秋高中生物 第五章 细胞的能量供应和利用第3节 ATP的主要来源细胞呼吸学案 新人.docx
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秋高中生物第五章细胞的能量供应和利用第3节ATP的主要来源细胞呼吸学案新人
第3节 ATP的主要来源——细胞呼吸
学习目标
1.说出线粒体的结构和功能。
(重点)
2.说明有氧呼吸和无氧呼吸的异同。
(重点)
3.说明细胞呼吸的原理,并探讨其在生产和生活中的应用。
(难点)
4.进行酶母菌细胞呼吸方式的探究。
(难点)
核心概念
细胞呼吸 有氧呼吸 无氧呼吸 酒精发酵 乳酸发酵
一、细胞呼吸
1.概念:
细胞呼吸是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。
2.实质:
氧化分解有机物,释放能量。
二、探究酶母菌细胞呼吸的方式
三、细胞呼吸的方式
1.有氧呼吸
2.无氧呼吸
(1)发酵的概念
酵母菌、乳酸菌等微生物的无氧呼吸也叫发酵,根据产物不同可分为酒精发酵和乳酸发酵。
(2)两种方式
类型
项目
酒精发酵
乳酸发酵
场所
细胞质基质
过程
第一阶段
葡萄糖
[H]+丙酮酸+少量能量
第二阶段
丙酮酸+[H]
酒精+CO2
丙酮酸+[H]
乳酸
化学反应式
C6H12O6
2C2H5OH+2CO2+少量能量
C6H12O6
2C3H6O3+少量能量
能量转化
只在第一阶段释放出少量的能量,生成少量ATP,葡萄糖分子中的大部分能量则存留在酒精或乳酸中
四、细胞呼吸原理的应用(连线)
①—b②-a③-c④-c⑤-c⑥-b⑦-c
?
思考
1.线粒体是进行有氧呼吸的必需条件吗?
若不是请举例说明。
提示:
不是,蓝藻无线粒体也可进行有氧呼吸,具有有氧呼吸酶是进行有氧呼吸的必需条件。
2.北方人做馒头时,利用酵母菌发面,发好的面团柔软而且表面水汪汪的。
你知道为什么吗?
提示:
酵母菌有氧呼吸产生CO2,使面团充气而变软,有氧呼吸产生的水使面团表面有水。
H
判断题
1.探究酵母菌的呼吸方式时,不能用澄清的石灰水来检测CO2的产生,但可以用重铬酸钾来检测乙醇。
( × )
2.检测酵母菌培养过程中是否产生CO2,可判断其呼吸方式。
( × )
3.线粒体将葡萄糖氧化分解成CO2和H2O。
( × )
4.无氧呼吸能产生ATP、但没有[H]的生成过程。
( × )
5.有氧呼吸第二、三阶段都能产生大量ATP。
( × )
6.细胞内葡萄糖分解成丙酮酸和[H]的反应,只发生在细胞有氧时。
( × )
7.呼吸作用产生的能量均以热能释放。
( × )
8.破伤风杆菌适宜生活在有氧的环境中。
( × )
9.及时排涝,能防止根细胞受酒精毒害。
( √ )
10.无氧和零下低温环境有利于水果保鲜。
( × )
知识点1 探究酵母菌的呼吸方式
Z
1.实验原理
(1)酵母菌是兼性厌氧菌,在有氧和无氧条件下均能生存,有氧呼吸产生H2O和CO2,无氧呼吸产生酒精和CO2。
(2)呼吸产物——CO2和酒精的检测
①澄清石灰水
变混浊,且混浊程度与CO2产量有关;
②蓝色的溴麝香草酚蓝水溶液
变绿再变黄,且变黄时间长短与CO2产量有关;
③橙色重铬酸钾溶液
变灰绿色。
2.探究过程
提出问题:
酵母菌使葡萄糖发酵产生酒精是在有氧还是无氧条件下;酵母菌在有氧和无氧条件下细胞呼吸的产物是什么?
作出假设:
针对上述问题,根据已有的知识和生活经验(如酵母菌可用于酿酒、发面等)作出合理的假设
实验现象
3.实验分析及拓展
(1)实验分析
①通入甲中A瓶的空气需先通过NaOH溶液的目的是保证进入A瓶的气体中不含有CO2,保证使第三个锥形瓶中的澄清石灰水变混浊的CO2完全是由酵母菌有氧呼吸产生的。
②乙中B瓶应封口放置一段时间,待酵母菌将B瓶中的氧气消耗完后,再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶,确保通入澄清石灰水中的CO2完全是由酵母菌无氧呼吸产生的。
(2)不同材料呼吸实验的设计
①若探究种子呼吸状况则不必遮光,但需“死种子”作对照。
②若探究“植株或幼苗”呼吸状况,应进行遮光处理,以防止光合作用的干扰,同时可设置同种状况但杀死的植株或幼苗作对照。
知识贴士
酵母菌是兼性厌氧生物,是因为它既能进行有氧呼吸也能进行无氧呼吸,而人体中的某些细胞既能进行有氧呼吸也能短暂的进行无氧呼吸,但人只能是需氧型生物,所以生物异化作用类型的区分,不是以能否进行有氧、无氧呼吸为依据的,而是以在有氧或无氧的条件下能否正常生存为依据的。
D
典例1 如图是探究酵母菌细胞呼吸方式的实验装置。
以下说法中正确的是( C )
A.两个装置均需要在黑暗条件下进行
B.装置乙在Ⅲ处可检测到有酒精生成
C.装置乙中应让Ⅱ先放置一会再与Ⅲ连接
D.装置甲中NaOH溶液的作用是吸收Ⅰ处的CO2
[解析] 黑暗或光照对酵母菌的细胞呼吸没有明显的影响,A错误;装置乙中酵母菌产生的CO2可通过导管进入Ⅲ中,但酵母菌产生的酒精保留在Ⅱ中,B错误;装置甲中NaOH溶液的作用是使进入B瓶的空气先经过NaOH溶液的作用,排除空气中CO2对实验结果的干扰,D错误。
〔变式训练1〕 有关“探究酵母菌的呼吸方式”实验的叙述,错误的是( D )
A.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
B.在探究有氧呼吸的实验过程中,泵入的空气应去除CO2
C.实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等
D.可通过观察澄清石灰水是否变浑浊来判断酵母菌的呼吸方式
[解析] 酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸产物中都有CO2,都能使澄清石灰水变浑浊,因此不能通过此指标判断酵母菌的呼吸方式。
知识点2 有氧呼吸和无氧呼吸过程的比较
Z
1.有氧呼吸和无氧呼吸过程图解
2.有氧呼吸和无氧呼吸的比较
项目
有氧呼吸
无氧呼吸
不同点
条件
需氧
不需氧
场所
细胞质基质(第一阶段)线粒体(第二、三阶段)
细胞质基质
分解程度
葡萄糖被彻底分解
葡萄糖分解不彻底
产物
CO2、H2O
乳酸或酒精和CO2
能量释放
大量能量
少量能量
相同点
反应条件
需酶和适宜温度
本质
氧化分解有机物,释放能量,生成ATP
过程
第一阶段从葡萄糖到丙酮酸完全相同
Y
有关细胞呼吸过程的五点提醒
(1)产生CO2的不只是有氧呼吸,无氧呼吸产生酒精的过程中也有CO2的产生。
(2)有氧呼吸过程中生成的水和反应物中的水其来源和去向不同,所以不是同一分子。
(3)无氧呼吸只有第一阶段释放少量能量,第二阶段不释放能量。
(4)呼吸作用释放的能量不全转化成ATP中的能量,大部分以热能的形式散失。
(5)不是所有植物的无氧呼吸产物都是酒精和二氧化碳,玉米胚、甜菜根等植物组织的无氧呼吸产物为乳酸。
3.与无氧呼吸有关的几个易错点
(1)不同生物无氧呼吸产物不同是由于催化反应的酶的种类不同,根本原因在于控制酶合成的基因不同。
(2)大多数植物、酵母菌无氧呼吸的产物为酒精和CO2;有些高等植物的某些器官如玉米胚、马铃薯块茎、甜菜块根等进行无氧呼吸时产生乳酸;高等动物、人及乳酸菌的无氧呼吸只产生乳酸。
(3)无氧呼吸第一阶段产生的[H]用于还原丙酮酸。
(4)无氧呼吸只在第一阶段释放能量。
4.与细胞呼吸有关的计算
C6H12O6+6H2O+6O2
12H2O+6CO2+能量
C6H12O6
2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量
(1)消耗等量葡萄糖时,无氧呼吸与有氧呼吸产生的CO2的物质的量之比为13。
(2)产生等量的CO2时,无氧呼吸与有氧呼吸消耗的葡萄糖的物质的量之比为31。
(3)无氧呼吸产生的酒精和CO2的物质的量相等;有氧呼吸消耗O2和产生CO2的物质的量相等。
D
典例2 (2018·黄冈高一检测)在植物体的细胞中,葡萄糖分解为丙酮酸的反应( B )
A.既可以在线粒体中进行,也可以在细胞质基质中进行
B.既可以在叶肉细胞中进行,也可以在根细胞中进行
C.只能在有氧条件下进行,不能在无氧条件下进行
D.只能在有光条件下进行,不能在无光条件下进行
[解析] 葡萄糖分解为丙酮酸的反应只能在细胞质基质中进行,A错误;不论是叶肉细胞还是根细胞,都能进行细胞呼吸,都有葡萄糖分解为丙酮酸的过程,B正确;葡萄糖分解为丙酮酸是有氧呼吸和无氧呼吸的共同点,有氧、无氧都可以发生,C错误;不论有光还是无光,都能进行细胞呼吸,都有葡萄糖分解为丙酮酸的过程,D错误。
特别提醒:
(1)有氧呼吸和无氧呼吸总反应式中的能量不能写成ATP,因为大部分能量以热能形式散失。
(2)1mol葡萄糖彻底氧化分解后,释放出2870kJ的能量,其中1161kJ的能量储存在ATP中,其余的以热能形式散失。
(3)1mol葡萄糖生成酒精释放的能量为225.94kJ,生成乳酸释放的能量为196.65kJ,其中都有61.08kJ的能量转移到ATP(生成2molATP)中,其余部分以热能的形式散失。
(4)无氧呼吸只有第一阶段释放能量,第二阶段没有能量释放。
而有氧呼吸三个阶段均释放能量。
〔变式训练2〕
(2018·江苏常州高三模拟)如图所示为不同距离的跑步过程中,有氧呼吸和无氧呼吸供能的百分比。
下列说法正确的是( D )
A.跑步距离越长,无氧呼吸供能所占比例越大
B.1500m跑时,有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖的量相当
C.100m跑时,所需ATP主要由有氧呼吸提供
D.马拉松跑时,肌肉细胞呼吸释放的CO2量与吸收的O2量之比为11
[解析] 分析题图可知,跑步距离越长,无氧呼吸供能所占比例越小,A项错误。
1500m跑时,有氧呼吸与无氧呼吸供能的百分比相同,在供能相同的情况下,无氧呼吸消耗的葡萄糖量要多于有氧呼吸,B项错误。
100m跑时,所需ATP主要由无氧呼吸提供,C项错误。
马拉松跑时,主要进行有氧呼吸,但仍有部分细胞进行无氧呼吸。
人体肌肉细胞进行无氧呼吸时不消耗O2,也不产生CO2,故肌肉细胞呼吸释放的CO2与吸收的O2之比为11,D项正确。
知识点3 影响细胞呼吸的因素及其应用
Z
一、影响细胞呼吸速率的内因
项目
体现
实例
遗传特性
不同种类生物的呼吸速率不同
阴生植物小于阳生植物
生长发育的不同时期
同一生物的不同生长发育时期呼吸速率不同
婴幼儿大于老年人;幼苗期大于成熟期
不同器官或组织
同一生物的不同器官或组织的呼吸速率不同
心肌细胞大于皮肤细胞;植物生殖器官大于营养器官
二、影响细胞呼吸的外因
1.温度:
通过影响呼吸酶的活性来影响呼吸强度。
与温度影响酶催化效率的曲线特征一致。
生产上常利用这一原理在低温下储存蔬菜、水果,在大棚蔬菜的栽培过程中夜间适当降温,来降低细胞呼吸,减少有机物的消耗。
2.氧气浓度
(1)对于无氧呼吸:
随氧气浓度增加而受抑制,氧气浓度越高,抑制作用越强,氧气浓度达到一定值时,被完全抑制。
如图乙所示。
(2)对于有氧呼吸:
氧气是有氧呼吸的原料之一,在一定范围内,随着氧气浓度的增加,有氧呼吸速率增强,但当氧气浓度增加到一定值时,有氧呼吸速率不再增加。
如图丙所示。
(3)绝大多数植物的非绿色器官或酵母菌的呼吸速率受氧气浓度的影响。
如图丁所示。
除了温度、氧气外,二氧化碳对有氧呼吸有抑制作用。
生物含水量的多少影响呼吸作用,在一定范围内,呼吸作用强度随含水量的增加而增大。
(4)应用
①作物栽培中,采取中耕松土,防止土壤板结等措施,都是尽量使O2浓度位于E点之上,保证根细胞的正常呼吸,有利于肥料的吸收。
②生产中利用低氧(A点的浓度)抑制细胞呼吸、减少对有机物的消耗来延长蔬菜、水果、粮食的保存时间。
3.CO2:
增加CO2浓度对细胞呼吸有明显的抑制作用。
4.水:
水既是细胞呼吸的原料,也是产物,细胞呼吸过程必须在有水的环境中才能完成。
一定范围内随水含量的增加细胞呼吸加强。
应用:
粮油种子在贮藏时,必须降低含水量,使种子呈风干状态,降低细胞呼吸强度,减少有机物消耗;同时防止微生物大量繁殖而使种子变质。
D
典例3
科研人员探究温度对密闭罐中水蜜桃果肉细胞呼吸速率的影响,结果如图所示。
下列叙述正确的是( B )
A.20h内,果肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体
B.50h后,30℃条件下果肉细胞没有消耗O2,密闭罐中CO2浓度会增加
C.50h后,30℃时有氧呼吸速率比2℃和15℃时慢,是因为温度高使酶活性降低
D.实验结果说明温度越高,果肉细胞有氧呼吸速率越大
[解析] 果肉细胞不能进行光合作用,其产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体,A项错误,50h后,30℃条件下果肉细胞没有消耗O2,是由于此温度条件下酶的活性较高,有氧呼吸已将O2消耗完,之后仅进行无氧呼吸,故密闭罐中CO2浓度会增加,B项正确、C项错误;由于酶具有最适温度,若超过最适温度,有氧呼吸速率会降低,D项错误。
易错提醒:
有关影响呼吸作用因素的两点提醒
(1)有氧气存在不一定只进行有氧呼吸。
①当氧气浓度较低时,既进行有氧呼吸,也进行无氧呼吸,且无氧呼吸占优势。
②当氧气浓度较高时,无氧呼吸逐渐减弱,有氧呼吸逐渐增强,当氧气浓度增加到一定值时,只进行有氧呼吸。
(2)低温、低氧储存水果蔬菜,不代表氧气浓度和温度越低越好,应该是低氧和零上低温,既要抑制细胞呼吸,又要保持水果蔬菜的营养和风味。
〔变式训练3〕
以下甲、乙两图都表示某植物的非绿色器官CO2释放量和O2吸收量的变化。
下列相关叙述不正确的是( B )
A.甲图中氧含量为a时的情况对应的是乙图中的A点
B.甲图中氧含量为b时的情况对应的是乙图中的CD段
C.甲图的a、b、c、d四个浓度中,c是最适合贮藏植物器官的
D.甲图中氧含量为d时没有酒精产生
[解析] 甲图中氧含量为a时,细胞只释放CO2不吸收氧气,说明细胞只进行无氧呼吸,对应乙图中的A点。
甲图中氧含量为b时,CO2的释放量远远大于氧气的吸收量,说明细胞既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸,且无氧呼吸强度大,应对应乙图中的AC段。
贮藏植物器官应选择CO2产生量最少即细胞呼吸最弱时,即甲图中的c点。
氧含量为d时,CO2释放量与氧气的吸收量相等,细胞只进行有氧呼吸,因此没有酒精产生。
所以B项错误。
细胞呼吸方式的判断
判定指标
CO2释放量、O2消耗量以及酒精产生量。
判定原理
呼吸底物是葡萄糖时,若只进行有氧呼吸,则O2消耗量CO2产生量=11;若只进行产生酒精的无氧呼吸(酒精发酵),则O2消耗量CO2产生量酒精产生量=011,若只进行产生乳酸的无氧呼吸(乳酸发酵),则无O2的消耗和CO2的产生。
判定方法(底物为葡萄糖)
物质变化特点
细胞呼吸方式
①
CO2释放量=O2吸收量
只进行有氧呼吸
②
不消耗氧气,释放CO2
只进行酒精发酵
③
CO2释放量>O2消耗量
进行有氧呼吸和酒精发酵,多余的CO2来自于酒精发酵
④
酒精产生量=CO2释放量
只进行酒精发酵
⑤
酒精产生量 进行有氧呼吸和酒精发酵,多余的CO2来自于有氧呼吸 ⑥ 无CO2释放 只进行乳酸发酵 方法拓展 (1)当CO2释放量>O2消耗量时,比较有氧呼吸和无氧呼吸速率的方法: ①若 = ,有氧呼吸和无氧呼吸消耗葡萄糖的速率相等。 ②若 > ,无氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于有氧呼吸。 ③若 < ,有氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于无氧呼吸。 (2)如果出现CO2释放量 (3)有时还可根据发生的场所进行细胞呼吸方式的判定,如真核细胞均在细胞质基质中进行的是无氧呼吸。 典例4 如图表示某种植物的非绿色器官在不同O2浓度下气体吸收量和释放量的变化,请据图回答下列问题。 (1)外界O2浓度在10%以下时,该器官的细胞呼吸方式是有氧呼吸和无氧呼吸,你作出这种判断的理由是此时CO2释放量大于O2吸收量。 (2)该器官CO2释放量与O2吸收量两条曲线在C点相交后重合为一条曲线,这表明此时该器官的细胞呼吸方式是有氧呼吸,你作出这种判断的理由是此时CO2释放量与O2吸收量相等。 (3)当外界O2浓度为4%~5%时,该器官CO2释放量的相对值为0.6,而O2吸收量的相对值为0.4。 此时,无氧呼吸的CO2释放量的相对值相当于有氧呼吸的1/2;无氧呼吸消耗葡萄糖的量的相对值相当于有氧呼吸的1.5倍。 [解析] (1)从有氧呼吸和无氧呼吸的反应式可以看出,有氧呼吸时O2吸收量与CO2释放量相等,而在O2浓度为10%以下时,CO2释放量比O2吸收量大,多出的CO2来自无氧呼吸,因此,此时该植物器官既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸。 (2)根据有氧呼吸的反应式,有氧呼吸时CO2释放量等于O2吸收量,再根据无氧呼吸的反应式,无氧呼吸不吸收O2,只释放CO2,得出当CO2释放量等于O2吸收量时,该植物器官只进行有氧呼吸。 (3)由有氧呼吸和产生CO2的无氧呼吸的反应式可知: 有氧呼吸吸收1分子的O2必然释放1分子的CO2,无氧呼吸只释放CO2不吸收O2。 O2吸收量的相对值为0.4,则有氧呼吸产生的CO2量为0.4,而CO2的释放总量是0.6,所以无氧呼吸的CO2释放量为0.6-0.4=0.2,因此无氧呼吸的CO2释放量为有氧呼吸的1/2。 又由反应式可知,有氧呼吸的CO2释放量为0.4时,需要消耗葡萄糖的量为1/6×0.4,而无氧呼吸的CO2释放量为0.2时,需要消耗葡萄糖的量为1/2×0.2,故无氧呼吸与有氧呼吸消耗葡萄糖的量的比值为(1/2×0.2)/(1/6×0.4)=1.5。 典例5 (2018·济南高一检测)如图为某同学构建的在晴朗白天植物的有氧呼吸过程图,下列说法正确的是( C ) A.催化2→3的酶存在于线粒体内膜上 B.3全部释放到大气中 C.6部分可来自叶绿体 D.产生的8主要用于合成ATP [解析] 从图中判断1~8依次是葡萄糖、丙酮酸、CO2、H2O、[H]、O2、H2O和能量,2→3过程是有氧呼吸的第二阶段,该过程的场所是线粒体基质;3表示二氧化碳,生成的二氧化碳可被叶绿体中光合作用利用;6表示氧气,分别来自叶绿体和外界环境;8是有氧呼吸释放的能量,这些能量大部分转化成热能,只有少部分转移到ATP中。 典例6 (2018·西安高一检测)将200mL含酵母菌的培养液放入500mL的密闭容器内,该容器内酵母菌不同呼吸方式的CO2释放速率随时间变化情况如图所示,请回答下列问题: (1)图中a曲线表示的呼吸方式为有氧呼吸,判断依据是开始时酵母菌可利用密闭容器内的氧气进行有氧呼吸,随着时间的延长,氧气量逐渐减少,存氧呼吸减弱直至为零。 (2)密闭容器内开始产生酒精的时间是6h前(填“6h前”或“6h时”或“6h后”)。 (3)8h时细胞内ATP的合成场所是细胞质基质,此时合成ATP所需能量不能(填“能”或“不能”)来自丙酮酸的分解。 (4)密闭容器内CO2的总释放量在6h时小于(填“小于”“等于”或“大于”)8h时。 [解析] (1)刚开始时容器内有氧气,酵母菌进行有氧呼吸,随着氧气的逐渐消耗,有氧呼吸逐渐减弱,开始出现无氧呼吸,因此曲线a表示有氧呼吸,曲线b表示无氧呼吸。 (2)从图形分析,密闭容器内酵母菌在6h前开始进行无氧呼吸,即6h前就开始产生酒精。 (3)8h时酵母菌只进行无氧呼吸,细胞内合成ATP的场所是细胞质基质,此时产生的ATP来自无氧呼吸第一阶段,即葡萄糖分解为丙酮酸和[H]的过程。 (4)根据图形分析,酵母菌的细胞呼吸速率一直为正值,酵母菌一直在释放CO2,故随时间的变化,CO2的总释放量一直在增加。 1.细胞呼吸是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。 2.有氧呼吸。 (1)反应式: C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+大量能量。 (2)场所: 细胞质基质和线粒体。 3.无氧呼吸 (1)产生酒精: C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量。 (2)产生乳酸: C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+少量能量。 (3)反应场所: 细胞质基质。 4.有氧呼吸的三个阶段都释放能量,无氧呼吸只有第一阶段释放能量。
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