内容正文:
万州上海中学
本节聚焦
1
细胞呼吸过程中能量是怎样转化的?
2
有氧呼吸与无氧呼吸各有什么特点?
3
细胞呼吸原理在生产和生活中有哪些应用?
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
走进生活:
P90
酿酒
产生酒精
密封发酵
没有氧气
酵母菌富含蛋白质,作为饲料添加剂
大量繁殖
通气或振荡
提供氧气
酵母菌:
在有氧和无氧的条件下都能生存,属于兼性厌氧菌
是一种单细胞真菌
P90
自变量
因变量
酒精:橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与乙醇(酒精)反应,变成灰绿色。
CO2 :澄清石灰水变浑浊;
无关变量
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
是否有氧气
呼吸产物
温度、PH、葡萄糖溶液的浓度、酵母菌活性等。
(酒精、 CO2 )
溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄
相同且适宜
无关变量有温度、无关变量应保持。发面、面包、馒头都会有很多的小孔?
气泵
有氧呼吸装置:
E-C-A-D
接气泵或
橡皮球
A
10% NaOH
酵母菌培养液
澄清石灰水
无氧呼吸装置:
B-D
B
酵母菌培养液
澄清石灰水
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。
A
B
C
D
E
将B瓶先反应一段时间,然后再连接盛有澄清石灰水的锥形瓶。为什么?
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
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。
实验设计:
P91
4
实验方法步骤
① 称取等量的两份食用酵母菌(10g)
② 配制质量分数为5%葡萄糖溶液煮沸冷却后作为酵母菌的培养液;
③ 搭建如图的有氧呼吸(甲)和无氧呼吸(乙)装置;
④ 培养、观察、检测、记录。
各取A、B 锥形瓶内的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,混合均匀。观察试管中溶液的颜色变化。
A
B
A
B
25-35℃ 8-10h
P91
酒精检测:
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。
葡萄糖溶液煮沸并冷却后再加入酵母,目的是防止高温杀死酵母菌。
5
CO2的检测
使澄清石灰水变浑浊
实验结论
3.在无氧条件下,酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量CO2
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。
P92
溴麝香草酚蓝溶液:蓝→绿→黄
(根据其变黄色时间的长短)
根据浑浊程度或时间
1.酵母菌在有氧和无氧条件下都进行细胞呼吸;
2.在有氧条件下,酵母菌通过细胞呼吸产生大量CO2
1.为了探究酵母菌的细胞呼吸方式,某同学将实验材料和用具按如图安装好。下列关于该实验的说法正确的是
A.甲组和乙组是一组对比实验
B.甲组探究酵母菌的无氧呼吸
C.乙组探究酵母菌的有氧呼吸
D.甲、乙两组中澄清的石灰水都变混浊,乙组混浊程度更大
√
落实 思维方法
2.下列关于“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的叙述,错误的是
A.酸性重铬酸钾溶液检测酒精,颜色呈现灰绿色
B.实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等
C.实验中将葡萄糖溶液煮沸的目的是灭菌和去除溶液中的 O2
D.可通过观察澄清石灰水是否变混浊来判断酵母菌细胞呼吸的方式
√
主要场所
线粒体简笔图
双层膜(外膜、内膜)
外膜
内膜
嵴
核糖体
DNA
线粒体基质
结构
有氧呼吸的主要场所,提供细胞生命活动所需能量,是细胞的“动力车间”
功能
一、有氧呼吸
内膜向内折叠形成嵴,
基质 、内膜中有呼吸作用有关的酶
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。
(基质中有DNA、RNA、 核糖体)
思考:真核细胞都进行有氧呼吸?没有线粒体的细胞一定不能进行有氧呼吸?
葡萄糖是有氧呼吸唯一能利用的物质?
P92
P93
8
材料1 将酵母菌细胞破碎后进行离心处理,获得上清液(细胞质基质)和沉淀物(线粒体)两部分,与未离心处理过的酵母菌培养液分别放入3支试管内,往3支试管内分别加入等量的氧气、葡萄糖、荧光素和荧光素酶,一段时间后,检测各试管内的变化情况。
试管 自变量 实验结果
1号 线粒体 葡萄糖的量不变,没有荧光
2号 细胞质基质 葡萄糖的量减少,有丙酮酸生成,出现微弱荧光
3号 线粒体和细胞质基质 葡萄糖的量减少,有CO2生成,出现较强荧光
(1)材料中的荧光素和荧光素酶有什么作用?
(2)由实验结果可推测物质发生了什么变化?发生这些变化的部位,能量又有什么变化?
葡萄糖在细胞质基质中被分解成丙酮酸,并且有少量ATP生成;丙酮酸在线粒体内被分解产生了CO2,并且有大量ATP生成。
检测ATP含量
材料2 使用超声波将线粒体破碎,分离线粒体膜状结构和线粒体基质,加入等量的氧气、丙酮酸、荧光素和荧光素酶,一段时间后,检测各试管变化情况。
试管 自变量 实验结果
4号 线粒体膜状结构 丙酮酸的量不变,没有荧光出现
5号 线粒体基质 丙酮酸减少,产生CO2,出现微弱荧光
6号 线粒体膜状结构和基质 丙酮酸减少,产生CO2,出现较强荧光
材料3 超声波震碎线粒体之后,内膜自然卷成了颗粒朝外的小囊泡。这些小囊泡具有氧化[H]的功能。当用胰蛋白酶处理后,这些小囊泡不再具有氧化[H]的功能。当把这些小颗粒装上去之后,小囊泡重新具有了氧化[H]的功能。这些小颗粒后被证实是线粒体内膜上的一系列酶。
(3)丙酮酸在哪个部位被分解?从实验结果可得到的推论是什么?
推论1:丙酮酸分解发生在线粒体基质中,并且产生CO2,释放少量能量;
推论2:丙酮酸在线粒体基质中被分解后,在线粒体膜状结构上继续发生反应,生成较多的ATP。
线粒体基质
在线粒体内膜上发生了[H]的氧化,即[H]和氧气发生反应。
P93小资料:
NAD+(氧化型辅酶 Ⅰ ),实际上是电子和氢离子的载体,能够与葡萄糖氧化过程中脱下来的氢离子和电子结合,形成NADH(还原型辅酶Ⅰ,具有较强的还原性,通常可简化为[H])。NADH在后续的反应中还会解离出电子和氢离子,使得电子和氢离子能够继续用于后续的反应。而NAD+则可以重新结合新的电子和氢离子。
H2O
O2
第一阶段是,1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,产生少量的[H],并释放少量能量,场所是细胞质基质。
葡萄糖
(C6H12O6)
丙酮酸
(C3H4O3)
[H]
少量能量
CO2
少量能量
H2O
大量能量
第二阶段是,丙酮酸和H2O
彻底分解成CO2和[H],并释放少量能量,场所是线粒体基质。
第三阶段是,前两个阶段产生的[H],与O2结合形成H2O
,并释放大量能量,场所是线粒体内膜。
[H]是还原型辅酶Ⅰ 的简化表示,也可以写成NADH。
6CO2+20 [H] +能量(少量)
2丙酮酸
+6H2O
酶
酶
12H2O+能量(大量)
24[H]+6O2
C6H12O6
酶
2丙酮酸 +4 [H] + 能量(少量)
总反应式
C6H12O6 + 6H2O+6O2 6CO2 +12H2O+能量
酶
[H]来源:
[H]去路:
P25若利用脂肪进行有氧呼吸时,消耗的O2量则 产生的CO2量
C6H12O6和H2O
第三阶段与O2结合生成水
大于
吸入的氧气与呼出的二氧化碳的量相等
13
1、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?
思考·讨论
转化效率34%;约使32mol ADP转化为ATP.
能量变化:
有机物中稳定的化学能 → 热能散失+ATP中活跃的化学能
2、有氧呼吸的特点?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?
3、为什么线粒体不能直接氧化分解葡萄糖?
使有机物中的能量逐步转移到ATP中;有利于维持细胞的相对稳定状态。
线粒体膜上没有葡萄糖载体;线粒体中没有氧化分解葡萄糖的酶。
P93
①有氧呼吸过程温和。②释放的能量部分储存在ATP中。③有机物中的能量逐级释放。
判断:有氧呼吸的实质是葡萄糖在线粒体中彻底氧化分解,并且释放大量能量的过程?
14
1.在真核生物有氧呼吸的下列反应中,不在线粒体中进行的只有
A.[H]与氧气生成水 B.C6H12O6分解为丙酮酸和[H]
C.丙酮酸分解为CO2和[H] D.ADP与磷酸结合生成ATP
落实 思维方法
2. 用含18O的葡萄糖跟踪有氧呼吸过程中的氧原子,18O的转移途径是( )
A. 葡萄糖→丙酮酸→H2O B. 葡萄糖→丙酮酸→CO2
C. 葡萄糖→O2→H2O D. 葡萄糖→丙酮酸→O2
B
B
A.全过程必须有氧参与,并且始终在线粒体中进行
B.第一阶段是葡萄糖分解生成丙酮酸,产生大量的[H]和能量
C.第二阶段是丙酮酸分解生成CO2和H2O,产生少量的能量
D.第三阶段是[H]和氧结合产生H2O,同时生成大量的能量
3.下列关于有氧呼吸过程的叙述,正确的是 ( )
D
4、在有氧呼吸过程中,进入细胞中的氧将( )
①与氢结合生成水 ②与碳结合生成二氧化碳
③在线粒体中被消耗 ④在线粒体和细胞质基质中被消耗
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④
A
____阶段,反应的场所是____________。
(4)图中②③分别是______、_____。
5.如图是有氧呼吸过程的图解,请据图回答下列问题:
(1)有氧呼吸的总反应式为____________________
________________________。
(2)有氧呼吸的过程十分复杂,可以分为____个阶段,其中[H]和O2结合是在第____阶段。
(3)在有氧呼吸过程中,释放出大量能量的是第
C6H12O6+6O2+6H2O
三
三
三
线粒体内膜
H2O
CO2
第一阶段是,1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,产生少量的[H],并释放少量能量,场所是细胞质基质。
丙酮酸
(C3H4O3)
[H]
少量能量
C2H5OH+CO2
第二阶段是,丙酮酸和[H]
分解成CO2和C2H5OH,场所是细胞质基质。
葡萄糖
(C6H12O6)
丙酮酸
(C3H4O3)
[H]
少量能量
C3H6O3
第二阶段是,丙酮酸和[H]
分解成C3H6O3,场所是细胞质基质。
酒精发酵
乳酸发酵
二、无氧呼吸
葡萄糖
(C6H12O6)
高等植物;酵母菌等微生物
马铃薯块茎、甜菜块根、玉米的胚;乳酸菌等微生物、高等动物和人
场所:
细胞质基质
物质变化:
产能情况:
少量能量
场所:
细胞质基质
物质变化:
产能情况:
无
+4[H]
C6H12O6
2C3H4O3(丙酮酸)
酶
第一
阶段
第二
阶段
[H]
丙酮酸
葡萄糖
乳酸
酒精+CO2
少量能量
酶
2C3H4O3
+4[H]
2C3H6O3
(乳酸)
或
酶
2C3H4O3
+4[H]
2C2H5OH
(酒精)
+CO2
无氧呼吸概念:细胞在无氧条件下,通过酶的催化作用,把葡萄糖等有机物不完全分解,释放少量能量,生成少量ATP的过程。
无氧呼吸过程中没有氧气参与,所以有[H]的积累( )
人体产生二氧化碳的细胞呼吸方式一定是有氧呼吸(
19
1mol葡萄糖在分解成乳酸以后,只释放出196.65 kJ的能量,其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP中,近69%的能量都是热能的形式散失了。大约能使多少ADP转化为ATP?
思考·讨论
1molATP水解释放出30.54kJ,合成也是需要吸收30.54kJ,所以约使2mol ADP转化为ATP。
能量变化:
无氧呼吸只在第一阶段释放少量能量,生成少量ATP。有机物分解不彻底,还有大部分能量储存于乳酸和酒精中。
P94
糖类等有机物中的化学能
热能
ATP中活跃的化学能
酒精(乳酸)中的化学能
20
三、有氧呼吸与无氧呼吸的比较:
有氧呼吸 无氧呼吸
场所
条件
反应物
终产物
【H】的产生
【H】作用和利用
释放能量多少
共同点
细胞质基质、线粒体
细胞质基质
氧气、酶
缺氧、酶
葡萄糖、水、O2
葡萄糖
CO2 、 H2O
乳酸 / 酒精和CO2
第1、2阶段
第1阶段
还原O2
还原丙酮酸
多
少
过程:
条件:
实质:
第一阶段完全相同;
都需要多种酶的催化;
都是分解有机物,释放能量,生成ATP。
有以无为基础
21
细胞呼吸
能
量
热能
散失
能量
转移
ATP
ADP
Pi
能
量
细胞分裂
生长发育
主动运输
肌肉收缩
神经冲动的传导
C6H12O6
CO2+H2O
①为生物体提供能量;
②生物体代谢的枢纽。
P94
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。蛋白质、糖类和脂质代谢,都可以通过细胞呼吸联系起来。
丙酮酸
葡萄糖
氨基酸
甘油
细胞呼吸为蛋白质、糖类和脂质提供中间产物
四、细胞呼吸意义:
.
若需消耗氧气或产物有水,则一定存在有氧呼吸
若产物中有酒精或乳酸,则一定有无氧呼吸
看反应物、产物
“三看法”判断细胞呼吸的类型(以葡萄糖为底物)
看物质的量的关系
不消耗O2,释放CO2 → 只进行产酒精的无氧呼吸
不消耗O2,不释放CO2 → 只进行产生乳酸的无氧呼吸或细胞已死亡
CO2释放量 = O2的吸收量 → 只进行有氧呼吸或既进行有氧呼吸又进行产乳酸的无氧呼吸
CO2释放量 > O2的吸收量 → 既进行有氧呼吸,又进行产酒精的无氧呼吸
看反应场所(真核生物)
只在细胞质基质中——无氧呼吸;
有线粒体参与——一定存在有有氧呼吸。
23
影响细胞呼吸速率的因素?
外界因素:
6CO2 + 12H2O*
C6H12O6+ 6H2O + 6O2*
反应物
影响条件
产物
酶
O2浓度、自由水
温度
CO2浓度
温度、O2浓度、CO2浓度、水分等
内部因素:不同类型、不同的器官、生长发育的不同时期,由于
不一样,细胞呼吸速率也不一样。
酶的种类和数量
呼吸速率(呼吸强度):一定温度下,单位重量活细胞(组织)在单位时间内O2吸收、CO2释放量或有机物的消耗量,可反应代谢活动的强弱。
五、细胞呼吸原理的应用
项目 温度 氧气浓度 水分
影响原理
影响 。 决定 和强度。 含量较高时呼吸旺盛
坐标曲线
实践应用 在 下贮存蔬菜、水果;在大棚蔬菜的栽培过程中,增加 以减少有机物的消耗,提高产量。 蔬菜水果贮藏应 、透气纱布包扎伤口、稻田定期排水、中耕松土、慢跑、酿酒时早期通氧后期密封、破伤风 贮藏种子时,将种子 ,以减弱细胞呼吸,减少有机物的消耗。种子萌发则需浸泡。
零上低温
昼夜温差
酶的活性
呼吸类型
CO2浓度
细胞终产物,积累过多会抑制细胞呼吸。
低氧
风干
在蔬菜水果的保鲜中, 以抑制细胞呼吸;在冬天北方地区常用地窖来贮藏大白菜、甘薯等。
增加CO2的浓度
思考:储存水果和储存粮食如何区别?
二者都需要在低温(零上低温)低氧(高CO2)(不能完全无氧)中储存,但粮食必须晒干,减少自由水含量,而水果则需保鲜,减少水分散失。
影响细胞呼吸的外部因素及应用
自由水
避免厌氧病原菌的繁殖
进行有氧呼吸并大量繁殖;在无氧条件下则进行酒精发酵
根细胞进行充分的有氧呼吸产生的能量,有利于根系的生长和根细胞通过主动运输吸收无机盐。
避免根细胞由于无氧呼吸产生酒精对根系造成的伤害
破伤风芽孢杆菌(厌氧菌)适合在这种环境中生存并大量繁殖
避免肌细胞无氧呼吸产生大量乳酸
P95
影响细胞呼吸速率的因素
O2浓度:
无氧呼吸
有氧呼吸
①氧浓度为零时,只进行 呼吸;
②在一定范围内随氧浓度增加, 呼吸逐渐增强, 呼吸逐渐减弱甚至停止。
③当O2浓度达到一定值后,随O2浓度增大, 呼吸不再加强。
无氧
有氧
无氧
C
CO2的总量
A
D
无氧呼吸消失点
R
B
AR段CO2急剧下降原因:
随着氧浓度逐渐升高,无氧呼吸逐渐被抑制,而有氧呼吸也比较弱。
贮存粮食、水果等到最适的氧气浓度为:
R点对应浓度
呼吸强度最小
有氧
有氧呼吸与无氧呼吸释放的CO2总量最少,有机物消耗较少。
应用:
柱形图分析:以葡萄糖为底物
a点:只有CO2释放量,无O2吸收量,说明只进行产生酒精的 。
b点:O2吸收量3,CO2释放量8,说明有氧呼吸消耗葡萄糖 ,无氧
呼吸消耗葡萄糖 。
c点:O2吸收量4,CO2释放量6,说明有氧呼吸消耗葡萄糖 ,无氧
呼吸消耗葡萄糖 。
d点:O2吸收量等于CO2释放量,说明只进行 。
注意图例:
O2吸收量代表有氧呼吸,
CO2释放量代表有氧呼吸
和产生酒精的无氧呼吸
0.5
无氧呼吸
2.5
2/3
1
有氧呼吸
(1)装置1中加入NaOH溶液的目的是 ,根据有色液滴移动的刻度可知 。
吸收二氧化碳
有氧呼吸消耗的氧气的体积
(2)装置2有色液滴移动表示:
消耗的O2体积和释放CO2的体积差值
欲确认某生物的呼吸类型,设置两套呼吸装置,如图所示(发芽种子为例)
拓展:植物组织呼吸方式探究
(3)实验前种子需要怎样处理?有时需要设置装置3,其目的是什么?
为防止微生物的干扰,种子应进行消毒处理。
若选用绿色植物作实验材料,该如何做?
气压、温度等无关变量引起的物理误差的校正
(4)实验结果与结论
实验现象 结论
装置一液滴 装置二液滴
不动
不动
只进行产乳酸的无氧呼吸或种子已死亡
不动
右移
只进行产生酒精的无氧呼吸
左移
右移
进行有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸
左移
不动
只进行有氧呼吸或进行有氧呼吸和产乳酸的无氧呼吸
底物为脂肪时怎样
1.如图是真核生物的细胞呼吸过程图解,图中①~⑤表示代谢过程,X、Y代表物质。下列相关叙述错误的是
A.过程②和⑤分别发生在线粒体基质和细胞
质基质
B.物质Y可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再
变黄
C.图中能生成ATP的代谢过程有①③④⑤
D.人体细胞内⑤不能进行是因为缺少催化该过程的酶
√
落实 思维方法
2.(2023·德阳高一期末)如图表示苹果组织细胞中CO2释放量和O2吸收量的变化(均以葡萄糖为呼吸底物)。下列相关叙述不正确的是
A.图中氧浓度为a时只有无氧呼吸
B.图中氧浓度为b时,若CO2释放量为
8 mol和O2吸收量为4 mol,则此时
无氧呼吸消耗的有机物多
C.a、b、c、d四个浓度中,b是适合储藏苹果的氧浓度
D.图中氧浓度为d时只进行了有氧呼吸
√
3.(2023·山东济宁第一中学高一期末)如图为探究酵母菌细胞呼吸类型的装置图,实验中微生物均有活性。假设环境因素对本实验无影响,下列表述正确的是
A.装置1中液滴左移,装置2中液滴不
移动说明酵母菌只进行了无氧呼吸
B.装置1中液滴左移,装置2中液滴右
移,说明酵母菌只进行了有氧呼吸
C.将酵母菌替换成乳酸菌,装置1中液滴不移动,装置2中液滴不移动
D.将酵母菌替换为乳酸菌,装置1中液滴左移,装置2中液滴右移
√
A.荫坑和气调冷藏库的低温和低氧条件减缓
了果蔬中营养成分和风味物质的分解
B.荫坑中储存的果蔬,其线粒体内膜上的[H]
与O2反应产生H2O,并释放能量
C.气调冷藏库中的低温条件可以降低细胞质
基质和线粒体中酶的活性,降低呼吸速率
D.储存水果时,荫坑和气调冷藏库中的CO2浓度增大,CO2全部来源于水
果的细胞质基质
√
4.《齐民要术》中记载了利用荫坑储存葡萄的方法(如图所示)。目前我国果蔬主产区普遍使用大型封闭式气调冷藏库(充入氮气替换部分空气),延长了果蔬保鲜时间,增加了农民收益。下列叙述错误的是
5.如图表示大气温度及氧浓度对植物组织内产生CO2的影响,下列相关叙述不正确的是
A.从图甲可知,细胞呼吸最旺盛的
温度为b点所对应的温度
B.图甲曲线变化的主要原因是温度
影响与细胞呼吸有关的酶的活性
C.图乙中de段有氧呼吸逐渐减弱,ef段有氧呼吸逐渐增强
D.和d、f点相比,图乙中e点对应的氧浓度更有利于储藏水果和蔬菜
√
线粒体和叶绿体的起源—内共生起源学说
线粒体起源于内共生的有氧呼吸的细菌;叶绿体起源于内共生的光能自养的蓝细菌,即:这两种细胞器起源于内共生于真核细胞的原核生物。
需氧型细
(1)在形态大小和结构、在化学组成
(2)线粒体、叶绿体和原核细胞中所含的DNA 均为环状分子,不含蛋白质,而真核细胞的核DNA 则为线状,并与蛋白质结合形成染色体。
(3)线粒体和叶绿体能以分裂的方式进行增殖,这与细菌的繁殖方式相似,但是它们的分裂与所在细胞的分裂不同步。
(4)叶绿体的基因组和光合系统与蓝细菌等原核生物极为相似。
2.证据:
P96
6CO2+12H2O+能量
$