高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第3节 细胞呼吸的原理和应用第1课时学案

第1课时　细胞呼吸的方式及有氧呼吸

课程标准

1.说明生物通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量。

2．探究酵母菌的呼吸方式。

素养达成

设疑激趣

翱翔的飞机需要发动机燃烧油料来提供能量，这一过程中，油料在发动机内剧烈燃烧，需要消耗氧气，产生二氧化碳，同时产生大量的能量推动发动机运转。生物体的生命活动也需要消耗能量，这些能量来自于有机物的氧化分解，也就是细胞呼吸。细胞呼吸和燃烧有什么区别？它的过程又是怎样的呢？

夯基提能·分层突破——互动·探究·智涂

探究点一　探究酵母菌细胞呼吸的方式

一、下图是探究酵母菌细胞呼吸方式的实验装置，请分析：

1．结合对实验材料的选择和处理，探讨以下问题：

(1)配制酵母菌培养液时为什么要用新鲜的食用酵母菌？

(2)为什么要将葡萄糖溶液煮沸，且冷却到常温后方可加入新鲜的酵母菌？

(3)为什么要把装置放置在25℃～35℃的环境下培养？

2．本实验的自变量和因变量分别是什么？甲、乙装置中是如何控制自变量的？

3．图甲中质量分数为10%的NaOH溶液的作用是什么？

4．B瓶装好后，要过一段时间再连接装有澄清石灰水的锥形瓶，这是为什么？

5．A装置中用气泵间歇性地通入空气的目的是什么？

二、(教材P90～91“探究·实践”)某兴趣小组想探究酵母菌是否在有氧、无氧条件下均能产生CO2。现提供若干套(每套均有数个)实验装置，如下图A～D所示。

(1)请根据实验目的选择装置序号，并按照实验的组装要求排序(装置可重复使用)，有氧条件下的装置序号：C→A→B(或C→B→A→B)；无氧条件下的装置序号：________。

(2)装置中C瓶的作用是________________，排除其对实验结果的干扰；B瓶中澄清的石灰水还可用__________________代替。

(3)若要检测无氧呼吸时是否有酒精生成，应用__________________溶液，现象是溶液颜色变为________。

对比实验和对照实验

1．对比实验

设置两个或两个以上的实验组，通过对结果的比较分析，来探究某种因素对实验对象的影响，这样的实验叫对比实验，也叫相互对照实验。理解对比实验的关键点是“设置两个或两个以上的实验组”，这些实验组之间互为对比实验。

2．对照实验

除作为自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致，并将结果进行比较的实验叫对照实验。对照实验一般要设置实验组和对照组。通常情况下，接受实验变量处理的对象组为实验组，不接受实验变量处理的对象组为对照组。对照的类型有空白对照(对照组未作任何处理)、自身对照(实验与对照在同一对象上进行，不另外设置对照，如质壁分离状态与自然状态、复原后状态与质壁分离状态)、条件对照(虽然给予对象某种处理，但这种处理是作为对照的，如加入等量生理盐水、清水等)、相互对照(不另外设置对照组，几个实验组相互对照)。

3．对比实验与对照实验的比较

对照实验不仅包括对照组和实验组的对照，还包括多个实验组之间的对比(即通常说的相互对照实验)。所以，是对比实验，就一定是对照实验，因为它符合单一变量原则，但是，对照实验不一定是对比实验，因为它还可能是对照组与单个实验组之间的对照。

一、本实验课题的分析归纳

1．实验原理

2．实验步骤

3．实验现象

4.实验结论

(1)酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。

(2)在有氧条件下产生CO2多而快，在无氧条件下产生酒精和CO2。

二、实验课题的拓展分析

1．本实验的探究课题可以转变为：探究有氧条件和无氧条件下酵母菌细胞呼吸的情况。

2．根据检测目的不同，可细化为两个子课题：①在有氧和无氧条件下酵母菌细胞呼吸产生CO2的多少；②在有氧和无氧条件下酵母菌细胞呼吸是否产生酒精。具体分析如下：

1．(合格考)下列可用于探究不同呼吸方式的实验材料是(　　)

A．萌发的种子B．蛔虫

C.草履虫D．以上均可以

2．(合格考)如图为“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验装置，有关叙述正确的是(　　)

A.两套装置均需要在黑暗条件下进行

B.装置乙在Ⅱ处可检测到有酒精生成

C.装置乙是对照组，装置甲是实验组

D.装置甲NaOH溶液的作用是吸收Ⅰ处的CO2

3．(等级考)(不定项)如图是测量种子萌发时锥形瓶中气体体积变化的实验装置。锥形瓶中放的种子事先用水浸泡过并在稀释的消毒剂中清洗过(不影响种子的生命力)。实验开始时U型管左侧液面与右侧液面相平，每隔半小时利用标尺量出右侧液面高度变化，以下关于该实验的分析正确的是(　　)

A.种子在消毒剂中清洗是为了防止微生物呼吸作用干扰实验结果

B.此实验的目的是测定种子萌发时有氧呼吸及无氧呼吸的速率

C.一段时间后右侧液面高度不再变化，说明种子的细胞呼吸完全停止

D.为排除外界因素的影响，需用等量的在稀释的消毒剂中清洗过的死种子(其他保持不变)作为对照组

4．(等级考)(不定项)某实验兴趣小组探究了种子萌发初期种子质量的变化和所在密闭容器中温度的变化，结果见下表。下列叙述正确的是(　　)

A.乙组种子不进行细胞呼吸，在该实验中起对照作用

B.甲组种子质量减少是由于细胞呼吸分解了有机物

C.甲组容器中温度上升是由于细胞呼吸吸收了能量

D.本实验结果说明种子萌发初期细胞呼吸强于萌发之前

探究点二　有氧呼吸

对于绝大多数生物来说，有氧呼吸是细胞呼吸的主要方式，下图是细胞内有氧呼吸的过程示意图，结合该图分析下面的问题：

1．仔细观察上图，分析线粒体与其功能相适应的结构特点有哪些？

2．结合图解，对有氧呼吸的三个阶段进行归纳，完成下表。

3．仔细观察教材P93图5－9，并阅读教材文字叙述，讨论并交流下列问题：

(1)试从元素角度分析有氧呼吸过程中各物质的来源、去向，写出反应式并用箭头进行标注。

(2)如果用同位素18O来分别标记A组的C6HO6中的O和B组中的18O2，试分析A、B两组中的18O最终会出现在哪种产物中。

(3)分析糖类(葡萄糖)为什么必须分解成丙酮酸后才能进行有氧呼吸的第二、三阶段？

(4)细胞呼吸过程中能量发生了怎样的变化？

(5)1mol葡萄糖在体内彻底氧化分解共释放出2870kJ的能量，其中有________kJ的能量储存在ATP中，其余的能量以热能的形式散失，以维持体温的恒定。

4．根据反应式概括有氧呼吸的概念：有氧呼吸是指细胞在________的参与下，通过多种________的催化作用，把________等有机物________氧化分解，产生________，释放________，生成大量ATP的过程。

[名师点拨]　关注细胞呼吸过程中的几个易错点

(1)有氧呼吸的反应式中箭头不能写成等号，能量不能写成ATP。

(2)葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质，但不是唯一的物质。

(3)[H]是一种十分简化的表示方式，这一过程实际上是氧化型辅酶I (NAD＋)转化成还原型辅酶I (NADH)。

(4)有氧呼吸的三个阶段都需要不同的酶来催化。

(5)原核生物没有线粒体，但是也可进行有氧呼吸，场所是细胞质基质和细胞膜。

(6)产生CO2的不只是有氧呼吸，酒精发酵过程中也有CO2的产生。

(7)有氧呼吸过程中产生的水和反应物中的水其来源和去向不同，所以不是同一分子的水。

1.过程图解

2．过程分析

(1)有氧呼吸中氧元素的来源和去路：(研究方法：同位素标记法)

(2)反应物和产物：

①CO2是在第二阶段产生的，是由丙酮酸和水反应生成的，场所是线粒体基质。

②O2参与了第三阶段，[H]和O2结合生成水，所以细胞呼吸产生的水中的氧来自O2，场所是线粒体内膜。

③有氧呼吸过程中的反应物和生成物中都有水，反应物中的水用于第二阶段和丙酮酸反应，生成物中的水是有氧呼吸第三阶段[H]和O2结合生成的。

(3)能量代谢：

①有氧呼吸三个阶段都释放能量，生成ATP，第三阶段释放的能量最多。

②细胞呼吸释放的能量大部分以热能散失，少部分转移到ATP中。

1．(合格考)如图为线粒体的结构示意图，其中不可能发生的反应是(　　)

A.②处发生有氧呼吸第二阶段

B.①处产生ATP

C.②处产生CO2

D.③处发生[H]与O2的结合反应

2．(合格考)下图表示有氧呼吸过程，下列有关说法正确的是(　　)

A.①②④中数值最大的是①

B.③代表的物质名称是氧气

C.线粒体能完成图示全过程

D.原核生物能完成图示全过程

3．(等级考)(不定项)提取鼠肝细胞的线粒体作为实验材料，向盛有线粒体的试管中注入丙酮酸时，测得氧的消耗量较大；当注入葡萄糖时，测得氧的消耗量较小，同时注入细胞质基质和葡萄糖时，氧消耗量又较大。下列叙述中与实验结果相符合的是(　　)

A.有氧呼吸中，线粒体内进行的是第二、三阶段

B.在线粒体内能分解丙酮酸，不能分解葡萄糖

C.葡萄糖只能在细胞质基质内被分解成丙酮酸

D.水是在细胞质基质中生成的

4．(等级考)(不定项) 菜粉蝶幼虫因体细胞中有NADH脱氢酶(催化[H]与氧反应的酶)而对鱼藤酮十分敏感，生产上常利用鱼藤酮来防治菜粉蝶幼虫。下列相关分析正确的是(　　)

A.幼虫体细胞线粒体外膜上分布有NADH脱氢酶

B.幼虫体细胞内的NADH主要来自线粒体基质

C.幼虫体细胞有氧呼吸的三个阶段都能产生NADH

D.鱼藤酮会降低幼虫体细胞内的ATP水平，从而导致幼虫死亡

强化落实·学业达标——归纳·提升·素养

高效课堂·实践运用——巩固·达标·反馈

1.下列有关探究酵母菌细胞呼吸方式的实验，不正确的是(　　)

A．该实验采取的方法是类比实验法

B．可用重铬酸钾溶液来检测酒精的存在

C．可用澄清的石灰水来检测二氧化碳的存在

D．在无氧呼吸的装置中，需将酵母液反应一段时间后再将导管通入澄清石灰水中

2.

如图表示细胞呼吸的过程，其中①～③代表有关生理过程发生的场所，甲、乙代表有关物质。下列相关叙述正确的是(　　)

A．①和②都是线粒体的组成部分

B．在②和③中都能产生大量的ATP

C．在②和③中所含酶的种类相同

D．甲、乙分别代表丙酮酸、[H]

3．用含18O的葡萄糖跟踪有氧呼吸过程中的氧原子，18O的转移途径是(　　)

A．葡萄糖→丙酮酸→水

B．葡萄糖→丙酮酸→氧气

C．葡萄糖→氧气→水

D．葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳

4．(不定项)某同学在学做馒头的过程中发现如果面粉中没有放入酵母，蒸出的馒头坚硬难咽；如果在面粉中加入一定量的酵母，蒸出的馒头就会松软多孔，有时候还带有一点儿酒味。下列说法错误的是(　　)

A．馒头松软多孔是因为酵母菌有氧呼吸消耗了O2

B．酒味的产生是由于酵母菌无氧呼吸产生了酒精

C．酵母菌有氧呼吸产生CO2的场所是细胞质基质

D．可通过酵母菌细胞呼吸是否产生水，判断其呼吸作用的方式

5．(等级考)为揭示有氧呼吸过程中相关的生化反应途径，科学家经历了复杂的探索。

请回答问题：

(1)科学家用鸽子的飞行肌作为研究材料，因为飞行肌细胞呼吸速率较高，适合用于研究氧化分解过程。葡萄糖在细胞质基质中经过糖酵解(有氧呼吸第一阶段)产生的______进入线粒体，最终分解为________和水，释放大量能量，为肌细胞供能。

(2)20世纪30年代，科学家分别发现线粒体内存在两个反应过程，表示如下(字母代表不同中间产物)。

过程1：A→B→C→D→E

过程2：E→F→G→H

两个反应过程存在什么关系呢？科学家利用丙二酸(抑制E→F过程)和中间产物F进行实验，结果如下图所示。

根据实验结果分析，过程1与过程2最可能连成________(线形、环形)代谢途径，理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)现代生物学技术为研究代谢过程提供了更直接的手段。例如，科学家曾用________法追踪各种有氧呼吸中间产物转化的详细过程。

(4)有氧呼吸生化反应途径的揭示过程，给你带来的关于科学研究的启示有________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

疑难解答·名师指津——释疑·解惑·教材

问题探讨

1．提示：培养酵母菌作饲料添加剂时，需要通气为酵母菌提供氧气进行有氧呼吸，有利于酵母菌的生长和繁殖。利用酵母菌生产葡萄酒时，需要密封使酵母菌进行无氧呼吸产生酒精。

2．提示：在有氧条件下，酵母菌分解营养物质释放的能量多，这些能量可以为酵母菌细胞进行物质代谢和繁殖提供充足的动力。

3．提示：在密封发酵时，酵母菌将有机物转化为酒精的同时，能为自己的生命活动提供少量能量。

第1课时　细胞呼吸的方式及有氧呼吸

夯基提能·分层突破

探究点一

【师问导学】

一、

1．(1)新鲜的酵母菌繁殖快，细胞代谢旺盛，实验效果明显。

(2)煮沸的目的是杀菌和除去溶液中的氧，冷却到常温的目的是防止高温杀死酵母菌。

(3)在25℃～35℃的条件下，酵母菌中酶的活性最高，生命活动最旺盛，细胞呼吸明显，可保证实验效果。

2．自变量是氧气的有无，因变量为是否有CO2和酒精的产生。甲中用橡皮球或者气泵充气的目的是保证A瓶中有氧气存在，乙中B瓶密封是保证无氧环境。

3．NaOH与空气中的CO2反应生成Na2CO3和H2O，保证了通入酵母菌培养液的气体中不含CO2，避免对实验结果造成干扰。

4．B瓶封口后，锥形瓶内的空气中有氧，酵母菌开始进行有氧呼吸，也产生CO2。所以，要过一段时间，等B瓶中的氧气消耗完以后，再将产生的气体通入澄清石灰水，保证通入澄清石灰水中的是无氧呼吸产生的CO2。

5．保证酵母菌有充足的氧气，以进行有氧呼吸。

二、

(1)D→B　(2)吸收空气中的CO2　溴麝香草酚蓝溶液　(3)酸性重铬酸钾　灰绿色

【随堂检测】

1．解析：萌发的种子既可以进行有氧呼吸，也可以进行无氧呼吸；蛔虫只进行无氧呼吸；草履虫只能进行有氧呼吸。

答案：A

2．解析：两套装置均不需要在黑暗条件下进行，A错误；Ⅱ处酵母菌产生酒精，B正确；此实验是对比实验，没有对照组，都是实验组，C错误；装置甲中NaOH溶液的作用是吸收空气中的CO2，D错误。

答案：B

3．解析：为了防止微生物的呼吸作用干扰实验结果，实验中将种子在消毒剂中清洗以杀死种子表面的微生物；装置中含有空气，所以测定的是有氧呼吸速率而不是无氧呼吸速率；一段时间后右侧液面高度不再变化，原因可能是锥形瓶内氧气消耗完毕，种子不能进行有氧呼吸，但不能说明种子的细胞呼吸完全停止；设置对照组可以校对外界环境变化带来的误差，应用等量的在稀释的消毒剂中清洗过的死种子(其他保持不变)作为对照组。

答案：AD

4．解析：乙组是煮熟的种子，不能进行呼吸作用，为对照组，A正确；甲组种子质量减少是由于细胞呼吸分解了有机物，B正确；甲组容器中温度上升是由于细胞呼吸释放了能量，C错误；甲组容器中温度上升，说明种子萌发初期细胞呼吸强于萌发之前，D正确。

答案：ABD

探究点二

【师问导学】

1．线粒体内膜向内腔折叠形成嵴，大大增加了内膜表面积，在内膜上和基质中含有许多种与有氧呼吸有关的酶。

2．丙酮酸、[H]　线粒体基质　大量

3．(1)

(2)A组标记的是C6HO6，C6H12O6的利用过程是C6HO6→丙酮酸→C18O2，所以A组的18O出现在产物的二氧化碳中。B组对18O2进行标记，在有氧呼吸中，18O2是在第三个阶段参与的，其产物是HO，所以B组的18O首先出现在水中；HO可以参与第二阶段丙酮酸的氧化分解，又会出现在C18O2中，即18O2→HO→C18O2。

(3)因为线粒体膜上含运输丙酮酸的载体蛋白，不含有运输葡萄糖的载体蛋白，葡萄糖不能进入线粒体(或线粒体内没有催化葡萄糖分解的酶)。

(4)细胞呼吸过程中储存在有机物中的稳定化学能，转变成储存在ATP的特殊化学键中活跃的化学能和热能。

(5)977.28

4．氧　酶　葡萄糖　彻底　二氧化碳和水　能量

【随堂检测】

1．解析：分析示意图可知，①②③分别表示线粒体内外膜间隙、线粒体基质和内膜。有氧呼吸的第二阶段发生在场所②，该过程有CO2产生，而[H]与O2的结合反应在③上完成。物质氧化分解过程不能在①处进行，①处也不能产生ATP。

答案：B

2．解析：④是有氧呼吸的第三阶段释放的能量，有氧呼吸第三阶段释放的能量最多，A错误；③是第二阶段的反应物水，不是氧气，B错误；有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体，线粒体只能完成有氧呼吸的第二阶段和第三阶段，C错误；原核生物如蓝细菌，能完成有氧呼吸过程，D正确。

答案：D

3．解析：由题意可知，向盛有线粒体的试管中注入丙酮酸时，测得氧的消耗量较大，说明由丙酮酸和氧参与的第二、三阶段是在线粒体内进行的，A正确；当注入葡萄糖时，测得几乎不耗氧，说明线粒体内能分解丙酮酸，不能分解葡萄糖，B正确；同时注入细胞质基质和葡萄糖时，氧消耗量又较大，说明葡萄糖只能在细胞质基质内被分解成丙酮酸，C正确；本实验无法证明水是在细胞质基质中生成的，由有氧呼吸过程知，水是在线粒体中生成的，D错误。

答案：ABC

4．解析：NADH脱氢酶是催化[H]与氧反应的酶，[H]与氧反应的场所是线粒体内膜，故幼虫体细胞线粒体内膜上分布有NADH脱氢酶，A错误；有氧呼吸第一阶段产生少量NADH，场所是细胞质基质，有氧呼吸第二阶段产生大量NADH，场所是线粒体基质，因此幼虫体细胞内的NADH主要来自线粒体基质，B正确；幼虫体细胞有氧呼吸的第一、第二阶段能产生NADH，第三阶段消耗NADH，C错误；鱼藤酮会降低幼虫体细胞内的ATP水平，从而导致幼虫死亡，D正确。

答案：BD

高效课堂·实践运用

1．解析：该实验采取的方法是对比实验法，A错误；酸化的重铬酸钾溶液遇酒精由橙色变为灰绿色，可用重铬酸钾溶液来检测酒精的存在，B正确；澄清的石灰水遇二氧化碳变浑浊，可用澄清的石灰水来检测二氧化碳的存在，C正确；在无氧呼吸的装置中，需将酵母液反应一段时间后再将导管通入澄清石灰水中，这是为了消耗掉瓶中的氧气，创造无氧环境，D正确。

答案：A

2．解析：①表示细胞呼吸第一阶段的场所，即细胞质基质，②③表示有氧呼吸第二和第三阶段的场所，即线粒体基质和内膜，A错误；③中进行有氧呼吸的第三阶段，释放大量能量，生成大量ATP，②中进行有氧呼吸的第二阶段，释放少量能量，产生少量ATP，B错误；在②③内进行的反应不同，因此所含的酶种类不同，C错误；分析题图可知，甲是丙酮酸，乙是[H]，D正确。

答案：D

3．解析：葡萄糖参与的有氧呼吸过程可分为三个阶段，第一个阶段是葡萄糖分解成丙酮酸，同时产生[H]和少量的能量；第二个阶段是丙酮酸和H2O彻底分解成CO2，同时产生[H]和少量的能量，第三个阶段是第一个阶段和第二个阶段产生的[H]还原从空气中吸收进来的O2，生成H2O，同时产生了大量的能量。从葡萄糖氧化分解产生H2O和CO2的全过程可以看出，葡萄糖中18O的转移途径是葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳。

答案：D

4．解析：馒头松软多孔是因为酵母菌通过呼吸产生了CO2，A错误；酒味的产生是由于酵母菌无氧呼吸产生了酒精，B正确；酵母菌有氧呼吸产生CO2的场所是线粒体基质，C错误；由于酵母菌无氧呼吸产生的是酒精和CO2，所以可通过酵母菌细胞呼吸是否产生水，判断其呼吸作用的方式，D正确。

答案：AC

5．解析：葡萄糖在细胞质基质中经过糖酵解(有氧呼吸第一阶段)产生的丙酮酸进入线粒体，最终分解为CO2和水，释放大量能量，为肌细胞供能。依实验结果可推测过程1与过程2最可能连成环形代谢途径，理由：第3组和第1组相比，注射物质F，使过程1中的A和C增加，说明过程2可促进过程1；第3组和第2组相比，注射丙二酸，抑制了E→F的过程，导致E物质积累，支持环形代谢途径的假设。现代生物学技术为研究代谢过程提供了更直接的手段。例如，科学家曾用同位素标记法追踪各种有氧呼吸中间产物转化的详细过程。

答案：(1)丙酮酸　CO2　(2)环形

证据1：第3组和第1组相比，注射物质F，使过程1中的A和C增加，说明过程2可促进过程1

证据2：第3组和第2组相比，注射丙二酸，抑制了E→F的过程，导致E物质积累，支持环形代谢途径的假设

(3)同位素标记

(4)技术促进科学发展、科学研究注重实验证据等

(可从科学研究需要合理选材、巧妙设计、充分论证和善用技术等方面作答，答案合理即可。)