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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2课时 无氧呼吸和细胞呼吸 原理的应用
素养导引
1.生命观念:从物质与能量的视角,阐明无氧呼吸的概念。
2.科学思维:通过对比有氧呼吸与无氧呼吸的异同,提高构建知识体系的能力。
3.社会责任:通过分析细胞呼吸原理在生产、生活中的应用,培养关心科学技术发展、关心社会生活的意识。
一、无氧呼吸
1.场所:细胞质基质。
2.过程:
(1)第一个阶段:与有氧呼吸第一个阶段相同(填“相同”或“不同”)。
(2)第二个阶段:
①物质变化:
②能量变化:少量能量释放,大部分能量储存在酒精或乳酸中。
　[思考]　无氧呼吸第二阶段的产物不同的直接原因是什么
提示:酶不同。
二、细胞呼吸原理的应用
1.对有氧呼吸原理的应用。
(1)提倡慢跑等有氧运动,使细胞进行有氧呼吸,避免肌细胞产生大量乳酸。
(2)稻田定期排水有利于根系有氧呼吸,防止幼根因缺氧变黑、腐烂。
(3)利用淀粉、醋酸菌或谷氨酸棒状杆菌可以生产食醋或味精。
2.对无氧呼吸原理的应用。
(1)利用粮食通过酵母菌发酵可以生产各种酒。
(2)破伤风芽孢杆菌可通过无氧呼吸大量繁殖,包扎伤口应选用透气的敷料,抑制破伤风芽孢杆菌的无氧呼吸;较深的伤口需及时清理、注射破伤风抗毒血清等。
　[思考]　给板结的土壤及时松土的主要目的是什么
提示:促进有氧呼吸的第三个阶段的进行,从而产生大量能量,有利于无机盐的吸收。
　2022年北京冬奥会参加单板滑雪比赛的运动员,在赛后肌肉会有酸痛的感觉,是因为无氧呼吸产生了乳酸。请结合所学知识判断:
1.无氧呼吸的主要场所是细胞质基质。 (×)
分析:无氧呼吸的整个过程都在细胞质基质中进行。
2.无氧呼吸只在第一阶段释放少量能量,产生少量ATP。 (√)
学习任务一:细胞呼吸的原理
1.有氧呼吸与无氧呼吸的比较:
比较 有氧呼吸 无氧呼吸
场所 细胞质基质、线粒体 细胞质基质
是否需O2 需要 不需要
产物 CO2和H2O 酒精和CO2或乳酸
能量转换 有机物中的化学能→ATP中的化学能+热能　 有机物中的化学能→ATP中的化学能+热能+酒精或乳酸中的化学能
相同点 ①第一阶段完全相同②分解有机物,释放能量,生成ATP
　提醒:
①玉米胚、甜菜块根、马铃薯块茎等植物细胞无氧呼吸的产物是乳酸。
②人体细胞无氧呼吸产物是乳酸,因此人体细胞产生二氧化碳只能通过有氧呼吸。
交流讨论:
　(1)叶肉细胞中能生成CO2的场所有哪些
提示:细胞质基质、线粒体基质。
(2)动物细胞中生成ATP的场所有哪些
提示:细胞质基质、线粒体基质、线粒体内膜。
　　　　　　　【拓展归纳】
(1)葡萄糖不能进入线粒体,需要在细胞质基质中分解为丙酮酸和[H]后,丙酮酸才能在线粒体中进一步分解。
(2)真核细胞中哺乳动物成熟的红细胞、蛔虫无线粒体,只能进行无氧呼吸。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。
2.细胞呼吸方式和类型的判断方法:
(1)方法秘诀:写出反应式,找出O2消耗量和CO2释放量之间的数量关系:
①有氧呼吸:C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量
②无氧呼吸产生酒精:C6H12O62C2H5OH+2CO2+少量能量
③无氧呼吸产生乳酸:C6H12O62C3H6O3+少量能量
(2)依据O2消耗量和CO2释放量,具体判断如下:
项目 条件 结论
情况1 O2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2 消耗O2量<释放CO2量 同时进行有氧呼吸和无氧呼吸
情况3 不消耗O2,释放CO2 只进行产生酒精的无氧呼吸
情况4 不消耗O2,不释放CO2 只进行产生乳酸的无氧呼吸或细胞已经死亡
【学习加点料】
　思维易错:试分析无氧呼吸释放能量少的原因。
提示:无氧呼吸过程中,有机物分解不彻底,大量的能量储存在酒精或乳酸中。
　(2022·宁德高一检测)如图是酵母菌细胞呼吸示意图,相关叙述正确的是 (　　)
A.X、Y条件下产生物质a的部位是相同的
B.试剂甲在酸性条件下与酒精反应呈灰绿色
C.条件Y下葡萄糖在线粒体中被分解成CO2和H2O
D.条件X下葡萄糖释放的能量大部分转移到ATP中
[解题思维]
提取关键点 酵母菌细胞呼吸
转化知识点 有氧呼吸和无氧呼吸的条件、产物及产物鉴定
排除障碍点 葡萄糖分解的场所是细胞质基质
【解析】选B。条件X下无氧呼吸产生CO2的场所为细胞质基质,条件Y下有氧呼吸产生CO2的场所为线粒体基质,A错误;试剂甲重铬酸钾溶液在酸性条件下与酒精反应呈灰绿色,B正确;条件Y有氧条件下葡萄糖在细胞质基质中被分解成丙酮酸和[H],丙酮酸进入线粒体与水生成CO2和[H],生成的[H]与O2结合生成H2O,C错误;条件X无氧条件下葡萄糖释放的能量大部分存留在酒精或乳酸中,少部分储存在ATP中,D错误。
　[借题发挥]　给酵母菌提供18O,经过较长一段时间后,图中含有18O的物质有哪些
提示:物质a和物质b。O2参与有氧呼吸第三阶段,生成水,即物质b。水参与有氧呼吸第二阶段,产物为CO2,即物质a,因此经过较长一段时间后,物质a和物质b都含有18O。
1.生物进行无氧呼吸和有氧呼吸都能产生的中间产物是 (　　)
A.乳酸　　　　　 B.二氧化碳
C.酒精 D.丙酮酸
【解析】选D。根据生物细胞有氧呼吸和无氧呼吸的过程可知,两种生理过程的产物中都一定有ATP、丙酮酸,D符合题意。
2.(2022·南充高一检测)人体在剧烈运动时,骨骼肌细胞处于暂时相对缺氧状态,葡萄糖消耗量剧增,但只释放少量能量,这是因为 (　　)
A.大量能量随汗液流失
B.大量能量在葡萄糖中未释放出来
C.大量能量在酒精中未释放出来
D.大量能量在乳酸中未释放出来
【解析】选D。水和无机盐等物质能随汗液流失,能量不能随汗液流失,A错误;据分析可知,大量能量储存在不彻底氧化分解产物乳酸中未释放出来,所以此时葡萄糖氧化分解只释放少量的能量,D正确,B、C错误。
3.(2022·莆田高一检测)酵母菌有氧呼吸时产生CO2的场所与无氧呼吸时产生CO2的场所分别位于 (　　)
A.线粒体与叶绿体 　　　 B.叶绿体与细胞质基质
C.线粒体与细胞质基质 　　　D.核糖体与线粒体
【解析】选C。酵母菌有氧呼吸时产生CO2的场所是线粒体基质,无氧呼吸产生CO2的场所是细胞质基质,C正确。
学习任务二:细胞呼吸的影响因素和应用
1.O2浓度:
(1)原理:直接影响呼吸速率和呼吸性质,O2的存在对无氧呼吸有抑制作用。
(2)曲线:
(3)关键点分析:
A点 只进行无氧呼吸
D点 无氧呼吸消失点
A点到D点 有氧呼吸和无氧呼吸同时进行
D点后 只进行有氧呼吸
E点 细胞呼吸强度最弱,有机物消耗最少
　[思考探究]　水果蔬菜储存时,应在图中哪个点对应的浓度下较适宜
提示:E点对应的浓度。因为此时细胞呼吸强度最弱,有机物消耗最少。
2.温度对细胞呼吸速率的影响模型:
(1)影响机理:通过影响细胞呼吸酶的活性影响细胞呼吸速率。
(2)变化趋势:
①在一定范围内随温度的升高,呼吸速率先升高。
②达到一定温度后,随温度的升高,呼吸速率降低。
　[思考探究]　根据学习过的有关细胞呼吸的知识,谈一谈如何更好地储藏新鲜瓜果和干种子。
提示:新鲜的瓜果需要在低温、低氧、保持一定的湿度条件下储存;种子储藏需要低温、低氧、干燥的条件。
　下图表示O2浓度和温度①对洋葱根尖细胞有氧呼吸速率②的影响,有关叙述错误的是 (　　)
A.O2浓度为0时,细胞进行无氧呼吸
B.O2浓度低于20%时,30 ℃、35 ℃两温度对有氧呼吸速率影响不大
C.由图可知,细胞有氧呼吸的最适温度位于30 ℃和35 ℃之间
D.与b点相比,限制c点有氧呼吸速率的因素有O2浓度和温度
[解题思维]
提取关键点 ①O2浓度和温度②有氧呼吸速率
转化知识点 分析曲线图,最适温度的判断
排除障碍点 图中30 ℃的曲线在其他温度上方,但最适温度不一定是30 ℃
【解析】选C。O2浓度为0时,细胞只能进行无氧呼吸,A正确;O2浓度低于20%时,30 ℃和35 ℃两曲线几乎重合在一起,说明此时两温度对有氧呼吸速率影响不大,B正确;由图可知,细胞有氧呼吸的最适温度在30 ℃左右,不一定在30 ℃和35 ℃之间,C错误;与b点相比,限制c点有氧呼吸速率的因素有O2浓度和温度,D正确。
　[借题发挥]　30 ℃时,洋葱根尖细胞利用O2的具体场所是什么
提示:线粒体内膜。
1.(2022·张掖高一检测)用地窖储存蔬菜水果应用了细胞呼吸原理,下列选项不属于储存蔬菜水果的条件的是 (　　)
A.有一定的湿度
B.温度低但不至于在零下
C.氧气浓度低但不至于无氧
D.干燥
【解析】选D。据分析可知,水果蔬菜保存需要零上低温,避免水果蔬菜细胞中的水结冰,伤害细胞,还需要低氧的环境,但不能无氧,避免无氧呼吸太强产生过多的酒精毒害细胞,同时还需要保持一定湿度的环境,保持细胞的活性。
2.有一种荔枝的储存保鲜技术叫做自发气体储藏法,做法是将荔枝装塑料袋密封后置于1~5 ℃条件下,可使荔枝在30~40天内保持其色、香、味。请根据环境因素对细胞呼吸影响的原理进行分析,下列叙述不正确的是 (　　)
A.该措施可通过抑制细胞呼吸增加有机物的消耗
B.自发气体环境是低O2和高CO2的环境
C.密闭低氧环境使荔枝细胞呼吸强度较低
D.低温条件下酶活性下降,荔枝的细胞呼吸减弱
【解析】选A。自发气体技术是指将荔枝放在密闭空间,自身细胞呼吸产生了二氧化碳,二氧化碳充实了密闭空间,导致荔枝细胞呼吸减弱,达到延长保鲜的目的,所以抑制细胞呼吸,可减少有机物消耗,A错误;自发气体环境,荔枝因细胞呼吸产生二氧化碳,消耗氧气,二氧化碳充实密闭空间,氧气减少,B正确;在密闭空间内,荔枝消耗了氧气,所以荔枝的细胞呼吸强度越来越低,C正确;荔枝装塑料袋密封后,置于1~5 ℃条件下,低温条件下,酶的活性降低,细胞呼吸随之降低,D正确。
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