5.3细胞的呼吸原理和应用课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

第五章 细胞的能量供应和利用 5.3 细胞呼吸的原理和应用 细胞呼吸 VS 呼吸 细胞内 + 糖 类 + 水 能 量 O2 O2 肺通气 （呼吸的现象） 呼吸器官 血液循环 血液循环 呼吸器官 CO2 气体运输 + CO2 细胞呼吸 （呼吸作用的本质） 1.探究实验 细胞呼吸是否也必须在有氧条件进行呢？ 细胞在有氧和无氧条件都能进行呼吸作用吗？ 如果是，产物有何不同呢？ (1)提出问题 一、细胞呼吸的方式 探究：酵母菌细胞的呼吸方式 实验原理 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，属于兼性厌氧菌。通过定性测定酵母菌在有氧和无氧的条件下细胞呼吸的产物，可以确定酵母菌细胞呼吸的方式。 一、细胞呼吸的方式 1、为什么松软可口的馒头、面包里有很多小孔？ 馒头的制作过程： 面粉 发酵 馒头 酵母菌 说明酵母菌发酵过程产生了气体。 2、酵母菌在发酵过程中的底物是什么？产生的是哪种气体？ 推测：酵母菌分解淀粉或葡萄糖产生了CO2。 葡萄酒的酿制过程： 新鲜葡萄 密封发酵 葡萄酒 酵母菌 推测：新鲜葡萄里含有的葡萄糖在酵母菌的作用下产生了酒精。 设计实验 酵母菌细胞呼吸的方式 提出问题 进行实验 验证假设、形成结论 CO2 有氧 产生 无氧 CO2和酒精 产生 作出假设 探究酵母菌细胞的呼吸方式 （1）本实验的自变量、因变量是什么？ （2）怎样保证酵母菌在整个实验过程中能正常生活？为何要用新鲜的酵母菌？实验装置为何置于25-35℃？ （3）怎样鉴定有无CO2产生？怎样鉴定CO2产生的量？ （4）怎样鉴定有无酒精产生？ （5）怎样控制有氧和无氧条件？ (3)设计实验 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如温度、酵母菌活性 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 实验：探究酵母菌细胞呼吸的方式 —酵母菌： 酵母菌是异养兼性厌氧型生物，培养时必须提供有机物。 课本P90 酵母菌培养液 配制成 ＋ 葡萄糖溶液 单细胞真菌属真核生物 细胞壁 细胞膜 细胞核 细胞质 酵母菌 1.实验材料 CO2的检测： 1.通入澄清的石灰水： 2.使溴麝香草酚蓝水溶液： 酒精的检测： 橙色的重铬酸钾溶液在酸性下与酒精发生反应： 澄清→浑浊 蓝→绿→黄 橙色→灰绿色 2.实验原理 +酒精 溶有重铬酸钾的浓硫酸 灰绿色 CO2多少：石灰水变浑浊的程度或产生浑浊的快慢或由蓝→绿→黄所需时间长短 蓝色 绿色 黄色 （1）以上锥形瓶中的溶液在实验中的作用分别是什么？ 10%NaOH的作用是：吸收空气中的CO2 澄清的石灰水作用是：检测CO2的产生 有氧条件 无氧条件 （2）如何说明CO2产生的多少？ （3） B瓶应封口放置一段时间后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，这是为什么？ 根据石灰水的浑浊程度 瓶口密封放置一段时间,可以让酵母菌消耗完瓶中原有氧气,造成无氧环境. 有氧呼吸 无氧呼吸 实验现象： 实验结论： 有氧装置中，第三个锥形瓶： 石灰水混浊程度高 溴麝香草酚蓝变色时间短 无氧装置中，第二个锥形瓶： 酵母菌滤液： 加入重铬酸钾，酸性条件下颜色仍为橙色 石灰水混浊程度低 溴麝香草酚蓝变色时间长 酵母菌滤液： 加入重铬酸钾，酸性条件下颜色变为灰绿色 在无氧条件下酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量CO2 酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。 在有氧条件下酵母菌通过细胞呼吸产生大量CO2 是否完美？ 在有氧呼吸装置中添加装有澄清石灰水的锥形瓶，以检测进入酵母菌培养液中的气体没有CO2 。 在无氧呼吸装置的酵母菌培养液的表层滴加适量的植物油或石蜡油，可以完全隔绝O2以提供严格的无氧环境。 改进实验装置 拓展 有氧呼吸装置图 接橡皮泵 质量分数为10%的NaOH溶液 酵母菌培养液 澄清的石灰水 酵母菌培养液 澄清的石灰水 无氧呼吸装置图 澄清的石灰水 油层 科学方法 概念 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。 在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中，需要设置有氧和无氧两种条件来探究酵母菌在不同氧气条件下细胞呼吸的方式，这两个实验组的结果都是事先未知的，通过对比可以看出氧气条件对细胞呼吸的影响。对比实验也是科学探究中常用的方法之一。 举例 有氧 无氧 细胞呼吸（氧化分解反应） 有氧呼吸 无氧呼吸 绝大多数生物的主要细胞呼吸方式 一.细胞呼吸的方式 2.有氧呼吸 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。 外膜 内膜 基质 嵴 含有与有氧呼吸有关的各种酶 线粒体结构示意图 有氧呼吸的主要场所 线粒体有哪些结构与呼吸作用相适应？ 探究活动：有氧呼吸的过程分析 分析学习笔记P80-81核心探讨中的三个实验及相关问题； 试着写出有氧呼吸每个阶段的发生场所、物质和能量变化（可以通过反应式） 时间：6min C6H12O6 2C3H4O3 酶 6CO2 4[H] 能量 少量ATP 热能 能量 少量ATP 热能 酶 6H2O 20[H] 12H2O 6O2 酶 能量 大量ATP 热能 线粒体 细胞质基质 ② ① ③ 有氧呼吸的全过程图解： 自主阅读课本92-93页，写出三个阶段的发生场所、物质和能量变化 23 有氧呼吸的过程 第一阶段 细胞质基质 第二阶段 线粒体基质 线粒体内膜 4 20 2 C6H12O6 酶 + [H] +少量能量 C3H4O3 第三阶段 6 6 + H2O 酶 2C3H4O3 CO2 + [H] + 少量能量 12 6 酶 H2O +大量能量 24[H] + O2 总反应式 C6H12O6 +6H2O + 6O2 6CO2 + 12H2O + 能量 酶 24 有氧呼吸的概念 有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，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。 思考.讨论 1、线粒体能直接利用葡萄糖吗？没有线粒体的生物能进行有氧呼吸吗？ 不能，葡萄糖只有先分解为丙酮酸才能被线粒体利用。 没有线粒体，只要有与有氧呼吸有关的酶，一样也可以进行有氧呼吸。 2、在细胞内，1mol葡萄糖彻底氧化分解可以释放出2870kJ的能量，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？ 有氧呼吸的能量转化效率大约为34%。结合上一节所学内容，1mo1ATP分子的高能键含有30.54KJ的能量，因此，1mol葡萄糖能够使32 molADP分子转化为ATP分子。 1mol的葡萄糖彻底氧化分解，共释放2870kJ 977.28kJ储存在ATP中 34％ 1892.72kJ以热能散失 66％ 3、同有机物在生物体外的燃烧相比，有氧呼吸具有什么不同的特点？对于生物体来说有什么意义？ 区别： 1.有氧呼吸过程温和。 2.有机物中的能量经过一系列化学反应 逐步释放。 3.有氧呼吸释放的部分能量储存在ATP中。 相同： 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。 燃烧是一种迅速释放能量的过程,而有氧呼吸过程则是逐步缓慢释放能量,这种方式保证有机物中的能量得到最充分的利用,且有利于维持细胞的相对稳定状态。 体外： 物质 热能 + O2 燃烧 无机物+ 请思考 尝试运用所学知识，解释以下现象： 现象1：长久较封闭放置的苹果，有时会有酒香味。 现象2：洪灾容易导致农田被淹，引发农作物死亡。 现象3：剧烈运动后，容易产生肌肉酸痛的现象。 3.无氧呼吸 葡 萄 糖 丙 酮 酸 [H] 少量能量 酶2 酶1 酒精 + CO2 乳酸 酶 （1）无氧呼吸过程 第一阶段 细胞质基质 第二阶段 细胞质基质 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）。 例：大多数植物（如水稻根、苹果果实）、酵母菌。 无氧呼吸的过程 第一阶段 细胞质基质 第二阶段 细胞质基质 4 2 2 C6H12O6 酶 + [H] +少量能量 C3H4O3 2 C3H6O3(乳酸) + 4 [H] 2C3H4O3 C2H5OH(酒精)+ CO2 酶 酶 2 人体产生的CO2全部来自线粒体 30 （2）无氧呼吸概念： 总反应式 C6H12O6 酶 2C3H6O3(乳酸) + 少量能量 C6H12O6 2C2H5OH(酒精) + 2CO2 + 少量能量 酶 例：大多数植物（如水稻根、苹果果实）、酵母菌。 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）。 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。 无氧呼吸的能量产生和利用有什么特点？ 微生物的发酵 1.酒精发酵 2.乳酸发酵 酵母菌 乳酸菌 乳酸菌、酵母菌等微生物的无氧呼吸也称为发酵。 有氧呼吸和无氧呼吸的比较 呼吸方式 有氧呼吸 无氧呼吸 不同点 场所 条件 分解程度 产物 能量 ATP生成阶段 相同点 线粒体（主）和细胞质基质 细胞质基质 氧气、多种酶 无氧气参与、需多种酶 CO2＋H2O 乳酸或酒精＋CO2 热能（主）＋储存在ATP中的化学能 乳酸/酒精中的化学能（主） ＋热能＋储存在ATP中的化学能 彻底氧化分解 不彻底氧化分解 第一、第二、第三阶段 第一阶段 第一阶段完全相同，包括反应过程和反应场所 反应实质相同，都能氧化分解有机物，释放能量 有机物在细胞内酶的催化作用下,经过一系列的氧化分解，生成CO2或其他产物，释放出能量并生成ＡＴＰ的过程。 4.呼吸作用（细胞呼吸）的概念 有机物 CO2(或其他产物)+能量 氧化分解 5、细胞呼吸意义 1.为生命活动提供能量 ADP+Pi 供生命活动的能量 酶 有机物 ATP 呼吸作用 氧化分解 5、细胞呼吸意义 1.为生命活动提供能量 2.细胞中物质代谢的枢纽 ？ 问题探讨 酵母菌细胞富含蛋白质，可以用作饲料添加剂。在培养酵母菌用作饲料添加剂时，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入，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。 内因 遗传特性及植物种类：阳生大于阴生 发育阶段：幼苗期及开花期大于成熟期 器官类型：生殖器官大于营养器官 五、影响细胞呼吸的因素及原理应用 1、温度： 应用：低温储存食品；大棚栽培在夜间和阴天适当降温，提高产量；温水和面发得快；种植烟草，用地膜适当升温~~ 温度通过影响呼吸作用相关酶的活性来影响呼吸作用 植物呼吸作用最适温度在25-30℃ 五、影响细胞呼吸的因素及原理应用 2、O2浓度： （1）对有氧呼吸： O2是有氧呼吸所必需的，但O2会抑制无氧呼吸。 （2）对无氧呼吸： 限制因素：酶活性和数量等 曲线分析：随着O2浓度升高，有氧呼吸速率增加；但O2浓度升高到一定程度后，受到酶活性和数量等限制，有氧呼吸速率不再变化。 曲线分析：随着O2浓度升高，无氧呼吸速率不断下降，最终下降为零。 （3）对既有有氧呼吸又有无氧呼吸的： 曲线分析： （1）O2浓度为0时， （2）O2浓度为10%时， （3）O2浓度0-10%时， （6）O2浓度为5%时， （4）O2浓度＞10%时， 只有无氧呼吸。 无氧呼吸降为零； 只有有氧呼吸。 呼吸并存。 只进行有氧呼吸。 有氧呼吸和无氧 （5）CO2中的C来自于 。 有机物中的C 有机物消耗量最少。此时O2浓度为储存的最适氧气浓度 应用：选用透气创可贴或消毒纱布 原理：为伤口营造有氧环境，避免厌氧微生物的繁殖，有利于伤口愈合。 应用：酿酒（控制通气） 原理：早期通气，有利于酵母菌进行有氧呼吸，从而快速繁殖；后期密封，有利于酵母菌进行无氧呼吸产生酒精。 原理：降低温度、降低氧气含量可以降低呼吸作用强度，减少有机物的消耗，延长保质期。 应用：水果、蔬菜保鲜 应用：农作物栽培时及时松土透气； 原理:及时松土增加土壤溶氧量，使根细胞进行充分有氧呼吸，有利于根生长和对无机盐离子的吸收；避免根细胞由于无氧呼吸产生酒精对根系造成伤害；还有利于土壤中好氧微生物的生长繁殖，促使其对有机物的分解，有利于为植物提供CO2和无机盐。 与社会的联系——细胞呼吸原理的应用 应用：伤口过深或被锈钉扎伤，需及时就医 原理：较深的伤口里缺少O2，避免破伤风芽胞杆菌进行无氧呼吸而大量繁殖，引起破伤风。 应用：提倡慢跑等有氧运动 原理：避免肌肉细胞因供氧不足进行无氧呼吸而产生大量乳酸， 3、水分： 4、CO2：CO2为呼吸作用产物，当浓度较高时会抑制呼吸作用。 在一定范围内，自由水含量越多，代谢越旺盛，细胞呼吸越强。 但是水含量过多的时候，导致无氧呼吸。 应用及原理：适当灌溉，促进呼吸作用；定期排水防止水中缺氧使根系进行无氧呼吸产生酒精导致根腐烂。 种子晒干再贮藏；种子萌发适宜温度，充足空气和水分。 应用及原理：增加CO2浓度，降低O2浓度有良好的保鲜效果。 实验现象 结论 装置1液滴 装置2液滴 不动 不动 不动 右移 左移 右移 左移 不动 细胞呼吸方式的判断：利用装置判断气体变化 2.实验结果预测和结论(见下表)： 1.实验装置(见右图)： 只进行产生乳酸的无氧呼吸或种子已死亡 只进行产生乙醇的无氧呼吸 进行有氧呼吸和产生乙醇的无氧呼吸 只进行有氧呼吸或进行有氧呼吸和产生乳酸的无氧呼吸 3.误差的校正 ①如果实验材料是绿色植物，整个装置应遮光处理，否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定。 ②如果实验材料是种子，为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应对装置及所测种子进行消毒处理。 ③为防止气压、温度等物理膨胀因素所引起的误差，应设置对照实验，将所测的生物材料灭活(如将种子煮熟)，其他条件均不变。 细胞呼吸 氧化分解有机物 能量 [O2] 温度 热 ATP 无氧呼吸 有氧呼吸 第一阶段 （细胞质基质） 第二阶段 第三阶段 线粒体 细胞质基质 湿度 [CO2] 乳酸 乙醇和 二氧化碳 是 释放 大部分用 于生成 少部分推 动生成 分为 均涉及 若无氧则生成 若有氧则进行 发生在 发生在 外界影 响因素 $$