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第三章 细胞中能量的转换和利用
第3节
细胞呼吸
——能量的转化和利用
高中生物学
（苏教版2019）
课标内容
1.概述有氧呼吸的三个阶段。
2.阐明无氧呼吸的过程和类型。
3.探究酵母菌的呼吸方式。
4.说出细胞呼吸产生能量的利用实例。
A氢氧化钾溶液B石灰水C石灰水(1)在实验中，设置A瓶、B瓶和C瓶的目的分别是什么？A瓶：除去装置通入O2中的CO2，防止其对实验结果产生干扰B瓶：检测通入的O2中是否有残留的CO2C瓶：检验小鼠细胞呼吸是否产生CO2情境探疑A氢氧化钾溶液B石灰水C石灰水(2)说出在实验过程中A瓶、B瓶和C瓶里溶液颜色的变化情况，并说明理由。A瓶：无颜色变化B瓶：无颜色变化，说明CO2完全除去；若变浑浊，则通入的O2中有残余的CO2C瓶：溶液变浑浊，小鼠呼吸产生CO2情境探疑A氢氧化钾溶液B石灰水C石灰水(3)钟罩内温度的上升能说明什么？钟罩内温度的上升说明，细胞呼吸的过程中产生了热能。情境探疑A氢氧化钾溶液B石灰水C石灰水(4)根据以上现象请说出：什么是细胞呼吸？细胞呼吸主要是指糖类、脂质和蛋白质等有机物在活细胞内氧化分解为CO2或其他物质，同时释放出能量并生成ATP的过程。情境探疑A氢氧化钾溶液B石灰水C石灰水(5)本实验中小白鼠处于有氧环境中，还是无氧环境中？据此推测小白鼠进行的是有氧呼吸还是无氧呼吸？图中有空气泵，小白鼠应处于有氧环境中，进行的是有氧呼吸。情境探疑A氢氧化钾溶液B石灰水C石灰水(6)出现什么样的实验结果才能充分说明小白鼠细胞呼吸产生了CO2 左侧锥形瓶中的石灰水始终保持澄清，而右侧的锥形瓶中的石灰水由澄清变为混浊，则可充分说明小白鼠细胞呼吸产生了CO2。情境探疑细胞呼吸
有机物
CO2
ATP
直接利用
有氧呼吸
无氧呼吸
01
有氧呼吸是大多数生物获得能量的主要途径
科学家实验证明：把酵母菌转至无氧条件下培养，线粒体数目减少，大量的嵴会消失，线粒体变为很小的无功能的囊泡。如果重新给这些酵母菌供氧，线粒体又能生成嵴，恢复正常形态，且数量也增加，此时细胞代谢增强。根据资料1推出：线粒体与哪种呼吸类型有关？其呼吸方式的主要场所在哪里？资料1含有多种与有氧呼吸有关的酶线粒体的结构示意图①②③④外膜内膜线粒体基质嵴将酵母菌破碎并进行差速离心处理后，获得细胞质基质和线粒体，分装在不同的试管中，加入不同的物质，并通入18O2，进行实验。
细胞质基质+线粒体
细胞质基质
线粒体悬液
线粒体悬液
添加14C标记的葡萄糖
添加14C标记的葡萄糖
添加14C标记的丙酮酸
添加14C标记的葡萄糖
资料2
细胞质基质+线粒体细胞质基质线粒体悬液线粒体悬液添加14C标记的葡萄糖添加14C标记的葡萄糖添加14C标记的丙酮酸添加14C标记的葡萄糖编号各试管变化情况1葡萄糖含量减少，有14CO2、H218O生成2葡萄糖含量减少，有14C标记的丙酮酸、[H]生成3葡萄糖含量不变4丙酮酸含量减少，有14CO2、H218O生成资料21.葡萄糖能不能被线粒体分解？2.葡萄糖在什么位置首先被分解？生成了什么？3.生成的丙酮酸在什么位置被分解？生成了什么？不能葡萄糖在细胞质基质中分解，生成丙酮酸丙酮酸在线粒体中分解产生CO24.通入的18O2最后生成了什么物质？H218O分析实验结果英国生理学家A V 希尔,德国生物化学家O 迈尔霍夫、O 瓦尔堡等许多科学家经历了约20年，从每一个具体的化学变化及其所需用的酶、辅酶以及化学能的传递等各方面进行探讨，认识到在所有生物体细胞中，葡萄糖是经历了同样的过程转变为丙酮酸的，这个过程发生在细胞质基质中，被称为糖酵解。资料3第一阶段：糖酵解场所：细胞质基质细胞呼吸从糖酵解开始NADH：还原型辅酶Ⅰ，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，一种特殊的核苷酸。携带一个氢原子(含电子)。糖酵解生成的丙酮酸是如何变成CO2的呢？20世纪20——40年代，许多科学家研究了肌肉细胞的物质的氧化分解，发现细胞内一种草酰乙酸（C4），能够迅速被氧化。生化学家克雷布斯做了实验：把草酰乙酸和丙酮酸混合加入鸽子肌肉细胞悬浮液中，发现：资料4资料分析：1.丙酮酸分解产生几个CO23.丙酮酸彻底分解除了产生CO2，还产生什么物质？2.结合书本，说说这个阶段还需要什么物质参与反应？三个水NADH即[H]丙酮酸彻底分解第二阶段场所：线粒体基质[H]如何形成水的呢？真核细胞的有氧呼吸过程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。资料5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？谁在氧化[H]？产物是什么 线粒体内膜上的氧气与[H]发生了反应，生成了水[H]的氧化第三阶段：场所：线粒体内膜有氧呼吸产生能量，我们用什么方法可以验证的能量的产生呢？真核细胞的有氧呼吸过程细胞质基质①等量的葡萄糖、荧光素和荧光素酶葡萄糖的量减少有丙酮酸生成微弱荧光出现线粒体基质②线粒体膜状结构和线粒体基质③等量的丙酮酸、荧光素和荧光素酶等量的丙酮酸、荧光素和荧光素酶丙酮酸减少有CO2生成微弱荧光出现丙酮酸减少有CO2生成较强荧光出现且持续时间也较长某兴趣小组设计了如下实验：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）放入试管1；分离出线粒体，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，分别放入试管2和试管3，取3份等量的葡萄糖，将其中两份先分解成丙酮酸备用；资料6荧光素发光说明了什么？
根据以上实验推测，有氧呼吸哪些阶段释放了能量？哪个阶段释放的能量最多？
有氧呼吸释放的能量都合成了ATP吗？
有氧呼吸时，产生ATP的场所有哪些？
产生了直接能源物质ATP
三个阶段都释放能量，其中第三阶段释放能量最多
不是，其中大部分以热能形式散失
细胞质基质、线粒体基质及线粒体内膜
分析实验结果
有氧呼吸概念在氧的参与下，细胞内的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。有氧呼吸的反应方程式（以葡萄糖为底物）有氧呼吸的三个阶段
过程 场所 是否需O2参与 主要反应物 产物
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、少量ATP、[H]
CO2、少量ATP、[H]
H2O、大量ATP
否
否
是
葡萄糖
丙酮酸、H2O
O2、 [H]
有氧呼吸是大多数生物获取能量的主要途径
2.阅读教材及右图细胞有氧呼吸过程示意图（教材图3－3－2），回答下列问题：
(1)有氧呼吸的第一阶段在哪里进行？葡萄糖为什么在线粒体中不能被氧化分解？
提示：细胞质基质。因为线粒体中没有有氧呼吸第一阶段的酶。
情境探疑
(2)水既是有氧呼吸的原料又是有氧呼吸的产物，作为原料在有氧呼吸的哪个阶段参与？作为产物在哪个阶段产生？
提示：第二阶段；第三阶段。
(3)有氧呼吸的产物中，CO2中的O来自哪里？H2O中的H又来自哪里？
提示：葡萄糖(丙酮酸)和水；葡萄糖(丙酮酸)和水。
情境探疑
(4)“线粒体是有氧呼吸的场所”是否正确？分析原因。
提示：不正确。真核生物有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体，原核生物有氧呼吸与线粒体无关。
(5)糖酵解的场所是哪里？据此推测，线粒体能否直接利用葡萄糖？
提示：细胞质基质。线粒体不能直接利用葡萄糖。
情境探疑
(6)有氧呼吸过程中，H2O参与第二阶段反应，在______阶段产生；[H]在__________阶段产生，参与______阶段的反应；O2只参与______阶段反应；CO2是在______阶段产生的。
(7)写出有氧呼吸的总反应式，并标注氧元素的去向。
第三
第一、二
第三
第三
第二
情境探疑
归纳提升
02
细胞无氧呼吸也为生命活动提供能量
无氧呼吸
在_______________的条件下，细胞通过_______的催化作用，把________等有机物分解为_______________________，或分解为________________等物质，同时释放_ ________的过程；
2.场所：________________
细胞质基质
1.概念：
无氧或缺氧
葡萄糖
乙醇(C2H5OH)和CO2
乳酸(C3H6O3)
3.两个类型
产生酒精的叫做________；
产生乳酸的叫做________；
酒精发酵
乳酸发酵
较少能量
酶
葡萄糖
丙酮酸
2C2H5OH（酒精）+2CO2
2C3H6O3 （乳酸）
酶
少量能量
[H]
葡萄糖分子中的大部分能量存留在酒精或乳酸中；
4.过程
乙醇脱氢酶
乳酸脱氢酶
C6H12O6
C3H4O3
无氧呼吸只在第一阶段释放少量能量，生成少量ATP；
热能散失
少量ATP
无氧呼吸过程中产生了[H]，并随之用于第二阶段，没有积累；
Ⅰ.植物绝大多数器官、酵母菌等微生物
C6H12O6 2C2H5OH（酒精）+2CO2+少量能量
酶
Ⅱ应用：酿酒工业（乙醇发酵）
（1）酒精发酵
5.实例
只产生于第一阶段
即：糖酵解
Ⅰ.动物、胡萝卜的叶、玉米的胚、甜菜的根、马铃薯的块茎、乳酸菌等
C6H12O6 2C3H6O3 （乳酸） +少量能量
酶
Ⅱ.应用：酸奶制作、泡菜制作（乳酸发酵）
（2）乳酸发酵
该过程不产生二氧化碳！
只产生于第一阶段
即：糖酵解
结合教材内容并构建无氧呼吸过程的模型如图所示：
(1)图示过程发生的场所是____________，其中a表示的物质是______________。
(2)无氧呼吸有无[H]的积累？无氧呼吸第一阶段产生的[H]的作用是什么？
没有。
参与了第二阶段乳酸或者乙醇的生成。
细胞质基质
C2H5OH
情境探疑
(3)与有氧呼吸相比，为什么无氧呼吸释放的能量较少？
无氧呼吸只在糖酵解过程中释放少量的能量，丙酮酸转化为乳酸或者分解成乙醇和二氧化碳的过程没有能量的释放。
(4)比较有氧呼吸和无氧呼吸过程，分析ATP和[H]的生成阶段？
有氧呼吸中，ATP生成于第一、第二、第三阶段，[H]生成于第一、第二阶段。
无氧呼吸中，ATP生成于第一阶段，[H]生成于第一阶段。
情境探疑
(5)不同生物无氧呼吸的产物不同，直接原因是什么？
直接原因是催化无氧呼吸第二阶段的酶不一样；
情境探疑
(7)人体在剧烈运动时产生CO2的摩尔数和消耗O2的摩尔数之比是______（大于1/等于1/小于1 ）
等于1
注意：产乳酸的同时没有二氧化碳的产生。
(6)人体在剧烈运动时的细胞呼吸方式是什么？其中以哪种方式为主？
有氧呼吸和无氧呼吸
注意：人体在正常情况下都是以有氧呼吸为主
有氧呼吸为主
情境探疑
有氧呼吸 无氧呼吸
区别 条件
分解程度
场所
产物
能量释放
生成ATP
联系 过程 实质 意义 需O2和酶
不需O2 、需酶
彻底
不彻底
细胞质基质、线粒体
细胞质基质
CO2、H2O
①CO2和酒精②乳酸
大量（大部分以热能的形式散失，用以维持体温）
少量（只在第一阶段释放，大部分存留在乳酸或酒精中）
大量（三个阶段都产生）
少量（只在第一阶段产生）
第Ⅰ阶段完全相同
有机物的氧化分解，释放能量
①为生物体提供能量②生物体代谢的枢纽
6.有氧呼吸和无氧呼吸的比较
（细胞呼吸过程中产生的中间产物，可以转化为甘油、氨基酸等非糖物质；非糖物质代谢形成的某些产物，与细胞呼吸中间产物相同，这些物质可以进一步形成葡萄糖；蛋白质、糖类和脂质的代谢，都可以通过细胞呼吸过程联系起来）
03
探究酵母菌的呼吸方式
(1)酵母菌在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧菌,依赖外来的有机物进行异养生活，以出芽生殖的方式产生后代。酵母菌进行有氧呼吸能产生大量的CO2和H2O，在进行无氧呼吸时能产生酒精和CO2。
实验原理
实验思路
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
设计实验
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（pH、温度、酵母菌的活性、葡萄糖浓度等）
实验变量
（1）配置酵母菌培养液（2）检测CO2的产生，装置如右图（3）检测酒精的产生:自A、B中各取2mL滤液分别注入编号为1、2的两支试管中→分别滴加0.5mL溶有0.1g重铬酸钾的浓硫酸→震荡并观察溶液的颜色变化。实验步骤产物试剂现象CO2澄清的石灰水澄清石灰水变混浊溴麝香草酚蓝水溶液蓝色→绿色→黄色酒精在酸性条件下，使用橙色的重铬酸钾溶液橙色→灰绿色2.酵母菌在有氧和无氧条件下都能产生___________。3.酵母菌有氧比无氧时释放出的CO2 ————————。4.酵母菌无氧时分解葡萄糖还产生_____________。实验结果实验现象：甲乙两装置中石灰水都变浑浊，且甲中浑浊度高，用时短。2号试管出现由橙色变成灰绿色，1号试管不变色实验结论：CO2多酒精1.酵母菌既能进行__________，也能进行__________。有氧呼吸无氧呼吸提示：葡萄糖能和酸性重铬酸钾反应，故检测时需要等培养液中葡萄糖耗尽再进行。装置中的质量分数为10%的NaOH溶液有什么作用？
去除空气中的CO2，保证澄清石灰水变浑浊是酵母菌有氧呼吸产生的CO2所致。
情境探疑
锥形瓶B为什么要放置一段时间后连接D瓶？
消耗掉B瓶中的氧气，确保通过澄清石灰水的CO2是
无氧呼吸产生的。
情境探疑
该实验有没有对照组？什么是对比实验？
该实验中有氧条件和无氧条件均为实验组，相互对照
对比实验：
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。
情境探疑
下图甲、图乙也是探究酵母菌细胞呼吸方式实验的示意图，分析回答：
(1)左侧试管中油脂层的作用是__________。
(2)酵母菌是探究细胞呼吸类型的理想材料，为什么？
酵母菌是兼性厌氧生物，有氧条件下，可进行有氧呼吸，缺氧条件下可进行无氧呼吸。
隔绝空气
情境探疑
(3)分析图甲、图乙装置，推测两图试管中的酵母菌细胞呼吸类型是什么？
甲图溶液有油脂层密封，创设的是无氧环境，酵母菌进行的可能是无氧呼吸。乙图没有油脂层密封，试管中溶液上方空隙残留一定量的氧气，创设的是有氧环境，酵母菌进行的可能是有氧呼吸。
情境探疑
(4)若你的推测正确，图甲、图乙实验结果有何不同？
图甲、图乙试管中的澄清石灰水均变混浊，但图乙试管中澄清石灰水混浊程度大。
(5)检测CO2还可用什么指示剂？
溴麝香草酚蓝溶液，当溶液中CO2含量增高时，溶液由蓝色变为黄绿色。
情境探疑
04
细胞呼吸产生能量的利用
热
ATP
生命活动
细胞呼吸产生能量的利用
1.只检测有无CO2产生即可确定酵母菌细胞呼吸的方式。( )
2.根据石灰水变混浊的程度可以确定CO2产生量的多少。( )
3.酒精在中性或酸性条件下与重铬酸钾溶液反应产生绿色。( )
×
√
×
4.有氧呼吸的过程只发生在线粒体内。( )
5.有氧呼吸的三个阶段都必须有O2的参与。( )
×
×
自查自纠
例1 在有氧呼吸过程中，H2O参与的阶段是(　　)
A.葡萄糖分解为丙酮酸
C.[H]与O2结合形成水
D.丙酮酸转变成乳酸
B.丙酮酸分解成CO2
典例应用
A.①②④中能量值最大的是② B.③代表的物质是氧气
C.产生①②过程的场所是线粒体
例2 如图表示有氧呼吸过程，下列有关说法正确的是(　　)
D.酵母菌能完成图示全过程
典例应用
例3 (多选)下列有关无氧呼吸的叙述，错误的是(　　)
A.无氧呼吸发生在细胞质基质中
B.无氧呼吸释放的能量大部分用于合成ATP
C.原核生物只进行无氧呼吸
D.无氧呼吸第二阶段生成少量ATP
典例应用
A.葡萄糖在线粒体中经过程①②彻底氧化分解
C.无氧条件下，发生在酵母菌细胞中的是过程③
D.无氧呼吸产生ATP较少，原因是大部分能量以热能形式散失
例4 如图为生物体内葡萄糖分解代谢过程的图解。下列有关说法正确的是(　　)
B.在②反应过程中，水和[H]既是产物又是反应物
典例应用
例5 (多选)下列关于探究酵母菌的呼吸方式实验的叙述，错误的是(　　)
B.实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等
D.酵母菌的代谢类型是异养兼性厌氧型
A.两组实验为相互对照，其中油脂层密封组为对照组
C.实验的因变量可以是澄清石灰水是否变混浊
典例应用
A.甲装置试管中有酒精产生
C.乙装置中NaOH溶液的作用是除去空气中的CO2
D.根据实验结果可以判断乙装置中酵母菌进行有氧呼吸
例6 右图为探究酵母菌的呼吸方式的实验改进装置，下列有关叙述错误的是(　　)
B.甲装置中澄清石灰水不会变混浊
典例应用
思维导图 晨读必背
1.酵母菌是单细胞真菌，代谢类型为兼性厌氧型。
2.CO2可使澄清的石灰水变混浊，也可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝色变为黄绿色。
3.有氧呼吸是指在氧的参与下，细胞内的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。
4.无氧呼吸的第一阶段与有氧呼吸第一阶段完全相同。第二阶段丙酮酸在酶的催化作用下，分解成乙醇和二氧化碳，或者分解成乳酸。
课堂小结
1.下列表示酵母菌有氧呼吸的过程，其中关于过程①和②的叙述，不正确的是(　　)
C.①过程不产生能量
A.①过程发生在细胞质基质 B.②过程发生在线粒体
D.②过程中部分反应需要氧气的参与
随堂检测
2.下图为线粒体的结构示意图。在相应区域中会发生的生物过程是(　　)
D.③处[H]与O2结合生成水
A.②处发生葡萄糖分解
B.①中的CO2扩散穿过内膜
C.②处丙酮酸分解为CO2和H2O
随堂检测
3.(多选)下列关于探究酵母菌的呼吸方式的实验，叙述错误的是(　　)
A.酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸
C.探究有氧呼吸时泵入的空气需去除CO2
B.可根据澄清石灰水是否变混浊判断呼吸方式
D.该实验遵循了对照原则，对照类型是空白对照
随堂检测
4.有氧呼吸与无氧呼吸的相同点是(　　)
①都在线粒体中进行　②都需要酶　③都需要氧　④都产生ATP　⑤都经过生成丙酮酸的阶段
A.①②③
C.②③④ D.①②⑤
B.②④⑤
随堂检测
5.如图为酵母菌细胞呼吸过程示意图，a、b是代谢产物，下列说法不正确的是(　　)
B.无氧条件下，物质a的产生场所是细胞质基质和线粒体基质
A.据图分析，物质a是二氧化碳，物质b是酒精
C.若只检测物质a是否生成，则无法判断酵母菌进行的细胞呼吸方式
D.若试剂乙是酸性的重铬酸钾溶液，现象Ⅱ是变成绿色
随堂检测
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