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第三节
第三章 细胞中能量的转换和利用
细胞呼吸——能量的转化和利用
学习目标
1.概述有氧呼吸的三个阶段。
2.阐明无氧呼吸的过程和类型。
3.探究酵母菌的呼吸方式。
4.说出细胞呼吸产生能量的利用实例。
一、细胞有氧呼吸是大多数生物获取能量的主要途径
内容索引
课时对点练
二、无氧呼吸与细胞呼吸产生能量的利用
一
细胞有氧呼吸是大多数生物获取能量的主要途径
教材梳理
1.细胞呼吸
(1)概念：糖类、脂质和蛋白质等_______在活细胞内氧化分解为____或其他物质，同时释放出能量并生成_____的过程。
(2)本质：将_____在有机物中的能量转化为生命活动能_________的能量。
(3)类型：_________和_________。
有机物
CO2
ATP
储存
直接利用
有氧呼吸
无氧呼吸
2.有氧呼吸
(1)概念：在氧的参与下，细胞内的有机物______氧化分解产生二氧化碳和水，同时释放______，生成______ATP的过程。
(2)过程
彻底
能量
大量
细胞质基质
丙酮酸
[H]
线粒体基质
乙酰辅酶A
柠檬酸
CO2
线粒体内膜
能量
(3)总反应式：___________________________________________。
(1)细胞呼吸时只能消耗糖类( )
(2)有氧呼吸全部在线粒体中进行( )
(3)氧气作为反应物参与有氧呼吸的第二、三阶段( )
(4)有氧呼吸第三阶段既消耗水又产生水( )
×
×
×
×
任务一：有氧呼吸的第一阶段
分析实验一的过程及其结果，回答相关问题：
实验一 将酵母菌细胞破碎后进行离心处理，获得上清液和沉淀物两部分，与未离心、处理过的酵母菌培养液分别加入等量的氧气、葡萄糖、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管的变化情况。
1号试管：只含线粒体。
2号试管：只含细胞质基质。
3号试管：有线粒体和细胞质基质。
核心探讨
一段时间后，各试管的变化情况如下。
1号试管：葡萄糖的量不变，没有荧光出现。
2号试管：葡萄糖的量减少，有丙酮酸(C3H4O3)生成，微弱荧光出现。
3号试管：葡萄糖的量减少，有CO2生成以及较强荧光出现。
(1)分析1、3号试管的结果，你能得出什么结论？
提示 葡萄糖不能被线粒体直接分解。
(2)分析2、3号试管的结果，你能得出什么结论？
提示 葡萄糖在细胞质基质中分解，生成丙酮酸，释放少量能量。
(3)写出有氧呼吸第一阶段的反应过程。
任务二：有氧呼吸的第二阶段
分析实验二的过程及其结果，回答相关问题：
实验二 使用超声波将线粒体破碎，分离线粒体膜状结构和线粒体基质，加入等量的氧气、丙酮酸、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管变化情况。
4号试管：只含线粒体膜状结构。
5号试管：只含线粒体基质。
6号试管：有线粒体膜状结构和基质。
一段时间后，各试管的变化情况如下。
4号试管：丙酮酸的量不变，没有荧光出现。
5号试管：丙酮酸减少，产生CO2，微弱荧光出现。
6号试管：丙酮酸减少，产生CO2，较强荧光出现。
(1)分析4、5、6号试管的结果，你能得出哪些结论？
提示 ①丙酮酸分解发生在线粒体基质中，并产生[H]，释放少量能量；
②线粒体分解丙酮酸后，在线粒体膜状结构继续发生反应并释放更多的能量。
(2)写出有氧呼吸第二阶段的反应过程。
任务三：有氧呼吸的第三阶段
分析实验三，回答相关问题：
实验三 关于[H]的研究有一个非常有趣的实验。
超声波震碎了线粒体之后，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。当用胰蛋白酶处理后，这些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，小囊泡重新具有了氧化[H]的功能。这些小颗粒后被证实是一系列线粒体内膜上的酶。
(1)以上事实说明在线粒体内膜上发生了什么样的反应？
(2)结合上述实验结论，写出有氧呼吸的总反应式，并标注氧元素的去向。
提示
(3)有氧呼吸过程中能量的去向。
提示 一部分以热的形式散失，一部分储存在ATP中。
1.科研人员利用18O标记的葡萄糖，研究细胞有氧呼吸中葡萄糖中O原子的转移路径。下列关于18O的转移途径分析正确的是
A.葡萄糖→氧→水
B.葡萄糖→丙酮酸→水
C.葡萄糖→丙酮酸→氧
D.葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳
典题应用
√
根据有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和[H]，含18O 的葡萄糖中的18O 到了丙酮酸中；再根据第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，含18O 的丙酮酸中的18O 到了二氧化碳中，即18O 转移的途径是：葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳，D正确。
2.(多选)如图表示绿色植物细胞内部分物质的转化过程，以下有关叙述中，正确的是
A.①②分别表示H2O、O2
B.图中产生[H]的场所都是线粒体
C.图示过程会释放热能
D.图示过程只能在有光的条件下进行
√
√
有氧呼吸第二阶段丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，故物质①是H2O，有氧呼吸第三阶段氧气和[H]反应生成水，故物质②是O2，A正确；
产生[H]的场所是细胞质基质和
线粒体，B错误；
图示过程会释放热量，C正确；
植物细胞的有氧呼吸不需要光照，有光、无光均可进行，D错误。
二
无氧呼吸与细胞呼吸产生能量的利用
教材梳理
1.无氧呼吸
(1)概念：在____________的条件下，细胞通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解为_____________和CO2，或分解为_____________等物质，同时释放______能量的过程。
(2)场所：___________。
无氧或缺氧
乙醇(C2H5OH)
乳酸(C3H6O3)
较少
细胞质基质
C6H12O6 _____________________
C6H12O6 ____________________________
(3)类型
2C2H5OH(乙醇)＋2CO2＋能量
①产生乙醇
发生生物：大部分植物、酵母菌
2C3H6O3(乳酸)＋能量
②产生乳酸
发生生物：动物、乳酸菌、马铃薯块茎、玉米胚等
检测产物 所用试剂 现象
CO2 澄清的石灰水 变______
溴麝香草酚蓝溶液 由蓝色变为_______
酒精 酸性重铬酸钾溶液 变成______
2.探究酵母菌的呼吸方式
(1)实验原理
①酵母菌是一种________真菌，在有氧和无氧的条件下都能生存，属于__________生物。
②CO2和酒精的检测
单细胞
兼性厌氧
混浊
黄绿色
绿色
①酵母菌培养液的配制(注意控制单一变量)
↓
②检测CO2的产生
↓
③检测酒精的产生(注意适当延长培养时间)
(2)实验步骤
(3)实验装置示意图
检测CO2的产生，装置如图所示。
3.细胞呼吸产生能量的利用
(1)细胞呼吸释放能量的去向
一部分以____的形式散失，一部分主要储存在_____中，供给生物体的各种生命活动。
(2)ATP的利用
①ATP为细胞的生命活动提供了______。
热
ATP
动力
②利用ATP的实例
主动运输
分
裂和生长
(1)不同生物无氧呼吸的产物不一定相同( )
(2)探究酵母菌的无氧呼吸时，装有酵母菌的试管需静置一段时间，目的是消耗瓶中氧气( )
(3)无氧呼吸所需酶的种类与有氧呼吸相同( )
(4)有CO2产生的呼吸一定不是无氧呼吸( )
(5)无氧呼吸释放的能量转化为热能和ATP( )
(6)人在安静状态下不消耗ATP( )
×
√
×
×
√
×
任务四：无氧呼吸的过程
1.细胞无氧呼吸的产物有乳酸和
乙醇两种类型。有人将这两类无
氧呼吸的过程总结为下图。尝试
分析：在细胞无氧呼吸过程中，
物质和能量发生了什么样的变化？
核心探讨
提示 无氧呼吸可以分为两个阶段，都在细胞质基质进行。第一个阶段就是糖酵解过程，葡萄糖分解成丙酮酸并释放少量能量；第二个阶段，丙酮酸在酶的催化下转化为乳酸或者分解成乙醇和二氧化碳，没有能量释放。
2.无氧呼吸有无[H]的积累？无氧呼吸第一阶段产生的[H]的作用是什么？
提示 没有。参与了第二阶段乳酸或者乙醇的生成。
3.和有氧呼吸相比，为什么无氧呼吸释放的能量较少？
提示 无氧呼吸只在糖酵解过程中释放少量的能量，丙酮酸转化为乳酸或者分解成乙醇和二氧化碳的过程没有能量的释放，大部分能量存储在乳酸或者乙醇中没有完全释放。
核心归纳
1.细胞呼吸中[H](NADH)和ATP的来源和去路
物质 来源 去路
[H] (NADH) 有氧呼吸：C6H12O6和H2O； 无氧呼吸：C6H12O6 有氧呼吸：与O2结合生成水；
无氧呼吸：还原丙酮酸
ATP 有氧呼吸：三个阶段都产生； 无氧呼吸：只在第一阶段产生 用于各项生命活动
核心归纳
2.细胞呼吸中能量的释放与去向
核心归纳
3.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 有氧 无氧或缺氧
场所 细胞质基质、线粒体 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 乳酸或乙醇和CO2
能量释放 大量能量 少量能量
核心归纳
相同点 本质都是氧化分解有机物，释放能量，生成ATP供生命活动所需；第一阶段(糖酵解)从葡萄糖到丙酮酸完全相同
3.(2022·江苏淮安高一期末)如图为生物体内葡萄糖分解代谢过程的图解。下列有关说法正确的是
A.葡萄糖在线粒体中经过程
①②彻底氧化分解
B.在②反应过程中，水和[H]
既是产物又是反应物
C.无氧条件下，发生在酵母菌细胞中的是过程③
D.无氧呼吸产生ATP较少，原因是大部分能量以热能形式散失
√
典题应用
葡萄糖的彻底氧化分解依次发生在细胞质基质和线粒体中，A错误；
②反应包括了有氧呼吸的第二
阶段和第三阶段，在第二阶段
中消耗水，同时产生[H]，而在
第三阶段中消耗[H]，产生水，
因此在②反应过程中，水和[H]
既是产物又是反应物，B正确；
酵母菌在无氧条件下将葡萄糖分解成乙醇和二氧化碳，即无氧条件下发生在酵母菌细胞中的是过程①③，C错误；
无氧呼吸产生ATP的量远远小于有氧呼吸，更多的能量储存在有机物如乙醇、乳酸中，D错误。
4.(2023·江苏常州高一期末)下列关于探究酵母菌的呼吸方式实验的叙述，错误的是
A.通过设置有氧和无氧两组实验互相对照，用于判断酵母菌的呼吸方式
B.实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等
C.实验的因变量可以是澄清石灰水是否变混浊
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氧气
√
生物实验设计的原则之一是对照原则，所以通过设置有氧和无氧两组实验进行互相对照，易于判断酵母菌的呼吸方式，A正确；
该实验的自变量是有无氧气，温度、pH、培养液浓度等属于无关变量，B正确；
有氧呼吸和无氧呼吸都能产生二氧化碳，所以实验的因变量不能是澄清石灰水是否变混浊，C错误。
网络构建第三节 细胞呼吸——能量的转化和利用
[学习目标] 1.概述有氧呼吸的三个阶段。
2.阐明无氧呼吸的过程和类型。
3.探究酵母菌的呼吸方式。
4.说出细胞呼吸产生能量的利用实例。
一、细胞有氧呼吸是大多数生物获取能量的主要途径
1．细胞呼吸
(1)概念：糖类、脂质和蛋白质等有机物在活细胞内氧化分解为CO2或其他物质，同时释放出能量并生成ATP的过程。
(2)本质：将储存在有机物中的能量转化为生命活动能直接利用的能量。
(3)类型：有氧呼吸和无氧呼吸。
2．有氧呼吸
(1)概念：在氧的参与下，细胞内的有机物彻底氧化分解产生二氧化碳和水，同时释放能量，生成大量ATP的过程。
(2)过程
(3)总反应式：C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量。
判断正误
(1)细胞呼吸时只能消耗糖类( )
(2)有氧呼吸全部在线粒体中进行( )
(3)氧气作为反应物参与有氧呼吸的第二、三阶段( )
(4)有氧呼吸第三阶段既消耗水又产生水( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)×
任务一：有氧呼吸的第一阶段
分析实验一的过程及其结果，回答相关问题：
实验一 将酵母菌细胞破碎后进行离心处理，获得上清液和沉淀物两部分，与未离心、处理过的酵母菌培养液分别加入等量的氧气、葡萄糖、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管的变化情况。
1号试管：只含线粒体。
2号试管：只含细胞质基质。
3号试管：有线粒体和细胞质基质。
一段时间后，各试管的变化情况如下。
1号试管：葡萄糖的量不变，没有荧光出现。
2号试管：葡萄糖的量减少，有丙酮酸(C3H4O3)生成，微弱荧光出现。
3号试管：葡萄糖的量减少，有CO2生成以及较强荧光出现。
(1)分析1、3号试管的结果，你能得出什么结论？
提示 葡萄糖不能被线粒体直接分解。
(2)分析2、3号试管的结果，你能得出什么结论？
提示 葡萄糖在细胞质基质中分解，生成丙酮酸，释放少量能量。
(3)写出有氧呼吸第一阶段的反应过程。
提示 C6H12O62丙酮酸＋4[H]＋少量能量。
任务二：有氧呼吸的第二阶段
分析实验二的过程及其结果，回答相关问题：
实验二 使用超声波将线粒体破碎，分离线粒体膜状结构和线粒体基质，加入等量的氧气、丙酮酸、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管变化情况。
4号试管：只含线粒体膜状结构。
5号试管：只含线粒体基质。
6号试管：有线粒体膜状结构和基质。
一段时间后，各试管的变化情况如下。
4号试管：丙酮酸的量不变，没有荧光出现。
5号试管：丙酮酸减少，产生CO2，微弱荧光出现。
6号试管：丙酮酸减少，产生CO2，较强荧光出现。
(1)分析4、5、6号试管的结果，你能得出哪些结论？
提示 ①丙酮酸分解发生在线粒体基质中，并产生[H]，释放少量能量；②线粒体分解丙酮酸后，在线粒体膜状结构继续发生反应并释放更多的能量。
(2)写出有氧呼吸第二阶段的反应过程。
提示 2丙酮酸＋6H2O20[H]＋6CO2＋少量能量。
任务三：有氧呼吸的第三阶段
分析实验三，回答相关问题：
实验三 关于[H]的研究有一个非常有趣的实验。
超声波震碎了线粒体之后，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。当用胰蛋白酶处理后，这些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，小囊泡重新具有了氧化[H]的功能。这些小颗粒后被证实是一系列线粒体内膜上的酶。
(1)以上事实说明在线粒体内膜上发生了什么样的反应？
提示 24[H]＋6O212H2O＋大量能量。
(2)结合上述实验结论，写出有氧呼吸的总反应式，并标注氧元素的去向。
提示
(3)有氧呼吸过程中能量的去向。
提示 一部分以热的形式散失，一部分储存在ATP中。
1．科研人员利用18O标记的葡萄糖，研究细胞有氧呼吸中葡萄糖中O原子的转移路径。下列关于18O的转移途径分析正确的是( )
A．葡萄糖→氧→水
B．葡萄糖→丙酮酸→水
C．葡萄糖→丙酮酸→氧
D．葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳
答案 D
解析 根据有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和[H]，含18O 的葡萄糖中的18O 到了丙酮酸中；再根据第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，含18O 的丙酮酸中的18O 到了二氧化碳中，即18O 转移的途径是：葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳，D正确。
2．(多选)如图表示绿色植物细胞内部分物质的转化过程，以下有关叙述中，正确的是( )
A．①②分别表示H2O、O2
B．图中产生[H]的场所都是线粒体
C．图示过程会释放热能
D．图示过程只能在有光的条件下进行
答案 AC
解析 有氧呼吸第二阶段丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H]，故物质①是H2O，有氧呼吸第三阶段氧气和[H]反应生成水，故物质②是O2，A正确；产生[H]的场所是细胞质基质和线粒体，B错误；图示过程会释放热量，C正确；植物细胞的有氧呼吸不需要光照，有光、无光均可进行，D错误。
二、无氧呼吸与细胞呼吸产生能量的利用
1．无氧呼吸
(1)概念：在无氧或缺氧的条件下，细胞通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解为乙醇(C2H5OH)和CO2，或分解为乳酸(C3H6O3)等物质，同时释放较少能量的过程。
(2)场所：细胞质基质。
(3)类型
①产生乙醇
②产生乳酸
2．探究酵母菌的呼吸方式
(1)实验原理
①酵母菌是一种单细胞真菌，在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧生物。
②CO2和酒精的检测
检测产物 所用试剂 现象
CO2 澄清的石灰水 变混浊
溴麝香草酚蓝溶液 由蓝色变为黄绿色
酒精 酸性重铬酸钾溶液 变成绿色
(2)实验步骤
(3)实验装置示意图
检测CO2的产生，装置如图所示。
3．细胞呼吸产生能量的利用
(1)细胞呼吸释放能量的去向
一部分以热的形式散失，一部分主要储存在ATP中，供给生物体的各种生命活动。
(2)ATP的利用
①ATP为细胞的生命活动提供了动力。
②利用ATP的实例
判断正误
(1)不同生物无氧呼吸的产物不一定相同( )
(2)探究酵母菌的无氧呼吸时，装有酵母菌的试管需静置一段时间，目的是消耗瓶中氧气( )
(3)无氧呼吸所需酶的种类与有氧呼吸相同( )
(4)有CO2产生的呼吸一定不是无氧呼吸( )
(5)无氧呼吸释放的能量转化为热能和ATP( )
(6)人在安静状态下不消耗ATP( )
答案 (1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)×
任务四：无氧呼吸的过程
1．细胞无氧呼吸的产物有乳酸和乙醇两种类型。有人将这两类无氧呼吸的过程总结为下图。尝试分析：在细胞无氧呼吸过程中，物质和能量发生了什么样的变化？
提示 无氧呼吸可以分为两个阶段，都在细胞质基质进行。第一个阶段就是糖酵解过程，葡萄糖分解成丙酮酸并释放少量能量；第二个阶段，丙酮酸在酶的催化下转化为乳酸或者分解成乙醇和二氧化碳，没有能量释放。
2．无氧呼吸有无[H]的积累？无氧呼吸第一阶段产生的[H]的作用是什么？
提示 没有。参与了第二阶段乳酸或者乙醇的生成。
3．和有氧呼吸相比，为什么无氧呼吸释放的能量较少？
提示 无氧呼吸只在糖酵解过程中释放少量的能量，丙酮酸转化为乳酸或者分解成乙醇和二氧化碳的过程没有能量的释放，大部分能量存储在乳酸或者乙醇中没有完全释放。
1．细胞呼吸中[H](NADH)和ATP的来源和去路
物质 来源 去路
[H] (NADH) 有氧呼吸：C6H12O6和H2O； 无氧呼吸：C6H12O6 有氧呼吸：与O2结合生成水； 无氧呼吸：还原丙酮酸
ATP 有氧呼吸：三个阶段都产生； 无氧呼吸：只在第一阶段产生 用于各项生命活动
2.细胞呼吸中能量的释放与去向
3．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 有氧 无氧或缺氧
场所 细胞质基质、线粒体 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 乳酸或乙醇和CO2
能量释放 大量能量 少量能量
相同点 本质都是氧化分解有机物，释放能量，生成ATP供生命活动所需；第一阶段(糖酵解)从葡萄糖到丙酮酸完全相同
3．(2022·江苏淮安高一期末)如图为生物体内葡萄糖分解代谢过程的图解。下列有关说法正确的是( )
A．葡萄糖在线粒体中经过程①②彻底氧化分解
B．在②反应过程中，水和[H]既是产物又是反应物
C．无氧条件下，发生在酵母菌细胞中的是过程③
D．无氧呼吸产生ATP较少，原因是大部分能量以热能形式散失
答案 B
解析 葡萄糖的彻底氧化分解依次发生在细胞质基质和线粒体中，A错误；②反应包括了有氧呼吸的第二阶段和第三阶段，在第二阶段中消耗水，同时产生[H]，而在第三阶段中消耗[H]，产生水，因此在②反应过程中，水和[H]既是产物又是反应物，B正确；酵母菌在无氧条件下将葡萄糖分解成乙醇和二氧化碳，即无氧条件下发生在酵母菌细胞中的是过程①③，C错误；无氧呼吸产生ATP的量远远小于有氧呼吸，更多的能量储存在有机物如乙醇、乳酸中，D错误。
4．(2023·江苏常州高一期末)下列关于探究酵母菌的呼吸方式实验的叙述，错误的是( )
A．通过设置有氧和无氧两组实验互相对照，用于判断酵母菌的呼吸方式
B．实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等
C．实验的因变量可以是澄清石灰水是否变混浊
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氧气
答案 C
解析 生物实验设计的原则之一是对照原则，所以通过设置有氧和无氧两组实验进行互相对照，易于判断酵母菌的呼吸方式，A正确；该实验的自变量是有无氧气，温度、pH、培养液浓度等属于无关变量，B正确；有氧呼吸和无氧呼吸都能产生二氧化碳，所以实验的因变量不能是澄清石灰水是否变混浊，C错误。
