【人教生物必修1知识梳理及训练】5.3 细胞呼吸的原理和应用 第1课时 细胞呼吸的方式及有氧呼吸（含解析）

生物学 必修1［RJ］（不定项）
人教生物必修1知识梳理及训练
5.3 细胞呼吸的原理和应用
第1课时　细胞呼吸的方式及有氧呼吸
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知识点1　细胞呼吸的方式
1.呼吸作用的实质：细胞内的有机物氧化分解，并释放能量。
2.细胞呼吸类型：有氧呼吸和无氧呼吸。
3.探究酵母菌细胞呼吸的方式
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（1）提出问题：酵母菌在有氧和无氧条件下都能产生二氧化碳吗？酒精是在什么条件下产生的？
（2）作出假设：酵母菌在有氧和无氧的条件下都产生二氧化碳，且在有氧的条件下产生更多的二氧化碳；酵母菌在无氧条件下产生酒精。
（3）设计方案
①材料选择
食用酵母菌、质量分数为5%的葡萄糖溶液、质量分数为10%的NaOH溶液、澄清石灰水、溴麝香草酚蓝溶液、重铬酸钾溶液、质量分数为95%～97%的浓硫酸溶液、锥形瓶等。
②变量的分析和控制
自变量 氧气的有无
如何控制自变量 通入氧气（橡皮球或气泵用于控制有氧条件）；密闭
因变量 有无CO2产生，CO2产生的多少，有无酒精产生
因变量检测方法 INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\295SW47教.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\295SW47教.TIF" \* MERGEFORMAT
无关变量 温度、试剂用量等，要遵循等量原则
（4）实施方案
①酵母菌培养液的配制：取20 g新鲜的食用酵母菌，分成两等份，分别放入锥形瓶A（500 mL）和锥形瓶B（500 mL）中。向锥形瓶A、B中分别加入240 mL质量分数为5%的葡萄糖溶液。
②连接装置
③产物检测
注意
由于葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化，因此，应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖。
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1.配制葡萄糖溶液时，对葡萄糖溶液进行煮沸、冷却的目的？
提示：葡萄糖溶液煮沸的目的：加热杀死杂菌；排出葡萄糖溶液中溶解的氧气。
葡萄糖溶液煮沸后冷却的目的：防止酵母菌体内的酶高温下失活。
2.甲组中NaOH的作用？间歇性通空气的原因？
提示：NaOH的作用：吸收CO2，保证通入酵母菌培养液中的气体不含CO2，避免对实验结果的干扰。
间歇性通空气的原因：使NaOH充分吸收CO2，保证使澄清石灰水变浑浊的CO2为酵母菌产生。
3.乙组中，B瓶封口放置一段时间后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶的原因？
提示：让酵母菌将瓶中氧气耗尽，保证通入澄清石灰水的是无氧呼吸产生的CO2。
（5）实验结果
观察项目 有氧呼吸装置（甲） 无氧呼吸装置（乙）
澄清石灰水出现浑浊所需时间及浑浊程度比较 短且浑浊程度较大 长且浑浊程度较小
溴麝香草酚蓝溶液变色情况比较 变黄且时间短 变黄且时间长
酸性重铬酸钾检验情况比较 不变色 由橙色变成灰绿色
（6）实验结论
①酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸，产生大量的CO2。
②在无氧条件下进行无氧呼吸，无氧呼吸的产物有酒精，同时也产生少量的CO2。
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4.（实践应用）酿酒业常用的菌种是酵母菌，在利用酵母菌酿酒时，发酵池往往封入一部分空气，为什么？
提示：酵母菌是兼性厌氧菌，有氧时进行有氧呼吸，大量繁殖获得大量菌种，把氧气耗尽，然后进行无氧呼吸产生酒精。
4.科学方法——对比实验
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，这样的实验叫作对比实验，也叫相互对照实验。在探究酵母菌在不同氧气条件下细胞呼吸的方式活动中，有氧和无氧两种条件都是实验组，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。
知识点2　有氧呼吸
1.场所：细胞质基质、线粒体
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2.有氧呼吸的总反应式
C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量
3.有氧呼吸过程
阶段 场所 物质变化 放能多少
第一阶段 细胞质基质 葡萄糖2丙酮酸＋4[H] 少量
第二阶段 线粒体基质 2丙酮酸＋6H2O6CO2＋20[H] 少量
第三阶段 线粒体内膜 24[H]＋6O212H2O 大量
注：[H]是指NADH（还原型辅酶Ⅰ）。
4.有氧呼吸的能量转化
5.有氧呼吸的概念：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CO2和水，释放能量，生成大量ATP的过程。
6.同有机物在生物体外的燃烧相比，有氧呼吸特点：有氧呼吸过程温和；有机物中的能量经过一系列的化学反应逐步释放；这些能量有相当一部分储存在ATP中。
易错提醒
（1）葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质，但不是唯一的物质。
（2）葡萄糖不能进入线粒体，需要在细胞质基质中分解为丙酮酸和[H]后，丙酮酸才能进入线粒体中进一步分解。
（3）真核细胞中哺乳动物成熟的红细胞、蛔虫无线粒体，只能进行无氧呼吸。线粒体不是进行有氧呼吸必需的结构，如蓝细菌（原核生物）无线粒体，但能进行有氧呼吸。
（4）能量不可写成ATP，有氧呼吸释放的能量大部分以热能形式散失，少量储存到ATP中。
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INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\本节聚焦.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\本节聚焦.TIF" \* MERGEFORMAT
1.有氧呼吸过程中物质的变化？
答案　第一阶段：1分子葡萄糖分解成2分子的丙酮酸，产生少量的[H]。
第二阶段：丙酮酸和水彻底分解成CO2和[H]。
第三阶段：前两阶段产生的[H]，经一系列反应，与O2结合形成水。
2.有氧呼吸中能量是如何转化的？
答案　有机物（葡萄糖）中的稳定的化学能，经过一系列的化学反应逐步释放；这些能量大部分以热能的形式散失，少部分储存在ATP中。
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1.（目标1）在探究酵母菌细胞呼吸方式的实验中，质量分数为10%的NaOH溶液的作用是（　　）
A.吸收空气中的O2 B.吸收空气中的CO2
C.检测酒精的产生 D.检测CO2的产生
答案　B
2.（目标1）下列有关探究酵母菌细胞呼吸方式的实验的说法，不正确的是（　　）
A.该实验采取的方法是类比实验法
B.可用酸性的重铬酸钾溶液来检测酒精的存在
C.可用澄清的石灰水来检测二氧化碳的存在
D.在无氧呼吸的装置中，需将酵母液反应一段时间后再将导管通入澄清石灰水中
答案　A
解析　该实验采取的方法是对比实验法，A错误；酸性的重铬酸钾溶液遇酒精由橙色变为灰绿色，可用酸性的重铬酸钾溶液来检测酒精的存在，B正确；澄清的石灰水遇二氧化碳变浑浊，可用澄清的石灰水来检测二氧化碳的存在，C正确；在无氧呼吸的装置中，需将酵母液反应一段时间后再将导管通入澄清石灰水中，这是为消耗掉瓶中的氧气，创造无氧环境，保证通入澄清石灰水的是无氧呼吸产生的CO2，D正确。
3.（目标2）细胞呼吸过程中吸入的O2最终形成了（　　）
A.CO2 B.H2O
C.ATP D.丙酮酸
答案　B
4.（目标2）在有氧呼吸过程中，水的消耗和合成分别发生在（　　）
A.第一阶段和第二阶段
B.第三阶段和第一阶段
C.第二阶段和第三阶段
D.第三阶段和第二阶段
答案　C
5.（不定项）（目标2）如图表示细胞呼吸的过程，其中①～③代表有关生理过程发生的场所，甲、乙代表有关物质。下列相关叙述不正确的是（　　）
A.①和②都是线粒体的组成部分
B.在②和③中都能产生大量的ATP
C.在②和③中所含酶的种类相同
D.甲、乙分别代表丙酮酸、[H]
答案　ABC
解析　①表示细胞呼吸第一阶段的场所，即细胞质基质，②③表示有氧呼吸第二和第三阶段的场所，即线粒体基质和内膜，A错误；③中进行有氧呼吸的第三阶段，释放大量能量，产生大量ATP，②中进行有氧呼吸的第二阶段，释放少量能量，产生少量ATP，B错误；在②③内进行的反应不同，因此所含的酶种类不同，C错误；分析题图可知，甲是丙酮酸，乙是[H]，D正确。
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INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\题型5-3-1.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\题型5-3-1.TIF" \* MERGEFORMAT
[例1]　下图为“探究细胞呼吸的不同方式”的实验装置，下列有关叙述正确的是（　　）
A.该实验需设置有氧和无氧两种条件，其中乙组为空白对照组
B.B瓶产生酒精的速度快于D瓶
C.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
D.选用酵母菌作为实验材料是因为它与破伤风芽孢杆菌类似，可进行无氧呼吸
解题分析　该实验需设置有氧和无氧两种条件，本实验中的两套装置相互对照，即两组均为实验组，两组实验组相互对照共同探究酵母菌的呼吸方式，A错误；B瓶中酵母菌进行有氧呼吸不会产生酒精，B错误；由于酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都能产生CO2，所以该实验不能以有无CO2的产生来判断酵母菌的呼吸作用类型，C正确；酵母菌可以进行有氧呼吸和无氧呼吸，选用酵母菌作为实验材料是因为其为兼性厌氧型生物，而破伤风芽孢杆菌只能进行无氧呼吸，D错误。
答案　C
INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\题型5-3-2.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\题型5-3-2.TIF" \* MERGEFORMAT
[例2]　有氧呼吸全过程中的物质变化可分为三个阶段：①C6H12O6→丙酮酸＋[H]；②丙酮酸＋H2O→CO2＋[H]；③[H]＋O2→H2O。
下列与此相关的叙述中，正确的是（　　）
A.第③阶段反应极易进行，无需酶的催化
B.第②阶段无ATP生成，第③阶段形成较多的ATP
C.整个过程中，水既是反应物又是产物
D.第①阶段也在线粒体中进行
解题分析　有氧呼吸的三个阶段都需要酶的催化，都有ATP的产生，产生ATP最多的是第三阶段，A、B错误；水作为反应物参与了第二阶段的反应，第三阶段有水生成，C正确；第①阶段在细胞质基质中进行，D错误。
答案　C
[例3]　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代表的物质名称是氧气
C.产生①②的场所是线粒体
D.某些原核生物能完成图示全过程
解题分析　①②④分别代表有氧呼吸第一、二、三阶段释放的能量，④最大，A错误；③代表第二阶段参加反应的H2O，B错误；产生①的场所是细胞质基质，产生②的场所是线粒体基质，C错误；原核生物没有线粒体，但有些原核生物含有与有氧呼吸有关的酶，可以进行有氧呼吸，D正确。
答案　D
[例4]　细胞呼吸的第一阶段又称糖酵解，糖酵解时产生了还原型高能化合物NADH。在有氧条件下，NADH中的电子由位于线粒体内膜上的电子载体所组成的电子传递链传递，最终被O2获得。下图为线粒体内膜上电子传递和ATP的形成过程。下列说法正确的是（　　）
A.H＋通过线粒体内膜进、出膜间隙的方式相同
B.有氧呼吸过程中ATP中的能量最终来源于NADH
C.线粒体内膜两侧H＋梯度的形成与电子传递过程有关
D.NADH中的电子全部来自于糖酵解过程，最终被O2获得
解题分析　由图中信息可知：H＋由线粒体基质进入线粒体膜间隙时，是从低浓度到高浓度运输，属于主动运输，出膜间隙由高浓度到低浓度，属于被动运输，A错误；有氧呼吸过程中ATP中的能量最终来源是葡萄糖，B错误；NADH中的H＋和电子被电子载体所接受，使得线粒体内膜外侧H＋浓度升高，线粒体内膜两侧形成H＋梯度，C正确；有氧呼吸过程中NADH中的电子一部分来自于糖酵解过程，一部分来自于第二阶段，最终被O2获得，D错误。
答案　C
INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\课时作业.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\课时作业.TIF" \* MERGEFORMAT
[单项选择题]
INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\圆点.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "\\\\杨楠\\杨楠\\课件\\295生物（新必修1导学案（不定项版\\圆点.TIF" \* MERGEFORMAT 知识点一　细胞呼吸的方式
1.为了探究酵母菌细胞呼吸的方式，某同学将实验材料和用具按如图所示安装好。以下关于该实验的说法正确的是（　　）
A.两个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.装置甲中NaOH的作用是吸收Ⅰ处的CO2
答案　B
解析　酵母菌不能进行光合作用，即光照不会影响实验结果，因此研究呼吸作用，两个装置不需要在黑暗条件下进行，A错误；装置乙为无氧呼吸装置，无氧呼吸产物是二氧化碳和酒精，因此装置乙在Ⅱ处可检测到有酒精生成，B正确；此实验是对比实验，都是实验组，C错误；装置甲中NaOH的作用是吸收通入的气体中的二氧化碳，避免对实验结果的干扰，D错误。
2.在适宜的温度等条件下，某同学利用如图装置、淀粉溶液、酵母菌等进行酒精发酵的研究，其中X溶液用于检测相关的发酵产物。下列相关分析正确的是（　　）
A.淀粉的水解产物在酵母菌的线粒体基质中氧化，产生丙酮酸与[H]
B.呼吸作用产生的ATP使装置内培养液的温度升高
C.在整个发酵过程中，始终关闭气阀或频繁打开气阀都会影响酒精的产生速率
D.X溶液是溴麝香草酚蓝溶液或酸性重铬酸钾溶液，可用于检测CO2或酒精产量
答案　C
解析　淀粉的水解产物是葡萄糖，葡萄糖在酵母菌的细胞质基质中氧化，产生丙酮酸与[H]，A错误；呼吸作用产生的热能使装置内培养液的温度升高，B错误；发酵初期，打开气阀有利于酵母菌进行有氧呼吸大量繁殖，若频繁打开气阀会形成有氧条件，不利于酵母菌进行无氧呼吸产生酒精，因而始终关闭气阀或频繁打开气阀都会影响酒精的产生速率，C正确；X溶液可以是溴麝香草酚蓝溶液，用于检测CO2的产生量，若要用酸性重铬酸钾溶液检测酒精，应从酵母菌的培养液中取样，D错误。
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3.在有氧呼吸的反应阶段中，下列不在线粒体中进行的只有（　　）
A.[H]传递给氧生成水
B.C6H12O6分解为丙酮酸和[H]
C.丙酮酸与水彻底分解为CO2和[H]
D.ADP与磷酸反应生成ATP
答案　B
4.有氧呼吸第二阶段的产物是（　　）
A.H2O、CO2、ATP B.H2O、丙酮酸、[H]
C.CO2、ATP、[H] D.CO2、O2、ATP
答案　C
5.有氧呼吸过程中葡萄糖分解释放的能量（　　）
A.全部用于生物合成等生理过程
B.大部分以热能形式散失，少部分转移到ATP中
C.全部转移到ATP中
D.一部分供给生命活动需要，一部分转移到ATP中
答案　B
6.从小鼠的肝细胞中提取细胞质基质和线粒体，分别保存于试管中，置于适宜环境中进行相关实验。下列说法正确的是（　　）
A.为保持活性需将线粒体置于等渗缓冲溶液中
B.向盛有细胞质基质的试管中注入葡萄糖、通入氧气，可测得有CO2产生
C.向盛有线粒体的试管中注入葡萄糖，可测得氧的消耗量加大
D.向盛有线粒体的试管中注入丙酮酸，降低温度不改变线粒体的耗氧速率
答案　A
解析　小鼠细胞在细胞质基质进行有氧呼吸的第一阶段，小鼠有氧呼吸第一阶段不产生CO2，B错误；线粒体中只进行有氧呼吸的第二、三阶段，葡萄糖在细胞质基质中被分解成丙酮酸后才能进入线粒体，故向盛有线粒体的试管中注入葡萄糖，氧的消耗量不变，C错误；降低温度会使有氧呼吸过程相关酶的活性降低，导致线粒体的耗氧速率降低，D错误。
7.右图为显微镜下某真核细胞中线粒体及周围的局部结构图。下列相关叙述正确的是（　　）
A.结构①中发生葡萄糖的分解但不生成ATP
B.结构②上丙酮酸被彻底分解为CO2和H2O
C.结构③中[H]与O2结合生成水并释放大量能量
D.结构①②③中均有参与细胞呼吸的相关酶
答案　D
解析　结构①是细胞质基质，结构①中发生葡萄糖的分解，能释放少量能量，生成少量ATP，A错误；结构②是线粒体内膜，在内膜上[H]与O2结合生成水并释放大量能量，B错误；结构③是线粒体基质，在线粒体基质中丙酮酸和水彻底分解为CO2和[H]，C错误；结构①②③共同完成有氧呼吸，均有参与细胞呼吸的相关酶，D正确。
[不定项选择题]
8.有机物经体外燃烧和体内彻底氧化分解都会释放能量。下列相关说法中，不正确的是（　　）
A.体内彻底氧化分解有机物的过程是在温和条件下进行的
B.体内有机物内的能量是通过氧化分解逐步释放的
C.两种情况下都能产生CO2和H2O，且能量都以热能的形式放出
D.等质量的脂肪与葡萄糖相比，后者在燃烧或氧化分解时耗氧多、产能多
答案　CD
解析　体内有机物氧化分解释放的能量大部分以热能形式散失，少部分合成ATP，C错误。
9.在细胞有氧呼吸过程中，2，4－二硝基苯酚（DNP）能抑制ATP合成过程，但对水的生成没有影响。下列叙述不正确的是（　　）
A.DNP作用于肌细胞时，线粒体内膜上散失的热能将增加
B.DNP主要在线粒体基质中发挥作用
C.DNP不会影响有氧呼吸的第一阶段
D.DNP能抑制人体血液中葡萄糖进入成熟红细胞，进而抑制细胞有氧呼吸过程
答案　BCD
解析　细胞在线粒体内膜上进行有氧呼吸第三阶段，可产生较多能量，由题意可知，2，4－二硝基苯酚（DNP）能抑制ATP合成过程，DNP作用于肌细胞时，线粒体内膜上能量不能转化为ATP，故散失的热能将增加，A正确；2，4－二硝基苯酚（DNP）能抑制ATP合成过程，故DNP在ATP生成的部位均发挥作用，有氧呼吸三个阶段均产生ATP，但第三阶段产生的ATP较多，故DNP主要在线粒体内膜发挥作用，B、C错误；葡萄糖进入人体成熟红细胞的方式是协助扩散，不需要ATP提供能量，所以DNP对其没有影响，D错误。
[非选择题]
10.研究人员利用不同药物干扰线粒体膜上蛋白质的功能，得到下图曲线。请回答问题：
（1）线粒体是细胞进行　　　　的主要场所。线粒体具有　　　　层膜结构。有氧呼吸的第三阶段发生在线粒体内膜上，[H]（NADH）与氧结合形成水并释放大量能量，有一部分储存在　　　　中。
（2）据图可推测，加入药物O和R均会导致ATP合成量　　　　。
（3）对乙酰氨基酚（缩写为APAP）是一类感冒药。高浓度的APAP处理肝细胞后，测定　　　　　　　　　发现结果与药物O和R的处理结果相似，初步证实过量使用APAP会损伤肝细胞线粒体。
答案　（1）有氧呼吸　双　ATP
（2）下降
（3）线粒体的耗氧率
解析　（1）线粒体是有氧呼吸的主要场所，具有双层膜结构。有氧呼吸过程中，第三阶段的场所为线粒体内膜，前两个阶段生成的[H]与氧气结合释放能量，其中大部分能量以热能形式散失，少部分能量储存于ATP中。
（2）由图可知，加入药物O和R后，线粒体的耗氧率降低，说明有氧呼吸减弱，故ATP合成量下降。
（3）该实验用药物O和R处理后，测定的是线粒体的耗氧率，所以用APAP处理后也应该测定线粒体的耗氧率。
11.为了验证高等动物细胞有氧呼吸第二阶段发生的场所，有人进行了如下实验，请分析回答：
（1）有氧呼吸第二阶段的场所是　　　　。
（2）该实验的自变量是　　　　。
（3）根据所学知识可预测只有　　　　号试管能检测到CO2。但此人的实验结果是1号和2号试管中均检测到CO2，其实验结果与预测不相符的原因是（不考虑空气中CO2的影响，离心效果良好）　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（4）若校正了上述（3）中的问题后，发现1号、2号试管中均混有空气中的CO2，为了排除其带来的实验误差，还应该对实验设计做如下改进：
①分别为1号和2号试管设置对照组1′号和2′号试管；
②1′号和2′号试管应依次加入　　　　　　　　　　　　　　，但均不能加入　　　　。
答案　（1）线粒体基质
（2）反应场所
（3）2　肝细胞暂时保存时利用保存液中的葡萄糖进行了有氧呼吸，线粒体产生的二氧化碳扩散进入细胞质基质中，导致1号试管中检测到二氧化碳
（4）等量的细胞质基质保存液、线粒体保存液　丙酮酸
解析　（1）有氧呼吸的第二阶段发生在线粒体基质中。
（2）根据题意可知，该实验的自变量为反应场所即细胞质基质和线粒体。
（3）有氧呼吸第二阶段发生在线粒体基质中，故预测只有2号试管能检测到二氧化碳。1号试管中检测到二氧化碳可能是由于肝细胞暂时保存时利用保存液中的葡萄糖进行了有氧呼吸，线粒体产生的二氧化碳扩散进入细胞质基质中。
（4）为了排除空气中二氧化碳的影响，分别为1号和2号试管设置对照组1′号和2′号试管；1′号和2′号试管应依次加入等量的细胞质基质保存液和线粒体保存液，但不能加入丙酮酸，检测其中的二氧化碳量，与1和2号试管进行对照。
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