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第9讲
细胞呼吸的原理和应用
一轮复习
一、细胞呼吸的方式和过程
（一）细胞呼吸的概念与实质
指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。也被称为呼吸作 。其本质为有机物的氧化分解。
注意和“呼吸”的区别：呼吸是指机体与外界坏境之间进行气体交换的过程
支气管
肺
肺泡
细胞呼吸
有氧呼吸
无氧呼吸
根据是否需要氧气
（二）细胞呼吸的类型及过程
1、有氧呼吸
2、无氧呼吸
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,生成许多ATP的过程。
细胞在无氧的条件下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底氧化分解，释放少量能量,生成少量ATP的过程。
(1)场所：
细胞质基质和线粒体
主要在线粒体中
有氧呼吸的场所并非只是线粒体：原核细胞无线粒体，有氧呼吸在细胞质中进行。
无线粒体的真核生物(或细胞)只能进行无氧呼吸，如蛔虫、哺乳动物成熟的红细胞等。
1.有氧呼吸
C6H12O6(葡萄糖)
2C3H4O3丙酮酸
酶
4[H]
能量
热能散失
少量ATP
热能散失
少量ATP
6CO2
能量
6H2O
酶
20[H]
热能散失
大量ATP
12H2O
6O2
酶
能量
细胞质基质
线粒体
(2)过程：
这里的[H]是一种十分简化的表示方式。这一过程实际上是氧化型辅酶I（NAD+）转化成还原型辅酶I（NADH）
葡萄糖的初步分解
C6H12O6
酶
2丙酮酸(C3H4O3)+4[H] + 能量（少量）
场所：细胞质基质
①
丙酮酸彻底分解
酶
6CO2 +20[H] + 能量（少量）
场所：线粒体基质
②
2丙酮酸
[H]的氧化
酶
12H2O + 能量（大量）
场所：线粒体内膜
③
24[H] + 6O2
+ 6H2O
(3)各阶段分子式及总式
①有氧呼吸中氧元素的来源和去路：
②有氧呼吸过程中[H]的来源和去路:
[H]=NADH(还原型辅酶I)
A. [H]的来源:有氧呼吸的第 阶段
B. [H]的去路：在第 阶段中与 结合形成水
一、第二
三
氧气
C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量
酶
有氧呼吸总反应式
(4)能量转化
内膜
外膜
嵴
DNA
基质
核糖体
1mol的葡萄糖
2870KJ
储存于ATP中
以热能形式散失
释放能量
977.28KJ
1892.72KJ
(5)特点：
①有氧呼吸过程温和。
②有氧呼吸进行时有机物中的能量经过一系列的化学反应逐步释放。
③有氧呼吸释放的能量有相当一部分储存在ATP中。
(6) 对生物体的意义
有利于维持细胞的相对稳定。
保证有机物中的能量得到充分的利用。
与有机物在生物体外的燃烧相比
2、无氧呼吸
无氧呼吸第二阶段
大部分植物细胞、酵母菌等
无氧呼吸产 酒精和CO2——细胞质基质
2C3H4O3 + 4[H] 酶 2C2H5OH + 2CO2
总反应式：
酶
C6H12O6 2C2H5OH +2CO2 + 少量能量
注意：（1）无氧呼吸全过程发生于细胞质基质中
（2）无氧呼吸第二阶段不向外释放能量，一般认为该过程不生成ATP
（3）相较于正常细胞，癌细胞葡萄糖消耗量极大（瓦氏效应），无氧呼吸强度极高，产生大量中间产物，为合成DNA和 蛋白质等物质提供原料
C6H12O6 酶 2C3H4O3 + 4[H] + 少量能量
无氧呼吸第一阶段(糖酵解)——细胞质基质
糖异生过程：
乳酸要经血液循环至肝脏
两分子乳酸合成一分子葡萄糖
无氧呼吸第二阶段
大部分动物、马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚等
无氧呼吸产乳酸——细胞质基质
2C3H4O3+ 4[H] 酶 2C3H6O3
总反应式：
酶
C6H12O6 2C3H6O3 + 少量能量
细胞呼吸综合比对
有氧呼吸
氧呼吸
联系 共同的第一阶段(C6H12O6 → 2C3H4O3 + 4[H] + 少量能量) 不 同 之 处 场所 细胞质基质， 线粒体基质、 线粒体内膜
全程： 细胞质基质
条件 O2 、有氧呼吸相关酶(线粒体)
无氧呼吸相关酶
产物 CO2和H2O
酒精 、CO2或乳酸
能量 释放大量能量，形成大量ATP
释放少量能量，形成少量ATP
特点 有机物彻底分解， 能量完全释放
有机物不彻底分解， 能量不完全释放
例：P65为验证酵母菌细胞中线粒体对葡萄糖和丙酮酸的利用情况，现从酵母菌细胞中分离得到的具有活性的线粒体为实验材料进行如下实验(除下表所示不同外，其他条件相同且适宜)。
组别 步骤一 步骤二 步骤三
1 加入线粒体 加入葡萄糖 加入溴麝香草酚蓝溶液，一段时间后观察溶液颜色的变化情况
2 加入线粒体 加入丙酮酸 (1)从酵母菌细胞中分离得到线粒体的常用方法是什么？
(2)请预期两组实验的实验结果，并简述判断理由(实验结果中要写出具体的颜色变化)。
(1)差速离心法。(2)第1组溶液为蓝色，第2组溶液颜色由蓝变绿再变黄。
A. 植物细胞能进行过程①和③或过程①和④
B. 真核细胞的细胞质基质中能进行过程①和②
C. 动物细胞内，过程②比过程①释放的能量多
D. 乳酸菌细胞内，过程①产生[H]， 过程③消耗[H]
例：细胞内糖分解代谢过程如下图， 下列叙述错误的是 ( )
例：p65人体的骨骼肌纤维可分为慢肌纤维和快肌纤维两大类，慢肌纤维含有更高密度的线粒体和肌红蛋白，血液的供应较充足，更能抵抗疲劳；快肌纤维无氧代谢能力强，有较高的糖原储备。下列叙述正确的是(　　)
A．快肌纤维无氧呼吸会产生大量乳酸、CO2以及少量ATP
B．慢肌纤维中产生的ATP主要来自线粒体中葡萄糖的分解
C．慢肌纤维和快肌纤维在细胞代谢过程中都可以产生丙酮酸和[H]
D．与非耐力项目运动员相比，耐力项目运动员骨骼肌中快肌纤维的占比较高
例：p65杏仁中含有的苦杏仁苷是一种氰化物，它能与线粒体内膜中传递电子的蛋白质结合，阻断ATP的生成。苦杏仁苷能抑制(　　)
A．葡萄糖分解为丙酮酸和[H]
B．丙酮酸彻底分解为二氧化碳和[H]
C．[H]和氧气结合生成水
D．有氧呼吸过程中有关酶的合成
拓展：呼吸商(RQ) —— 以糖为底物+无氧呼吸生成酒精
呼吸商是生物体在同一时间内，释放二氧化碳与吸收氧气的体积之比
呼吸商 = 释放二氧化碳体积 = 有氧呼吸释放二氧化碳体积 + 无氧呼吸释放二氧化碳体积
消耗氧气体积 有氧呼吸消耗氧气体积
0 1 4/3 呼吸商
纯有氧 有氧=无氧
∴ 释放 氧化碳体积 – 消耗氧气体积 = 无氧呼吸释放二氧化碳体积 △V的延伸
有氧呼吸与无氧呼吸同时进行
有氧＞无氧
有氧＜无氧
呼吸商(RQ) —— 以糖为底物+无氧呼吸生成乳酸
呼吸商是生物体在同 时间内，释放二氧化碳与吸收氧气的体积之比
呼吸商 = 释放二氧化碳体积 = 有氧呼吸释放二氧化碳体积 + 无氧呼吸释放二氧化碳体积
消耗氧气体积 有氧呼吸消耗氧气体积
∴ 释放 氧化碳体积 – 消耗氧气体积 = 无氧呼吸释放二氧化碳体积 △V的延伸
0 1 呼吸商
无氧呼吸生成乳酸的生物
呼吸商恒等于1
呼吸商(RQ) —— 以脂肪为底物
脂肪相较于糖类，含氧量更小，含氧量更大，等质量的脂肪氧化，其耗氧量及产能大于等质量的糖类 油料种子萌发过程，胚乳中脂肪水解为甘油和脂肪酸，并继续为胚的发育供能
(油料种子萌发初期干重变大的原因)
一个非常不正确但是很好理解的思考角度：脂肪+O2→糖 糖+O2→CO2+H2O
脂肪转化为糖
糖类进行细胞呼吸供能
呼吸商(RQ) —— 以脂肪为底物
当呼吸作用底物为脂肪时，脂肪先转化为糖，继续再完成呼吸作用
有氧呼吸释放二氧化碳体积 + 无氧呼吸释放二氧化碳体积
=
有氧呼吸消耗氧气体积 + 脂类转化为糖消耗的氧气体积
当呼吸商＜ 1时
呼吸作用底物应有脂
释放二氧化碳体积
消耗氧气体积
呼吸商 =
呼吸商
0
1
呼吸商
0
1
以脂肪为底物
以葡萄糖为底物
例：P65呼吸熵(RQ＝放出的CO2量/吸收的O2量)可作为描述细胞呼吸过程中氧气供应状态的一种指标。如图是酵母菌氧化分解葡萄糖过程中氧分压与呼吸熵的关系。下列叙述正确的是(　　)
A．呼吸熵越大，细胞有氧呼吸越强，无氧呼吸越弱
B．B点有氧呼吸的强度大于A点有氧呼吸的强度
C．为延长水果保存的时间，最好将氧分压调至C点
D．C点以后，细胞呼吸强度不随氧分压的变化而变化
例：p66糖酵解时产生大量还原型高能化合物NADH，在有氧条件下，电子由电子载体所组成的电子传递链传递，最终被O2氧化。下图为真核细胞呼吸过程中电子传递链和氧化磷酸化过程。下列说法错误的是(　　)
A．H＋由线粒体基质进入线粒体膜间隙时需要载体蛋白的协助
B．有氧呼吸在线粒体的内膜产生H2O
C．电子传递链对线粒体内膜两侧H＋浓度梯度的形成起抑制作用
D．H＋在跨膜运输进入线粒体基质的过程中部分能量转移到ATP中储存
二、影响细胞呼吸的因素及应用
1.内部因素对细胞呼吸的影响
种类
不同
生长发育
较低
不同
器官
大于
2．温度对细胞呼吸的影响
（2）曲线分析
a点为该酶的最适温度，细胞呼吸速率最快。
温度低于a点时，随温度降低，酶活性下降，细胞呼吸受抑制。
温度高于a点时，随温度升高，酶活性下降，甚至变性失活，细胞呼吸受抑制。
（1）原理：细胞呼吸是一系列酶促反应，温度通过影响酶的活性进而影响细胞呼吸速率。
（3）应用
①保鲜：水果、蔬菜等放入冰箱的冷藏室中，可____保鲜时间。
②提高产量：温室中栽培蔬菜时，夜间适当____温度，可降低细胞呼吸，减少有机物的消耗，提高蔬菜的产量。
降低
延长
3、氧气浓度对细胞呼吸的影响
（1）原理：O2是有氧呼吸所必需的，且O2对无氧呼吸过程有抑制作用，对有氧呼吸过程有促进作用。
（2）曲线分析
A点时，O2浓度为零，细胞进行无氧呼吸。
O2浓度为0～10%时，随O2浓度的升高，无氧呼吸速率减慢；O2浓度为10%时，无氧呼吸停止。
O2浓度在0～20%时，随O2浓度升高，有氧呼吸速率逐渐增强。
随O2浓度的升高，细胞呼吸速率先减慢后加快，最后趋于稳定。
O2浓度为5%左右时，细胞呼吸强度最弱。
(3)应用
选用透气消毒纱布包扎伤口，抑制破伤风杆菌等厌氧细菌的____呼吸。
作物栽培中的中耕松土，保证根的正常细胞呼吸。
提倡慢跑，防止肌细胞无氧呼吸产生____。
稻田定期排水，抑制无氧呼吸产生____，防止酒精中毒，烂根死亡
4、二氧化碳浓度对细胞呼吸的影响
(1)原理
CO2是细胞呼吸的最终产物，积累过多会____(填“促进”或“抑制”)细胞呼吸的进行。
(2)应用
在蔬菜和水果保鲜中，____CO2浓度可抑制细胞呼吸，减少有机物的消耗。
抑制
增加
5、水对细胞呼吸的影响
(1)原理
间接影响：许多生化反应需要在水中才能进行，______含量升高，细胞呼吸加快。
直接影响：水是有氧呼吸的反应物之一。
自由水
(2)应用
抑制细胞呼吸：晒干的种子______含量降低，细胞呼吸减慢，更有利于储存。
促进细胞呼吸：浸泡种子有利于种子的萌发。
自由水
例：p68为研究温度的变化对贮藏器官呼吸作用的影响，研究人员以马铃薯块茎为材料，进行了如下实验：
实验一：将两组相同的马铃薯块茎，分别置于低温(4 ℃)和室温(22 ℃)条件下贮藏10天，发现低温组块茎中淀粉酶含量显著高于室温组。
实验二：将马铃薯块茎从20 ℃移到0 ℃后，再回到20 ℃环境中，测定CO2的释放速率的变化，结果如图所示。
(1)当马铃薯块茎从20 ℃移到0 ℃环境中，CO2的释放速率下降，其原因是什么？
(2)当马铃薯块茎重新移回到20 ℃环境中，与之前20 ℃环境相比，CO2的释放速率明显升高。综合上述实验，如何解释这一现象。
(1)温度降低导致酶的活性下降，呼吸作用产生的CO2减少。
(2)在0 ℃环境中淀粉酶含量增加，催化淀粉水解生成的还原糖增加，为之后20 ℃条件下呼吸作用提供更多的底物，呼吸作用较之前20 ℃时强。
例：p68种子库在适当的低温下保存植物的种子。入库保存前需对种子进行清洗、干燥等处理，然后密封包装存入－18 ℃的冷库。下列有关叙述正确的是(　　)
A．入库前干燥处理主要是除去大量的结合水
B．冷库中－18 ℃的低温会造成种子细胞中呼吸酶变性失活
C．密封包装袋中需要充入充足的氧气，以维持种子的活性
D．建立种子库可以保存濒危生物的种子，保护生物多样性
例p68《齐民要术》中记载了利用荫坑贮存葡萄的方法：“极熟时，全房折取，于屋下作荫坑，坑内近地，凿壁为孔，插枝于孔中，还筑孔使坚，屋子置土覆之，经冬不异也。”目前我国果蔬主产区普遍使用大型封闭式气调冷藏库(充入氮气替换部分空气)，延长了果蔬保鲜时间，增加了农民收益。下列有关叙述错误的是(　　)
A．荫坑和气调冷藏库环境减缓了果蔬中营养成分和风味物质的分解
B．荫坑和气调冷藏库贮存的果蔬，有氧呼吸中不需要氧气参与的第一、二阶段正常进行，第三阶段受到抑制
C．气调冷藏库中的低温可以降低细胞质基质和线粒体中酶的活性
D．气调冷藏库配备的气体过滤装置可及时调整气体的浓度及比例，延长果蔬保鲜时间
例：p69下列有关细胞呼吸原理应用的叙述，错误的是(　　)
A．南方稻区早稻浸种后催芽过程中，常用40 ℃左右温水淋种并时常翻种，可以为种子的呼吸作用提供水分、适宜的温度和氧气
B．农作物种子入库贮藏时，在无氧和低温条件下呼吸速率降低，贮藏寿命显著延长
C．油料作物种子播种时宜浅播，原因是萌发时呼吸作用需要大量氧气
D．柑橘在塑料袋中密封保存，可以减少水分散失，降低呼吸速率，起到保鲜作用
三、细胞呼吸的相关实验
（一）探究酵母菌的细胞呼吸方式
1．实验原理
2.实验设计
搭建实验装置
有氧呼吸：有氧呼吸装置由 组
无氧呼吸：无氧呼吸装置由 组成。
NaOH溶液的作用是 。
e
f
d
c
气泵
g
吸收空气中CO2
g→e→c→d
f→d
3、实验现象
观察项目 有氧装置 无氧装置
澄清石灰水变浑浊程度
溴麝香草酚蓝水溶液颜色变化时间
酸性重铬酸钾检验情况
实验结论：
①酵母菌有氧呼吸，会产生大量CO2；
②酵母菌无氧呼吸，会产生少量CO2和酒精。
浑浊程度高
浑浊程度低
颜色变化时间快
蓝→绿→黄
颜色变化时间慢
蓝→绿→黄
无颜色变化
橙色→灰绿色(酸性)
(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在有氧条件下_______________，在无氧条件下___________________________。
产生酒精，还产生少量的CO2
产生CO2多而快
1．在检测酒精的实验中，要将酵母菌培养时间适当延长，原因是什么？(必修1　P91～92“探究·实践”)
提示：因为葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化。
拓展
2．对比实验中两组都是实验组，两组之间相互对照。教材中对比实验的实例有________(填序号)。(必修1　P92“科学方法”)
①探究酵母菌细胞呼吸的方式　②鲁宾和卡门的同位素标记法实验　③赫尔希和蔡斯采用放射性同位素标记T2噬菌体侵染细菌的实验　④比较过氧化氢在不同条件下的分解实验
①②③
例：P701、在测定细胞呼吸速率的实验中，如果实验材料为绿色植物，实验装置应怎样处理？目的是什么？
2、在测定细胞呼吸速率的实验中，如果实验材料是植物的种子，常对实验装置和种子进行消毒处理，目的是什么？
提示：实验装置应遮光(黑暗)处理。目的是排除光合作用的影响
提示：排除微生物的呼吸作用对实验结果的影响
1．例：P71下列关于探究酵母菌细胞呼吸方式实验的叙述，正确的是(　　)
A．选择酵母菌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，易于判断酵母菌的呼吸方式
C．将进气管、排气管与锥形瓶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浑浊和加入酸性重铬酸钾溶液后样液的颜色变化
（二）“液滴移动法”探究细胞呼吸的方式
下列装置中的着色液滴会如何移动？可以得出什么结论？
煮的种子
注：实验中的种子呼吸作用以葡糖糖为底物，无氧呼吸时只进行酒精发酵。
例:P70下面是探究酵母菌细胞呼吸方式的实验装置。
(1)本实验的自变量是什么？石蜡(油)的作用是什么？空气泵进入乙的空气有什么要求？
(2)实验的因变量是什么？检测的结果是什么？
(3)实验的无关变量有哪些？
例：p71如图是测量种子萌发时锥形瓶中气体体积变化的实验装置。在一次测量种子呼吸强度的实验中，实验开始时U形管左侧与右侧的液面相平，然后每隔半小时利用标尺量出右侧管内的液面高度，以下关于该实验的分析正确的是(　　)
A．为排除物理因素对实验的影响，必须用等量清水代替氢氧化钾溶液作对照
B．此实验的目的是测定种子萌发时有氧呼吸及无氧呼吸的速率
C．一定时间后右侧液面高度不再变化说明种子细胞呼吸完全停止
D．实验所用种子应先进行消毒处理

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