《农产品采后生理学》

摘要

本文介绍了植物呼吸代谢的过程，呼吸代谢过程中重要的酶以及呼吸代谢的发展前景与展望。

关键词：植物呼吸代谢；关键酶

ABSTRACT

This article describes the process of plant respiratory metabolism，a key enzyme in the respiratory metabolism and growth prospects and outlook.

Keywords: Plant respiratory metabolism; Key enzyme

1.前言

呼吸代谢一般系指由多数酶、辅酶以及其他一些有机、无机因素参与的一系列的酶反应过程。由于呼吸代谢，使多种多样的化合物被氧化。呼吸基质可因生物的种类和器宫、组织的种类或其所处的环境而有不同。但通常多利用碳水化合物、脂类和蛋白质。同一基质在整个生物界，其呼吸的代谢途径大致是相同的，碳水化合物经过糖酵解途径（Embden-Meyerhof途径，简称EM途径），每一分子己糖可生成二分子3-磷酸甘油醛。然后再各自经过丙酮酸、乙酰辅酶A进入三羧酸循环，其中经脱氢和脱二氧化碳而被分解。在脂类，通过水解生成的脂肪酸，一面脱氢，一面每次脱下二个碳原子（β-氧化）而形成乙酰CoA，最后乙酰Co通过三羧酸循环而被完全分解。蛋白质通过水解生成的氨基酸，经过氨基转移、氧化脱氨而生成酮酸，最后生成丙酮酸、乙酰辅酶 A（乙酰CoA）、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和草酰乙酸等而进入三羧酸循环（TCA），再进行脱氢脱羧。

2 植物呼吸代谢的过程

2.1呼吸途径

脱氢反应是由脱氢酶进行的，而氢原子被传递给NAD和黄素系的辅酶，并且把它们还原。以后这些还原型辅酶将氢原子或氢离子脱掉电子而再被氧化。另外电子则通过电子传递系统被传递给为细胞色素氧化酶活化的氧和氢离子而生成水。在此电子传递过程中，每氧化1克分子还原型NAD，则产生3克分子ATP，每氧化1克分子还原型黄素，则产生2克分子ATP（氧化磷酸化反应）。1克分子葡萄糖在完全氧化的情况下，经过EM途径产生2克分子ATP，在三羧酸循环中产生2克分子ATP，经氧化磷酸化产生34克分子ATP，共生成38克分子ATP 分子。因为1克分子葡萄糖完全氧化时，约生成自由能690千卡，如果从ADP 生成ATP所必需的自由能约按12千卡计算时，通过呼吸就约有460千卡即约为66％的效率被固定下来。在酒精发酵中，每克分子葡萄糖只生成2克分子ATP，因此呼吸中获得的能量均为其20倍[1]。在真核生物中，呼吸系中的三羧酸循环、β-氧化以及电子传递系中的各种酶，存在于线粒体中。以上所述是典型的呼吸途径。在动物的红血球和肝脏组织以及许多植物的组织中，碳水化合物的相当部分并不通过EM途径——三羧酸循环，而是经过磷酸五碳糖支路进行氧化，在这支路中，是直接脱氢和脱羧（NADP是受氢体）而使糖分解的。在许多植物和微生物中，乙酰辅酶A的一部分是通过乙醛酸支路（循环）进行代谢的，另外在这些生物中，碳水化合物的分解常常是不完全的，有有机酸的积累。此外，在微生物，特别是在一部分细菌的呼吸系统中有缺乏EM途径和三羧酸循环的，其细胞色素系的组成和线粒体型不同的也不少。也有进行硝酸呼吸、硫酸呼吸的。一般生物作为其氧的吸收途径。除电子传递系—胰细胞色素氧化酶外，还有铜蛋白酶、酚氧化酶、黄素系的氨基酸氧化酶、乙醇酸氧化酶，以及各种加氧酶等。尤其在动物和一部分微生物的微粒体中，有由NAD（NADP）、黄素酶、细胞色素、加氧酶组成的电子传递体进行着数种有机化合物的羟化反应等[2]。

2.2 植物呼吸代谢的相关酶

2.2.1糖酵解途径关键酶

己糖激酶(hexokinase,HK)催化EMP的第一步反应，将葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖，这一反应不仅活化了葡萄糖，有利于它进一步参与合成与分解代谢，同时还能使进入细胞的葡萄糖不再逸出细胞。己糖的磷酸化对维持植物合成淀粉的碳流和呼吸

作用是必不可少的。1956年HK被首次报道[3]，但是直到20年后才得以分离和鉴定。随后的研究表明，植物组织中存在几种不同的己糖激酶同工酶。到目前为止，已经克隆分离了烟草、拟南芥及十多种粮食和果蔬作物等)的HK基因。HK有磷酸化和糖感受双重功能。通过研究黄瓜细胞以及Jang和Sheen 研究玉米原生质对糖的感受和反应，提出了己糖信号由HK感受的假设。Cortès等的研究表明，HK李志霞等: 植物根系呼吸代谢及影响根系呼吸的环境因子研究进展959在磷酸化己糖中起着决定性的作用。HK在光合组织中起到植物光合作用、生长发育和衰老的调节酶的作用，并参与木质部发育和促进花粉萌发[4]。在糖酵解途径中，6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)的作用下，生成1,6-二磷酸果糖。这一反应需要ATP 参与，是糖酵解的关键节点和调节位点。PFK在植物体内协调淀粉和磷酸丙糖的转化，对代谢具有重要的调节作用。PFK的研究在动物和菌类上较多，植物上的报道多集中在基因克隆或结构分析方面,至今尚不够系统深入。除一系列关于香蕉PFKs的研究(Turner和Plaxton 2003)外，Mustroph等还分析了胡萝卜、黄瓜、马铃薯、蓖麻和菠菜的PFK。最近，Winkler等从菠菜叶片中分离到一个PFK基因并进行了测序，这是首次被报道且仅有的一个植物PFK蛋白序列。尽管对这项工作的研究已经展开，但目前对每种植物的PFK蛋白核苷酸序列和氨基酸组成还不清楚。丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)催化糖酵解途径最后一个关键步骤，磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的磷酰基团在PK的作用下，转移到ADP上形成了ATP，相应地，PEP转化为丙酮酸[5]。早期人们以植物种子和叶片为材料，在番茄、蓖麻、豌豆和菠菜上对PK做了少量的研究。PK 为植物生长发育所必需，研究者认为丙酮酸激酶活性的高低可指示植物体内的K+、Ca2+和Mg2+水平，番茄叶片中较高浓度的Ca2+可激活PK的活性，K+和Mg2+作用相反。Witney 和Kushad 还证明，丙酮酸激酶活性与贮藏后苹果苦痘病的发生呈正相关关系。

2.2.2三羧酸循环关键酶

异柠檬酸脱氢酶(isocitricdehydrogenase，IDH)在TCA中催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸。IDH家族蛋白结构保守、功能多元，在植物新陈代谢中起重要调控作用，是国际上公认的研究蛋白质结构与功能关系、酶的催化与调节机制、蛋白质功能进化与代谢途径的适应性关系的最好模型之一[6]。根据辅酶特异性，IDH在生物体内有NADP-IDH和NAD-IDH两种形式，细菌大多包含NADP-IDH，少数是NAD-IDH，真核生物细胞质中只含NADP-IDH，而线粒体中二者都有(Yasutake等; Karlstr.m等)。IDH不但是三羧酸循环中的一个重要限速酶，而且还可能参与醛酸循环、氮的代谢等生物过程，还具有抗氧化、维系细胞质和线粒体之间氧化还原平衡的作用，植物遭受

低盐胁迫时，会伴随IDH表达量的增加以应对胁迫，但高盐环境中IDH活性降低或不增加。琥珀酸脱氢酶在TCA中催化琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸[7]。

SDH是线粒体内唯一的一种膜结合酶，是连接氧化磷酸化与电子传递的枢纽之一，可为真核细胞线粒体和多种原核细胞需氧和产能的呼吸链提供电子。作为参与TCA的关键酶，SDH是反映线粒体功能的标志酶(marker enzyme)之一，其活性一般可作为评价TCA运行程度的指标。由于位于线粒体内膜上，SDH提纯难度很大，所以早期人们一直致力于其提取和纯化的研究。迄今为止，已从多种原核和真核组织中分离纯化出这种酶，为该酶的酶学研究奠定了基础。SDH存在于所有有氧呼吸细胞，和线粒体膜牢固结合，是脱氢酶中最重要的酶，对逆境条件的反应敏感。苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase，MDH)最基本也是人们发现最早的功能是其在TCA中催化L-苹果酸形成草酰乙酸(也可催化草酰乙酸形成苹果酸)，完成草酰乙酸的再生。草酰乙酸是生物体内生化反应的一个非常重要的中间产物，连接糖代谢、脂代谢、氨基酸合成等多条重要的代谢途径。因此，MDH在生物体内具有极为重要的作用。MDH广泛分布于原核和真核生物体内，有多种存在形式和同工酶，是一种活性最强的酶。在植物光合作用中，MDH也担负非常重要的功能。据文献报道[8]，MDH不仅与植物病理有关，还与抗旱、抗盐与抗冻等有关。

2.2.3 磷酸戊糖途径关键酶

PPP途径在许多植物中普遍存在，当EMP-TCA途径受阻时，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6-phosphogluconatedehydrogenase，6-PGDH)催化PPP途径的运行，代替正常的有氧呼吸保证植物的生长、发育及对环境的适应。PPP最主要的生理功能是为生物的新陈代谢提供NADPH还原力，且在G-6-PDH和6-PGDH的作用下催化PPP产生多种中间产物,作为合成核酸、芳香族氨基酸、细胞壁多糖、植物抗毒素、色素和酚类化合物等物质的基础，还参与果实中碳水化合物代谢和果实品质形成。越来越多的研究表明，G-6-PDH和6-PGDH是可以诱导产生的，它们与植物的生长发育和多种环境胁迫应答有关，在低温春化解除种子和花芽休眠、低温和干旱、氧化、盐、重金属离子和病原菌侵染等胁迫条件下，G-6-PDH或6-PGDH的活性或基因表达水平显著增强。

可见，在研究植物生理尤其是逆境生理过程中，PPP途径及其关键酶G-6-PDH和6-PGDH占有重要地位。1.2.4 呼吸链电子传递途径关键酶细胞色素氧化酶(cytochrome oxidase，CO)是呼吸链的终端产物,促进由细胞色素c到分子氧的电子传递，该过程可被一氧化碳和氰化物所抑制。能量供应水平(ATP利用速率)和氧浓度

对CO活性起重要的调节作用。

研究表明，CO活性可受环境因素诱导，伤害、冷害、干旱及渗透胁迫等处理均可改变CO活性(Wagner和Moore1997)，冷害和重度水分胁迫均使CO活性降低。另外，化感物质也对CO活性产生抑制作用。交替氧化酶途径没有ATP合成，是一种耗能呼吸，交替氧化酶(alternative oxidase，AO)可能在植物生热和维持细胞能量平衡中起作用。AO广泛存在于高等植物及部分真菌和藻类中，据最新的研究报道认为AO可能存在于除太古细菌以外的所有生物界中。AO活性被水杨基氧肟酸和N-丙基没食子酸抑制,受α-酮酸活化，且似乎一切能抑制或降低细胞色素途径能力的胁迫都会对AO 产生诱导作用。近年来有关AO在逆境胁迫下的研究表明[9]，AO具有清除活性氧、抑制细胞凋亡、稳定植物生长速率和增加植物抵御能力等功能。此外，AO也可在植物叶片发育和果实成熟等生理时期增强表达，还可能与光合作用有关。

3 展望

不言而喻，光呼吸在植物生长过程中不可或缺,对C

3 和C

4

植物光呼吸突变体的研

究使人们更加确信光呼吸途径的重要作用是防止Rubisco 加氧反应所引发的毒性中

间代谢物质的积累，以及参与植物基础代谢和抗胁迫等作用。同时光呼吸又是C

3

植物生物量的一个重要决定因素，一方面光呼吸降低了碳的同化效率，另一方面它又是植物必不可少的一个代谢过程，因而通过基因工程手段建立一条更加高效的光呼吸支

路，使得光呼吸释放的CO

2

重新定位于叶绿体中，以此提高Rubisco 的羧化效率，而不是将其彻底去除，就成为科学家研究的目标。可喜的是这一目标已经在拟南芥中初步得以实现，转基因拟南芥的光合作用和植物生物量都明显得到提高，这就为通过基因

工程手段改造C

3

作物奠定了基础。由于该支路的建立涉及5个基因，通过构建叶绿体遗传转化的操纵子元件，将这5个基因控制在一个启动子之下，并在叶绿体中转录和翻译，可以缩短转基因育种周期。需要指出的是，该实验结果是在非自然光照射下的短日照、水和氮源的供应均为理想条件下获得的，因而在各种自然环境条件下该代谢途径能否真正提高大田作物的产量有待进一步检验[10]。敲除编码GDC的2个P蛋白基因导致植物在非光呼吸条件下致死，以及高光呼吸条件下植物贮藏器官有更多氨基酸积累的事实都充分表明光呼吸对植物氨基酸代谢有重大作用。光呼吸支路的建立无疑减弱了植物正常的光呼吸代谢，但对氨基酸合成、代谢的影响仍未见报道，因而在氮源有限的情况下，如何有效降低光呼吸造成的损失，又能保障作物正常的氨基酸代谢，不降低粮食的品质应当是一个未来值得关注的研究领域。

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