《细胞呼吸的原理和应用》素养导学

第3节细胞呼吸的原理和应用一、细胞呼吸1.概念:(1)物质变化:有机物在细胞内经过一系列的氧化分解,生成_________或其他产物。(2)能量变化:_______中稳定的化学能转化为____中活跃的化学能。二氧化碳有机物ATP【激疑】人的呼吸运动和细胞呼吸是同一生理过程吗?提示:不是。人的呼吸运动是指肺部与外界进行气体交换的过程,细胞呼吸是在细胞内进行的分解有机物释放能量的过程。

2.两种类型:(1)分类依据:有无____的参与,有机物是否______________。(2)类型:___________________。O2彻底氧化分解有氧呼吸和无氧呼吸3.探究酵母菌细胞呼吸的方式:(1)酵母菌细胞呼吸的方式:(2)呼吸产物的检测:检测产物试剂现象CO2澄清石灰水____________________溶液由蓝变绿再变黄酒精酸性条件下的_________溶液_____________变混浊溴麝香草酚蓝重铬酸钾橙色变灰绿色(3)实验结论。①酵母菌在___________条件下都能进行细胞呼吸。有氧和无氧二、有氧呼吸1.有氧呼吸:(1)反应物:__________________。(2)产物:_____________。(3)能量:释放能量,一部分以_____的形式释放,一部分储存在____中。葡萄糖等有机物和O2二氧化碳和水热能ATP2.过程:(1)写出图中①②③代表有氧呼吸的对应阶段:①:_________;②:_________;③:_________。(2)写出a、b、c代表的物质:a:_______;b:____;c:__。(3)三个阶段均释放出能量,释放能量最多的阶段是___。第一阶段第二阶段第三阶段丙酮酸[H]O2③3.总反应式:__________________________________。C6H12O6+6H2O+6O26CO2+12H2O+能量三、无氧呼吸请结合无氧呼吸的概念和过程,判断下列有关无氧呼吸说法的正误:(1)无氧呼吸发生的场所是细胞质基质。 ()√(2)不同生物无氧呼吸的产物相同。 ()提示:不同生物无氧呼吸的产物不一定相同,如酵母菌无氧呼吸的产物为酒精和二氧化碳,乳酸菌无氧呼吸的产物是乳酸。×(3)无氧呼吸两个阶段都可以产生ATP。 ()提示:无氧呼吸只在第一阶段产生ATP。(4)无氧呼吸产物中只有酒精或乳酸。 ()提示:无氧呼吸的产物是乳酸或酒精和二氧化碳。(5)葡萄糖经无氧呼吸后释放的能量大部分以热能的形式散失。()

××√四、细胞呼吸原理的应用说出下列做法所依据的原理或目的:(1)包扎伤口用透气的敷料:避免厌氧菌的大量繁殖。(2)利用粮食生产各种酒:_______________________。(3)及时松土:_____________________。(4)储藏水果、粮食要低温、低氧:_________________________。酵母菌无氧呼吸产生酒精利于根细胞的有氧呼吸减弱呼吸作用,延长保质期(5)锻炼时提倡慢跑等有氧活动:__________________________。避免肌肉无氧呼吸产生乳酸知识点一探究酵母菌细胞呼吸的方式1.探究过程:2.实验分析:(1)材料分析:酵母菌必须是新鲜的,防止酵母菌因存放时间过长而死亡,导致实验结果不明显。(2)装置分析。①有氧呼吸装置必须持续通入空气,保证氧气充足。②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。③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。3.实验拓展:(1)若探究种子的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”的呼吸状况,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。【思考·讨论】1.配制酵母菌培养液时,将葡萄糖溶液先煮沸再冷却后加入锥形瓶。(生命观念)(1)先煮沸的原因是什么?提示:煮沸是为了除去其他杂菌,防止其他杂菌的干扰。

(2)为什么要冷却后再加入锥形瓶?提示:冷却后再加入锥形瓶是防止高温将酵母菌杀死。2.有氧和无氧条件下澄清的石灰水都变混浊,且有氧条件下比无氧条件下石灰水变混浊的程度大而速度快,由此说明什么问题?(科学思维)提示:有氧呼吸产生的二氧化碳比无氧呼吸产生的多。【素养案例】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【解题导引】解答本题的思维流程如下:【解析】选B。A项中,打开阀a,向装置内通入O2,可用来探究有氧条件下酵母菌的呼吸方式,故正确;B项中,经管口3取样可以检测酒精的产生情况,如果检验CO2的产生情况,需要将管口2通入澄清的石灰水或溴麝香草酚蓝溶液中,故错误;C项中,由于要制造无氧或有氧环境,实验开始前必须对改装后的整个装置进行气密性检查,故正确;D项中,管口2是出气口,将盛有澄清石灰水的试剂瓶与管口2连通,可以检测CO2的产生情况,故正确。【素养·探究】——母题追问(1)科学思维——分析与讨论利用图中装置探究有氧条件下酵母菌细胞呼吸时,充入瓶中的气体应为空气还是氧气?试解释原因。提示:氧气。原因是该装置没有连通盛有氢氧化钠的锥形瓶,不能除去空气中的二氧化碳。直接通入空气,其中的二氧化碳会对实验结果造成影响。(2)科学探究——制订并实施方案探究无氧和有氧条件下酵母菌细胞呼吸的方式,除控制有氧和无氧条件外,还应控制哪些因素?提示:酵母菌培养液浓度、温度等。【补偿训练】1.下列关于“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的叙述,不正确的是(

)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、培养液浓度等D.可通过观察澄清石灰水是否变混浊来判断酵母菌的呼吸方式【解析】选D。“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中需要将葡萄糖溶液煮沸,目的是灭菌和去除溶液中的O2,故A项正确;在探究有氧呼吸的实验过程中,泵入的空气应去除CO2,是为了避免空气中的CO2对酵母菌呼吸产物CO2的检测产生干扰,故B项正确;有无O2是实验中的自变量,温度、培养液浓度等属于无关变量,故C项正确;因为有氧呼吸和无氧呼吸均能产生CO2,所以通过观察澄清石灰水是否变混浊不能判断酵母菌的呼吸方式,故D项错误。2.为了探究酵母菌细胞呼吸的方式,某同学将实验材料和用具按下图安装好。以下关于该实验的说法,不正确的是(

)A.甲组探究酵母菌的有氧呼吸,乙组探究酵母菌的无氧呼吸B.甲、乙两组中澄清的石灰水若换成溴麝香草酚蓝溶液,则C中先变为黄色C.A瓶中加入质量分数为10%的NaOH溶液是为了吸收空气中的O2D.D瓶应先封口放置一段时间后再与E瓶相连,以除去瓶中的O2

【解析】选C。由于甲组有接橡皮球(或气泵)的结构,而乙组没有,所以甲、乙组实验探究的分别是酵母菌在有氧、无氧条件下的呼吸方式,A项正确;甲、乙两组中澄清的石灰水若换成溴麝香草酚蓝溶液,由于在消耗糖的量相同的情况下,有氧呼吸产生的CO2多,则C中先变为黄色,B项正确;由于空气中有CO2,所以加入质量分数为10%的NaOH溶液是为了吸收空气中的CO2,C项错误;由于D瓶中有空气,存在少量的O2,所以乙组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,D项正确。知识点二细胞呼吸的类型及过程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彻底分解葡萄糖不彻底分解产物CO2、H2O乳酸或酒精、CO2项目有氧呼吸无氧呼吸不同点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(葡萄糖→丙酮酸)相同3.细胞呼吸方式的判断方法:(1)方法秘诀:写出反应式,找出O2消耗量和CO2产生量之间的关系:①有氧呼吸:C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量②产生酒精:C6H12O62C2H5OH+2CO2+少量能量③产生乳酸:C6H12O62C3H6O3+少量能量(2)依据O2消耗量和CO2产生量,具体判断如下:条件结论情况1O2消耗量=CO2产生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情况2O2消耗量<CO2产生量同时进行有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸条件结论情况3不消耗O2,产生CO2只进行产生酒精的无氧呼吸情况4不消耗O2,不产生CO2只进行产生乳酸的无氧呼吸或细胞已死亡【思考·讨论】1.线粒体是有氧呼吸的主要场所,试从结构与功能相适应的角度,说明线粒体与有氧呼吸相适应的结构特点:(生命观念)(1)从线粒体内膜结构上分析:____________________________________________________________________________。线粒体的内膜向内折叠形成嵴,大大增加了线粒体的内膜表面积(2)从有氧呼吸所需酶的附着上分析:__________________________________________________。线粒体的内膜上和基质中含有与有氧呼吸有关的酶2.酵母菌和乳酸菌无氧呼吸的产物不同,二者所含有的酶是否完全不同?二者产物不同的根本原因分别是什么?(科学思维)提示:二者无氧呼吸第一阶段所需要的酶相同,但第二阶段所需要的酶不同。二者产物不同的根本原因是二者的遗传物质不同。【素养案例】如图为生物体内葡萄糖分解过程的图解,请回答:(1)可在人体细胞中进行的是__________________(填序号)。

(2)过程①和②中,除了图示的物质外,还产生了______________。

(3)反应②③中均产生CO2,产生场所分别为__________________和__________________。检测CO2,除了用澄清石灰水外,还可用__________________溶液,现象为_______________________________________________________________________________。(4)如果有氧呼吸和无氧呼吸产生等量的CO2,则所消耗的葡萄糖之比为__________________。

【解题导引】(1)抓住关键:有氧呼吸与无氧呼吸第一阶段相同,都是在细胞质基质中完成葡萄糖分解为丙酮酸的过程。(2)识图判断:根据细胞呼吸的反应物与产物判断,图中①②③④分别代表的反应过程:①为有氧呼吸和无氧呼吸的第一阶段,②为有氧呼吸的第二、三阶段,③④为无氧呼吸的第二阶段。【解析】(1)人体细胞的呼吸方式是有氧呼吸和产生乳酸的无氧呼吸,即可以发生图中①②④过程。(2)有氧呼吸过程除了图中显示的物质外,还产生了[H]。(3)②过程中有氧呼吸的第二阶段产生CO2,发生的场所是线粒体基质;③过程产生CO2是无氧呼吸过程,发生的场所是细胞质基质;CO2与溴麝香草酚蓝溶液反应,出现的变化是溶液由蓝变绿再变黄,可以用溴麝香草酚蓝溶液检测细胞呼吸产生的CO2。(4)如果氧气供应不足,酵母菌细胞进行无氧呼吸;如果氧气供应充足,酵母菌细胞进行有氧呼吸。由反应式可知,消耗等量的葡萄糖,有氧呼吸与无氧呼吸产生的CO2量之比是3∶1,则若产生等量的CO2,有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖之比为1∶3。答案:(1)①②④

(2)[H](3)线粒体基质细胞质基质溴麝香草酚蓝由蓝变绿再变黄(4)1∶3【误区警示】不同生物细胞呼吸的场所不同(1)真核生物如动植物细胞,有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体。(2)原核生物如蓝细菌和硝化细菌虽然没有线粒体,但也能进行有氧呼吸,有氧呼吸的场所是细胞质基质和细胞膜。【素养·探究】——母题追问(1)科学思维——分析与综合若用18O标记图中葡萄糖,则图中哪些物质中含有18O?提示:丙酮酸、酒精和二氧化碳(或乳酸)中都含有18O。(2)生命观念——结构与功能观过程③④一般不会发生在同一生物体内,请从酶的角度分析其原因。提示:因为③④是两个完全不同的反应过程,需要不同的酶来催化,这是由酶的专一性所决定的。而在同一生物体内一般不会同时存在催化这两个反应的酶。【素养·迁移】(2019·全国卷Ⅱ)马铃薯块茎储藏不当会出现酸味,这种现象与马铃薯块茎细胞的无氧呼吸有关。下列叙述正确的是(

)A.马铃薯块茎细胞无氧呼吸的产物是乳酸和葡萄糖B.马铃薯块茎细胞无氧呼吸产生的乳酸是由丙酮酸转化而来C.马铃薯块茎细胞无氧呼吸产生丙酮酸的过程不能生成ATPD.马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会增加酸味的产生【解析】选B。马铃薯块茎细胞无氧呼吸的产物只有乳酸,A项错误;马铃薯块茎细胞无氧呼吸的第二阶段由丙酮酸转化成乳酸,B项正确;无氧呼吸产生丙酮酸发生在第一阶段,该过程产生少量ATP,C项错误;氧气浓度升高,抑制无氧呼吸,不会增加酸味的产生,D项错误。【补偿训练】如图表示细胞呼吸作用的过程,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.①和③都具有双层生物膜B.①和②所含酶的种类不同C.②和③都能产生大量ATPD.甲、乙分别代表ATP、[H]【解析】选B。根据题图提供的信息可知,葡萄糖在①中分解为丙酮酸和[H],故①是细胞质基质,丙酮酸与水在线粒体基质中反应,生成CO2和[H],故甲是丙酮酸,乙是[H],②是线粒体基质,[H]被O2氧化生成水,故③是线粒体内膜。细胞质基质和线粒体内膜不是双层膜,A错误;①和②所含酶的种类不同,B正确;线粒体内膜能产生大量ATP,而线粒体基质产生的ATP较少,C错误;甲是丙酮酸,乙是[H],D错误。知识点三影响细胞呼吸的因素及其应用1.温度对细胞呼吸速率的影响:(1)作用机制:通过影响细胞呼吸酶的活性来影响细胞呼吸速率,曲线如下:(2)曲线特征:与温度影响酶活性的曲线特征一致。随温度的升高,呼吸速率先升高,达到一定温度后,随温度的升高,呼吸速率降低。(3)应用: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,降低细胞呼吸速率,减少有机物的消耗。2.O2浓度对细胞呼吸速率的影响:(1)方法秘诀:依据曲线变化趋势和关键点的含义,分析O2浓度对细胞呼吸速率的影响。(2)曲线特征。①O2浓度为0时,只进行无氧呼吸。②O2浓度为0～5%时,随O2浓度增大,无氧呼吸曲线下降,说明无氧呼吸逐渐被抑制,有氧呼吸曲线升高,说明有氧呼吸不断加强。当O2浓度达到5%时,CO2释放总量最少,细胞呼吸曲线达到最低,说明此时细胞呼吸强度最弱。③O2浓度达到10%时,无氧呼吸曲线与横轴相交,说明无氧呼吸停止,此时只进行有氧呼吸。④O2浓度大于10%时,有氧呼吸曲线先增强后基本不变(受呼吸酶数量等因素的影响),且细胞呼吸的曲线与有氧呼吸的曲线重合。(3)应用:适当降低O2浓度,可减少有机物的消耗,延长蔬菜和水果的保鲜时间。【思考·讨论】1.鲜果保鲜时常往包装袋中冲入适量CO2(或氮气),你知道这样做的原理是什么吗?(科学思维)提示:在鲜果包装袋中充入CO2(或氮气)可抑制细胞的有氧呼吸,减少有机物的消耗,有利于鲜果的保鲜。2.农业上有一句关于锄地(中耕松土)的谚语“锄头下面有肥”,请结合所学知识分析该谚语的合理性。(生命观念、社会责任)提示:松土可增加土壤中的氧气浓度,促进农作物的有氧呼吸强度,进而增强矿质元素的吸收。【素养案例】甲、乙、丙三幅图描述的是环境因素与细胞呼吸间的关系,下列叙述错误的是(

)A.图甲中的变量①可表示在一定呼吸强度范围内细胞中的含水量B.图乙中的变量②可表示温度,而温度是通过影响酶的活性来影响呼吸速率的C.图丙中的曲线①代表无氧呼吸,且氧浓度为10%时无氧呼吸停止D.图丙中的曲线②代表有氧呼吸,且呼吸作用强度随氧气浓度增大而不断增强【解题导引】(1)分析曲线变化趋势:图甲曲线随变量①升高而逐渐升高,图乙曲线随变量②升高先升高后下降,图丙曲线①随氧气浓度升高而逐渐下降,曲线②随氧气浓度升高先升高后基本不变。(2)判断细胞呼吸类型:图丙中曲线①表示无氧呼吸,曲线②表示有氧呼吸。【解析】选D。图甲呼吸速率随着变量①的升高而升高,而细胞呼吸强度在一定范围内随细胞含水量的升高而升高,A正确;图乙呼吸速率随着变量②的升高先升高后下降,温度可以影响呼吸酶的活性,即该图可以表示呼吸速