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第三节 细胞呼吸——
能量的转化和利用
第1课时 细胞有氧呼吸
1.概述细胞呼吸、有氧呼吸的概念。2.概述有氧呼吸的三个阶段。
一、验证动物细胞呼吸会产生CO2和释放能量的实验装置示意图
1.a溶液是 溶液,其作用是 。b、c都是澄清的石灰水,其作用是检测锥形瓶中是否含有 。
2.如果在玻璃钟罩内放置一个温度计,会发现里面的温度有所 。
氢氧化钾
除去空气中的CO2
CO2
上升
二、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 或其他物质,同时释放出能量并生成 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 的能量。
(3)类型: 和 。
2.有氧呼吸
(1)概念:在 的参与下,细胞内的有机物 产生二氧化碳和水,同时释放 ,生成 的过程。
CO2
ATP
直接利用
有氧呼吸
无氧呼吸
氧
彻底氧化分解
能量
大量ATP
(2)主要场所——线粒体。
写出图中序号代表的结构名称:
线粒体外膜
嵴
线粒体基质
线粒体内膜
(3)过程。
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
(4)细胞呼吸的总反应式。
。
能量
判断正误
(1)肺炎链球菌无线粒体,但能进行有氧呼吸。( )
(2)有氧呼吸的三个阶段均可产生ATP,但第三阶段产生的最多。( )
√
√
(3)有氧呼吸释放的能量全部来自线粒体。( )
×
【提示】 有氧呼吸三个阶段均有能量释放,第一阶段场所在细胞质基质,后两个阶段的场所在线粒体。
(4)葡萄糖在线粒体中分解释放大量能量。( )
【提示】 葡萄糖的分解场所是细胞质基质,葡萄糖不能在线粒体中分解。
(5)线粒体、叶绿体都能产生ATP,且均可用于各项生命活动。( )
×
×
【提示】 线粒体产生的ATP可用于生物体的各项生命活动,叶绿体产生的ATP不可以用于各项生命活动。
任务 分析有氧呼吸的过程
对绝大多数生物来说有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式。下图是有氧呼吸过程模式图,请讨论回答下列问题。
(1)图中产生[H]的过程指的是什么
【提示】 实际上是指氧化型辅酶Ⅰ(NAD+)转化成还原型辅酶Ⅰ(NADH)。
(2)某同学说图中①、②、④分别代表有氧呼吸第一、第二和第三阶段所产生的ATP,这种说法是否正确
【提示】 错误。①、②、④分别代表有氧呼吸第一、第二和第三阶段所释放的能量,其中只有部分能量储存在ATP中。
(3)若用同位素 18O分别标记有氧呼吸中葡萄糖中的氧和O2中的氧,请分析 18O会分别出现在图中哪种产物中
【提示】 用18O标记有氧呼吸中葡萄糖中的氧,18O会出现在题图中的CO2中;用18O标记O2中的氧,18O会出现在水(题图中的⑥)中。
「核心归纳」
1.细胞呼吸中的[H]是NADH(还原型辅酶Ⅰ),光合作用中的[H]是NADPH
(还原型辅酶Ⅱ),二者不是同一种物质。
2.有氧呼吸中[H]和ATP的来源和去路
物质 来源 去路
[H](NADH) C6H12O6和H2O 与O2结合生成水
ATP 三个阶段都产生 用于各项生命活动
3.线粒体不能氧化分解葡萄糖,线粒体中也不存在葡萄糖。
「典型例题」
1.(2025·泰州期末)下列关于线粒体的叙述,错误的是( )
[A]能分解水产生氧气和H+
[B]能利用水进行化学反应
[C]具有双层选择透过性膜
[D]内膜向内折叠形成嵴
A
【解析】 叶绿体能分解水产生氧气和H+;有氧呼吸的第二阶段发生的场所是线粒体基质,其过程有水参与;线粒体的双层膜具有选择透过性;线粒体内膜向内折叠形成嵴,嵴的存在大大增加了线粒体内膜的表面积。
2.(2025·扬州期末)下图是动物细胞有氧呼吸过程示意图,①②③代表有氧呼吸的不同阶段,a、b、c代表各阶段释放的能量。下列叙述错误的是( )
[A]①阶段发生在细胞质基质,②③阶段发生在线粒体
[B]在②阶段中,H2O是反应物,[H]是产物
[C]①②③各阶段所释放的能量a=b=c
[D]碳原子的转移途径是葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳
C
【解析】 题图中①阶段是有氧呼吸第一阶段,发生在细胞质基质,②③是有氧呼吸的第二、第三阶段,发生在线粒体中;②是有氧呼吸第二阶段,该阶段水和丙酮酸是反应物,[H]是产物;有氧呼吸的①②③各阶段均释放能量,但是③阶段释放的能量最多;碳原子在第一阶段从葡萄糖转移到丙酮酸,第二阶段从丙酮酸转移到二氧化碳。
思维导图
随堂检测
1.(2025·泰州月考)下图为某植物叶肉细胞中两种膜结构以及发生的生化反应模式图。下列有关叙述正确的是( )
[A]图1、图2中的两种生物膜上都发生能量的转换,且转换形式相同
[B]两种生物膜除了产生上述物质外,还均可产生ATP
[C]图1中的a是NADH,图2中的b全来自丙酮酸和H2O
[D]由于图1、图2中的生物膜来自不同细胞器,所以它们的主要成分不同
B
【解析】 图1、图2中的两种生物膜上都发生能量的转换,但转换形式不同;图1是类囊体膜,还能发生ATP的合成;图2是线粒体内膜,能够生成大量的ATP;图1中的a是NADPH,图2中的b来自葡萄糖和H2O;图1、图2中的生物膜来自不同细胞器,但其主要成分相同,都是蛋白质和磷脂分子。
2.(2025·南通月考)真核细胞中进行的代谢过程,必须在生物膜上进行的是
( )
[A]氨基酸的脱水缩合过程
[B]有氧呼吸中丙酮酸分解为CO2
[C]有氧呼吸中[H]和O2的结合
[D]光合作用中ATP的水解
C
【解析】 氨基酸脱水缩合反应的场所是核糖体,核糖体不具有膜结构;有氧呼吸中丙酮酸分解为CO2,发生在线粒体基质;真核细胞有氧呼吸过程中[H]与氧气结合生成水的过程发生在线粒体内膜上;光合作用过程中ATP水解是暗反应阶段,发生在叶绿体基质中。
3.(2025·江苏月考)下图中①～③表示一种细胞器的部分结构。下列相关叙述错误的是( )
[A]该细胞器既产生水也消耗水
[B]①②分布的蛋白质有所不同
[C]有氧呼吸第一阶段发生在③
[D]②③分别是消耗O2、产生CO2的场所
C
【解析】 题图所示为线粒体的结构,①是线粒体外膜,②是线粒体内膜,③是线粒体基质。有氧呼吸的第二阶段消耗水,有氧呼吸第三阶段产生水,即线粒体既消耗水也产生水;①线粒体外膜和②线粒体内膜功能不同,所以分布的蛋白质有所不同;有氧呼吸第一阶段发生在细胞质基质,③是线粒体基质;②是线粒体内膜,消耗O2,和[H]生成水,③是线粒体基质,在该场所丙酮酸和水反应生成CO2。
4.下图是细胞中糖类合成与分解过程示意图。下列叙述正确的是( )
[A]过程①只在线粒体中进行,过程②只在叶绿体中进行
[B]过程②产生的ATP可用于叶肉细胞吸收钾离子
[C]过程②产生的(CH2O)中的氧全部来自H2O
[D]过程①和②中均能产生[H],但两[H]还原的物质不同
D
【解析】 题图中过程①表示有氧呼吸过程,发生在细胞质基质和线粒体中,某些原核生物也能进行有氧呼吸,但是没有线粒体;过程②表示光合作用,场所一般为叶绿体,但是蓝细菌没有叶绿体也能进行光合作用。光合作用产生的ATP一般不用于除光合作用暗反应外的其他生命活动,故光合作用产生的ATP不可用于叶肉细胞吸收钾离子。光合作用产生的(CH2O)中的氧全部来自二氧化碳,水中的氧变成氧气。光合作用光反应阶段产生的[H]
(即NADPH)用于暗反应中三碳化合物的还原,有氧呼吸第一、第二阶段产生的[H](即NADH)用于第三阶段中还原氧气。
5.(多选)(2024·徐州期末)下图是真核细胞中某生物膜上发生的部分生化反应,相关叙述错误的有( )
[A]图示的生物膜代表的是线粒体内膜
[B]H+从乙侧到甲侧的方式是协助扩散
[C]NADH主要来自有氧呼吸第一阶段
[D]ATP合成所需能量来自H+浓度差
BC
【解析】 该生物膜上发生了氧气和H+结合生成水的过程,表示有氧呼吸第三阶段,所以该生物膜为线粒体内膜;据题图可知,H+从甲侧到乙侧是顺浓度梯度运输,其浓度梯度形成的势能用于ATP的合成,推测甲侧H+浓度高,因此H+从乙侧到甲侧是逆浓度梯度运输,运输方式是主动运输;NADH来自有氧呼吸第一阶段和第二阶段,且主要来自有氧呼吸的第二阶段;题图中显示,
ATP的合成过程中伴随着氢离子顺浓度梯度转运,说明ATP合成消耗的能量来自H+浓度差。
联系实际 迁移应用
科学家因早期发现耗能多的细胞,线粒体也较多,且线粒体在细胞内耗能部位聚集,故认为线粒体是有氧呼吸的场所。将酵母菌破碎后离心获得细胞质基质和线粒体,通入18O2,进行以下实验。回答下列相关问题。
(1)本实验中利用什么方法追踪物质的运行
【提示】 同位素标记法。
(2)比较2号和3号试管,能说明什么 比较 3号和4号试管,能说明什么
【提示】 比较2号和3号试管可知,葡萄糖可在细胞质基质分解,葡萄糖不能直接在线粒体内分解;比较3号和 4号试管可知,葡萄糖不能直接进入线粒体内分解,丙酮酸可直接进入线粒体氧化分解。
(3)通过上述分析,推断有氧呼吸的场所有哪些。
【提示】 细胞质基质和线粒体。第三节 细胞呼吸——能量的转化和利用
第1课时 细胞有氧呼吸
课时作业
(时间:30分钟 分值:44分)
第1～8题每题3分,第9～10题每题6分,共计36分。
基础对点练
知识点 有氧呼吸过程
1.在呼吸作用过程中,水参与分解和合成水分别发生在( )
[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
【解析】 有氧呼吸第二阶段是丙酮酸和水反应形成二氧化碳和[H]的过程,第三阶段是[H]与氧气结合形成水的过程,即有氧呼吸的第二阶段需要水的参与,有氧呼吸的第三阶段产生水。
2.下列有关细胞呼吸的叙述,错误的是( )
[A]细胞呼吸可将有机物中的能量转化为生命活动能直接利用的能量
[B]细胞有氧呼吸主要发生在线粒体中
[C]糖酵解过程将葡萄糖转化为乙酰辅酶A
[D]有氧呼吸的第二阶段把多种有机物的代谢联系在一起,也是能量代谢的枢纽
【答案】 C
【解析】 糖酵解过程将葡萄糖分解形成丙酮酸,同时产生少量[H]和少量能量。
3.下图表示绿色植物细胞内部分物质的转化过程。下列有关叙述正确的是( )
[A]物质①、②依次是H2O和O2
[B]图中产生[H]的场所都是线粒体
[C]用18O标记葡萄糖,则产物水中会检测到18O
[D]图示过程只能在有光的条件下进行
【答案】 A
【解析】 据题图可知,①参与有氧呼吸第二阶段,与丙酮酸生成CO2和[H],故①是H2O;②与[H]结合生成H2O,故②是O2。有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和[H],场所是细胞质基质,第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和[H],场所是线粒体基质,因此产生[H]的场所是细胞质基质和线粒体。用18O标记葡萄糖,葡萄糖中的18O通过有氧呼吸第一阶段进入丙酮酸中,第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和[H],丙酮酸中的18O进入了CO2中,即18O转移的途径是:葡萄糖→丙酮酸→CO2,产物水中不会检测到18O。题图所示为有氧呼吸过程,植物细胞的有氧呼吸作用不需要光照,有光、无光均可进行。
4.下图表示光合作用和细胞呼吸中物质能量转化过程。其中a、b、c表示三种不同的物质,甲、乙代表能量。据图分析下列叙述错误的是( )
[A]a是H2O,在叶绿体内膜上被消耗,在线粒体内膜上生成
[B]b是O2,其生成源于水的分解,其消耗伴随能量的释放和转移
[C]c是CO2,在叶绿体基质中被消耗,在线粒体基质中生成
[D]能量甲可被光合色素吸收、传递和转化
【答案】 A
【解析】 a是H2O,在叶绿体的类囊体膜上被消耗,在线粒体内膜上生成;b是O2,其生成源于光反应过程中水的分解,其消耗过程发生在线粒体内膜,该过程伴随能量的释放和转移;c是CO2,在叶绿体基质中参与暗反应被消耗,在线粒体基质中通过有氧呼吸的第二阶段生成;能量甲是光能,可被光合色素吸收、传递和转化。
5.对于绝大多数生物来说,有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式,下图表示有氧呼吸过程。下列有关说法正确的是( )
[A]①②④中能量最多的是①
[B]③代表的物质名称是氧气
[C]线粒体能完成图示全过程
[D]⑥代表的物质是水
【答案】 D
【解析】 有氧呼吸三个阶段都能产生能量,但第三阶段产生的能量最多,题图中①为第一阶段释放的能量,②为第二阶段释放的能量,④为第三阶段释放的能量,即①②④中能量最多的是④;由题图可知,①②④表示能量,③⑥表示水,⑤表示氧气;葡萄糖分解为丙酮酸发生在细胞质基质中,线粒体中缺乏分解葡萄糖的酶,不能进行有氧呼吸的第一阶段,在线粒体中可进行的是有氧呼吸的第二、第三阶段。
6.右图是显微镜下某真核细胞中线粒体及周围的局部结构。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中发生葡萄糖的分解也生成ATP;结构②和③上丙酮酸被彻底分解为CO2和H2O;结构②中[H]与O2结合生成水并释放大量能量;结构①②③中均有参与细胞呼吸的相关酶。
7.下图表示细胞有氧呼吸的过程,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]甲、乙分别代表丙酮酸、[H]
[B]①和②所含酶的种类相同
[C]②和③都能产生大量能量
[D]①、②和③分别是细胞质基质、线粒体内膜和线粒体基质
【答案】 A
【解析】 有氧呼吸过程中,葡萄糖首先在细胞质基质中被分解为丙酮酸和[H],然后丙酮酸进入线粒体,在线粒体基质被分解为二氧化碳和[H],[H]最后在线粒体内膜和氧结合生成水,据此可知①、②和③分别是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜,甲、乙分别代表丙酮酸、[H];①和②发生的生理过程不同,所含酶的种类不同;①和②产生少量能量,③产生大量能量。
8.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。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线粒体。下列叙述错误的是( )
[A]推测被吞噬的细菌可从真核细胞中获取丙酮酸
[B]葡萄糖可在线粒体中分解成丙酮酸和[H]
[C]线粒体内存在与细菌DNA相似的环状DNA
[D]线粒体内也可能发生蛋白质的合成
【答案】 B
【解析】 葡萄糖可在细胞质基质中分解成丙酮酸和[H],丙酮酸进入线粒体氧化分解,推测被吞噬的需氧细菌可从真核细胞中获取丙酮酸;该需氧细菌进化成了宿主细胞的线粒体,故线粒体内存在与细菌DNA相似的环状DNA;由于细菌含有核糖体,因此线粒体也含有核糖体,线粒体内也可能发生蛋白质的合成。
综合提升练
9.(多选)(2025·长沙期末)真核细胞有氧呼吸的主要阶段是在线粒体内进行的;其部分过程如图1 所示。解耦联剂能增大线粒体内膜对H+的通透性,消除H+梯度,从而抑制ATP生成,如图2 所示。下列叙述正确的有( )
[A]线粒体内膜的蛋白质/脂质的值大于线粒体外膜
[B]图1中线粒体基质与细胞质基质间的H+浓度差驱动ATP合成
[C]H+通过解耦联剂进入线粒体基质的跨膜运输方式是主动运输
[D]可以利用解耦联剂来开发杀虫剂
【答案】 AD
【解析】 线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段的场所,其上附着有多种酶,因此线粒体内膜的蛋白质/脂质的值大于线粒体外膜;图1中在线粒体的内外两层膜之间的膜间腔与线粒体基质之间的H+浓度差驱动ATP合成;H+通过解耦联剂进入线粒体基质的跨膜运输方式是协助扩散;加入解耦联剂后,ATP合成受阻,从而使能量供应不足,达到杀虫的目的。
10.(多选)(2025·济宁月考)将酵母菌进行离心处理,然后在有氧的条件下进行以下模拟实验,最终能产生CO2和H2O的试管有( )
[A] [B] [C] [D]
【答案】 BC
【解析】 A选项试管中线粒体不能分解葡萄糖,不能进行呼吸作用,不能产生CO2和H2O;B选项试管中线粒体能将丙酮酸分解,可进行有氧呼吸第二、第三阶段,产生CO2和H2O;C选项试管中既有细胞质基质,又有线粒体,能将葡萄糖最终分解为CO2和H2O;D选项试管只有细胞质基质,无线粒体,不能产生CO2和H2O。
11.(8分)图1为线粒体的结构示意图,图2为线粒体中部分膜结构及其上发生的反应。
(1)图2表示图1中的 结构,图中发生的过程将H+由M侧顺浓度梯度转运到N侧,并驱动ATP合成,ATP合成的直接驱动力由H+浓度差提供。
(2)研究发现肿瘤中心区域细胞中线粒体融合增强(会导致呼吸链复合体的活性增强、细胞耗氧速率增加等)。为研究在营养缺乏时线粒体融合对肿瘤细胞糖代谢的调控,科研人员用肿瘤细胞进行了相关实验,结果如下表。
组别 指标
细胞耗 氧速率 线粒体 ATP产 生量 呼吸链 复合体 的活性
甲组:常规培养 4.2 1.0 0.90
乙组:营养缺乏 5.6 1.4 2.39
丙组:营养缺乏+抑制DRP1S637磷酸化 3.1 0.8 1.22
注:DRP1是一种参与调控线粒体形态和功能的蛋白质,DRP1S637磷酸化是指DRP1第637位点丝氨酸磷酸化。
据表分析:①推测营养缺乏和DRP1S637磷酸化对线粒体融合的作用分别是 和
。
②根据实验结果,完善肿瘤细胞在营养缺乏条件下的代谢调控途径,对应字母排列顺序是 。
营养缺乏→□→□→□→□→产能效率提高→适应营养缺乏环境
a.线粒体融合增强
b.DRP1S637磷酸化增强
c.细胞耗氧速率增加、线粒体ATP产生量增加
d.线粒体嵴密度增加、呼吸链复合体的活性增加
【答案】 (每空2分)
(1)线粒体内膜
(2)促进 促进 badc
【解析】 (1)有氧呼吸的第一、第二、第三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜,只有第三阶段在生物膜上进行,故图2表示图1中的线粒体内膜。
(2)①根据题表信息可知,乙组与甲组相比,细胞耗氧速率、线粒体ATP产生量和呼吸链复合体的活性均增加,表明营养缺乏会促进线粒体融合;丙组与乙组相比,丙组抑制DRP1S637磷酸化后,上述指标都下降,而乙组并未抑制DRP1S637磷酸化,表明抑制DRP1S637磷酸化会抑制线粒体融合。因此DRP1S637磷酸化能促进线粒体融合。
②肝癌细胞在营养缺乏条件下,首先DRP1S637磷酸化增强(b),促进线粒体融合(a),线粒体嵴密度增加、呼吸链复合体的活性增加(d),细胞耗氧速率增加、线粒体ATP产生量增加(c),细胞的产能效率提高,从而适应营养缺乏的环境,所以对应字母排列顺序是badc。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)第三节 细胞呼吸——能量的转化和利用
第1课时 细胞有氧呼吸
[学习目标] 1.概述细胞呼吸、有氧呼吸的概念。2.概述有氧呼吸的三个阶段。
一、验证动物细胞呼吸会产生CO2和释放能量的实验装置示意图
1.a溶液是氢氧化钾溶液,其作用是除去空气中的CO2。b、c都是澄清的石灰水,其作用是检测锥形瓶中是否含有CO2。
2.如果在玻璃钟罩内放置一个温度计,会发现里面的温度有所上升。
二、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)主要场所——线粒体。
写出图中序号代表的结构名称:
(3)过程。
(4)细胞呼吸的总反应式。
C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量。
判断正误
(1)肺炎链球菌无线粒体,但能进行有氧呼吸。( )
【答案】 √
(2)有氧呼吸的三个阶段均可产生ATP,但第三阶段产生的最多。( )
【答案】 √
(3)有氧呼吸释放的能量全部来自线粒体。( )
【答案】 ×
【提示】 有氧呼吸三个阶段均有能量释放,第一阶段场所在细胞质基质,后两个阶段的场所在线粒体。
(4)葡萄糖在线粒体中分解释放大量能量。( )
【答案】 ×
【提示】 葡萄糖的分解场所是细胞质基质,葡萄糖不能在线粒体中分解。
(5)线粒体、叶绿体都能产生ATP,且均可用于各项生命活动。( )
【答案】 ×
【提示】 线粒体产生的ATP可用于生物体的各项生命活动,叶绿体产生的ATP不可以用于各项生命活动。
任务 分析有氧呼吸的过程
对绝大多数生物来说有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式。下图是有氧呼吸过程模式图,请讨论回答下列问题。
(1)图中产生[H]的过程指的是什么
【提示】 实际上是指氧化型辅酶Ⅰ(NAD+)转化成还原型辅酶Ⅰ(NADH)。
(2)某同学说图中①、②、④分别代表有氧呼吸第一、第二和第三阶段所产生的ATP,这种说法是否正确
【提示】 错误。①、②、④分别代表有氧呼吸第一、第二和第三阶段所释放的能量,其中只有部分能量储存在ATP中。
(3)若用同位素 18O分别标记有氧呼吸中葡萄糖中的氧和O2中的氧,请分析 18O会分别出现在图中哪种产物中
【提示】 用18O标记有氧呼吸中葡萄糖中的氧,18O会出现在题图中的CO2中;用18O标记O2中的氧,18O会出现在水(题图中的⑥)中。
核心归纳
1.细胞呼吸中的[H]是NADH(还原型辅酶Ⅰ),光合作用中的[H]是NADPH(还原型辅酶Ⅱ),二者不是同一种物质。
2.有氧呼吸中[H]和ATP的来源和去路
物质 来源 去路
[H](NADH) C6H12O6和H2O 与O2结合生成水
ATP 三个阶段都产生 用于各项生命活动
3.线粒体不能氧化分解葡萄糖,线粒体中也不存在葡萄糖。
典型例题
1.(2025·泰州期末)下列关于线粒体的叙述,错误的是( )
[A]能分解水产生氧气和H+
[B]能利用水进行化学反应
[C]具有双层选择透过性膜
[D]内膜向内折叠形成嵴
【答案】 A
【解析】 叶绿体能分解水产生氧气和H+;有氧呼吸的第二阶段发生的场所是线粒体基质,其过程有水参与;线粒体的双层膜具有选择透过性;线粒体内膜向内折叠形成嵴,嵴的存在大大增加了线粒体内膜的表面积。
2.(2025·扬州期末)下图是动物细胞有氧呼吸过程示意图,①②③代表有氧呼吸的不同阶段,a、b、c代表各阶段释放的能量。下列叙述错误的是( )
[A]①阶段发生在细胞质基质,②③阶段发生在线粒体
[B]在②阶段中,H2O是反应物,[H]是产物
[C]①②③各阶段所释放的能量a=b=c
[D]碳原子的转移途径是葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳
【答案】 C
【解析】 题图中①阶段是有氧呼吸第一阶段,发生在细胞质基质,②③是有氧呼吸的第二、第三阶段,发生在线粒体中;②是有氧呼吸第二阶段,该阶段水和丙酮酸是反应物,[H]是产物;有氧呼吸的①②③各阶段均释放能量,但是③阶段释放的能量最多;碳原子在第一阶段从葡萄糖转移到丙酮酸,第二阶段从丙酮酸转移到二氧化碳。
随堂检测
1.(2025·泰州月考)下图为某植物叶肉细胞中两种膜结构以及发生的生化反应模式图。下列有关叙述正确的是( )
[A]图1、图2中的两种生物膜上都发生能量的转换,且转换形式相同
[B]两种生物膜除了产生上述物质外,还均可产生ATP
[C]图1中的a是NADH,图2中的b全来自丙酮酸和H2O
[D]由于图1、图2中的生物膜来自不同细胞器,所以它们的主要成分不同
【答案】 B
【解析】 图1、图2中的两种生物膜上都发生能量的转换,但转换形式不同;图1是类囊体膜,还能发生ATP的合成;图2是线粒体内膜,能够生成大量的ATP;图1中的a是NADPH,图2中的b来自葡萄糖和H2O;图1、图2中的生物膜来自不同细胞器,但其主要成分相同,都是蛋白质和磷脂分子。
2.(2025·南通月考)真核细胞中进行的代谢过程,必须在生物膜上进行的是( )
[A]氨基酸的脱水缩合过程
[B]有氧呼吸中丙酮酸分解为CO2
[C]有氧呼吸中[H]和O2的结合
[D]光合作用中ATP的水解
【答案】 C
【解析】 氨基酸脱水缩合反应的场所是核糖体,核糖体不具有膜结构;有氧呼吸中丙酮酸分解为CO2,发生在线粒体基质;真核细胞有氧呼吸过程中[H]与氧气结合生成水的过程发生在线粒体内膜上;光合作用过程中ATP水解是暗反应阶段,发生在叶绿体基质中。
3.(2025·江苏月考)下图中①～③表示一种细胞器的部分结构。下列相关叙述错误的是( )
[A]该细胞器既产生水也消耗水
[B]①②分布的蛋白质有所不同
[C]有氧呼吸第一阶段发生在③
[D]②③分别是消耗O2、产生CO2的场所
【答案】 C
【解析】 题图所示为线粒体的结构,①是线粒体外膜,②是线粒体内膜,③是线粒体基质。有氧呼吸的第二阶段消耗水,有氧呼吸第三阶段产生水,即线粒体既消耗水也产生水;①线粒体外膜和②线粒体内膜功能不同,所以分布的蛋白质有所不同;有氧呼吸第一阶段发生在细胞质基质,③是线粒体基质;②是线粒体内膜,消耗O2,和[H]生成水,③是线粒体基质,在该场所丙酮酸和水反应生成CO2。
4.下图是细胞中糖类合成与分解过程示意图。下列叙述正确的是( )
(CH2O)+O2CO2+H2O+能量
[A]过程①只在线粒体中进行,过程②只在叶绿体中进行
[B]过程②产生的ATP可用于叶肉细胞吸收钾离子
[C]过程②产生的(CH2O)中的氧全部来自H2O
[D]过程①和②中均能产生[H],但两[H]还原的物质不同
【答案】 D
【解析】 题图中过程①表示有氧呼吸过程,发生在细胞质基质和线粒体中,某些原核生物也能进行有氧呼吸,但是没有线粒体;过程②表示光合作用,场所一般为叶绿体,但是蓝细菌没有叶绿体也能进行光合作用。光合作用产生的ATP一般不用于除光合作用暗反应外的其他生命活动,故光合作用产生的ATP不可用于叶肉细胞吸收钾离子。光合作用产生的(CH2O)中的氧全部来自二氧化碳,水中的氧变成氧气。光合作用光反应阶段产生的[H](即NADPH)用于暗反应中三碳化合物的还原,有氧呼吸第一、第二阶段产生的[H](即NADH)用于第三阶段中还原氧气。
5.(多选)(2024·徐州期末)下图是真核细胞中某生物膜上发生的部分生化反应,相关叙述错误的有( )
[A]图示的生物膜代表的是线粒体内膜
[B]H+从乙侧到甲侧的方式是协助扩散
[C]NADH主要来自有氧呼吸第一阶段
[D]ATP合成所需能量来自H+浓度差
【答案】 BC
【解析】 该生物膜上发生了氧气和H+结合生成水的过程,表示有氧呼吸第三阶段,所以该生物膜为线粒体内膜;据题图可知,H+从甲侧到乙侧是顺浓度梯度运输,其浓度梯度形成的势能用于ATP的合成,推测甲侧H+浓度高,因此H+从乙侧到甲侧是逆浓度梯度运输,运输方式是主动运输;NADH来自有氧呼吸第一阶段和第二阶段,且主要来自有氧呼吸的第二阶段;题图中显示,ATP的合成过程中伴随着氢离子顺浓度梯度转运,说明ATP合成消耗的能量来自H+浓度差。
科学家因早期发现耗能多的细胞,线粒体也较多,且线粒体在细胞内耗能部位聚集,故认为线粒体是有氧呼吸的场所。将酵母菌破碎后离心获得细胞质基质和线粒体,通入18O2,进行以下实验。回答下列相关问题。
试 管 加入的 细胞成分 加入的 反应物 各试管 变化情况
1 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、O的生成
2 细胞质 基质 添加 14C标 记的葡萄糖 葡萄糖的量减少,有 14C标记的丙酮酸的生成
3 线粒体悬液 添加 14C标 记的葡萄糖 葡萄糖的量不变
4 线粒体 悬液 添加14C标 记的丙酮酸 反应物的量减少,有 14CO2、O的生成
(1)本实验中利用什么方法追踪物质的运行
【提示】 同位素标记法。
(2)比较2号和3号试管,能说明什么 比较 3号和4号试管,能说明什么
【提示】 比较2号和3号试管可知,葡萄糖可在细胞质基质分解,葡萄糖不能直接在线粒体内分解;比较3号和 4号试管可知,葡萄糖不能直接进入线粒体内分解,丙酮酸可直接进入线粒体氧化分解。
(3)通过上述分析,推断有氧呼吸的场所有哪些。
【提示】 细胞质基质和线粒体。
课时作业
(时间:30分钟 分值:44分)
第1～8题每题3分,第9～10题每题6分,共计36分。
基础对点练
知识点 有氧呼吸过程
1.在呼吸作用过程中,水参与分解和合成水分别发生在( )
[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
【解析】 有氧呼吸第二阶段是丙酮酸和水反应形成二氧化碳和[H]的过程,第三阶段是[H]与氧气结合形成水的过程,即有氧呼吸的第二阶段需要水的参与,有氧呼吸的第三阶段产生水。
2.下列有关细胞呼吸的叙述,错误的是( )
[A]细胞呼吸可将有机物中的能量转化为生命活动能直接利用的能量
[B]细胞有氧呼吸主要发生在线粒体中
[C]糖酵解过程将葡萄糖转化为乙酰辅酶A
[D]有氧呼吸的第二阶段把多种有机物的代谢联系在一起,也是能量代谢的枢纽
【答案】 C
【解析】 糖酵解过程将葡萄糖分解形成丙酮酸,同时产生少量[H]和少量能量。
3.下图表示绿色植物细胞内部分物质的转化过程。下列有关叙述正确的是( )
[A]物质①、②依次是H2O和O2
[B]图中产生[H]的场所都是线粒体
[C]用18O标记葡萄糖,则产物水中会检测到18O
[D]图示过程只能在有光的条件下进行
【答案】 A
【解析】 据题图可知,①参与有氧呼吸第二阶段,与丙酮酸生成CO2和[H],故①是H2O;②与[H]结合生成H2O,故②是O2。有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和[H],场所是细胞质基质,第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和[H],场所是线粒体基质,因此产生[H]的场所是细胞质基质和线粒体。用18O标记葡萄糖,葡萄糖中的18O通过有氧呼吸第一阶段进入丙酮酸中,第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和[H],丙酮酸中的18O进入了CO2中,即18O转移的途径是:葡萄糖→丙酮酸→CO2,产物水中不会检测到18O。题图所示为有氧呼吸过程,植物细胞的有氧呼吸作用不需要光照,有光、无光均可进行。
4.下图表示光合作用和细胞呼吸中物质能量转化过程。其中a、b、c表示三种不同的物质,甲、乙代表能量。据图分析下列叙述错误的是( )
[A]a是H2O,在叶绿体内膜上被消耗,在线粒体内膜上生成
[B]b是O2,其生成源于水的分解,其消耗伴随能量的释放和转移
[C]c是CO2,在叶绿体基质中被消耗,在线粒体基质中生成
[D]能量甲可被光合色素吸收、传递和转化
【答案】 A
【解析】 a是H2O,在叶绿体的类囊体膜上被消耗,在线粒体内膜上生成;b是O2,其生成源于光反应过程中水的分解,其消耗过程发生在线粒体内膜,该过程伴随能量的释放和转移;c是CO2,在叶绿体基质中参与暗反应被消耗,在线粒体基质中通过有氧呼吸的第二阶段生成;能量甲是光能,可被光合色素吸收、传递和转化。
5.对于绝大多数生物来说,有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式,下图表示有氧呼吸过程。下列有关说法正确的是( )
[A]①②④中能量最多的是①
[B]③代表的物质名称是氧气
[C]线粒体能完成图示全过程
[D]⑥代表的物质是水
【答案】 D
【解析】 有氧呼吸三个阶段都能产生能量,但第三阶段产生的能量最多,题图中①为第一阶段释放的能量,②为第二阶段释放的能量,④为第三阶段释放的能量,即①②④中能量最多的是④;由题图可知,①②④表示能量,③⑥表示水,⑤表示氧气;葡萄糖分解为丙酮酸发生在细胞质基质中,线粒体中缺乏分解葡萄糖的酶,不能进行有氧呼吸的第一阶段,在线粒体中可进行的是有氧呼吸的第二、第三阶段。
6.右图是显微镜下某真核细胞中线粒体及周围的局部结构。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中发生葡萄糖的分解也生成ATP;结构②和③上丙酮酸被彻底分解为CO2和H2O;结构②中[H]与O2结合生成水并释放大量能量;结构①②③中均有参与细胞呼吸的相关酶。
7.下图表示细胞有氧呼吸的过程,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]甲、乙分别代表丙酮酸、[H]
[B]①和②所含酶的种类相同
[C]②和③都能产生大量能量
[D]①、②和③分别是细胞质基质、线粒体内膜和线粒体基质
【答案】 A
【解析】 有氧呼吸过程中,葡萄糖首先在细胞质基质中被分解为丙酮酸和[H],然后丙酮酸进入线粒体,在线粒体基质被分解为二氧化碳和[H],[H]最后在线粒体内膜和氧结合生成水,据此可知①、②和③分别是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜,甲、乙分别代表丙酮酸、[H];①和②发生的生理过程不同,所含酶的种类不同;①和②产生少量能量,③产生大量能量。
8.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。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线粒体。下列叙述错误的是( )
[A]推测被吞噬的细菌可从真核细胞中获取丙酮酸
[B]葡萄糖可在线粒体中分解成丙酮酸和[H]
[C]线粒体内存在与细菌DNA相似的环状DNA
[D]线粒体内也可能发生蛋白质的合成
【答案】 B
【解析】 葡萄糖可在细胞质基质中分解成丙酮酸和[H],丙酮酸进入线粒体氧化分解,推测被吞噬的需氧细菌可从真核细胞中获取丙酮酸;该需氧细菌进化成了宿主细胞的线粒体,故线粒体内存在与细菌DNA相似的环状DNA;由于细菌含有核糖体,因此线粒体也含有核糖体,线粒体内也可能发生蛋白质的合成。
综合提升练
9.(多选)(2025·长沙期末)真核细胞有氧呼吸的主要阶段是在线粒体内进行的;其部分过程如图1 所示。解耦联剂能增大线粒体内膜对H+的通透性,消除H+梯度,从而抑制ATP生成,如图2 所示。下列叙述正确的有( )
[A]线粒体内膜的蛋白质/脂质的值大于线粒体外膜
[B]图1中线粒体基质与细胞质基质间的H+浓度差驱动ATP合成
[C]H+通过解耦联剂进入线粒体基质的跨膜运输方式是主动运输
[D]可以利用解耦联剂来开发杀虫剂
【答案】 AD
【解析】 线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段的场所,其上附着有多种酶,因此线粒体内膜的蛋白质/脂质的值大于线粒体外膜;图1中在线粒体的内外两层膜之间的膜间腔与线粒体基质之间的H+浓度差驱动ATP合成;H+通过解耦联剂进入线粒体基质的跨膜运输方式是协助扩散;加入解耦联剂后,ATP合成受阻,从而使能量供应不足,达到杀虫的目的。
10.(多选)(2025·济宁月考)将酵母菌进行离心处理,然后在有氧的条件下进行以下模拟实验,最终能产生CO2和H2O的试管有( )
[A] [B] [C] [D]
【答案】 BC
【解析】 A选项试管中线粒体不能分解葡萄糖,不能进行呼吸作用,不能产生CO2和H2O;B选项试管中线粒体能将丙酮酸分解,可进行有氧呼吸第二、第三阶段,产生CO2和H2O;C选项试管中既有细胞质基质,又有线粒体,能将葡萄糖最终分解为CO2和H2O;D选项试管只有细胞质基质,无线粒体,不能产生CO2和H2O。
11.(8分)图1为线粒体的结构示意图,图2为线粒体中部分膜结构及其上发生的反应。
(1)图2表示图1中的 结构,图中发生的过程将H+由M侧顺浓度梯度转运到N侧,并驱动ATP合成,ATP合成的直接驱动力由H+浓度差提供。
(2)研究发现肿瘤中心区域细胞中线粒体融合增强(会导致呼吸链复合体的活性增强、细胞耗氧速率增加等)。为研究在营养缺乏时线粒体融合对肿瘤细胞糖代谢的调控,科研人员用肿瘤细胞进行了相关实验,结果如下表。
组别 指标
细胞耗 氧速率 线粒体 ATP产 生量 呼吸链 复合体 的活性
甲组:常规培养 4.2 1.0 0.90
乙组:营养缺乏 5.6 1.4 2.39
丙组:营养缺乏+抑制DRP1S637磷酸化 3.1 0.8 1.22
注:DRP1是一种参与调控线粒体形态和功能的蛋白质,DRP1S637磷酸化是指DRP1第637位点丝氨酸磷酸化。
据表分析:①推测营养缺乏和DRP1S637磷酸化对线粒体融合的作用分别是 和
。
②根据实验结果,完善肿瘤细胞在营养缺乏条件下的代谢调控途径,对应字母排列顺序是 。
营养缺乏→□→□→□→□→产能效率提高→适应营养缺乏环境
a.线粒体融合增强
b.DRP1S637磷酸化增强
c.细胞耗氧速率增加、线粒体ATP产生量增加
d.线粒体嵴密度增加、呼吸链复合体的活性增加
【答案】 (每空2分)
(1)线粒体内膜
(2)促进 促进 badc
【解析】 (1)有氧呼吸的第一、第二、第三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜,只有第三阶段在生物膜上进行,故图2表示图1中的线粒体内膜。
(2)①根据题表信息可知,乙组与甲组相比,细胞耗氧速率、线粒体ATP产生量和呼吸链复合体的活性均增加,表明营养缺乏会促进线粒体融合;丙组与乙组相比,丙组抑制DRP1S637磷酸化后,上述指标都下降,而乙组并未抑制DRP1S637磷酸化,表明抑制DRP1S637磷酸化会抑制线粒体融合。因此DRP1S637磷酸化能促进线粒体融合。
②肝癌细胞在营养缺乏条件下,首先DRP1S637磷酸化增强(b),促进线粒体融合(a),线粒体嵴密度增加、呼吸链复合体的活性增加(d),细胞耗氧速率增加、线粒体ATP产生量增加(c),细胞的产能效率提高,从而适应营养缺乏的环境,所以对应字母排列顺序是badc。
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