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第5章 细胞的能量供应和利用
第3节 细胞呼吸的原理和应用
第1课时 探究酵母菌细胞呼吸的方式和有氧呼吸　
素养导引
1.生命观念:运用物质与能量观,说出细胞呼吸过程中物质和能量的变化。
2.科学思维:构建有氧呼吸过程中物质变化的曲线模型。
3.科学探究:分析教材中探究酵母菌细胞呼吸方式的两个装置图,明确两者的区别。
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
1.实验原理:
酵母菌在有氧和无氧条件下都能生存,属于兼性厌氧菌。
2.实验步骤:
(1)配制酵母菌培养液:酵母菌+质量分数为5%的葡萄糖溶液。
(2)检测 CO2 的产生:
①方法:澄清石灰水或溴麝香草酚蓝溶液。
②装置如图所示:
(3)检测酒精的产生:从A、B锥形瓶各取2 mL酵母菌培养液的滤液,分别注入编号为1、2的两支试管中→分别滴加0.5 mL 溶有0.1 g重铬酸钾的浓硫酸溶液→振荡并观察溶液的颜色变化。
3.实验现象:
(1)甲、乙两装置中的石灰水都变混浊,但甲装置混浊程度高。
(2)2号试管中溶液变成灰绿色,1号试管不变色。
4.实验结论:
(1)酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。
(2)细胞呼吸产物:
①有氧条件:产生大量CO2。
②无氧条件:产生酒精和少量CO2。
　　　　　　　[思考]　A装置中用气泵间歇性地通入空气的目的是什么
提示:保证酵母菌有充足的氧气,以进行有氧呼吸。
二、有氧呼吸
1.概念:
条件 氧气参与,酶催化
底物 葡萄糖等有机物
产物 二氧化碳和水
能量 释放能量,生成大量ATP
2.主要场所——线粒体:
(1)结构。
①为线粒体外膜。
②为嵴:由内膜向内折叠形成,使内膜的面积大大增加。
③为线粒体基质。
(2)特点。
内膜和基质中含有许多种与有氧呼吸有关的酶。
3.总反应式:
C6H12O6+6H2O+6O26CO2+12H2O+能量。
4.过程:
　[思考]　有氧呼吸反应式中的能量能写成ATP吗
提示:不能,因为葡萄糖中的能量只有一部分储存在ATP中,大部分以热能形式释放。
　有氧运动如慢跑、游泳等被学者称为保护大脑的清道夫,请结合所学知识判断:
1.有氧呼吸的场所是线粒体。 (×)
分析:线粒体是有氧呼吸的主要场所。
2.有氧呼吸过程中,氧气参与了第三阶段的反应,其场所为线粒体内膜。 (√)
3.有氧运动能保证大脑有足量的氧气供应。 (√)
学习任务一:探究酵母菌细胞呼吸的方式
1.实验设计的自变量和因变量:
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
变量控制 ①通入空气,保证O2充足②将空气先通入NaOH溶液中,以除去CO2 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,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.对照实验和对比实验:
实验类型 比较项目
对照组 实验组 实验结论 举例
对照实验 有 有 一般是一个 探究淀粉酶的专一性
对比实验 无 有 出现多个结论 探究酵母菌细胞的呼吸方式
　　　　　　　【误区警示】
　①对比实验一定是对照实验,因为它符合单一变量原则。
②对照实验不一定是对比实验,因为它还可能是对照组与单个实验组之间的对照。
③对比实验指设置两个或两个以上的实验组,通过对结果的比较分析,来探究各种因素与实验对象的关系,所以对比实验中为实验组。
　如图所示为“探究酵母菌的呼吸方式”的实验装置,有关叙述正确的是 (　　)
A.可根据澄清的石灰水变混浊的时间长短,来检测CO2的产生速率
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.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
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
[解题思维]
提取关键点 探究酵母菌的呼吸方式
转化知识点 CO2的检测,酒精的检测
排除障碍点 该实验为对比实验,没有专门对照组,而是相互对照
【解析】选A。酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产生二氧化碳的量不同,可根据澄清的石灰水变混浊的时间长短,来检测CO2的产生速率,A正确;橙色的重铬酸钾溶液,在酸性条件下与酒精发生反应,变成灰绿色。D瓶可进行无氧呼吸产生酒精,而B瓶进行有氧呼吸,不产生酒精,B错误;该实验需设置有氧和无氧两种条件的对比实验,甲组和乙组均为实验组,C错误;酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都能产生二氧化碳,但产生的量不等,可以根据溶液混浊程度判断酵母菌的呼吸方式,D错误。
　　 [借题发挥]　由于葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化,为了防止对实验结果造成干扰,应如何操作
提示:将酵母菌的培养时间适当延长,以耗尽溶液中的葡萄糖。
　(2022·天津高一检测)下列关于酵母菌的叙述,错误的是 (　　)
A.在有氧条件下,酵母菌进行有氧呼吸
B.在无氧条件下,酵母菌进行无氧呼吸
C.酵母菌进行有氧呼吸的产物只有二氧化碳
D.酵母菌进行无氧呼吸的产物有酒精和二氧化碳
【解析】选C。酵母菌是兼性厌氧微生物,在有氧条件下进行有氧呼吸,在无氧条件下进行无氧呼吸,A、B正确;酵母菌进行有氧呼吸的产物是二氧化碳和水,C错误;酵母菌进行无氧呼吸的产物有酒精和二氧化碳,并释放少量能量,D正确。
　　　　【补偿训练】
　　(2022·张家界高一检测)下列有关试剂使用不正确的是 (　　)
A.用溴麝香草酚蓝溶液鉴定CO2　　　
B.用斐林试剂鉴定可溶性还原糖
C.用NaOH溶液除去空气中O2
D.用橙色的重铬酸钾溶液鉴定酒精
【解析】选C。用溴麝香草酚蓝溶液可鉴定CO2,溶液由蓝变绿再变黄,A正确;用斐林试剂在水浴加热的条件下可鉴定可溶性还原糖,出现砖红色沉淀,B正确;用NaOH溶液除去空气中CO2,C错误;用橙色的重铬酸钾溶液可鉴定酒精,出现灰绿色,D正确。
学习任务二:有氧呼吸
1.有氧呼吸的过程:
阶段 场所 物质变化 放能多少
第一个阶段 细胞质基质 葡萄糖分解为[H]和丙酮酸 少量
第二个阶段 线粒体基质 丙酮酸和水反应生成CO2和[H] 少量
第三个阶段 线粒体内膜 [H]和O2反应生成H2O 大量
　[思考探究]　请写出有氧呼吸方程式,并结合有氧呼吸过程标出氧元素反应后的去向。
提示:
2.有氧呼吸中[H]和ATP的来源和去向:
比较 来源 去向
[H] C6H12O6和H2O 与O2结合生成H2O
ATP 三个阶段都产生 用于各项生命活动
①ATP是有氧呼吸三个阶段的共同产物,第三阶段生成的ATP最多。
②[H]是有氧呼吸第一和第二阶段的产物,第二阶段生成的[H]多。
　[思考探究]　真核生物细胞中生成[H]的场所有哪些
提示:细胞质基质、线粒体基质。
【学习加点料】
　思维易错:没有线粒体的细胞,一定不能进行有氧呼吸吗 为什么
提示:不一定。真核细胞若没有线粒体,因为缺乏相应的酶,只能进行无氧呼吸。原核细胞如蓝细菌,因含有与有氧呼吸有关的酶,没有线粒体也能进行有氧呼吸。
　如图所示为某植物细胞内部分物质的代谢过程,下列相关叙述正确的是 (　　)
A.甲、乙两阶段产生[H]的场所都是线粒体
B.a、b两物质依次是H2O和O2
C.丙阶段产生的水中的氢最终都来自葡萄糖
D.若葡萄糖进入线粒体,可在酶的作用下,生成CO2和H2O
[解题思维]
提取关键点 部分物质的代谢过程
转化知识点 有氧呼吸的每个阶段的场所、产物、反应物
排除障碍点 水中的氢来自葡萄糖和第二阶段反应物中的水
【解析】选B。甲、乙两阶段产生[H]的场所分别是细胞质基质、线粒体基质,A错误;a、b两物质依次是H2O和O2,B正确;丙阶段产生的水中的氢最终来自葡萄糖和水,C错误;葡萄糖在细胞质基质中被分解为丙酮酸,所以葡萄糖不能直接进入线粒体,D错误。
　[借题发挥]　题图中哪几个阶段产生的ATP可为主动运输提供能量
提示:甲、乙、丙3个阶段。
　线粒体是有氧呼吸的主要场所。下列关于线粒体结构和功能的叙述,正确的是 (　　)
A.有氧呼吸酶主要分布在线粒体的外膜、内膜和基质中
B.线粒体可在有氧条件下将葡萄糖氧化分解为CO2和水
C.线粒体内膜向内折叠形成嵴可显著增大膜面积
D.能进行有氧呼吸的细胞都含有线粒体
【解析】选C。有氧呼吸有关的酶主要分布在线粒体基质、线粒体内膜,A错误;葡萄糖初步分解在细胞质基质中,丙酮酸在线粒体中彻底分解为二氧化碳和水,B错误;线粒体内膜向内折叠形成嵴可显著增大膜面积,C正确;某些原核细胞虽然没有线粒体,但是有与有氧呼吸有关的酶,进行有氧呼吸,如硝化细菌、蓝细菌等,D错误。
　　　线粒体是细胞中的“动力工厂”。线粒体的位置在细胞内是高度动态变化的,其数量也会随着细胞代谢状态的改变而发生改变,研究发现,同一细胞的不同部位,线粒体的数量都不尽相同。人体小肠黏膜上皮细胞中,相比其他部位,肠腔侧和基底侧(靠近毛细血管)均含有较多的线粒体。
请分析回答下列问题。
(1)线粒体是有氧呼吸的主要场所,该过程中产生 CO2 的具体场所是__________。有氧呼吸的发生需要多种酶的参与,线粒体通过_____________的方式增大了内膜表面积,从而增加了相应酶的附着位点。
(2)肠腔侧和基底侧(靠近毛细血管)均含有较多的线粒体,请推测其生理学意义可能是__________________________________________。
【解析】(1)线粒体有氧呼吸产生CO2是第二个阶段,该阶段发生反应的场所是线粒体基质。线粒体有两层膜,内膜向内折叠形成嵴,扩大了内膜面积,从而增加了相应酶的附着位点。
(2)人体小肠黏膜上皮细胞主要吸收营养物质,有些物质进入细胞属于主动运输,需要消耗能量,所以线粒体可以为小肠黏膜吸收营养物质提供能量。
答案:(1)线粒体基质　内膜向线粒体内腔折叠形成嵴
(2)为小肠黏膜吸收营养物质提供能量
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力　↓信息转化 ①线粒体是有氧呼吸的主要场所
②线粒体的位置和数量是高度动态变化的
学科素养 培养生命观念中的结构与功能观、科学思维中的分析与比较等素养
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