果蔬采后基本生理活動之呼吸作用

1、果蔬采后基本生理活動之呼吸作用 首先，采收前，果蔬同時進行著光合作用和呼吸作用。第1頁/共99頁 采收后，光合作用消失，呼吸作用成為主要的生理代謝活動，結(jié)果導(dǎo)致組織貯存物質(zhì)消耗，產(chǎn)品品質(zhì)下降。第2頁/共99頁 其次，果蔬采前可以通過根部獲得充足水分，得以保持細胞的膨脹壓，使果蔬組織飽滿；采后失去水分補充，蒸騰作用使得組織膨脹壓下降，組織萎蔫，失去脆性。第3頁/共99頁第一節(jié) 果蔬成熟期間的呼吸作用一、呼吸作用概述 呼吸作用：在果蔬體內(nèi)各種酶系統(tǒng)的參與下，經(jīng)由許多中間反應(yīng)環(huán)節(jié)進行的生物氧化-還原過程，把復(fù)雜的有機物逐步分解為較為簡單的物質(zhì)，同時釋放出能量的過程。Respiration (phys

2、iology), the transport of oxygen to cells where cellular respiration takes place第4頁/共99頁 呼吸過程中，被氧化分解的物質(zhì)稱為呼吸基質(zhì)。果蔬所含的糖、有機酸、氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪等多種有機物都可以作為呼吸基質(zhì)。第5頁/共99頁 呼吸作用包括有氧呼吸aerobic respiration和無氧呼吸anaerobic respiration兩大類型。第6頁/共99頁 有氧呼吸是指植物細胞在氧氣參與下，使有機物徹底分解，放出二氧化碳和水，同時釋放出大量能量的過程。第7頁/共99頁Respiration of frui

3、t : C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + Heat 第8頁/共99頁 無氧呼吸一般是指在缺氧條件下，生活細胞將有機物分解成不徹底的氧化產(chǎn)物，如乙醇、乙醛，同時釋放出少量能量的過程。第9頁/共99頁第10頁/共99頁二、呼吸代謝途徑 對于采后果蔬而言，呼吸作用主要是指細胞內(nèi)糖的氧化分解過程。 呼吸代謝主要包括底物的降解（底物氧化）和能量的產(chǎn)生（末端氧化）。植物呼吸代謝中的氧化降解有很多條途徑，同時電子傳遞系統(tǒng)和末端氧化酶都具有多樣性。第11頁/共99頁（一）底物氧化途徑的多樣性 以葡萄糖為底物時，呼吸代謝途徑主要由糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)及電子傳遞鏈三組相互聯(lián)系的反

4、應(yīng)過程所組成，各個過程在細胞的不同區(qū)域內(nèi)進行。 另一條代謝途徑即為磷酸戊糖途徑。第12頁/共99頁1、EMP-TCA-ETC途徑（1）糖酵解途徑 糖酵解途徑是將葡萄糖分解為丙酮酸的過程。該過程發(fā)生在細胞質(zhì)中，無論有氧與否，都在動植物體內(nèi)普遍發(fā)生。Embden-Meyerhof-Parnas pathway tricarboxylic acid cycle electron transfer chain 第13頁/共99頁EMP葡萄糖磷酸化 重排 醛縮酶 丙糖磷酸異構(gòu)酶 3-磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油酸變位酶 磷酸甘油酸激酶 烯醇化酶第14頁/共99頁 糖酵解的最終產(chǎn)物是丙酮酸，其去路有多條，主要

5、調(diào)控因子是氧氣。第15頁/共99頁（2）三羧酸循環(huán) 是指從乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合成含有3個羧基的檸檬酸開始，經(jīng)過一系列氧化、脫羧，最終生成CO2和H2O并產(chǎn)生能量的過程。 丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA，是連接EMP和TCA循環(huán)的紐帶。tricarboxylic acid cycle 第16頁/共99頁TCA第17頁/共99頁 糖、脂肪和蛋白質(zhì)在分解代謝過程都先生成乙酰輔酶A，乙酰輔酶A與草酰乙酸結(jié)合進入三羧酸循環(huán)而徹底氧化。所以三羧酸循環(huán)是糖、脂肪和蛋白質(zhì)分解的共同通路。 三羧酸循環(huán)另一重要功能是為其他合成代謝提供小分子前體。-酮戊二酸和草酰乙酸分別是合成谷氨酸和天冬氨酸的前體；草酰乙酸先轉(zhuǎn)

6、變成丙酮酸再合成丙氨酸；許多氨基酸通過草酰乙酸可異生成糖。所以三羧酸循環(huán)是糖、脂肪酸(不能異生成糖)和某些氨基酸相互轉(zhuǎn)變的代謝樞紐。 第18頁/共99頁（3）電子傳遞鏈(electron transfer chain, ETC) 在EMP和TCA循環(huán)整個過程中的底物被氧化是伴隨著脫氫進行的，所脫下來的氫，經(jīng)過一系列的質(zhì)子與電子傳遞體，最后活化分子氧形成水，該過程稱為電子傳遞鏈。第19頁/共99頁 電子傳遞鏈是一系列電子載體按對電子親和力逐漸升高的順序組成的電子傳遞系統(tǒng)。所有組成成分都嵌合于線粒體內(nèi)膜或葉綠體類囊體膜或其他生物膜中，而且按順序分段組成分離的復(fù)合物，在復(fù)合物內(nèi)各載體成分的物理排列也

7、符合電子流動的方向。其中線粒體中的電子傳遞鏈是伴隨著營養(yǎng)物質(zhì)的氧化放能，稱作呼吸鏈。 第20頁/共99頁還原型輔酶 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 黃素腺嘌呤二核苷酸 黃素單核苷酸 輔酶Q細胞色素類 第21頁/共99頁第22頁/共99頁第23頁/共99頁2、磷酸戊糖途徑 磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway)又稱已糖單磷酸旁路(hexose monophosphate shut HMS)或磷酸葡萄糖旁路(phosphogluconate shut)。此途徑由6-磷酸葡萄糖開始生成具有重要生理功能的NADPH和5-磷酸核糖。全過程中無ATP生成，因此此過程不是機體產(chǎn)能的方式。

8、第24頁/共99頁6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖第25頁/共99頁3、其他途徑 植物細胞內(nèi)脂肪酸氧化分解為乙酰CoA之后，在乙醛酸體(glyoxysome)內(nèi)生成琥珀酸、乙醛酸和蘋果酸；此琥珀酸可用于糖的合成，該過程稱為乙醛酸循環(huán)(glyoxylic acid cycle,GAC)。 第26頁/共99頁 脂肪酸經(jīng)過-氧化分解為乙酰CoA，在檸檬酸合成酶的作用下乙酰CoA與草酰乙酸縮合為檸檬酸，再經(jīng)烏頭酸酶催化形成異檸檬酸。隨后，異檸檬酸裂解酶將異檸檬酸分解為琥珀酸和乙醛酸。再在蘋果酸合成酶催化下，乙醛酸與乙酰CoA結(jié)合生成蘋果酸。蘋果酸脫氫重新形成草酰乙酸，可

9、以再與乙酰CoA縮合為檸檬酸，于是構(gòu)成一個循環(huán)。其總結(jié)果是由2分子乙酰CoA生成1分子琥珀酸，反應(yīng)方程式如下： 2乙酰CoANAD+琥珀酸2CoANADHH+ 第27頁/共99頁第28頁/共99頁異檸檬酸 檸檬酸 乙酰輔酶A乙醛酸 蘋果酸 草酰乙酸 延胡索酸 琥珀酸 第29頁/共99頁（二）電子傳遞鏈的多途徑 細胞將有機物（糖、脂、蛋白質(zhì)等）氧化分解，最終生成CO2、 H2O和放出能量的過程，稱為生物氧化（biological oxidation）。它是發(fā)生在生物體細胞的線粒體內(nèi)的一系列傳遞氫和電子的氧化還原反應(yīng)，因而有別于體外的直接氧化。 第30頁/共99頁1、細胞色素傳遞途徑 在生物界分布

10、最廣泛，為動物、植物、微生物所共有。主要特征：電子通過UQ及細胞色素系統(tǒng)到達O2。 傳遞體組成：四個多蛋白整體復(fù)合物。第31頁/共99頁 復(fù)合物I(NADH脫氫酶或NADH-泛醌氧化還原酶):25種不同蛋白質(zhì),包含F(xiàn)MN, Fe-S蛋白,催化電子從NADH到泛醌(UQ)，將2H轉(zhuǎn)移到膜間空間。 復(fù)合物II(琥珀酸脫氫酶或琥珀酸-泛醌氧化還原酶):4-5種蛋白質(zhì),包含F(xiàn)AD為輔基的黃素蛋白,琥珀酸脫氫酶，3種Fe-S蛋白,cytb560,催化電子從琥珀酸到泛醌.將2H轉(zhuǎn)移到UQ生成UQH2。 第32頁/共99頁 復(fù)合物III(泛醌-細胞色素c氧化還原酶):包含2個cytb,c1,Fe-S蛋白，催

11、化電子從還原型泛醌到cytc，同時將2H轉(zhuǎn)移到膜間空間。 復(fù)合物IV(細胞色素氧化酶):至少有13種蛋白質(zhì),包含cyta和cyta3,含2Cu,催化電子從還原型cytc到O2，被激活的O2可與線粒體基質(zhì)中的氫結(jié)合生成水。第33頁/共99頁第34頁/共99頁2、交替途徑 細胞色素途徑對氰化物極為敏感，當(dāng)有氰化物存在時，細胞色素途徑被阻斷，電子傳遞在泛醌處分支，經(jīng)黃素蛋白傳遞給交替氧化酶AOX到達氧，該途徑也稱為抗氰呼吸。第35頁/共99頁（三）末端氧化酶的多樣性terminal oxidase 在電子傳遞鏈一系列反應(yīng)的最末端，有能活化分子氧并生成ATP的末端氧化酶，如細胞色素氧化酶和交替氧化酶，

12、都處于線粒體膜上。第36頁/共99頁 植物體內(nèi)的末端氧化酶是將從基質(zhì)傳遞來的電子，直接交給氧并產(chǎn)生H2O或過氧化氫。植物體內(nèi)的末端氧化酶有抗壞血酸氧化酶、多酚氧化酶等。這個復(fù)雜的氧化酶系統(tǒng)，有助于植物對不良外界環(huán)境條件的適應(yīng)。 第37頁/共99頁 與在呼吸鏈中最終將電子傳遞給氧的細胞色素復(fù)合體不同，此酶介導(dǎo)的電子傳遞過程產(chǎn)生的能量不用來生成ATP，而是以熱能形式釋放。 第38頁/共99頁 a.細胞色素氧化酶（脫Cyta3電子給O2） b.交替氧化酶（脫UQH2的電子）傳給胞質(zhì)溶膠內(nèi)的O2，不產(chǎn)生ATP c.酚氧化酶（催化分子態(tài)O2將酚氧化成醌） d.抗壞血酸氧化酶（催化于O2將抗壞血酸氧化生成

13、去氫抗壞血酸和H2O）傳給過氧化物酶體內(nèi)的O2，不產(chǎn)生ATP e.乙醛酸氧化酶（催化乙醛酸氧化產(chǎn)生H2O2） f.黃素氧化酶（催化O2氧化脂肪酸生成H2O2和乙酰COA） 第39頁/共99頁總結(jié)：與呼吸鏈有關(guān)的酶和電子載體（1）煙酰胺脫氫酶類：需NAD+(EMP-TCA中的脫氫酶,將氫和電子傳遞給氧)，NADP+為輔酶。將電子和氫傳遞給需要電子的生物合成過程。 （2）黃素蛋白類(黃酶)：以FAD,FMN為輔基，常寫為FP。如NADH脫氫酶：以FMN為輔基，琥珀酸脫氫酶以FAD為輔基。兩者都含有不同數(shù)目的非血紅素鐵，與硫結(jié)合成鐵硫蛋白。 第40頁/共99頁（3）鐵-硫蛋白類(鐵硫中心)：是一族與

14、蛋白質(zhì)的四個Cys結(jié)合在一起的含鐵，和對酸不穩(wěn)定的硫原子的蛋白質(zhì)，亦稱非血紅鐵蛋白。鐵-硫中心的鐵原子能夠以氧化態(tài)(Fe3+)或還原態(tài)(Fe2+)存在，其作用是通過Fe的價態(tài)變化而起到傳遞電子的作用。 （4）輔酶Q(CoQ),也稱泛醌：為電子傳遞鏈上唯一的非蛋白質(zhì)成分,是脂溶性化合物。它是一個帶有長的異戊二烯側(cè)鏈的醌類化合物。不同輔酶Q的異戊二烯側(cè)鏈數(shù)不同。輔酶Q通過醌/酚結(jié)構(gòu)的互變傳遞電子。 第41頁/共99頁（5）細胞色素類：細胞色素類是含鐵的電子傳遞體。鐵原子處于卟啉結(jié)構(gòu)的中心，構(gòu)成血紅素。通過輔基中Fe2+、Cu2+離子價可逆變化進行電子傳遞。細胞色素類都以血紅素為輔基，這類蛋白具有紅

15、色，在電子傳遞鏈中也依靠鐵的化合價變化來傳遞電子。第42頁/共99頁第43頁/共99頁第44頁/共99頁三、呼吸作用指標1、呼吸強度 衡量呼吸作用強弱的指標，表示為respiration index.定義為在一定溫度下，單位時間內(nèi)一定重量的果蔬產(chǎn)品吸收的氧氣或放出的二氧化碳的量。 若以體積計，稱為呼吸速率。第45頁/共99頁 呼吸強度表明了組織內(nèi)含物消耗的快慢，反映了物質(zhì)量的變化，是采后生理研究中最重要的生理指標之一。 呼吸強度測定可采用靜置堿液吸收法和CO2分析儀測定法。第46頁/共99頁第47頁/共99頁2、呼吸商 呼吸商是指在呼吸作用中，釋放的二氧化碳和吸收的氧的體積比或物質(zhì)的量的比，用

16、RQ表示，也稱為呼吸系數(shù)。 The respiratory quotient (RQ) is calculated from the ratio: RQ = CO2 eliminated / O2 consumed第48頁/共99頁 呼吸商常根據(jù)呼吸底物和呼吸種類的變化而變化。不同的底物有不同的呼吸商。根據(jù)測定的呼吸商，可粗略推斷呼吸基質(zhì)的種類，同時也是判斷呼吸在質(zhì)的方面發(fā)生變化的重要線索。第49頁/共99頁 For complete oxidation of such compounds, the chemical equation is CxHyOz + (x + y/4 - z/2) O

17、2 - x CO2 + (y/2) H2O and thus metabolism of this compound gives an RQ of x/(x + y/4 - z/2).第50頁/共99頁Respiratory Quotients of Some SubstancesName of the substanceRespiratory QuotientCarbohydrates1Triolein (Fat)0.7Oleic Acid (Fat)0.71 (Fat)0.7Proteins0.8 - 0.9Malic acid蘋果酸 1.33Tartaric acid酒石酸 1.6Oxa

18、lic Acid草酸 4.0三油酸甘油酯 油酸 第51頁/共99頁第52頁/共99頁3、呼吸熱respiration heat 呼吸消耗底物，同時釋放出能量。 在正常的有氧呼吸過程中，1mol葡萄糖氧化分解可形成38molATP，共貯能約1272kJ，然而計算得知，1mol葡萄糖氧化分解應(yīng)釋放出2817kJ能量，由此可知，有一多半的能量轉(zhuǎn)化為呼吸熱釋放到體外。第53頁/共99頁第54頁/共99頁4、呼吸溫度系數(shù)respiration temperature coefficient 溫度是影響果蔬代謝水平、水分散失、病源微生物的繁殖與侵染的重要因子。一般溫度下降，代謝降低。 在生理溫度范圍內(nèi)，溫

19、度升高10度時呼吸強度與原溫度下呼吸強度的比值稱為溫度系數(shù)，用Q10表示，反映呼吸強度隨溫度變化的程度。第55頁/共99頁四、果蔬的呼吸類型（一）呼吸類型 果蔬在采后的代謝過程中，呼吸作用的強弱不是始終如一的，而是有高低起伏，這種呼吸強度的變化趨勢稱為呼吸漂移。 各種果實的呼吸漂移曲線趨勢不同。根據(jù)呼吸漂移曲線大體可以將果蔬分為躍變型和非躍變型兩種。第56頁/共99頁 很多果實的呼吸強度在其生長發(fā)育過程中逐漸下降，到達一定成熟度時又顯著上升，然后再度下降，直至果蔬衰老死亡，這種現(xiàn)象稱為呼吸躍變（climacteric） 把這種完熟時出現(xiàn)呼吸上升的果實稱為躍變型果實。Climacteric fr

20、uits第57頁/共99頁第58頁/共99頁 呼吸躍變可以分為躍變前期、高峰期和躍變后期3個階段。一般呼吸躍變開始時是果實品質(zhì)提高階段，到了呼吸躍變后期，衰老開始發(fā)生，此時品質(zhì)劣變，抗性降低。所以呼吸高峰是后熟與衰老的分界線。第59頁/共99頁第60頁/共99頁 非躍變型果實和躍變型相比，不僅呼吸強度低，而且果實無呼吸上升現(xiàn)象，只表現(xiàn)為緩慢下降。第61頁/共99頁第62頁/共99頁Table 1: Climacteric and non-climacteric fruits.Non-climacteric Climacteric Bell pepper甜椒 Olives橄欖 Apple蘋果Me

21、lons甜瓜 Blackberries黑莓Orange橙 Apricot杏Nectarine油桃 Blueberries藍莓Pineapple菠蘿 Avocado鱷梨Papaya番木瓜 CacaoPomegranate石榴 Banana香蕉Passionfruit西番蓮 Cashew apple腰果Pumpkin南瓜 Breadfruit面包果 Peach桃Cherry櫻桃Raspberries樹莓 Cherimoya番荔枝 Pear梨 Cucumber黃瓜 Strawberries草莓Feijoa費約果 Persimmon柿 Eggplant茄子 Summer squash西葫蘆 Fig無花

22、果Plantain大蕉Grape葡萄 Tart cherries酸櫻桃 Guanbana刺番荔枝 Plum李子 Grapefruit葡萄柚 Tree tomato樹蕃茄 Guava番石榴 Quince木瓜 Lemon檸檬 Jackfruit木菠蘿 Sapodilla人心果Lime酸橙 Kiwifruit獼猴桃SapoteLychee荔枝Mango芒果Watermelon西瓜第63頁/共99頁（二）呼吸躍變產(chǎn)生的原因1、膜透性改變學(xué)說 1928年，英國學(xué)者Blackman和Parija提出了“結(jié)構(gòu)阻抗”概念，認為呼吸高峰的出現(xiàn)是由于細胞阻力降低，組織障礙消失，使得原生質(zhì)透性增加，酶與底物接觸機會

23、增多，加速了各種代謝反應(yīng)。第64頁/共99頁2、解偶聯(lián)學(xué)說 Millerd曾提出該學(xué)說來解釋油梨的呼吸躍變現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)用氧化磷酸化解偶聯(lián)劑DNP處理可使躍變前的油梨組織切片吸氧增加1倍，但對躍變高峰的切片則無刺激作用，因此認為成熟果實中有類似解偶聯(lián)現(xiàn)象存在。第65頁/共99頁3、蛋白質(zhì)、核酸和酶的合成學(xué)說 Pearson發(fā)現(xiàn)蘋果在呼吸高峰期蛋白質(zhì)合成增強，由此認為躍變期蛋白質(zhì)合成，增大了ATP的消耗，促進了呼吸作用和ATP的形成。第66頁/共99頁4、代謝途徑的改變 Tager和Biale發(fā)現(xiàn)在未成熟的香蕉中不存在醛縮酶和丙酮酸羧化酶，而在成熟果實中則存在這兩種酶，因此他們認為在躍變期前，主要

24、是磷酸戊糖途徑在運行。第67頁/共99頁五、呼吸與果蔬貯藏的關(guān)系1、呼吸的積極意義（1）通過呼吸作用，可以維持果蔬產(chǎn)品生命活動正常有序的進行第68頁/共99頁 （2）呼吸作用可以防止對組織有毒的中間產(chǎn)物的積累第69頁/共99頁 （3）呼吸作用能提高果蔬的抗病能力，具有抵抗病原微生物的自衛(wèi)作用第70頁/共99頁 植物遭受創(chuàng)傷或病原菌侵染時，會主動加強細胞內(nèi)氧化系統(tǒng)活性、呼吸作用加強，即產(chǎn)生“傷呼吸” wound respiration 。第71頁/共99頁 傷呼吸產(chǎn)生了3個方面的影響：首先傷呼吸抑制了侵染微生物所分泌的水解酶活性；其次氧化破壞病原菌分泌的毒素，并產(chǎn)生抗性物質(zhì)；再次呼吸作用加強可以

25、迅速合成新細胞所需的組分，加速修復(fù)被破壞組織。第72頁/共99頁2、呼吸產(chǎn)生的不利影響 呼吸熱和呼吸消耗加大了養(yǎng)分的消耗，同時導(dǎo)致果蔬溫度上升，利于病原菌侵染。第73頁/共99頁 呼吸作用異常會引發(fā)呼吸生理失調(diào)：無氧呼吸的產(chǎn)生當(dāng)環(huán)境中氧氣濃度降至某一臨界點時，組織內(nèi)出現(xiàn)無氧呼吸，此時二氧化碳釋放量會有所增加，即巴斯德效應(yīng)。同時無氧呼吸產(chǎn)物如乙醇、乙醛對細胞有毒害作用。第74頁/共99頁呼吸途徑受阻誘發(fā)生理失調(diào)細胞內(nèi)生化過程的順利進行有賴于酶系統(tǒng)及其底物在細胞內(nèi)特定的排列與固定的位置，當(dāng)平衡被打破時，會出現(xiàn)中間產(chǎn)物的異常積累，導(dǎo)致生理病害。第75頁/共99頁六、影響呼吸作用的因素（一）內(nèi)因1、種

26、類和品種 蔬菜中，一般花菜類呼吸作用最強，葉菜類次之，果菜類再次，而充分長成了的直根、塊莖、鱗莖類蔬菜則相對較小。 不同品種之間也有差異，晚熟品種的呼吸強度一般比早熟品種高。夏季成熟的比秋、冬季成熟的呼吸強。第76頁/共99頁2、發(fā)育時間和成熟度 幼齡時期的果蔬一般呼吸強度比較大，隨著發(fā)育進行，逐漸降低，而到成熟期，躍變型果實呼吸強度升高，而非躍變型果實繼續(xù)降低。第77頁/共99頁 Ripening Fruit and Climacteric Rise respiration increases when a fruit ripens. 第78頁/共99頁3、同一器官不同部位 果皮、果肉和種子

27、的呼吸強度都不同。第79頁/共99頁（二）環(huán)境因素1、溫度 溫度是影響植物呼吸作用最重要的環(huán)境因素。在正常溫度范圍內(nèi)（535），隨著溫度的升高，呼吸強度隨之升高。其間關(guān)系用溫度系數(shù)Q10表示。一般果蔬的Q10為22.5.第80頁/共99頁Respiration rate depends on the temperature第81頁/共99頁2、相對濕度 相對濕度表示空氣的濕潤程度，定義為一定溫度下空氣中水蒸氣壓與該溫度下飽和水蒸氣壓的比值。相對濕度對呼吸作用的影響因果蔬種類不同而已。第82頁/共99頁3、氣體成分 O2是呼吸代謝ETC途徑的最終電子受體，隨著氧氣濃度降低，呼吸強度隨之下降。 CO2是呼吸作用的最終產(chǎn)物，其濃度增高可抑制呼吸作用。 乙烯也會影響呼吸強度。第83頁/共99頁 Oxygen respiration decreases when oxygen decreases. under no oxygen, anaerobic respiration occurs. 第84頁/共99頁 Control