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(共61张PPT)
5.3 细胞呼吸的原理和应用
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，却要密封发酵。
问题探讨
发酵生产葡萄酒的车间
1.都是培养酵母菌，为什么有的需要通气，有的却需要密封？
通气可以给酵母菌提供呼吸需要的氧气，利于酵母菌进行旺盛的细胞分裂；密封则是避免空气进入，便于酵母菌在无氧条件下分解有机物产生酒精。
问题探讨
一种单细胞的真菌(真核生物)，在有氧和无氧条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。
酵母菌：
生长周期短，增殖速度快，可以用酵母菌作为实验材料研究。
探究酵母菌细胞呼吸的方式
实验
提出问题
酵母菌在有氧和无氧的环境下均能进行呼吸作用吗？呼吸作用的产物分别是什么？
作出假设
无氧
酒精、CO2
有氧
CO2
请据此提出一个有关酵母菌呼吸方式和呼吸产物的假设。
根据上述探讨你能提出什么问题？
设计实验
实验思路：
分析变量
自变量:
因变量:
无关变量:
细胞呼吸的条件
细胞呼吸的产物
有氧
无氧
影响实验结果的可变因素(温度、葡萄糖溶液浓度、酵母菌活性等)
——酒精、CO2
分别给酵母菌提供有氧和无氧的条件，一段时间后检测其产物是否含酒精或二氧化碳。
1.配制酵母菌培养液(等量原则)。
进行实验
酵母菌是异养兼性厌氧型生物，培养时必须提供有机物。
配制酵母菌培养液时，必须先将煮沸的葡萄糖溶液冷却至常温，才可加入酵母菌，为什么？
煮沸葡萄糖溶液为了防止杂菌污染；放至室温，防止高温杀死酵母菌；
①将装置连通橡皮球，让空气间歇性的依次通过3个锥形瓶，既保证了____的充分供应，又使进入A瓶的空气先经过____________锥形瓶，洗除空气中的_______，保证第三个锥形瓶中的澄清石灰水变混浊是由于_____________________所致。
O2
NaOH溶液
CO2
有氧呼吸产生的CO2
2.组装有氧呼吸和无氧呼吸装置图，放置在25-35℃，环境下培养8-10小时。
进行实验
②B瓶应封口放置一段时间后，待酵母菌将B瓶中的_____消耗完，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，确保是_____________________通入澄清的石灰水。
2.组装有氧呼吸和无氧呼吸装置图，放置在25-35℃，环境下培养8-10小时。
O2
无氧呼吸产生的CO2
进行实验
3.检测CO2的产生
进行实验
①CO2使澄清石灰水变浑浊；
②CO2使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝→绿→黄。
实验进行8-10小时后
A装置 B装置
4.检测酒精的产生
①取2支洁净的试管，编号；
②各取A、B锥形瓶酵母菌培养液的滤液2毫升注入试管；
③分别滴加0.5ml重酪酸钾的浓硫酸溶液，轻轻震荡、混匀。
0.5mL重铬酸钾的浓硫酸溶液
A组
B组
进行实验
A组
B组
预期现象：
橙色的重酪酸钾溶液在酸性下与酒精发生反应，变成灰绿色。
条件 澄清石灰水/出现的时间 重铬酸钾-浓硫酸溶液
有氧
无氧
变混浊／快
无变化
变混浊／慢
出现灰绿色
酵母菌在有氧和无氧条件下均能进行细胞呼吸，均能产生CO2。
在有氧的条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量的CO2 。
在无氧的条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量的CO2 。
实验结果
实验结论
设置两个或两个以上的实验组，通过对结果的比较分析，来探究某种因素对实验对象的影响，这样的实验叫做对比实验，也叫做相互对照实验。
对比实验
1.有同学认为，在有氧呼吸实验装置中10%的NaOH溶液不能完全吸收CO2 ，以致可能对实验结果有干扰，你同意吗？你如何避免这种可能性的发生，以保证实验更严谨？
交流讨论
2.在实验中，有同学发现和有氧装置相连的澄清石灰水在出现浑浊后又慢慢变澄清了。因此，他觉得该实验现象不能说明酵母菌通过有氧呼吸产生了CO2。你如何看待这个问题？
先浑浊
后澄清
交流讨论
3.有同学认为，实验装置中酒精和CO2的产生是葡萄糖水溶液的纯化学反应，与酵母菌无关，你如何驳斥这种错误观点？
葡萄糖水溶液
葡萄糖水溶液
交流讨论
细胞呼吸的方式
呼吸作用
有氧呼吸
无氧呼吸
线粒体的结构特点
双层膜结构
外膜
内膜
基质：液态的。
——嵴：内膜向内折叠成；增大了内膜的面积。
将酵母菌细胞破碎后进行离心处理，获得上清液②和沉淀物①两部分，与未离心③且处理过的酵母菌培养液分别加入等量的葡萄糖、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管的变化情况。
实验一
线粒体
细胞质基质
线粒体和细胞质基质
等量的葡萄糖、荧光素和荧光素酶
等量的葡萄糖、荧光素和荧光素酶
等量的葡萄糖、荧光素和荧光素酶
实验现象：
葡萄糖的量不变没有荧光
葡萄糖的量减少有丙酮酸生成
微弱荧光出现
葡萄糖的量减少有CO2生成
较强荧光出现
①
②
③
第一阶段：
C6H12O6
酶
2C3H4O3
+ 4[H]
+ 少量能量
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，加入等量的丙酮酸、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管的变化情况。
实验二
线粒体膜状结构
线粒体基质
线粒体
等量的丙酮酸、荧光素和荧光素酶
等量的丙酮酸、荧光素和荧光素酶
等量的丙酮酸、荧光素和荧光素酶
实验现象：
丙酮酸的量不变没有荧光
丙酮酸的量减少有CO2生成
微弱荧光出现
丙酮酸的量减少有CO2生成
较强荧光出现
④
⑤
⑥
第二阶段：
酶
2C3H4O3
20[H]
+ 少量能量
+ 6H2O
+ 6CO2
超声波震碎线粒体之后，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。这些小颗粒被证实是一系列线粒体内膜上的酶。
通过以上事实可以确定在线粒体内膜上发生什么样的反应？
线粒体内膜上的氧气与[H]发生了反应。
实验三
第三阶段：
酶
24[H]
12H2O
+ 大量能量
+ 6O2
呼吸链
有氧呼吸的过程
项目 阶段 场所 反应物 生成物 释放能量
第一阶段
第二阶段
第三阶段
细胞质基质
线粒体基质
线粒体内膜
丙酮酸、
H2O
葡萄糖
[H] 、O2
丙酮酸、
[H]
CO2、[H]
H2O
少量能量
少量能量
大量能量
定义：
细胞在____的参与下，通过多种____的催化作用，把_______等有机物______氧化分解，产生____________和____，释放______，生成大量_____的过程。
有氧呼吸
总反应式：
C6H12O6+6H2O+6O2
酶
6CO2+12H2O + 能量
氧
酶
葡萄糖
彻底
二氧化碳
水
能量
ATP
1.在细胞内，1 mol葡萄糖在彻底氧化分解可以释放约2870 kJ的能量，可使977.28 kJ左右的能量储存在ATP中，其余的能量主要以热能的形式散失掉。请你计算一下，有氧呼吸的能量转化率大约是多少，这些能量大约能使多少ADP转化为ATP？
思考·讨论
有氧呼吸的能量利用特点
有氧呼吸的能量转化效率大约为34%。
1 mol葡萄糖彻底氧化分解能够使32 mol ADP转化为ATP。
2.与燃烧迅速释放能量相比，有氧呼吸是逐级释放能量的，这对于生物来说有什么意义？
有氧呼吸的能量利用特点
使有机物中的能量逐步地转移到ATP中；
能量缓慢有序地释放，有利于维持细胞的相对稳定。
思考·讨论
剧烈运动后，第二天早上为什么会感觉肌肉酸痛？
高等植物在水淹的情况下为什么会烂根？
酵母菌为什么可以用来酿酒？
无氧呼吸
无氧呼吸的过程
1葡 萄 糖
乙醇
脱氢酶
乳酸
脱氢酶
酶
细胞质基质
能量
2ATP
热能散失
酶
2丙 酮 酸
2酒精 + 2CO2
2乳酸
4[H]
总反应式：
细胞在______条件下，通过多种____的催化作用，把_______等有机物________氧化分解，产生__________和______，或______，释放______，生成少量_____的过程。
C6H12O6
2C2H5OH(酒精)+ 2CO2 + 少量能量
酶
C6H12O6
2C3H6O3(乳酸) + 少量能量
酶
无氧呼吸
定义：
无氧
酶
葡萄糖
不彻底
二氧化碳
酒精
能量
ATP
乳酸
类 型 比较项目 有氧呼吸 无氧呼吸
区别 场所
条件
产物
能量(KJ/mol)
联系 细胞质基质、线粒体
细胞质基质
需O2、酶
不需O2 ，需酶
二氧化碳和水
二氧化碳和酒精或乳酸
有氧呼吸与无氧呼吸的比较
2870
977.28
ATP
(32mol)
热能
61.08
196.65
ATP
(2mol)
热能
①第一阶段(糖酵解)相同
②实质相同：都分解有机物、释放能量
+
+
少量能量
少量能量
_____能量
场所：
C6H12O6
2 C3H4O3
4 [H]
6 H2O
6 CO2
2 C3H6O3
2 C2H5OH + 2 CO2
20 [H]
12 H2O
6 O2
大量
细胞质基质
线粒体基质
线粒体内膜
细胞呼吸
细胞呼吸是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，释放出能量并产生ATP的过程。
细胞呼吸
呼吸作用的意义
葡萄糖
丙酮酸
CO2，H2O
热能(散失)
ATP中的化学能
肌肉收缩
生物电、神经传导
光能、热能
物质合成所需的能量
主动运输所需的能量
胞吞、胞吐所需的能量
细胞呼吸
ATP的利用
CO2，酒精或乳酸
1.呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。
2.呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。
细胞呼吸原理的应用
1.利用酵母菌进行杨梅酒发酵前，要向装置内通入无菌空气的原因是什么？
采用通气培养，促进酵母菌有氧呼吸，产生更多ATP，利于酵母菌大量繁殖。
杨梅是浙江省的特色水果之一，为对其进行深加工，某厂进行了杨梅酒和杨梅醋的研制，其发酵装置如右图所示。请讨论以下问题：
2.利用酵母菌进行杨梅酒发酵过程中，应如何控制通气，请说明你的理由？
密闭发酵，使酵母菌在无氧条件下，进行无氧呼吸产生酒精。
细胞呼吸原理的应用
杨梅是浙江省的特色水果之一，为对其进行深加工，某厂进行了杨梅酒和杨梅醋的研制，其发酵装置如右图所示。请讨论以下问题：
杨梅是浙江省的特色水果之一，为对其进行深加工，某厂进行了杨梅酒和杨梅醋的研制，其发酵装置如右图所示。请讨论以下问题：
3.利用醋酸菌进行杨梅醋发酵过程中，应如何控制通气，请说明你的理由？
持续通气，醋酸菌是好氧型生物，需要在氧气充足的条件下，进行代谢，产生醋酸。
细胞呼吸原理的应用
发酵：通过微生物的培养来大量生产各种代谢产物的过程。
无氧发酵：酒精发酵、乳酸发酵
有氧发酵：醋酸发酵、谷氨酸发酵
细胞呼吸原理的应用
酵母菌
好氧型(有氧环境)：
厌氧型(无氧环境)：
绝大多数生物
乳酸菌、蛔虫
兼性厌氧型：
无线粒体，进行无氧呼吸的真核细胞：
哺乳动物成熟红细胞、成熟的筛管细胞
醋酸杆菌、谷氨酸杆菌、硝化细菌、根瘤菌(豆科共生)、蓝细菌
异化作用类型
1.所有真核生物都能进行有氧呼吸( )。
2.能进行有氧呼吸的细胞都有线粒体( )。
判断正误
×
×
蛔虫等体内寄生虫
无线粒体
蓝细菌、醋酸菌、谷氨酸杆菌、硝化细菌
有氧呼吸第一、二阶段发生于细胞质基质，第三阶段发生于细胞膜内侧。
在医学上：
氧气驱蛔：蛔虫是厌氧性；
包扎伤口时，用透气的纱布：抑制厌氧型病原体的繁殖；
破伤风——注射破伤风抗毒血清。
细胞呼吸原理的应用
有氧运动 vs 无氧运动
避免肌细胞产生大量乳酸；
充分利用有机物。
酶
C6H12O6 +6H2O+6O2
12H2O+6CO2+2870KJ
977.28KJ
32ATP
C6H12O6
2C3H6O3 +196.65KJ
61.08KJ
酶
2ATP
有助于消耗有机物。
无氧呼吸的生理意义：增强生物适应短时无氧条件的能力。
在农业生产上：
中耕松土，促进根系的__________，有利于根系的生长及对__________的吸收。
稻田需定期排水，原因是幼根因______而进行__________，产生______，导致变黑、腐烂。
有氧呼吸
矿质离子
缺氧
无氧呼吸
酒精
细胞呼吸原理的应用
气体交换的相对值
1
0.5
氧气浓度%
R
5
0
10
15
20
25
Q
P
CO2释放量
O2吸收量
1.在保存蔬菜、水果时，应选择______对应的O2浓度，原因_________________，同时宜保持_________________ 。
2.贮藏作物种子时，将种子_______，以减弱细胞呼吸，__________________。
Q点
此时细胞呼吸最弱
低湿和零上低温
晒干
减少有机物的消耗
细胞呼吸原理的应用
下图都表示某植物的非绿色器官(富含丰富的淀粉)CO2释放量和O2吸收量的变化。分析回答以下问题：
欲确认某生物的呼吸类型，应设置两套呼吸装置，如图所示(以发芽种子为例)。
探究植物细胞呼吸的方式
1.实验装置及原理
(1)装置一中NaOH溶液的作用是吸收掉呼吸所产生的______，红色液滴移动的距离代表植物细胞呼吸吸收的_____量。装置二中红色液滴移动的距离代表植物细胞呼吸吸收的_____量与产生的_______量的差值。
CO2
O2
O2
CO2
2.实验结果预测和结论
实验现象 结论
装置一液滴 装置二液滴 ________ ________ 种子已死亡(或只进行产生乳酸的无氧呼吸)
_________ ________ 只进行产生酒精的无氧呼吸
左移 右移 进行______________________________
左移 不动 只进行____________(或进行____________和产生________的无氧呼吸)
不动
不动
不动
右移
有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸
乳酸
有氧呼吸
有氧呼吸
影响呼吸作用的因素
1.外部因素——O2浓度
5
O2(%)
1.0
0.5
P
R
10
15
20
D
Q
T
O
CO2释放量
①O2浓度低时，无氧呼吸占优势。在一定范围内，随O2浓度的增大，有氧呼吸增强，达到一定浓度以后，由于受温度等外部因素和酶等内部因素的限制，呼吸作用强度不再增大。
②O2的存在抑制了无氧呼吸的进行。
B
影响呼吸作用的因素
2.外部因素——温度
温度
呼吸速率
：主要是影响酶活性。
应用：蔬菜和水果储存应降温；大棚栽培植物增加昼夜温差。
①最适温度时，细胞呼吸最强。
②超过最适温度时，呼吸酶活性降低，甚至变性失活，细胞呼吸受抑制。
③低于最适温度时，呼吸酶活性下降，细胞呼吸受抑制。
影响呼吸作用的因素
3.外部因素——CO2浓度
5
CO2(%)
1.0
0.5
10
15
20
O
呼吸速率
应用：
北方地窖，蔬菜保鲜，保鲜袋中自体保鲜； 在蔬菜、水果保鲜中，增加CO2浓度(或充入N2)可抑制细胞呼吸，减少有机物的消耗。
影响呼吸作用的因素
4.外部因素——水
细胞含水量
呼吸速率
应用：
种子储存应晒干，降低呼吸作用；作物栽培中，合理灌溉。
在一定范围内，细胞呼吸速率随含水量的增加而加快，随含水量的减少而减慢。当含水量过多时，呼吸速率减慢，甚至死亡。
内因
遗传因素
外因
环境因素
阳生植物＞阴生植物：不同植物呼吸速率不同
幼苗期＞成熟期：同一植物不同发育时期不同
生殖器官＞营养器官：同一植物不同器官呼吸速率不同
是否有线粒体；酶的种类、数量、活性。
如：蛔虫、乳酸菌只有与无氧呼吸有关的酶
影响呼吸作用的因素
细胞呼吸相关应用
一、根据实验结果判断呼吸类型
(1)实验装置
一、根据实验结果判断呼吸类型
(2)实验结果预测和结论
实验现象 结　论
装置一液滴 装置二液滴 只进行产乳酸的无氧呼吸或种子已死亡
只进行产生酒精的无氧呼吸
左移 右移 进行
只进行有氧呼吸或进行有氧呼吸和产乳酸的无氧呼吸
有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸
不动
不动
不动
不动
右移
左移
装置三
煮沸的种子
一、根据实验结果判断呼吸类型
二、测定组织细胞的呼吸速率
细胞呼吸速率
通常用___________速率或_______速率来表示
CO2的产生
O2消耗
常用测定装置
二、测定组织细胞的呼吸速率
测定原理
细胞有氧呼吸既产生CO2，又消耗O2，为测定其真实的呼吸情况，应只对其中一种气体的变化进行测定。为此，通常向装置内添加______溶液或_______溶液吸收释放的CO2
NaOH
KOH
测定指标
CO2被吸收后，装置内气体总量减少，压强减小，刻度管内的小液滴向左移动。所以，可用单位时间内小液滴左移的距离代表细胞有氧呼吸消耗____的速率
O2
二、测定组织细胞的呼吸速率
装置变式

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