5.3 细胞呼吸的原理和应用（第2课时）（学生版）-高一生物同步精品讲义（人教2019必修1）

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5.3 细胞呼吸的原理和应用（2）1.通过对有氧呼吸过程图解的分析，阐明有氧呼吸呼吸过程中物质和能量的变化，建立生命的物质和能量观。2.通过比较无氧呼吸和有氧呼吸过程，理解生命的多样性和统一性，理解细胞呼吸的进化过程，归纳细胞呼吸的概念，说明细胞呼吸的意义。 3.通过分析细胞呼吸在生产、生活中的应用实例，自觉用细胞呼吸的原理解释生产、生活的的问题。知识点01  有氧呼吸 有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP的过程。同有机物在生物体外的燃烧相比，有氧呼吸过程温和；有机物中的能量经过一系列的化学反应逐步释放；这些能量有相当一部分储存在ATP中。阶段场所反应物产物释放能量第一阶段细胞质基质葡萄糖丙酮酸、[H]少量能量第二阶段线粒体基质丙酮酸、H2OCO2、[H]少量能量第三阶段线粒体内膜[H]、O2H2O大量能量化学反应式C6H12O6+6H2O+6O2——→6CO2+12H2O+能量 特别提醒：①这里的[H]指还原型辅酶Ⅱ。②有氧呼吸释放的能量绝大多数以热能形式散失，如1mol葡萄糖彻底氧化所释放的2870kJ的能量中，只有977.28kJ储存在ATP中，其余以热能形式散失。知识点02 无氧呼吸 在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机物经过不完全分解，释放少量能量的过程，就是无氧呼吸。 产生酒精的无氧呼吸产生乳酸的无氧呼吸第一阶段第一个阶段与有氧呼吸的第一个阶段完全相同。第二阶段丙酮酸在酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳，或者转化成乳酸。化学反应式C6H12O6 —> 2C2H5OH （酒精）+2CO2+ 少量能量C6Hl2O6 —> 2C3H6O3（乳酸）+少量能量    举例酵母菌、水稻根、苹果果实等乳酸菌、马铃薯块茎、人和动物 特别提醒：①植物除甜菜块根、马铃薯块茎，玉米胚乳和胡萝卜叶无氧呼吸产物是乳酸外，无氧呼吸产物一般为酒精。②从生物进化的角度看，原始地球的大气不含氧气。所以，那时候的生物的呼吸方式都为无氧呼吸。当蓝细菌等自养型生物出现以后，大气中有了氧气，才出现了有氧呼吸。可见，有氧呼吸是在无氧呼吸的基础上发展而成的。③从能量供应角度看，有氧呼吸每分解1mol葡萄糖，可以释放2870kJ的能量。而无氧呼吸分解1mol葡萄糖，只能释放196.65kJ的能量。对于需氧型生物来说，生命活动所需要的能量，大部分由有氧呼吸提供，无氧呼吸所提供的能量无法满足维持生物生命活动的需要。所以，对于提供能量来说，有氧呼吸要优于无氧呼吸。④从产物的角度看，有氧呼吸的终产物是二氧化碳和水，对生物体是无害的。而无氧呼吸的终产物是乳酸或酒精和二氧化碳。乳酸的形成，会使动物出现一些不良反应，如肌肉酸痛。乳酸过多还可能引起稳态的改变、乳酸中毒等。酒精对植物细胞有很强的毒害作用。所以，需氧型生物的无氧呼吸，基本上是为了帮助生物度过一些缺氧的不良环境，不能长时间地进行。所以，从终产物有无毒害这一角度看，有氧呼吸要优于无氧呼吸。知识点03  细胞呼吸意义及细胞呼吸原理的应用1.细胞呼吸除了能为生物体提供能量，还是生物体代谢的枢纽。在细胞呼吸过程中产生的中间产物，可转化为甘油、氨基酸等非糖物质；非糖物质代谢形成的某些产物与细胞呼吸中间产物相同，这些物质可以进一步形成葡萄糖。蛋白质、糖类和脂质的代谢，都可以通过细胞呼吸过程联系起来。2.有氧呼吸原理的应用：利用淀粉、醋酸杆菌或谷氨酸棒状杆菌可以生产食醋或味精；提倡慢跑等有氧运动使细胞进行有氧呼吸，避免肌细胞产生大量乳酸；及时松土有利于根系生长；稻田定期排水有利于根系有氧呼吸，防止幼根变黑、腐烂。3.无氧呼吸原理的应用：包扎伤口应选用透气的敷料；破伤风芽孢杆菌可通过无氧呼吸进行大量繁殖，皮肤破损较深时，需清理伤口、注射破伤风抗毒血清等；在储藏果实、蔬菜时，往往需要采取降低温度、降低氧气含量等措施减弱果蔬的呼吸作用，以减少有机物的消耗。特别提醒：①严格的无氧环境不有利于水果保鲜，是因为此条件下细胞无氧呼吸旺盛，消耗有机物多。②粮食种子适宜在零上低温、低氧和干燥的环境中储藏。   考法01 细胞呼吸的场所与过程 1.有氧呼吸与无氧呼吸比较   　类型有氧呼吸无氧呼吸项目　　不同点场所细胞质基质、线粒体细胞质基质条件氧气、酶、适宜的温度和pH酶、适宜的温度和pH终产物CO2和水酒精和CO2或乳酸能量释放多少形成ATP数38 mol(每1 mol葡萄糖)2 mol(每1 mol葡萄糖) 相同点本质有机物在细胞内氧化分解，释放能量过程第一阶段完全相同意义①为生命活动提供能量；②中间产物是有机物转化的枢纽2.呼吸中[H]和ATP的来源与去向项目来源去向[H]有氧呼吸：C6H12O6和H2O；无氧呼吸：C6H12O6有氧呼吸：与O2结合生成水；无氧呼吸：还原丙酮酸ATP有氧呼吸：三个阶段都产生；无氧呼吸：只在第一阶段产生用于各项生命活动(除光合作用的暗反应)3.有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸各物质间的关系比(以葡萄糖为呼吸底物)①有氧呼吸中葡萄糖∶O2∶CO2＝1∶6∶6。②产生酒精的无氧呼吸中葡萄糖∶CO2∶酒精＝1∶2∶2。③消耗等量的葡萄糖时，产生酒精的无氧呼吸与有氧呼吸产生的CO2摩尔数之比为1∶3。④消耗等量的葡萄糖时，有氧呼吸消耗的O2摩尔数与有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸产生CO2摩尔数之和的比为3∶4。【典例1】比利时科研人员联手全球最大的巧克力制造商Barry Callebaut培育出一种混合酵母菌，它能让可可豆发酵出气味更香、味道更佳的巧克力。如图所示为细胞内部分物质代谢过程示意图，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示过程，M、N、P代表物质，其中的一个生理过程不可能在酵母菌细胞内发生。下列说法不正确的是（    ）A．图中的过程Ⅳ不可能在酵母菌细胞内发生，因为缺少相应的酶B．当氧气充足时，酵母菌细胞内过程Ⅰ被抑制，过程Ⅱ、Ⅴ加强C．图中可以产生[H]和ATP的过程有Ⅲ、Ⅴ，可以产生ATP的过程有Ⅱ、Ⅲ、ⅤD．过程Ⅱ中消耗的[H]最终都来自葡萄糖【答案】D【解析】IV为生成乳酸的无氧呼吸第二阶段，该过程不可能在酵母菌细胞内发生，因为缺少相应的酶，A正确；I为生成酒精的无氧呼吸第二阶段，当氧气充足时，酵母菌细胞内过程Ⅰ被抑制，过程Ⅱ（有氧你呼吸第三阶段）和Ⅴ（有氧呼吸第二阶段）加强，B正确；图中可以产生[H]和ATP的过程有Ⅲ（呼吸作用第一阶段）和Ⅴ（有氧呼吸第二阶段），可以产生ATP的过程有Ⅱ（有氧呼吸第三阶段）、Ⅲ（呼吸作用第一阶段）和Ⅴ（氧呼吸第二阶段），C正确；过程Ⅱ有氧呼吸第三阶段中消耗的[H]最终来自葡萄糖和水，D错误。考法02  细胞呼吸类型的判断1.通过反应物和产物判断细胞呼吸的类型①有O2消耗或有H2O生成的细胞呼吸一定是有氧呼吸，但有CO2生成的细胞呼吸不一定是有氧呼吸。②无O2消耗或有酒精或乳酸生成的细胞呼吸一定是无氧呼吸。2.通过物质的量的关系判断细胞呼吸的类型①不消耗O2，释放CO2⇒只进行产生酒精的无氧呼吸。②无CO2释放⇒只进行无氧呼吸产生乳酸。③CO2释放量等于O2的吸收量⇒只进行有氧呼吸或同时进行有氧呼吸和产生乳酸的无氧呼吸。④CO2释放量大于O2的吸收量⇒既进行有氧呼吸，又进行产生酒精的无氧呼吸；多余的CO2来自产生酒精的无氧呼吸。⑤酒精产生量等于CO2释放量⇒只进行产生酒精的无氧呼吸。⑥酒精产生量小于CO2释放量⇒既进行有氧呼吸，又进行产生酒精的无氧呼吸；多余的CO2来自有氧呼吸。3.通过反应场所判断有氧呼吸和无氧呼吸①真核生物需要线粒体参与的细胞呼吸是有氧呼吸。②真核生物不需要线粒体参与的细胞呼吸是无氧呼吸。【典例2】若酵母菌呼吸消耗的O2与释放CO2的量如图所示，图中四种状态下，有氧呼吸消耗葡萄糖与无氧呼吸消耗葡萄糖的量的比值，正确的是(　　)A．甲，1/5　　　　　　B．乙，1/3           C．丙，2/3         D．丁，2/3【答案】C【解析】酵母菌有氧呼吸分解1分子葡萄糖，消耗6分子O2，产生6分子CO2；无氧呼吸分解1分子葡萄糖，不消耗O2，产生2分子CO2。甲状态下，有氧呼吸消耗的葡萄糖量为1/6，无氧呼吸消耗的葡萄糖量为(6－1)/2＝5/2，故有氧呼吸消耗葡萄糖与无氧呼吸消耗葡萄糖的量的比值为1/15；同理，可求出乙、丙状态下的比值依次为1/6、2/3，丁状态下只进行有氧呼吸，C正确。【名师提醒】①原核生物没有线粒体，但很多原核生物都能进行有氧呼吸。原因是什么？有氧呼吸能否进行不取决于有无线粒体，而取决于有无有氧呼吸的酶系统。如大肠杆菌是兼性厌氧菌，在有氧状态下，利用细胞膜和细胞质的酶系统进行有氧呼吸；在无氧状态下，利用细胞质中的无氧呼吸酶系统进行无氧呼吸。还有很多原核生物是专性好氧细菌，如硝化细菌等自养细菌、醋酸杆菌、枯草杆菌、结核杆菌、固氮菌等。好氧型细菌有氧呼吸的第一个阶段也是在细胞质基质中进行的，产生的丙酮酸同样通过有氧呼吸的第二、第三阶段(即三羧酸循环)，被彻底氧化成CO2和水，同时释放大量能量。这些原核生物的有氧呼吸的酶系统存在于细胞膜上，原核生物有氧呼吸的第二、第三阶段在细胞膜上进行。②将葡萄糖加入分离出的线粒体提取物中，是不能产生CO2和H2O的。因为有氧呼吸的第一阶段是在细胞质基质中进行的，线粒体内没有分解葡萄糖的酶系统。因此，将葡萄糖加入分离出的线粒体提取物中，将没有反应发生。考法03  影响细胞呼吸的因素1.内部因素对细胞呼吸的影响类型规律实例遗传特性不同种类的生物呼吸速率不同阳生植物呼吸速率高于阴生植物；寒冷时，恒温动物呼吸速率高于变温动物。生长发育时期同一生物不同发育阶段呼吸速率不同植物幼苗期、开花期呼吸速率较高；幼年动物的呼吸速率比老年动物高。生物器官同一生物不同器官呼吸速率不同生殖器官的呼吸速率大于营养器官。2.外部因素对呼吸速率的影响因素原理图例应用举例温度细胞呼吸是一系列酶促反应，温度通过影响酶的活性进而影响细胞呼吸速率。低温冷藏蔬菜、水果；食品发酵需要适宜温度。O2浓度O2为有氧呼吸反应物，适当提高氧气浓度促进有氧呼吸；O2抑制无氧呼吸。低氧环境保存水果；酿酒先通气后密闭；制作泡菜要密封。CO2浓度CO2是细胞呼吸的最终产物，积累过多会抑制细胞呼吸的进行。在蔬菜和水果保鲜中，增加CO2浓度。H2O在一定范围内，细胞呼吸强度随含水量的增加而加强，随含水量的减少而减弱将种子风干，以减弱细胞呼吸，从而减少有机物的消耗，延长作物种子储藏时间。【典例3】研究人员探究温度对密闭罐中水蜜桃果肉细胞呼吸速率的影响，结果如图所示。下列叙述正确的是(　　)A．20 h内，果肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体B．50 h后，30 ℃条件下果肉细胞没有消耗O2，密闭罐中CO2浓度会增加C．50 h后，30 ℃的有氧呼吸速率比2 ℃和15 ℃慢，是因为温度高使酶活性降低D．实验结果说明温度越高，果肉细胞有氧呼吸速率越大【答案】B【解析】果肉细胞不能进行光合作用，其产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体，A项错误；50 h后，30 ℃条件下果肉细胞没有消耗O2，是由于此温度条件下酶的活性较高，有氧呼吸已将O2消耗殆尽，以后仅进行无氧呼吸，故密闭罐中CO2浓度会增加，B项正确，C项错误；由于酶具有最适温度，若超过最适温度，有氧呼吸速率会降低，D项错误。考法04  植物组织细胞呼吸速率的测定1.测定原理：细胞呼吸速率常用CO2释放量或O2吸收量来表示，一般利用U形管液面变化来判定或通过玻璃管液滴的移动进行测定，装置如下所示。由于细胞呼吸时既产生CO2又消耗O2，前者可引起装置内气压升高，而后者则引起装置内气压下降，为便于测定真实呼吸情况，应只测其中一种气体变化情况。为此，测定过程中，往往用NaOH或KOH吸收掉细胞呼吸所产生的CO2，所以单位时间内着色液向左移动的距离即O2的吸收速率，可用来表示呼吸速率。对照组将NaOH或KOH替换为蒸馏水即可。注意：种子发芽所消耗的有机物种类不同，着色液的移动情况不同：糖类：CO2释放量=O2吸收量脂肪：CO2释放量＜O2吸收量蛋白质：CO2释放量＜O2吸收量2.物理误差的校正①如果实验材料是绿色植物，整个装置应遮光处理，否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定。②如果实验材料是种子，为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应对装置及所测种子进行消毒处理。③为防止气压、温度等物理膨胀因素所引起的误差，应设置对照实验，将所测的生物材料灭活（如将种子煮熟），其他条件均不变。【典例4】下面三个装置可用于研究萌发的种子的呼吸作用的方式及其产物，下列有关分析不正确的是(　　)A．甲装置可用于探究呼吸作用是否产生热量B．乙装置有色液滴向左移动，说明种子萌发只进行有氧呼吸C．丙装置可用于探究萌发的种子的呼吸作用是否产生CO2D．三个装置中的种子都必须进行消毒处理，都需要设置对照实验【答案】B【解析】甲装置中有温度计，可用于探究呼吸作用是否产生热量，A正确；乙装置中NaOH溶液可吸收种子呼吸产生的CO2，有色液滴左移的距离代表细胞呼吸消耗的O2量，因此该装置可用于探究萌发的种子是否进行了有氧呼吸，该装置无法证明种子萌发是否进行无氧呼吸，B错误；丙装置中澄清的石灰水可检测CO2，因此该装置可用于探究萌发的种子的呼吸作用是否产生CO2，C正确；种子未进行消毒处理，附着在种子表面的微生物进行的细胞呼吸会对实验结果产生干扰，实验过程中的其他无关变量也会影响实验结果，所以三个装置中的种子都必须进行消毒处理，都需要设置对照实验，D正确。 题组A  基础过关练1.下列关于无氧呼吸区别于有氧呼吸的叙述中，表达不准确的是（   ）A．不需游离的氧      B．氧化分解有机物不彻底      C．不产生CO2      D． 产生ATP少2．下列生物中，其呼吸作用全过程都在细胞质基质中进行的是（   ）A．变形虫 B．蚯蚓　　    C．小麦 D．乳酸菌3.生物体内葡萄糖分解代谢过程的图解如图所示，下列有关说法正确的是（    ）
A. 反应①②③④都可在人体细胞中进行
B. 图中反应均在细胞质基质内完成
C. 反应①②必须在有氧条件下进行
D. 粮食贮藏过程中，有时会发生粮堆湿度增大现象，这是因为呼吸作用产生了水4.水果放在密封地窖中，可以保存较长时间，地窖中影响水果代谢的原因是（   ）A. 温度恒定，水果抗病虫害能力强
B. 温度适宜，水果容易保存
C. 黑暗无光，不易引起早熟
D. CO2浓度增加，抑制水果的呼吸作用5. 如图为有氧呼吸的主要场所线粒体的结构示意图，有氧呼吸过程中CO2产生和水消耗的场所分别是（    ）A．①、②          B．②、②           C．②、③          D．③、③6. 如图表示某绿色植物细胞内部分物质的代谢过程，相关叙述正确的是（    ）
A．图解中的①、②两物质依次是H2O和O2B．有氧呼吸和无氧呼吸的终产物中都有H2OC．图解中（三）阶段产生的能量都用于ATP的合成D．图解中（一）、（二）两阶段产生[H]的场所都是线粒体 题组B  能力提升练7.下列关于细胞呼吸原理应用的叙述，错误的是(　　)A．农田及时排涝能防止根细胞因缺氧产生酒精而烂根B．包扎伤口时选用透气消毒纱布主要是防止包扎部位的组织细胞缺氧C．皮肤破损较深或被锈铁钉扎伤后，感染的破伤风杆菌容易大量繁殖D．利用粮食和酵母菌进行酿酒，在控制通气时需先通入空气一段时间再控制无氧条件8.人的肌肉组织分为快肌纤维和慢肌纤维两种，快肌纤维几乎不含有线粒体，与短跑等剧烈运动有关；慢肌纤维与慢跑等有氧运动有关。下列叙述错误的是(　　)A．两种肌纤维的细胞呼吸起点都是葡萄糖B．两种肌纤维均可在细胞质基质中产生丙酮酸、[H]和ATPC．短跑时快肌纤维无氧呼吸产生大量乳酸，故产生酸痛感觉D．慢跑时慢肌纤维产生的ATP主要来自丙酮酸彻底分解成二氧化碳阶段9.有多瓶(条件一致)酵母菌、葡萄糖悬液，分别通入不同浓度的O2时，其产生的酒精和CO2的量如图所示。据图可以得出的结论是(　　)A．氧浓度为a时，酵母菌只进行无氧呼吸B．当氧浓度为c时，2/5的葡萄糖用于酒精发酵C．当氧浓度为d时，酵母菌细胞内有ATP积累D．不同氧浓度下，细胞中ATP的生成速率相同10.下列是外界因素影响呼吸速率的图示,由图可知下列说法错误的是(　　)A.超过最适温度,呼吸酶活性降低,细胞呼吸受抑制B.O2浓度为10%时适宜储藏水果、蔬菜C.适当提高CO2浓度利于储藏水果、蔬菜D.种子含水量是制约种子细胞呼吸强弱的重要因素11.蔬菜、水果在保存过程中由于有机物消耗，导致品质下降。目前，市场上出现了一种新的“充氮保鲜”方法，其具体做法是：将蔬菜、水果放在一个密闭容器内，排尽其中的空气，然后充入氮气，这样能有效地将蔬菜、水果的保存期和保鲜期延长。请据此回答下列问题：（1）通常情况下，蔬菜、水果长期储存会使环境中的湿度增加，微生物容易繁殖，可能导致果蔬的霉烂，这是由于细胞进行________而产生________的缘故。（2）在充氮无氧的环境中，植物细胞生命活动所需的能源来自于________，进行该过程的场所是________。（3）除充氮保鲜外，利用降低温度的方法也可以实现对蔬菜、水果的长期保存，这是由于低温降低了植物细胞内________的活性，从而减少了有机物的消耗。（4）请利用已学过的细胞呼吸知识，尝试为蔬菜、水果的保存提出建议。12.甲、乙、丙三图都表示细胞呼吸强度与氧气浓度的关系(呼吸底物为葡萄糖)。据图分析回答下列问题：(1)图甲所示细胞的呼吸方式最可能是______________，如果呼吸强度不能用CO2的释放量表示，原因是________________________。(2)图乙中B点的CO2量来自______________________，当氧气浓度达到M点以后，CO2释放量不再继续增加的内因是____________________。(3)图丙中YZ∶ZX＝4∶1，则有氧呼吸消耗的葡萄糖占总消耗量的________________，图中无氧呼吸强度降为0时，其对应的氧气浓度为__________(填图中字母)。(4)图丙中细胞呼吸对有机物中能量的利用率最低的点对应的氧气浓度是____________。 题组C  培优拔尖练13.（2020年全国新课标Ⅰ）种子贮藏中需要控制呼吸作用以减少有机物的消耗。若作物种子呼吸作用所利用的物质是淀粉分解产生的葡萄糖，下列关于种子呼吸作用的叙述，错误的是（    ）A．若产生的CO2与乙醇的分子数相等，则细胞只进行无氧呼吸B．若细胞只进行有氧呼吸，则吸收O2的分子数与释放CO2的相等C．若细胞只进行无氧呼吸且产物是乳酸，则无O2吸收也无CO2释放D．若细胞同时进行有氧和无氧呼吸，则吸收O2的分子数比释放CO2的多14.(2019全国理综Ⅲ)若将n粒玉米种子置于黑暗中使其萌发,得到n株黄化苗。那么,与萌发前的这n粒干种子相比,这些黄化苗的有机物总量和呼吸强度表现为(　　)A.有机物总量减少,呼吸强度增强B.有机物总量增加,呼吸强度增强C.有机物总量减少,呼吸强度减弱D.有机物总量增加,呼吸强度减弱15.(2019全国理综Ⅱ)马铃薯块茎储藏不当会出现酸味,这种现象与马铃薯块茎细胞的无氧呼吸有关。下列叙述正确的是(　　)A.马铃薯块茎细胞无氧呼吸的产物是乳酸和葡萄糖B.马铃薯块茎细胞无氧呼吸产生的乳酸是由丙酮酸转化而来C.马铃薯块茎细胞无氧呼吸产生丙酮酸的过程不能生成ATPD.马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会增加酸味的产生16.如图一表示萌发小麦种子在不同的氧浓度下O2吸收速率和CO2生成速率的变化，测定过程中其它环境条件适宜。图二是该种子的亚显微结构模式图。据图回答问题：
（1）细胞呼吸过程中需多种酶参与，酶的作用机理是_____________________。与无机催化剂相比，酶的特性是高效性、专一性和_______________________ 。细胞中绝大多数酶都在图二中[   ]_______中合成。（2）图一中，当O2浓度达到对应于曲线上的_________点的值时，萌发小麦种子不再进行无氧呼吸,此时产生CO2的场所图二中[   ]___________（具体场所）。（3）图一中_____点最适于储存水果蔬菜。相对低温条件也利于储存果实，主要原因是_____________ _。（4）图一中Q点进行细胞呼吸的总反应式为____________。（5）萌发初期的小麦种子吸水方式主要是________，该时期的种子图二结构模式图中不应该出现的结构是_____________________（填序号及名称）。