【学案】 第5章　第3节　第1课时　细胞呼吸的方式与有氧呼吸 人教版（2019）生物学 必修1

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第3节　细胞呼吸的原理和应用　第1课时　细胞呼吸的方式与有氧呼吸
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.通过探究酵母菌的细胞呼吸方式，说出细胞呼吸的类型。2.描述线粒体适于进行有氧呼吸的结构，说明有氧呼吸过程中物质与能量的变化。 1.CO2可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄。2.橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下可与酒精发生化学反应，变成灰绿色。3.有氧呼吸的反应式为：C6H12O6＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O＋能量。
[主干知识梳理]
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
1．实验原理
(1)酵母菌的代谢类型：在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。
(2)细胞呼吸方式的判断：在有氧和无氧条件下，细胞呼吸的产物不同，以此来确定酵母菌细胞呼吸的方式。
2．实验装置(填写所需试剂)
3．检测细胞呼吸产物所用试剂与实验现象
检测产物 所用试剂 实验现象
二氧化碳 澄清的石灰水 变浑浊
溴麝香草酚蓝溶液 由蓝变绿再变黄
酒精 (酸性)重铬酸钾溶液 橙色变成灰绿色
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，酵母菌通过细胞呼吸产生大量的二氧化碳和水。
(3)在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精，还产生少量的二氧化碳。
二、有氧呼吸
1．主要场所——线粒体[据图填空]
(1)写出图中序号代表的结构名称：
①外膜；②嵴；③内膜；④线粒体基质。
(2)与有氧呼吸有关的酶分布在：②、③、④。
2．过程
第一阶段 第二阶段 第三阶段
场所 细胞质基质 线粒体基质 线粒体内膜
反应物 葡萄糖 丙酮酸、水 [H]、O2
生成物 丙酮酸、[H]、ATP CO2、[H]、ATP H2O、ATP
能量 少量能量 少量能量 大量能量
3.化学反应式：C6H12O6＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O＋能量。
4．概念：细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成大量ATP的过程。
[边角知识发掘]
1．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(教材P90、91“探究·实践”)。
(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________。
答案：(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
2．细胞呼吸产生的[H]是什么物质？其成分是蛋白质吗？
____________________________________________________
提示：细胞呼吸产生的[H]是还原型辅酶Ⅰ(NADH)的简化表示方式，NADH是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原态， N指烟酰胺，A指腺嘌呤，D是二核苷酸，因此[H]的成分不是蛋白质。
[教材问题提示]
思考·讨论(教材P93)
1．有氧呼吸的能量转化效率大约为34%。结合上一节所学内容，1 mol ATP水解释放的能量高达30.54 kJ，因此，1 mol葡萄糖能够使32 mol ADP分子转化为ATP分子。
2．提示：燃烧是一种迅速释放能量的过程，而有氧呼吸过程则是逐步缓慢释放能量，这种方式保证了有机物中的能量得到最充分的利用，主要表现在两个方面：可以使有机物中的能量逐步地转移到ATP中；能量缓慢有序地释放，有利于维持细胞的相对稳定状态。
新知探究一　探究酵母菌细胞呼吸的方式
[在探究中学]
[任务驱动]　
酵母菌是兼性厌氧菌，因此可以用酵母菌来研究有氧呼吸和无氧呼吸。下面是简易的实验装置，结合该图进行探究：
1．变量的控制及实验操作
(1)本实验的自变量为氧气的有无，因变量为是否有CO2和酒精的产生。
(2)甲装置中，质量分数为10%的NaOH溶液的作用是什么？
提示：NaOH溶液的作用是除去空气中的CO2，以保证第三个锥形瓶中澄清石灰水变浑浊是由于酵母菌有氧呼吸产生的CO2所引起的。
(3)甲装置中用气泵间歇性地通入空气的目的是什么？
提示：保证酵母菌有充足的氧气，以进行有氧呼吸。
(4)乙装置中，为什么要将B瓶封口放置一段时间后，再连接盛有澄清石灰水的锥形瓶？
提示：B瓶刚封口后，有氧气存在，酵母菌进行有氧呼吸，一段时间后，B瓶中的氧消耗完，再连接盛有澄清石灰水的锥形瓶，可确保是无氧呼吸产生的CO2通入澄清的石灰水。
(5)将葡萄糖溶液先煮沸再冷却后加入锥形瓶的原因是什么？
提示：①加热煮沸后，葡萄糖溶液中的细菌会被杀死，可排除其他微生物对实验结果的影响；②加热煮沸时，可排出溶液中的O2；③若不冷却直接加入，温度过高会将酵母菌杀死。
2．代谢产物的鉴定
(1)酵母菌细胞呼吸能产生CO2，试探究如何检测CO2产生量的多少？
提示：CO2可使澄清的石灰水变浑浊，也可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄。根据石灰水浑浊程度或溴麝香草酚蓝溶液变成黄色的时间长短，可以检测酵母菌培养液中CO2产生量的多少。
(2)能否以CO2的产生为指标来确定酵母菌的细胞呼吸方式？分析原因。
提示：不能。酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都能产生CO2，故不能以CO2的产生为指标来确定酵母菌的细胞呼吸方式。应以酒精为指标，因为酵母菌只有进行无氧呼吸时才能产生酒精。
[师说重难]　
1．实验步骤
2．实验现象
澄清的石灰水的变化/出现变化的时间 橙色的酸性重铬酸钾溶液
甲组(有氧) 变浑浊/快 无变化
乙组(无氧) 变浑浊/慢 出现灰绿色
[在应用中悟]
[典例1]　下列有关“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的叙述，错误的是(　　)
A．CO2可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄
B．实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等
C．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
D．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
[解析]　CO2可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄；在该实验中，温度、pH、培养液浓度等都属于无关变量，无关变量需保持相同且适宜；酵母菌是兼性厌氧菌，有氧呼吸和无氧呼吸都有CO2生成，而CO2可使澄清石灰水变浑浊，因此通过观察澄清石灰水是否变浑浊不能判断酵母菌的呼吸方式；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。
[答案]　C
[典例2]　(2018·浙江4月选考)以酵母菌和葡萄糖为材料进行“乙醇发酵实验”，装置图如下。下列关
于该实验过程与结果的叙述，错误的是(　　)
A．将温水化开的酵母菌悬液加入盛有葡萄糖溶液的甲试管后需振荡混匀
B．在甲试管内的混合液表面需滴加一薄层液体石蜡以制造富氧环境
C．乙试管中澄清的石灰水变浑浊可推知酵母菌细胞呼吸产生了CO2
D．拔掉装有酵母菌与葡萄糖混合液的甲试管塞子后可闻到酒精的气味
[解析]　干酵母需要用温水化开，以保持酵母菌的活性；酵母菌悬液加入葡萄糖溶液后要充分振荡，使葡萄糖与酵母菌混匀并充分接触，利于发生反应。在甲试管内的混合液表面滴加一薄层液体石蜡以制造无氧环境，利于乙醇发酵。若乙试管中的澄清石灰水变浑浊，说明酵母菌细胞呼吸产生了CO2。甲试管中的酵母菌进行无氧呼吸产生酒精，酒精具有挥发性，所以拔掉甲试管塞子后可闻到酒精的气味。
[答案]　B
[在训练中评]
1．检测酵母菌细胞呼吸的产物，下列叙述正确的是(　　)
A．如果产生的气体使澄清的石灰水变浑浊，则酵母菌只进行有氧呼吸
B．如果产生的气体使溴麝香草酚蓝溶液变黄色，则酵母菌只进行无氧呼吸
C．无论进行有氧呼吸还是无氧呼吸，酵母菌都能产生CO2
D．酵母菌无氧呼吸不产生气体，但其中的产物能使酸性重铬酸钾溶液变成灰绿色
解析：选C　酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸均能产生CO2，可通过是否有酒精的产生来判断是否进行无氧呼吸，溴麝香草酚蓝溶液和澄清石灰水都是检测CO2的指示剂，酒精可用酸性重铬酸钾溶液进行检测。
2．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(　　)
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
解析：选B　两套装置均不需要在黑暗条件下进行；Ⅱ处酵母菌产生酒精；此实验是对比实验，没有对照组，都是实验组；装置甲中NaOH溶液的作用是吸收空气中的CO2。
新知探究二　有氧呼吸
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．物质转变过程分析
(1)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？
提示：因为线粒体膜上不含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)。
(2)有氧呼吸过程中，H2O参与第二阶段反应，在第三阶段产生；[H]在第一、二阶段产生，参与第三阶段的反应；O2只在第三阶段参与反应，CO2是在第二阶段产生的。
(3)若用放射性同位素18O分别标记有氧呼吸中C6H12O6中的氧和O2 中的氧，放射性会分别出现在哪种产物中？
提示：C6HO6―→C18O2；18O2―→HO。
(4)根据有氧呼吸的过程，写出有氧呼吸的反应式，并标出各元素的去向。
提示：
2．能量转化过程
有氧呼吸过程中，1 mol葡萄糖彻底氧化分解后释放出2 870 kJ的能量，其中977.28 kJ的能量储存在ATP中，其余的能量则以热能的形式散失。请你计算一下，有氧呼吸的能量转换效率大约是多少？这些能量大约能使多少个ADP转化为ATP
提示：977.28÷2 870×100%≈34.05%,977.28÷30.54＝32 (mol)。
[师说重难]　
1．细胞呼吸反应物、生成物、场所与呼吸类型的关系
2．有氧呼吸中氧元素的来源和去路
3．能量代谢
有氧呼吸三个阶段都释放能量产生ATP，细胞呼吸释放的能量大部分以热能的形式散失，少部分转移到ATP中。
[在应用中悟]
[典例1]　如图表示某绿色植物细胞内部分物质的代谢过程，下列相关叙述正确的是(　　)
A．图解中的①、②两物质依次是H2O和O2
B．有氧呼吸和无氧呼吸的终产物中都有H2O
C．图解中(三)阶段产生的能量都用于ATP的合成
D．图解中(一)、(二)两阶段产生[H]的场所都是线粒体
[解析]　根据有氧呼吸第二阶段是丙酮酸和H2O反应生成CO2和[H]，可以推知①为H2O；根据有氧呼吸第三阶段是O2和[H]反应生成H2O，可以推知②为O2。H2O是有氧呼吸的代谢终产物，无氧呼吸的代谢终产物是CO2和酒精或乳酸，没有H2O。图解中(三)阶段产生的能量大部分以热能形式散失，少部分用于ATP的合成。图解中(一)、(二)两阶段产生[H]的场所分别是细胞质基质和线粒体基质。
[答案]　A
[典例2]　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不符合的是(　　)
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
[解析]　有氧呼吸的第一阶段在细胞质基质中进行，第二、三阶段在线粒体中进行，第三阶段[H]与氧气结合才有水的生成。
[答案]　D
[在训练中评]
1．如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
解析：选D　分析题图可知，①②④分别代表有氧呼吸第一、二和三阶段所释放的能量，其中第三阶段所释放的能量④的数值最大；③代表参与第二阶段反应的原料H2O，不是O2；有氧呼吸第一阶段发生在细胞质基质中，第二和第三阶段分别发生在线粒体的基质和内膜上，三个阶段发生的场所不同，所需的酶不同；⑤代表O2，参与有氧呼吸的第三阶段，发生在线粒体内膜上。
2．如图甲是绿色植物在晴朗的白天有氧呼吸各阶段反应示意图，其中1～7表示能量或物质，图乙是线粒体简图。下列叙述错误的是(　　)
A．图甲中2→3过程，所有活细胞内都能进行
B．图甲中3→6过程，发生在图乙的②处
C．图乙的③处能发生图甲中生成4的反应
D．叶肉细胞内产生的6将全部释放到大气中
解析：选D　图甲中2→3过程表示有氧呼吸的第一阶段，与无氧呼吸的第一阶段完全相同，而活细胞都能进行细胞呼吸(有氧呼吸或无氧呼吸)；图甲中3→6过程表示有氧呼吸的第二阶段，场所是线粒体基质，即图乙的②处；图乙中③处为线粒体内膜，是有氧呼吸第三阶段的场所，发生[H]与O2结合生成水的过程，图甲中4指的是水；白天叶肉细胞中线粒体产生的6(CO2)可用于光合作用。
科学思维——对照实验与对比实验
1．对照实验
如果两组实验中，除了一个因素不同外，其余因素都相同，那么这两组实验称为对照实验。对照实验一般要设对照组和实验组。一般来说，保持原有状态的组作为对照组，人为改变条件的组作为实验组；或者是已知实验结果的组作为对照组，未知实验结果的组作为实验组。
2．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，这样的实验称为对比实验。对比实验结果事先一般均未知。对比实验不设对照组，均为实验组(或互为实验组和对照组)，是对照实验的一种特殊形式，即相当于“相互对照实验”。
在探究酵母菌细胞呼吸方式的活动中，需要设置有氧和无氧两种条件，探究酵母菌在不同氧气条件下细胞呼吸的方式，这两个实验组的结果都是事先未知的，通过对比可以看出氧气条件对细胞呼吸的影响，图示如下：
[素养评价]
1．(2020·德州期末)如图为探究酵母菌细胞呼吸方式的实验装置，有关叙述错误的是(　　)
A．装置甲和乙分别探究酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸
B．a瓶中需加入NaOH溶液用于吸收空气中的CO2
C．可依据澄清的石灰水是否变浑浊来判断酵母菌的呼吸方式
D．一段时间后向c瓶的滤液中加入酸性重铬酸钾，颜色变为灰绿色
解析：选C　装置甲连接了橡皮球或气泵，可以用来探究酵母菌的有氧呼吸，装置乙没有接橡皮球或气泵，可以用来探究酵母菌的无氧呼吸； 装置甲的a瓶中加入NaOH溶液，其作用是吸收空气中的CO2，以排除空气中CO2对实验结果的干扰，减少实验误差；由于酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都能产生CO2，所以不能依据澄清的石灰水是否变浑浊来判断酵母菌的呼吸方式；一段时间后，c瓶中酵母菌进行无氧呼吸产生了酒精，所以向c瓶的滤液中加入酸性重铬酸钾，颜色变为灰绿色。
2．现有两种淀粉酶A与B，某生物兴趣小组为探究不同温度条件下这两种淀粉酶的活性，设计实验如下：
实验原理：温度等条件可以影响酶的活性；淀粉在淀粉酶的催化作用下产生麦芽糖；用分光光度计测量溶液的吸光度时，物质含量越多，其吸光度越大，因此可测出物质的相对含量。
实验材料：一定浓度的淀粉溶液、相同浓度的淀粉酶A和淀粉酶B溶液、水浴缸、温度计等。
实验过程：如表所示。
组别步骤 1 2 3 4 5 6 7 8
Ⅰ.设置水浴缸温度/℃ 20 30 40 50 20 30 40 50
Ⅱ.取8支试管各加入淀粉溶液/mL，分别保温5 min 10 10 10 10 10 10 10 10
Ⅲ.另取8支试管各加入等量淀粉酶溶液，分别保温5 min 酶A 酶A 酶A 酶A 酶B 酶B 酶B 酶B
Ⅳ.将同组两支试管中的淀粉溶液与淀粉酶溶液混合摇匀，保温5 min
实验结果，用分光光度计对各组淀粉含量进行检测，结果如图所示。
(1)该实验的自变量是____________________________________________________，
无关变量有______________________________________________(至少写出2种)。
(2)根据实验结果分析，下列叙述正确的是________。(填编号)
A．酶A在20 ℃条件时活性较高
B．酶A的活性小于酶B的活性
C．酶B在40 ℃条件时活性较高
D．大于50 ℃条件时，酶A部分失活
(3)此实验用分光光度计检测底物淀粉的剩余量来表示酶的活性，能不能用斐林试剂检测生成物麦芽糖的含量来表示？________，原因是_________________________________。
(4)若要进一步探究酶B的最适温度，实验设计的主要思路应是____________________________________________________。
解析：(1)根据表格可以看出本实验有两个自变量，即酶的种类和温度，溶液的量、反应时间、pH等为无关变量。(2)酶A在20 ℃条件时淀粉含量较多，酶活性相对其他温度时较低，A错误。由图可知，其他条件适宜时，在20～50 ℃范围内，酶A活性在增强，酶B活性先增强后减弱，超过50 ℃时，两种酶的活性无法比较，B错误。在40 ℃条件时酶B催化后淀粉相对含量最低，说明酶B此时活性较高，C正确。在20～50 ℃范围内，酶A活性在增强，根据图中信息无法判断50 ℃以后的趋势，D错误。(3)用斐林试剂检测生成物时，需水浴加热，会对酶的活性产生影响，使实验结果不可靠。(4)若要进一步探究酶B的最适温度，应在30～50 ℃范围内设立梯度较小的分组实验，进行上述实验步骤，然后分析结果得出结论。
答案：(1)温度、酶的种类　溶液的量、反应时间、pH等　(2)C　(3)不能　斐林试剂检测时需水浴加热，会导致反应体系温度发生改变，影响实验结果　(4)在30～50 ℃之间设立较小的温度梯度的分组实验，按上述步骤进行实验，分析结果得出结论
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