内容正文:
第9讲 第一课时 细胞呼吸的原理和过程
课标
要求 说明生物通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量
命题
趋势 1.细胞呼吸过程辨析:重细节、辨异同——有氧呼吸的阶段与场所、无氧呼吸的类型与产物、关键物质的来源与去路,对NADH([H])、ATP、CO2、H2O等关键物质的来源与去路考查频繁
2.影响因素与实践应用:联实际、析原理——酶活性对细胞呼吸的影响、氧气浓度与呼吸方式、原理的应用与辨析
3.实验探究与综合分析:强探究、善整合——呼吸方式的探究实验、呼吸速率的测定实验
4.常考情境:农业生产(如合理灌溉和作物增产)、食品保存(如粮食和果蔬保鲜)、人体健康(如运动生理和细胞凋亡)、生态环境(如微生物分解)等
考点一
考点二
目录索引
高考真题•演练
考点一 细胞呼吸的方式和过程
必备知识•精读教材
1.有氧呼吸
(1)概念: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
氧化分解,产生 ,释放能量,生成 的过程。
彻底
二氧化碳和水
大量ATP
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科学思维•教考衔接
关键能力•练透考法
(2)过程图解(以葡萄糖为底物)
不能进入线粒体
细胞质基质
少量能量
线粒体基质
线粒体内膜
大量能量
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关键能力•练透考法
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关键能力•练透考法
(3)写出有氧呼吸总反应式(标出氧元素的来源与去向)
。
(4)能量的释放、转移与散失
①释放:葡萄糖氧化分解释放的能量大部分以 形式散失,少部分储存在 中。
②特点:在温和的条件下进行,能量 释放,彻底氧化分解。
热能
ATP
逐步
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2.无氧呼吸
(1)概念:无氧呼吸是指细胞在 参与的情况下,葡萄糖等有机物经过 分解,释放 能量的过程。
(2)过程:
没有氧气
不完全
少量
乳酸
酒精和CO2
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(3)不同生物无氧呼吸产物类型及原因
乳酸
基因
酒精和CO2
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3.无氧呼吸过程中能量的去路
(1)大部分储存在 或 中;
(2)释放的能量中大部分以 形式散失,少部分储存在ATP中。
酒精
乳酸
热能
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教材深挖
1.(必修1 P93图5-9)有氧呼吸中的葡萄糖、水、氧气分别在_____________
被利用,产物中的二氧化碳和水分别在 形成。
2.(必修1 P93相关信息)辨析“NADH”和“NAD+”:有机物的氧化是逐步脱氢和失电子的过程, (填“NADH”或“NAD+”)是电子和氢离子的载体,能够与糖氧化过程中脱下来的氢离子和电子结合,形成 (填“NADH”或“NAD+”)。
第一、二、三
第二、三阶段
阶段
NAD+
NADH
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3.(必修1 P94相关信息)1 mol葡萄糖有氧呼吸能释放2 870 kJ的能量,而1 mol葡萄糖分解生成乳酸以后,只释放196.65 kJ的能量,其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP中。据此分析无氧呼吸的过程中葡萄糖中能量的主要去向和葡萄糖氧化分解释放的能量的主要去向: 。
提示 无氧呼吸过程中,葡萄糖中的能量主要储存在乳酸或酒精中,没有释放出来;而葡萄糖氧化分解释放的能量主要以热能的形式散失了
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易错排查
(1)还原型辅酶Ⅰ参与呼吸作用并在线粒体内膜上作为反应物。(2023·广东卷)( )
(2)呼吸作用中有机物彻底分解、产生大量ATP的过程发生在线粒体基质中。(2022·河北卷)( )
(3)肠道中的厌氧菌合成ATP所需的能量主要来自NADH。(2023·重庆卷)
( )
(4)人体剧烈运动会导致骨骼肌细胞产生较多的乳酸。(2022·浙江卷)( )
(5)若细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸(以葡萄糖为呼吸底物),则吸收O2的分子数比释放CO2的多。( )
(6)癌细胞进行无氧呼吸时,丙酮酸转化为乳酸的过程会生成少量ATP。
( )
(7)无氧呼吸过程中没有氧气参与,所以有[H]的积累。( )
√
×
×
√
×
×
×
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电子传递和ATP的合成
电子传递和ATP的合成发生在线粒体内膜上,其上含有很多种类的膜蛋白,它们紧密地排列在一起,共同参与NADH释放的高能电子的传递和能量的转化,称为电子传递链。前两个阶段产生的NADH,释放出高能电子e-,沿电子传递链传递给O2,生成H2O(如图)。
请据图分析ATP生成的过程: 。
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提示 电子释放的能量将H+由线粒体基质泵到线粒体膜间隙(线粒体内膜与外膜之间的空间)中,形成跨膜H+浓度梯度,而线粒体内膜上的ATP合酶同时也是H+协助扩散的载体,能在H+浓度梯度的作用下合成ATP
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关键能力•练透考法
关键能力•练透考法
命题角度一 有氧呼吸的过程
1.(2025·甘肃卷)线粒体在足量可氧化底物和ADP存在的情况下发生的呼吸称为状态3呼吸,可用于评估线粒体产生ATP的能力。若分别以葡萄糖、丙酮酸和NADH为可氧化底物测定离体线粒体状态3呼吸速率,下列叙述正确的是( )
A.状态3呼吸不需要氧气参与
B.状态3呼吸的反应场所是线粒体基质
C.以葡萄糖为底物测定的状态3呼吸速率为0
D.相比NADH,以丙酮酸为底物的状态3呼吸速率较大
C
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解析 线粒体在足量可氧化底物和ADP存在的情况下发生的呼吸称为状态3呼吸,若以NADH为可氧化底物测定离体线粒体状态3呼吸速率,此时状态3呼吸的场所是线粒体内膜,所以需要氧气参与,A、B两项错误。葡萄糖不能直接进入线粒体进行氧化分解,需要在细胞质基质中分解为丙酮酸后才能进入线粒体,故以葡萄糖为底物测定的状态3呼吸速率为0,C项正确。NADH可直接参与有氧呼吸第三阶段,而丙酮酸需先经过有氧呼吸第二阶段产生NADH等物质后再参与第三阶段,所以相比丙酮酸,以NADH为底物的状态3呼吸速率较大,D项错误。
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关键能力•练透考法
2.(2025·河南卷)甜菜是我国重要的经济作物之一,根中含有大量的糖分。研究表明呼吸代谢可影响甜菜块根的生长,其中酶Ⅰ在有氧呼吸的第二阶段发挥催化功能,该酶活性与甜菜根重呈正相关。下列叙述正确的是( )
A.酶Ⅰ主要分布在线粒体内膜上,催化的反应需要消耗氧气
B.低温抑制酶Ⅰ的活性,进而影响二氧化碳和NADH的生成速率
C.酶Ⅰ参与的有氧呼吸第二阶段是有氧呼吸中生成ATP最多的阶段
D.呼吸作用会消耗糖分,因此在生长期喷施酶Ⅰ抑制剂会增加甜菜产量
B
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关键能力•练透考法
解析 酶Ⅰ在有氧呼吸的第二阶段发挥催化功能,故酶Ⅰ主要分布在线粒体基质中,催化的反应不需要消耗氧气,需要消耗水和丙酮酸,A项错误。有氧呼吸的第二阶段是丙酮酸和水反应产生二氧化碳和NADH,故低温抑制酶Ⅰ的活性,有氧呼吸的第二阶段减慢,进而影响二氧化碳和NADH的生成速率,B项正确。有氧呼吸中生成ATP最多的是第三阶段,C项错误。在生长期喷施酶Ⅰ抑制剂会抑制有氧呼吸,使生成的ATP减少,细胞生长发育活动受抑制,会减少甜菜产量,D项错误。
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命题角度二 无氧呼吸的过程
3.(2025·浙江一模)金鱼可以在氧气不足的环境中存活5个月。下图为金鱼不同细胞的细胞呼吸代谢图解。据图分析,下列叙述正确的是( )
A.金鱼骨骼肌细胞无氧条件下分解丙酮酸的场所是细胞质基质
B.金鱼组织细胞无氧呼吸的终产物是乙醇和CO2
C.金鱼组织细胞无氧呼吸产生的乳酸会运至肝脏细胞发生转化
D.金鱼在无氧条件下一段时间,体内也不会累积大量乳酸
D
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关键能力•练透考法
解析 由题图可知,金鱼骨骼肌细胞在无氧条件下进行无氧呼吸,分解丙酮酸的场所是线粒体,A项错误。由题图可知,金鱼其他组织细胞无氧呼吸的终产物是乳酸,并不是所有组织细胞无氧呼吸的终产物都是乙醇和CO2,B项错误。由题图可知,金鱼组织细胞无氧呼吸产生的乳酸会运至骨骼肌细胞,在骨骼肌细胞中转化为丙酮酸,丙酮酸进入线粒体进一步转化为乙醇和CO2,C项错误。因为金鱼组织细胞在无氧条件下产生的乳酸会运至骨骼肌细胞转化为丙酮酸,丙酮酸进入线粒体被分解为CO2、H2O或乙醇和CO2,所以金鱼在无氧条件下一段时间,体内也不会累积大量乳酸,D项正确。
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关键能力•练透考法
4.(2025·山东卷)关于细胞以葡萄糖为原料进行有氧呼吸和无氧呼吸的过程,下列说法正确的是( )
A.有氧呼吸的前两个阶段均需要O2作为原料
B.有氧呼吸的第二阶段需要H2O作为原料
C.无氧呼吸的两个阶段均不产生NADH
D.经过无氧呼吸,葡萄糖分子中的大部分能量以热能的形式散失
B
解析 有氧呼吸的前两个阶段不需要O2作为原料,第三阶段需要O2作为原料,A项错误。有氧呼吸的第二阶段需要H2O作为原料,B项正确。无氧呼吸的第一阶段产生NADH,NADH在第二阶段被消耗,C项错误。经过无氧呼吸,葡萄糖分子中的大部分能量仍存留在乳酸或酒精中,D项错误。
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【以题悟道】 细胞呼吸中[H]和ATP的来源与去路
(1)有氧呼吸过程中[H]、ATP的来源和去路
(2)无氧呼吸过程中[H]、ATP的来源和去路
无氧呼吸中的[H]和ATP都是第一阶段在细胞质基质中产生的。其中[H]来源于C6H12O6,在第二阶段被用于还原丙酮酸,全部消耗没有积累。ATP用于几乎各项生命活动。
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命题角度三 有氧呼吸中的电子传递链
5.(2026·安徽阶段练)电子传递链是位于线粒体内膜上的一系列酶复合体和递氢/递电子体构成的链式反应体系,其核心功能是通过电子传递偶联氧化磷酸化,将代谢物脱下的氢和电子传递给氧生成水,同时合成ATP。如图表示细胞呼吸的部分过程及部分细胞结构。
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关键能力•练透考法
下列叙述错误的是( )
A.线粒体的外膜和内膜对丙酮酸的通透性存在较大差异
B.位于线粒体内膜上的ATP合酶只能与ADP和Pi结合
C.在有氧呼吸过程中,NADH能释放电子,O2能接受电子
D.若使氧化磷酸化解偶联,则会导致线粒体产生ATP受阻
B
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关键能力•练透考法
解析 据图可知,丙酮酸经孔蛋白通过线粒体的外膜,不需要消耗能量,外膜对丙酮酸的通透性较高,而通过内膜需要丙酮酸转运体的协助,且需要消耗H+的电化学势能,该过程为主动运输,说明内膜对丙酮酸的通透性低于外膜,A项正确。据图可知,ATP合酶也是载体蛋白,而载体蛋白能与其运输的物质结合,即ATP合酶也能与H+结合,B项错误。在有氧呼吸过程中,NADH释放电子(e-),e-经一系列传递后,最终O2接受e-并与线粒体基质中的H+结合生成H2O,C项正确。据题可知,电子传递链的核心功能是通过电子传递偶联氧化磷酸化,将代谢物脱下的氢和电子传递给氧生成水,同时合成ATP,若使氧化磷酸化解偶联,则会导致线粒体产生ATP受阻,D项正确。
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考点二 细胞呼吸方式的判断
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1.细胞呼吸反应式中各物质间物质的量的比例关系
①有氧呼吸:C6H12O6∶O2∶CO2=1∶6∶6。
②无氧呼吸:C6H12O6∶CO2∶C2H5OH=1∶2∶2或C6H12O6∶C3H6O3=1∶2。
③产生等量的CO2时消耗的葡萄糖的物质的量:无氧呼吸∶有氧呼吸=3∶1。
④有氧呼吸和无氧呼吸消耗等量的葡萄糖时,有氧呼吸消耗氧气的物质的量与有氧呼吸和无氧呼吸产生CO2的物质的量之和的比为3∶4。
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2.细胞呼吸方式的判断(以真核生物为例)
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1.液滴移动法探究细胞呼吸的方式
欲确认某植物种子的细胞呼吸方式,应设置两套实验装置,如图所示:
装置1
装置2
(1)装置1中加入NaOH溶液的目的是 ,根据着色液滴移动的距离可测出细胞呼吸消耗的氧气的体积。
吸收二氧化碳
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(2)装置2中着色液滴移动的距离代表细胞呼吸 。
消耗的氧气和释放的二氧化碳的体积的差值
(3)实验结果分析(底物是葡萄糖)
装置1 装置2 结果
着色液滴左移 着色液滴不动 ______________________________________________________________
着色液滴不动 着色液滴右移 ______________________________________
着色液滴左移 着色液滴右移 ___________________________________________________________________________
着色液滴不动 着色液滴不动 _____________________________________
只进行有氧呼吸或既进行有氧呼吸又进行产生乳酸的无氧呼吸
只进行产生酒精和二氧化碳的无氧呼吸
既进行有氧呼吸又进行产生酒精和二氧化碳的无氧呼吸
细胞已死亡或只进行产生乳酸的无氧呼吸
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关键能力•练透考法
(4)为了排除环境因素对实验结果的干扰,需要设置对照实验,该对照组的设置方法是 。
(5)若装置1、2中的着色液滴均左移,则可能的原因是 。
在装置中装入煮熟的发芽种子,其他条件不变
种子进行有氧呼吸时,底物中除糖类外还含有脂肪等
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2.种子萌发时吸水和细胞呼吸方式的变化曲线
(1)在种子萌发的第Ⅰ阶段,由于细胞吸水膨胀,呼吸速率 。
(2)在种子萌发的第Ⅱ阶段,细胞 ,说明在此期间主要进行无氧呼吸。
(3)在胚根长出后,由于 ,种子以有氧呼吸为主,同时胚根大量吸水(渗透吸水)。
(4)O2吸收量超过CO2释放量的原因是
。
上升
产生CO2的量要比消耗O2的量大得多
胚根突破种皮,增加了O2的吸收量
细胞呼吸的底物不只有糖类,还有脂肪等
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关键能力•练透考法
1.(2025·山东日照三模)现将等量的甲、乙两个品种的小麦种子分别置于两个密闭、容积相同的棕色瓶内,各加入适量且等量的水。测得25 ℃条件下瓶内O2含量变化如图所示。据图分析下列叙述正确的是( )
A.在0~t1,两种子的细胞呼吸均不释放CO2
B.在t1~t2,甲种子的细胞呼吸速率比乙种子快
C.在t1~t2,两种子有氧呼吸释放CO2的速率逐渐降低
D.t2之后,乙种子的细胞呼吸类型只有无氧呼吸
D
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解析 在0~t1,O2含量不变,种子进行无氧呼吸,小麦种子无氧呼吸产生酒精和CO2,A项错误。在t1~t2,甲种子瓶内O2减少量比乙多,说明甲种子细胞呼吸消耗O2多,但不能直接说细胞呼吸速率比乙快,B项错误。在t1~t2,两种子有氧呼吸释放CO2的速率先快后慢,C项错误。t2之后,乙种子瓶内O2含量不变,说明细胞呼吸类型只有无氧呼吸,D项正确。
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2.(2025·四川巴中三模)下面三个装置可用于研究萌发的小麦种子细胞呼吸方式及其产物(呼吸底物都为糖类),下列有关分析错误的是( )
A.丙装置不可用于探究酵母菌的细胞呼吸方式
B.乙装置有色液滴不移动,说明萌发的种子只进行有氧呼吸
C.甲装置不可用于探究细胞呼吸是否产生热量
D.3个装置中的种子都必须进行消毒处理
C
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关键能力•练透考法
解析 酵母菌细胞有氧呼吸和无氧呼吸均能产生二氧化碳,都能使澄清石灰水变浑浊,故丙装置不可用于探究酵母菌的细胞呼吸方式,A项正确。乙装置中放置清水,有色液滴的移动表示容器内气体体积的变化,有色液滴不移动,说明萌发的小麦种子只进行有氧呼吸,吸收的氧气量等于呼出的二氧化碳量,B项正确。甲装置中设置了温度计,可通过温度计示数的变化探究细胞呼吸是否产生热量,C项错误。3个装置中的种子都必须进行消毒处理,并设置对照实验,避免微生物及其他因素对实验结果的影响,D项正确。
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高考真题•演练
1.(2025·陕晋宁青卷)丙酮酸是糖代谢过程的重要中间物质。丙酮酸转运蛋白(MPC)运输丙酮酸通过线粒体内膜的过程如下图。下列叙述错误的是( )
A.MPC功能减弱的动物细胞中乳酸积累将会增加
B.丙酮酸根、H+共同与MPC结合使后者构象改变
C.线粒体内外膜间隙pH变化影响丙酮酸根转运速率
D.线粒体内膜两侧的丙酮酸根浓度差越大其转运速率越高
D
解析 据图可知,MPC能同时转运丙酮酸根、H+进入线粒体基质,MPC功能减弱会使丙酮酸进入线粒体基质的数量减少,而丙酮酸在细胞质基质中会参与无氧呼吸产生乳酸,导致乳酸积累,A项正确。据图可知,丙酮酸根、H+与MPC结合后使后者构象改变,实现对物质的转运,B项正确。MPC与丙酮酸根和H+结合的位点不同,且H+顺浓度梯度从低pH的线粒体内外膜间隙运到高pH的线粒体基质一侧,运输方式为协助扩散,该过程为丙酮酸根的同向运输提供了能量,故线粒体内外膜间隙pH变化通过直接影响H+的运输来影响丙酮酸根转运速率,C项正确。图中丙酮酸根的运输方式为主动运输,其转运速率除受线粒体内膜两侧的丙酮酸根浓度影响外,还与H+浓度和MPC的数量有关,D项错误。
【能力素养·思维链】
[关键点]丙酮酸通过MPC的协同运输机制及其对细胞代谢的调控作用。
[思维链]题干信息提取:MPC转运丙酮酸→需H+协同→受pH、浓度差等多种因素影响→功能减弱引发代谢改变。
选项A:MPC功能减弱→丙酮酸进入线粒体受阻→细胞质中丙酮酸积累→更多丙酮酸在细胞质基质转化为乳酸→乳酸积累增加。
选项B:题图明确显示,丙酮酸分解为丙酮酸根和H+→两者共同与MPC结合→引发MPC构象改变→完成协同转运。
选项C:pH反映H+浓度→题图中H+参与转运并形成电化学梯度→内外膜间隙pH变化直接影响H+浓度梯度→进而影响丙酮酸根的协同转运速率。
选项D:丙酮酸根的转运方式为依赖H+电化学梯度的主动运输→速率受MPC数量、H+浓度等多因素限制→并非单纯取决于丙酮酸根浓度差。
[结论句]物质的跨膜运输速率常受多种因素协同调控,特别是依赖电化学梯度的主动运输,不仅依赖底物浓度差,更取决于驱动离子的电化学梯度及载体蛋白活性。
2.(2024·甘肃卷)梅兰竹菊为花中四君子,很多人喜欢在室内或庭院种植。花卉需要科学养护,养护不当会影响花卉的生长,如兰花会因浇水过多而死亡,关于此现象,下列叙述错误的是( )
A.根系呼吸产生的能量减少使养分吸收所需的能量不足
B.根系呼吸产生的能量减少使水分吸收所需的能量不足
C.浇水过多抑制了根系细胞有氧呼吸但促进了无氧呼吸
D.根系细胞质基质中无氧呼吸产生的有害物质含量增加
B
解析 大多数营养元素的吸收与植物根系代谢活动密切相关,这些过程需要根系细胞呼吸产生的能量,浇水过多会使根系缺氧,导致细胞呼吸产生的能量减少,使养分吸收所需的能量不足,A项正确。根系吸收水分属于被动运输,不消耗能量,B项错误。浇水过多使土壤中的氧气含量下降,抑制了根系细胞的有氧呼吸,但促进了无氧呼吸,C项正确。根系细胞的无氧呼吸发生在细胞质基质中,无氧呼吸增强,产生的有害物质含量增加,D项正确。
3.(2024·广东卷)研究发现,敲除某种兼性厌氧酵母(WT)sqr基因后获得的突变株△sqr中,线粒体出现碎片化现象,且数量减少。下列分析错误的是
( )
A.碎片化的线粒体无法正常进行有氧呼吸
B.线粒体数量减少使△sqr的有氧呼吸减弱
C.有氧条件下,WT比△sqr的生长速度快
D.无氧条件下,WT比△sqr产生更多的ATP
D
解析 有氧呼吸的主要场所是线粒体,碎片化的线粒体无法正常进行有氧呼吸,A项正确。有氧呼吸第二、三阶段发生在线粒体中,线粒体数量减少使△sqr的有氧呼吸强度下降,B项正确。与△sqr相比,WT体内正常线粒体数量更多,有氧条件下,WT能通过有氧呼吸获得更多的能量,生长速度比△sqr快,C项正确。无氧呼吸的场所是细胞质基质,与线粒体无关,所以无氧条件下WT产生ATP的量与△sqr相同,D项错误。
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