高中生物人教版必修1课件第5章第3节细胞呼吸的原理和应用

第3节细胞呼吸的原理和应用第5章2021内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.通过设计和实施应用控制变量法探究酵母菌呼吸方式的实验,总结细胞呼吸的类型。2.通过对有氧呼吸相关实验的资料分析,阐明有氧呼吸过程中物质与能量的变化。3.通过表格归纳,厘清有氧呼吸与无氧呼吸过程的异同,归纳细胞呼吸的概念,阐明细胞呼吸的实质和意义。4.关注细胞呼吸原理在生产生活实际中的应用。课前篇自主预习一、细胞呼吸呼吸作用的实质是细胞内的有机物氧化分解,并释放能量,因此也叫细胞呼吸。二、探究酵母菌细胞呼吸的方式1.实验材料:酵母菌在有氧和无氧的条件下都能生存,属于兼性厌氧菌,因此便于用来研究细胞呼吸的不同方式。2.实验步骤(1)酵母菌培养液的配制:取20g新鲜的食用酵母菌,分成两等份,分别放入锥形瓶A(500mL)和锥形瓶B(500mL)中。分别向瓶中注入240mL质量分数为5%的葡萄糖溶液。(2)检测CO2的产生①检测试剂:使用澄清的石灰水或溴麝香草酚蓝溶液。②现象:澄清的石灰水变混浊,溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄。③观测指标:根据石灰水混浊程度或溴麝香草酚蓝溶液变成黄色的时间长短,可以检测酵母菌培养液中CO2的产生情况。(3)检测酒精的产生①试剂:重铬酸钾溶液。②反应条件:酸性条件。③现象:橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与乙醇(俗称酒精)发生化学反应,变成灰绿色。预习反馈1.在检验酵母菌细胞呼吸产物时常用到一些特殊的反应,下列描述不正确的是(

)2可使澄清的石灰水变混浊2可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄C.灰绿色的重铬酸钾溶液在碱性条件下能与酒精反应,变成橙色D.橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下能与酒精反应,变成灰绿色答案

C解析

酵母菌既可进行有氧呼吸,也可进行无氧呼吸,产物有CO2、H2O和酒精。CO2可用澄清的石灰水或溴麝香草酚蓝溶液检测;橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与酒精反应,变成灰绿色。2.某课外活动小组想探究酵母菌细胞有氧条件下的呼吸作用,用下图装置作为备选装置。该课外活动小组应该选用的装置序号及正确排序是

。

答案

C→A→B三、细胞呼吸的方式1.有氧呼吸(1)概念:有氧呼吸是指细胞在氧的参与下,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。(2)主要场所:线粒体线粒体具有双层膜,[3]内膜的某些部位向内腔折叠形成[2]嵴,嵴使内膜的表面积大大增加。嵴的周围充满了液态的[4]基质。线粒体的内膜上和基质中含有许多种与有氧呼吸有关的酶。要点笔记

某些原核细胞无线粒体也可进行有氧呼吸。(3)有氧呼吸的过程第一个阶段:不需要氧的参与,在细胞质基质中进行。1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,产生少量的[H],并且释放出少量的能量。第二个阶段:不需要氧直接参与,在线粒体基质中进行。丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和[H],并释放出少量的能量。第三个阶段:需要氧的参与,在线粒体内膜上进行。前两个阶段产生的[H],经过一系列的化学反应,与氧结合形成水,同时释放出大量的能量。(4)总反应式:C6H12O6+6O2+6H2O

6CO2+12H2O+能量2.无氧呼吸(1)概念:在没有氧气参与的情况下,葡萄糖等有机物经过不完全分解,释放少量能量的过程,就是无氧呼吸。酵母菌、乳酸菌等微生物的无氧呼吸也叫作发酵。产生酒精的叫作酒精发酵,产生乳酸的叫作乳酸发酵。(2)过程第一阶段:在细胞质基质中进行。与有氧呼吸第一阶段完全相同。第二阶段:在细胞质基质中进行。丙酮酸在酶的催化作用下,分解成酒精和二氧化碳,或者转化成乳酸。无论是分解成酒精和二氧化碳或者是转化成乳酸,无氧呼吸都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。(3)总反应式:①乳酸发酵:C6H12O62C3H6O3(乳酸)+少量能量。②酒精发酵:C6H12O6

2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量。3.细胞呼吸的意义(1)为生物体的绝大多数生命活动过程提供能量。(2)生物体代谢的枢纽。细胞呼吸的中间产物,可以转化为其他非糖物质,蛋白质、糖类和脂质的代谢都可以与细胞呼吸联系起来。预习反馈1.判断正误。(1)无氧呼吸的全过程都在细胞质基质中进行。(√)(2)无氧呼吸的两个阶段都能产生ATP。(

×

)(3)不同生物的无氧呼吸所需要的酶都是相同的。(

×

)(4)发酵是指酵母菌、乳酸菌等微生物的无氧呼吸,根据其产物不同又分为酒精发酵和乳酸发酵。(√)2.根据有氧呼吸的过程连线。

3.识图。有氧呼吸过程图解如下:图中①②③④分别是什么物质?⑤代表什么?答案

①②③④分别是丙酮酸、[H]、O2、CO2。⑤代表大量能量。四、细胞呼吸原理的应用将生产生活中的实例与对应原理进行连线。拓展阅读有氧运动与无氧运动体育运动大体可以分为有氧运动和无氧运动。有氧运动是强度较低的较长时间的运动,运动过程中骨骼肌主要靠有氧呼吸供能,如慢跑、游泳等。无氧运动则是高强度的剧烈运动,运动过程中骨骼肌除进行有氧呼吸外,还会进行无氧呼吸,产生乳酸,这样的运动有短跑、举重和力量训练等。有氧运动能够增强心肺功能,提高肌肉的耐力,无氧运动能够增加肌肉体积,增强肌肉力量。课堂篇探究学习探究点一探究酵母菌细胞呼吸的方式酵母菌也称“糖菌”,多分布在含糖的偏酸性环境中,如水果、叶子、蔬菜、树皮上及葡萄园和果园的土壤中。酵母菌也被称为人类的“第一种家养微生物”,是一种单细胞真菌,它与人类的生活息息相关。做馒头、面包、酿酒等,都是利用酵母菌的呼吸作用。1.实验原理(1)酵母菌:酵母菌是一种单细胞真菌,其代谢类型是

型,可用于研究细胞呼吸的不同方式。

(2)细胞呼吸产物的检测②酒精的检测:在

条件下,橙色的

溶液会与酒精发生化学反应,变成

色。

兼性厌氧混浊蓝绿酸性重铬酸钾灰绿2.图甲中的空气先通过质量分数为10%的NaOH溶液的目的是什么?答案

图甲中的空气先通过NaOH溶液的目的是吸收空气中的CO2,保证使澄清石灰水变混浊的是酵母菌有氧呼吸产生的CO2。3.图乙中B瓶先密封放置一段时间后,再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶的目的是什么?答案

B瓶先密封放置一段时间后,耗尽瓶中的氧气,保证使澄清石灰水变混浊的是酵母菌无氧呼吸产生的CO2。4.有同学发现A瓶中的酵母菌培养液滤液用重铬酸钾溶液检测时也出现灰绿色,请分析可能的原因,并提出改进措施。答案

(1)供氧不足,部分细胞进行无氧呼吸。改进措施:用气泵持续供氧。(2)酵母菌培养液中还存在葡萄糖,葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化。改进措施:应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖。【归纳提升】1.实验变量的分析探究课题有氧呼吸无氧呼吸变量控制通入空气,保证O2的充分供应先将锥形瓶内的O2消耗完,再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶无关变量控制空气先通入NaOH溶液中,除去CO2排除有氧呼吸的干扰自变量O2的有无因变量酵母菌的呼吸产物,即产生CO2的多少、酒精的有无无关变量温度、营养物质的浓度和总量等2.需加深理解的问题(1)配制酵母菌培养液时,必须将灭菌的葡萄糖溶液冷却到常温,才可加入酵母菌。否则,高温会杀死酵母菌。(2)有氧条件:必须持续通入空气,以保证O2的充足供应。空气通入酵母菌培养液之前先用NaOH溶液处理,目的是吸收CO2,排除空气中的CO2对实验结果的干扰。无氧条件:装置中盛有酵母菌培养液的锥形瓶应封口放置一段时间后,再连接澄清的石灰水,其目的是先让酵母菌将瓶中的O2消耗完,确保只进行无氧呼吸。要点笔记

在25~35

℃的环境中进行实验,此时的酵母菌中酶活性较高,生命活动旺盛,细胞呼吸明显。3.酒精的检测用重铬酸钾检测酒精,在酸性条件下,橙色的重铬酸钾变成灰绿色。检测时,需要把酵母菌培养液过滤,然后取滤液2mL进行检测。【探究应用】1.下图为“探究酵母菌的呼吸方式”的实验装置,下列有关叙述正确的是(

)A.该实验需设置有氧和无氧两种条件的对比实验,其中乙组作为对照组B.若向b瓶和d瓶中加入酸性重铬酸钾溶液,则d瓶内的溶液会变黄C.可根据溴麝香草酚蓝溶液变黄的时间长短,来检测CO2的产生速率D.若c瓶和e瓶中溶液都变混浊,不能据此判断酵母菌的呼吸方式答案

C解析

该对比实验两组都未知实验结果,都是实验组,

A项错误。d瓶内酵母菌进行无氧呼吸,生成酒精,其在酸性条件下与重铬酸钾溶液反应,呈灰绿色;b瓶内酵母菌进行有氧呼吸,不生成酒精,无灰绿色出现,B项错误。b瓶内酵母菌进行有氧呼吸,产生CO2较多,溴麝香草酚蓝溶液变黄的时间较短(石灰水变混浊较快或混浊量较大);d瓶内酵母菌进行无氧呼吸,产生CO2较少,溴麝香草酚蓝水溶液变黄的时间较长(石灰水变混浊较慢或混浊量较小),

C项正确,D项错误。2.将图中果酒发酵装置改装后用于探究酵母菌呼吸方式的实验,下列相关操作错误的是(

)A.探究有氧条件下酵母菌呼吸方式时打开阀aB.经管口3取样检测酒精和CO2的产生情况C.实验开始前对改装后整个装置进行气密性检查D.改装时将盛有澄清石灰水的试剂瓶与管口2连通答案

B解析

打开阀a,则外界空气可通入发酵液中;经管口3取样检测酒精,检测CO2要检测管口2排出的气体;发酵过程需要密封,故需要进行气密性检测;管口2与盛澄清石灰水的试剂瓶连通,可检测是否有CO2产生。探究点二有氧呼吸和无氧呼吸的过程1.有氧呼吸与无氧呼吸的比较

比较项目有氧呼吸无氧呼吸区别场所

条件O2、多种酶无O2、多种酶物质转化葡萄糖彻底氧化分解,生成

葡萄糖分解不彻底,生成

或

能量转化释放大量能量,产生大量ATP释放少量能量,产生少量ATP特点受O2和温度等因素的影响有O2存在时,无氧呼吸受抑制,受温度等因素的影响细胞质基质、线粒体细胞质基质CO2和H2O乳酸酒精和CO2

比较项目有氧呼吸无氧呼吸相同点过程二者

反应完全相同,都在细胞质基质中进行

实质都是

有机物,释放

,产生ATP

意义为生物体的生命活动提供

第一阶段氧化分解能量能量2.有氧呼吸过程中,H2O参与的反应和产生分别发生在第

、

阶段,O2参与反应发生在第

阶段,CO2是在第

阶段产生的。

答案

二三三二4.丙酮酸进入线粒体的条件是什么?为什么丙酮酸在不同类型的细胞质基质中参与无氧呼吸的产物不同?答案

当有氧气存在的情况下,丙酮酸进入线粒体进行有氧呼吸。酶的种类不同,无氧呼吸的产物不同。5.为什么在训练中会出现肌肉的酸痛感?答案

部分细胞无氧呼吸,产生乳酸,会导致肌肉酸痛。【归纳提升】1.与无氧呼吸有关的几个注意点(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。2.与细胞呼吸有关的计算C6H12O6+6H2O+6O212H2O+6CO2+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1∶3。(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3∶1。(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。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)无氧呼吸只有第一阶段释放能量,第二阶段没有能量释放。有氧呼吸三个阶段均释放能量。【探究应用】1.下图表示细胞进行细胞呼吸时葡萄糖的分解途径,下列相关分析正确的是(

)A.过程②产生的能量大部分以热能形式散失B.①发生的场所是细胞质基质,其不产生ATPC.人肝细胞进行②过程的同时会产生少量CO2D.在线粒体中进行③时,H2O、CO2产生的阶段不同答案

D解析

①②代表无氧呼吸,①③代表有氧呼吸,①代表细胞呼吸的第一阶段,③代表有氧呼吸的第二、三阶段,无氧呼吸第二阶段不产生能量,A项错误;①代表细胞呼吸的第一阶段,场所是细胞质基质,此阶段产生少量ATP,B项错误;人肝细胞的无氧呼吸产生乳酸,不会产生酒精,C项错误;③代表有氧呼吸的第二、三阶段,CO2在有氧呼吸的第二阶段产生,H2O在有氧呼吸的第三阶段产生,D项正确。2.(2021全国甲)某同学将酵母菌接种在马铃薯培养液中进行实验,不可能得到的结果是(

)A.该菌在有氧条件下能够繁殖B.该菌在无氧呼吸的过程中无丙酮酸产生C.该菌在无氧条件下能够产生乙醇D.该菌在有氧和无氧条件下都能产生CO2答案

B解析

酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸,能够进行繁殖,A项不符合题意。酵母菌在无氧呼吸的第一阶段和有氧呼吸的第一阶段都有丙酮酸产生,B项符合题意。酵母菌在无氧条件下进行无氧呼吸产生乙醇和CO2,C项不符合题意。酵母菌在有氧呼吸的第二阶段和无氧呼吸的第二阶段都有CO2产生,D项不符合题意。3.下表描述的是真核细胞中有氧呼吸和无氧呼吸的位置及主要产物,相关选项正确的是(

)呼吸类型有氧呼吸无氧呼吸反应阶段第一阶段第二阶段第三阶段第一阶段第二阶段位置细胞质基质线粒体基质线粒体内膜细胞质基质细胞质基质主要产物C3H4O3CO2H2OC3H4O3C3H6O3或C2H5OH+CO2A.有氧呼吸各阶段在细胞不同位置进行与细胞中酶的种类及分布有关B.人体在剧烈运动过程中产生的CO2有部分来自无氧呼吸C.无氧呼吸产生C3H6O3和C2H5OH的过程中均有[H]剩余D.细胞进行无氧呼吸产生C3H6O3还是C2H5OH的根本原因是细胞中酶的种类有差异答案

A解析

有氧呼吸各个阶段的反应都需要酶的催化,细胞不同位置存在的酶不同,决定了有氧呼吸各阶段在细胞不同位置进行,A项正确;人体在剧烈运动过程中产生的CO2只能来自有氧呼吸,因为无氧呼吸只产生乳酸,B项错误;无氧呼吸第一阶段产生的[H],在第二阶段均被利用,C项错误;细胞进行无氧呼吸产生C3H6O3还是C2H5OH的直接原因是细胞中酶的种类有差异,根本原因是控制酶合成的基因不同,D项错误。探究点三细胞呼吸的影响因素和细胞呼吸原理的应用在农业生产中,在作物生长期进行中耕松土,可以增加土壤通气量,促进作物根部的有氧呼吸,有利于作物吸收矿质元素。利用酵母菌酿酒时,往往先向发酵液中通气,促进酵母菌的有氧呼吸,使酵母菌迅速增殖,之后再控制发酵液为无氧条件,促进酵母菌的无氧呼吸,从而积累酒精。细胞呼吸受多种因素的影响,请结合下列甲、乙、丙三图讨论分析影响细胞呼吸的因素及其原理的应用。1.甲、乙、丙三图横坐标对应的外界因素分别是什么?答案

温度、O2浓度、CO2浓度。2.尝试解读乙图中各点表示的生物学意义。答案

Q点:不消耗O2,产生CO2⇒只进行无氧呼吸;P点:O2吸收量=CO2生成量⇒只进行有氧呼吸;QP段(不包含Q、P点):CO2生成量>O2吸收量⇒同时进行有氧呼吸和无氧呼吸;R点:CO2生成量最小⇒细胞呼吸最弱点。3.联系生活实际,各举一例说明细胞呼吸原理的应用。答案

温度:用酵母菌发面蒸馒头需要用温水和面并适当保温,促进酵母菌的有氧呼吸。O2浓度:用创可贴包扎伤口,透气性好,有利于抑制厌氧菌的细胞呼吸。CO2浓度:蔬菜、水果保鲜可充入CO2,通过提升CO2浓度降低氧分压,抑制有氧呼吸,减少有机物消耗。拓展思维通过曲线图变式理解O2浓度对细胞呼吸的影响(细胞呼吸的底物为葡萄糖)。(1)图甲中的A点只进行无氧呼吸,对应图乙中O2浓度为a时的情况。(2)图甲中的C点既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸,对应图乙中O2浓度为c时的情况,此时最适合储藏。(3)图甲中的D点只进行有氧呼吸,对应图乙中O2浓度为d时的情况。【归纳提升】影响细胞呼吸的环境因素及细胞呼吸原理在实践上的应用(1)温度通过影响呼吸酶的活性来影响呼吸速率,与温度影响酶催化效率的曲线特征一致。如右图所示。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)O2浓度①无氧呼吸:随O2浓度增加而受抑制,O2浓度越高,抑制作用越强,O2浓度达到一定值时,被完全抑制。如右图所示。②有氧呼吸:O2是有氧呼吸的原料之一,在一定范围内,随着O2浓度的增加,有氧呼吸速率增大,但当O2浓度增加到一定值时,有氧呼吸速率不再增大。如右图所示。③绝大多数植物的非绿色器官或酵母菌的呼吸速率受O2浓度的影响。如下图所示。应用:a.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浓度大于E点对应的O2浓度,保证根细胞的正常呼吸,有利于肥料的吸收;b.生产中利用低氧(A点的O2浓度)抑制细胞呼吸,减少对有机物的消耗,延长蔬菜、水果、粮食的保存时间。(3)CO2浓度CO2是细胞呼吸的产物,从化学平衡的角度分析,CO2浓度增加会抑制细胞的呼吸。应用:在蔬菜、水果保鲜中,增加CO2浓度(或充入N2)可抑制细胞呼吸,减少有机物的消耗。(4)水分:水参与细胞呼吸,一定范围内随水含量的增加,细胞呼吸加强。应用:种子晒干储藏,抑制细胞呼吸,减少有机物的消耗。【探究应用】1.储藏苹果时既要保持其口感,又要减少水分的消耗,下列最适宜的储藏条件是(

)A.高CO2浓度、低O2浓度和零下低温B.低CO2浓度、高O2浓度和零下低温C.低O2浓度、高CO2浓度和零上低温D.完全无O2、高CO2浓度和零上低温答案

C解析

酶的活性在一定范围内随温度的升高而增强,故低温是储藏苹果的有效方法之一,但零下低温会引起冻伤。随着O2浓度的不断增大,有氧呼吸不断增强,而无氧呼吸逐渐受抑制,O2浓度低时二者强度都很弱。C