植物的呼吸代谢

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第999页（4983字）

呼吸代谢是植物的一个重要功能，在植物生理、生化研究中倍受重视。

其研究范围包括：底物的氧化代谢、能量转换、电子传递及其和其他代谢活动的关系。早在19世纪初科学家们就已涉足这一领域，直至20世纪40年代以前，以巴赫(Bax)为代表的大量工作限于呼吸作用总过程即气体交换和末端氧化酶活动。由于生理学和生物化学的发展，植物呼吸代谢的研究在20世纪40～50年代初有了迅速的推进，对呼吸代谢途径、中间代谢及其有关的酶系统与能量关系作了深入研究。有关工作在杰姆斯(W．O．James，1953)的《植物呼吸作用》一书中有系统的总结和分析。

到20世纪50年代初，有关底物代谢途径的工作已基本完成，作出了详细的代谢图。1956年，汤佩松以底物水平代谢研究的证据为依据，首先提出“呼吸代谢多途径”的观点，后为众多学者所证实。

20世纪50年代中期，呼吸代谢的研究重点开始转向线粒体结构、功能即电子传递及转能活性。1965年以前，邦纳(W．D．Bonner)等就植物线粒体的形态、膜的性质以及酶活性作了系统而详细的报道，表明线粒体外膜有直径25～30×10^－10m的微孔，可让分子量较大的物质自由通过，其上还含有很多功能蛋白。

线粒体内膜有很大的表面积，以折叠的形式包裹在外膜内，膜上有呼吸链的全套酶系。

在内膜的内侧含有转能装置，用冰冻撕裂法在电镜下可观察到洋葱根尖线粒体这一装置的实体，内外膜之间含有调节细胞能量状态的腺苷酸激酶。由内膜包围的衬质空间含有克雷布斯(Krebs)环的全套酶系、线粒体半自主复制的基因组(A．Tzagoloff 1970)。20世纪80年代，有人证明衬质中还含有大量的钙离子，是细胞钙代谢的调节库。

兰斯等(C．Lance1968)不少实验室对电子载体在内膜上的定位及各自的光谱学特性进行的系统研究资料表明，植物线粒体内膜上除有与动物相同的黄素蛋白、铁硫蛋白、琥珀酸脱氢酶、UQ、Cyto．C、cyto．b及cyto．aa₃外，还有动物线粒体内膜没有的NADH脱氢酶和交替氧化酶存在。1965年，邦纳证明植物线粒体能较好地氧化外源NADH；同年，莱林格(L．A．Lehninger)指出动物线粒缺乏这一功能。1973年，道斯(R．Douce)等证明植物中有两个外源DADH脱氢酶，其中一个位于线粒体外膜上，和动物线粒体中对鱼藤酮不敏感的NADH－cyto．c还原酶系统相似，但它不是呼吸链的组成部分；另一个NADH脱氢酶位于线粒体内膜外表面，为抗霉素A抑制，它的充分活化需要Ca²⁺，Ca²⁺的作用是使其与内膜结合得更为紧密(T．B．Storey 1974)。艾丘默(H．Ikuma 1964)等首次报道了绿豆线粒体中有交替氧化酶存在；斯琼班(G．R．Schonbaum，1971)等指出该酶的专一抑制剂为水杨酰氧肟酸(SHAM)和对氯苯氧肟酸(CLAM)；索洛莫斯(T．Solomos1977)测得了该酶对O₂的Km值比细胞色素氧化酶高10倍。法夫拉姆布等(H．A．Fairlamb，1977)的报道认为交替氧化酶的活性中心含有一个Cu原子和一个Fe原子。1978年，里奇(R．P．Rich)和帕默(J．M．Palmer)分别从植物线粒体中分离出交替氧化酶，指出该酶催化泛醌(UQ)的氧化，将UQ的电子直接传给分子氧，其可能机理是：功能基团将Fe－Cu中心的两个电子传递给分子氧形成H₂O₂；另一可能是用活性中心的4个电子去还原O₂直接形成H₂。

1986年，邦纳再次从Arum线粒体中分离和部分纯化了交替氧化酶，证明它有好几个含金属铁的活性中心能与O₂结合。伊桑(E．T．Eltohon，1987)等从Savrom atum guttayum线粒体中纯化了交替氧化酶，确定其分子量为28000da，还获得了它的抗体。

关于植物呼吸链中电子载体的排列顺序，1980年戴维斯(D．D．Davies)根据帕默(1977)和里奇(1979)中点电位测定，结合热力学、相对反应动力学多方面参数和呼吸抑制剂的作用位点，参考动物线粒体电子传递链结构图，绘出了植物线粒体电子传递载体的排列顺序和转能部位图，将该图与动物电子链比较时，可见细胞色素(cyto)主链与琥珀酸氧化基本相同；有两点不同，是帕默(1976)指出，在不加cyto．c时外源NADH从UQ处进入电子链，其P／o值与琥珀酸氧化相似，伊德曼(K．Edman1985)证明植物线粒体还能氧化NADPH，但最适pH值低于NADH的氧化；另一点是从UQ处分出一条交替氧化支路或称抗氰电子传递链。

现已得知，所有的植物分离线粒体中，当Co．NaN₃和KCN存在时，均有残余呼吸存在，它可为SHAM抑制。邦纳认为交替途径的出现与UQ的还原状态有关。兰伯斯(H．Lambers，1985)认为交替途径是在细胞色素途径近于饱和状态才出现的，这一现象称“溢流”作用。

穆尔(L．A．Moor，1988)指出，交替途径的出现决定于醌库的氧化还原态，不能认为是简单的“溢流”。斯蒂金克(F．E．Stegink，1986)设想有一种特异蛋白是UQ与交替氧化酶之间偶联电子流的基本物质，它可能是抗氰呼吸酶之间偶联电子流的基本物质，并可能是抗氰呼吸的限速因子。可见对抗氰呼吸出现的机理目前尚未有一致意见。由于人们已经从植物线粒体中分离、纯化出交替氧化酶蛋白的实体，表明抗氰电子传递链的存在是无疑的。

现已肯定植物线粒体中至少有4条电子传递途径，它们是：(1)定位于线粒体内侧的对鱼藤酮、抗霉素A、氰化物均敏感的内源NADH氧化的细胞色素呼吸链；(2)定位于线粒体内膜内侧对鱼藤酮不敏感的琥珀酸氧化途径；(3)定位于线粒体内膜外侧的外源NADH氧化途径，对鱼藤酮不敏感，为抗霉素A抑制；(4)由UQ分支的抗氰电子传递途径。1979年，汤佩松实验室以水稻幼苗为材料在同一种植物线粒体中测到这4条途径，从而证明电子传递链也是多途径的。

将蕴藏在生物分子中的化学键能转化为细胞生活可利用的自由能是线粒体最重要的功能。植物电子传递过程中也有3个转能部位。大多数植物紧密偶联的线粒体其呼吸控制比可达到3～7。1976年帕默指出，比值的差异来源于底物种类，以苹果酸为底物时ADP／O近于3，琥珀酸近于2，外源NADH为1．5。1969年，斯托尔莱(T．B．Storey)等证明交替途径中也有能量转换反应。臭菘线粒体以苹果酸和琥珀酸为底物，在缺乏CN^－时ADP／O分别为1．9和1．3，有0．3mMCN－时分别为0．7和0。

20世纪60年代初至70年代中，米切尔(P．Mitchell 1976)在对线粒体转能机理深入研究的基础上提出“化学渗透”假说，其中心思想是，在电子传递过程中氢离子作跨膜运动，形成“质子电化学梯度”，或称“质子动力势”，它是ATP形成的动力。这方面以植物线粒体为对象的研究很少。因为植物线粒体蛋白产率低，实验难度大，然而里奇(R．P．Rich)(1976)指出，米切尔学说中作为质子位移的Q循环对植物线粒体不只有质子动力势的作用，同时还是交替氧化酶反应中氧与UQ相互作用的连接者。米南齐(A．B．Melandri，1977)则发现光合细菌的载色体用抗霉素A处理时电子传递和光合磷酸化均受到抑制，而质子电化学梯度不受影响。

刘存德等的实验资料证明转能活性与线粒体的状态及环境温度有关，发育不完整的线粒体转能活性低，发育完全的线粒体在低温条件下转能活性也很低；线粒体的转能活性受线粒体膨胀和收缩功能的调节，当用细胞松弛素B抑制线粒体膨胀和收缩时，其转能活性明显降低(邹喻苹，1984)。

20世纪30年代，英国科学家将呼吸的原理用于水果、蔬菜保存，40年代发展成为气调贮存技术。

1970年，刘存德等设计的薄膜气调在中国广为使用。莱昂斯(J．M．Lyons，1970)首先报道了小麦线粒体氧化活性和冷害的关系。

雷桑(A．K．Raison 1979)报道了温度与线粒体膜相变的关系。

杨福愉等(1982～1986)较系统地研究了水稻、玉米线粒体膜的流动性、呼吸控制、抗氰呼吸与幼苗冷害的关系，证明耐寒的水稻和玉米品种经4℃低温处理后，上述过程没有变化，不耐寒的明显降低。用荧光探剂ANS和自旋标记5－NS对水稻和玉米线粒体膜流动性进行研究，证明抗冷的品种其线粒体膜的流动性比不抗冷的大。种子活力是农业增产第一个重要环节，而活力的强弱受呼吸代谢的严格控制。

1987年刘存德等提出能荷是种子活力的最好指标。

线粒体具有半自主复制的能力。研究资料表明，植物线粒体基因组(mtDNA)有很多特点：它远远大于动物的和其它真菌的mtDNA；由复合式环形分子构成，有很多重复序列；种间关系密切的植物线粒体DNA，高度保持着原初序列；和其它细胞器之间常发生DNA序列的移动；除大分子量的mtDNA外线粒体中还存在一些小分子质粒DNA。哈克(E．Hack，1984)发现黄瓜线粒体中F₁-ATPase的第9亚基为线粒体DNA合成，还首先证明玉米线粒体的F₁－ARPase的α－亚基由线粒体基因组编码，在动物中它们都由核基因编码。有人还证明细胞色素氧化酶的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ基均由线粒体编码。但巨大的植物mtDNA还能编码哪些功能蛋白，尚待研究。

雄性不育的培育是作物三系和两系配套育种的关键。大量研究资料表明，雄性不育基因定位于线粒体上。

1988年，玛卡里夫(A．C．Makareff)系统研究了萝卜雄性不育基因，证明它定位在线粒体上，识别出3种基因转录改变，它们分别是atpA(F₁－ATPase复合体本α－亚基)、atpb(F₀－ATPase亚基6)、CoxI(细胞色素氧化酶亚基I)。观察到不育的萝卜品种(ogura)mtDNA的限制性图谱和正常的mtDNA有很大不同，在257kb的mtDNA中有15kbDNA序列，在正常的mtDNA(242kb)中不存在。atp6基因分析表明，不育的ogura萝卜中，在5’端有105个氨基酸阅读框架结构，编码12052－Da的多肽，这在正常萝卜的mtDNA中未曾发现，认为105序列的出现可能对线粒体功能有不利影响，因而影响到转能装置H⁺－ATPase的合成。1990年，科内特(B．M．Connett)等用牵牛悬浮细胞研究表明，CMS系细胞的抗氰呼吸明显低于可育细胞，认为抗氰呼吸的缺乏可能导致CMS成为表现型。

由此可见基因表达也受呼吸代谢的制约。

。【参考文献】：

1 James W O．Plant Respiration．1953，1～53

2 汤佩松，等．植物学报，1956，5：377～397

3 Mitchell P．J Theor Biol．1976，62：327～367

4 Stumpf P K，et al．l Metabolism and Respiration。D D Davies ed．1980

5 刘存德，等．植物生理通讯，1982，5：26～31

6 Douce R．Mitochondria inHigher Plants，1985，45～237

7 Makaroff C．A et al J Biological Chemistry．1989，264：11706～11713

8 Connett M B，et al．Plant Physion。1990，93：1634～1640

(中国科学院植物研究所刘存德研究员撰)