【学案】 第5章　第3节　第2课时　无氧呼吸与细胞呼吸原理的应用 人教版（2019）生物学 必修1

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第2课时　无氧呼吸与细胞呼吸原理的应用
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.比较有氧呼吸和无氧呼吸的异同，阐明细胞呼吸的实质。2.探讨细胞呼吸原理在生产和生活中的应用。 1.无氧呼吸的两种反应类型：①C6H12O62C3H6O3＋少量能量；②C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋少量能量。2.真核生物有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体，而无氧呼吸的场所只有细胞质基质。3.细胞呼吸是细胞中物质代谢的枢纽。
[主干知识梳理]
一、无氧呼吸
1．类型及反应式
2．场所：细胞质基质。
3．过程
(1)第一阶段：与有氧呼吸的第一阶段完全相同。
(2)第二阶段：丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和CO2，或者转化成乳酸。
二、细胞呼吸原理的应用
1．包扎伤口时，需要选用透气的消毒纱布。
2．酿酒时要先通气后密封，通气的目的是让酵母菌进行有氧呼吸并大量繁殖，密封的目的是让酵母菌在无氧条件下进行酒精发酵。
3．对花盆里的土壤经常进行松土透气。
4．粮食储藏需要的条件是(零上)低温、低氧和干燥；蔬菜、水果储藏的条件是(零上)低温、低氧和适宜的湿度。
[边角知识发掘]
　阅读教材P93、P95“思考·讨论”结合生物体内葡萄糖分解代谢过程的图解，回答下列问题：
(1)苹果储藏久了，会有酒味产生，其原因是发生了图中①③过程；而马铃薯块茎储藏久了却没有酒味产生，其原因是马铃薯块茎在无氧条件下进行了图中①④过程。(均填图中序号)
(2)粮食储藏过程中有时会发生粮堆湿度增大的现象，其原因是种子在有氧呼吸过程中产生了水。
(3)1 mol葡萄糖有氧呼吸能释放2 870 kJ的能量，而1 mol葡萄糖在分解生成乳酸以后，只释放196.65 kJ的能量，其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP中。据此分析在进行无氧呼吸过程中，葡萄糖中能量的主要去向和葡萄糖氧化分解释放的能量的主要去向分别是什么？
提示：无氧呼吸过程中，葡萄糖中的能量主要转移到乳酸或酒精中没有释放出来；而葡萄糖氧化分解释放的能量主要以热能形式散失了。
(4)运动成为当今人们生活的一种时尚，人在剧烈运动时，会因骨骼肌进行无氧呼吸积累过多的乳酸而感到肌肉酸痛。健身教练提倡有氧运动，请根据有氧呼吸和无氧呼吸的产物及释放能量多少的角度分析原因？
提示：有氧呼吸的产物是CO2和H2O，对于机体的影响较小，且有机物中的能量全部释放。而无氧呼吸产物中的乳酸对机体不利，且有机物中的能量仅释放一部分。所以提倡有氧运动。
[教材问题提示]
(一)思考·讨论(教材P95)
1．略。
2．提示：酸奶制作利用了乳酸菌的无氧呼吸；收获后的粮食要晒干再储藏，就是通过降低细胞呼吸速率来延长储藏时间。
(二)思维训练(教材P96)
这一论点包含两个要点：线粒体原本是一种独立生存的细菌，后来与真核细胞共生成细胞内的结构。由此可见，证据1、证据3和证据4，能够支持这一论点，而证据2不支持。
新知探究一　无氧呼吸及其与有氧呼吸的关系
[在探究中学]
[任务驱动]　
比较有氧呼吸与无氧呼吸
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
不同点 条件 需氧 不需氧
场所 细胞质基质和线粒体 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
释放能量 大量 少量
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，合成ATP
过程 第一阶段完全相同
意义 为生物体的各项生命活动提供能量
[师说重难]　
1．有氧呼吸和无氧呼吸过程图解
2．细胞呼吸中[H]和ATP的来源和去路
来源 去路
[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
[在应用中悟]
[典例1]　(2019·全国卷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ATP
D．马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会增加酸味的产生
[解析]　马铃薯块茎细胞除了能进行有氧呼吸外，在缺氧条件下也能进行无氧呼吸。马铃薯块茎细胞进行无氧呼吸时分解葡萄糖产生乳酸，A错误；马铃薯块茎细胞无氧呼吸的第一阶段是分解葡萄糖产生丙酮酸，第二阶段是丙酮酸在相关酶的催化作用下，转化成乳酸，B正确；无氧呼吸只在第一阶段产生ATP，第二阶段不产生ATP，C错误；储藏库中氧气浓度升高，会促进马铃薯块茎细胞的有氧呼吸，抑制无氧呼吸，乳酸产生量减少，D错误。
[答案]　B
[典例2]　如图表示萌发的小麦种子中可能发生的相关生理过程，a～e表示物质，①～④表示过程。下列有关叙述正确的是(　　)
A．催化反应②和④的酶都存在于细胞质基质中
B．图中物质c为[H]，它只在有氧呼吸过程中产生
C．图中①②过程主要发生在小麦种子萌发的早期，其中e为ATP
D．①④③过程为有氧呼吸的三个阶段，其中物质a、d分别是丙酮酸和O2
[解析]　题图为细胞呼吸的全过程，①②过程为无氧呼吸，①④③过程为有氧呼吸，a、b、c、d、e分别表示丙酮酸、CO2、[H]、O2、酒精；催化反应②和④的酶分别存在于细胞质基质和线粒体基质中；无氧呼吸的第一阶段也产生[H]。
[答案]　D
■易错提醒
有关无氧呼吸的两点提醒
无氧呼吸只在第一阶段产生少量ATP，第二阶段不产生ATP；无氧呼吸产生乳酸还是酒精和二氧化碳，与细胞内的酶有关，一种细胞的无氧呼吸产物只能是其中一种。
[在训练中评]
1．下列关于人体肌肉细胞内有氧呼吸和无氧呼吸的比较，正确的是(　　)
A．CO2只是有氧呼吸的产物
B．无氧呼吸过程中不会生成ATP
C．还原氢只在有氧呼吸过程中产生
D．葡萄糖只能作为有氧呼吸的底物
解析：选A　人体有氧呼吸的产物为CO2和H2O，无氧呼吸的产物为乳酸；人体肌肉细胞进行有氧呼吸或无氧呼吸都能生成ATP，只是无氧呼吸产生的ATP较少；有氧呼吸和无氧呼吸的第一阶段相同，即葡萄糖在细胞质基质中分解形成丙酮酸和还原氢。
2．研究人员探究缺氧条件下北欧鲫鱼细胞呼吸的特点，结果如图。下列叙述正确的是(　　)
A．图中能产生ATP的过程有①②③，过程①发生在细胞质基质
B．取培养该鱼的水样加入碱性的重铬酸钾溶液振荡混合均匀，水样变成灰绿色
C．为验证北欧鲫鱼肌细胞具有上述呼吸特点，可将该鱼在氧气充足条件下培养
D．北欧鲫鱼的其他组织细胞产生的乳酸最终转化为酒精排出体外
解析：选D　图中能产生ATP的过程只有①②，③过程不释放能量，没有ATP产生，过程①②③都发生在细胞质基质中；取培养该鱼的水样加入酸性的重铬酸钾溶液振荡混合均匀，水样变成灰绿色；为验证北欧鲫鱼肌细胞具有上述呼吸特点，可将该鱼在缺氧条件下培养；根据图示可知，北欧鲫鱼的其他组织细胞产生的乳酸最终转化为酒精排出体外。
新知探究二　影响细胞呼吸的环境因素及应用
[在探究中学]
1．氧气
(1)曲线分析：由曲线可知，O2是有氧呼吸所必需的，且O2对无氧呼吸有抑制作用。①O2浓度＝0时，只进行无氧呼吸；②0＜O2浓度＜10%时，同时进行有氧呼吸和无氧呼吸；③O2浓度≥10%时，只进行有氧呼吸；④O2浓度为5%时，有机物消耗最少，利于储存粮食、水果。(2)应用
2.温度
(1)温度主要通过影响呼吸酶的活性，进而影响呼吸作用。在一定的温度范围内，呼吸强度随着温度的升高而增强；但超过一定的温度，酶的活性下降，甚至会变性失活，从而使呼吸作用减弱直至停止(2)应用
　　3.二氧化碳
(1)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(2)应用：适当增加CO2浓度，有利于水果和蔬菜的保鲜
4.水分
(1)在一定范围内，细胞呼吸速率随含水量的增加而加快，随含水量的减少而减慢。当含水量过多时，呼吸速率减慢，甚至停止(2)应用
[在应用中悟]
[典例1]　如图表示某种植物的非绿色器官在不同O2浓度下的有氧呼吸和无氧呼吸过程中CO2的释放量，据图判断下列分析正确的是(　　)
A．图中乙曲线在b时无氧呼吸最强
B．图中甲曲线表示在不同O2浓度下无氧呼吸过程中CO2的释放量
C．O2浓度为d时该器官的细胞既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸
D．若甲代表的细胞呼吸方式在O2浓度为b时消耗了n mol 的葡萄糖，则乙代表的细胞呼吸方式在O2浓度为b时消耗的葡萄糖为n/2 mol
[解析]　图中乙曲线表示有氧呼吸中CO2的释放量随O2浓度的变化；图中甲曲线表示无氧呼吸中CO2的释放量随O2浓度的变化。当O2浓度为b时，无氧呼吸和有氧呼吸释放的CO2量是相同的，有氧呼吸消耗的葡萄糖为无氧呼吸的1/3；当O2浓度为d时，无氧呼吸已经停止，只进行有氧呼吸。
[答案]　B
[典例2]　(2020·龙岩期末)细胞呼吸原理广泛应用于生产实践中，下表中有关措施与目的均正确的是(　　)
选项 应用 措施 主要目的
A 蔬菜保鲜 零下低温 降低细胞呼吸，减少有机物消耗
B 水稻生长 定期排水 避免无氧呼吸产物对细胞产生毒害作用
C 包扎伤口 透气纱布 促进伤口细胞的有氧呼吸
D 有氧运动 提倡慢跑 防止无氧呼吸产生过多的酒精
[解析]　蔬菜保鲜的目的既要保持水分，又要降低呼吸作用，所以零上低温是最好的方法，A错误；稻田要定期排水，否则水稻幼根细胞会因缺氧而进行无氧呼吸，产生酒精中毒而烂根的现象，B正确；用透气纱布包扎伤口，可增加通气量，抑制破伤风芽孢杆菌的无氧呼吸，从而抑制厌氧菌的大量繁殖，C错误；提倡慢跑能促进肌细胞有氧呼吸，防止无氧呼吸产生乳酸使肌肉酸胀，D错误。
[答案]　B
[在训练中评]
1．如图是外界条件对植物呼吸速率的影响曲线图，以下分析错误的是(　　)
A．从甲图可知细胞呼吸最旺盛时的温度是b点对应的温度
B．乙图中曲线Ⅰ表示有氧呼吸，曲线Ⅱ表示无氧呼吸
C．乙图中曲线Ⅰ表示的生理过程所利用的有机物主要是葡萄糖
D．乙图中曲线Ⅱ最终趋于平衡，可能是受到温度或呼吸酶数量的限制
解析：选B　甲图中b点温度下植物呼吸作用的相对速率最大，说明该温度下细胞呼吸最旺盛；随O2浓度增大有氧呼吸增强，无氧呼吸减弱，故乙图中曲线Ⅰ表示无氧呼吸，曲线Ⅱ表示有氧呼吸；细胞呼吸利用的有机物主要是葡萄糖；有氧呼吸需要酶的参与，温度会影响酶的活性，故有氧呼吸还受温度或呼吸酶数量的限制，使曲线Ⅱ最终趋于平衡。
2．如图表示光照、储藏温度对番茄果实呼吸强度变化的影响。下列有关叙述正确的是(　　)
A．番茄果实细胞产生CO2的场所是细胞质基质
B．光照对番茄果实呼吸的抑制作用2 ℃时比15 ℃时更强
C．低温、黑暗条件下更有利于储存番茄果实
D．储藏温度下降时果实呼吸减弱，可能与细胞内酶的空间结构被破坏有关
解析：选B　番茄果实细胞有氧呼吸产生CO2的场所是线粒体基质，无氧呼吸产生CO2的场所是细胞质基质，故产生CO2的场所是线粒体基质和细胞质基质；由题图可看出，2 ℃时黑暗条件下与光照条件下呼吸强度差值比15 ℃时大，即2 ℃时光照对番茄果实呼吸的抑制作用更强；低温条件下呼吸强度较低，但黑暗条件下比光照条件下呼吸强度高，所以低温、光照条件下更有利于番茄果实的储存；低温仅抑制酶的活性，不破坏酶的空间结构。
科学探究——细胞呼吸类型的判断与实验探究
(一)“三看法”判断呼吸的类型
1．一看反应物和产物
(1)消耗氧气或产物中有水，一定是有氧呼吸。
(2)产物中有酒精或乳酸，一定是无氧呼吸。
2．二看物质的量的关系
(1)无CO2产生：乳酸发酵。
(2)不消耗O2，但产生CO2：酒精发酵。
(3)消耗O2量＝产生CO2量：有氧呼吸。
(4)消耗O2量<产生CO2量：有氧呼吸、无氧呼吸。
根据产生CO2与消耗O2的多少，又分为以下三种情况：
V(CO2)/V(O2)＝4/3 有氧呼吸＝无氧呼吸
V(CO2)/V(O2)>4/3 有氧呼吸<无氧呼吸
V(CO2)/V(O2)<4/3 有氧呼吸>无氧呼吸
3．三看反应的场所
(1)真核生物体内若只在细胞质基质中进行，则为无氧呼吸。
(2)若有线粒体参与，则存在有氧呼吸。
(二)设计实验探究细胞呼吸类型
1．实验设计
欲确认某生物的呼吸类型，应设置两套呼吸装置，如图所示(以发芽种子为例)：
2．实验结果预测和结论
实验现象 结论
装置1液滴 装置2液滴
不动 不动 只进行产乳酸的无氧呼吸或种子已死亡
不动 右移 只进行产生酒精的无氧呼吸
左移 右移 进行有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸
左移 不动 只进行有氧呼吸或进行有氧呼吸和产乳酸的无氧呼吸
[特别提醒]　为使实验结果精确，除减少无关变量的干扰外，还应设置对照装置。对照装置与装置2相比，不同点是用煮熟的发芽种子代替发芽种子，其余均相同。
[素养评价]
1．不同种类的生物在不同的条件下呼吸方式不同。下列对呼吸底物为葡萄糖的生物细胞呼吸方式的判断，错误的是(　　)
A．若只释放CO2，不消耗O2，则细胞只进行无氧呼吸
B．若CO2的释放量多于O2的吸收量，则细胞既进行有氧呼吸也进行无氧呼吸
C．若CO2的释放量等于O2的吸收量，则细胞可能只进行有氧呼吸
D．若既不吸收O2也不释放CO2，则说明该细胞已经死亡
解析：选D　当以葡萄糖为呼吸底物进行有氧呼吸时，细胞吸收O2量等于产生CO2量，若同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，则产生CO2量大于吸收O2量。当产物是乳酸时，细胞既不吸收O2，也不释放CO2。
2．(多选)如图是某研究性学习小组为了探究酵母菌的细胞呼吸类型而设计的实验装置(酵母菌利用葡萄糖作为能源物质)，下列有关实验装置和结果的分析，正确的是(　　)
A．通过装置1仅仅能探究出酵母菌是否进行有氧呼吸
B．用水代替NaOH溶液设置装置2，通过装置2液滴的移动情况可以探究出酵母菌是否进行无氧呼吸
C．用水代替NaOH溶液设置装置2，如果装置1中液滴左移，装置2中液滴右移，说明酵母菌既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸
D．用水代替NaOH溶液设置装置2，装置2中液滴可能向左移
解析：选ABC　烧杯中的NaOH溶液能吸收细胞呼吸产生的CO2，所以液滴移动的距离代表细胞呼吸消耗O2的量，因此通过装置1仅仅能探究出酵母菌是否进行有氧呼吸。用水代替NaOH溶液设置装置2，由于水不吸收气体也不释放气体，所以液滴移动的距离代表细胞呼吸释放的CO2量与消耗O2量的差值，如果液滴移动说明酵母菌进行了无氧呼吸，如果液滴不移动，说明酵母菌不进行无氧呼吸。用水代替NaOH溶液设置装置2，如果装置1中液滴左移，说明有O2的消耗，可以推断出酵母菌进行了有氧呼吸；装置2中液滴右移，说明细胞呼吸释放的CO2量多于O2的消耗量，推断出酵母菌还进行了无氧呼吸。用水代替NaOH溶液设置装置2，由于葡萄糖作底物不可能出现O2的消耗量大于CO2的释放量的情况，所以装置2中液滴不可能向左移。
3．呼吸熵(RQ)指单位时间内进行呼吸作用的生物释放二氧化碳量与吸收氧气量的比值(RQ＝释放的二氧化碳体积/消耗的氧气体积)。下图表示测定消毒过的萌发的小麦种子呼吸熵的实验装置。请分析回答：
(1)实验装置乙中，KOH溶液中放置筒状滤纸的目的是__________________________。
(2)假设小麦种子只以糖类为呼吸底物，在25 ℃下经10 min观察墨滴的移动情况，如果发现甲装置中墨滴不动，乙装置中墨滴左移，则10 min内小麦种子进行________过程；如果发现甲装置中墨滴右移，乙装置中墨滴不动，则10 min内小麦种子进行________过程。
(3)在25 ℃下10 min内，如果甲装置中墨滴右移30 mm，乙装置中墨滴左移200 mm，则萌发小麦种子的呼吸熵是________。
(4)为校正装置甲中因物理因素引起的气体体积变化，还应设置一个对照装置。对照装置的大试管和小烧杯中应分别放入____________________________________。
解析：(1)KOH溶液扩散到筒状滤纸上，能增大吸收CO2的面积。(2)甲装置中放置的是清水，不吸收CO2，若墨滴不动，说明产生的CO2量正好与消耗的O2量相等；乙装置中放置的是KOH，能吸收CO2，若墨滴左移，说明消耗了O2，结合甲、乙可知10 min内小麦种子进行了有氧呼吸过程。若甲装置中墨滴右移，说明产生的CO2量大于消耗的O2量；乙装置中墨滴不动，说明没有消耗O2，结合甲、乙可知10 min内小麦种子进行了无氧呼吸。(3)乙装置中墨滴左移200 mm是消耗的O2的体积，与甲装置对照分析可知释放的CO2体积为230 mm，所以呼吸熵为230/200＝1.15。(4)为校正误差，对照组应用煮沸杀死的萌发的小麦种子和清水。
答案：(1)增大吸收CO2的面积　(2)有氧呼吸　无氧呼吸　(3)1.15　(4)煮沸杀死的萌发的小麦种子、清水
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