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第八次课
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授课题目（教学章、节或主题） 第四章 呼吸作用 第三节 电子传递与氧化磷酸化 一、呼吸链 二、氧化磷酸化 三、末端氧化酶系统 四、线粒体外的末端氧化酶 第四节 呼吸过程中能量的贮存和利用 一、贮存能量 二、利用能量
三、光合作用和呼吸作用的关系 第五节 呼吸作用的调节及控制 一、巴斯德效应和糖酵解的调节 二、三羧酸循环的调节 三、腺苷酸能荷的调节 第六节 影响呼吸作用的因素 一、呼吸速率和呼吸商 二、内部因素对呼吸速率的影响 三、外界条件对呼吸速率的影响 第七节 呼吸作用和农业生产 一、 呼吸作用和作物栽培 二、 呼吸作用和粮食贮藏 呼吸作用和果蔬贮藏 |
教学器材与工具 |
多媒体设施、黑板与笔 |
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授课时间 |
第8周周一第1-3 节 |
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教学目的、要求（例如识记、理解、简单应用、综合应用等层次）： 1、
理解呼吸作用的电子传递与氧化磷酸化过程； 2、
理解呼吸作用过程中能量的贮存和利用； 3、
了解呼吸作用的调节及控制； 4、
了解影响呼吸作用的因素； 5、
了解呼吸作用原理在作物栽培和粮食贮藏中的应用。 |
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教学内容（包括基本内容、重点、难点）： |
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基本内容
第三节 电子传递与氧化磷酸化（electron
transport and oxidative phosphorylation）。
有机物质在生物体细胞内进行氧化分解，生成二氧化碳、水和释放能量的称为生物氧化（biological oxidation）。
一、
呼吸链（respiratory chain）
糖酵解和三羧酸循环中所产生的NADH+H+不能直接与游离的氧分子结合，需要经过电子传递链传递后，才能与氧结合。电子传递链（electron transport chain）亦称呼吸链（respiratory
chain），就是呼吸代谢中间产物的电子和质子，沿着一系列有顺序的电子传递体组成的电子传递途径，传递到分子氧的总过程。组成电子传递链的传递体可分为氢传递体和电子传递体。
氢传递体传递氢（包括质子和电子，以2H++2e-表示），它们作为脱氢酶的辅助因子，有下列几种：NAD（即辅酶Ⅰ）、NADP（即辅酶Ⅱ）、黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们都能进行氧化还原反应。
电子传递体是指细胞色素体系和铁硫蛋白（Fe-S），它们只传递电子。细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，根据吸收光谱的不同分为a、b和c 3类，每类又再分为若干种。细胞色素传递电子的机理，主要是通过铁卟啉辅基中的铁离子完成的，Fe3+在接受电子后还原为Fe2+，Fe2+传出电子后又氧化为Fe3+。
植物线粒体的电子传递链位于线粒体的内膜上，由5种蛋白复合体（protein complex）组成（图4-6）。
1、复合体Ⅰ（complex
I）也称NADH脱氢酶（NADH dehydrogenase），由结合紧密的辅因子FMN和几个Fe-S中心组成，其作用是将线粒体基质中的NADH+H+的2对电子即4个质子泵到膜间间隙（intermembrane space）,同时复合体也经过Fe-S中心将电子转移给泛醌（ubiquinone, UQ或Q）。
2、复合体Ⅱ（complex
Ⅱ） 又叫琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase）,由FAD和3个Fe-S中心组成。它的功能是催化琥珀酸氧化为延胡索酸，并把H转移到UQ生成UQH2。此复合体不泵出质子。
3、复合体Ⅲ（complexⅢ） 又称细胞色素bc1复合物（Cytochrome bc1
complex）,它氧化还原型泛醌，生成UQH2，UQH2把电子经过1个Fe-S中心，2个Cytb（Cytb565和Cytb560）和1个Cytc1最后传到Cytc。Cytc是小蛋白体，疏松地附在内膜的外表面，其功能是在复合体Ⅲ和Ⅳ之间传递电子。此复合体泵出4个质子到膜间间隙。
4、复合体Ⅳ，又称细胞色素氧化酶（Cytochrome oxidase），含2个铜中心（CuA和CuB），Cyta和Cyta3。复合体Ⅳ是末端氧化酶（terminal oxidase），把Cytc的电子传给O2,激发 O2并与基质中的H+结合形成H2O，每传递一对电子时，有2个H+泵出。
5、复合体V 又称ATP合酶（ATP synthase），由Fo和F1两部分组成，所以亦称为FoF1-ATP合酶，它能催化ADP和Pi转变为ATP。
鱼藤酮敏感的 NAD（P）H脱氢酶存在于内膜基贩运质一侧 复合体II 琥珀酸脱氢酶
图4-6 植物线粒体内膜上的电子传递链和ATP合酶
电子在呼吸链上传递的动力是电势梯度，每个传递体都具有其标准电位
。电子只能从低电位向高电位传递，例如NADH的E0′为-0.320 V，UQ为+0.070 V，O2为+0.816 V，所以电子从NADH传递至O2。在研究电子传递顺序时，常常使用专一性电子传递抑制剂以阻断呼吸链中某一部位的电子传递。如鱼藤酮（rotenone）、安米妥（amytal）可阻断电子由NADH向UQ传递；丙二酸（malonate）阻断电子由琥珀酸传至FAD；抗霉素A（antimycin A）抑制电子从Cytb/c1传递到Cyt c或Cytb传递到Cytc1；氰化物、叠氮化物、CO阻止电子由Cyt a3传至氧。此外，水杨氧肟酸（salicylhydroxamic acid，SHAM）阻止UQ电子向交替氧化酶传递（图4-7）。
图4-7 高等植物线粒体电子传递链及呼吸抑制剂作用位置
二、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。
在生物氧化中，电子经过线粒体的电子传递链传递到氧，伴随ATP合酶催化，使ADP和磷酸合成ATP的过程，称为氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation）。
关于氧化和磷酸化的耦联的机理，和前面谈过的光合磷酸化类似，目前被人们普遍接受的是P. Mitchell 提出的化学渗透假说（chemiosmotic
hypothesis）。线粒体基质的NADH传递电子给O2的同时，也3次把基质的H+释放到膜间间隙。由于内膜不让泵出的H+自由地返回基质。因此膜外侧[H+]高于膜内侧而形成跨膜pH梯度（ΔpH），同时也产生跨膜电位梯度（ΔE），这两种梯度便建立起跨膜质子的电化学势梯度（Δ μ H+），于是使膜间间隙的H+通过并激活F
磷/氧比（P/O ratio）是线粒体氧化磷酸化活力的一个重要指标，它是指氧化磷酸化中每消耗一摩尔氧时所消耗的无机磷酸摩尔数之比。线粒体的电子传递
有3个贮存能量的位置，即复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。氧化磷酸化生成ADP的数目依赖于电子供体的性质。以离体线粒体试验认为，内（基质）NADH的ADP：O比是2.4~2.7，琥珀酸和外NADH的ADP：O比是1.6~1.8。由于实验中影响ADP：O的因素比较复杂，所以实验测定的ADP：O比与理论值有些不同（表4-2）。简单地说，上述4种底物的ADP：O比各为2.5：1.5：1.5：1。
表4-2 离体植物线粒体理论和实验的ADP：O比
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ADP：O |
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基质 |
理论值 |
实验值 |
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苹果酸 |
2.5 |
2.4~2.7 |
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琥珀酸 |
1.5 |
1.6~1.8 |
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胞质NADH |
1.5 |
1.6~1.8 |
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抗坏血酸 |
1.0 |
0.8~0.9 |
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三、末端氧化酶系统（terminal oxidase system）
末端氧化酶（terminal
oxidase）是把底物的电子传递到分子氧并形成水或过氧化氢的酶。
（一）细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase）
（二）交替氧化酶（alternative oxidase）
在氰化物存在下，某些植物呼吸不受抑制，所以把这种呼吸称为抗氰呼吸（cyanide-resistant respiration）。抗氰呼吸电子传递途径在某些条件下与正常的NADH电子传递途径交替进行，因此抗氰呼吸途径又称为交替呼吸途径，简称为交替途径（alternative
pathway）。
→Fp→交替氧化
、FeS、
…
…
→O2
由于交替途径NADH脱下的电子只通过复合体Ⅰ，而不经过复合体Ⅲ和Ⅳ，因而被鱼藤酮抑制，不被抗霉素A和氰化物抑制。应该指出，交替氧化酶本身被水杨酸氧肟酸(salicylhydroxamic
acid, SHAM)抑制。交替途径放出的电子也不与磷酸化耦联，所以不产生ATP，只能放热，或者只能产生1个ATP，P/O=1。
抗氰呼吸有什么生理意义？
1．利于授粉 天南星科海芋
2．能量溢流 能量溢流假说（energy overflow hypothesis）
3．增强抗逆性 交替途径是植物对各种逆境（缺磷、冷害、旱害、渗透调节等）的反应.
三、线粒体外的末端氧化酶
（一）．酚氧化酶
（二）．抗坏血酸氧化酶
（三）．乙醇酸氧化酶体系
乙醇酸氧化酶 (glycolate oxidase)，是一种黄素蛋白。
现将呼吸代谢电子传递过程（包括线粒体上的和非线粒体的）部位总结如图4-8。
图4-8 呼吸电子传递过程图解
第四节 呼吸过程中能量的贮存和利用
呼吸作用是如何贮存能量和利用能量的？
一、贮存能量
呼吸作用放出的能量，一部分以热的形式散失于环境中，其余部分则以高能键的形式贮存起来。植物体内的高能键主要是高能磷酸键，其次是硫酯键。
高能磷酸键中以三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）中的高能磷酸键最重要。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作用（substrate-level
phosphorylation）。
底物水平磷酸化是从底物分子直接转移磷酸基给ADP，生成ATP。
二、利用能量
一分子蔗糖完全氧化为CO2时约形成60分子ATP，具体分布如表4-3。
表4-3 胞质溶胶中的蔗糖经过糖酵解和三羧酸循环完全氧化时生成ATP的最高产量
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反应部分 |
每蔗糖形成的ATP |
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糖酵解 |
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4 底物水平磷酸化 |
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4 |
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4 胞质NADH |
4 Χ
1.5 |
6 |
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三羧酸循环 |
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4 底物水平磷酸化 |
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4 |
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4 FADH2 |
4 Χ
1.5 |
6 |
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16 NADH |
16 Χ
2.5 |
40 |
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总计 |
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60 |
注：每ATP生成理论值依照表4-2。
从表4-3可知，蔗糖彻底氧化时共生成60个ATP。在活体内，合成ATP实际需用50 kJ•mol-1自由能。所以每摩尔蔗糖有氧呼吸氧化生成的ATP贮存约3010 kJ•mol-1。按每摩尔蔗糖有氧氧化释放出的自由能5760 kJ•mol-1计算，则绿色植物有氧呼吸过程蔗糖分解时，能量利用率约为52%，其余能量以热的形式散失了。
现将能量的转变和利用总结如图4-9所示。
图4-9 光合作用和呼吸作用之间的能量转变
三、光合作用和呼吸作用的关系
表4-4 光合作用和呼吸作用的比较
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光 合 作 用 |
呼 吸 作 用 |
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1、以CO2和H20为原料 |
1、以O2和有机物为原料 |
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2、产生有机物糖类和O2 |
2、产生CO2和H2O |
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3、叶绿素等捕获光能 |
3、有机物的化学能暂时贮存于ATP中或以热能消失 |
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4、通过光合磷酸化把光能转变为ATP |
4、通过氧化磷酸化把有机物的化学能转化形成ATP |
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5、H2O的氢主要转移至NADP+，形成NADPH+H+ |
5、有机物的氢主要转移至NAD+，形成NADH+H+ |
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6、糖合成过程主要利用ATP和NADPH+H+ |
6、细胞活动是利用ATP和NADH+H+（或NADPH+H+）作功 |
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7、仅有含叶绿素的细胞才能进行光合作用 |
7、活的细胞都能进行呼吸作用 |
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8、只有光照下发生 |
8、在光照下或黑暗里都可发生 |
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9、发生于真核细胞植物的叶绿体中 |
9、糖酵解和戊糖磷酸途径发生于细胞质中，三羧酸循环和生 物氧化则发生于线粒体中 |
主要表现在下列3个方面：
1、光合作用所需的ADP（供光合磷酸化产生ATP之用）和辅酶NADP+（供产生NADPH+H+之用），与呼吸作用所需的ADP和NADP+是相同的，这两种物质在光合和呼吸中可共用。
2、光合作用的碳循环与呼吸作用的戊糖磷酸途径基本上是正反反应的关系。3、光合释放的O2可供呼吸利用，而呼吸作用释放的CO2亦能为光合作用所同化。
第五节 呼吸作用的调节和控制
一、巴斯德效应和糖酵解的调节
巴斯德（B.L.Pasteur）早就观察到氧有抑制酒精发酵的现象，即氧可以降低糖类的分解代谢和减少糖酵解产物的积累，这种现象被称为巴斯德效应（Pasteur effect）。对这种效应的解释，正说明糖酵解的调节机理（图4-10）。糖酵解的调节酶是磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。
二、三羧酸循环的调节
三羧酸循环的调节是多方面的。从图4-11可知，NADH是主要负效应物，NADH水平过高，会抑制丙酮酸脱氢酶（多酶复合体）、异柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和苹果酸酶等的活性。ATP对柠檬酸合成酶和苹果酸脱氢酶起抑制作用。根据质量作用原理，产物（如乙酰CoA、琥珀酰CoA和草酰乙酸）的浓度过高时也会抑制各自有关酶的活性。
三、腺苷酸能荷的调节
第六节 影响呼吸作用的因素
一、呼吸速率和呼吸商
呼吸作用的指标有两个，即呼吸速率和呼吸商。
1、呼吸速率 呼吸速率（respiratory
rate）是最常用的生理指标。植物的呼吸速率可以用植物的单位鲜重、干重或原生质（以含氮量）表示，或者在一定时间内所放出的二氧化碳的体积（Qco2）,或所吸收的氧气的体积（Qo2）来表示。2、呼吸商 呼吸商（respiratory quotient, RQ）是表示呼吸底物的性质和氧气供应状态的一种指标。植物组织在一定时间（如1h）内，放出二氧化碳的物质的量与吸收氧气的物质的量的比率叫作呼吸商。
当呼吸底物是糖类（如葡萄糖）而又完全氧化时，呼吸商是1。如果呼吸底物是一些富含氢的物质，如脂肪或蛋白质，则呼吸商小于1。如果呼吸底物只是一些比糖类含氧多的物质，如已局部氧化的有机酸，则呼吸商大于1。
二、内部因素对呼吸速率的影响
不同植物具有不同的呼吸速率。
同一植株不同的器官，因为代谢不同、非代谢（结构）组成的相对比重不同，以及与氧气接触程度不同，所以呼吸速率有很大的差异。
同一器官的不同组织，在呼吸速率上彼此也很不相同。
同一器官在不同的生长过程中，呼吸速率亦有极大的变化。三、外界条件对呼吸速率的影响
一、
外界条件对呼吸速率的影响
（一）温度
（二）氧
（三）二氧化碳
（四）机械损伤
第七节 呼吸作用与农业生产
一、呼吸作用与作物栽培
例如，早稻浸种催芽时，用温水淋种和时常翻种，目的就是控制温度和通气，使呼吸顺利进行。水稻育秧通常采用湿润育秧，早稻育秧在寒潮过后，适时排水，都是使根系得到充分氧气。水稻的露、晒田，作物的中耕松土，黏土的渗沙，等等，可以改善土壤通气条件。湖洋田低洼地的开沟排水，是为了降低地下水位，以增加土壤中的氧气。
二、呼吸作用与粮食贮藏
种在贮藏过程中，必须降低呼吸速率，确保贮粮安全。要使粮食安全贮藏，首先要晒干。
三、呼吸作用与果蔬贮藏
果蔬贮藏不能干燥，因为干燥会造成皱缩，失去新鲜状态，但柑橘、白菜、菠菜等贮藏前可轻度干燥，以减少呼吸。与粮食贮藏相同，果蔬贮藏亦可以应用降低氧浓度或降低温度的原理。
小
结
有氧呼吸和无氧呼吸是从一些相同的反应开始的，在产生丙酮酸后才分道扬镳。高等植物以有氧呼吸为主，但亦可短期进行无氧呼吸。
高等植物的糖分解代谢途径是多种的，既走糖酵解-三羧酸循环途径，也可走戊糖磷酸途径。呼吸链除了标准图式外，还有抗氰呼吸等多条的电子传递途径。植物体内的氧化酶也是多种多样的，各有特点。
呼吸作用产生的电子和质子沿着电子传递途径传到氧，结合形成水。与此同时也进行氧化磷酸化，形成ATP，即电子传递给氧的过程中，消耗氧和无机磷酸，把能量积存于ATP中。
呼吸作用是一个放能的过程，它逐步放出的能量，一部分以热的形式散失于环境中，其余则贮存在某些含有高能键（如特殊的磷酸键和硫酯键）的化合物（ATP或乙酰CoA等）中。细胞能量利用率约为52%。ATP是细胞内能量转变的“通货”。
植物的光合作用和呼吸作用既相互对立，而又相互依存，共处于一个统一体中。
无论是糖酵解、戊糖磷酸途径还是三羧酸循环，细胞都能自动调节和控制，使代谢维持平衡。
影响呼吸速率的内部因素很多。一般来说，凡是生长迅速的植物、器官、组织和细胞，其呼吸均较旺盛。影响呼吸速率的外界条件，以温度、氧气和二氧化碳为最主要。
由于呼吸是代谢的中心，在作物栽培过程中，一般来说，都应使呼吸过程正常进行。但呼吸消耗有机物和放热，对贮藏粮食和果蔬来说，又应该降低呼吸速率，以利安全贮存。
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重点：本次课重点讲授:呼吸作用的电子传递与氧化磷酸化过程；呼吸作用过程中能量的贮存和利用；呼吸作用的调节及控制；影响呼吸作用的因素；呼吸作用原理在作物栽培和粮食贮藏中的应用。 难点：本次课难点是呼吸作用的电子传递与氧化磷酸化过程。 |
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教学过程设计（要求阐明对教学基本内容的展开及教学方法与手段的应用、讨论、作业布置）： 教学方法与手段：利用课件结合板书介绍植物:呼吸作用的电子传递与氧化磷酸化过程；呼吸作用过程中能量的贮存和利用；呼吸作用的调节及控制；影响呼吸作用的因素；呼吸作用原理在作物栽培和粮食贮藏中的应用。 作业和思考： 1、线粒体内膜的复合体Ⅰ、复合体Ⅱ、复合体Ⅲ和复合体Ⅳ各有什么结构及功能特点？ 2、植物细胞的呼吸作用是一个耗氧的过程，而氧是怎样被利用的？ 3、为什么呼吸作用既是一个放能的过程又是一个贮能的过程？ 4、用很低浓度的氰化物和叠氮化合物或高浓度的CO处理植物，植物很快会发生伤害，试分析该伤害的原因是什么？ 5、植物的光合作用与呼吸作用有什么关系？ 6、植物的光呼吸和暗呼吸有哪些区别？ 7、分析下列的措施，并说明它们有什么作用？ （1）将果蔬贮存在低温下。（2）小麦、水稻、玉米、高粱等粮食贮藏之前要晒干。 （3）给作物中耕松土。（4）早春寒冷季节，水稻浸种催芽时，常用温水淋种和不时翻种。 8、请设计一个证明植物具有呼吸作用的试验。 |
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：参考资料（含参考书、文献等）： 1.王忠主编，植物生理学，北京：中国农业出版社，2000 2.李合生主编，植物生理学，北京：高等教育出版社，2002 3.武维华主编，植物生理学，北京：科学出版社，2003 4.Taiz L, Zeiger E, Plant Physiology,
3nd edition, Sinauer Associates, Inc., Publishers, Sunderland,
Massachusetts, 2002 5.梁
峥，梁厚果。植物呼吸代谢。见：余叔文，汤章城主编，植物生理与分子生物学，第二 版， 科学出版社，北京，1998，344-365 |
填表说明：1、每项页面大小可自行添减；2、教案要有电子版本。