高中生物人教版（2019）必修一第5章细胞的能量供应和利用章节重点归纳典例示范学案（含答案）

《细胞的能量供应和利用》
“细胞呼吸”章节重点归纳&典例示范
【基础归纳】
【细胞呼吸】
1. 细胞呼吸的概念、实质和类型
细胞呼吸概念的解读
发生场所：活细胞内。
分解底物：生物体内的有机物（糖类、脂肪和蛋白质等）。
呼吸产物：CO2 和水或不彻底的氧化产物（因呼吸类型而异）。
反应类型：氧化分解。
能量变化：分解有机物释放化学能，并生成ATP。
实质：细胞内有机物的氧化分解，释放能量。
细胞呼吸的类型
根据是否需要O2 的参与，细胞呼吸分为有氧呼吸（O2 参与） 和无氧呼吸（O2 不参与）。
【易混辨析】
呼吸、细胞呼吸和呼吸运动是一回事吗
（1）呼吸是通过呼吸运动吸入氧气，排出二氧化碳的过程。
（2）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。
（3）呼吸运动指胸廓有节律地扩大和缩小，从而完成吸气与呼气的活动。
2. 无氧呼吸
过程分析（以葡萄糖为底物）（如图）
无氧呼吸的第一阶段与有氧呼吸的第一阶段完全相同（葡萄糖丙酮酸+［H］+ 少量能量）。
第二阶段是丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳或者转化成乳酸。
【特别提示】
（1）无氧呼吸第一阶段产生的［H］用于第二阶段，将丙酮酸还原为酒精和二氧化碳或者是转化成乳酸，因此，无氧呼吸不会有［H］的积累。
（2）无氧呼吸过程无水的参与及生成。
（3）无氧呼吸只在第一阶段释放出少量的能量，1 mol 葡萄糖生成2 mol ATP。第二阶段无能量释放。
反应式
C6H12O62C2H5OH（酒精）+2CO2+ 少量能量
C6H12O62C3H6O3（乳酸）+ 少量能量
【特别提示】 　
酶的不同，决定了丙酮酸被还原的产物不同。
（1）大多数植物无氧呼吸的产物为酒精和CO2。
（2）有些高等植物的某些器官在进行无氧呼吸时产生乳酸，如玉米胚、马铃薯块茎、甜菜块根等。
（3）高等动物、人及乳酸菌进行无氧呼吸只产生乳酸。
无氧呼吸中的能量利用
无氧呼吸分解有机物不彻底，释放的能量很少，还有大量的能量储存在氧化产物酒精或乳酸中。1 mol 葡萄糖在分解成乳酸或酒精和CO2 时，只伴随合成2mol ATP。
3. 有氧呼吸
对有氧呼吸概念的理解（如图）
实质：细胞在氧气的参与下，分解有机物，释放能量。
场所
细胞质基质：进行有氧呼吸第一阶段
线粒体（如图）：进行有氧呼吸第二、三阶段
过程（如图）
过程分析
（1）有氧呼吸中氧元素的来源和去路（如图所示）
（2）底物和产物
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有氧呼吸过程中的底物和产物中都有水，底物中的水用于第二阶段和丙酮酸反应，产物中的水是在有氧呼吸第三阶段［H］和O2 结合生成的。
（3） 有氧呼吸中的能量利用
1 mol 葡萄糖在体内彻底氧化分解或在体外燃烧释放出的能量一样多，不同的是体内氧化分解是能量缓慢释放的过程。1 mol 葡萄糖彻底氧化分解可以释放2870 kJ的能量，可使977.28 kJ左右的能量储存在ATP中，其余的能量以热能的形式散失了，能量的利用率约为34.05%。【易错提醒】
（1）原核生物（如蓝藻、硝化细菌等）虽然没有线粒体，但也能进行有氧呼吸，其有氧呼吸的场所是细胞质和细胞膜内表面。
（2）各底物参与反应的阶段：葡萄糖在第一阶段参与，H2O 在第二阶段参与，O2 在第三阶段参与。
（3）各产物生成阶段：［H］在第一、二阶段产生，CO2 在第二阶段产生，H2O 在第三阶段产生。
（4）产生的H2O 中的氧原子全部来自O2，底物H2O 中的氧原子最终进入CO2。反应式左右两边水分子不能抵消。
（5）反应式中的能量不能写成ATP。细胞呼吸产生的能量一部分以热能形式散失，一部分储存在ATP 中。
典例示范
下图是酵母菌有氧呼吸过程图，①～③代表进行有关生理过程的场所，甲、乙代表有关物质，下列叙述错误的是（ ）
A. ①②③处释放的能量全部储存在 ATP 中
B. 甲代表的物质是丙酮酸，乙代表的物质是 NADH
C. ②处的生理过程需要 H2O 参与
D. 用18O 标记 C6H12O6，产物 H2O 中不能检测到18O
【答案】A
下列关于植物细胞有氧呼吸和无氧呼吸的叙述，正确的是（ ）
A. 两者的主要差别是葡萄糖是否在线粒体中分解
B. 有氧呼吸产生的［H］和无氧呼吸产生的［H］是同一种物质
C. 有氧呼吸释放的能量大部分转移至 ATP 中，无氧呼吸是少部分转移至ATP中
D. CO2 是有氧呼吸的产物，不是无氧呼吸的产物
【答案】B
下列有关细胞呼吸的叙述，正确的是 （　）
A. 在有氧与无氧的条件下细胞质基质中都能形成ATP
B. 有氧呼吸产生的［H］在线粒体基质中与氧结合生成水
C. 无氧呼吸能产生 ATP，但没有［H］的生成过程
D. 人体剧烈运动时，细胞呼吸产生 CO2 的量一定会大于消耗的 O2 的量
【答案】A
【探究酵母菌呼吸方式】
实验材料选择酵母菌的原因
酵母菌是一种兼性厌氧菌，在有氧和无氧的条件下都能生存。因此，酵母菌适合用来研究细胞呼吸的不同方式。
实验原理
反应过程
C6H12O62C2H5OH（酒精）+2CO2 + 少量能量
C6H12O6+6O2+6H2O12H2O+6CO2 + 能量
产物验证
酒精+ 重铬酸钾（酸性条件）→灰绿色
CO2+Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ +H2O
CO2+ 溴麝香草酚蓝水溶液→由蓝变绿再变黄
探究过程
探究过程 具体步骤
提出问题 例如，酵母菌在有氧或无氧时细胞呼吸的产物是什么
作出假设 根据已有知识与生活经验（酵母菌能酿酒和发面）作出假设。例如，酵母菌在无氧条件下会产生酒精，在有氧条件下会产生CO2
设计实验 （1）配制酵母菌培养液：10 g 新鲜的食用酵母菌+240 mL 质量分数为5% 的葡萄糖溶液（锥形瓶A、B 相同） （2）检测CO2的产生，装置如下：
（ 3）检测酒精的产生：自 A、B中各取 2 mL酵母菌培养 液的滤液，分别注入已编号为1、2 的两支试管中→分别滴加0.5 mL 溶有0.1 g 重铬酸钾的浓硫酸溶液→振荡并观察溶液的颜色变化
实验现象 甲、乙两锥形瓶中的石灰水都变混浊，且甲锥形瓶中的混浊程度较大 1 号试管不变色，2 号试管变成灰绿色
现象分析 酵母菌在有氧（相对于无氧）条件下产生的CO2 更多些 酵母菌在无氧条件下会产生酒精
结论 酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。有氧时， 酵母菌通过细胞呼吸产生大量的CO2 和水；无氧时，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量CO2
实验注意事项
第一组装置中，A 瓶之前先用NaOH 溶液吸收空气中的CO2，目的是排除空气中的CO2 对实验结果的干扰。
B 瓶应封口放置一段时间后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，其目的是使酵母菌先将瓶中的O2 消耗完，确保通入澄清石灰水（或溴麝香草酚蓝水溶液）中的CO2 是酵母菌无氧呼吸产生的。
本实验属于对比实验，即设置有氧和无氧两种条件（两个实验组），两个实验组的结果都是未知的，通过对比可以看出O2 对细胞呼吸的影响。
典例示范
某同学为了研究酵母菌细胞呼吸的方式，制作了如下图所示的实验装置。甲、乙中各加入等量的经煮沸后冷却的葡萄糖溶液，并加入等量的酵母菌，乙内用液体石蜡隔绝空气。下列对该实验的分析，错误的是（ ）
A. 该实验不能以有无 CO2 的产生来判断酵母菌的细胞呼吸方式
B. 将葡萄糖溶液煮沸可以防止杂菌污染，以免影响实验结果
C. 乙中通过滴加酸性重铬酸钾溶液鉴定是否有酒精生成
D. 乙为甲的空白对照实验，以排除无关因素对酵母菌细胞呼吸的影响
【答案】D
下图为探究酵母菌细胞呼吸方式的实验设计装置。下列叙述正确的是（　）
该实验自变量为温度　　
B. 实验结果只有甲中会变混浊
C. 泵入的气体应先除去 O2 　
D. 加入石蜡油是为了隔绝空气
【答案】D
下图是测定保温桶内温度变化的实验装置示意图。某研究小组用该装置探究酵母菌在不同条件下细胞呼吸的情况。
材料用具：保温桶（500 mL）、温度计、活性干酵母、质量浓度为0.1 g/mL 的葡萄糖溶液、棉花、液体石蜡。
实验假设：酵母菌在有氧条件下的细胞呼吸比在无氧条件下的细胞呼吸放出的热量多。
（1）取A、B 两装置设计实验如下表，请补充下表中的内容。
（2）B 装置中将葡萄糖溶液煮沸的主要目的是 　　　　　　　　　　，这是控制实验的 　　　　变量。
（3）要测定B 装置因细胞呼吸引起的温度变化量，还需要增加一个装置C。请写出装置C 的实验步骤。
（4）实验预期：在适宜条件下进行实验，30 min 后记录实验结果，若装置A、B、C 的温度大小关系是 　　　　　　　　（用字母和“<、=、>”表示），则假设成立。
【答案】
（1）①不加入液体石蜡　②加入10 g 活性干酵母　
（2）除去O2 　自　
（3）③加入240 mL 煮沸后冷却的葡萄糖溶液　④不加入活性干酵母　
（4）A>B>C
【影响细胞呼吸的外界因素】
温度
曲线模型：如图所示。
模型解读：温度通过影响与细胞呼吸有关的酶的活性来影响呼吸速率。
1. 最适温度时，细胞呼吸最强。
2. 超过最适温度时，呼吸酶活性降低，甚至变性失活，细胞呼吸受抑制。
3. 低于最适温度，呼吸酶活性降低，细胞呼吸受抑制。
应用
1. 零上低温下储存蔬菜、水果，延长保鲜时间。
2. 温室栽培中增大昼夜温差（降低夜间温度），以减少夜间细胞呼吸有机物的消耗。
典例示范
下图所示为人体运动强度与血液中乳酸含量和 O2 消耗速率的关系（以糖类为呼吸底物），下列说法正确的是 （ ）
A. ab 段为有氧呼吸，bc 段为有氧呼吸和无氧呼吸，cd 段为无氧呼吸
B. ad 段肌肉细胞 CO2 的产生量始终等于 O2的消耗量
C. 无氧呼吸使有机物中的能量大部分以热能形式散失，其余转变成 ATP
D. 若运动强度长时间超过 c，乳酸大量积累导致内环境 pH 明显下降
【答案】B
下图表示苹果果实在一段时间内，随着环境中O2浓度的提高，其O2吸收量和CO2释放量的曲线。下列表述正确的是 （　 ）
A. O2浓度为 b 时，果实的无氧呼吸水平最低
B. O2浓度为 b 时，无氧呼吸与有氧呼吸释放的CO2相等
C. O2 浓度为 a 时，不利于果实储存
D. 保存干种子的条件是无氧、零下低温、干燥
【答案 】A
下图表示大气温度及 O2 浓度对植物非绿色组织内产生 CO2 的影响，下列相关叙述错误的是 （ ）
A. 图甲曲线变化的主要原因是温度影响呼吸酶的活性
B. 根据图甲可知，细胞呼吸最旺盛的温度为 B 点所对应的温度
C. 图乙中 DE 段有氧呼吸逐渐减弱，EF 段有氧呼吸逐渐增强
D. 图乙中 E 点对应的 O2 浓度更有利于储存水果
【答案 】C
下列关于细胞呼吸的叙述，正确的是（　　）
A. 种子萌发过程中细胞呼吸速率没有明显变化
B. 细胞中ATP 与ADP 的比值下降可促进细胞呼吸
C. 细胞呼吸过程中产生CO2 的场所是线粒体基质
D. 检测CO2 产生，可判断乳酸菌是否进行细胞呼吸
【答案】B
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代表的是O2
C. 有氧呼吸的三个阶段所需的酶相同
D. ⑤参与的过程发生在线粒体内膜上
【答案】D
下列有关植物细胞呼吸作用的叙述，正确的是（　　）
A. 分生组织细胞的呼吸速率通常比成熟组织细胞的小
B. 若细胞既不吸收O2 也不放出CO2，说明细胞已停止无氧呼吸
C. 适当降低O2 浓度可降低果实的有氧呼吸进而减少有机物的消耗
D. 利用葡萄糖进行有氧呼吸时，吸收O2 与释放CO2 的摩尔数不同
【答案】C
【知识拓展】
【细胞呼吸的应用】
1. 细胞呼吸在生产、生活中的应用
①无氧呼吸原理的应用
a. 利用乳酸菌发酵制作酸奶，利用酵母菌发酵酿酒。
b. 破伤风芽孢杆菌可通过无氧呼吸进行大量繁殖，较深的伤口需及时清理并注射破伤风抗毒血清等。
c. 适当低氧条件下保存粮食、蔬菜、水果，以减少有机物的消耗。
d. 酿制葡萄酒时，初期进行有氧呼吸，使酵母菌大量繁殖，发酵时严格控制无氧环境，促进酵母菌的无氧呼吸。
②有氧呼吸原理的应用
a. 包扎伤口应选用透气的敷料，其目的是抑制微生物的无氧呼吸 。
b.及时松土有利于根系对无机盐的吸收。
c. 稻田定期排水有利于根系的有氧呼吸，防止无氧呼吸产生酒精而发生烂根、死亡现象。
d. 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 。
2. 种子的萌发
萌发的条件
种子的萌发，除了种子本身为解除了休眠的具有活力的胚以及具有供胚发育的营养物质外，还需要一定的环境条件， 主要是一定的水分、充足的空气和适宜的温度。
一定的水分
休眠的种子含水量一般只占干重的10% 左右。种子必须吸收足够的水分才能启动一系列酶的活动，开始萌发。
充足的空气
种子在萌发过程中所进行的一系列复杂的生命活动需要消耗能量，种子只有不断地进行细胞呼吸得到能量，才能保证生命活动的正常进行。
适宜的温度
温度主要影响酶的活性，种子内部营养物质的氧化分解和其他一系列生理活动，都需要在适宜的温度下进行。
种子萌发过程中的物质变化
种子萌发时，储存在胚乳或子叶中的大分子物质（如淀粉、蛋白质等）水解成小分子物质（如葡萄糖、氨基酸等），小分子物质继续氧化分解为种子萌发提供能量，导致萌发种子中有机物的量逐渐减少。还有一部分物质转化成萌发幼苗的根、芽等的组成物质。
典例示范
某染料（氧化型为无色，还原型为红色）可用于种子生活力的鉴定。某同学将吸胀的小麦种子平均分成甲、乙两组，并进行染色实验来了解种子的生活力，结果如下表所示。
下列叙述错误的是（　　）
A. 甲组的胚发生了氧化还原反应　
B. 呼吸作用产生的NADH 使染料变成红色
C. 乙组胚细胞膜上的载体蛋白能将染料运出细胞
D. 种子中胚细胞代谢活动的强弱会影响染色效果
【答案】C
将玉米种子置于25 ℃、黑暗、水分适宜的条件下萌发，每天定时取相同数量的萌发种子，一半直接烘干称重，另一半切取胚乳烘干称重，计算每粒的平均干重，结果如图所示。若只考虑种子萌发所需的营养物质来源于胚乳，据图回答下列问题：
（1）萌发过程中胚乳组织中的淀粉被水解成 　　　　，再通过 　　　　为种子萌发提供能量。
（2）萌发过程中在 　　　　h 时种子的呼吸速率最大，在该时间段内每粒种子呼吸消耗的平均干重为 　　　　mg。
（3）萌发过程中胚乳的部分营养物质转化成幼苗的组成物质，其最大转化速率为 　　mg·粒-1·d-1。
（4）若保持实验条件不变，120 h 后萌发种子的干重变化趋势是 　　 ，原因是 　　　　　。
【答案】
（1）葡萄糖　细胞呼吸（或生物氧化）　
（2）72 ～ 96 　26.5 　
（3）22 　
持续下降　幼苗进行细胞呼吸消耗有机物，且不能进行光合作用
某豆科植物种子萌发过程中CO2 释放和O2 吸收速率的变化趋势如图所示。据图回答问题：
（1）在12 ～ 24 h，呼吸速率逐渐增强，在此期间细胞呼吸的主要方式是 　　　
呼吸，该呼吸方式在细胞中发生的部位是 　　　， 其产物是 　　　。　　　　　　　　 　 　
（2）从第12 h 到胚根长出期间，萌发种子的干物质总量会 　　　　，主要原因是　　　　　　　　　　　　。
（3）胚根长出后，萌发种子的 　　　　呼吸速率明显升高。
【答案】
（1）无氧　细胞质基质　CO2 和酒精　
（2）减少　在此期间只进行细胞呼吸消耗有机物，不进行光合作用合成有机物　
（3）有氧
【判断细胞呼吸类型】
一看底物和产物
消耗O2 或产物中有H2O，一定存在有氧呼吸。
产物中有酒精或乳酸，一定有无氧呼吸。
二看物质的量的关系
无CO2 产生→只进行产生乳酸的无氧呼吸。
不消耗O2，但产生CO2 →只进行产生酒精的无氧呼吸。
O2 吸收量等于CO2 释放量→只进行以葡萄糖为底物的有氧呼吸。
CO2 释放量大于O2 吸收量→既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸，其关系如下：
三看反应场所
原核细胞：原核细胞没有线粒体，故原核细胞的细胞呼吸在细胞质和细胞膜上进行，其呼吸方式应根据产物判断，若只有二氧化碳和水产生，则为有氧呼吸，若还有乳酸或酒精产生，则还存在无氧呼吸。
典例示范
下图表示某植物的非绿色器官在O2 浓度为a、b、c、d 时，CO2 释放量和O2 吸收量的变化情况（呼吸底物均为葡萄糖）。下列相关叙述正确的是（　　）
A. O2 浓度为a 时，最适于贮藏该植物器官
B. O2 浓度为b 时，无氧呼吸消耗葡萄糖的量是有氧呼吸的4 倍
C. O2 浓度为c 时，无氧呼吸最弱
D. O2 浓度为d 时，CO2 产生的场所只有线粒体
【答案】D