对一道有关酵母菌呼吸作用的习题的分析--密林里的声响

对一道有关酵母菌呼吸作用的习题的分析 作者:dy 日期:2009-4-7 21:06:00
大连市旅顺中学（116041） 宫相文
很长时间以来，在许多教辅材料上都会引用一道有关酵母菌呼吸作用的实验分析题，由于此题所涉及的内容已经超出了高中生物教学所应掌握的范畴，因此给这道试题的讲解带来了很大困难，甚至使一些教师感到困惑。虽然此题所涉及的内容较深，不可能给学生一一讲解，但却不失为教师学习的好素材，因此拿出来分析一下，以便和同行们共同学习。
【题目】将酵母菌研磨，取一部分匀浆离心，得到上清液（含细胞质基质）和沉淀物（含细胞器）。将等量的上清液、沉淀物和未离心的匀浆分别加入甲、乙、丙三支试管，分别进行以下几项实验：
实验一：向三支试管中分别加入等量的葡萄糖溶液，三支试管中的最终产物分别是甲________________、 乙________________、 丙______________。
实验二：向三支试管中分别加入等量的丙酮酸溶液，三支试管中的最终产物分别是甲________________、 乙________________、 丙_______________。
实验三：隔绝空气的情况下，重复实验一，三支试管中的产物分别是甲________________、 乙________________、 丙_____________________。
实验四：隔绝空气的情况下，重复实验二，三支试管中的产物分别是甲________________、 乙_________________、 丙_____________________。
此题的焦点问题是要解释实验一的甲试管、实验二的甲试管和实验四的甲试管，其它的问题都比较好理解。
分析实验一的甲试管：根据呼吸作用的过程，不管是有氧呼吸还是无氧呼吸的第一步进行的都是糖酵解的过程，大致步骤如下：葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸→果糖-6 -磷酸→果糖-1. 6-二磷酸→甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮→1.3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸→2-磷酸甘油酸→磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸。在这个过程中需要消耗 NAD+生成NADH、消耗ADP和无机磷生成ATP。总的来说可用1葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+→2丙酮酸+2NADH+2H++2ATP+ 2H2O这个反应式来表示，但细胞质基质中NAD+、ADP和无机磷的存量都很少，如果全部被消耗了，且不能循环使用，糖酵解就会停止。在没有氧气的情况下，NADH就在细胞质基质中还原丙酮酸，生成酒精和二氧化碳。而本身被氧化重新生成NAD+，ATP则被细胞代谢消耗生成ADP和磷酸，这样就使得发酵过程得以不断地进行；若有氧气存在时，因线粒体内膜上的呼吸链（电子传递链）有最终受体（O2），三羧酸循环和电子传递都得以顺利进行，因此2NADH和 2H+有更好的去路，即能迅速进入线粒体，通过线粒体内膜上的呼吸链而被氧化，丙酮酸也就因细胞质基质中缺乏NADH和H+而未能按无氧呼吸的方式被还原，而是不断进入线粒体内进行脱羧，生成乙酰辅酶A而进入三羧酸循环，也就是说氧气促进了三羧酸循环和氧化磷酸化的过程，同时也就抑制了无氧呼吸过程。以上过程说明，对既能进行有氧呼吸又能进行无氧呼吸的真核细胞，氧气抑制无氧呼吸并不是因为破坏或抑制了无氧呼吸过程中某些酶的催化活性。因此，如将葡萄糖加入只含酵母菌细胞质基质的试管中，在有氧气但其它条件适宜的情况下，应该是进行完整的无氧呼吸过程，即产物为酒精和二氧化碳。
对于酵母菌在有氧条件下发酵被抑制的现象还可用巴斯德效应来解释，其主要观点是：ATP能抑制6-磷酸果糖激酶的活性，而无机磷和ADP能促进其活性，同时三羧酸循环的第一个产物柠檬酸也能抑制6-磷酸果糖激酶的活性。因此有氧呼吸进行时，ADP和无机磷进入线粒体，其产物ATP和柠檬酸进入细胞质基质，这些过程都会促使6-磷酸果糖激酶的活性会下降，最终导致6-磷酸葡萄糖的积累。而过多的6-磷酸葡萄糖对已糖激酶有反馈抑制作用，使葡萄糖磷酸化减慢，这样就抑制了糖酵解的过程，使葡萄糖的分解速度变慢了。有氧呼吸需要分解的葡萄糖要比无氧呼吸少得多，也可以看出有氧呼吸的效率要远远大于无氧呼吸。酵母菌的酒精发酵速度还与糖酵解过程中NAD+和NADH的周转有关，在无氧条件下，糖酵解生成的丙酮酸，在细胞质基质中经过脱羧生成乙醛和二氧化碳，NADH能将乙醛还原成酒精，而本身被氧化成NAD+，使NADH和NAD+周转速度加快，糖酵解加快。然而，在有氧条件下，糖酵解产生的NADH，不能用于还原乙醛，而是通过穿梭系统进入线粒体，通过呼吸链的传递生成水，由于NAD+和NADH不能周转，发酵作用便受到抑制。
但不管怎么说，上述实验一的甲试管中具有发酵作用所需的酶，最终产物应当是二氧化碳和酒精，尽管没有隔绝空气，发酵作用也不会受抑制。
那么，同样是在有氧的条件下，厌氧菌（如乳酸菌）的发酵为什么会被氧气抑制呢？对于这类生物来说，有氧气存在时细胞内极易产生O2－（超氧化物阴离子自由基），而O2－反应力极强，性质不稳定，可破坏各种重要高分子和膜，也可形成其它活性氧化物，故对细胞十分有害。那么为何非专性厌氧菌（如大肠杆菌）可以在空气中存活呢？因它的细胞内具有SOD（超氧化合物歧化酶），它可以催化反应“O2－＋H＋→H2O2＋O2”的进行，H2O2再被过氧化氢酶或过氧化物酶转变为H2O。以上说明，氧气对酵母菌的发酵和专性厌氧菌的发酵抑制的原理是不同的。同时还可以看出，既使对专性厌氧菌，氧气也并不是特异性地抑制无氧呼吸第二阶段中某些酶的活性。
以上的问题弄清楚了，其他实验的结果也就容易分析了。
解释实验二中的甲试管：如果把丙酮酸加入到不隔绝空气的细胞质基质中，由于有脱羧酶的存在，可以在酶的作用下发生脱羧反应生成乙醛和二氧化碳。但由于没有NADH，乙醛不能被还原成酒精。因此，这个试管中产物应当是乙醛和二氧化碳，而不是乙醇和二氧化碳，更不能彻底被分解成二氧化碳和水。
解释实验四中的甲试管：在隔绝空气的条件下向细胞质基质中加入丙酮酸，最终的结果与实验二中的甲试管相同，是否隔绝空气对试管中的反应没有影响。实验四中的丙试管也是如此，因为没有氧气，线粒体内膜上的呼吸链没有最终受体，所以NADH不能进入线粒体，辅酶A与乙酰辅酶A也不能被循环转变，因此三羧酸循环无法进行。
【答案】实验一甲：酒精和二氧化碳；乙：葡萄糖；丙：二氧化碳和水
实验二甲：乙醛和二氧化碳；乙：二氧化碳和水；丙：二氧化碳和水
实验三甲：酒精和二氧化碳；乙：葡萄糖；丙：酒精和二氧化碳
实验四甲：乙醛和二氧化碳；乙：丙酮酸；丙：乙醛和二氧化碳；
经过以上的分析，希望能使对这道题有疑问的师生可以从中得到一些启发。但需要说明的是，就高中生物教学来说，由于此类题目所涉及的内容已经超出了中学生的学习范畴，因此建议教师在选题时，应当尽量避开这样的题目，以免引起不必要的麻烦。