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细胞呼吸的原理和应用
第15讲
一轮复习
第2课时（共3课时）
“细胞呼吸”部分机理的解读
ATP的产生机制
第三阶段的阻断
丙酮酸进入线粒体的方式
小专题
一
二
三
四
ADP和Pi进入线粒体及ATP运出线粒体的方式
ATP的产生机制
葡萄糖
丙酮酸
H2O
NADH
H2O
O2
CO2
ATP
ATP
ATP
NADH
第一阶段
第二阶段
第三阶段
由糖分解过程中产生的高能
化合物驱动ADP磷酸化形成ATP
由电子传递过程中形成的H+浓度驱动ADP磷酸化形成ATP
ATP合酶
琥珀酰辅酶A合成酶
甘油磷酸激酶
丙酮酸激酶
1.有氧呼吸第一阶段中ATP的产生
甘油酸-1,3-二磷酸
甘油酸-3-二磷酸
ATP
ADP
甘油磷酸激酶
+
+
C
C
H2C
OH
H
O
OPO3
P
O
O
O
2-
O
核糖
腺嘌呤
O
P
P
C
C
H2C
OH
H
O
OPO3
2-
O
核糖
腺嘌呤
O
P
P
P
O
O
O
1.有氧呼吸第一阶段中ATP的产生
磷酸烯醇式丙酮酸
丙酮酸
ATP
ADP
丙酮酸激酶
+
+
CH2
P
O
O
O
O
核糖
腺嘌呤
O
P
P
C
C
CH3
O
O
核糖
腺嘌呤
O
P
P
P
O
O
O
C
O
C
O
O
2.有氧呼吸第二阶段中ATP的产生
琥珀酰辅酶A
琥珀酸
ATP
ADP
琥珀酰辅酶A合成酶
+
+
CH2
核糖
腺嘌呤
O
P
P
核糖
腺嘌呤
O
P
P
P
O
O
O
C
S-CoA
O
Pi
+
CH2
COO
P
CH2
CH2
COO
辅酶A
+
HS-CoA
COO
甘油酸-1,3-二磷酸
磷酸烯醇式丙酮酸
琥珀酰辅酶A
高能
化合物
ATP
(高能化合物)
ATP
(高能化合物)
ADP
ADP+Pi
由糖分解过程中产生的高能化合物驱动ADP磷酸化形成ATP
3.有氧呼吸第三阶段中ATP的产生
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅳ
e-
e-
e-
NADH
NAD+
琥珀酸
延胡索酸
O2
H2O
e-
H+
H+
H+
ADP+Pi
ATP
ATP合酶
①复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ是H+泵，利用电子传递释放的能量，将H+逆浓度泵出线粒体内膜(类似主动运输)
②H+顺浓度通过ATP合酶，利用H+的浓度梯度驱动ADP合Pi合成ATP
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅳ
NADH
NAD+
琥珀酸
延胡索酸
O2
H2O
e-
ADP+Pi
ATP
H+
丙酮酸
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
e-
e-
e-
丙酮酸进入线粒体的方式
H+
线粒体外膜
葡萄糖
H+
H+
H+
①线粒体外膜上有孔蛋白，很多物质可以通过，丙酮酸通过孔蛋白通过线粒体外膜。
孔蛋白
丙酮酸转运体
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅳ
NADH
NAD+
琥珀酸
延胡索酸
O2
H2O
e-
ADP+Pi
ATP
H+
丙酮酸
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
e-
e-
e-
丙酮酸进入线粒体的方式
H+
线粒体外膜
H+
H+
H+
②丙酮酸由H+浓度驱动，通过丙酮酸转运体进入线粒体通过线粒体内膜，进入线粒体基质。
孔蛋白
丙酮酸转运体
葡萄糖
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
Ⅳ
NADH
NAD+
琥珀酸
延胡索酸
O2
H2O
e-
ADP+Pi
ATP
H+
丙酮酸
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
e-
e-
e-
无氧时，丙酮酸不能进入线粒体
H+
线粒体外膜
H+
H+
H+
③氧是电子的最终受体，无氧时，电子传递受阻，H+浓度无法建立，H+就不能驱动丙酮酸进入线粒体基质中。
孔蛋白
丙酮酸转运体
葡萄糖
NADH
NAD+
琥珀酸
延胡索酸
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
O2
H2O
ADP+Pi
ATP
H+
H+
丙酮酸
H+
H+
Pi
ATP
ADP
ADP
Pi
线粒体内膜
H+梯度驱动ATP出线粒体和ADP、Pi进线粒体
①H+梯度直接驱动Pi进入线粒体(H+-Pi同向转运)
②H+梯度形成电位差驱动ATP与ADP交换(ATP-ADP反向转运)
NADH
NAD+
琥珀酸
延胡索酸
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
O2
H2O
ADP+Pi
ATP
H+
H+
丙酮酸
H+
H+
Pi
ATP
ADP
ADP
Pi
线粒体内膜
总结H+梯度的作用
电子传递
泵出H+
H+梯度
电位差
驱动ATP与ADP交换
H+
回流
驱动ADP和Pi合成ATP
驱动丙酮酸和Pi进入
线粒体外膜分布着孔蛋白构成的通道蛋白，丙酮酸可以经此通道通过。而线粒体内膜由于蛋白质含量高导致通透性低，丙酮酸需通过与H+协同运输的方式由膜间隙进入线粒体基质，如图所示。下列叙述错误的是（ ）
A.线粒体内膜的蛋白质/脂质的比值大于线粒体外膜
B.丙酮酸穿过线粒体外膜和内膜的方式均为协助扩散
C.H+通过质子泵由线粒体基质进入膜间隙的方式为主动运输
D.加入蛋白质变性剂会改变线粒体内膜对H+的运输速率
B
第三阶段的阻断
电子传递链
H+梯度
ATP合酶
鱼藤酮
氰化物
抗霉素Ａ
萎锈灵
阻断
缬氨霉素
生热素(UCP)
DNP
寡霉素
破坏
抑制
ATP与ADP交换
苍术苷
抑制
ATP
ADP
ADP
第三阶段的阻断
电子传递链
H+梯度
ATP合酶
鱼藤酮
氰化物
抗霉素Ａ
萎锈灵
阻断
缬氨霉素
生热素(UCP)
DNP
寡霉素
破坏
抑制
ATP与ADP交换
苍术苷
抑制
电子传递阻断剂
ATP合酶抑制剂
耗氧量和ATP合成减少
电子传递受阻、耗氧量减少
ATP/ADP交换抑制剂
电子传递受阻、耗氧量和ATP合成减少
第三阶段的阻断
电子传递链
H+梯度
ATP合酶
鱼藤酮
氰化物
抗霉素Ａ
萎锈灵
阻断
缬氨霉素
生热素(UCP)
DNP
寡霉素
破坏
抑制
ATP与ADP交换
苍术苷
抑制
电子传递阻断剂
ATP合酶抑制剂
ATP合成减少
电子传递受阻
电子传递与ATP合成偶联
依靠H+梯度偶联
解偶联剂
电子传递链
H+梯度
ATP合酶
鱼藤酮
氰化物
抗霉素Ａ
萎锈灵
阻断
缬氨霉素
生热素(UCP)
DNP
寡霉素
破坏
抑制
ATP与ADP交换
苍术苷
抑制
第三阶段的阻断
破坏H+梯度
破坏H+梯度
电子传递加快、耗氧量增加，产热增加
ATP合成减少
解偶联剂的作用机制
①DNP(2,4-二硝基苯酚)的作用机制
H+
H+
H+
H+
H+
H+
使膜对H+的通透性增加，将其带到H+浓度低的一边，破坏了跨膜质子梯度，从而使电子传递和ATP形成两个过程分离，不再紧密关联。
解偶联剂的作用机制
②缬氨霉素的作用机制
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
这是一类脂溶性物质，将一价阳离子(除H+)从膜间隙转移到线粒体基质，降低膜两侧的电位差，从而使电子传递和ATP形成两个过程分离，不再紧密关联。
解偶联剂的作用机制
③生热素(UCP)的作用机制
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
UCP
UCP在线粒体内膜上形成H+通道，使H+流发生 “短路”，不能通过ATP合酶返回到线粒体，从而使电子传递和ATP形成两个过程分离，不再紧密关联。
生热素(UCP)是存在棕色脂肪组织中的内源性物质
棕色脂肪细胞的线粒体有一种称为解耦联蛋白(UCP)的物质，这种物质使得葡萄糖和脂肪酸分解产生的能量不能转化为ATP(为生物体直接供能的物质)，而只能转化为热能。
棕色脂肪组织较多存在于新生儿和幼小哺乳动物体内，因为小家伙们刚生出来，身体的调节功能还比较差，不能通过“打哆嗦”（肌肉颤栗）这种方式产热来抵御外界的寒冷，所以需要棕色脂肪组织的帮助。
白色脂肪组织就好比被子，可以起保暖的作用；棕色脂肪组织就好比电热毯，通过产热来帮助机体抵御寒冷。
棕色脂肪组织是一种特殊的脂肪组织，与白色脂肪组织不同，它并不会储存多余的脂肪，反而会燃烧脂肪产生热量。正常情况下，细胞依靠线粒体利用能源物质产生ATP，而棕色脂肪细胞依靠名为“UCP1”的线粒体质子通道蛋白将这部分能量转而用于产热。研究发现，一个名为“AIDA”的蛋白质能激活“UCP1”。下列叙述正确的是( )
A.脂肪在脂肪细胞中以大小不一的脂滴存在，脂滴膜最可能由磷脂双分子层构成
B.UCP1应该主要存在于线粒体的基质中，会影响有氧呼吸的第二阶段
C.AIDA缺乏者产热能力强，在寒冷条件下维持体温的能力相对较强
D.可以开发以UCP1或AIDA为靶点的药物来治疗过度肥胖症
D
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
知识点29：呼吸方式的判断
1.实验原理
酵母菌在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧菌，因此便于用来研究细胞呼吸的不同方式。
设计和进行对比实验，分析有氧和无氧条件下酵母菌细胞呼吸的情况。
C6H12O6 + 6H2O +6H2O
CO2 + 6H2O + 能量
C6H12O6
2CO2 + 2C2H5OH + 能量
酶
酶
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，这样的实验叫作对比实验，也叫相互对照实验。
实验组(有氧)
实验组(无氧)
对比(相互对照)
对比实验
实验组(C18O2)
对比(相互对照)
实验组(H218O)
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，这样的实验叫作对比实验，也叫相互对照实验。
对比实验
实验组(32P标记)
对比(相互对照)
实验组(35S标记)
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，这样的实验叫作对比实验，也叫相互对照实验。
32P标记的噬菌体
侵染
35S标记的噬菌体
侵染
对比实验
2.实验设计
质量分数为10%的NaOH溶液
酵母菌
培养液
酵母菌
培养液
澄清的
石灰水
澄清的
石灰水
接橡皮球
(或气泵)
A
B
甲(有氧组实验装置)
乙(无氧组实验装置)
向A瓶中通气并用NaOH除掉其中的CO2，确保通如澄清石灰水的CO2是有氧呼吸产生的CO2
①自变量设置
甲组
B瓶密闭一段时间后，消耗掉其中的O2，确保通入澄清石灰水的CO2是无氧呼吸产生的CO2
乙组
检测CO2产生速率及是否产生酒精。
②因变量检测
因变量的检测
CO2产生速率
是否产生酒精
观察澄清石灰水变浑浊的快慢或浑浊程度
观察溴麝香草酚蓝溶液变黄(蓝→绿→黄)的时间
一段时间后从取A、B中取样，加入酸性重铬酸钾(橙色)，
A、B连接
澄清石灰水
A、B连接溴麝香
草酚蓝溶液
观察是否有灰绿色出现
秸杆的纤维素经酶水解后可作为生产生物燃料乙醇的原料。生物兴趣小组利用自制的纤维素水解液（含5%葡萄糖）培养酵母菌并探究其细胞呼吸（如图）。下列叙述正确的是（ ）
甲
乙
酵母菌培养液
溴麝香草酚蓝水溶液
A. 培养开始时向甲瓶中加入重铬酸钾以便检测乙醇生成
B. 乙瓶的溶液由蓝色变成红色，表明酵母菌已产生了CO2
C. 用甲基绿溶液染色后可观察到酵母菌中线粒体的分布
D. 实验中增加甲瓶的酵母菌数量不能提高乙醇最大产量
D
酵母菌液
酵母菌液
稀盐酸
大理石颗粒
蘸有NaOH的脱脂棉
蘸有蒸馏水的脱脂棉
有氧组实验装置
无氧组实验装置
掺有红墨水的蒸馏水
2.实验设计
1.某同学将酵母菌接种在马铃薯培养液中进行实验，不可能得到的结果是（ ）
A.该菌在有氧条件下能够繁殖
B.该菌在无氧呼吸的过程中无丙酮酸产生
C.该菌在无氧条件下能够产生乙醇
D.该菌在有氧和无氧条件下都能产生CO2
B
2.下列关于“探究酵母菌细胞呼吸的方式”（实验I）和“培养液中酵母菌种群数量的变化”（实验II）的叙述，正确的是（　　）
A.实验I、Ⅱ都要将实验结果转化为数学模型进行分析
B.实验I、Ⅱ通气前都必须用NaOH去除空气中的CO2
C.实验I中，有氧组和无氧组都能使澄清石灰水变浑浊
D.实验Ⅱ中，可用滤纸在盖玻片另一侧吸引培养液进入计数室
C
二、根据呼吸商判定细胞呼吸方式以呼吸底物
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
1.呼吸商
呼吸商
V
释放的CO2
V
吸收的O2
=
=1
以糖类为底物
的有氧呼吸
＞1
以糖类为底物的有氧呼吸和无氧呼吸
＜1
以脂肪为底物
的有氧呼吸
1.若种子只进行以糖类为底物的有氧呼吸，
则甲组液滴________，乙组液滴________，
2.若种子只进行了无氧呼吸,
则甲组液滴________，乙组液滴________。
左移
不动
不动
右移
萌发的种子
NaOH溶液
萌发的种子
蒸馏水
甲组
乙组
2.呼吸方式判定
3.若种子中既存在有氧呼吸又存在无氧呼吸
则甲组液滴________，乙组液滴________，
4.若种子进行了以脂肪等非糖物质的为底物的有氧呼吸则甲组液滴________，乙组液滴________。
左移
右移
左移
左移
萌发的种子
NaOH溶液
萌发的种子
蒸馏水
甲组
乙组
2.呼吸方式判定
3.呼吸商的测定
萌发的种子
NaOH溶液
萌发的种子
蒸馏水
甲组
乙组
甲组测定______________________________的量，记为a；
乙组测定______________________________的量，记为b。
O2吸收量与CO2释放量的差
O2吸收量
呼吸商=______________________________
|a-b| ÷ a
4.测定的矫正
萌发的种子
NaOH溶液
等量的煮沸的种子
NaOH溶液
甲组
矫正组
矫正组的作用：_______________________________________________
排除温度等非生物因素对实验结果的干扰
若甲组向左移动a(mm)，矫正组向右或向左移动b(mm)，
则甲组中实际测定的由种子呼吸消耗的O2引起的移动距离为：___________________。
a+b或a-b
萌发的种子
蒸馏水
乙组
等量的煮沸的种子
蒸馏水
若乙组向右移动a(mm)，矫正组向右或向左移动b(mm)，
则乙组中实际测定的由种子呼吸消耗的O2与与释放的CO2的差值引起的移动距离为：___________________。
矫正组
a-b或a+b
4.测定的矫正
1.某同学用如图所示实验装置测定果蝇幼虫的细胞呼吸速率。实验所用毛细管横截面积为1mm2，实验开始时，打开软管夹，将装置放入25℃水浴中，10min后关闭软管夹，随后每隔5 min记录一次毛细管中液滴移动的位置，结果如下表所示。下列分析正确的是（ ）
A.图中X为NaOH溶液，软管夹关闭后液滴将向右移动
B.在20～30 min内氧气的平均吸收速率为6.5 mm3/min
C.如将X换为清水，并向试管充入N2即可测定果蝇幼虫无氧呼吸速率
D.增设的对照实验只需将装置中的X换成清水，并将该装置置于相同的环境中
B
2.在科学研究中常用呼吸商（RQ=释放CO2体积/消耗O2体积）表示生物用于有氧呼吸的能源物质不同。测定发芽种子呼吸商的装置如下图。测定A装置液滴左移x(mm)，B装置左移y(mm)。
1)装置1的小瓶中加入NaOH溶液的目的是_____________________________。
吸收呼吸产生的二氧化碳
2)x代表____________________值，
y代表_____________________________________________值。
消耗氧的体积
消耗氧和释放二氧化碳的体积之差
A
B
0.85
3)若测得x＝200(mm)，y＝30(mm)，则该发芽种子的呼吸商是________。
2.在科学研究中常用呼吸商（RQ=释放CO2体积/消耗O2体积）表示生物用于有氧呼吸的能源物质不同。测定发芽种子呼吸商的装置如下图。测定A装置液滴左移x(mm)，B装置左移y(mm)。
4)若要测定已长出一片真叶幼苗的RQ值，则应将该装置放于何种条件下进行，为什么？
黑暗。避免因为幼苗进行光合作用，干扰呼吸作用的气体量的变化。
2.在科学研究中常用呼吸商（RQ=释放CO2体积/消耗O2体积）表示生物用于有氧呼吸的能源物质不同。测定发芽种子呼吸商的装置如下图。测定A装置液滴左移x(mm)，B装置左移y(mm)。

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