5.3 细胞呼吸的原理和应用-【精讲课堂】2024-2025学年高一生物同步教学实用课件（人教版2019必修1）

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 酵母菌资料 资料2：馒头和面包里面都有一个个的小孔，都很松软，是因为发面时加入酵母菌，酵母菌细胞呼吸产生了CO2 ， CO2受热膨胀。 资料3：酿酒过程中，酵母菌进行细胞呼吸产生了酒精。 资料 资料1：酵母菌是单细胞真菌（真核生物）。在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧型生物。 酵母菌什么条件下产生CO2?什么条件下产生酒精？ 资料 呼吸作用的实质是细胞内有机物的氧化分解，并释放出能量，因此也叫细胞呼吸。 3.设计实验 1.提出问题 4.进行实验 5. 得出结论,交流讨论 2.作出假设 酵母菌在有氧还是无氧条件下进行细胞呼吸？ 酵母菌在上述条件下细胞呼吸的产物是什么？ 联系生活实际，尝试作出假设 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 发面过程中，酵母菌在有氧或无氧的条件下进行呼吸作用产生CO2。酵母菌密封发酵过程中无氧条件下进行呼吸作用产生酒精。 发面后 2.作出假设 ①酵母菌在有氧和无氧条件下均可进行细胞呼吸。 ②酵母菌在有氧条件下产生CO2和H2O，在无氧条件下产生酒精和CO2。有氧条件下细胞呼吸产生的CO2比无氧条件下多。 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 实验思路 分析变量 自变量: 因变量: 无关变量: 细胞呼吸的条件 细胞呼吸的产物 有氧 无氧 影响实验结果的可变因素 酒精、CO2 分别给酵母菌提供有氧和无氧的条件，一段时间后检测其产物是否含酒精或二氧化碳。 3.设计实验 通气 密封 控制无关变量：温度、pH、营养物质（葡萄糖溶液的量和浓度）等需要相同且适宜原则。适宜条件（25～35℃ ，pH3.0-7.5）、给予充足的养料（葡萄糖溶液） 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 3.设计实验 酒精+重铬酸钾（浓硫酸溶液）：橙色→灰绿色 使澄清石灰水变浑浊（根据浑浊程度检测CO2产生的多少） 溴麝香草酚蓝溶液：蓝→绿→黄（根据其变黄色时间的长短，检测CO2产生的多少） （1）检测CO2 （2）检测酒精 注意：检测时需要等培养液中葡萄糖耗尽再进行。 因为葡萄糖能和酸性重铬酸钾反应 因变量 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 与生活的联系 如何检测汽车司机是否喝了酒？ 让司机呼出的气体直接接触到用硫酸处理过的重铬酸钾，如果呼出的气体中含有酒精，重铬酸钾会变成灰绿色的硫酸铬。 饮酒驾车是指车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于20mg/100ml，小于80mg/100ml的驾驶行为。 醉酒驾车是指车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100ml的驾驶行为。 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 4.进行实验 称取等量的两份食用酵母菌（10g）； 配制质量分数为5%葡萄糖溶液作为酵母菌的培养液； 搭建如图的有氧呼吸（左）和无氧呼吸（右）装置； 培养、观察、检测、记录 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 二氧化碳产生情况 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 检测酒精的方法： 各取2mL酵母培养液的滤液，分别注入2支干净的试管中。向试管中分别滴加0.5mL溶有0.1g重铬酸钾的浓硫酸溶液（质量分数为95%~97%），并轻轻震荡，使其混合均匀。观察试管中溶液的颜色变化。 注意：是将酸性重铬酸钾溶液滴加至酵母培养液滤液中，不能反过来加！ 刚加入重铬酸钾 一段时间以后 A B A A: 有氧条件下酵母菌培养液 B: 无氧条件下酵母菌培养液 B 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 5. 得出结论,交流讨论 条件 澄清石灰水/出现的时间 重铬酸钾--浓硫酸溶液 有氧 无氧 变混浊／快 不变灰绿色 变混浊／慢 出现灰绿色 酵母菌在有氧和无氧条件下都进行细胞呼吸。 在有氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量CO2 在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量CO2 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 酵母菌在有氧和无氧条件下都能生存，因此便于用来研究细胞呼吸的不同方式。在本探究活动中，需要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。 科学方法：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，来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，也叫相互对照实验。对比实验也是科学探究中常用的方法之一。 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 讨论： 1.葡萄糖溶液先煮沸再冷却后加入锥形瓶的原因？ 加热煮沸：除去溶液中的氧气，避免对自变量的影响。杀死葡萄糖溶液中可能存在的杂菌，避免对实验结果的干扰。冷却：防止溶液温度过高将酵母菌杀死。 2. B瓶应封口放置一段时间，再连通澄清石灰水的锥形瓶的目的是什么？ 消耗掉B瓶中的氧气，确保通过澄清石灰水的CO2是无氧呼吸产生的。 3.在有氧条件的装置中，质量分数为10%的NaOH溶液的作用是什么？ 去除空气中CO2 ，保证澄清石灰水变浑浊是酵母菌有氧条件产生CO2所致。 4.确定酵母菌的细胞呼吸方式的指标是CO2还是酒精？试分析原因。 酒精。有氧呼吸和无氧呼吸都产生CO2 ，只有无氧呼吸才能产生酒精。 一、探究酵母菌细胞呼吸的方式 外膜 内膜 基质 嵴 线粒体是有氧呼吸的主要场所 增大膜面积分布有氧呼吸的酶 分布有氧呼吸的酶 C6H12O6＋6H2O＋6O2 6CO2＋12H2O＋能量 酶 （主要的形式） 1.初步感知：有氧呼吸 二、有氧呼吸 16 A组 B组 C组 细胞质基质 线粒体 细胞匀浆 加入等量葡萄糖 细胞质基质可以分解葡萄糖； 线粒体不能直接分解葡萄糖； 大量的科学研究表明：有氧呼吸的场所包括细胞质基质和线粒体。先由细胞质基质完成葡萄糖的初步分解，之后由线粒体完成剩下的部分。 2.分析有氧呼吸的场所 二、有氧呼吸 3.梳理：有氧呼吸过程 二、有氧呼吸 细胞质基质 C6H12O6 酶 葡萄糖的初步分解 ① C6H12O6 能量 （少量） 2丙酮酸 （2C3H4O3 ） 4[H] 酶 2C3H4O3+4 [H] +能量(少量) 线粒体基质 丙酮酸彻底分解 ② 2C3H4O3 +6H2O 6CO2 +20 [H] +能量(少量) 6H2O 能量 （少量） 20[H] 酶 6CO2 线粒体内膜 12H2O+能量（大量） 酶 6O2 [H]的氧化 酶 ③ 24[H] + 6O2 12H2O +能量（大量） 酶 二、有氧呼吸 通常将NADH简化为[H]，读作还原氢 小分子NAD+是电子和H+的载体 资料拓展 二、有氧呼吸 NAD+ NADH NAD+ 葡萄糖的初步分解 C6H12O6 酶 2C3H4O3+4 [H] +能量(少量) （丙酮酸） 细胞质基质 ① 丙酮酸彻底分解 酶 6CO2 +20 [H] +能量(少量) 线粒体基质 ② 2C3H4O3 （丙酮酸） [H]的氧化 酶 12H2O +能量（大量） 线粒体内膜 ③ 24[H] + 6O2 +6H2O 总反应式: 特点：反应条件温和，多步反应，逐步放能。 C6H12O6+6H2O+6O2 酶 6CO2+12H2O+能量 二、有氧呼吸 有氧呼吸是指在氧的参与下，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。 思考·讨论 1.有氧呼吸反应式要点总结 注意事项： 反应式中的能量不能写成ATP，因葡萄糖中的能量只有一部分储存在ATP中。 反应式前后H2O不能去掉，因为反应过程中在第二阶段消耗水，而第三阶段生成水。 反应式中间不能用等号，要用箭头。反应条件“酶”不能省去。 C6H12O6＋6H2O＋6O2 6CO2＋12H2O＋能量 酶 二、有氧呼吸 思考·讨论 2.在细胞内，1mol葡萄糖彻底氧化分解可以释放2870kJ的能量，可使977.28kJ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？ 3.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？ 转化效率高达34％，约使32mol ADP转化为ATP。其余1892.72kJ主要以热能的形式散失掉。 保证有机物中的能量得到最充分的利用，使有机物中的能量逐步地转移到ATP中；能量缓慢有序地释放，有利于维持细胞的相对稳定状态。 二、有氧呼吸 4.结合线粒体的结构模式图，试从以下两个角度分析线粒体与有氧呼吸相适应的特点： （1）从膜结构上分析 内膜向内腔折叠形成嵴，使内膜表面积大大增加，增大了有氧呼吸酶的附着面积，为能量的释放提供了足够的空间。 （2）从有氧呼吸所需酶上分析 内膜和基质中含有大量与有氧呼吸有关的酶，从而保证有氧呼吸的顺利进行。 思考·讨论 二、有氧呼吸 【生活现象】 人在剧烈运动后，肌肉会发酸；苹果储藏久了会有酒味。 请分析出现上述现象的原因？ 三、无氧呼吸 25 1.概念 指细胞在_________参与的情况下，葡萄糖等有机物经过_______分解，释放_____能量，生成_____ATP的过程。 没有氧气 不完全 少量 少量 2.过程 C6H12O6 2丙酮酸 + 4 [H]+ 2C2H5OH（酒精）+2CO2 酶 2C3H6O3（乳酸） 酶 第一阶段： 第二阶段： 少能 2ATP 热能 细胞质基质 细胞质基质 不释放能量 C6H12O6 2丙酮酸+ 4 [H]+少能 酶 酶 三、无氧呼吸 26 近69%的能量都以热能的形式散失掉。 1mol葡萄 糖分解为乳酸释放能量196.65kJ 有61.08kJ转移至ATP中， 能量转换效率约为31％。 注意：无氧呼吸过程产生的能量 同样是分解葡萄糖，为何无氧呼吸只能释放少量能量？ 无氧呼吸中葡萄糖分子中的大部分能量存留在酒精或乳酸中 三、无氧呼吸 3.总反应方程式 C6H12O6 2C2H5OH+ 2CO2+ 能量（少量） 酶 ⑴ 酒精发酵 实例：酵母菌、大多数高等植物 实例：人和动物细胞、乳酸菌、某些植物的特殊器官马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚 ⑵ 乳酸发酵 C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）+ 能量（少量） 酶 三、无氧呼吸 28 4.无氧呼吸的实例 酿酒 高等植物在水淹的情况下，可以进行短暂的无氧呼吸，将葡萄糖分解为乙醇和二氧化碳，释放出能量以适应缺氧环境条件。如果稻田中的氧气不足，水稻根的细胞就会进行酒精发酵，时间长了，酒精就会对根细胞产生毒害作用，使根系变黑、腐烂。 利用各种菌的呼吸类型和发酵各生产阶段对氧气的需要，控制通气的情况，以大量生产各种产品。 密封有酒味 定期排水 水淹烂根 三、无氧呼吸 4.无氧呼吸的实例 酸奶发酵 制作酸奶、运动无氧呼吸会产生乳酸等。 人在剧烈运动时，需要在相对较短的时间内消耗大量的能量，肌肉细胞则以无氧呼吸的方式供给能量，满足人体的需要。 无氧呼吸危害：酒精和乳酸在细胞中大量积累对细胞有毒害作用，且释放的能量太少，不足维持生命活动的需求。大多数生物不能长时间用无氧呼吸维持生命！ 乳酸菌 三、无氧呼吸 30 有氧呼吸 无氧呼吸 不同点 场所 ____________________ ___________ 条件 需要氧、酶 不需要氧、_______ 产物 ____________ ________________ 能量 大量 少量 相同点 过程 葡萄糖分解为丙酮酸的阶段相同 实质 _______________________________ 意义 为生物体的各项生命活动提供能量 细胞质基质和线粒体 细胞质基质 需要酶 CO2、H2O 酒精和CO2或乳酸 分解有机物，释放能量，合成ATP 比较有氧呼吸和无氧呼吸 三、无氧呼吸 31 思考·讨论 1.不同细胞无氧呼吸产物不同的直接原因是什么？ 　不同细胞所具有的酶的种类不同，导致反应途径不同，产物也不同。 2.骨骼肌中的丙酮酸被还原成乳酸，大部分从活跃的肌细胞中扩散到血液，然后又通过血液带回肝，在肝中重新转化成葡萄糖。从物质和能量角度分析，乳酸在肝脏中重新转化成葡萄糖的意义是什么？ 减少机体内物质和能量的浪费，有机物和能量再次被利用。 三、无氧呼吸 32 思考：为什么被锈钉扎伤或伤口很深时，需要注射破伤风疫苗，且用透气的创可贴或纱布包扎伤口？ 发酵工业 创可贴 植物松土 稻田定期排水 破伤风疫苗 提倡慢跑 ...... 四、细胞呼吸原理的应用 33 内因 ①遗传特性：不同种类的植物细胞呼吸速率不同。 实例：旱生植物小于水生植物，阴生植物小于阳生植物。 ②生长发育时期：同一植物在不同的生长发育时期细胞呼吸速率不同。 实例：幼苗期细胞呼吸速率高，成熟期细胞呼吸速率低。 ③器官类型：同一植物的不同器官细胞呼吸速率不同。 实例：生殖器官大于营养器官。 影响细胞呼吸的因素 四、细胞呼吸原理的应用 34 外因 1.温度 影响：细胞呼吸是一系列酶促反应，温度通过影响酶的活性来影响细胞呼吸速率。细胞呼吸的最适温度一般在25～35 ℃之间。 应用： 低温储存食品 大棚栽培在夜间和阴天适当降温 温水和面发得快 影响细胞呼吸的因素 温度 CO2 水 O2 四、细胞呼吸原理的应用 35 2.CO2 影响：CO2是细胞呼吸的最终产物，积累过多会抑制细胞呼吸的进行。如图： 应用：适当增加CO2浓度，有利于水果和蔬菜的保鲜。 3.水分 水作为有氧呼吸的反应物可直接参与反应。 水作为生物化学反应的介质影响反应的进行。 在一定范围内，细胞呼吸速率随含水量的增加而加快，随含水量的减少而减慢。 应用： 粮食在入仓前要进行晾晒处理 干种子萌发前要进行浸泡处理 四、细胞呼吸原理的应用 36 4.O2浓度 CO2产生量 O2浓度 无氧呼吸 有氧呼吸 CO2总量 A B . . 影响：O2是有氧呼吸所必需的，且O2对无氧呼吸过程有抑制作用。如图： Ⅰ. O2浓度＝0时，只进行无氧呼吸。 Ⅱ. 0<O2浓度<10%时，同时进行有氧呼吸和无氧呼吸。 Ⅲ. O2浓度≥10%时，只进行有氧呼吸。 Ⅳ. O2浓度＝5%时，有机物消耗最少。 四、细胞呼吸原理的应用 应用：中耕松土促进植物根部有氧呼吸 无氧发酵过程需要严格控制无氧环境 低氧储藏粮食、水果和蔬菜 思考：在图中有氧呼吸和无氧呼吸曲线的交点时，有氧呼吸和无氧呼吸消耗葡萄糖的速率是否相等？ 不相等。图中有氧呼吸和无氧呼吸曲线的交点，表示两者释放的二氧化碳的量相等。根据有氧呼吸和无氧呼吸的反应式：C6H12O6→6CO2（有氧呼吸），C6H12O6→2CO2（无氧呼吸），可知，此时有氧呼吸和无氧呼吸消耗葡萄糖的比例为1:3。 四、细胞呼吸原理的应用 38 （1）在储存水果、蔬菜和粮食时，为充分保持营养成分，应尽量降低细胞呼吸速率，减少有机物的消耗，结合氧浓度与二氧化碳的产生量分析，在储存水果、蔬菜和粮食时，是不是氧气浓度越低越好？ 并不是氧气浓度越低越好，氧气的浓度应维持在产生二氧化碳的量为最小值的附近。为降低细胞呼吸，减少有机物的消耗，储藏室内的氧气应调节到图中的 B点所对应的浓度。 四、细胞呼吸原理的应用 39 (3)透气性好，细胞呼吸正常，并能抑制厌氧病菌的繁殖。 (4)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）。 (5)提倡慢跑等有氧运动的原因之一是：有氧运动能避免机细胞因供氧不足，进行无氧呼吸产生大量乳酸，乳酸的大量积累会使肌肉酸胀乏力。 （2）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。 四、细胞呼吸原理的应用 40 （1）为生物体的生命活动提供能量。绝大多数生命活动的所需要的能量（ATP）都是来源于细胞呼吸。因此，细胞呼吸是ATP的主要来源。 （2）生物体代谢的枢纽，为生物体其他化合物的合成提供原料。细胞呼吸产生的丙酮酸可以作为合成脂肪、非必需氨基酸的原料。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。 细胞呼吸概念： 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，释放出能量并生成ATP的过程。 四、细胞呼吸原理的应用 41 其他能源物质的细胞呼吸 核酸 蛋白质 多糖 脂肪 核苷酸 氨基酸 丙酮酸 单糖 脂肪酸 糖酵解 β氧化 脱氨基 乙酰辅酶A 问题探讨 酵母菌细胞富含蛋白质，可以用作饲料添加剂。在培养酵母茵用作饲料添加剂时，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。 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? 通气可以给酵母菌提供呼吸需要的氧气，利于酵母菌进行旺盛的细胞分裂;密封则是避免空气进人，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。 一、概念检测 1. 某超市有一批过保质期的酸奶出现胀袋现象。酸奶中可能含有的微生物有乳酸菌、酵母菌等。据此分析胀袋现象的原因，判断以下解释是否合理。 （1）是乳酸菌无氧呼吸产生气体造成的。 （2）如果有酒味，可能是酵母菌无氧呼吸造成的。 练习与应用 ╳ √ 一、概念检测 2. 下图表示某种植株的非绿色器官在不同氧浓度下，单位时间内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 练习与应用 C 一、概念检测 3. 将酵母菌培养液进行离心处理。把沉淀的酵母菌破碎后，再次离心处理为只含有酵母菌细胞质基质的上清液和只含有酵母菌细胞器的沉淀物两部分，与未离心处理过的酵母菌培养液分别放入甲、乙、丙3 支试管中，并向这3支试管内同时滴入等量、等浓度的葡萄糖溶液。在有氧条 件下，最终能产生CO2 和H2O的试管是 A．甲 B．丙 C．甲和乙 D．丙和乙 练习与应用 B 二、拓展应用 1.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。 练习与应用 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。 二、拓展应用 2. 有氧呼吸过程是否含有无氧呼吸的步骤？结合地球早期大气中没有氧气以及原核细胞中没有线粒体等事实，想一想，地球早期的单细胞生物是否只能进行无氧呼吸？你体内的骨骼肌细胞仍保留着进行无氧呼吸的能力，这是否可以理解为漫长的生物进化史在你身上留下的印记？ 练习与应用 提示:有氧呼吸第一阶段与无氧呼吸第一阶段完全相同，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。 细胞呼吸 呼吸方式 有氧呼吸 无氧呼吸 酶 C6H12O6 ＋ 6H2O ＋ 6O2 6CO2 ＋12H2O ＋ 能量 C6H12O6 2CO2 ＋2C2H5OH ＋少量能量 酶 葡萄糖 酶 2丙酮酸 少量能量 4〔H〕 + + 6O2 12H2O 酶 大量能量 24〔H〕 + + C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）+少量能量 酶 细胞质基质 一：细胞质基质 三：线粒体内膜 二：线粒体基质 6CO2 6H2O 酶 2丙酮酸 少量能量 20〔H〕 + + + 影响因素 温度 水分 CO2浓度 O2浓度 本节导图 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.1 $$