第5章 细胞的能量供应和利用 章末整合提升(共30张PPT)

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第5章 细胞的能量供应和利用 章末整合提升
2019版生物学必修1 《分子与细胞》
同步课件
一、必备知识—构建知识导图
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二、关键能力—发展核心素养
(一)呼吸类型的判断
在以葡萄糖为呼吸底物的情况下,CO2释放量和O2消耗量是判断细胞呼吸类别的重要依据,总结如下:
1.无CO2释放时,细胞只进行产生乳酸的无氧呼吸。此种情况下,容器内气体体积不发生变化,如马铃薯块茎的无氧呼吸。
2.不消耗O2,但产生CO2,细胞只进行产生酒精的无氧呼吸。此种情况下,容器内气体体积增大,如酵母菌的无氧呼吸。
3.当CO2释放量等于O2消耗量时,细胞只进行有氧呼吸或进行有氧呼吸和产生乳酸的无氧呼吸。此种情况下,容器内气体体积不变化,但若将CO2吸收,气体体积将减小。
4.当CO2释放量大于O2消耗量时,细胞同时进行产生酒精的无氧呼吸和有氧呼吸两种呼吸方式,如酵母菌在不同O2浓度下的细胞呼吸。
[例1] 有一瓶含有酵母菌的葡萄糖培养液,当通入不同浓度的O2时,其产生的酒精和CO2的物质的量如图所示。据图中信息推断,错误的是(　 　)
A.当O2浓度为a时,酵母菌没有进行有氧呼吸,只进行无氧呼吸
B.当O2浓度为b和d时,酵母菌细胞呼吸的过程有所不同
C.当O2浓度为c时,有2/5的葡萄糖用于酵母菌的酒精发酵
D.a、b、c、d 4种不同O2浓度下,细胞都能产生[H]和ATP
C
解析:当O2浓度为a时,酒精产生量与CO2产生量相等,说明此时只进行无氧呼吸;当O2浓度为b时,产生CO2的量多于产生酒精的量,说明酵母菌进行了有氧呼吸和无氧呼吸,当O2浓度为d时,没有酒精产生,说明酵母菌只进行有氧呼吸,因此b、d的细胞呼吸过程有所不同;当O2浓度为c时,无氧呼吸产生6 mol酒精的同时会产生6 mol CO2,需要消耗3 mol葡萄糖,剩余的9 mol CO2 来自有氧呼吸,需消耗1.5 mol葡萄糖,因此有2/3的葡萄糖用于酵母菌的酒精发酵;无氧呼吸和有氧呼吸都能产生[H]和ATP。
(二)光合作用速率和呼吸作用速率的关系
1.光合作用速率表示方法
通常以一定时间内CO2等原料的消耗量或O2、(CH2O)等产物的生成量来表示。光合速率又分为净光合速率和真正光合速率。
(1)净光合速率:常用一定时间内O2释放量、CO2吸收量或有机物(葡萄糖)积累量表示。
(2)真正光合速率:常用一定时间内O2产生量、CO2固定量或制造、生产、合成有机物的量表示。
(3)呼吸速率:将植物置于黑暗中,实验容器中CO2增加量、O2减少量或有机物减少量即表示呼吸速率。
2.模型构建净光合速率和真正光合速率的关系
凡是进行光合作用的植物,同时也在进行着呼吸作用。在不考虑光照强度对呼吸速率影响的情况下,真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。图中B点既不吸收也不释放二氧化碳,表示真正光合速率=呼吸速率,净光合速率为0。在考题中,常需根据图表中的信息找出净光合速率和呼吸速率,进而推出真正光合速率。
3.净光合速率和真正光合速率的判定方法
(1)若为坐标曲线形式,当光照强度为0时,CO2吸收值为0,则为真正光合速率,若CO2吸收值是负值,则为净光合速率。
(2)若所给数值为有光条件下绿色植物的测定值,则为净光合速率。
(3)有机物积累量为净光合速率,制造量为真正光合速率。
[例2] 如图甲为叶绿体的结构与功能示意图;图乙表示甘蓝型油菜叶肉细胞内部生理过程模式图,A、B、C为相应生理过程场所,①～⑥均为气体物质;图丙表示在一定条件下测得的某植物光照强度与光合速率的关系。请分析回答下列问题。
(1)图甲中Ⅰ是　　　　,可利用　　　　　　　　(填方法)将其上的色素分离。
(2)图甲中进行光合作用过程中ADP的移动方向是从　　　　　　到　　　　　　。(填场所名称)
(3)图乙中可表示O2的箭头是　　　　　(填数字序号)。
解析:(1)图甲中Ⅰ是叶绿体基粒;由于不同色素在层析液中的溶解度不同,故可利用纸层析法将基粒上的色素分离。
(2)光合作用过程中,光反应合成ATP ,暗反应消耗ATP ,因此ADP的移动方向是从叶绿体的基质到类囊体薄膜(或基粒)。
(3)光合作用产生氧气,因此叶绿体释放出来的是氧气,吸收的是二氧化碳;有氧呼吸消耗氧气,因此线粒体吸收的是氧气,释放的是二氧化碳 ,因此图乙中可表示O2的箭头是②③⑤。
答案:(1)基粒　纸层析法
(2)叶绿体基质　类囊体薄膜(或基粒)
(3)②③⑤
解析:(4)线粒体具有双层膜,由于内膜向线粒体内腔折叠形成嵴,因此内膜面积大于外膜面积,所以将线粒体置于蒸馏水中,是外膜先破裂。
(5)图乙中当光合作用强度大于呼吸作用强度时,线粒体消耗的氧气全部来自叶绿体,产生的二氧化碳全部供应给叶绿体进行光合作用,即图中消失的箭头是③④。
(4)将图乙中C置于蒸馏水中,会吸水破裂。你认为C的内膜、外膜破裂情况是　　　　　　(填“内膜先破裂”“外膜先破裂”或“同时破裂”)。
(5)图乙中当光合作用强度大于呼吸作用强度时,图中消失的箭头是　　(填数字序号)。
答案:(4)外膜先破裂
(5)③④
解析:(6)图丙中的a点光照强度为0,此时只进行呼吸作用,因此a点表示细胞呼吸强度(或呼吸作用速率)。c点为光补偿点,光合作用强度等于呼吸作用强度,此时叶肉细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体。
(7)植物光合作用大于呼吸作用,即图丙中光照强度大于2 klx时,植物才会表现出生长现象。将温度由25 ℃调至30 ℃时,光合速率减慢,呼吸速率增强,此时c点应向右移动才能保证光合速率仍等于呼吸速率。
(6)图丙中的a点表示　　　　　　,c点时,叶肉细胞中产生ATP的场所有　 。
(7)图丙中在光照强度大于　　　　klx时,植物才会表现出生长现象。若图丙曲线表示该植物在25 ℃时光照强度与光合速率的关系,并且已知道该植物光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25 ℃和30 ℃,那么在原有条件不变的情况下,将温度提高到30 ℃,理论上分析c点将　　　　(填“左移”“右移”或“不变”)。
答案:(6)细胞呼吸速率　细胞质基质、线粒体、叶绿体
(7)2　右移
(三)自然环境及密闭容器中植物光合作用强度变化
1.自然环境中一昼夜植物CO2吸收或释放速率的变化曲线
a点:凌晨,温度降低,细胞呼吸减弱,CO2释放减少。
b点:有微弱光照,植物开始进行光合作用。
bc段:光合作用强度小于细胞呼吸强度。
c点:上午7时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度。
ce段:光合作用强度大于细胞呼吸强度。
d点:温度过高,部分气孔关闭,出现“午休”现象。
e点:下午6时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度。
ef段:光合作用强度小于细胞呼吸强度。
fg段:没有光照,光合作用停止,只进行细胞呼吸。
bf段:制造有机物的时间段。
ce段:积累有机物的时间段。
一昼夜有机物的积累量=S1-(S2+S3)。
(S1、S2、S3分别表示曲线和坐标轴围成的面积)。
2.密闭容器中一昼夜CO2浓度的变化曲线
注意:分析光合作用或细胞呼吸速率的变化时,应分析曲线变化趋势的快慢,也就是斜率。
AB段:无光照,植物只进行细胞呼吸。
BC段:温度降低,细胞呼吸减弱(曲线斜率下降)。
CD段:4时后,微弱光照,开始进行光合作用,但光合作用强度小于细胞呼吸强度。
D点:随光照增强,光合作用强度等于细胞呼吸强度。
DH段:光合作用强度大于细胞呼吸强度。其中FG段表示光合“午休”现象。
H点:随光照减弱,光合作用强度下降,光合作用强度等于细胞呼吸强度。
HI段:光照继续减弱,光合作用强度小于细胞呼吸强度,直至光合作用完全停止。
I点低于A点:一昼夜,密闭容器中CO2浓度减小,即光合作用大于细胞呼吸,植物能正常生长(若I点高于A点,植物不能正常生长)。
[例3] 某研究小组进行某植物的栽培实验,图1表示在适宜的光照、CO2浓度等条件下测得的光合曲线和黑暗条件下的呼吸曲线;图2为在恒温密闭玻璃温室中,连续 24 h 测定的温室内CO2浓度以及植物CO2吸收速率的变化曲线。据图分析,下列说法中错误的是(　 　)
A.图1中,当温度达到55 ℃时,植物光合作用相关的酶可能失活
B.6 h,图2叶肉细胞产生ATP的场所有叶绿体、线粒体和细胞质基质
C.18 h,图2叶肉细胞中叶绿体产生的O2量大于线粒体消耗的O2量
D.该植株在进行光合作用且吸收CO2的量为0时,在两图中的点共有4个
D
解析:图1中的虚线为二氧化碳的释放量,即植物呼吸作用速率,从题图中看出,当温度达到55 ℃时,光合作用不再吸收二氧化碳,只剩下呼吸作用释放二氧化碳的曲线,表示植物不再进行光合作用,只进行呼吸作用,可能是植物光合作用相关酶失活;图2中6 h,二氧化碳的吸收速率为0,此时光合作用强度与呼吸作用强度相等,因此叶肉细胞产生ATP的场所有叶绿体、线粒体和细胞质基质;图2中18 h,二氧化碳的吸收速率等于0,说明植物的光合作用强度等于呼吸作用强度,植株叶肉细胞的叶绿体产生的O2量必须大于线粒体消耗的O2量,才能保证非叶肉细胞的O2供应,使植物的光合作用强度等于呼吸作用的强度;图2中当光合速率等于呼吸速率时,净光合速率为0,处于室内二氧化碳浓度曲线的拐点,因此图2中光合速率和呼吸速率相等的时间点有2个,图1中,光合作用速率与呼吸作用速率相等的温度条件是40 ℃,故总共有3个。
(四)测定光合速率的常用方法
1.利用特定装置测定植物光合速率与呼吸速率

(1)将植物(甲装置)置于黑暗中一定时间,记录红色液滴移动的方向和距离,计算呼吸速率。
(2)将同一植物(乙装置)置于光下一定时间,记录红色液滴移动的方向和距离,计算净光合速率。
(3)根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真正光合速率。
2.叶圆片称重法
测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量,如图所示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。
净光合速率=(z-y)/2S;
呼吸速率=(x-y)/2S;
总光合速率=净光合速率+呼吸速率=(x+z-2y)/2S。
3.黑白瓶法
“黑白瓶”法中“黑瓶”不透光,测定的是有氧呼吸量;“白瓶”给予光照,测定的是净光合作用量,可分为有初始值与没有初始值两种情况,规律如下:
规律1:有初始值的情况下,黑瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量;白瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量;两者之和为总光合作用量。
规律2:没有初始值的情况下,白瓶中测得的现有量与黑瓶中测得的现有量之差即总光合作用量。
[例4] 某同学研究甲湖泊中某深度生物的光合作用和有氧呼吸强度。具体操作如下:取三个相同的透明玻璃瓶a、b、c,将a先包以黑胶布,再包以铅箔。用a、b、c三个瓶分别从待测深度的水体取水样,测定瓶中水体的氧含量。将a瓶、b瓶密封再沉入待测深度的水体,经24小时后取出,测两瓶中氧含量,结果如图所示。则24小时内待测深度水体中生物光合作用和有氧呼吸的情况是(　 　)
A.24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是v mol/瓶
B.24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是(w-v)mol/瓶
C.24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是k mol/瓶
D.24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是(k-w) mol/瓶
B
解析:由题意可知,24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量(即呼吸量)为(w-v) mol/瓶;24小时内待测深度水体中生物光合作用释放的氧气量(净光合量)为(k-w)mol/瓶,故光合作用产生的氧气量(总光合量)为(w-v)+(k-w)=(k-v)mol/瓶。
三、综合应用—形成核心价值观
[例5] 在缺氧条件下,人体既可通过神经系统调节呼吸频率来适应,又可通过增加红细胞的数量来适应。红细胞数量增加与细胞内缺氧诱导因子(HIF)介导的系列反应有关,机理如图所示。诺贝尔生理学或医学奖曾颁给发现这一机制的三位科学家。请回答下列问题。
解析:(1)氧气参与有氧呼吸第三阶段,发生在线粒体(内膜),线粒体内膜向内折叠形成嵴,增加了膜面积,有利于有氧呼吸相关酶的附着;人体无氧呼吸的产物是乳酸,有氧呼吸的产物是水和二氧化碳。
(2)据题图分析可知,有氧条件下,HIF-1α蛋白经过脯氨酰羟化酶的催化发生了羟基化。
(1)呼吸频率加快加深后,吸入更多的氧气。氧气进入人体细胞参与有氧呼吸的反应场所是　　　　　　　,该细胞器内膜折叠成嵴,有利于　　　　　　　。人体在缺氧条件下,细胞呼吸的产物有　　　　　　　　。
(2)如图所示,有氧条件下,经过　　　　　　　　的催化,HIF-1α蛋白发生羟基化,使得VHL蛋白能够与之识别并结合,从而导致HIF-1α蛋白降解。
答案:(1)线粒体(内膜)　扩大膜面积(有利于酶的附着)　乳酸、CO2和水　(2)脯氨酰羟化酶(PHD)　
解析:(3)据题图分析可知,HIF-1α蛋白是通过核孔进入细胞核内的;根据题意分析,HIF-1α蛋白与ARNT结合形成缺氧诱导因子(HIF),HIF结合到特定的DNA序列上,促进EPO(促红细胞生成素)的合成,从而促进红细胞数量的增加,携带氧气能力增强。另外,HIF还可促进其他有关基因的表达,使细胞呼吸第一阶段某些酶的含量增加、细胞膜上葡萄糖转运蛋白的数量增加,这些变化的适应意义在于增加细胞呼吸第一阶段的酶有利于细胞通过无氧呼吸产生ATP为细胞供能;葡萄糖转运蛋白增加有利于细胞摄入葡萄糖,为细胞呼吸提供能源物质。
(3)由图可知,缺氧条件下,HIF-1α蛋白通过　　　　进入细胞核内,与ARNT结合形成缺氧诱导因子(HIF)。HIF结合到特定的DNA序列上,促进EPO(促红细胞生成素)的合成,从而促进红细胞数量的增加,携带氧气能力增强。另外,HIF还可促进其他有关基因的表达,使细胞呼吸第一阶段某些酶的含量增加、细胞膜上葡萄糖转运蛋白的数量增加,请分析这些变化的适应意义:　 　 。
答案:(3)核孔　增加细胞呼吸第一阶段的酶有利于细胞通过无氧呼吸产生ATP为细胞供能;葡萄糖转运蛋白增加有利于细胞摄入葡萄糖,为细胞呼吸提供能源物质
解析:(4)根据题意分析,PHD抑制剂治疗贫血的作用机理是通过抑制PHD活性抑制HIF-1α的降解,而细胞内较高水平的HIF-1α将促进EPO的产生。此外,在肿瘤微环境中通常缺氧,上述机制有利于癌细胞大量增殖。
(4)慢性肾功能衰竭患者常因EPO产生不足而出现严重贫血,研究人员正在探索一种PHD抑制剂对贫血患者的治疗作用。请结合图中信息,分析PHD抑制剂治疗贫血的作用机理是 　 。
此外,在肿瘤微环境中通常缺氧,上述机制　　　　(填“有利于”或“不利于”)癌细胞大量增殖。研究人员正努力开发新的药物,用以激活或阻断氧感应机制,改善人类的健康。
答案:(4)通过抑制PHD活性抑制HIF-1α的降解,细胞内较高水平的HIF-1α促进EPO的产生　有利于
解析:(1)去除杂草可以减少杂草和农作物之间对水分、矿质元素和光的竞争,使能量更多地流向农作物;松土可以使土壤中O2含量增多,有利于根细胞进行有氧呼吸,进而增强根对矿质元素的吸收等活动。(2)肥料中的矿质元素只有溶解在水中才能被作物根系吸收,因而农田施肥的同时常适当浇水,以使肥料中的矿质元素溶解在水中;另外,浇水还可以降低土壤溶液的渗透压,防止作物因过度失水而死亡。
[例6] (2020·全国Ⅰ卷)农业生产中的一些栽培措施可以影响作物的生理活动,促进作物的生长发育,达到增加产量等目的。回答下列问题。
(1)中耕是指作物生长期中,在植株之间去除杂草并进行松土的一项栽培措施,该栽培措施对作物的作用有 (答出2点即可)。
(2)农田施肥的同时,往往需要适当浇水,此时浇水的原因是 .　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出1点即可)。
答案:(1)减少杂草对水分、矿质元素和光的竞争;增加土壤氧气含量,促进根系的呼吸作用　(2)肥料中的矿质元素只有溶解在水中才能被作物根系吸收
(3)农业生产常采用间作(同一生长期内,在同一块农田上间隔种植两种作物)的方法提高农田的光能利用率。现有4种作物,在正常条件下生长能达到的株高和光饱和点(光合速率达到最大时所需的光照强度)见下表。从提高光能利用率的角度考虑,最适合进行间作的两种作物是　 ,选择这两种作物的理由是

　 。
作物 A B C D
株高/cm 170 65 59 165
光饱和点/ (μmol·m-2·s-1) 1 200 1 180 560 623
解析:(3)为了更充分地利用光照资源,间作过程中要确保高低作物的合理搭配。株高较高的作物获取的光照充足,应选择光饱和点较高的作物
(作物A);株高较低的作物获取的光照较少,应选择光饱和点较低的作物
(作物C)。
答案:(3)A和C　作物A光饱和点高且长得高,可利用上层光照进行光合作用;作物C光饱和点低且长得矮,与作物A间作后,能利用下层的弱光进行光合作用