秋高中生物第五章细胞的能量供应和利用第3节ATP的主要来源细胞呼吸学案新人教版必修1.docx

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秋高中生物第五章细胞的能量供应和利用第3节ATP的主要来源细胞呼吸学案新人教版必修1

第3节　ATP的主要来源——细胞呼吸

学习目标

1．说出线粒体的结构和功能。

（重点）

2．说明有氧呼吸和无氧呼吸的异同。

（重点）

3．说明细胞呼吸的原理，并探讨其在生产和生活中的应用。

（难点）

4．进行酶母菌细胞呼吸方式的探究。

（难点）

核心概念

细胞呼吸　有氧呼吸　无氧呼吸　酒精发酵　乳酸发酵

　　一、细胞呼吸

1．概念：

细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。

2．实质：

氧化分解有机物，释放能量。

二、探究酶母菌细胞呼吸的方式

三、细胞呼吸的方式

1．有氧呼吸

2．无氧呼吸

（1）发酵的概念

酵母菌、乳酸菌等微生物的无氧呼吸也叫发酵，根据产物不同可分为酒精发酵和乳酸发酵。

（2）两种方式

类型

项目

酒精发酵

乳酸发酵

场所

细胞质基质

过程

第一阶段

葡萄糖

[H]＋丙酮酸＋少量能量

第二阶段

丙酮酸＋[H]

酒精＋CO2

丙酮酸＋[H]

乳酸

化学反应式

C6H12O6

2C2H5OH＋2CO2＋少量能量

C6H12O6

2C3H6O3＋少量能量

能量转化

只在第一阶段释放出少量的能量，生成少量ATP，葡萄糖分子中的大部分能量则存留在酒精或乳酸中

四、细胞呼吸原理的应用（连线）

①—b②－a③－c④－c⑤－c⑥－b⑦－c

？

思考

1．线粒体是进行有氧呼吸的必需条件吗？

若不是请举例说明。

提示：

不是，蓝藻无线粒体也可进行有氧呼吸，具有有氧呼吸酶是进行有氧呼吸的必需条件。

2．北方人做馒头时，利用酵母菌发面，发好的面团柔软而且表面水汪汪的。

你知道为什么吗？

提示：

酵母菌有氧呼吸产生CO2，使面团充气而变软，有氧呼吸产生的水使面团表面有水。

H

　判断题

1．探究酵母菌的呼吸方式时，不能用澄清的石灰水来检测CO2的产生，但可以用重铬酸钾来检测乙醇。

（　×　）

2．检测酵母菌培养过程中是否产生CO2，可判断其呼吸方式。

（　×　）

3．线粒体将葡萄糖氧化分解成CO2和H2O。

（　×　）

4．无氧呼吸能产生ATP、但没有[H]的生成过程。

（　×　）

5．有氧呼吸第二、三阶段都能产生大量ATP。

（　×　）

6．细胞内葡萄糖分解成丙酮酸和[H]的反应，只发生在细胞有氧时。

（　×　）

7．呼吸作用产生的能量均以热能释放。

（　×　）

8．破伤风杆菌适宜生活在有氧的环境中。

（　×　）

9．及时排涝，能防止根细胞受酒精毒害。

（　√　）

10．无氧和零下低温环境有利于水果保鲜。

（　×　）

知识点1　探究酵母菌的呼吸方式

Z

1．实验原理

（1）酵母菌是兼性厌氧菌，在有氧和无氧条件下均能生存，有氧呼吸产生H2O和CO2，无氧呼吸产生酒精和CO2。

（2）呼吸产物——CO2和酒精的检测

①澄清石灰水

变混浊，且混浊程度与CO2产量有关；

②蓝色的溴麝香草酚蓝水溶液

变绿再变黄，且变黄时间长短与CO2产量有关；

③橙色重铬酸钾溶液

变灰绿色。

2．探究过程

提出问题：

酵母菌使葡萄糖发酵产生酒精是在有氧还是无氧条件下；酵母菌在有氧和无氧条件下细胞呼吸的产物是什么？

作出假设：

针对上述问题，根据已有的知识和生活经验（如酵母菌可用于酿酒、发面等）作出合理的假设

实验现象

3．实验分析及拓展

（1）实验分析

①通入甲中A瓶的空气需先通过NaOH溶液的目的是保证进入A瓶的气体中不含有CO2，保证使第三个锥形瓶中的澄清石灰水变混浊的CO2完全是由酵母菌有氧呼吸产生的。

②乙中B瓶应封口放置一段时间，待酵母菌将B瓶中的氧气消耗完后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，确保通入澄清石灰水中的CO2完全是由酵母菌无氧呼吸产生的。

（2）不同材料呼吸实验的设计

①若探究种子呼吸状况则不必遮光，但需“死种子”作对照。

②若探究“植株或幼苗”呼吸状况，应进行遮光处理，以防止光合作用的干扰，同时可设置同种状况但杀死的植株或幼苗作对照。

知识贴士

酵母菌是兼性厌氧生物，是因为它既能进行有氧呼吸也能进行无氧呼吸，而人体中的某些细胞既能进行有氧呼吸也能短暂的进行无氧呼吸，但人只能是需氧型生物，所以生物异化作用类型的区分，不是以能否进行有氧、无氧呼吸为依据的，而是以在有氧或无氧的条件下能否正常生存为依据的。

D

典例1　如图是探究酵母菌细胞呼吸方式的实验装置。

以下说法中正确的是（　C　）

A．两个装置均需要在黑暗条件下进行

B．装置乙在Ⅲ处可检测到有酒精生成

C．装置乙中应让Ⅱ先放置一会再与Ⅲ连接

D．装置甲中NaOH溶液的作用是吸收Ⅰ处的CO2

[解析]　黑暗或光照对酵母菌的细胞呼吸没有明显的影响，A错误；装置乙中酵母菌产生的CO2可通过导管进入Ⅲ中，但酵母菌产生的酒精保留在Ⅱ中，B错误；装置甲中NaOH溶液的作用是使进入B瓶的空气先经过NaOH溶液的作用，排除空气中CO2对实验结果的干扰，D错误。

〔变式训练1〕　有关“探究酵母菌的呼吸方式”实验的叙述，错误的是（　D　）

A．实验中将葡萄糖溶液煮沸的目的是灭菌和去除溶液中的O2

B．在探究有氧呼吸的实验过程中，泵入的空气应去除CO2

C．实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等

D．可通过观察澄清石灰水是否变浑浊来判断酵母菌的呼吸方式

[解析]　酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸产物中都有CO2，都能使澄清石灰水变浑浊，因此不能通过此指标判断酵母菌的呼吸方式。

知识点2　有氧呼吸和无氧呼吸过程的比较

Z

1．有氧呼吸和无氧呼吸过程图解

2．有氧呼吸和无氧呼吸的比较

项目

有氧呼吸

无氧呼吸

不同点

条件

需氧

不需氧

场所

细胞质基质（第一阶段）线粒体（第二、三阶段）

细胞质基质

分解程度

葡萄糖被彻底分解

葡萄糖分解不彻底

产物

CO2、H2O

乳酸或酒精和CO2

能量释放

大量能量

少量能量

相同点

反应条件

需酶和适宜温度

本质

氧化分解有机物，释放能量，生成ATP

过程

第一阶段从葡萄糖到丙酮酸完全相同

Y

有关细胞呼吸过程的五点提醒

（1）产生CO2的不只是有氧呼吸，无氧呼吸产生酒精的过程中也有CO2的产生。

（2）有氧呼吸过程中生成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。

（3）无氧呼吸只有第一阶段释放少量能量，第二阶段不释放能量。

（4）呼吸作用释放的能量不全转化成ATP中的能量，大部分以热能的形式散失。

（5）不是所有植物的无氧呼吸产物都是酒精和二氧化碳，玉米胚、甜菜根等植物组织的无氧呼吸产物为乳酸。

3．与无氧呼吸有关的几个易错点

（1）不同生物无氧呼吸产物不同是由于催化反应的酶的种类不同，根本原因在于控制酶合成的基因不同。

（2）大多数植物、酵母菌无氧呼吸的产物为酒精和CO2；有些高等植物的某些器官如玉米胚、马铃薯块茎、甜菜块根等进行无氧呼吸时产生乳酸；高等动物、人及乳酸菌的无氧呼吸只产生乳酸。

（3）无氧呼吸第一阶段产生的[H]用于还原丙酮酸。

（4）无氧呼吸只在第一阶段释放能量。

4．与细胞呼吸有关的计算

C6H12O6＋6H2O＋6O2

12H2O＋6CO2＋能量

C6H12O6

2C2H5OH（酒精）＋2CO2＋少量能量

（1）消耗等量葡萄糖时，无氧呼吸与有氧呼吸产生的CO2的物质的量之比为13。

（2）产生等量的CO2时，无氧呼吸与有氧呼吸消耗的葡萄糖的物质的量之比为31。

（3）无氧呼吸产生的酒精和CO2的物质的量相等；有氧呼吸消耗O2和产生CO2的物质的量相等。

D

典例2　（2018·黄冈高一检测）在植物体的细胞中，葡萄糖分解为丙酮酸的反应（　B　）

A．既可以在线粒体中进行，也可以在细胞质基质中进行

B．既可以在叶肉细胞中进行，也可以在根细胞中进行

C．只能在有氧条件下进行，不能在无氧条件下进行

D．只能在有光条件下进行，不能在无光条件下进行

[解析]　葡萄糖分解为丙酮酸的反应只能在细胞质基质中进行，A错误；不论是叶肉细胞还是根细胞，都能进行细胞呼吸，都有葡萄糖分解为丙酮酸的过程，B正确；葡萄糖分解为丙酮酸是有氧呼吸和无氧呼吸的共同点，有氧、无氧都可以发生，C错误；不论有光还是无光，都能进行细胞呼吸，都有葡萄糖分解为丙酮酸的过程，D错误。

特别提醒：

（1）有氧呼吸和无氧呼吸总反应式中的能量不能写成ATP，因为大部分能量以热能形式散失。

（2）1mol葡萄糖彻底氧化分解后，释放出2870kJ的能量，其中1161kJ的能量储存在ATP中，其余的以热能形式散失。

（3）1mol葡萄糖生成酒精释放的能量为225.94kJ，生成乳酸释放的能量为196.65kJ，其中都有61.08kJ的能量转移到ATP（生成2molATP）中，其余部分以热能的形式散失。

（4）无氧呼吸只有第一阶段释放能量，第二阶段没有能量释放。

而有氧呼吸三个阶段均释放能量。

〔变式训练2〕　

（2018·江苏常州高三模拟）如图所示为不同距离的跑步过程中，有氧呼吸和无氧呼吸供能的百分比。

下列说法正确的是（　D　）

A．跑步距离越长，无氧呼吸供能所占比例越大

B．1500m跑时，有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖的量相当

C．100m跑时，所需ATP主要由有氧呼吸提供

D．马拉松跑时，肌肉细胞呼吸释放的CO2量与吸收的O2量之比为11

[解析]　分析题图可知，跑步距离越长，无氧呼吸供能所占比例越小，A项错误。

1500m跑时，有氧呼吸与无氧呼吸供能的百分比相同，在供能相同的情况下，无氧呼吸消耗的葡萄糖量要多于有氧呼吸，B项错误。

100m跑时，所需ATP主要由无氧呼吸提供，C项错误。

马拉松跑时，主要进行有氧呼吸，但仍有部分细胞进行无氧呼吸。

人体肌肉细胞进行无氧呼吸时不消耗O2，也不产生CO2，故肌肉细胞呼吸释放的CO2与吸收的O2之比为11，D项正确。

知识点3　影响细胞呼吸的因素及其应用

Z

一、影响细胞呼吸速率的内因

项目

体现

实例

遗传特性

不同种类生物的呼吸速率不同

阴生植物小于阳生植物

生长发育的不同时期

同一生物的不同生长发育时期呼吸速率不同

婴幼儿大于老年人；幼苗期大于成熟期

不同器官或组织

同一生物的不同器官或组织的呼吸速率不同

心肌细胞大于皮肤细胞；植物生殖器官大于营养器官

二、影响细胞呼吸的外因

1．温度：

通过影响呼吸酶的活性来影响呼吸强度。

与温度影响酶催化效率的曲线特征一致。

生产上常利用这一原理在低温下储存蔬菜、水果，在大棚蔬菜的栽培过程中夜间适当降温，来降低细胞呼吸，减少有机物的消耗。

2．氧气浓度

（1）对于无氧呼吸：

随氧气浓度增加而受抑制，氧气浓度越高，抑制作用越强，氧气浓度达到一定值时，被完全抑制。

如图乙所示。

（2）对于有氧呼吸：

氧气是有氧呼吸的原料之一，在一定范围内，随着氧气浓度的增加，有氧呼吸速率增强，但当氧气浓度增加到一定值时，有氧呼吸速率不再增加。

如图丙所示。

（3）绝大多数植物的非绿色器官或酵母菌的呼吸速率受氧气浓度的影响。

如图丁所示。

除了温度、氧气外，二氧化碳对有氧呼吸有抑制作用。

生物含水量的多少影响呼吸作用，在一定范围内，呼吸作用强度随含水量的增加而增大。

（4）应用

①作物栽培中，采取中耕松土，防止土壤板结等措施，都是尽量使O2浓度位于E点之上，保证根细胞的正常呼吸，有利于肥料的吸收。

②生产中利用低氧（A点的浓度）抑制细胞呼吸、减少对有机物的消耗来延长蔬菜、水果、粮食的保存时间。

3．CO2：

增加CO2浓度对细胞呼吸有明显的抑制作用。

4．水：

水既是细胞呼吸的原料，也是产物，细胞呼吸过程必须在有水的环境中才能完成。

一定范围内随水含量的增加细胞呼吸加强。

应用：

粮油种子在贮藏时，必须降低含水量，使种子呈风干状态，降低细胞呼吸强度，减少有机物消耗；同时防止微生物大量繁殖而使种子变质。

D

典例3　

科研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（　B　）

A．20h内，果肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体

B．50h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．50h后，30℃时有氧呼吸速率比2℃和15℃时慢，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

[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，50h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消耗完，之后仅进行无氧呼吸，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。

易错提醒：

有关影响呼吸作用因素的两点提醒

（1）有氧气存在不一定只进行有氧呼吸。

①当氧气浓度较低时，既进行有氧呼吸，也进行无氧呼吸，且无氧呼吸占优势。

②当氧气浓度较高时，无氧呼吸逐渐减弱，有氧呼吸逐渐增强，当氧气浓度增加到一定值时，只进行有氧呼吸。

（2）低温、低氧储存水果蔬菜，不代表氧气浓度和温度越低越好，应该是低氧和零上低温，既要抑制细胞呼吸，又要保持水果蔬菜的营养和风味。

〔变式训练3〕　

以下甲、乙两图都表示某植物的非绿色器官CO2释放量和O2吸收量的变化。

下列相关叙述不正确的是（　B　）

A．甲图中氧含量为a时的情况对应的是乙图中的A点

B．甲图中氧含量为b时的情况对应的是乙图中的CD段

C．甲图的a、b、c、d四个浓度中，c是最适合贮藏植物器官的

D．甲图中氧含量为d时没有酒精产生

[解析]　甲图中氧含量为a时，细胞只释放CO2不吸收氧气，说明细胞只进行无氧呼吸，对应乙图中的A点。

甲图中氧含量为b时，CO2的释放量远远大于氧气的吸收量，说明细胞既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸，且无氧呼吸强度大，应对应乙图中的AC段。

贮藏植物器官应选择CO2产生量最少即细胞呼吸最弱时，即甲图中的c点。

氧含量为d时，CO2释放量与氧气的吸收量相等，细胞只进行有氧呼吸，因此没有酒精产生。

所以B项错误。

细胞呼吸方式的判断

判定指标

CO2释放量、O2消耗量以及酒精产生量。

判定原理

呼吸底物是葡萄糖时，若只进行有氧呼吸，则O2消耗量2产生量＝11；若只进行产生酒精的无氧呼吸（酒精发酵），则O2消耗量2产生量酒精产生量＝011，若只进行产生乳酸的无氧呼吸（乳酸发酵），则无O2的消耗和CO2的产生。

判定方法（底物为葡萄糖）

物质变化特点

细胞呼吸方式

①

CO2释放量＝O2吸收量

只进行有氧呼吸

②

不消耗氧气，释放CO2

只进行酒精发酵

③

CO2释放量>O2消耗量

进行有氧呼吸和酒精发酵，多余的CO2来自于酒精发酵

④

酒精产生量＝CO2释放量

只进行酒精发酵

⑤

酒精产生量

进行有氧呼吸和酒精发酵，多余的CO2来自于有氧呼吸

⑥

无CO2释放

只进行乳酸发酵

方法拓展

（1）当CO2释放量>O2消耗量时，比较有氧呼吸和无氧呼吸速率的方法：

①若

＝

，有氧呼吸和无氧呼吸消耗葡萄糖的速率相等。

②若

>

，无氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于有氧呼吸。

③若

<

，有氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于无氧呼吸。

（2）如果出现CO2释放量

（3）有时还可根据发生的场所进行细胞呼吸方式的判定，如真核细胞均在细胞质基质中进行的是无氧呼吸。

典例4　如图表示某种植物的非绿色器官在不同O2浓度下气体吸收量和释放量的变化，请据图回答下列问题。

（1）外界O2浓度在10%以下时，该器官的细胞呼吸方式是有氧呼吸和无氧呼吸，你作出这种判断的理由是此时CO2释放量大于O2吸收量。

（2）该器官CO2释放量与O2吸收量两条曲线在C点相交后重合为一条曲线，这表明此时该器官的细胞呼吸方式是有氧呼吸，你作出这种判断的理由是此时CO2释放量与O2吸收量相等。

（3）当外界O2浓度为4%～5%时，该器官CO2释放量的相对值为0.6，而O2吸收量的相对值为0.4。

此时，无氧呼吸的CO2释放量的相对值相当于有氧呼吸的1/2；无氧呼吸消耗葡萄糖的量的相对值相当于有氧呼吸的1.5倍。

[解析]　

（1）从有氧呼吸和无氧呼吸的反应式可以看出，有氧呼吸时O2吸收量与CO2释放量相等，而在O2浓度为10%以下时，CO2释放量比O2吸收量大，多出的CO2来自无氧呼吸，因此，此时该植物器官既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸。

（2）根据有氧呼吸的反应式，有氧呼吸时CO2释放量等于O2吸收量，再根据无氧呼吸的反应式，无氧呼吸不吸收O2，只释放CO2，得出当CO2释放量等于O2吸收量时，该植物器官只进行有氧呼吸。

（3）由有氧呼吸和产生CO2的无氧呼吸的反应式可知：

有氧呼吸吸收1分子的O2必然释放1分子的CO2，无氧呼吸只释放CO2不吸收O2。

O2吸收量的相对值为0.4，则有氧呼吸产生的CO2量为0.4，而CO2的释放总量是0.6，所以无氧呼吸的CO2释放量为0.6－0.4＝0.2，因此无氧呼吸的CO2释放量为有氧呼吸的1/2。

又由反应式可知，有氧呼吸的CO2释放量为0.4时，需要消耗葡萄糖的量为1/6×0.4，而无氧呼吸的CO2释放量为0.2时，需要消耗葡萄糖的量为1/2×0.2，故无氧呼吸与有氧呼吸消耗葡萄糖的量的比值为（1/2×0.2）/（1/6×0.4）＝1.5。

典例5　（2018·济南高一检测）如图为某同学构建的在晴朗白天植物的有氧呼吸过程图，下列说法正确的是（　C　）

A．催化2→3的酶存在于线粒体内膜上

B．3全部释放到大气中

C．6部分可来自叶绿体

D．产生的8主要用于合成ATP

[解析]　从图中判断1～8依次是葡萄糖、丙酮酸、CO2、H2O、[H]、O2、H2O和能量，2→3过程是有氧呼吸的第二阶段，该过程的场所是线粒体基质；3表示二氧化碳，生成的二氧化碳可被叶绿体中光合作用利用；6表示氧气，分别来自叶绿体和外界环境；8是有氧呼吸释放的能量，这些能量大部分转化成热能，只有少部分转移到ATP中。

典例6　（2018·西安高一检测）将200mL含酵母菌的培养液放入500mL的密闭容器内，该容器内酵母菌不同呼吸方式的CO2释放速率随时间变化情况如图所示，请回答下列问题：

（1）图中a曲线表示的呼吸方式为有氧呼吸，判断依据是开始时酵母菌可利用密闭容器内的氧气进行有氧呼吸，随着时间的延长，氧气量逐渐减少，存氧呼吸减弱直至为零。

（2）密闭容器内开始产生酒精的时间是6h前（填“6h前”或“6h时”或“6h后”）。

（3）8h时细胞内ATP的合成场所是细胞质基质，此时合成ATP所需能量不能（填“能”或“不能”）来自丙酮酸的分解。

（4）密闭容器内CO2的总释放量在6h时小于（填“小于”“等于”或“大于”）8h时。

[解析]　

（1）刚开始时容器内有氧气，酵母菌进行有氧呼吸，随着氧气的逐渐消耗，有氧呼吸逐渐减弱，开始出现无氧呼吸，因此曲线a表示有氧呼吸，曲线b表示无氧呼吸。

（2）从图形分析，密闭容器内酵母菌在6h前开始进行无氧呼吸，即6h前就开始产生酒精。

（3）8h时酵母菌只进行无氧呼吸，细胞内合成ATP的场所是细胞质基质，此时产生的ATP来自无氧呼吸第一阶段，即葡萄糖分解为丙酮酸和[H]的过程。

（4）根据图形分析，酵母菌的细胞呼吸速率一直为正值，酵母菌一直在释放CO2，故随时间的变化，CO2的总释放量一直在增加。

1．细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。

2．有氧呼吸。

（1）反应式：

C6H12O6＋6O2＋6H2O

6CO2＋12H2O＋大量能量。

（2）场所：

细胞质基质和线粒体。

3．无氧呼吸

（1）产生酒精：

C6H12O6

2C2H5OH（酒精）＋2CO2＋少量能量。

（2）产生乳酸：

C6H12O6

2C3H6O3（乳酸）＋少量能量。

（3）反应场所：

细胞质基质。

4．有氧呼吸的三个阶段都释放能量，无氧呼吸只有第一阶段释放能量。