，电子传递链NADPH的氧化作用和生物合成过程都消耗NADPH，均可促进PPP途径进行。

　　四、pH的调节作用

　　pH对植物的酶促反应具有调节作用。细胞中每一种酶都具有最适的pH值和最适pH的微环境。即使是pH的微小变化，都会导致酶促反应速度的强烈改变。由于生物膜对H+的不透性，使pH分布的不连续性成为可能。事实上，质子梯度除推动线粒体物质运转外，还推动ATP的合成。在一种固定的pH中，许多代谢过程的速度是相互调节和相互关联的。因此，pH改变了，可以估计到代谢途径间的相互平衡也会相应地变化。不过，关于酶的pH微环境和各种酶之间的相互作用仍然知之甚少。表2—1列举了几种呼吸酶的最适pH。其中有两种极端的情况，如苹果酸脱氢酶的最适pH为9.5，而NAD-苹果酸酶为6.7～6.9，表中酶的最适pH只是一个特定的pH，代表最大反应速率时pH。但当底物浓度改变时，最适pH也会改变。因而，在植物线粒体中，pH如何调节酶促反应过程仍然是一个相当复杂的问题，有待深入认识。

　　第六节 影响呼吸作用的因素

　　前面我们对呼吸作用中各种代谢途径的生化调节进行了讨论。外界环境因素（指呼吸作用系统以外的因素）对呼吸作用的影响又如何呢？影响呼吸作用的环境因素主要有底物、氧气、温度、植物的类型和年龄等，下面分别作简单介绍。

　　一、底物供应

　　呼吸作用依赖于底物供应。处于饥饿状态的植物，由于体内淀粉、蔗糖、果聚糖的含量较低，因而呼吸速率也较低。缺糖植物在供给糖后其呼吸作用加快。同一植株下部阴蔽叶片的呼吸速率低，而上部受光充足的叶片呼吸速率也高。同一叶片，早上太阳初升时呼吸速率比日落时低，这是由于日落时叶片糖含量较高的缘故。当植物的饥饿继续进行时，蛋白质会被用作呼吸底物。首先是蛋白质降解为氨基酸，这些氨基酸再参与糖酵解和三羧酸循环。其中谷氨酸和天冬氨酸分别转化为a-酮戊二酸和草酰乙酸，丙氨酸转化为丙酮酸。当叶片衰老时，叶绿体中大部分蛋白质和含氮化合物便被分解，其中的NH4+会很快转化到谷酰胺和天冬酰胺中，运往植物的其他部分。

　　二、氧供应

　　O2供应影响呼吸作用会因为不同植物或不同组织器官而程度不同。正常情况下，大气中氧浓度的差异很小，不足以影响到茎、叶的呼吸作用。进入茎、叶和根的O2量通常足够维持线粒体的正常呼吸的进行。

　　一些块茎植物的根（如胡萝卜、马铃薯以及其他贮藏器官），虽然其内部的呼吸速率较低，但仍然进行着有氧呼吸。在这些器官和组织中，细胞与细胞之间存在着细胞间空气间隙。如马铃薯的细胞间空气间隙占块茎体积的1％。不同种类植物根通常具有2％～45％的细胞间空气间隙。只有结构严密的木质部薄壁组织细胞和分生组织细胞不存在这种细胞间空气间隙。禾本科植物从叶至根存在细胞间空气连通系统，可以将O2和其他气体从叶片经过茎运至根部。因此它们比其他植物更能耐涝。不过，对所有植物，长时间的水浸均会引起毒害。根在低氧条件下，加速糖酵解和发酵过程。缺氧严重时，ATP供应不足，许多代谢平衡遭到破坏。例如，根部产生的细胞分裂素向茎叶运输受阻，矿质吸收受到抑制，叶卷曲使光合作用减少，水分进入根的透性下降，根际有害物质积累等。

　　三、温度

　　对于大多数植物，当温度在5～25℃时，呼吸作用的温度系数Q10通常为2.0～2.5之间。当进一步将温度增加至30℃或35℃时，呼吸速率还会增加，但增加速度减慢。说明温度系数开始下降。温度对呼吸作用的影响主要在于对酶活性的影响。当温度增加到40℃并保持较长时间时酶开始变性。例如豌豆幼苗从25℃增加到45℃时，起初呼吸增加，但2小时后开始下降。呼吸酶变性是呼吸作用下降的主要原因。

　　四、植物的类型和年龄

　　由于各种植物形态上存在许多差异，因而代谢上存在差异也是完全有可能的。通常，细菌、真菌和许多藻类的呼吸作用速率相对快些。高等植物中不同器官的呼吸也存在着差异。造成这些差异的原因很多。其中一个原因是细菌、真菌和藻类的干重体积比要比高等植物的高得多。因为前一类生物只含少量的贮藏物质和不存在无代谢功能的木质细胞。在高等植物中，根尖和分生组织细胞以干重为单位计算时，其呼吸速率也比其他组织或器官高。但若以可溶性蛋白质为单位计算时，各种细胞和器官的呼吸速率差异不大。细胞的生长速率与呼吸速率之间存在密切关系。很显然，细胞生长需要的蛋白质