5.3细胞呼吸的原理和应用课件(共60张PPT)-2023-2024学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

(共60张PPT)
学习目标：
实验：探究酵母菌细胞呼吸的方式
线粒体的结构和功能
有氧呼吸与无氧呼吸的概念、过程和异同
影响细胞呼吸的因素
细胞呼吸原理在生产、生活中的应用
第5章 细胞的能量供应和利用
5.3 细胞呼吸的原理和应用
细胞呼吸：
呼吸：
机体与外界环境之间O2与CO2气体交换的过程。
高等动物：呼吸和细胞呼吸
？
酵母菌是一种单细胞真菌，它与人类的生活息息相关。
做馒头、面包，酿酒等，都是利用酵母菌的呼吸作用。
呼吸作用的实质是细胞内的有机物氧化分解，并释放能量，因此也叫细胞呼吸。
呼吸作用
细胞呼吸
酵母菌的电镜照片
（放大4750倍）
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
实验原理
酵母菌在有氧和无氧条件下都能生存，属于兼性厌氧菌，因此便于用来研究细胞呼吸的不同方式。
实验方法
对比实验：
设计和进行对比实验，分析有氧和无氧条件下酵母菌细胞呼吸的情况。
酵母菌
生活现象:
1.在通风情况下，酵母菌发酵面团，可以制成松软多孔的馒头、面包；
2.在密闭的情况下，发面会有酒精味。
3.酿酒时，用塑料膜密封酒缸口，一段时间后会发现塑料膜微微鼓胀。
2.作出假设
酵母菌在有氧条件下，产生二氧化碳，在无氧条件下产生酒精和二氧化碳。
酵母菌
CO2
酒精和CO2
有氧
无氧
1.提出问题
酵母菌是否在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸？其细胞呼吸产物是哪些？是否相同？
O2有无
细胞呼吸方式
细胞呼吸的产物（CO2/酒精等）
培养液的浓度和体积、温度、PH等
3.设计实验：
自变量：
因变量：
因变量检测指标：
无关变量：
设置2组实验：
有氧呼吸组、无氧呼吸组
（1）如何控制有氧和无氧的条件？
（2）怎样鉴定有无酒精产生？怎样对产物CO2进行检测？如何比较两种条件下产物CO2的多少？
（3）怎样保证酵母菌在整个实验中能正常生活？
设计实验：
阅读P91，思考
（1）如何控制有氧和无氧的条件？
有氧条件下的装置序号：
无氧条件下的装置序号：________。
C→A→B
或（C→B→A→B)　
D→B
汉水丑生侯伟作品
接橡皮球或气泵
CO2的检测：
①CO2使澄清的石灰水变浑浊
②CO2使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝→绿→黄
根据石灰水浑浊程度或溴麝香草酚蓝水溶液变黄时间长短，可检测酵母菌培养液中CO2产生情况（有无、多少）
CO2 ＋溴麝香草酚蓝水溶液 →由蓝变绿再变黄
溴麝香草酚蓝是一种酸碱指示剂，变色范围pH6.0(黄)～7.6(蓝)
（2）如何检测产物？
酒精的检测:
在酸性条件下，橙色的重铬酸钾与酒精反应变成灰绿色。
4.进行实验
（1）配制酵母菌培养液
①保证O2充足：
②NaOH作用：
让空气间歇性依次通过装置甲的3个瓶（约50min)
除去空气中的CO2，排除其对实验结果的干扰
（2）检测CO2的产生
有氧条件
无氧条件
确保NaOH充分吸收空气中的CO2
a.装置乙B瓶封口放置一段时间，在联通盛有澄清石灰水的锥形瓶， ，
。
b.可在B中液面上覆盖一层石蜡油， 。
（2）检测CO2的产生
③设置无氧环境：
让酵母菌消耗完瓶中原有氧气
确保生成的CO2是无氧呼吸产生的
以隔绝空气
酒精 ＋ 重铬酸钾(橙色） 灰绿色
酸性条件
分组：
分别取等量A、B瓶中酵母培养液的滤液分别放入2支试管，编号1、2。
②处理：
分别滴加0.5mL溶有0.1g重铬酸钾的浓硫酸溶液，轻轻振荡、混匀。
③观察：试管中溶液颜色变化。
（3）检测酒精的产生
2
1
5.实验结果
观察项目 有氧装置 无氧装置
澄清石灰水变浑浊程度
溴麝香草酚蓝水溶液颜色变化时间
酸性重铬酸钾检验情况
浑浊程度高
浑浊程度低
蓝→绿→黄
时间短
蓝→绿→黄
时间长
无颜色变化
橙色→灰绿色
6.实验结论
酵母菌在有氧和无氧条件下都进行细胞呼吸。
对比实验（相互对照实验）：
设置2个或2个以上的实验组。通过对结果的比较分析，探究某种因素对实验对象的影响（两个实验组结果未知）
对照实验：除了一个因素外，其余因素保持不变的实验。
O2条件对细胞呼吸的影响
1.有氧呼吸的场所？主要场所？主要场所适于进行有氧呼吸的特点有哪些？葡萄糖能否直接进入线粒体被分解？
2.有氧呼吸可以分为几个阶段？每个阶段的场所、物质和能量变化是？（请用方程式的方式表示）
3.总结有氧呼吸的总反应式
4.什么叫有氧呼吸？
5.同有机物在生物体外燃烧相比，有氧呼吸具有哪些不同的特点？
有氧呼吸最常利用的物质是葡萄糖，请阅读P92-93页，思考
外膜
基质
DNA
内膜
嵴
核糖体
RNA
线粒体结构和功能
1.结构：
2.功能：
有氧呼吸的主要场所
外膜
内膜：含有氧呼吸有关的酶
嵴（内膜某些部位向内折叠形成）
基质：含有氧呼吸有关的酶、DNA、
RNA、核糖体
C6H12O6
O2
6
H2O
12
+
+
酶
CO2+
6
H2O
6
能量
+
1mol葡萄糖
氧化分解
2870kJ
977.28kJ
32ATP
1892.72kJ
热能
能量
约34%
汉水丑生侯伟作品
约66%
2.能量转化
有机物中稳定的化学能
ATP中活跃的化学能
热能
1.总反应式
（1）
（2）
（3）
3.过程
细胞质基质
C6H12O6→2C3H4O3+4[H]+少量能量
2C3H4O3+6H2O→6CO2+20[H]+少量能量
线粒体基质
线粒体内膜
24[H]+6O2→12H2O+大量能量
酶
酶
酶
丙酮酸
能量逐步释放
[H]是一种十分简化的表达方式
NAD+ +H++2e- NADH
还原型
辅酶Ⅰ
氧化型辅酶Ⅰ
3.过程
葡萄糖不能直接进入线粒体被分解，必须在细胞质基质中分解为丙酮酸后才能进入线粒体被分解。
4.概念：
5.特点：
细胞在有氧的参与下，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。
温和条件下进行
有机物中的能量通过一系列化学反应逐步释放
释放的能量一部分储存在ATP中
P93思考：
2.与燃烧迅速释放能量相比，有氧呼吸是逐级释放能量的，这对于生物体来说具有什么意义
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级慢释放能量，这种方式保证有机物中的能量得到最充分的利用，主要表现在两个方面：
①可以使有机物中的能量连步地转移到ATP中
②能量缓慢有序地释放，有利于维持细胞的相对稳定状态。
C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 6 CO2+ 12 H2O +
能量
酶
O
O
O
【思考】
1.化学式前后的水分子能否抵消？如若不能，请说明理由？
2.水中的氧来自那种物质？
3.二氧化碳中的氧来自那种物质？
不能，
反应物的水是在线粒体基质中参与反应的，而产物中的水在线粒体内膜中产生；
反应物中水在有氧呼吸第二阶段被消耗，而产物水在有氧呼吸第三阶段产生。
拓展知识
可以。进行有氧呼吸的原核生物，例醋酸杆菌、硝化细菌。
但是如果没有线粒体的真核细胞，就只能进行无氧呼吸，例如哺乳动物成熟的红细胞、蛔虫细胞等。
与有氧呼吸相关的酶、通氧气。
4.没有线粒体可以进行有氧呼吸吗？
5.进行有氧呼吸需要什么条件？
1.无氧呼吸的场所？
2.无氧呼吸可以分为几个阶段？每个阶段的场所、物质和能量变化是？（请用方程式的方式表示）
3.总结无氧呼吸的总反应式。
4.无氧呼吸过程能量发生了什么变化？
5.什么叫无氧呼吸？
6.什么叫细胞呼吸？细胞呼吸对生物有什么意义？
请阅读P94页，思考：
三、无氧呼吸
1.总反应式
C6H12O6
酶
2C2H5OH + 2CO2 +
酶
C6H12O6
2C3H6O3 +少量能量
热能 约69%
2ATP 约31%
2.能量转化
196.65kJ
有机物中稳定的化学能
不彻底氧化产物（乳酸/酒精中的化学能）
ATP中活跃的化学能
热能
少量能量
热能
2ATP
3.过程：两个阶段，均在细胞质基质
（1）葡萄糖的初步分解，与有氧呼吸第一阶段完全相同。
C6H12O6 2C3H4O3+4[H]+少量能量
酶
（2）丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳，或者转化为乳酸。
①2C3H4O3+4[H] 2C2H5OH+2CO2
酶1
例：高等动物和人、少数高等植物（马铃薯块茎、玉米胚乳、甜菜块根）、乳酸菌
例：酵母菌、大多数植物（苹果果实、水稻根）
②2C3H4O3+4[H] 2C3H6O3
酶2
4.概念：
细胞在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机物经过不完全分解，产生二氧化碳或者其他产物，释放能量并生成ATP的过程。
6.发酵：
微生物的无氧呼吸
酒精发酵：酵母菌
乳酸发酵：乳酸菌
5.特点
条件：
场所：
能量转化：
能量释放：
无氧
细胞质基质
大部分：存留在酒精/乳酸；
少部分：ATP和热能
只在第一阶段释放少量能量，生成少量ATP
1.概念：有机物在细胞内经过一系列的 ，生成 ，释放出能量并生成 的过程。
四、细胞呼吸
氧化分解
二氧化碳或其他产物
ATP
3.分类：
类型：有氧呼吸和无氧呼吸
根据：有无O2的参与
2.实质：
分解有机物，释放能量。
（1）为生物体提供能量
细胞呼吸
能
量
热能
散失
能量
转移
ATP
ADP
Pi
能
量
细胞分裂
生长发育
生物发光、发电
主动运输
肌肉收缩
···
C6H12O6
CO2＋H2O
4.意义
（2）生物体代谢的枢纽
在细胞呼吸过程中产生的中间产物，可转化为甘油、氨基酸等非糖物质。
非糖物质代谢形成的某些产物与细胞呼吸中间产物相同，这些物质可以进一步形成葡萄糖。
蛋白质、糖类和脂质的代谢，都可以通过细胞呼吸过程联系起来。
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
不同点 呼吸场所
条件
分解产物
能量
ATP 产生阶段
相同点
主要在线粒体内
细胞质基质
氧气、多种酶
无氧气参与，多种酶
葡萄糖等有机物彻底分解形成CO2和H2O
葡萄糖等有机物分解不彻底,形成酒精和CO2、乳酸
释放大量能量
释放少量能量，大部分能量储存在乳酸或酒精中
有氧呼吸三个阶段均产生ATP
仅在第一个阶段产生ATP
①第一个阶段反应完全相同，且都在细胞质基质；
②实质相同：分解有机物，释放能量。
无氧呼吸与有氧呼吸的比较
反应式及各元素的去向
1.产物CO2中的C元素来自 ，O元素来自
。
2.产物H2O中的O元素全部来自 ，H元素来自
。
葡萄糖
葡萄糖和水
O2
葡萄糖和水
例.(2020课标全国Ⅰ)种子贮藏中需要控制呼吸作用以减少有机物的消耗。若作物种子呼吸作用所利用的物质是淀粉分解产生的葡萄糖，下列关于种子呼吸作用的叙述，错误的是(　　)
A.若产生的CO2与乙醇的分子数相等，则细胞只进行无氧呼吸
B.若细胞只进行有氧呼吸，则吸收O2的分子数与释放CO2的相等
C.若细胞只进行无氧呼吸且产物是乳酸，则无O2吸收也无CO2释放
D.若细胞同时进行有氧和无氧呼吸，则吸收O2的分子数比释放CO2的多
答案：D　
细胞呼吸速率
呼吸过程中__________速率、 速率、或者 表示。
O2消耗
CO2生成
有机物（干重）的减少速率
（一）内因：
项目 规律 举例
遗传特性 不同种类的植物呼吸速率不同 旱生植物小于水生植物，阴生植物小于阳生植物
器官类型 同植物的不同器官呼吸速率不同 生殖器官大于营养器官
生长发育阶段 同一植物的同一器官在不同的生长发育阶段呼吸速率不同 幼苗期、开花期植株器官的呼吸速率高，成熟期呼吸速率低。
五、影响细胞呼吸的因素
遗传因素（决定酶的种类和数量）
（2）各点生物学意义
①Q点：不吸收O2，释放CO2
②P点：吸收O2量=释放CO2量
③QP段(不包含Q、P点)：释放 CO2量>吸收O2量
④R点：释放CO2量最少
⑤T点：释放CO2量达到最大后不再增加
（3）在保存粮食、水果、蔬菜时，应选择 对应的O2浓度，
有机物消耗 。
（1）原理：
决定细胞呼吸的类型与强度。
只进行无氧呼吸
只进行有氧呼吸
同时进行有氧呼吸和无氧呼吸
细胞呼吸最弱，有机物消耗最少。
R点
CO2释
放
量
（二）外因
1.O2浓度
O
最少
细胞呼吸底物的量有限或酶的量有限等。
若图中的AB段与BC段的距离等长，说明此时有氧呼吸释放的CO2与无氧呼吸释放的CO2相比　　　　　　(填“一样多”“更多”或“更少”)，有氧呼吸消耗的葡萄糖量是无氧呼吸的　　　。
一样多
1/3
CO2释
放
量
O
P96例：
下图表示某种植株的非绿色器官在不同氧浓度下，O2的吸收量和CO2的释放量的变化。下列叙述正确的是
A.氧气浓度为0时，该器官不进行呼吸作用
B.氧气浓度在10%以下时，该器官只进行无氧呼吸
C.氧气浓度在10%以上时，该器官只进行有氧呼吸
D.保存该器官时，氧气浓度越低越好
C
（1）原理：
（2）应用：
冰箱（零上低温）储存蔬菜和水果）
大棚夜间或阴雨天适当降低温度
温度通过影响与细胞呼吸有关的酶活性来影响呼吸速率。
目的：降低呼吸作用消耗有机物的量
2.温度
3.pH
(1)原理：
(2)应用：
pH值通过影响酶的活性来影响呼吸速率。
O
微生物发酵时依据微生物种类调整pH
4.CO2浓度
如地窖中CO2浓度较高，O2浓度较低，适合储存蔬菜、
水果
（1）原理：
CO2是细胞呼吸的最终产物，积累过多会 (填 “促进”或“抑制”)细胞呼吸的进行。
（2）应用：
在蔬菜和水果保鲜中，增加CO2浓度可抑制细胞呼吸，减少有机物的消耗。
抑制
（1）原理
一定范围内，呼吸速率随着自由水含水量的增加而加快，随着含水量的减少而减慢。
（2）应用：
5.水含量
粮食贮藏要求干燥，减少有机物消耗。
干种子萌发前进行浸泡处理，使种子含水量增加，细胞代谢速率增强。
理想曲线，不同生物可能有差异
阅读P95，思考细胞呼吸原理在生活生产中有哪些应用？
1.为什么包扎伤口要选用透气消毒纱布或创可贴？
2.为什么利用酵母菌酿酒要先通入一定量的无菌空气，再密封？
3.为什么要给作物及时松土？为什么水稻要定期排水？
4.为什么储藏水果粮食要降低温度和氧气含量等措施来延长保质期？
5.为什么皮肤伤口较深要到医院及时注射破伤风抗毒血清？
6.为什么提倡慢跑？
细胞呼吸原理的应用
利用粮食、微生物、发酵罐等，控制通气情况，生产各种酒、食用醋、味精等。
酵母菌：酒
醋酸杆菌：醋
谷氨酸棒状杆菌：味精
原理：
酵母菌：兼性厌氧菌
醋酸杆菌：
谷氨酸棒状杆菌：有氧条件，将葡萄糖和含氮物质合成谷氨酸，进一步加工成谷氨酸钠---味精。
适宜营养、通气：有氧呼吸并大量繁殖
密封：酒精发酵
（一）有氧呼吸原理的应用
六、细胞呼吸原理的应用
1.粮食的储存：
2.果蔬、鲜花的保鲜：
3.土壤松土：
4.酒、食醋、味精的制作：
零上低温、干燥、低氧环境
减弱有氧呼吸，减少有机物的消耗
提高土壤含氧量，增强根细胞有氧呼吸，促进根系的生长和无机盐的吸收
零上低温、低氧环境，减弱有氧呼吸，减少有机物的消耗、适宜湿度(保持水分)
向发酵罐中通无菌空气，增强酵母菌、醋酸杆菌、谷氨酸棒状杆菌进行有氧呼吸，促进其大量繁殖
中耕松土
1.包扎伤口：透气纱布或创可贴
原理：既为伤口敷上药物，又创造疏松透气的环境，避免伤口处厌氧病原菌的繁殖，利于伤口痊愈。
2.皮肤破损较深或被铁锈扎伤后，清理伤口、敷药、注射破伤风抗毒血清。
原理：较深的伤口缺少氧气，破伤风芽孢杆菌会大量繁殖，引起破伤风。
伤口透气，可抑制厌氧菌繁殖。
（二）无氧呼吸原理的应用
3.稻田定期排水
原理：保证根细胞充分进行有氧呼吸，利于根系生长和对无机盐的吸收。
避免根细胞无氧呼吸产生酒精造成的对根造成毒害作用，而变黑、烂根。
4.提倡慢跑等有氧运动
原理：避免肌细胞因供氧不足进行无氧呼吸产生大量乳酸，减少肌肉酸胀乏力。
5.泡菜、酸奶的制作
6.酿酒
泡菜
酸奶
乳酸菌利用糖类无氧呼吸产生乳酸
早期通气：
后期密封发酵：
促进酵母菌有氧呼吸，利于大量繁殖
促进酵母菌无氧呼吸，利于产生酒精
P95：细胞呼吸的原理在生活和生产中得到了广泛的应用。
生活中：馒头、面包、泡菜等许多传统食品的制作
现代发酵工业生产：青霉素、味精等产品，都建立在对微生物细胞呼吸原理利用的基础上。
在农业生产上：
人们采取的很多措施也与调节呼吸作用的强度有关。
例如，中耕松土、适时排水，就是通过改善氧气供应来促进作物根系的呼吸作用，以利于作物的生长
在储藏果实、蔬菜时，往往需要采取降低温度、降低氧气含量等措施减弱果蔬的呼吸作用，以减少有机物的消耗。
例.(2011海南单科)关于细胞呼吸的叙述，正确的是
A.种子风干脱水后呼吸强度增强
B.土壤淹水可导致根系发生无氧呼吸
C.破伤风杆菌在有氧条件下能大量繁殖
D.小麦种子萌发过程中有氧呼吸逐渐减弱
答案：B
例.(2021湖南)下列有关细胞呼吸原理应用的叙述，错误的是(　　)
A.南方稻区早稻浸种后催芽过程中，常用40 ℃左右温水淋种并时常翻种，可以为种子的呼吸作用提供水分、适宜的温度和氧气
B.农作物种子入库贮藏时，在无氧和低温条件下呼吸速率降低，贮藏寿命显著延长
C.油料作物种子播种时宜浅播，原因是萌发时呼吸作用需要大量氧气
D.柑橘在塑料袋中密封保存，可以减少水分散失、降低呼吸速率，起到保鲜作用
答案：B
第三节
酵母菌细胞富含蛋白质，可以用作饲料添加剂。
在培养酵母菌用作饲料添加剂时，要给培养装置通气或进行振荡，以利于酵母菌大量繁殖。在利用酵母菌生产葡萄酒时，却需要密封发酵。
讨论：
通气：促进酵母菌进行有氧呼吸，利于酵母菌进行旺盛的细胞分裂
密封：避免空气进入，便于酵母菌在无氧条件下分解有机物产生酒精。
在有氧条件下，酵母菌分解营养物质释放的能量多，这些能量可以为酵母菌细胞进行物质代谢和细胞分裂提供充足的动力。
密封发酵时，酵母菌将有机物转化为酒精的同时，能为自己的生命活动提供少量能量。
问题探讨
1.都是培养酵母菌，为什么有的需要通气，有的却需要密封？
2.为什么通气有利于酵母菌大量繁殖？
3.在密封发酵时，酵母菌将有机物转化为酒精对它自身有什么意义？
关于真核细胞线粒体的起源，科学家提出了一种解释：约十几亿年前，有一种真核细胞吞噬了原始的需氧细菌，被吞噬的细菌不仅没有被消化分解，反而在细胞中生存下来了。需氧细菌从宿主细胞那里获取丙酮酸，宿主细胞从需氧细菌那里得到丙酮酸氧化分解释放的能量。在共同生存繁衍的过程中，需氧细菌进化为宿主细胞内专门进行细胞呼吸的细胞器。
以下哪些证据支持这一论点，哪些不支持这一论点
1.线粒体内存在与细菌DNA相似的环状DNA。
2.线粒体内的蛋白质，有少数几种由线粒体DNA指导合成，绝大多数由核DNA指导合成。
3.真核细胞内的DNA有极高比例的核苷酸序列经常不表现出遗传效应，线粒体DNA和细菌的却不是这样。
4.线粒体能像细菌一样进行分裂增殖。
【提示】这一论点含两个要点：线粒体原本是一种独立生存的细菌，后来与真核细胞共生变成细胞内的结构。
证据1、证据3和证据4，能够支持这一论点，而论据2不支持。
思维.训练
一、概念检测
1.X √ 2.C 3.B
二、拓展应用
1.提示:
松土透气可以使根细胞进行充分的有氧呼吸，从而有利于根系的生长和对无机盐的吸收，促进作物生长，吸收更多的CO2，缓解全球气候变暖现象；增强根系的水土保持能力;避免根细胞由于无氧呼吸产生酒精对根系造成的伤害。
此外，松土透气还有利于土壤中好氧微生物的生长繁殖，促使这些微生物对土壤有机物的分解，为植物生长提供更多的CO2，也有可能导致局部大气CO2浓度上升。松土不当,可能伤害植物根系;要根据不同植物、植物不同的生长阶段等，采取不同的松土方法。
2.提示:
有氧呼吸第一阶段与无氧呼吸第-阶段完全相同，都不需要氧气，都与线粒体无关。联想到地球的早期以及原核细胞的结构，可以大胆作出这样的推测:在生物进化史上先出现无氧呼吸，而后才出现有氧呼吸。继而推测，地球早期的单细胞生物只进行无氧呼吸。体内骨骼肌细胞保留进行无氧呼吸的能力，可以理解为漫长的生物进化史在人类身上留下的印记，同时也可以理解为人体在进行长跑等剧烈运动时，在供氧不足的情况下，骨骼肌细胞保留-定的无氧呼吸来供能，有一定的适应意义。