資源簡介

5.3 細胞呼吸的原理和應用
課標要求 2.2 細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發生在細胞的特定區域 2.2.4 說明生物通過細胞呼吸將儲存在有機分子中的能量轉化為生命活動可以利用的能量
學習目標 1．結構與功能觀：線粒體結構與細胞呼吸的關系。（生命觀念） 2．分析與綜合：分析有氧呼吸的三個階段，理解細胞呼吸的實質；分析有氧呼吸與無氧呼吸的過程，區別二者的異同。（科學思維） 3．根據實驗目的，設計探究酵母菌細胞呼吸方式的實驗裝置，實施方案，觀察實驗結果，得出正確結論。（科學探究） 4．依據細胞呼吸原理指導農業生產，解決實際問題。（社會責任）
重點與難點 重點：探究酵母菌細胞呼吸的方式。有氧呼吸中物質與能量的方式。 難點：探究酵母菌細胞呼吸的方式。有氧呼吸過程中物質與能量的變化。比較有氧呼吸和無氧呼吸的異同。
問題探討
酵母菌細胞富含蛋白質，可以用作飼料添加劑。在培養酵母菌用作飼料添加劑時，要給培養裝置通氣或進行振蕩，以以利于酵母菌大量繁殖。在利用酵母菌生產葡萄酒時，卻需要密封發酵。討論：
1．都是培養酵母菌，為什么有的需要通氣，有的卻需要密封？
2．為什么通氣有利于酵母菌大量繁殖？
3．在密封發酵時，酵母菌將有機物轉化為酒精對它自身有什么意義？
一、細胞呼吸的方式
1．呼吸作用的實質
細胞內的有機物____________，并____________，因此也叫細胞呼吸。
2．探究酵母菌細胞呼吸的方式
事例1：饅頭和面包里面都有一個個的小孔，都很松軟，是因為發面時加入酵母菌，酵母菌細胞呼吸產生了CO2，CO2受熱膨脹。
事例2：釀酒過程中，酵母菌進行細胞呼吸產生了酒精。
提出問題：酵母菌可以進行有氧呼吸和無氧呼吸嗎？
作出假設：酵母菌可以進行有氧呼吸和無氧呼吸。
設計實驗：寫出實驗設計方案，分析實驗的自變量、因變量和無關變量。
進行實驗：
（1）實驗材料：酵母菌作為探究呼吸方式的理想材料的理由是什么？
（2）實驗原理
①CO2的檢測方法：
②酒精的檢測方法：
（3）實驗步驟
①配置酵母菌培養液：酵母菌+_________溶液
②檢測CO2的產生，裝置組裝：結合教材P90-92，用下圖的字母編號設計實驗裝置圖
Ⅰ.有氧呼吸：a.有氧呼吸裝置由_________組成。（用圖中的字母作答）
b.NaOH溶液的作用是：_____________________________________________。
c.加入瓶中的葡萄糖溶液需加熱并冷卻的目的分別是什么？
Ⅱ.無氧呼吸：a.無氧呼吸裝置由_________組成。（用圖中的字母作答）
b.A瓶放置一段時間再連接澄清的石灰水的目的是什么？
③檢測酒精的產生：
自A、B中各取2 mL酵母菌培養液的濾液分別注入編號為1、2的兩支試管中→分別滴加0.5 mL溶有0.1 g_________的濃硫酸溶液→振蕩并觀察溶液的顏色變化。
（4）實驗現象
條件 澄清石灰水/出現的時間 重鉻酸鉀--濃硫酸溶液
有氧
無氧
得出結論：實驗結論：________________________________________________。
表達與交流：如：用酸性重鉻酸鉀檢測有氧和無氧裝置，產生的顏色反應幾乎一樣。可能原因是什么？
【例1】（不定項選擇）右圖的三個裝置可用于研究萌發種子的呼吸作用方式及其產物，有關分析正確的是（　　）
A．甲裝置可用于探究呼吸作用是否產生熱量
B．乙裝置有色液滴向左移動，說明種子萌發只進行有氧呼吸
C．丙裝置可用于探究萌發種子的呼吸作用是否產生CO2
D．三個裝置中的種子都必須進行消毒處理，不都需要設置對照實驗
[例2]在科學研究中常用呼吸熵(RQ＝釋放二氧化碳體積/消耗的氧氣體積)表示生物用于有氧呼吸的能源物質的不同。測定發芽種子呼吸熵的裝置如圖。關閉活塞，在25 ℃下經20 min讀出刻度管中著色液移動距離。設裝置1和裝置2的著色液分別向左移動x mm和y mm。x和y值反映了容器內氣體體積的減少量(裝置1的小瓶中NaOH溶液用于吸收呼吸產生的CO2)。請回答下列問題：
(1)若測得x＝180 mm，y＝50 mm，則該發芽種子的呼吸熵是________(保留兩位小數)。假設發芽種子僅進行有氧呼吸，根據呼吸熵數值可以推測有氧呼吸分解的有機物中除________以外還有其他有機物。
(2)為使測得的x和y值更精確，還應再設置對照裝置，對照裝置的容器和小瓶中分別放入等量死的發芽種子和蒸餾水，設置對照裝置的目的是_____________________________________。
(3)假設發芽種子呼吸消耗的有機物全部為葡萄糖，在25 ℃下經20分鐘讀出刻度管中著色液移動距離x＝300 mm，y＝－100 mm(裝置2著色液向右移動了100 mm)，則可推斷有氧呼吸消耗的葡萄糖與無氧呼吸消耗的葡萄糖的比例是________。
實驗結果 結論
裝置一液滴 裝置二液滴
不動 不動
不動 右移
左移 右移
左移 不動
3．科學方法——對比實驗：設置兩個或兩個以上的實驗組，通過對結果的比較分析，來探究________對________的影響，這樣的實驗叫作對比實驗，也叫_________實驗。在上述實驗的探究活動中，需要設置______和______兩種條件，探究酵母菌在不同氧氣條件下細胞呼吸的方式，這兩個實驗組的結果都是事先未知的，通過對比可以看出______條件對____________的影響。
二、有氧呼吸
1．線粒體有哪些適應有氧呼吸的結構？
思維訓練：運用證據和邏輯評價論點
關于真核細胞線粒體的起源，科學家提出了一種解釋：約幾十億年前，有一種真核細胞吞噬了原始的需氧細菌，被吞噬的細胞不僅沒有被消化分解，反而在細胞中生存下來了。需氧細菌從宿主細胞那里得到丙酮酸氧化分解釋放的能量。在共同生存繁衍的過程中，需氧細菌進化為宿主細胞內專門進行細胞呼吸的細胞器。
以下哪些證據支持這一論點，哪些不支持這一論點？
①線粒體內存在與細菌DNA相似的環狀DNA；②線粒體內的蛋白質，有少數幾種由線粒體DNA指導合成，絕大多數由核DNA指導合成；③真核細胞內的DNA有極高比例的核苷酸序列經常不表現出遺傳效應，線粒體DNA和細菌的卻不是這樣；④線粒體能像細菌一樣進行分裂增殖。
2．有氧呼吸的過程：結合教材P92~93，將下圖補充完整
3．反應式：
寫出有氧呼吸總反應式，并嘗試在總反應式中標出各元素的來源和去路。
注意：①反應式中的能量不能寫成ATP，因為葡萄糖中的能量只有一部分儲存在ATP中。
②反應式前后的H2O不能消去。反應過程的第二階段消耗了水，第三階段生成了水。
③反應式中間不能用等號，要用箭頭。 ④反應條件“酶”不能省去。
⑤不要認為細胞呼吸的底物只有葡萄糖，教材只是以葡萄糖在有氧條件下徹底氧化分解為例來介紹有氧呼吸過程。
4．歸納：有氧呼吸過程中的物質變化與能量變化
（1）物質變化：
（2）能量變化：
資料：在細胞內，1 mol的葡萄糖徹底氧化分解以后，釋放的能量約為2870kJ，其中可使977.28kJ左右的能量儲存在ATP中，余下能量則以熱能的形式散失掉了。
有氧呼吸的能量轉化效率大約是多少，這些能量大約能使多少ADP轉化為ATP？
5．有氧呼吸的概念：
思考：葡萄糖在細胞內徹底氧化分解和體外燃燒有哪些相同點和不同點呢？
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無氧呼吸
1．發生范圍：①許多種細菌和真菌；②動植物局部細胞在_____條件下暫時進行無氧呼吸
第一階段 第二階段
場所
條件
反應物
產物
釋放能量
合成ATP的量 2mol
2．過程：
3．反應式：
（1）產生酒精（大多數植物、酵母菌）
產生乳酸（高等動物、乳酸菌、玉米胚、馬鈴薯塊莖和甜菜塊根等）
思考：①無氧呼吸過程產物不同的直接原因是什么？人體可以利用無氧呼吸產生的乳酸嗎？
②細胞呼吸中產生[H]的過程實際上是指？有氧呼吸中來自？
③無氧呼吸過程有[H]的積累嗎？
④為什么說無氧呼吸是不徹底的氧化分解？
⑤分析下列生物產生CO2的場所：人，乳酸菌，酵母菌，硝化細菌
4．能量變化：葡萄糖無氧呼吸都只在_________釋放少量的能量，其中一部分儲存在______，一部分以______形式散失，葡萄糖中大部分能量存留在____________中。
5．細胞呼吸
（1）概念：細胞呼吸是指有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產物，釋放能量并生成ATP的過程。
（2）意義：
①為生物體的生命活動提供能量；②生物體代謝的樞紐。
（3）全過程圖解
（4）有氧呼吸與無氧呼吸的對比
有氧呼吸 無氧呼吸
區別 場所
條件
產物
能量變化
聯系 反應的______階段完全相同
實質均為：
（5）相關物質間量的比例關系
①有氧呼吸：C6H12O6∶O2∶CO2＝__________。
②無氧呼吸：C6H12O6∶CO2∶C2H5OH＝____________或C6H12O6∶C3H6O3＝______。
③消耗等量的葡萄糖時需要的O2和產生的CO2的物質的量：
有氧呼吸需要的O2∶有氧呼吸和無氧呼吸產生的CO2之和＝______。
④產生等量的CO2時消耗的葡萄糖的物質的量：無氧呼吸∶有氧呼吸＝______。
（6）細胞的呼吸方式的判斷
四、影響細胞呼吸的因素
1．O2濃度對呼吸速率的影響
在下圖中畫出有氧呼吸和無氧呼吸CO2
釋放量隨O2濃度變化的曲線：
【例2】下圖表示某種植物的非綠色器官在不同氧濃度下的CO2的釋放量與O2的吸收量的變化，請據圖回答以下問題：
（1）O點時，該器官的呼吸作用類型是_________________。
（2）在O2濃度為b%以下時（不包括O點），該器官的呼吸類型是____________，原因是____________________。
（3）該器官CO2釋放與O2吸收兩條曲線在Q點重合，該器官的呼吸類型是____________。
（4）由該曲線提示的原理，我們在進行水果貯藏時，應該取O2濃度值為_________，理由__________________。
2．溫度、CO2濃度及H2O對呼吸速率的影響
因素 溫度 CO2濃度 H2O
影響 機理
曲線 模型
實踐 應用 零上低溫下儲存種子、蔬菜、水果，大棚種植夜間適當降低溫度 增加CO2的濃度，可提高蔬菜和水果的保鮮效果 糧食在收倉前要進行晾曬處理，干種子萌發前要進行浸泡處理
3．植物自身因素：主要指不同的生物種類、同一植物的不同器官、不同發育時期的呼吸酶的種類、數量不同等。
五、細胞呼吸原理的應用
1．包扎傷口時需要使用透氣的消毒紗布或松軟的“創口貼”等敷料目的是？皮膚破損較深或被銹釘扎傷后，病菌容易繁殖，遇到這種情況，需要及時到醫院清理傷口、敷藥并注射破傷風抗毒血清，其原因是？
2．利用麥芽、葡萄、糧食和酵母菌以及發酵罐等在控制通氣的情況下可產生各種酒？
而利用淀粉、醋酸桿菌或谷氨酸棒狀桿菌以及發酵罐，在控制通氣的情況下，可以產生食醋或味精？
3．花盆，菜地需中耕松土，不然會影響根系生長，目的是？稻田也需要定期排水，否則水稻幼根因缺氧而變黑、腐爛。目的是？
提倡慢跑運動等有氧運動的原因之一是？
5．歸納糧食和果蔬的儲存方法：
（1）儲存糧食：____________________________________。
（2）儲存水果、蔬菜：____________________________________。
競賽部高一生物補償訓練
1．一些植物的花器官在開花期能夠在短期內迅速產生并累積大量熱能，使花器官溫度顯著高于環境溫度，有利于花序氣味揮發，吸引昆蟲傳粉。研究表明，該現象通過有氧呼吸的主呼吸鏈及交替氧化酶（AOX）參與的交替呼吸途徑實現（如下圖），其中交替呼吸途徑不發生H+跨膜運輸，故不能形成驅動ATP合成的H+勢差。下列敘述錯誤的是（　　）
A．圖中AOX分布于線粒體內膜上，可催化水的生成
B．H+以協助擴散方式通過ATP合酶進入線粒體基質
C．有氧呼吸的主呼吸鏈中建立膜兩側的H+濃度差不需要消耗能量
D．交替呼吸途徑使有機物氧化分解釋放的能量更多的以熱能形式散失
2．有些植物在開花期能夠通過有氧呼吸產生大量熱能，花的溫度顯著高于環境溫度，即“開花生熱現象”，該現象有利于植物生殖發育順利完成。有氧呼吸產生的電子（e-）經蛋白復合體I和Ⅱ、UQ（泛醌）、蛋白復合體Ⅲ和Ⅳ傳遞至O2成H2O，電子傳遞過程中釋放的能量用于建立膜兩側H+濃度差，使能量轉換成H+電化學勢能，最終H+經ATP合成酶運回時釋放少量能量并合成ATP；交替氧化酶（AOX）是一種存在于植物花細胞中的酶，在此酶參與下，電子可直接通過AOX傳遞給O2生成H2O，大量的能量以熱能的形式釋放，具體過程如圖。下列敘述錯誤的是（ ）
A．圖中的生物膜是指植物花細胞的線粒體內膜
B．H+由膜甲側運回到乙側是通過主動運輸進行的
C．電子直接通過AOX傳遞給O2后，最終產生極少量ATP
D．環境溫度降低時，電子直接通過AOX傳遞給O2的途徑增強
3．下圖中的I、II、III、IV、AOX、UQ表示在真核細胞中有氧呼吸的第三階段參與電子傳遞的蛋白質復合體或脂溶性物質復合體。其中H+通過I、III、IV逆濃度梯度運輸，建立膜質子(H+)勢差，驅動ATP合成酶和UCP發揮作用使膜兩側的質子(H+)勢差轉變成其他形式的能量。假設只要電子最終能傳到H2O中，釋放的總能量不變。下列相關敘述錯誤的是
A．圖示的膜結構為線粒體內膜，下側為線粒體基質
B．電子在I、III、IV之間傳遞過程中有能量的轉化
C．若III、IV不能發揮作用，ATP的生成效率將降低
D．隨著UCP含量的升高，熱能的生成效率隨之降低
4. （不定項）在有氧呼吸第三階段，線粒體基質中的還原型輔酶脫去氫并釋放電子，電子經線粒體內膜最終傳遞給O2，電子傳遞過程中釋放的能量驅動H+從線粒體基質移至內外膜間隙中，隨后H+經ATP合酶返回線粒體基質并促使ATP合成，然后與接受了電子的O2結合生成水。為研究短時低溫對該階段的影響，將長勢相同的黃瓜幼苗在不同條件下處理，分組情況及結果如圖所示。已知DNP可使H+進入線粒體基質時不經過ATP合酶。下列相關說法正確的是
A. 4℃時線粒體內膜上的電子傳遞受阻
B. 與25℃時相比，4℃時有氧呼吸產熱多
C. 與25℃時相比，4℃時有氧呼吸消耗葡萄糖的量多
D. DNP導致線粒體內外膜間隙中H+濃度降低，生成的ATP減少
5．米胚芽是天然的脂肪酶抑制劑原料，從中提取的脂肪酶抑制劑可作為一種良好的減肥藥物。 為探討該脂肪酶抑制劑的抑制機理，研究者進行了實驗探究：將底物乳液、抑制劑和胰脂肪酶按 3 種順序加入，反應相同時間后測定和計算對酶促反應的抑制率，結果如圖所示。下列說法錯誤的是（ ）
A．上述反應應該在溫度為 37℃、pH 為 7．6 左右的條件下進行
B．順序 3 應該是底物乳液與抑制劑混合預熱 10min 后，加入胰脂肪酶進行反應
C．該脂肪酶抑制劑主要通過與酶結合，阻礙底物-酶的結合達到抑制作用
D．該脂肪酶抑制劑通過抑制脂肪酶發揮作用阻止脂肪的消化，起到減肥作用
6．在生物學實驗中，下列與糖類有關的說法錯誤的是（　　）
A．探究不同溫度對酶活性的影響時需將淀粉與淀粉酶分別保溫
B．在酸性條件下用重鉻酸鉀檢測酵母菌產生酒精時需將葡萄糖耗盡
C．探究光合產物蔗糖的產生與運輸時可用放射性同位素14C標記CO2
D．制備純凈細胞膜時能用纖維素酶水解后的植物細胞作實驗材料
7．Na＋-K＋泵由α、β兩亞基組成，其中α亞基為跨膜蛋白，既有 Na＋、K＋結合位點，又具 ATP酶活性，如圖所示。一般認為 Na＋-K＋泵首先在膜內側與細胞內的Na＋結合，ATP酶活性被激活后，由 ATP 水解釋放的能量使泵本身構象改變，將Na＋輸出細胞；與此同時，泵與細胞膜外側的K＋結合，發生去磷酸化后構象再次改變，將K＋輸入細胞內。下列說法錯誤的是
A．α亞基對K＋的親和力始終大于 Na＋ B．ATP水解使α亞基磷酸化，進而導致其構象改變
C．Na＋-K＋泵可同時完成對3個Na＋和2個K＋的轉運
D．Na＋-K＋泵造成神經元膜內外的離子濃度差是靜息電位和動作電位形成的基礎
8．生物膜上能運輸H+的質子泵主要有3類：消耗ATP的同時自身發生磷酸化并將H+泵出細胞的P型質子泵、消耗ATP并將H+逆濃度梯度泵入細胞器的V型質子泵、利用H+順濃度梯度釋放的勢能合成ATP的F型質子泵。下列說法錯誤的是（ ）
A．3類質子泵的運輸都受溫度變化的影響 B．P型質子泵磷酸化后空間結構不會發生變化
C．溶酶體膜上V型質子泵的運輸方式為主動運輸
D．線粒體內膜和葉綠體類囊體膜上都富含F型質子泵
9．膜脂是生物膜上的脂類統稱，主要包括磷脂、糖脂和膽固醇三種類型，其分子排列呈連續或雙層具伸縮性，其性質決定生物膜的一般性質。下列說法錯誤的是（ ）
A．磷脂、糖脂和膽固醇的分子結構相似，元素組成不完全相同
B．磷脂具有親水的頭和疏水的尾，決定了其分子排列呈連續或雙層
C．糖脂與細胞表面的識別、細胞間的信息傳遞等功能有密切關系
D．膽固醇是構成動物細胞膜的重要成分，參與人體血液中脂質的運輸

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