5.3 细胞呼吸的原理和应用（第2课时）课件(共37张PPT) 2023—2024学年高一上学期生物人教版必修1

(共37张PPT)
细胞呼吸的原理和应用（第2课时）
第3节
第5章 细胞的能量供应和利用
新叶伸向和煦的阳光，蚱蜢觊觎绿叶的芬芳。
他们为生存而获取能量，能量在细胞里流转激荡！
>>>2019人教版高中生物学必修1课件
细胞呼吸的类型和场所
科学家根据大量的实验结果得出结论：细胞呼吸可分为 有氧呼吸 和 无氧呼吸 两种类型。
细胞呼吸的主要场所：线粒体
外膜
内膜
DNA/RNA
核糖体
嵴
基质
含有许多种
与有氧呼吸有关的酶
由内膜向内折叠形成嵴，增大内膜表面积，含有许多种与有氧呼吸有关的酶。
一般地说，线粒体均匀地分布在细胞质中。但是，活细胞中的线粒体往往可以定向地运动到代谢比较旺盛的部位。
重走科学路：有氧呼吸的发现过程
资料1：将酵母菌细胞破碎后离心获得细胞质基质和线粒体，通入18O2，添加14C标记的葡萄糖，检测产物。
实验推论：
（1）葡萄糖在细胞质基质中分解，产生了丙酮酸和[H]【[H]是指NADH(还原型辅酶Ⅰ)】，还有少量ATP的合成。葡萄糖最终的分解产物是H2O和CO2。（2）葡萄糖不能被线粒体分解。
加入的细胞成分 各试管变化情况 加入荧光素和荧光素酶
细胞质基质+线粒体 葡萄糖的量减少，有14CO2、H218O 的生成 较强荧光 → 大量能量
细胞质基质 葡萄糖的量减少， 有14C标记的丙酮酸、[H]的生成 较弱荧光 → 较少能量
线粒体悬液 葡萄糖的量不变 没有荧光 → 没有能量
有氧呼吸
★葡萄糖的初步分解
第一阶段
C6H12O6
2C3H4O3
线粒体
场所：
细胞质基质
4[H] +
能量
细胞质基质
酶
加入的细胞成分 加入的反应物 各试管变化情况 加入荧光素和荧光素酶
细胞质基质 +线粒体 添加14C标记 的葡萄糖 葡萄糖的量减少， 有14CO2、H218O 的生成 较强荧光 → 大量能量
细胞质基质 葡萄糖的量减少， 有14C标记的丙酮酸、[H]的生成 较弱荧光 → 较少能量
线粒体悬液 葡萄糖的量不变 没有荧光 → 没有能量
线粒体悬液 添加14C标记 的丙酮酸 丙酮酸的量减少， 有14CO2、H218O 的生成 较强荧光 → 大量能量
重走科学路：有氧呼吸的发现过程
资料1：将酵母菌细胞破碎后离心获得细胞质基质和线粒体，通入18O2，加入相应的反应物，检测产物。
实验推论：丙酮酸在线粒体内分解，产生了CO2和H2O，还释放出大量的能量ATP。
重走科学路：有氧呼吸的发现过程
资料2：“试错法”→ 将有机物投入到组织悬浮液中保温。如果投入的某种有机物极大促进了反应的速率，则该有机物就是这一反应的中间代谢物。
资料3：1935年, 科学家发现，将少量有机酸(如苹果酸、柠檬酸)加入到切碎的动物组织中，所消耗的氧比体外有机酸氧化耗氧大得多，均可极大加快丙酮酸的氧化分解速率，在这个过程中将不断地脱氢，即产生大量[H]。简略过程如下图：
C6H12O6
丙酮酸
+ 少量能量
少量能量
CO2
[H]
[H]
有氧呼吸
★丙酮酸彻底分解
第二阶段
6CO2 +
能量
6H2O +
20[H]
C6H12O6
2C3H4O3
4[H] +
能量
酶
细胞质基质
线粒体
酶
线粒体基质
场所：
线粒体基质
重走科学路：有氧呼吸的发现过程
资料4：超声波震碎线粒体之后，内膜自然卷成了颗粒朝外的小囊泡，这些小囊泡具有氧化[H]的功能。用胰蛋白酶处理后，小囊泡不再具有氧化[H]的功能；当把这些小颗粒装上去之后，重新具有了氧化[H]的功能。这些小颗粒被证实是一系列线粒体内膜上的酶。
通过以上事实可以确定在线粒体内膜上发生什么样的反应？
线粒体内膜上的酶能促进氧气与[H]合成水。
有氧呼吸
第三阶段
6CO2 +
能量
6H2O +
20[H]
C6H12O6
2C3H4O3
4[H] +
能量
细胞质基质
酶
线粒体基质
场所：
线粒体内膜
★[H]的氧化
6O2+
12H2O +
酶
线粒体内膜
能量
O2
酶
有氧呼吸
第一阶段：葡萄糖的初步分解（场所：细胞质基质）
第二阶段：丙酮酸的彻底分解（场所：线粒体基质）
第三阶段：[H]的氧化（场所：线粒体内膜）
有氧呼吸过程
★ 有氧呼吸总反应式 ★
有氧呼吸
★ 有氧呼吸总反应式 ★
在细胞内，1mol葡萄糖彻底氧化分解可以释放出2870kJ的能量，可使977.28kJ左右的能量储存在ATP中，其余的能量则以热能的形式散失掉了。请你计算一下，有氧呼吸的能量转化效率大约是多少，这些能量大约能使多少ADP转化为ATP
思考·讨论
有氧呼吸的能量转化效率大约为34%。结合上一节所学内容，1mol ATP分子的高能键含有30.54kJ的能量，因此，1mol葡萄糖能够使32mol ADP分子转化为ATP分子。
66%
有氧呼吸
有氧呼吸与有机物体外燃烧比较
有氧呼吸具有的特点:
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
有氧呼吸释放的能量有相当一部分储存在ATP中
相同点：有氧呼吸和有机物体外燃烧的本质是一致的，都是有机物氧化分解释放能量的过程。
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？
思考·讨论
有氧呼吸逐级释放能量的方式，保证有机物中的能量得到最充分地利用，主要表现在两个方面：(1)可以使有机物中的能量逐步地转移到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。
有氧呼吸与无氧呼吸
细胞在氧气的参与下，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。
有氧呼吸
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，释放少量能量的过程。
无氧呼吸
无氧呼吸
酶
2C2H5OH + 2CO2
C6H12O6
2C3H4O3
4[H] +
能量
酶
细胞质基质
线粒体
场所：
细胞质基质
2C3H6O3
酶
第一阶段：与有氧呼吸第一阶段完全一样
第二阶段：丙酮酸在不同酶的催化下，分解为酒精和二氧化碳或者转化成乳酸。
无氧呼吸
例：高等动物（如肌细胞）、乳酸菌、高等植物的某些器官（马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚等）。
C6H12O6
酶
2C2H5OH（酒精）+ 2CO2 + 少量能量
酒精发酵
例：大多数植物（如水稻根、苹果果实）、酵母菌。
注：微生物的无氧呼吸叫做发酵。但工业上的发酵并非完全无氧，比如，醋酸发酵。
乳酸发酵
C6H12O6
2C3H6O3（乳酸）+ 少量能量
酶
无氧呼吸
同样是分解葡萄糖，无氧呼吸中葡萄糖的大部分能量仍存留在酒精或乳酸中。
比如，1mol葡萄糖分解成乳酸后，只释放出196.65kJ的能量，其中只有61.08kJ的能量储存在ATP中，近69%的能量都以热能形式散失了。
正因为如此，大部分生物体在长期缺氧状态下，无法生存。
此外，酒精和乳酸的大量积累对生物体也是有害的。
但是，无氧呼吸可作为特殊情况下有氧呼吸的补充，是生物适应性的表现。人体肌细胞无氧呼吸产生的乳酸，能在肝脏中再次转化为葡萄糖。
注：只能进行无氧呼吸的真核生物(如蛔虫)，其细胞内一般无线粒体。
有氧呼吸与无氧呼吸
有氧呼吸 与 无氧呼吸 异同点
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
不 同 点 条件 氧气、需要多种酶 无氧、需要多种酶
场所 细胞质基质(第一阶段) 线粒体(第二、三阶段) 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）
能量释放 大量 少量，未释放能量储存在酒精或乳酸中。
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，生成ATP供生命活动所需。 过程 第一阶段从葡萄糖到丙酮酸完全相同 意义 为生物体的各项生命活动提供能量 ★ 细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放能量并生成ATP的过程。
影响细胞呼吸的因素
影响细胞呼吸的内因：酶的种类和数量
第1种情况是由于遗传物质不同引起的；
第2、3种情况是由于基因的选择性表达引起的。
不同生物，细胞呼吸速率不同。
如：阳生植物 > 阴生植物，水生植物 > 旱生植物
同一个体在不同发育时期，细胞呼吸速率不同。
如：青年人 > 老年人，幼苗、开花期 > 成熟期
同一个体的不同器官，细胞呼吸速率不同。
如：肝脏细胞 > 皮肤细胞，生殖器官 > 营养器官
影响细胞呼吸的因素
影响细胞呼吸的外界因素
呼吸速率：指单位时间内呼吸作用消耗的反应物的量或生成物的产生量。
自由水量
氧气浓度
条件
温 度
产物
水的散失
CO2浓度
反应物
影响细胞呼吸的因素
影响细胞呼吸的外界因素
温度 : 通过影响酶的活性来影响呼吸速率
应用：贮存水果时，适当降低温度能延长保存时间。在农业上，夜晚适当降低温度，可以减少呼吸作用对有机物的消耗。
呼吸速率
0 温度/℃
曲线解读：
① 一定温度范围内，随着温度升高，酶的活性不断提高，呼吸速率加快。② 达到最适温度时，细胞呼吸最强。③ 超过最适温度，呼吸酶活性降低，甚至变性失活，细胞呼吸受到抑制。
影响细胞呼吸的因素
影响细胞呼吸的外界因素
CO2浓度 : CO2是细胞呼吸的产物，从化学平衡角度分析，代谢增强，CO2浓度增加，会抑制细胞的呼吸。
应用：蔬菜和水果的保鲜过程中适当增加CO2的浓度。
水 : 水既是原料又是产物，自由水含量越多，代谢越旺盛，细胞呼吸越强。
应用：稻谷等种子在贮藏前要晾晒，甚至风干，减少水分，降低呼吸消耗。同样，干种子萌发前需浸泡，含水量增高，细胞呼吸强度增大。
影响细胞呼吸的因素
影响细胞呼吸的外界因素
O2浓度 : 一定范围内，有氧呼吸随氧气浓度升高而增强，无氧呼吸则随氧气浓度的升高而受到抑制。注意：O2浓度为5%左右时，细胞呼吸总强度最弱。
黄色代表有氧呼吸时二氧化碳的生成量
红色代表无氧呼吸产生的二氧化碳量
蓝色代表二氧化碳的总生成量
酵母菌细胞或植物器官
呼吸作用强度与氧浓度的关系
影响细胞呼吸的因素
B、C、D、 E点所表示的含义，阴影部分表示什么？
B点表示：CO2生成量最小，呼吸作用最弱，有机物消耗最少。
C点表示：无氧呼吸停止，只进行有氧呼吸的起始点。
D点表示：O2浓度为10%时，无氧呼吸消失，只进行有氧呼吸。(无氧呼吸消失点)
E点表示：无氧呼吸与有氧呼吸CO2释放量相等
阴影部分表示：无氧呼吸生成的CO2总量
A、E、C、AB段、BC段的呼吸类型分别是什么？A：只进行无氧呼吸；E：有氧和无氧呼吸；C：只进行有氧呼吸；AB：有氧呼吸和无氧呼吸；BC：有氧呼吸和无氧呼吸
影响细胞呼吸的因素
AB段CO2释放急剧减少的原因是？ BC段CO2释放不断增加的主要原因是？
随着O2浓度的增加，无氧呼吸逐渐减弱，但由于O2浓度较低，有氧呼吸也比较弱。随着O2浓度的增加，有氧呼吸逐渐加强。
储存水果的最佳点是？原因是？
B点，此时呼吸作用最弱，有机物的消耗最少。
右图中a、b、c、d各点分别对应左图中的哪段曲线？
a：A； b：AB； c：BC； d：C点及以后
1、若只产生CO2，不消耗O2，细胞呼吸作用的方式及对应点
只进行无氧呼吸（A点）
2、若产生的CO2比吸收的O2多，细胞呼吸作用的方式及对应区间
有氧呼吸与无氧呼吸同时存在。（AC段）
3、若产生CO2与吸收的O2相等，细胞呼吸作用的方式及对应区间
只进行有氧呼吸。（图中C点以后）
4、E点时，有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖是否相等？若不等，其比值为多少？
不相等； 1 : 3
影响细胞呼吸的因素
下图表示某种植物的非绿色器官在不同氧浓度下CO2的释放量与O2的吸收量的变化，思考下列问题：
细胞呼吸原理的应用
破伤风由破伤风芽孢杆菌引起，这种病菌只能进行无氧呼吸。皮肤破损较深或被锈钉扎伤后，病菌就容易大量繁殖（遇到这种情况，需要及时到医院治疗）。而且包扎伤口时，需要选用透气的消毒纱布或“创可贴”等敷料，既可为伤口敷上药物，又可为伤口创造疏松透气的环境，避免厌氧病菌的繁殖，有利于伤口愈合。
细胞呼吸原理的应用
利用麦芽、葡萄、粮食和酵母菌以及发酵罐等，在控制通气的情况下，可以生产各种酒；利用淀粉、醋酸杆菌或谷氨酸棒状杆菌以及发酵罐在控制通气的情况下，可以生产食醋或味精。
细胞呼吸原理的应用
一定范围内，有氧呼吸随氧气浓度升高而增强，无氧呼吸则随氧气浓度的升高而受到抑制。
花盆里的土壤板结后，空气不足，会影响根系生长，需要及时松土透气。
稻田也需要定期排水，否则水稻幼根因缺氧而变黑、腐烂。
细胞呼吸原理的应用
松土透气可以使跟细胞进行充分的有氧呼吸，从而有利于根系的生长和无机盐的吸收，促进作物生长，吸收更多的二氧化碳，缓解全球气候变暖现象；促进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二氧化碳，也有可能导致局部大气二氧化碳浓度上升。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。
松土是许多农作物栽培中经常采取的一项措施。试分析农田松土给农作物的生长、当地的水土保持以及全球气候变暖等方面可能带来的影响，并指出如何尽量减少不利影响。
拓展应用
细胞呼吸原理的应用
细胞呼吸要消耗有机物，使有机物积累减少。因此，对粮食储藏和果蔬保鲜来说，要设法减少细胞呼吸，尽可能减少有机物的消耗。
粮食储藏时，要注意降低温度、低氧和保持干燥，抑制细胞呼吸，延长保存期限。
为了抑制细胞呼吸，果蔬储藏时采用降低氧浓度（补充N2或CO2 ）、保持一定的湿度、降低温度等方法。
细胞呼吸原理的应用
有氧运动是人体细胞充分获得氧的情况下所进行的体育锻炼，细胞通过有氧呼吸可以获得较多的能量。相反，无氧运动是人体细胞在缺氧条件下进行的高速运动，无氧运动中肌细胞因氧不足，要靠无氧呼吸来获取能量。而无氧呼吸产生的乳酸会刺激肌细胞周围的神经末梢，使人产生肌肉酸胀乏力的感觉。
细胞呼吸原理的应用
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变成细胞内的结构。
由此可见，证据1、3和4能够支持这一论点，而论据2不支持。
运用证据和逻辑评价论点
思维训练
1、线粒体内存在于细胞DNA相似的环状DNA。
2、线粒体内的蛋白质，有少数几种由线粒DNA指导合成，绝大多数由核DNA指导合成。
3、真核细胞内的DNA具有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。
归纳·总结
第5章 第4节
下节课继续学习
光合作用与能量转化
小试牛刀
1、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。下列叙述正确的是（ ）
A
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
2、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，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
A
小试牛刀
3、如图是外界条件对植物呼吸速率的影响曲线，以下分析错误的是（ ）
A
A. 曲线Ⅰ表示有氧呼吸，曲线Ⅱ表示无氧呼吸
B. 曲线Ⅰ表示的生理过程所利用的有机物主要是葡萄糖
C. 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
D. 相对A点而言，B点所对应的氧的浓度更有利于水果的储藏
小试牛刀
结果预测和结论：
（1）若装置1中的液滴左移，装置2中的液滴不动，则说明种子只进行有氧呼吸；
（2）若装置1中的液滴不动，装置2中的液滴右移，则说明种子只进行无氧呼吸；
（3）若装置1中的液滴左移，装置2中的液滴右移，则说明种子既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸。