2024年高中生物新教材同步必修第一册 第5章 第3节　第1课时　细胞呼吸的方式和有氧呼吸

第3节细胞呼吸的原理和应用第1课时细胞呼吸的方式和有氧呼吸[学习目标]1.探究酵母菌细胞呼吸的方式。2.概述有氧呼吸的三个阶段，概括有氧呼吸的概念。一、细胞呼吸的方式1．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。2．酵母菌细胞呼吸的方式(1)酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。(2)产物eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(有氧条件：大量的二氧化碳和水,无氧条件：产生酒精，还产生少量的二氧化碳))3．根据大量的实验结果得出结论：细胞呼吸可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。判断正误(1)配制酵母菌培养液时，葡萄糖溶液煮沸后，即可加入新鲜食用酵母()(2)如果产生的气体使澄清的石灰水变混浊，则酵母菌进行有氧呼吸()(3)橙色的重铬酸钾溶液在碱性条件下遇酒精变为灰绿色()(4)将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖，这将更有利于酒精的检测()答案(1)×(2)×(3)×(4)√解析(1)配制酵母菌培养液时，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。(2)酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都能产生二氧化碳，都能使澄清的石灰水变混浊。(3)重铬酸钾可检测酒精的存在，在酸性条件下与酒精反应呈灰绿色。任务一：探究酵母菌细胞呼吸的方式1．实验原理(1)酵母菌是单细胞真菌，在有氧和无氧条件下都能生存，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)酵母菌细胞呼吸以葡萄糖作为底物时，通过测定有氧和无氧条件下细胞呼吸的产物，来确定细胞呼吸的方式。2．提出问题：酵母菌在什么条件下使葡萄糖发酵产生酒精？酵母菌在有氧和无氧的条件下产生的二氧化碳是否一样多？3．作出假设：酵母菌在无氧条件下使葡萄糖发酵产生酒精，有氧条件下产生的二氧化碳多。4．设计实验(1)该实验的自变量是什么？如何设置自变量？提示自变量是有无氧气。有氧条件：用橡皮球(或气泵)充气；无氧条件：装有酵母菌培养液的锥形瓶密封放置一段时间。(2)该实验的因变量是什么？如何检测因变量？请完善下表。因变量检测方法CO2产生的多少澄清石灰水变混浊的程度溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄的时间长短是否有酒精产生橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下可与酒精发生化学反应，使溶液变成灰绿色。可通过观察溶液颜色是否变化来确定(3)该实验的无关变量有哪些？如何控制无关变量？提示无关变量有温度、葡萄糖溶液的浓度、酵母菌活性等。无关变量应保持相同且适宜。(4)某课外活动小组想探究酵母菌细胞在有氧条件下的细胞呼吸情况，用如图装置作为备选装置。①该课外活动小组应该选用的装置序号及正确排序是C、A、B。②C装置中的质量分数为10%的NaOH溶液有什么作用？提示能吸收空气中的二氧化碳，排除空气中二氧化碳对实验结果的干扰。(5)该实验有没有对照组？提示该实验中有氧条件和无氧条件均为实验组，相互对照。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，乙组混浊程度更大答案A解析甲组是探究酵母菌的有氧呼吸，乙组是探究酵母菌的无氧呼吸，二者属于对比实验，A正确，B、C错误；甲、乙两组中澄清的石灰水都变混浊，甲组混浊程度更大，D错误。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．酸性重铬酸钾溶液鉴定酒精，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O2D．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答案D解析酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸的产物中都有CO2，均能使澄清石灰水变混浊，因此不能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，D错误。二、有氧呼吸1．主要场所——线粒体(1)写出序号代表的结构名称①外膜；②内膜形成的嵴；③线粒体基质。(2)与有氧呼吸有关的酶分布在②③。(3)线粒体的功能：进行有氧呼吸的主要场所。2．化学反应式C6H12O6＋6H2O＋6O2eq\o(→,\s\up7(酶))6CO2＋12H2O＋能量。3．有氧呼吸过程4．能量转化(1)(2)能量转化效率：葡萄糖有氧分解时，能量转化效率为(977.28/2870)×100%≈34.05%，还有约65.95%的能量以热能的形式散失。5．有氧呼吸概念：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。判断正误(1)葡萄糖是有氧呼吸唯一能利用的物质()(2)真核细胞都进行有氧呼吸()(3)没有线粒体的细胞一定不能进行有氧呼吸()(4)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()答案(1)×(2)×(3)×(4)×解析(1)葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质，但不是唯一的物质。(2)真核细胞中哺乳动物成熟的红细胞只能进行无氧呼吸。(3)线粒体不是进行有氧呼吸必需的结构，如蓝细菌(原核生物)无线粒体，但能进行有氧呼吸。(4)葡萄糖不能在线粒体中氧化分解，需要在细胞质基质中分解为丙酮酸和[H]后，丙酮酸才能进入线粒体中进一步分解。任务二：分析有氧呼吸的过程1．有氧呼吸场所分析资料一科学家提取了新鲜的动物肝脏组织，研磨离心后获取了细胞质基质(作为A组)和线粒体(作为B组)以及细胞匀浆(其中既有细胞质基质又有线粒体，作为C组)。分别向三组材料中加入等量的葡萄糖，检测葡萄糖的含量的变化，实验结果如图。从图中你能够得出有氧呼吸的场所在哪里吗？A组B组C组细胞质基质线粒体细胞匀浆加入等量葡萄糖提示葡萄糖可以在细胞质基质中分解；葡萄糖不能在线粒体中直接分解；线粒体促进了葡萄糖的分解。2．有氧呼吸第一阶段分析(1)阅读下列资料，回答细胞质基质为葡萄糖的分解提供了什么物质？资料二科学家发现酵母汁液(主要成分是细胞质基质)能够发酵(分解)葡萄糖，但将酵母汁液加热到50℃以上，便会失效。酵母汁液经过透析(除去小分子物质)以后，也失去了发酵能力。提示提供了酶和小分子物质。(2)阅读拓展资料：资料三细胞质基质中的一种小分子物质——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)。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。由于NADH携带了电子和氢离子，因此具有较强的还原性，通常可以把它简化为[H]。请完善下面有氧呼吸第一阶段图解。3．有氧呼吸第二阶段分析(1)资料四丙酮酸在线粒体中氧化分解生成CO2和H2O。20世纪30年代，克雷布斯等科学家发现，向鸽子胸肌悬浮液中加入少量草酰乙酸(C4H4O5)或苹果酸(C4H6O5)，都能大大提高丙酮酸的氧化分解速率。根据以上资料分析，草酰乙酸或苹果酸是否是丙酮酸分解的中间产物？提示不是，因为如果草酰乙酸或苹果酸是丙酮酸分解的中间产物，那么外加的草酰乙酸和苹果酸都能够与丙酮酸分解产生的草酰乙酸和苹果酸竞争结合相应的酶，应该会降低丙酮酸的分解速率，而不是大大的提高丙酮酸的氧化分解速率。(2)请结合资料，完善有氧呼吸第二阶段的简化图解。资料五有氧呼吸第二阶段图解简化图解4．有氧呼吸第三阶段分析有氧呼吸第三阶段的特点有：[H]和O2参与反应，产生大量ATP，场所为线粒体内膜。(1)请结合资料六，分析O2的消耗和ATP的生成是否是同一个化学反应？资料六①线粒体内膜两侧有H＋浓度差；②有一种能破坏这种浓度差的药物，可以使线粒体产生大量热量，也消耗氧气，但不生成ATP。提示上述资料说明O2的消耗和ATP的生成是两个过程，H＋浓度可能起到将两个过程连接起来的作用。(2)请结合资料七，完善有氧呼吸第三阶段反应的简化图解。资料七有氧呼吸的第三阶段的反应主要有两方面：一方面前两阶段产生[H]在线粒体基质分离为电子和氢离子，电子在线粒体内膜的蛋白复合体之间进行传递，传递过程中将氢离子由线粒体基质泵入膜间隙，使得膜间隙的氢离子浓度更高，电子失去能量后跟氢离子和氧气结合生成了水；另一方面，氢离子顺着浓度梯度又由膜间隙流回到线粒体基质，同时推动ATP合成酶合成ATP。简化图解5．写出有氧呼吸总反应方程式并标注反应物：葡萄糖、氧气、水中的氧的去向。提示3．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答案B解析[H]与氧气结合生成水，发生在线粒体内膜上，A不符合题意；C6H12O6分解为丙酮酸和[H]，发生在细胞质基质中，B符合题意；丙酮酸分解为CO2和[H]，发生在线粒体基质中，C不符合题意；ADP与磷酸结合生成ATP的场所有细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜，D不符合题意。4．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结合的是第______阶段。(3)在有氧呼吸过程中，释放出大量能量的是第________阶段，反应的场所是_______________________________________________________________________________。(4)图中②③分别是________、________。答案(1)C6H12O6＋6O2＋6H2Oeq\o(→,\s\up7(酶))6CO2＋12H2O＋能量(2)三三(3)三线粒体内膜(4)H2OCO2题组一细胞呼吸的方式1．细胞呼吸的实质是()A．合成有机物，储藏能量B．分解有机物，释放能量C．合成有机物，释放能量D．分解有机物，储藏能量答案B2．在检验酵母菌细胞呼吸产物时，常用到一些特殊的颜色反应，下列叙述不正确的是()A．二氧化碳使澄清的石灰水变混浊B．二氧化碳可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄C．酒精在碱性条件下能与灰绿色的重铬酸钾溶液反应变成橙色D．酒精在酸性条件下能与橙色的重铬酸钾溶液反应变成灰绿色答案C3．下列关于“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的叙述，正确的是()A．选择酵母菌作为实验材料是因为酵母菌是自养、兼性厌氧型微生物，易于培养B．通过设置有氧(对照组)和无氧(实验组)的对照，易于判断酵母菌的细胞呼吸方式C．将实验装置连接后需要进行气密性检查，确保不漏气D．实验的因变量是澄清石灰水是否变混浊和加入酸性重铬酸钾溶液后样液的颜色变化答案C解析酵母菌是单细胞生物，属于异养、兼性厌氧型微生物，易于培养，A错误；通过设置有氧和无氧两个实验组进行相互对照，易于判断酵母菌的细胞呼吸方式，B错误；实验的因变量是澄清石灰水的混浊程度和加入酸性重铬酸钾溶液后样液的颜色变化，D错误。4．(2023·福建龙岩高一期末)如图为“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验装置，下列有关叙述错误的是()A．A瓶加入质量分数为10%的NaOH溶液是为了吸收空气中的CO2B．D中的葡萄糖若没有耗尽，则也能与酸性重铬酸钾发生反应C．葡萄糖溶液和酵母菌混匀后需高温煮沸以去除溶解氧D．D瓶先封口放置一段时间的目的是消耗瓶中的O2以形成无氧的环境答案C解析葡萄糖溶液和酵母菌混匀前需高温煮沸以去除溶解氧，和酵母菌混匀后不需高温煮沸，否则会杀死酵母菌，C错误。题组二有氧呼吸5．研究者将青蛙细胞放在低渗溶液中涨破、离心得到线粒体外膜及膜间隙成分、内膜、线粒体基质等，下列相关叙述错误的是()A．线粒体外膜先破裂是因为外膜面积比内膜小B．线粒体可在有氧条件下将葡萄糖分解为CO2和水C．处理线粒体过程中，可得到丙酮酸、核苷酸和氨基酸等成分D．青蛙进行各项生命活动所需的ATP主要来自线粒体答案B解析线粒体可在有氧条件下将丙酮酸分解为CO2和水，B错误。6．如图表示细胞有氧呼吸的过程，其中①～③代表有关生理过程发生的场所，甲、乙代表有关物质。下列相关叙述正确的是()A．①②③分别是细胞质基质、线粒体内膜和线粒体基质B．①和②所含酶的种类相同C．②和③都能产生大量ATPD．甲、乙分别代表丙酮酸、[H]答案D解析图中①表示细胞质基质，②表示线粒体基质，③表示线粒体内膜；①中进行的是有氧呼吸的第一阶段，②中进行的是有氧呼吸的第二阶段，所以所含酶的种类不同；②中进行的是有氧呼吸的第二阶段，只能产生少量ATP，③中进行的是有氧呼吸的第三阶段，能产生大量ATP。7．含18O的葡萄糖跟踪有氧呼吸过程中，18O转移的途径是()A．葡萄糖→丙酮酸→水B．葡萄糖→丙酮酸→氧C．葡萄糖→氧→水D．葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳答案D解析在细胞质基质中，含18O的葡萄糖在酶的作用下分解为丙酮酸和[H]，丙酮酸进入线粒体与水反应，彻底分解成二氧化碳，所以18O转移的途径应是葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳，故选D。8．有氧呼吸中产生二氧化碳的阶段、氧气利用的阶段、水参与反应的阶段、有水生成的阶段分别是()①第一阶段②第二阶段③第三阶段A．②③②③ B．①②③③C．②①③② D．③②②③答案A解析有氧呼吸过程中二氧化碳产生于②有氧呼吸的第二阶段；氧气在③有氧呼吸第三阶段参与反应，与[H]结合形成水；水参与②有氧呼吸第二阶段，与丙酮酸反应产生二氧化碳和[H]；有水生成的阶段是③有氧呼吸的第三阶段，故选A。9.某生物实验小组为“探究酵母菌细胞呼吸的方式”设计了如图所示的实验装置。实验中，先向气球中加入10mL含酵母菌的培养液，再向气球中注入一定量的氧气，扎紧气球，置于装有20℃温水的烧杯中。再将整个装置置于20℃的恒温水浴中，记录实验开始30min后烧杯中液面变化量。下列说法错误的是()A．还应设置一个气球中加入等量煮沸过的酵母菌培养液的相同装置作为对照B．若30min后液面没有变化是因为酵母菌只进行了有氧呼吸C．若酵母菌进行了无氧呼吸，则液面应该下降D．该装置还可以用来“探究酵母菌进行无氧呼吸的最适温度”答案C解析若酵母菌只进行有氧呼吸，则消耗的氧气和产生的二氧化碳体积相等，不会引起液面变化；若同时进行了无氧呼吸，则产生的二氧化碳多于消耗的氧气，气球体积增大，液面上升。10．(2023·北京人大附中高一期末)如图为显微镜下某真核细胞中线粒体及周围的局部结构。下列相关叙述正确的是()A．结构①中发生葡萄糖的分解但不生成ATPB．结构②上丙酮酸被彻底分解为CO2和H2OC．结构③中[H]与O2结合生成水并释放大量能量D．结构①②③中均有参与细胞呼吸的相关酶答案D解析结构①细胞质基质中发生葡萄糖的分解，也生成ATP，A错误；结构②(线粒体内膜)上[H]与O2结合生成水并释放大量能量，C错误。11．(2023·辽宁大连高一期末)如图是细胞有氧呼吸过程示意图，①②③代表有氧呼吸的不同阶段，a、b、c代表各阶段释放的能量。下列叙述错误的是()A．葡萄糖在线粒体基质中经①②③阶段彻底氧化分解B．给培养的动物细胞提供18O2，经过一段时间后，细胞中的二氧化碳和水可能含有18OC．碳原子的转移途径是葡萄糖→丙酮酸→二氧化碳D．用某种抑制线粒体内膜上ATP合成的药物处理培养的小鼠细胞，其线粒体仍可产生ATP答案A解析①过程发生在细胞质基质中，葡萄糖不能在线粒体中分解，A错误；给培养的动物细胞提供18O2,18O2参与有氧呼吸的第三阶段生成H218O，H218O再参与有氧呼吸的第二阶段，生成C18O2，因此经过一段时间后，细胞中的二氧化碳和水可能含有18O,B正确；碳原子在有氧呼吸第一阶段从葡萄糖转移到丙酮酸，在有氧呼吸第二阶段从丙酮酸转移到二氧化碳，C正确；有氧呼吸第二阶段的场所为线粒体基质，有氧呼吸第三阶段的场所为线粒体内膜，故用某种抑制线粒体内膜上ATP合成的药物处理培养的小鼠细胞，其线粒体内膜不能再产生ATP，但线粒体基质仍可产生ATP，D正确。12．氧化型辅酶Ⅰ(NAD＋)的合成场所是细胞质基质，其通过线粒体内膜需要借助特殊的转运蛋白。经研究发现TF－H缺失的细胞表现出耗氧量和ATP生成量的变化，进一步研究发现TF－H就是NAD＋的转运蛋白，如图是NAD＋的分子结构示意图。下列相关叙述正确的是()A．在线粒体中，NADH最终发生作用的场所是线粒体基质B．NAD＋只在线粒体基质中参与有氧呼吸第二阶段C．NAD＋中含有的糖是脱氧核糖D．若TF－H缺失的细胞线粒体中NAD＋的含量降低，而细胞中NAD＋的总含量保持不变，则说明蛋白质TF－H与NAD＋的转运有关答案D解析NAD＋形成的NADH最终在线粒体内膜上与氧气发生反应生成水，A错误；NAD＋在有氧呼吸的第一阶段也会参与NADH的形成，B错误；NAD＋中含有的糖是核糖，C错误；从NAD＋含量方面分析，当出现线粒体中NAD＋的含量降低，而细胞中NAD＋的总含量保持不变的现象时，说明NAD＋没有被转运，进而证明蛋白质TF－H与NAD＋的转运有关，D正确。13．(2023·江苏盐城高一期末)在酵母菌线粒体内，呼吸链由一系列按特定顺序排列的结合蛋白质组成。链中每个成员，从前面的成员接受氢或电子，又传递给下一个成员，最后传递给氧。在电子传递的过程中，逐步释放自由能，同时将其中部分能量，通过氧化磷酸化作用贮存在ATP分子中，具体过程如图所示。下列说法错误的是()A．H＋通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的运输会导致线粒体基质的pH升高B．F1是转运蛋白，在线粒体内膜上只起运输作用C．在硝化细菌中，也有与酵母菌类似的电子传递系统D．在分解脂肪时，通过该电子传递链消耗的氧将增加答案B解析H＋通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的运输会导致线粒体基质的H＋减少从而使pH升高，A正确；F1在线粒体内膜上既可充当转运蛋白起运输作用，还可以充当酶来催化ATP的合成，B错误；硝化细菌也进行有氧呼吸，故也有与酵母菌类似的电子传递系统，C正确；在分解脂肪时，由于脂肪的H含量比糖类高，故通过该电子传递链消耗的氧将增加，D正确。14．如图表示细胞部分结构和功能，据图回答下列问题：(1)图中A是____________，B的利用发生在有氧呼吸的第________阶段，B的产生部位是________________。(2)在有氧呼吸的过程中，[H]是在第__________阶段产生的；产生ATP最多的是第________阶段。(3)该细胞产生CO2的场所是_____________________________________________________，结合图示过程，有氧呼吸的总反应式可写成________________________________________________