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第五章 细胞的能量供应和利用
细胞呼吸的原理和应用
细胞生命活动所需能量的直接来源是什么?
在ADP转化为ATP过程中所需要的能量来自哪里?
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(cell respiration)。
资料分析
①酵母菌细胞富含蛋白质，可以用作饲料添加剂。在培养酵母菌用作饲料添加剂时，要给培养装置通气或进行振荡，以利于酵母菌大量繁殖。在利用酵母菌生产葡萄酒时，却需要密封发酵。
②面粉的变装秀---馒头制作（学生作品）
可以看见有许多小孔，而且明显比发面前稀了很多。
一、细胞呼吸的方式
思考：
1.培养酵母菌时，为什么有的通气有的需要密封？
2.制作馒头在发面时，产生的气泡是什么气体呢？面团为什么会变稀？
3.利用酵母菌生产葡萄酒时为什么早期没有酒味而后期会有酒味呢？
酵母菌是一种单细胞真菌，在有氧和无氧环境下都能生存，属于异养兼性厌氧菌。以出芽生殖的方式产生后代。
探究·实践:探究酵母菌细胞呼吸方式
提出问题
做出假设
设计实验
实施实验
分析结果
得出结论
表达交流
酵母菌在有氧和无氧的环境下均能呼吸吗?
呼吸产物分别是什么？
酵母菌在有氧和无氧条件下均能进行细胞呼吸，细胞呼吸的产物可能有CO2和酒精。
确定实验目的
自变量是什么？如何控制？
因变量是什么？如何检测？
无关变量是什么？如何控制？
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}变量
处理方法
自变量
因变量
有氧条件
无氧条件
通气
密封
是否产生CO2
用澄清石灰水
溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄
是否产生酒精
酸性重铬酸钾溶液
无关变量
相同且适宜的培养条件（pH、温度、酵母菌的活性、葡萄糖浓度等）
CO2产生量
颜色变化速度
提出问题
做出假设
设计实验
实施实验
分析结果
得出结论
表达交流
探究·实践:探究酵母菌细胞呼吸方式
①配置酵母菌培养液
取20g新鲜的食用酵母菌，分成两等份，分别放入锥形瓶A（500mL）和锥形瓶B（500mL）中，分别向瓶中注入240mL质量、分数为5%的葡萄糖溶液。
②实验过程及现象
接气泵
A
10% NaOH
酵母菌
培养液
澄清
石灰水
B
酵母菌
培养液
澄清
石灰水
NaOH的作用是什么？
B瓶为什么要封口放置一段时间，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶？
设置两个或两个以上的实验组,通过对结果的比较分析,来探究某种因素与实验对象的关系,这样的实验叫作对比实验
提出问题
做出假设
设计实验
实施实验
分析结果
得出结论
表达交流
探究·实践:探究酵母菌细胞呼吸方式
探究·实践:探究酵母菌细胞呼吸方式
提出问题
做出假设
设计实验
实施实验
分析结果
得出结论
表达交流
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}条件
澄清石灰水
溴麝香草酚蓝溶液
重铬酸钾--浓硫酸溶液
有氧
无氧
变混浊／高
变混浊／低
出现灰绿色
不变灰绿色
由蓝变绿再变黄/长
由蓝变绿再变黄/短
①酵母菌在有氧和无氧条件下都进行细胞呼吸。在有氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量CO?；
②在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量CO?。
细胞
呼吸
是否需要氧
有氧呼吸
无氧呼吸
绝大多数生物细胞呼吸的的主要形式都是有氧呼吸
典例1.判断正误
(1)在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中，必须保证酵母菌是新鲜的、有活性的。( )(2)只检测有无CO2产生即可确定酵母菌细胞呼吸的方式。( )(3)根据石灰水变浑浊的程度可以确定CO2产生量的多少。( )(4)酒精在中性或酸性条件下与重铬酸钾溶液反应产生灰绿色。( )
?
?
?
?
典例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浑浊来判断酵母菌细胞呼吸的方式
D
二、有氧呼吸
资料分析
①将酵母菌细胞破碎后进行离心处理，获得上清液(细胞质基质)和沉淀物(线粒体)两部分，与未离心处理过的酵母菌培养液分别放入3支试管中，往3支试管中分别加入等量的氧气、葡萄糖、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管中的变化情况。
葡萄糖的量减少，有CO?生成以及较强荧光出现
葡萄糖的量减少，有丙酮酸生成，微弱荧光出现
葡萄糖的量不
变，没有荧光
(1)该实验自变量、因变量分别是什么?
(2)荧光素和荧光素酶的作用是什么？
(3)结合变量分析实验结果，你能得到什么推论?
思考：
自变量：细胞的不同结构
因变量：细胞的代谢产物
荧光素和荧光素酶的作用是检测ATP合量的多少
推论1:葡萄糖不能在线粒体中分解；
推论2:葡萄糖在细胞质基质中分解，生成丙酮酸和少量ATP；
推论3:丙酮酸在线粒体中分解，生成CO2,并且有大量ATP生成；
推论4:ATP中的能量来自葡萄糖中稳定的化学能，有ATP生成说明反应释放了能量。
资料分析
②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。
(4)根据以上资料分析，细胞质基质为葡萄糖的分解提供了什么物质?
(5)已知葡萄糖在细胞质基质中某种酶的催化下还能生成[H],第一阶段没02的参与，结合信息,尝试写出发生在细胞质基质中的反应式并配平。
提供了酶和小分子物质
资料分析
③使用超声波将线粒体破碎，分离线粒体膜状结构和线粒体基质，加入等量的氧气、丙酮酸、荧光素和荧光素酶,一段时间后，检测各试管中的变化情况。
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}组别
自变量
实验结果
1
只含线粒体膜状结构
丙酮酸的量不变，没有荧光出现
2
只含线粒体基质
丙酮酸减少，产生CO?,微弱荧光出现
3
有线粒体膜状结构和基质
丙酮酸减少，产生CO?,较强荧光出现
推论1:丙酮酸分解发生在线粒体基质中，并且产生CO?,释放少量能量；
推论2:线粒体基质分解丙酮酸后，在线粒体膜状结构上继续发生反应合成较多的ATP。
(6)丙酮酸是在线粒体的什么部位分解的?你从实验结果能得到什么推论?
在线粒体基质中丙酮酸被分解。
(7)请结合相关信息,尝试写出氧呼吸第二阶段的反应式并配平。
资料分析
④超声波震碎了线粒体之后，内膜自然卷成了颗粒朝外的小囊泡。这些小囊泡具有氧化[H]的功能。当用胰蛋白酶处理囊泡外的颗粒后，这些小囊泡不再具有氧化[H]的功能。当把这些小颗粒装上去之后，小囊泡重新具有了氧化[H]的功能。这些小颗粒后被证实是一系列线粒体内膜上的酶。
(8)通过以上资料可以确定在线粒体内膜上发生了怎样的反应?
在线体内膜上发生了[H]的氧化，即[H]和氧气发生反应。
⑤有氧呼吸第一二阶段只能产生大量[H]和少量ATP。其余大部分ATP则是伴随O?对[H]的氧化生成的。
⑥线粒体内膜两侧有H+浓度差，可以借助其膜内外的H+浓度差合成ATP。
(9)请结合相关信息,尝试写出氧呼吸第三阶段的反应式并配平。
场所：线粒体内膜
C6H12O6 （葡萄糖）
2C3H4O3 （丙酮酸）
+ 4[H]
+ (少量)能量
酶
+ 6H2O
酶
6CO2
+ 20[H]
+ （少量）能量

24[H]
+ 6O2
12H2O
+ （大量)能量
酶
场所：细胞质基质
场所：线粒体基质
（1）葡萄糖的初步分解
（2）丙酮酸的彻底分解
2C3H4O3 （丙酮酸）
（3）[H]（还原性辅酶Ⅰ：NADH）的氧化
总反应式：
C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量
酶
二、有氧呼吸
1.概念
细胞在氧气的参与下，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，同时释放能量，生成大量ATP的过程，叫做有氧呼吸。
2.实质
细胞内的有机物彻底氧化分解，释放能量
3.有氧呼吸能量利用特点
1mol葡萄糖彻底氧化分解，释放能量2870kJ。其977.28kJ储存在ATP分子中，其余能量则以热能形式散失掉了。
a.转化效率=977.28÷2870=34%
b.产生ATPmol数=977.28÷30.54=32mol
与燃烧迅速释放能量相比，有氧呼吸特点：
①有氧呼吸过程温和，常温常压，多种酶的催化；
②有机物中的能量逐级释放，保证有机物中的能量得到充分利用；
③释放的能量大部分以热能的形式散失，小部分储存在ATP中。
有氧呼吸逐级释放能量，这对于生物体来说具有什么意义?
可使有机物中的能量逐步转移到ATP中；能量缓慢有序地释放，有利于维持细胞的相对稳定状态。
典例3.判断正误
(1)生成物H2O中的O全部来自于O2，H全部来自于葡萄糖。( )(2)生成物CO2中的O来自于葡萄糖和水。( )(3)水既可以作为反应物又可作为生成物。( )(4)CO2在线粒体基质中产生，O2在线粒体内膜中产生。( )
(5)线粒体中可发生 ( )
(6)第三阶段中生成的能量大部分用于合成ATP。( )
?
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典例4．如图表示的是有氧呼吸过程，A～F表示物质，①②③表示过程，下列有关叙述不正确的是(　　)A．可表示水的是E和F
B．表示O2和CO2的分别是D和B
C．①②③过程都是在细胞内的线粒体中完成的
D．①②③过程中，产生能量最多的过程是③
C
典例5．在细胞有氧呼吸过程中，2，4-二硝基苯酚(DNP)仅抑制ATP合成，但不影响细胞内的其他物质反应。对实验大鼠使用DNP，下列叙述正确的是(　　)
A．DNP不会影响有氧呼吸的第一阶段
B．DNP主要在线粒体基质中发挥作用
C．DNP会抑制血糖进入大鼠红细胞
D．DNP作用于肌细胞时，线粒体内膜上散失的热能将增加
D

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