第3节 细胞呼吸的原理和应用
【学习目标】
1.通过探究酵母菌细胞呼吸的方式,说出细胞呼吸的类型。(科学思维)
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。(科学探究)
3.比较有氧呼吸和无氧呼吸的异同,阐明细胞呼吸的实质,理解细胞呼吸的意义。(生命观念)
4.探讨细胞呼吸原理在生产和生活中的应用。(生命观念、社会责任)
第1课时 细胞呼吸的方式
【自主预习】
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
1.酵母菌作为实验材料的原因
酵母菌在 有氧和无氧 的条件下都能生存,属于兼性厌氧菌。
2.不同条件下的装置
(1)有氧条件装置
(2)无氧条件装置
3.检测细胞呼吸产物所用试剂与现象
检测产物 所用试剂 实验现象
二氧化碳 澄清的石灰水 石灰水 变浑浊
溴麝香草酚蓝溶液 由蓝变绿再变黄
酒精 酸性条件下的 重铬酸钾 溶液 橙色变成 灰绿色
4.结论
(1)酵母菌在 有氧和无氧 条件下都能进行细胞呼吸,其呼吸方式为 有氧呼吸和无氧呼吸 。
(2)产物
二、有氧呼吸
1.主要场所——线粒体
(1)与有氧呼吸有关的酶分布在 线粒体内膜和线粒体基质 。
(2)线粒体的分布:集中在代谢旺盛的部位。
2.化学反应式
C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O +能量
3.物质转化过程
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。
5.同有机物在生物体外的燃烧相比,有氧呼吸具有的不同点:
(1)有氧呼吸过程温和。
(2)进行有氧呼吸时,有机物中的能量经过一系列的化学反应 逐步释放 。
(3)有氧呼吸释放的能量有相当一部分储存在 ATP 中。
【微点拨】 有氧呼吸反应式中的能量与ATP的关系易错认识
有氧呼吸各个阶段的反应式和总反应式中的能量都不能写成ATP,因为ATP并不是有氧呼吸的直接产物,只是糖类等有机物氧化分解时释放的部分能量,可以用于合成ATP。
三、无氧呼吸
1.场所: 细胞质基质 。
2.类型和过程
(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。
类型 产物为酒精 产物为乳酸
第一 阶段 葡萄糖→ 丙酮酸+[H] +少量能量
第二 阶段 丙酮酸+[H]→ 酒精 +CO2 丙酮酸+[H]→ 乳酸
反应式 C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量 C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+少量能量
实例 某些植物、酵母菌等 高等动物、马铃薯块茎、甜菜根、玉米胚、乳酸菌等
3.无氧呼吸概念
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。
四、细胞呼吸的概念和意义
1.概念:也叫呼吸作用。实质是细胞内有机物氧化分解,并释放能量的过程。
2.意义:(1)细胞呼吸能为生命活动提供能量,是ATP的主要来源。(2)细胞呼吸是生物体代谢的枢纽。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。
【合作探究】
任务1 探究酵母菌细胞呼吸的方式
活动1 分析探究酵母菌细胞呼吸的方式的实验
下图是简易的实验装置,请结合该图进行以下探究:
1.本实验的自变量是什么 如何控制自变量
【提示】 自变量是有无氧气。有氧条件:用橡皮球(或气泵)充气。无氧条件:将装有酵母菌培养液的锥形瓶密封放置一段时间。
2.本实验的因变量是什么 如何检测因变量
【提示】 因变量是CO2产生的多少以及是否有酒精产生。检测CO2的多少:根据石灰的水浑浊程度或溴麝香草酚蓝溶液变黄色的时间长短。检测酒精的产生:橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与乙醇(俗称酒精)发生化学反应,变成灰绿色。
3.本实验的无关变量有哪些 如何控制无关变量
【提示】 无关变量有温度、葡萄糖溶液的浓度、酵母菌活性(酵母菌必须是新鲜的,防止酵母菌因存放时间过长而死亡,导致实验结果不明显)等。无关变量保持相同且适宜。
4.装置甲中的第一个锥形瓶中盛放的试剂是NaOH溶液,其目的是什么
【提示】 使进入A中的空气先经NaOH溶液处理,排除空气中CO2对实验结果的干扰。
5.装置乙中B瓶中的培养液未装满,瓶中还有一部分空气,需放置一段时间后,才能与装有澄清石灰水的锥形瓶连接,其目的是什么
【提示】 让酵母菌细胞先进行有氧呼吸大量繁殖,并将B瓶中的氧气消耗掉,确保产物CO2均来自无氧呼吸。
6.装置甲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。
7.在检测酒精时,为什么要将酵母菌的培养时间适当延长,以消耗尽溶液中的葡萄糖
【提示】 葡萄糖也能与酸性重铬酸钾发生颜色反应。这样做可避免葡萄糖对颜色反应的干扰。
8.结果分析
(1)甲、乙装置中的澄清石灰水都变浑浊,但是甲装置石灰水变浑浊的程度大。说明酵母菌 ,但是在有氧条件下产生的二氧化碳更多些。
(2)从A、B中各取少量培养液分别注入1、2号试管中,再分别加入0.5 mL含有重铬酸钾的浓硫酸溶液,振荡后发现1号试管中溶液不变色,2号试管中溶液变成灰绿色。这说明酵母菌 。
【提示】 (1)在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸产生二氧化碳 (2)在无氧条件下会产生酒精
9.实验结论
酵母菌的细胞呼吸有两种方式: 。
【提示】 有氧呼吸和无氧呼吸
认知生成
1.酵母菌在有氧条件下可进行有氧呼吸,在无氧条件下可进行无氧呼吸,这种可进行两种细胞呼吸方式的生物代谢类型被称为兼性厌氧型。
2.检测CO2用溴麝香草酚蓝溶液,现象为溶液由蓝变绿再变黄;检测酒精用酸性重铬酸钾溶液,现象为溶液由橙色变为灰绿色。
例1 下图是某研究小组在探究酵母菌细胞呼吸方式时的两套实验装置图,下列分析合理的是( )。
A.为检验空气中的二氧化碳是否被A瓶完全吸收,可在B瓶前加一个盛有澄清石灰水的锥形瓶
B.实验中发现C瓶先变浑浊后又变澄清了,说明实验不成功
C.实验进行一段时间后,用酸性的重铬酸钾溶液检测E瓶中物质会出现灰绿色
D.D瓶封口后应立即接通E瓶,防止D瓶中的培养液被分解完
【答案】 A
【解析】 由于二氧化碳可以使澄清石灰水变浑浊,因此可以在B瓶前加一个盛有澄清石灰水的锥形瓶,若锥形瓶中澄清石灰水不变浑浊,则说明空气中的二氧化碳被A瓶完全吸收,A合理;过量的二氧化碳会使浑浊的石灰水又变澄清,实验中发现C瓶先变浑浊后又变澄清了,说明B瓶中的酵母菌产生的二氧化碳量多,B不合理;橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下遇酒精变成灰绿色,而酵母菌无氧呼吸产生的酒精存在于D瓶中,C不合理;D瓶封口后应先放置一段时间,等酵母菌通过有氧呼吸消耗完瓶中的氧气后再接通E瓶,D不合理。
【技巧归纳】
分清实验过程中各瓶的作用:A瓶用于除去空气中的CO2;B瓶中酵母菌进行有氧呼吸;C瓶和E瓶用于检测产生的CO2;D瓶中酵母菌进行无氧呼吸。
对点练1 下列关于探究酵母菌细胞呼吸的方式实验的叙述,错误的是( )。
A.根据单位时间内澄清石灰水变浑浊的程度,可检测CO2产生量的多少
B.整个实验过程中,保证酵母菌能正常生活的重要条件是加入足量的培养液
C.该实验中不通入空气的装置属于空白对照组,整个实验属于对照实验
D.本实验的结论是酵母菌细胞既可进行有氧呼吸,也可进行无氧呼吸
【答案】 C
【解析】 由于CO2能使澄清的石灰水变浑浊,因此可根据单位时间内澄清的石灰水变浑浊的程度,来检测CO2产生量的多少,A正确;整个实验过程中,保证酵母菌能正常生活的重要条件是加入足量的培养液,B正确;该实验中不通入空气的装置和通入空气的装置都属于实验组,整个实验属于对比实验,C错误;本实验的结论是酵母菌细胞既可进行有氧呼吸,也可进行无氧呼吸,酵母菌属于兼性厌氧生物,D正确。
素能提升 对照实验和对比实验、对照实验的四种类型(科学探究能力)
1.对照实验和对比实验
对照 实验 如果两组实验中,除作为自变量的因素外,其余因素(无关变量)都保持一致,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
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,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。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”。如探究酵母菌细胞呼吸方式的实验中,有氧组和无氧组是对比实验
2.对照实验的类型和对照组、实验组的判断
空白 对照 设置两组实验,其中施加实验变量(要研究的因素)处理的为实验组,常态或未施加实验变量(要研究的因素)处理的为对照组。自变量为实验变量的有无。一般验证性实验采用空白对照
相互 对照 设置三组以上的实验,每一组既作为实验组,同时又是其他组的对照。自变量为实验变量的不同量度(或类别)。一般“探究××最适(佳)条件”的实验采用相互对照
自身 对照 实验组、对照组在同一实验对象上进行,即实验处理前的为对照组,处理后的为实验组。自变量为实验变量的处理与否,如“探究植物细胞的吸水和失水”实验
条件 对照 增设了与实验变量无关的一组实验。常结合空白对照进行,具有反证或加强作用。条件对照的目的是通过对比得出相对立的结论,以验证实验结论的正确性
例2 下列关于生物实验中“对照”及“变量”的叙述,错误的是( )。
A.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中,有氧和无氧均是自变量
B.对照实验中,只能设置一个自变量,其余因素要保持相同
C.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,过氧化氢的分解速率是因变量
D.在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中,原生质层的形态和位置变化为因变量,有空白对照
【答案】 D
【解析】 “探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中,有氧和无氧均是自变量,A正确;一组对照实验中,只能设置一个自变量,其余因素要保持相同,以排除其他因素的影响,B正确;“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,过氧化氢的分解速率是因变量,C正确;在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中,细胞外液为自变量,原生质层的形态和位置为因变量,但该实验未设置空白对照组,该实验为前后自身对照,D错误。
对点练2 (不定项)生物实验中常需要设置对照,以下对照设置错误的是( )。
A.验证酶的高效性实验中,设置肝脏研磨液和FeCl3溶液对照实验
B.研究细胞核功能的实验中,将蝾螈受精卵缢成有核和无核两部分
C.观察植物细胞质壁分离实验中,需撕取两片紫色洋葱鳞片叶表皮进行对照
D.研究温度对淀粉酶活性的影响实验中,可分别在0 ℃、20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃和100 ℃条件下进行
【答案】 C
【解析】 观察植物细胞质壁分离实验中常用紫色洋葱鳞片叶外表皮作实验材料,实验前后形成自身对照,不需要专门设计对照组,C错误;研究温度对淀粉酶活性的影响实验中,自变量是温度,可设置低温到高温的系列温度,D正确。
任务2 总结有氧呼吸和无氧呼吸过程
活动2 阅读以下材料结合课本总结有氧呼吸过程
材料一 分离酵母菌的不同结构,分别加入相同浓度的葡萄糖溶液,在其他条件均适宜的情况下,发现A组和C组中,葡萄糖(C6H12O6)含量减少的同时丙酮酸(C3H4O3)含量增加,而B组中葡萄糖(C6H12O6)含量不变。
组别 细胞结构 葡萄糖含量变化曲线
A组 细胞质基质
B组 线粒体
C组 细胞匀浆(细胞质基质和线粒体)
材料二 科学家改进实验,将检测指标改为氧气的消耗量,加入物质改为丙酮酸时,发现A组溶解氧的含量不变,而B组和C组溶解氧含量均下降。
材料三 能量可使荧光素发光,发光的强弱与能量的多少有关。在上述实验装置中加入荧光素等物质,结果如下表所示。
加入物质 A组 B组 C组
葡萄糖 较弱荧光 无荧光 较强荧光
丙酮酸 无荧光 较强荧光 较强荧光
结合以上资料回答下列问题:
(1)阅读分析材料一可知,葡萄糖分解的场所是 ,分解后的产物是 。
(2)阅读分析材料二可知,消耗氧气的场所是 。
(3)阅读分析材料三可知,产生能量较多的场所是 ,产生能量较少的场所是 。
(4)综合分析材料一、二、三,结合课本P92~93,写出有氧呼吸三个阶段的反应场所和反应式(丙酮酸分子式不作要求)。
阶段 场所 物质变化 放能
第一阶段
第二阶段
第三阶段
【提示】 (1)细胞质基质 丙酮酸 (2)线粒体 (3)线粒体 细胞质基质
(4)
阶段 场所 物质变化 放能
第一 阶段 细胞质 基质 C6H12O62C3H4O3+4[H] 少量
第二 阶段 线粒体 基质 2C3H4O3+6H2O6CO2+20[H] 少量
第三 阶段 线粒体 内膜 24[H]+6O212H2O 大量
认知生成
1.有氧呼吸第一阶段发生在细胞质基质中,而不是线粒体中。
2.有氧呼吸三个阶段产生的能量是不相同的,第三阶段产生的能量多,第一、二阶段产生的能量都很少。
3.有氧呼吸三个阶段需要的酶各不相同。
4.葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质,但不是唯一的物质。细胞呼吸的底物一般是葡萄糖,也可以是脂肪。
5.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,丙酮酸在线粒体中进一步分解。
6.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。
7.呼吸作用的实质是细胞内有机物的氧化分解,并释放能量。
8.与葡萄糖相比,用脂肪进行有氧呼吸消耗的氧气会更多,因为脂肪中氢氧比值比糖类高。
9.有氧呼吸过程中物质变化
(1)有氧呼吸的反应式及各元素的去向
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只参与第三阶段反应;CO2是在第二阶段产生的。
(2)有氧呼吸中[H]和ATP的来源和去路
物质 来源 去路
[H] 有氧呼吸:C6H12O6和H2O 有氧呼吸:与O2结合生成水
ATP 有氧呼吸:三个阶段都产生 用于各项生命活动
10.有氧呼吸中的能量代谢
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。
例3 下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】 D
【解析】 ①代表细胞质基质,②代表线粒体基质,A错误;细胞呼吸仅在③中产生大量ATP,B错误;③代表线粒体内膜,与②线粒体基质中所含酶的种类不同,C错误;葡萄糖分解产生丙酮酸和[H],甲代表丙酮酸,乙代表[H],D正确。
对点练3 下图是高等生物细胞有氧呼吸过程图,据图回答下列问题:
(1)图中①③所代表的物质分别是 、 。
(2)④⑤⑥代表能量,其中数值最大的是 (填序号)。
(3)[H]与O2结合生成②的过程,发生的场所是 。
(4)有氧呼吸的反应式: 。
【答案】 (1)丙酮酸 CO2 (2)⑥ (3)线粒体内膜
(4)C6H12O6+6H2O+6O26CO2+12H2O+能量
【解析】 (1)由图可知,①为丙酮酸,②为水,③为CO2。(2)④⑤⑥代表能量,其中有氧呼吸的第三阶段释放的能量⑥最多。(3)在有氧呼吸的第三阶段,[H]与O2结合生成水,同时释放出大量的能量,其发生的场所为线粒体内膜。(4)有氧呼吸的反应式为C6H12O6+6H2O+6O26CO2+12H2O+能量。
活动3 阅读课本P94“无氧呼吸的化学反应式”,结合下图回答问题
1.微生物的无氧呼吸可分为酒精发酵和乳酸发酵,据图分析,发生两类无氧呼吸的主要原因是什么
【提示】 由图可知,因为不同生物参与无氧呼吸过程的酶不同,所以其代谢产物不同。
2.微生物发酵在生产生活中应用广泛。酿酒利用的酵母菌,制作酸奶、酸菜所用的乳酸菌,它们在结构上的主要区别是什么
【提示】 酵母菌为真核生物,乳酸菌为原核生物,酵母菌有以核膜为界限的细胞核,而乳酸菌没有。
3.在细胞内,1 mol葡萄糖彻底氧化分解能释放出2870 kJ的能量,而1 mol葡萄糖在分解生成乳酸以后,只释放出196.65 kJ的能量,其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP中。据此分析在有氧呼吸和无氧呼吸过程中,葡萄糖中能量的主要去向分别是什么
【提示】 有氧呼吸过程中,葡萄糖氧化分解释放的能量主要以热能的形式散失;无氧呼吸过程中,葡萄糖中的能量主要留存在乳酸或酒精中,只有少量释放出来。
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。健身时提倡有氧运动,请根据有氧呼吸和无氧呼吸的产物及释放能量的多少分析原因。
【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。
认知生成
1.有氧呼吸与无氧呼吸的比较
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(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 三个阶段都能产生能量,第三阶段最多 只有第一阶段产生少量能量
相同点 反应 条件 酶和适宜温度、pH等条件
本质 氧化分解有机物,释放能量,生成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
2.“三看法”判断细胞呼吸的方式(以葡萄糖为底物)
(1)一看——反应物和产物
①消耗O2或产物中有H2O,一定存在有氧呼吸。
②产物中有酒精或乳酸,一定存在无氧呼吸。
(2)二看——物质的量的关系
根据CO2释放量与O2消耗量判断:
①不消耗O2,释放CO2→只进行产酒精的无氧呼吸。
②不消耗O2,不释放CO2→只进行产乳酸的无氧呼吸或细胞已死亡。
③CO2释放量等于O2吸收量→只进行有氧呼吸或既进行有氧呼吸又进行产乳酸的无氧呼吸。
④CO2释放量大于O2吸收量→既进行有氧呼吸又进行产酒精的无氧呼吸。
(3)三看——反应的场所
①真核细胞:若整个呼吸过程均在细胞质基质中进行,则为无氧呼吸;若部分过程在线粒体中进行,则为有氧呼吸。
②原核细胞:原核细胞没有线粒体,故原核细胞的细胞呼吸在细胞质基质和细胞膜上进行。原核细胞的呼吸方式应根据产物判断,若只有CO2和H2O产生,则为有氧呼吸,若还有酒精或乳酸产生,则还存在无氧呼吸。
3.若O2消耗量大于CO2释放量,则说明细胞呼吸底物中有脂肪。
4.细胞呼吸释放的能量,大部分以热能的形式散失,少部分储存于ATP中。
5.呼吸作用产生的[H]全称是还原型辅酶Ⅰ(NADH)。
例4 下图表示真核细胞呼吸的部分过程,可以发生在细胞质基质中的是( )。
A.①②③
B.②③④
C.①③④
D.①②④
【答案】 B
【解析】 ①表示有氧呼吸,发生在细胞质基质和线粒体中。②和③表示两种类型的无氧呼吸,均发生在细胞质基质中。④表示ATP的合成,可发生在细胞质基质中,B符合题意。
对点练4 某同学将酵母菌接种在马铃薯培养液中进行实验,不可能得到的结果是( )。
A.该菌在有氧条件下能够繁殖
B.该菌在无氧呼吸的过程中无丙酮酸产生
C.该菌在无氧条件下能够产生乙醇
D.该菌在有氧和无氧条件下都能产生CO2
【答案】 B
【解析】 酵母菌的代谢类型是兼性厌氧型,在有氧、无氧条件下均可生长繁殖,A不符合题意;酵母菌的无氧呼吸在细胞质基质中进行,第一阶段产生丙酮酸和[H],并释放少量能量,第二阶段丙酮酸被[H]还原成乙醇,并生成CO2,B符合题意,C不符合题意;酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都可以在第二阶段生成CO2,D不符合题意。
【微点拨】 有关细胞呼吸的几个易错点
1.并非有线粒体才能进行有氧呼吸,线粒体是进行有氧呼吸的主要场所,但不是唯一场所。有些没有线粒体的生物同样可以进行有氧呼吸,如某些细菌,因其细胞中含有与有氧呼吸有关的酶。
2.无氧呼吸只在第一阶段产生少量ATP,第二阶段不产生ATP。
3.无氧呼吸产物不同的原因:催化反应进行的酶的种类不同。
4.无氧呼吸不一定要在绝对无氧的条件下进行。有氧但氧气浓度较低的条件下同样可以进行无氧呼吸。
5.一般动物细胞无氧呼吸的产物为乳酸,植物细胞无氧呼吸的产物为酒精和二氧化碳,但也有例外,如马铃薯的块茎、甜菜的块根、玉米的胚等器官。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
1.判断下列说法的正误。 (1)只要检测有无CO2产生即可确定酵母菌的呼吸方式。(×) (2)根据石灰水变浑浊的程度可以确定CO2产生量的多少。 (√) (3)酒精在中性或酸性条件下与重铬酸钾溶液反应产生灰绿色。(×) (4)有氧呼吸的过程只发生在线粒体内。 (×) (5)有氧呼吸三个阶段所需要的酶是相同的。 (×) (6)需氧细菌有氧呼吸的主要场所是线粒体。 (×) 2.有氧呼吸全过程的三个阶段中,相同的产物是( )。 A.ATP B.H2O和CO2 C.H2O和丙酮酸 D.乳酸和ATP 【答案】 A 【解析】 有氧呼吸第一阶段的产物是丙酮酸、[H]和少量ATP;第二阶段的产物是CO2、[H]和少量ATP;第三阶段的产物是H2O、大量的ATP。综上可知,三个阶段的相同产物为ATP,A正确。
2(共59张PPT)
第5章 细胞的能量供应和利用
第3节 细胞呼吸的原理和应用
1.通过探究酵母菌细胞呼吸的方式，说出细胞呼吸的类型。（科学思维）
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。（科学探究）
3.比较有氧呼吸和无氧呼吸的异同，阐明细胞呼吸的实质，理解细胞呼吸的意义。（生命观念）
4.探讨细胞呼吸原理在生产和生活中的应用。（生命观念、社会责任）
第1课时 细胞呼吸的方式
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
1.酵母菌作为实验材料的原因
酵母菌在____________的条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。
有氧和无氧
2.不同条件下的装置
（1）有氧条件装置
NaOH溶液
澄清的石灰水
（2）无氧条件装置
澄清的石灰水
3.检测细胞呼吸产物所用试剂与现象
检测产物 所用试剂 实验现象
二氧化碳 澄清的石灰水 石灰水________
__________________ 由蓝变绿再变黄
酒精 酸性条件下的__________溶液 橙色变成________
变浑浊
溴麝香草酚蓝溶液
重铬酸钾
灰绿色
4.结论
（1）酵母菌在____________条件下都能进行细胞呼吸，其呼吸方式为______________
_______。
（2）
有氧条件：__________和____
无氧条件：产生______还产生少量的__________
有氧和无氧
有氧呼吸和无氧呼吸
二氧化碳
水
酒精
二氧化碳
产物
二、有氧呼吸
1.主要场所——线粒体
（1）与有氧呼吸有关的酶分布在________________________。
（2）线粒体的分布：集中在代谢旺盛的部位。
2.化学反应式
______________ 能量
线粒体内膜和线粒体基质
外膜
内膜向内折叠形成嵴
线粒体基质
3.物质转化过程
细胞质基质
少量
线粒体基质
少量
线粒体内膜
大量
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 的过程。
5.同有机物在生物体外的燃烧相比，有氧呼吸具有的不同点:
（1）有氧呼吸过程温和。
（2）进行有氧呼吸时，有机物中的能量经过一系列的化学反应__________。
（3）有氧呼吸释放的能量有相当一部分储存在_____中。
逐步释放
有氧呼吸反应式中的能量与 的关系易错认识
有氧呼吸各个阶段的反应式和总反应式中的能量都不能写成 ，因为 并不是有氧呼吸的直接产物，只是糖类等有机物氧化分解时释放的部分能量，可以用于合成 。
三、无氧呼吸
1.场所：____________。
2.类型和过程
（1）第一阶段：与__________的第一阶段完全相同。
（2）第二阶段：________在不同酶的催化作用下，分解成___________，或者转化成乳酸。
细胞质基质
有氧呼吸
丙酮酸
酒精和
类型 产物为酒精 产物为乳酸
第一阶段 葡萄糖 ____________ 少量能量
第二阶段 丙酮酸 ______ 丙酮酸 ______
反应式 ____________ _______________________ _______________________
___
实例 某些植物、酵母菌等 高等动物、马铃薯块茎、甜菜根、玉米
胚、乳酸菌等
丙酮酸
酒精
乳酸
少量能量
少量能量
3.无氧呼吸概念
在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机物经过不完全______，释放少量能量的过程。
分解
四、细胞呼吸的概念和意义
1.概念：也叫呼吸作用。实质是细胞内有机物氧化分解，并释放能量的过程。
2.意义：（1）细胞呼吸能为生命活动提供能量，是 的主要来源。（2）细胞呼吸是生物体代谢的枢纽。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。
任务1 探究酵母菌细胞呼吸的方式
活动1 分析探究酵母菌细胞呼吸的方式的实验
下图是简易的实验装置，请结合该图进行以下探究：
1.本实验的自变量是什么？如何控制自变量？
提示 自变量是有无氧气。有氧条件：用橡皮球（或气泵）充气。无氧条件：将装有酵母菌培养液的锥形瓶密封放置一段时间。
2.本实验的因变量是什么？如何检测因变量？
提示 因变量是 产生的多少以及是否有酒精产生。检测 的多少：根据石灰的水
浑浊程度或溴麝香草酚蓝溶液变黄色的时间长短。检测酒精的产生：橙色的重铬酸钾
溶液在酸性条件下与乙醇（俗称酒精）发生化学反应，变成灰绿色。
3.本实验的无关变量有哪些？如何控制无关变量？
提示 无关变量有温度、葡萄糖溶液的浓度、酵母菌活性（酵母菌必须是新鲜的，防止酵母菌因存放时间过长而死亡，导致实验结果不明显）等。无关变量保持相同且适宜。
4.装置甲中的第一个锥形瓶中盛放的试剂是 溶液，其目的是什么？
提示 使进入A中的空气先经 溶液处理，排除空气中 对实验结果的干扰。
5.装置乙中B瓶中的培养液未装满，瓶中还有一部分空气，需放置一段时间后，才能与装有澄清石灰水的锥形瓶连接，其目的是什么？
提示 让酵母菌细胞先进行有氧呼吸大量繁殖，并将B瓶中的氧气消耗掉，确保产物
均来自无氧呼吸。
6.装置甲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。
7.在检测酒精时，为什么要将酵母菌的培养时间适当延长，以消耗尽溶液中的葡萄糖？
提示 葡萄糖也能与酸性重铬酸钾发生颜色反应。这样做可避免葡萄糖对颜色反应的干扰。
8.结果分析
（1）甲、乙装置中的澄清石灰水都变浑浊，但是甲装置石灰水变浑浊的程度大。说明
酵母菌____________________________________________________，但是在有氧条件
下产生的二氧化碳更多些。
在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸产生二氧化碳
（2）从A、B中各取少量培养液分别注入1、2号试管中，再分别加入 含有重铬
酸钾的浓硫酸溶液，振荡后发现1号试管中溶液不变色，2号试管中溶液变成灰绿色。
这说明酵母菌________________________。
在无氧条件下会产生酒精
9.实验结论
酵母菌的细胞呼吸有两种方式：_________________________。
有氧呼吸和无氧呼吸
认知生成
1.酵母菌在有氧条件下可进行有氧呼吸，在无氧条件下可进行无氧呼吸，这种可进行两种细胞呼吸方式的生物代谢类型被称为兼性厌氧型。
2.检测 用溴麝香草酚蓝溶液，现象为溶液由蓝变绿再变黄；检测酒精用酸性重铬酸钾溶液，现象为溶液由橙色变为灰绿色。
例1 下图是某研究小组在探究酵母菌细胞呼吸方式时的两套实验装置图，下列分析合
理的是( )。
A.为检验空气中的二氧化碳是否被 瓶完全吸收，可在 瓶前加一个盛有澄清石灰水
的锥形瓶
B.实验中发现 瓶先变浑浊后又变澄清了，说明实验不成功
C.实验进行一段时间后，用酸性的重铬酸钾溶液检测 瓶中物质会出现灰绿色
D. 瓶封口后应立即接通 瓶，防止 瓶中的培养液被分解完
A
[解析] 由于二氧化碳可以使澄清石灰水变浑浊，因此可以在B瓶前加一个盛有澄清石
灰水的锥形瓶，若锥形瓶中澄清石灰水不变浑浊，则说明空气中的二氧化碳被A瓶完
全吸收，A合理；过量的二氧化碳会使浑浊的石灰水又变澄清，实验中发现C瓶先变浑
浊后又变澄清了，说明B瓶中的酵母菌产生的二氧化碳量多，B不合理；橙色的重铬酸
钾溶液在酸性条件下遇酒精变成灰绿色，而酵母菌无氧呼吸产生的酒精存在于D瓶中，
C不合理；D瓶封口后应先放置一段时间，等酵母菌通过有氧呼吸消耗完瓶中的氧气后
再接通 瓶，D不合理。
分清实验过程中各瓶的作用：A瓶用于除去空气中的 ；B瓶中酵母菌进行有氧
呼吸；C瓶和 瓶用于检测产生的 ；D瓶中酵母菌进行无氧呼吸。
对点练1 下列关于探究酵母菌细胞呼吸的方式实验的叙述，错误的是( )。
C
A.根据单位时间内澄清石灰水变浑浊的程度，可检测 产生量的多少
B.整个实验过程中，保证酵母菌能正常生活的重要条件是加入足量的培养液
C.该实验中不通入空气的装置属于空白对照组，整个实验属于对照实验
D.本实验的结论是酵母菌细胞既可进行有氧呼吸，也可进行无氧呼吸
[解析] 由于 能使澄清的石灰水变浑浊，因此可根据单位时间内澄清的石灰水变浑浊的程度，来检测 产生量的多少，A正确；整个实验过程中，保证酵母菌能正常生活的重要条件是加入足量的培养液，B正确；该实验中不通入空气的装置和通入空气的装置都属于实验组，整个实验属于对比实验，C错误；本实验的结论是酵母菌细胞既可进行有氧呼吸，也可进行无氧呼吸，酵母菌属于兼性厌氧生物，D正确。
素能提升 对照实验和对比实验、对照实验的四种类型（科学探究能力）
1.对照实验和对比实验
对照 实验 如果两组实验中，除作为自变量的因素外，其余因素（无关变量）都保持一
致，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
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，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。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”。如探究酵母菌细胞呼吸方式的实验中，
有氧组和无氧组是对比实验
2.对照实验的类型和对照组、实验组的判断
空白 对照 设置两组实验，其中施加实验变量（要研究的因素）处理的为实验组，常态
或未施加实验变量（要研究的因素）处理的为对照组。自变量为实验变量的
有无。一般验证性实验采用空白对照
相互 对照 设置三组以上的实验，每一组既作为实验组，同时又是其他组的对照。自变
量为实验变量的不同量度（或类别）。一般“探究 最适（佳）条件”的实
验采用相互对照
自身 对照 实验组、对照组在同一实验对象上进行，即实验处理前的为对照组，处理后
的为实验组。自变量为实验变量的处理与否，如“探究植物细胞的吸水和失
水”实验
条件 对照 增设了与实验变量无关的一组实验。常结合空白对照进行，具有反证或加强
作用。条件对照的目的是通过对比得出相对立的结论，以验证实验结论的正
确性
续表
例2 下列关于生物实验中“对照”及“变量”的叙述，错误的是( )。
D
A.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中，有氧和无氧均是自变量
B.对照实验中，只能设置一个自变量，其余因素要保持相同
C.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，过氧化氢的分解速率是因变量
D.在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，原生质层的形态和位置变化为因变量，有空白对照
[解析] “探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中，有氧和无氧均是自变量，A正确；一组对照实验中，只能设置一个自变量，其余因素要保持相同，以排除其他因素的影响，B正确；“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，过氧化氢的分解速率是因变量，C正确；在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，细胞外液为自变量，原生质层的形态和位置为因变量，但该实验未设置空白对照组，该实验为前后自身对照，D错误。
对点练2 （不定项）生物实验中常需要设置对照，以下对照设置错误的是( )。
C
A.验证酶的高效性实验中，设置肝脏研磨液和 溶液对照实验
B.研究细胞核功能的实验中，将蝾螈受精卵缢成有核和无核两部分
C.观察植物细胞质壁分离实验中，需撕取两片紫色洋葱鳞片叶表皮进行对照
D.研究温度对淀粉酶活性的影响实验中，可分别在 、 、 、 、
和 条件下进行
[解析] 观察植物细胞质壁分离实验中常用紫色洋葱鳞片叶外表皮作实验材料，实验前后形成自身对照，不需要专门设计对照组，C错误；研究温度对淀粉酶活性的影响实验中，自变量是温度，可设置低温到高温的系列温度，D正确。
任务2 总结有氧呼吸和无氧呼吸过程
活动2 阅读以下材料结合课本总结有氧呼吸过程
材料一 分离酵母菌的不同结构，分别加入相同浓度的葡萄糖溶液，在其他条件均
适宜的情况下，发现A组和C组中，葡萄糖 含量减少的同时丙酮酸
含量增加，而B组中葡萄糖 含量不变。
组别 细胞结构 葡萄糖含量变化曲线
A组 细胞质基质
组别 细胞结构 葡萄糖含量变化曲线
B组 线粒体
C组 细胞匀浆（细胞 质基质和线粒 体）
续表
材料二 科学家改进实验，将检测指标改为氧气的消耗量，加入物质改为丙酮酸时，发现A组溶解氧的含量不变，而B组和C组溶解氧含量均下降。
材料三 能量可使荧光素发光，发光的强弱与能量的多少有关。在上述实验装置中加入荧光素等物质，结果如下表所示。
加入物质 A组 B组 C组
葡萄糖 较弱荧光 无荧光 较强荧光
丙酮酸 无荧光 较强荧光 较强荧光
结合以上资料回答下列问题：
（1）阅读分析材料一可知，葡萄糖分解的场所是________________，分解后的产物是
________。
细胞质基质
丙酮酸
（2）阅读分析材料二可知，消耗氧气的场所是________。
线粒体
（3）阅读分析材料三可知，产生能量较多的场所是________，产生能量较少的场所是
____________。
线粒体
细胞质基质
（4）综合分析材料一、二、三，结合课本P92～93，写出有氧呼吸三个阶段的反应场所和反应式（丙酮酸分子式不作要求）。
阶段 场所 物质变化 放能
第一阶段 ____________ _ _________________________ ______
第二阶段 ____________ _ ______________________________ ______
第三阶段 ____________ _ ____________________ ______
细胞质基质
少量
线粒体基质
少量
线粒体内膜
大量
认知生成
1.有氧呼吸第一阶段发生在细胞质基质中，而不是线粒体中。
2.有氧呼吸三个阶段产生的能量是不相同的，第三阶段产生的能量多，第一、二阶段产生的能量都很少。
3.有氧呼吸三个阶段需要的酶各不相同。
4.葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质，但不是唯一的物质。细胞呼吸的底物一般是葡萄糖，也可以是脂肪。
5.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 后，丙酮酸在线粒
体中进一步分解。
6.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。
7.呼吸作用的实质是细胞内有机物的氧化分解，并释放能量。
8.与葡萄糖相比，用脂肪进行有氧呼吸消耗的氧气会更多，因为脂肪中氢氧比值比糖类高。
9.有氧呼吸过程中物质变化
（1）有氧呼吸的反应式及各元素的去向
有氧呼吸过程中， 参与第二阶段反应，在第三阶段产生； 在第一、二阶段产
生，参与第三阶段的反应； 只参与第三阶段反应； 是在第二阶段产生的。
（2）有氧呼吸中 和 的来源和去路
物质 来源 去路
有氧呼吸： 和 有氧呼吸：与 结合生成水
有氧呼吸：三个阶段都产生 用于各项生命活动
10.有氧呼吸中的能量代谢
有氧呼吸三个阶段都释放能量产生 ，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 中。
例3 下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。下列相关叙述正确的是( )。
D
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
C.在②和③中所含酶的种类相同
D.甲、乙分别代表丙酮酸、
[解析] ①代表细胞质基质，②代表线粒体基质，A错误；细胞呼吸仅在③中产生大量
，B错误；③代表线粒体内膜，与②线粒体基质中所含酶的种类不同，C错误；葡
萄糖分解产生丙酮酸和 ，甲代表丙酮酸，乙代表 ，D正确。
对点练3 下图是高等生物细胞有氧呼吸过程图，据图回答下列问题：
（1）图中①③所代表的物质分别是________、_____。
丙酮酸
[解析] 由图可知，①为丙酮酸，②为水，③为 。
（2）④⑤⑥代表能量，其中数值最大的是____（填序号）。
⑥
[解析] ④⑤⑥代表能量，其中有氧呼吸的第三阶段释放的能量⑥最多。
（3） 与 结合生成②的过程，发生的场所是____________。
线粒体内膜
[解析] 在有氧呼吸的第三阶段， 与 结合生成水，同时释放出大量的能量，其发
生的场所为线粒体内膜。
（4）有氧呼吸的反应式：_ ___________________________________________。
能量
[解析] 有氧呼吸的反应式为 能量。
活动3 阅读课本P94“无氧呼吸的化学反应式”，结合下图回答问题
1.微生物的无氧呼吸可分为酒精发酵和乳酸发酵，据图分析，发生两类无氧呼吸的主要原因是什么？
提示 由图可知，因为不同生物参与无氧呼吸过程的酶不同，所以其代谢产物不同。
2.微生物发酵在生产生活中应用广泛。酿酒利用的酵母菌，制作酸奶、酸菜所用的乳酸菌，它们在结构上的主要区别是什么？
提示 酵母菌为真核生物，乳酸菌为原核生物，酵母菌有以核膜为界限的细胞核，而乳酸菌没有。
3.在细胞内， 葡萄糖彻底氧化分解能释放出 的能量，而 葡萄糖在
分解生成乳酸以后，只释放出 的能量，其中只有 的能量储存在
中。据此分析在有氧呼吸和无氧呼吸过程中，葡萄糖中能量的主要去向分别是什么？
提示 有氧呼吸过程中，葡萄糖氧化分解释放的能量主要以热能的形式散失；无氧呼吸过程中，葡萄糖中的能量主要留存在乳酸或酒精中，只有少量释放出来。
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。健身时提倡有氧运动，请根据有氧呼吸和无氧呼吸的产物及释放能量的多少分析原因。
提示 有氧呼吸的产物是 和 ，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。
认知生成
1.有氧呼吸与无氧呼吸的比较
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（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 、 乳酸或酒精和
能量释放 三个阶段都能产生能量，第三阶 段最多 只有第一阶段产生少量能
量
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
相同点 反应条件 酶和适宜温度、 等条件
本质 氧化分解有机物，释放能量，生成
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
续表
2.“三看法”判断细胞呼吸的方式（以葡萄糖为底物）
（1）一看——反应物和产物
①消耗 或产物中有 ，一定存在有氧呼吸。
②产物中有酒精或乳酸，一定存在无氧呼吸。
（2）二看——物质的量的关系
根据 释放量与 消耗量判断：
①不消耗 ，释放 只进行产酒精的无氧呼吸。
②不消耗 ，不释放 只进行产乳酸的无氧呼吸或细胞已死亡。
③ 释放量等于 吸收量 只进行有氧呼吸或既进行有氧呼吸又进行产乳酸的无
氧呼吸。
④ 释放量大于 吸收量 既进行有氧呼吸又进行产酒精的无氧呼吸。
（3）三看——反应的场所
①真核细胞：若整个呼吸过程均在细胞质基质中进行，则为无氧呼吸；若部分过程在线粒体中进行，则为有氧呼吸。
②原核细胞：原核细胞没有线粒体，故原核细胞的细胞呼吸在细胞质基质和细胞膜上进行。原核细胞的呼吸方式应根据产物判断，若只有 和 产生，则为有氧呼吸，若还有酒精或乳酸产生，则还存在无氧呼吸。
3.若 消耗量大于 释放量，则说明细胞呼吸底物中有脂肪。
4.细胞呼吸释放的能量，大部分以热能的形式散失，少部分储存于 中。
5.呼吸作用产生的 全称是还原型辅酶Ⅰ（NADH）。
例4 下图表示真核细胞呼吸的部分过程，可以发生在细胞
质基质中的是( )。
B
A.①②③ B.②③④ C.①③④ D.①②④
[解析] ①表示有氧呼吸，发生在细胞质基质和线粒体中。②和③表示两种类型的无氧
呼吸，均发生在细胞质基质中。④表示 的合成，可发生在细胞质基质中，B符合
题意。
对点练4 某同学将酵母菌接种在马铃薯培养液中进行实验，不可能得到的结果是
( )。
B
A.该菌在有氧条件下能够繁殖
B.该菌在无氧呼吸的过程中无丙酮酸产生
C.该菌在无氧条件下能够产生乙醇
D.该菌在有氧和无氧条件下都能产生
[解析] 酵母菌的代谢类型是兼性厌氧型，在有氧、无氧条件下均可生长繁殖，A不符
合题意；酵母菌的无氧呼吸在细胞质基质中进行，第一阶段产生丙酮酸和 ，并释
放少量能量，第二阶段丙酮酸被 还原成乙醇，并生成 ，B符合题意，C不符合
题意；酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都可以在第二阶段生成 ，D不符合题意。
&2& 有关细胞呼吸的几个易错点
1.并非有线粒体才能进行有氧呼吸，线粒体是进行有氧呼吸的主要场所，但不是唯一场所。有些没有线粒体的生物同样可以进行有氧呼吸，如某些细菌，因其细胞中含有与有氧呼吸有关的酶。
2.无氧呼吸只在第一阶段产生少量 ，第二阶段不产生 。
3.无氧呼吸产物不同的原因：催化反应进行的酶的种类不同。
4.无氧呼吸不一定要在绝对无氧的条件下进行。有氧但氧气浓度较低的条件下同样可以进行无氧呼吸。
5.一般动物细胞无氧呼吸的产物为乳酸，植物细胞无氧呼吸的产物为酒精和二氧化碳，但也有例外，如马铃薯的块茎、甜菜的块根、玉米的胚等器官。
课堂小结
课堂小测
1.判断下列说法的正误。
（1）只要检测有无 产生即可确定酵母菌的呼吸方式。( )
×
（2）根据石灰水变浑浊的程度可以确定 产生量的多少。( )
√
（3）酒精在中性或酸性条件下与重铬酸钾溶液反应产生灰绿色。( )
×
（4）有氧呼吸的过程只发生在线粒体内。( )
×
（5）有氧呼吸三个阶段所需要的酶是相同的。( )
×
（6）需氧细菌有氧呼吸的主要场所是线粒体。( )
×
2.有氧呼吸全过程的三个阶段中，相同的产物是( )。
A
A. B. 和 C. 和丙酮酸 D.乳酸和
[解析] 有氧呼吸第一阶段的产物是丙酮酸、 和少量 ；第二阶段的产物是 、 和少量 ；第三阶段的产物是 、大量的 。综上可知，三个阶段的相同产物为 ， A 正确。
