2026届高考热点训练 :细胞呼吸的调节和控制

高考热点训练 细胞呼吸的调节和控制 知识背景 1.有氧呼吸产热的调控 (1)UCP与体温调节 UCP是哺乳动物(尤其新生儿和小动物)褐色脂肪组织细胞的线粒体内膜上存在的一种H+通道蛋白｡UCP平时是关闭的状态,当甲状腺激素和肾上腺素作用于细胞时,UCP通道打开,线粒体膜间隙中的H+就大量从UCP流入线粒体基质,降低了电子传递过程建立的跨膜H+浓度梯度,使ATP的合成减少,导致有氧呼吸释放的能量70%都以热能的形式散失,即甲状腺激素和肾上腺素可以增加产热,升高体温,同时细胞或身体就要消耗更多的葡萄糖等有机物来产生ATP｡此外,UCP也存在于植物线粒体内膜上,也可导致细胞呼吸散失的热能增多｡该机制可以提供高效､快速的适应性产热能力,是恒温动物应对寒冷环境的关键进化适应｡ (2)AOX与植物开花生热 植物开花过程中的生热现象是植物界中一种独特的能量代谢策略,尤其在天南星科､睡莲科等植物中显著｡交替氧化酶(AOX) 在此过程中扮演核心角色｡AOX是一种植物细胞线粒体内膜上广泛存在的氧化酶｡在该酶的参与下,电子可不通过蛋白复合体,而是直接通过AOX传递给氧气生成水,降低了电子传递过程建立的跨膜H+浓度梯度,使ATP的合成减少｡这样就会导致细胞呼吸中大量能量以热能的形式释放,使花器官温度显著高于环境温度,即“开花生热现象”｡开花生热有利于花粉的成熟,也有利于散布花香吸引昆虫传粉｡ 3.无氧呼吸的调节 (1)巴斯德效应 法国微生物学家巴斯德在研究酵母发酵时发现:供氧充分的条件下有氧呼吸会抑制糖酵解的进行,巴斯德效应实际上是糖酵解和有氧氧化间的一种调节｡ (2)克勒勃屈利效应 1929年克勒勃屈利发现,在高浓度的葡萄糖和有氧条件下培养细胞时,细胞生长反而受到抑制,而且生成了乙醇(或乳酸),此效应也称葡萄糖效应,一般的解释是在这些细胞中,糖酵解的酶系活性很强,而线粒体中有氧呼吸第三阶段的酶系活性较低｡因为与巴斯德效应现象相反,又称为反巴斯德效应｡ (3)瓦堡效应 德国生理学家奥托·瓦堡于1924年提出:正常分化的细胞主要依靠线粒体的氧化磷酸化为细胞供能，而大多数肿瘤细胞则依赖有氧糖酵解。癌细胞生长很快,使得细胞经常处于一种缺氧状态,于是癌细胞就关闭了需要线粒体的有氧呼吸,能量主要是通过葡萄糖的无氧酵解提供的｡ 3.腺苷酸能荷的调节 细胞所处的能量状态用ATP､ADP和AMP(腺苷一磷酸)之间的关系式来表示,称为能荷｡能荷=([ATP]+1/2[ADP])/([ATP]+[ADP]+[AMP])｡ (1)如果细胞的腺苷酸全部为ATP,则能荷为1;如果全部为ADP,则为0.5;如果全部都是AMP,则为0｡ATP合成反应受AMP促进,受ATP本身抑制;而ATP利用反应则受AMP抑制,受ATP本身促进,通过反馈抑制,活细胞的能荷一般稳定在0.75~0.95｡ (2)呼吸控制不只取决于ATP或AMP的绝对数量,也取决于它们的相对浓度｡当[ATP]/[AMP]的值很低时,表示能量贮存很少,能荷低,ATP合成反应加快;能荷变大时,合成反应就减慢｡ATP利用反应则相反,能荷低时反应缓慢,能荷高时反应加快｡因此,能荷是细胞中ATP合成反应和利用反应的调节因素｡ 高考回顾 (2024·安徽高考3题)细胞呼吸第一阶段包含一系列酶促反应,磷酸果糖激酶1(PFK1)是其中的一个关键酶｡细胞中ATP减少时,ADP和AMP会增多｡当ATP/AMP浓度比变化时,两者会与PFK1发生竞争性结合而改变酶活性,进而调节细胞呼吸速率,以保证细胞中能量的供求平衡｡下列叙述正确的是( ) A.在细胞质基质中,PFK1催化葡萄糖直接分解为丙酮酸等 B.PFK1与ATP结合后,酶的空间结构发生改变而变性失活 C.ATP/AMP浓度比变化对PFK1活性的调节属于正反馈调节 D.运动时肌细胞中AMP与PFK1结合增多,细胞呼吸速率加快 【答案】D 【解析】细胞呼吸第一阶段葡萄糖最终分解为丙酮酸,需要一系列酶促反应即需要多种酶参与,而磷酸果糖激酶1(PFK1)是其中的一个关键酶,因此PFK1不能催化葡萄糖直接分解为丙酮酸,A错误;由题意可知,当ATP/AMP浓度比变化时,两者会与PFK1发生竞争性结合而改变酶活性,进而调节细胞呼吸速率,以保证细胞中能量的供求平衡,说明PFK1与ATP结合后,酶的空间结构发生改变但还具有其活性,B错误;由题意可知,ATP/AMP浓度比变化,最终保证细胞中能量的供求平衡,说明其调节属于负反馈调节,C错误;运动时肌细胞消耗ATP增多,细胞中ATP减少,ADP和AMP会增多,从而AMP与PFK1结合增多,细胞呼吸速率加快,细胞中ATP含量增多,从而维持能量供应,D正确｡ 强化训练 1.能荷调节也称腺苷酸调节,指细胞通过调节ATP､ADP､AMP(腺苷一磷酸)两者或三者之间的比例来调节其代谢活动｡计算公式:能荷=(ATP+1/2ADP)/(ATP+ADP+AMP)｡高能荷时,ATP生成过程被抑制,而ATP的利用过程被激发;低能荷时,其效应相反｡能荷对代谢起着重要的调节作用｡下列叙述错误的是( ) A.Ca2+的载体蛋白磷酸化的过程使能荷降低 B.光合作用的光反应能提高能荷 C.人体不同细胞吸收葡萄糖的过程对能荷没有影响 D.氧含量可通过影响呼吸作用来影响能荷大小 【答案】C 【解析】蛋白质磷酸化过程是一个吸能反应,Ca2+的载体蛋白磷酸化的过程使能荷降低,A正确;光合作用的光反应过程能产生ATP,光合作用的光反应能提高能荷,B正确;除成熟红细胞外,人体其他细胞吸收葡萄糖的方式通常是主动运输,需要消耗能量,对能荷有影响,C错误;有氧呼吸需要消耗氧气,且产生能量,故氧含量可通过影响呼吸作用来影响能荷大小,D正确｡ 2.某些植物细胞在细胞色素氧化酶COX(复合体Ⅳ,位于线粒体内膜上)抑制剂(如氰化物)存在时呼吸作用仍然进行,这时的呼吸作用称为抗氰呼吸｡抗氰呼吸与交替氧化酶(AOX)密切相关,其作用机理如图所示｡由于这一电子传递路径较短,该过程产生的ATP较少,产生的热量更多｡不能进行抗氰呼吸的植物缺乏AOX｡研究发现,某些天南星科植物在早春开花时,环境温度较低,其花序中含有大量的AOX｡下列说法错误的是( ) A.细胞色素氧化酶和交替氧化酶均能催化O2与NADH的结合 B.有氧呼吸过程中,CO2､H2O的产生分别发生在第二､三阶段 C.抗氰呼吸途径可以帮助某些组织获得足够多的热量 D.抗氰呼吸时有机物氧化分解不彻底,生成的ATP较少 【答案】D 【解析】细胞色素氧化酶和交替氧化酶均参与细胞呼吸的第三阶段,都能催化O2与NADH结合生成水,A正确;有氧呼吸过程中,CO2､H2O的产生分别发生在第二､三阶段,其场所分别是线粒体基质和线粒体内膜,B正确;题意显示,抗氰呼吸过程中电子传递路径较短,该过程产生的ATP较少,因而产生的热量更多,因此抗氰呼吸途径可以帮助某些组织获得足够多的热量,C正确;抗氰呼吸时有机物氧化分解是彻底的,只不过由于这一电子传递路径较短而生成的ATP较少,进而可以释放更多的热能,D错误｡ 3.线粒体内膜合成ATP的能量来自膜两侧H+的浓度差,该过程与ATP合成酶密切相关｡线粒体解偶联蛋白(UCP)是位于线粒体内膜上的离子转运蛋白,这种蛋白质能消除线粒体内膜两侧的跨膜质子浓度差,影响ATP的正常产生｡下列叙述错误的是( ) A.ATP与ADP相互转化的能量供应机制在所有生物的细胞内都一样 B.H+经过线粒体内膜进入线粒体基质的跨膜运输方式为协助扩散 C.有氧呼吸第二阶段产生的[H]来自丙酮酸和水的分解 D.UCP可将H+运输到线粒体基质中,导致ATP合成量增多 【答案】D 【解析】ATP与ADP相互转化的能量供应机制在所有生物的细胞内都是一样的,体现了生物界的共性,A正确;据图分析,H+经过线粒体内膜进入线粒体基质是从高浓度到低浓度进行的,需要蛋白质参与,故跨膜运输方式为协助扩散,B正确;有氧呼吸第二阶段为丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H],并合成少量ATP,因此有氧呼吸第二阶段产生的[H]来自丙酮酸和水的分解,C正确;UCP可将H+运输到线粒体基质中,使线粒体内膜两侧H+的浓度差减小,导致ATP合成量减少,D错误｡ 4.(2024·河北石家庄模拟)癌细胞即使在氧气充足的条件下也主要依赖无氧呼吸产生ATP,这种现象称为“瓦堡效应”｡研究表明,癌细胞和正常分化的细胞在有氧条件下产生的ATP总量没有明显差异,但癌细胞从内环境中摄取并用于细胞呼吸的葡萄糖的量和正常细胞不同｡下图是癌细胞在有氧条件下葡萄糖的部分代谢过程,下列分析中正确的是( ) A.在有氧条件下产生的ATP总量相等的情况下,癌细胞从内环境中摄取并用于细胞呼吸的葡萄糖的量小于正常细胞 B.癌细胞在有氧条件下只进行无氧呼吸 C.过程①②③④发生在细胞质基质中,过程⑤发生在线粒体内 D.过程④会生成少量的ATP,过程⑤会生成大量的ATP 【答案】C 【解析】由于无氧呼吸中有机物氧化分解不彻底,故等质量的葡萄糖经有氧呼吸产生的ATP远多于经无氧呼吸产生的ATP,而癌细胞在有氧条件下以无氧呼吸为主,因此在有氧条件下产生的ATP总量相等的情况下,癌细胞从内环境中摄取并用于细胞呼吸的葡萄糖的量大于正常细胞,A错误;由题干“癌细胞即使在氧气充足的条件下也主要依赖无氧呼吸产生ATP”可知,癌细胞在有氧条件下既进行有氧呼吸也进行无氧呼吸,B错误;葡萄糖经过程①②③转变成丙酮酸是细胞呼吸的第一阶段,场所是细胞质基质;丙酮酸经过程④转变成乳酸是无氧呼吸的第二阶段,反应场所是细胞质基质;丙酮酸经过程⑤彻底分解成二氧化碳和水是有氧呼吸的第二､三阶段,发生场所在线粒体内,C正确;过程④是无氧呼吸的第二阶段,该阶段不产生能量,不会形成ATP,D错误｡ 5.(2024·河北张家口模拟)巴斯德发现氧气会抑制酵母菌的酒精发酵,即氧气可以降低糖类的分解代谢和减少糖酵解(糖酵解是指葡萄糖的分解,最终产物是丙酮酸)产物的积累,这种现象称为巴斯德效应｡研究发现,ATP对糖酵解相关酶的活性有抑制作用,而ADP对其有激活作用｡线粒体外膜和内膜因含有不同的蛋白质而对C3(丙酮酸)等物质的通透性差异较大｡分析下图,有关说法错误的是( ) A.糖酵解过程在线粒体内完成 B.在H+浓度梯度的驱动下,丙酮酸以主动运输的方式通过内膜 C.孔蛋白是一种通道蛋白,丙酮酸和H+以协助扩散方式通过外膜 D.供氧充足时,细胞质基质中ATP/ADP增高对糖酵解速度有抑制作用 【答案】A 【解析】糖酵解是指葡萄糖的分解,最终产物是丙酮酸,该过程在细胞质基质内完成,A错误;由于线粒体外膜和内膜因含有不同的蛋白质而对C3(丙酮酸)等物质的通透性差异较大,据图可知,在丙酮酸转运酶的参与下,H+浓度梯度提供丙酮酸跨膜转运的能量,因此为主动运输,B正确;转运蛋白可以分为载体蛋白和通道蛋白,据图分析可知,孔蛋白是线粒体外膜上的通道蛋白,丙酮酸和H+顺浓度梯度转运过程属于协助扩散,C正确;供氧充足的条件下,ATP对糖酵解相关酶的活性有抑制作用,即细胞质基质中ATP/ADP增高对糖酵解速度有抑制作用,D正确｡ 学科网（北京）股份有限公司 $$