呼吸代謝
概述：植物生存的方式和能量產生的動力。
生化途徑： 在高等植物中存在著多條呼吸代謝的生化途徑，這是植物在長期進化過程中，對多變環境條件適應的體現。在缺氧條件下進行酒精發酵和乳酸發酵，在有氧條件下進行三羧酸循環和戊糖磷酸途徑，還有脂肪酸氧化分解的乙醛酸循環以及乙醇酸氧化途徑等。
一、糖酵解
己糖在細胞質中分解成丙酮酸的過程，稱為糖酵解（glycolysis）。整個糖酵解化學過程於1940年得到闡明。為紀念在研究這一途徑中有突出貢獻的三位生物化學家：G.Embden,O.Meyerhof和J.K.Parnas，又把糖酵解途徑稱為EmbdenMeyerhofParnas途徑，簡稱EMP途徑（EMPpathway）。糖酵解普遍存在於動物、植物、微生物的細胞中。
（一）糖酵解的化學歷程
糖酵解途徑可分為下列幾個階段：
1.己糖的活化(1～9)是糖酵解的起始階段。己糖在己糖激酶作用下，消耗兩個ATP逐步轉化成果糖-1，6二磷酸(F-1，6-BP)。
如以澱粉作為底物，首先澱粉被降解為葡萄糖。澱粉降解涉及到多種酶的催化作用，其中，除澱粉磷酸化酶(starchphosphorylase)是一種葡萄糖基轉移酶外，其餘都是水解酶類，如α-澱粉酶(α-amylase)、β-澱粉酶(β-amylase)、脫支酶(debranchingenzyme)、麥芽糖酶(maltase)等。
2.己糖裂解(10～11)即F-1，6-BP在醛縮酶作用下形成甘油醛-3-磷酸和二羥丙酮磷酸，後者在異構酶(isomerase)作用下可變為甘油醛-3-磷酸。
3.丙糖氧化(12～16)甘油醛-3-磷酸氧化脫氫形成磷酸甘油酸，產生1個ATP和1個NADH，同時釋放能量。然後，磷酸甘油酸經脫水、脫磷酸形成丙酮酸，並產生1個ATP，這一過程分步完成，有烯醇化酶和丙酮酸激酶參與反應。
糖酵解過程中糖的氧化分解是在沒有分子氧的參與下進行的，其氧化作用所需要的氧來自水分子和被氧化的糖分子。
在糖酵解過程中，每1mol葡萄糖產生2mol丙酮酸時，淨產生2molATP和2molNADH+H+。
根據圖5-3，糖酵解的總反應可歸納為：
C6H12O6+2NAD++2ADP+2H3PO4→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP（5-4）
二、發酵作用
生物體中重要的發酵作用有酒精發酵和乳酸發酵。在酒精發酵(alcoholfermentation)過程中,糖類經過糖酵解生成丙酮酸。然後,丙酮酸先在丙酮酸脫羧酶(pyruvicaciddecarboxylase)作用下脫羧生成乙醛。
CH3COCOOH→CO2＋CH3CHO(5-5)
乙醛再在乙醇脫氫酶(alcoholdehydrogenase)的作用下，被還原為乙醇。
CH3CHO＋NADH＋H+→CH3CH2OH＋NAD+(5-6)
在缺少丙酮酸脫羧酶而含有乳酸脫氫酶(lacticaciddehydrogenase)的組織里，丙酮酸便被NADH還原為乳酸，即乳酸發酵(lactatefermentation)。
CH3COCOOH＋NADH＋H+→CH3CHOHCOOH＋NAD+(5-7)
在無氧條件下，通過酒精發酵或乳酸發酵，實現了NAD+的再生，這就使糖酵解得以繼續進行。
無氧呼吸過程中形成乙醇或乳酸所需的NADH＋H+，一般來自於糖酵解。因此，當植物進行無氧呼吸時，糖酵解過程中形成的2分子NADH＋H+就會被消耗掉（圖5-5），這樣每分子葡萄糖在發酵時，只淨生成2分子ATP，葡萄糖中的大部分能量仍保存在乳酸或乙醇分子中。可見，發酵作用能量利用效率低，有機物耗損大，依賴無氧呼吸不可能長期維持細胞的生命活動，而且發酵產物的產生和累積，對細胞原生質有毒害作用。如酒精累積過多，會破壞細胞的膜結構；若酸性的發酵產物累積量超過細胞本身的緩衝能力，也會引起細胞酸中毒。
三、三羧酸循環
糖酵解的最終產物丙酮酸，在有氧條件下進入線粒體，通過一個包括三羧酸和二羧酸的循環逐步脫羧脫氫，徹底氧化分解,這一過程稱為三羧酸循環(tricarboxylicacidcycle，TCAC)。這個循環是英國生物化學家克雷布斯(H.Krebs)首先發現的，所以又名Krebs循環(Krebscycle)。1937年他提出了一個環式反應來解釋鴿子胸肌內的丙酮酸是如何分解的，並把這一途徑稱為檸檬酸循環(citricacidcycle)，因為檸檬酸是其中的一個重要中間產物。TCA循環普遍存在於動物、植物、微生物細胞中，是線上粒體基質中進行的。TCA循環的起始底物乙醯CoA不僅是糖代謝的中間產物，也是脂肪酸和某些胺基酸的代謝產物。因此，TCA循環是糖、脂肪、蛋白質三大類物質的共同氧化途徑。
（一）三羧酸循環的化學歷程
1.反應(1)丙酮酸在丙酮酸脫氫酶複合體催化下氧化脫羧生成乙醯CoA，這是連結EMP與TCAC的紐帶。
丙酮酸脫氫酶複合體(pyruvicaciddehydrogenasecomplex)是由3種酶組成的複合體，含有6種輔助因子。這3種酶是：丙酮酸脫羧酶(pyruvicaciddecarboxylase)、二氫硫辛酸乙醯基轉移酶(dihydrolipoyltransacetylase)、二氫硫辛酸脫氫酶(dihydrolipoicaciddehydrogenase)。6種輔助因子。6種輔助因子分別是硫胺素焦磷酸(thiaminepyrophosphate,TPP)、輔酶A(coenzymeA)、硫辛酸(lipoicacid)、FAD(flavinadeninedinucleotide)、NAD+(nicotinamideadeninedinucleotide)和Mg2+。
2.反應(2)乙醯CoA在檸檬酸合成酶催化下與草醯乙酸縮合為檸檬酸，並釋放CoASH，此反應為放能反應(△G°，＝-32.22kJ·mol-1)。
3.反應(3)由順烏頭酸酶催化檸檬酸脫水生成順烏頭酸，然後加水生成異檸檬酸。
4.反應(4)在異檸檬酸脫氫酶催化下，異檸檬酸脫氫生成NADH，其中間產物草醯琥珀酸是一個不穩定的β-酮酸，與酶結合即脫羧形成α-酮戊二酸。
5.反應(5)α酮戊二酸在α酮戊二酸脫氫酶複合體催化下形成琥珀醯輔酶A和NADH，並釋放CO2。
α酮戊二酸脫氫酶複合體是由α酮戊二酸脫羧酶(α-ketoglutaricaciddecarboxylase)、二氫硫辛酸琥珀醯基轉移酶(dihydrolipoyltranssuccinylase)及二氫硫辛酸脫氫酶所組成的，含有6種輔助因子：TPP、NAD+、輔酶A、FAD、硫辛酸及Mg2+。該反應不可逆。
6.反應(6)含有高能硫酯鍵的琥珀醯CoA在琥珀酸硫激酶催化下，利用硫酯鍵水解釋放的能量，使ADP磷酸化成ATP。該反應是TCA循環中唯一的一次底物水平磷酸化，即由高能化合物水解，放出能量直接形成ATP的磷酸化作用。
7.反應(7)琥珀酸在琥珀酸脫氫酶催化下，脫氫氧化生成延胡索酸，脫下的氫生成FADH2。丙二酸、戊二酸與琥珀酸的結構相似，是琥珀酸脫氫酶特異的競爭性抑制劑。
8.反應(8)延胡索酸經延胡索酸酶催化加水生成蘋果酸。
9.反應(9)蘋果酸在蘋果酸脫氫酶的催化下氧化脫氫生成草醯乙酸和NADH。草醯乙酸又可重新接受進入循環的乙醯CoA，再次生成檸檬酸，開始新一輪TCA循環。
TCA循環的總反應式為：CH3COCOOH+4NAD+＋FAD＋ADP＋Pi＋2H2O3CO2+4NADH＋4H+＋FADH2＋ATP(5-8)
（二）三羧酸循環的回補機制
TCA循環中某些中間產物是合成許多重要有機物的前體。例如草醯乙酸和α酮戊二酸分別是天冬氨酸和谷氨酸合成的碳架，延胡索酸是苯丙氨酸和酪氨酸合成的前體，琥珀醯CoA是卟啉環合成的碳架。如果TCA循環的中間產物大量消耗於有機物的合成，就會影響TCA循環的正常運行，因此必須有其他的途徑不斷地補充，這稱之為TCA循環的回補機制(replenishingmechanism)。主要有三條回補途徑：
1.丙酮酸的羧化丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草醯乙酸。
Pyr＋CO2＋H2O＋ATPOAA+ADP+Pi(5-9)
丙酮酸羧化酶的活性平時較低，當草醯乙酸不足時，由於乙醯CoA的累積可提高該酶活性。這是動物中最重要的回補反應。
2.PEP的羧化作用在糖酵解中形成的PEP不轉變為丙酮酸，而是在PEP羧化激酶作用下形成草醯乙酸，草醯乙酸再被還原為蘋果酸，蘋果酸經線粒體內膜上的二羧酸傳遞體與Pi進行電中性的交換，進入線粒體基質，可直接進入TCA循環；蘋果酸也可在蘋果酸酶的作用下脫羧形成丙酮酸，再進入TCA循環都可起到補充草醯乙酸的作用。這一回補反應存在於高等植物、酵母和細菌中，動物中不存在。
PEP＋CO2＋H2O→OAA+Pi(5-10)
3.天冬氨酸的轉氨作用天冬氨酸和α酮戊二酸在轉氨酶作用下可形成草醯乙酸和谷氨酸：
ASP＋α-酮戊二酸OAA+Glu(5-11)
通過以上這些回補反應，保證有適量的草醯乙酸供TCA循環的正常運轉。
四、戊糖磷酸途徑
20世紀50年代初的研究發現EMP-TCAC途徑並不是高等植物中有氧呼吸的唯一途徑。實驗證據是，當向植物組織勻漿中添加糖酵解抑制劑（氟化物和碘代乙酸等）時，不可能完全抑制呼吸。瓦伯格(Warburg)也發現，葡萄糖氧化為磷酸丙糖可不需經過醛縮酶的反應。此後不久，便發現了戊糖磷酸途徑(pentosephosphatepathway,PPP)，又稱己糖磷酸途徑(hexosemonophosphatepathway,HMP)或己糖磷酸支路（shunt）。
戊糖磷酸途徑是指葡萄糖在細胞質內直接氧化脫羧，並以戊糖磷酸為重要中間產物的有氧呼吸途徑。該途徑可分為兩個階
1.葡萄糖氧化脫羧階段
(1)脫氫反應在葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(glucose6phosphatedehydrogenase)的催化下以NADP+為氫受體，葡萄糖-6-磷酸(G6P)脫氫生成6-磷酸葡萄糖酸內酯(6phosphogluconolactone,6PGL)。
(2)水解反應在6-磷酸葡萄糖酸內酯酶(lactonase)的催化下，6-PGL被水解為6-磷酸葡萄糖酸(6phosphogluconate,6-PG)。反應是可逆的。
(3)脫氫脫羧反應在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6-phosphogluconatedehydrogenase)催化下，以NADP+為氫受體，6-PG氧化脫羧，生成核酮糖-5-磷酸(Ru5P)。
本階段的總反應是：
G6P＋2NADP+＋H2O→Ru5P＋CO2＋2NADPH＋2H+(5-12)
2.分子重組階段經過一系列糖之間的轉化，最終可將6個Ru5P轉變為5個G6P(圖5-7中反應4～12)。
從整個戊糖磷酸途徑來看，6分子的G6P經過兩個階段的運轉，可以釋放6分子CO2、12分子NADPH，並再生5分子G6P。戊糖磷酸途徑的總反應式可寫成：6G6P＋12NADP+＋7H2O→6CO2＋12NADPH＋12H+＋5G6P＋Pi(5-13)
五、乙醛酸循環
植物細胞內脂肪酸氧化分解為乙醯CoA之後，在乙醛酸體(glyoxysome)內生成琥珀酸、乙醛酸和蘋果酸；此琥珀酸可用於糖的合成，該過程稱為乙醛酸循環(glyoxylicacidcycle,GAC)。動物和人類細胞中沒有乙醛酸體，無法將脂肪酸轉變為糖。植物和微生物有乙醛酸體。油料植物種子(花生、油菜、棉籽等)萌發時存在著能夠將脂肪轉化為糖的乙醛酸循環。水稻盾片中也分離出了乙醛酸循環中的兩個關鍵酶——異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶。
乙醛酸循環的化學歷程
脂肪酸經過β-氧化分解為乙醯CoA，在檸檬酸合成酶的作用下乙醯CoA與草醯乙酸縮合為檸檬酸，再經烏頭酸酶催化形成異檸檬酸。隨後，異檸檬酸裂解酶(isocitratelyase)將異檸檬酸分解為琥珀酸和乙醛酸。再在蘋果酸合成酶(malatesynthetase)催化下，乙醛酸與乙醯CoA結合生成蘋果酸。蘋果酸脫氫重新形成草醯乙酸，可以再與乙醯CoA縮合為檸檬酸，於是構成一個循環（圖5-8）。其總結果是由2分子乙醯CoA生成1分子琥珀酸，反應方程式如下：
2乙醯CoA＋NAD+→琥珀酸＋2CoA＋NADH＋H+(5-14)
琥珀酸由乙醛酸體轉移到線粒體，在其中通過三羧酸循環的部分反應轉變為延胡索酸、蘋果酸，再生成草醯乙酸。然後，草醯乙酸繼續進入TCA循環或者轉移到細胞質，在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPcarboxykinase)催化下脫羧生成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，PEP再通過糖酵解的逆轉而轉變為葡萄糖6磷酸並形成蔗糖。
油料種子在發芽過程中，細胞中出現許多乙醛酸體，貯藏脂肪首先水解為甘油和脂肪酸，然後脂肪酸在乙醛酸體內氧化分解為乙醯CoA，並通過乙醛酸循環轉化為糖，直到種子中貯藏的脂肪耗盡為止，乙醛酸循環活性便隨之消失。澱粉種子萌發時不發生乙醛酸循環。可見，乙醛酸循環是富含脂肪的油料種子所特有的一種呼吸代謝途徑。
以後在研究蓖麻種子萌發時脂肪→糖類的轉化過程中，對上述乙醛酸循環途徑作了修改。一是乙醛酸與乙醯CoA結合所形成的蘋果酸不發生脫氫，而是直接進入細胞質逆著糖酵解途徑轉變為蔗糖。二是在乙醛酸體和線粒體之間有“蘋果酸穿梭”發生
六、乙醇酸氧化途徑
乙醇酸氧化途徑(glycolicacidoxidationpathway)是發生在水稻根系中的一種糖降解途徑(圖5-10)。水稻根呼吸產生的部分乙醯CoA不進入TCA循環，而是形成乙酸，然後乙酸在乙醇酸氧化酶及其它酶類催化下依次形成乙醇酸、乙醛酸、草酸和甲酸及CO2，並且不斷地形成H2O2。H2O2在過氧化氫酶催化下產生具有強氧化能力的新生態氧，並釋放於根的周圍，形成一層氧化圈，使水稻根系周圍保持較高的氧化狀態，以氧化各種還原性物質(如H2S、Fe2+等),抑制土壤中還原性物質對水稻根的毒害，從而保證根系旺盛的生理機能，使稻株正常生長。
（糖酵解的化學歷程）
（TCA循環共有9步反映）
