高中生物必修1学案： 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 新人教版必修1

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 2C2H5OH2CO2 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) b a c c c b 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Z1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和酒精的检测澄清石灰水变混浊，且混浊程度与CO2产量有关；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；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。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若探究种子呼吸状况则不必遮光，但需“死种子”作对照。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装置乙在处可检测到有酒精生成C装置乙中应让先放置一会再与连接D装置甲中NaOH溶液的作用是吸收处的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可通过导管进入中，但酵母菌产生的酒精保留在中，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O2B在探究有氧呼吸的实验过程中，泵入的空气应去除CO2C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Z1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C6H12O66H2O6O212H2O6CO2能量C6H12O62C2H5OH(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)1 mol葡萄糖彻底氧化分解后，释放出2870 kJ的能量，其中1161 kJ的能量储存在ATP中，其余的以热能形式散失。(3)1 mol葡萄糖生成酒精释放的能量为225.94 kJ，生成乳酸释放的能量为196.65 kJ，其中都有61.08 kJ的能量转移到ATP(生成2 mol ATP)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B1 500 m跑时，有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖的量相当C100 m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。1500 m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。100 m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。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。3CO2：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)A20 h内，果肉细胞产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体B50 h后，30 条件下果肉细胞没有消耗O2，密闭罐中CO2浓度会增加C50 h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，50 h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。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。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CO2释放量O2吸收量只进行有氧呼吸不消耗氧气，释放CO2只进行酒精发酵CO2释放量O2消耗量进行有氧呼吸和酒精发酵，多余的CO2来自于酒精发酵酒精产生量CO2释放量只进行酒精发酵酒精产生量O2消耗量时，比较有氧呼吸和无氧呼吸速率的方法：若，有氧呼吸和无氧呼吸消耗葡萄糖的速率相等。若，无氧呼吸消耗葡萄糖的速率大于有氧呼吸。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O2消耗量，呼吸底物可能含有脂肪，因为等量的脂肪氧化分解的需氧量高于糖类。(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0.60.40.2，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1/60.4，而无氧呼吸的CO2释放量为0.2时，需要消耗葡萄糖的量为1/20.2，故无氧呼吸与有氧呼吸消耗葡萄糖的量的比值为(1/20.2)/(1/60.4)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23的酶存在于线粒体内膜上B3全部释放到大气中C6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18依次是葡萄糖、丙酮酸、CO2、H2O、H、O2、H2O和能量，23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200 mL含酵母菌的培养液放入500 mL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 6 h前 (填“6 h前”或“6 h时”或“6 h后”)。(3)8 h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6 h时 小于 (填“小于”“等于”或“大于”)8 h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6 h前开始进行无氧呼吸，即6 h前就开始产生酒精。(3)8 h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：C6H12O66O26H2O6CO212H2O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：C6H12O62C2H5OH(酒精)2CO2少量能量。(2)产生乳酸：C6H12O62C3H6O3(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。