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(共36张PPT)
第五章 细胞的能量供应和利用
5.3 细胞呼吸的原理和应用
【学习目标】
1.描述线粒体适于进行有氧呼吸的结构，说明有氧呼吸过程中物质与能量的变化。
2.比较有氧呼吸与无氧呼吸的异同，阐明细胞呼吸的实质。
3. 探究酵母菌细胞呼吸的方式，认识有氧呼吸和无氧呼吸的条件和产物。
4. 通过实验探究酵母菌细胞呼吸方式，提高实验设计和实验结果分析的科学探究能力。
线粒体的结构与功能（完成探究案1.2.3.4）
1.
细胞呼吸的场所：
线粒体
外膜
内膜
嵴
基质
细胞质基质、线粒体（主要）
线粒体
外膜
内膜
基质
含有与有氧呼吸相关的酶
向内折叠形成嵴，增大内膜表面积
也含有与有氧呼吸相关的酶
一般地说，线粒体均匀地分布在细胞质中。但是，活细胞中的线粒体往往可以定向地运动到代谢比较旺盛的部位。肌细胞内的肌质体就是由大量变形的线粒体组成的，肌质体显然有利于对肌细胞的能量供应。
有氧呼吸过程
2.1
能
+6H2O
酶
C6H12O6
2C3H4O3
能
酶
6CO2+
6O2+24[H]
细胞质基质
线粒体基质
线粒体内膜
12H2O+
酶
能
4[H] +
第一阶段糖变酸
葡萄糖的初步分解
第二阶段
丙酮酸的彻底分解
你搅拌我搅拌，冒出气泡CO2
第三阶段
氢氧见
化作纯水御春寒
注：这里的[H]是一种十分简化的表示方式，这一过程实际上是指氧化型辅酶I（NAD十)转化成还原型辅酶I (NADH)。
人为将有氧呼吸划分为三个阶段
有氧呼吸过程（完成探究案5）
2.2
C6H12O6
2C3H4O3 +4 [H] + 少量能量
（丙酮酸）
酶
6CO2+20[H] +少量能量
酶
2C3H4O3+6H2O
12H2O + 大量能量
24[H] + 6O2
酶
（场所：细胞质基质）
1. 葡萄糖的初步分解
（场所：线粒体基质）
2. 丙酮酸的彻底分解
（场所：线粒体内膜）
3. [H]的氧化
有氧呼吸的总反应式
2.3
约34%ATP
酶
C6H12O6
+6H2O
+6O2
6CO2+12H2O
+能量
（2870KJ）
约66%热能
有氧呼吸:是指细胞在O2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CO2和H2O，释放能量，生成大量ATP的过程。
区别：
1.有氧呼吸过程温和。
2.有机物中的能量经过一系列化学反应逐步释放。
3.有氧呼吸释放的部分能量储存在ATP中。
【阅读P93，完成探究案6】
有氧呼吸与有机物体外燃烧的有何异同？
相同： 有氧呼吸和有机物体外燃烧的本质是一致的，都是有机物氧化分解释放能量的过程。
P93思考·讨论
1.在细胞内，1mol葡萄糖彻底氧化分解可以释放2870kJ的能量，可使977.28kJ的能量储存在ATP中，其余的能量则以热能的形式散失掉了。请你计算一下，有氧呼吸的能量转化效率大约是多少，这些能量大约能使多少ADP转化为ATP？
转化效率大约是：977.28/2870=34%
转化为ATP 的ADP 为：977.28/30.54=32mol
2.与燃烧迅速释放能量相比，有氧呼吸是逐级释放能量的，这对于生物体来说具有什么意义？
燃烧是一种迅速释放能量的过程,而有氧呼吸过程则是逐步缓慢释放能量,这种方式保证有机物中的能量得到最充分的利用,主要表现在两个方面:可以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状态。
P93思考.讨论（完成探究案7）
无氧呼吸过程（完成探究案9）
3.1
能
酶
C6H12O6
2C3H4O3+4[H]
酶
2C2H5OH + 2CO2
细胞质基质
2C3H6O3
酶
第一阶段与有氧呼吸第一阶段完全一样
第二阶段丙酮酸在不同酶的催化下，分解为酒精和二氧化碳或者转化为乳酸
C6H12O6
酶
2C3H6O3（乳酸）+少量能量
例：高等动物（如肌细胞）、乳酸菌、高等植物的某些器官（马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚等）。
C6H12O6
酶
2C2H5OH（酒精）+ 2CO2+ 少量能量
酒精发酵
例：大多数植物（如水稻根、苹果果实）、酵母菌。
无氧呼吸的总反应式（完成探究案8）
3.4
注：微生物的无氧呼吸叫做发酵。但工业上的发酵并非完全无氧，比如醋酸发酵。
乳酸发酵
无氧呼吸：是指细胞在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机物经过不完全分解，释放出少量能量的过程。
同样是分解葡萄糖，无氧呼吸中葡萄糖的大部分能量仍存留在酒精或乳酸中，如1mo葡萄糖分解成乳酸后，只释放出196.65kJ的能量，其中只有61.08kJ的能量储存在ATP中，近69%的能量都以热能形式散失了。正因为如此，大部分生物体在长期缺氧状态下，无法生存。此外酒精和乳酸的大量积累对生物体也是有害的。但无氧呼吸可作为特殊情况下有氧呼吸的补充，是生物适应性的表现。人体肌细胞无氧呼吸产生的乳酸，能在肝脏中再次转化为葡萄糖。
无氧呼吸的定义
3.5
注：只能进行无氧呼吸的真核生物(如蛔虫)，其细胞内一般无线粒体。
P94 有氧呼吸与无氧呼吸的比较
3.6
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
不 同 点 条件
场所
分解程度
产物
能量释放
相 同 点 反应条件
本质
过程 第一阶段从葡萄糖到丙酮酸完全相同
意义 为生物体的各项生命活动提供能量
P94 有氧呼吸与无氧呼吸的比较
3.6
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
不 同 点 条件 氧气、多种酶 无氧、需要多种酶
场所 细胞质基质(第一阶段)、 线粒体(第二、三阶段) 细胞质基质
分解程度 葡萄糖被彻底分解 葡萄糖分解不彻底
产物 CO2、H2O 乳酸或酒精和CO2
能量释放 大量 少量，未释放能量储存在酒精或乳酸中
相 同 点 反应条件 需酶和适宜温度
本质 氧化分解有机物，释放能量，生成ATP供生命活动所需
过程 第一阶段从葡萄糖到丙酮酸完全相同
意义 为生物体的各项生命活动提供能量
小结：何为细胞呼吸
是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成CO2或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。也称呼吸作用。
细胞呼吸的意义
3.7
为什么说细胞呼吸在生命活动的能量供应中有重要作用？
为什么说呼吸作用过程是各种有机物相互转化的枢纽？
生物体内的糖类，脂质，蛋白质等有机物都富含能量，但这些能量不能直接供各种生命活动利用，需要通过呼吸作用分解有机物，释放能量，转化到能量通货“ATP” 中，由ATP直接推动各种生命活动的进行，如细胞分裂，矿质元素的吸收，有机物之间的转化等。
呼吸作用的过程中会产生各种各样的中间产物，这些中间产物是合成另外一些新物质的原料。呼吸作用能把生物体内的糖代谢，脂质代谢，蛋白质代谢等连成一个整体，成为体内各种有机物相互转化的枢纽。蛋白质、糖类和脂质代谢，都可以通过细胞呼吸过程联系起来。
2.提示:有氧呼吸第一阶段与无氧呼吸第一阶段完全相同,都不需要氧气,都与线粒体无关。联想到地球的早期以及原核细胞的结构,可以大胆作出这样的推测:在生物进化史上先出现无氧呼吸,而后才出现有氧呼吸。继而推测,地球早期的单细胞生物只进行无氧呼吸,体内骨骼肌细胞保留进行无氧呼吸的能力,可以理解为漫长的生物进化史在人类身上留下的印记同时也可以理解为人体在进行长跑等剧烈运动时,在供氧不足的情况下,骨骼肌细胞保留一定的无氧呼吸来供能,有一定的适应意义。
完成P96二、拓展应用第2小题
复 习 提 问
1.生物体生命活动的主要能源物质是什么？
2.生物体生命活动所需的直接能源物质是什么？
糖类
ATP
那么，糖类中储存的能量如何转化为生命活动所需要的直接能量ATP的呢？
呼吸： 机体与环境之间O2和CO2交换的过程。
对比
呼吸和呼吸作用的区别
细胞呼吸
细胞呼吸的方式：
细胞呼吸是否都需要氧？生物在有氧和无氧条件下是否都能进行细胞呼吸呢？
是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成CO2或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。也称呼吸作用。
酵母菌：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。
人们通常用酵母和面，放置一段时间后就会成为发面，发面可以用来做包子馒头等。为了促进发面，有时还会向其中加入一点蔗糖。发面时，早期并没有酒味，而后期会有酒味。
我们喝的啤酒、白酒、米酒、医院里的酒精、化妆品中的甘油，都是用酵母菌生产的。
探究酵母菌细胞呼吸的方式
4
提出问题
作出假设
设计实验步骤
设置对照：
预测实验结果
探究酵母菌细胞呼吸的方式
4
酵母菌在什么条件下进行细胞呼吸产生酒精？不同条件下呼吸产生的CO2一样多吗？
提出问题
作出假设
无氧
CO2和酒精
产生
CO2
有氧
产生
设计实验步骤
控制变量：自变量、因变量、无关变量
设置对照：
CO2可使澄清石灰水变浑浊，也可在酸性环境下使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿再变黄。橙色的重铬酸钾溶液，在酸性条件下与酒精发生反应，变成灰绿色。
预测实验结果
完成【探究案1-2】
1.关于酵母菌细胞呼吸的方式,请你提出要探究的问题？
做探究实验时首先要提出要探究的问题,如:①在有氧和无氧条件下酵母菌细胞呼吸产生CO2的多少;②在有氧和无氧条件下酵母菌细胞呼吸是否产生酒精。
2.根据已有的知识,对你提出的问题做出假设？
针对上述问题,根据已有的知识和生活经验(如酵母菌可用于酿酒、发面等)作出合理的假设,如:酵母菌在有氧情况下进行有氧呼吸,产生CO2多;在无氧情况下进行无氧呼吸,产生少量的CO2和酒精。
怎样控制有氧和无氧的条件？
怎样鉴定有无酒精产生？怎样鉴定有无CO2产生？如何比较CO2产生的多少？
怎样保证酵母菌在整个实验过程中能正常生活？
利用提供的实验材料，设计实验装置
设计实验装置
4.1
供选的材料和试剂
带活塞的锥形瓶若干
连接导管若干
酵母菌培养液
澄清石灰水
溴麝香草酚蓝水溶液
酸性重铬酸钾
设计时应考虑以下问题：
组装实验装置
4.2
连通橡皮球(或气泵)，让空气间歇性地依次通过3个锥形瓶(约50 min)。再将实验装置放到25-35℃的环境中培养8-10h。
B瓶应封口放置一段时间，等瓶内O2消耗完，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶。
无氧呼吸装置图
有氧呼吸装置图
接橡皮泵
质量分数为10%的NaOH溶液
酵母菌培养液
澄清的石灰水
酵母菌培养液
澄清的石灰水
无氧呼吸装置图
A
B
完成教材P91图旁 思考题
产物及鉴定
4.2
根据石灰水混浊程度或溴麝香草酚蓝水溶液变成黄色的时间长短，可以检测酵母菌培养液中CO2的产生情况。
各取2 mL酵母菌培养液的滤液，分别注入2支干净的试管中。向试管中分别加入适量酸性重铬酸钾并轻轻振荡，观察试管中溶液的颜色是否由橙色变为灰绿色。
无氧呼吸装置图
有氧呼吸装置图
接橡皮泵
质量分数为10%的NaOH溶液
酵母菌培养液
澄清的石灰水
酵母菌培养液
澄清的石灰水
无氧呼吸装置图
A
B
完成【探究案3（3）】设计实验装置及分析
①第一组装置中的第一个锥形瓶中盛放的试剂是NaOH溶液,其目的是？
②第二组装置中B瓶放置一段时间后,才能与装有澄清石灰水的锥形瓶
连接,其目的是？
【讨论】装置甲一定能排除空气中CO2对实验结果的干扰吗？装置乙也一定会是无氧的条件吗？
如何改进实验装置？
使进入A中的空气先经NaOH处理后,排除空气中CO2对实验结果的干扰。
让酵母菌将B瓶中的氧气消耗掉,确保产物CO2均来自无氧呼吸。
分析实验设计
4.3
自变量：氧气的有无。
因变量：细胞呼吸的产物------产生CO2的多少以及酒精的有无。
无关变量：影响实验结果的其他因素。
（如酵母菌的菌种，培养液的浓度和体积，温度、PH等培养条件等）
无氧呼吸装置图
有氧呼吸装置图
接橡皮泵
质量分数为10%的NaOH溶液
酵母菌培养液
澄清的石灰水
酵母菌培养液
澄清的石灰水
无氧呼吸装置图
A
B
分析实验设计
4.3
对比试验：指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。在本实验中，设置了有氧和无氧两种条件来探究酵母菌在不同氧气条件下细胞呼吸的方式，这两个实验组的结果都是事先未知的，通过对比可以看出：氧气条件对细胞呼吸的影响。对比实验也是科学探究中常用的方法之一。
无氧呼吸装置图
有氧呼吸装置图
接橡皮泵
质量分数为10%的NaOH溶液
酵母菌培养液
澄清的石灰水
酵母菌培养液
澄清的石灰水
无氧呼吸装置图
A
B
完成【探究案6】
在有氧呼吸装置中添加装有澄清石灰水的锥形瓶，以检测进入酵母菌培养液中的气体没有CO2 。
在无氧呼吸装置的酵母菌培养液的表层滴加适量的植物油或石蜡油，可以完全隔绝O2以提供严格的无氧环境。
改进实验装置
4.4
有氧呼吸装置图
接橡皮泵
质量分数为10%的NaOH溶液
酵母菌培养液
澄清的石灰水
酵母菌培养液
澄清的石灰水
无氧呼吸装置图
澄清的石灰水
油层
实验总结
4.4
酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸
无氧呼吸
有氧呼吸
有氧呼吸
（消耗O2产生CO2 ）
C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+能量
无氧呼吸
(不消耗O2产生CO2)
C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量
酵母菌在有氧和无氧条件下均能进行细胞呼吸，均能产生二氧化碳。在有氧的条件下，酵母菌产生的二氧化碳多于在无氧的条件下产生的二氧化碳。
完成【探究案3】
探究课题 有氧呼吸 无氧呼吸
自变量控制 通入空气、保证O2的充分供应 先将锥形瓶内的O2消耗完,再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶
无关变量控制 空气先通入NaOH溶液中,除去CO2 排除有氧呼吸的干扰
自变量 O2的有无
因变量 酵母菌的呼吸产物,即产生CO2的多少、酒精的有无
无关变量 酵母菌的菌种，培养液的浓度和体积，温度、PH等培养条件等
完成【探究案3】怎样鉴定有无酒精产生？怎样鉴定有无二氧化碳产生？
如何比较产生二氧化碳产生的多少？
CO2的检测：
1.通入澄清的石灰水：澄清→浑浊
2.溴麝香草酚蓝水溶液：蓝→ 绿→黄
CO2多少：石灰水变浑浊的程度或产生浑浊的快慢或由蓝→绿→黄所需时间长短
酒精的检测：
橙色的重铬酸钾溶液在酸性下与酒精发生反应： 橙色→灰绿色
通气
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
∵
Ａ
Ｂ
两只试管各加入等量的硫酸处理过的重铬酸钾
无酒精
有酒精
1.下列有关“探究酵母菌的呼吸方式”实验的叙述,不正确的是
A.二氧化碳可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄
B.在探究有氧呼吸的实验过程中,泵入的空气应去除CO2
C.实验中需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等
D.若澄清石灰水变混浊则说明酵母菌的呼吸方式为有氧呼吸
【练习1】
1.选D解析:CO2可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄,因此可以用溴麝香草酚蓝溶液检测CO2;在探究有氧呼吸的实验过程中,由于产物中有CO2,因此泵入的空气应去除CO2,以排除对实验结果的干扰;实验的自变量是氧气的有无,因变量是CO2的多少或是否产生酒精,则需控制的无关变量有温度、pH、培养液浓度等;酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都可以产生CO2,无法通过澄清石灰水是否变混浊来判断酵母菌的呼吸方式。
2.如图为“探究酵母菌的呼吸方式”的实验装置,有关叙述正确的是
A.该实验需设置有氧和无氧两种条件的对比实验,其中乙组作为对照组
B.反应完毕若向B瓶和E瓶中加入酸性重铬酸钾溶液,则E瓶内的溶液会变黄
C.可根据溴麝香草酚蓝溶液变黄的时间长短,来定量检测CO2的产生速率
D.C瓶和F瓶中溶液都变混浊,澄清石灰水的作用不同
【练习2】
2.选C解析:该实验需设置有氧和无氧两种条件的对比实验,甲、乙组互为对照组;反应完毕若向B瓶和E瓶中加入酸性重铬酸钾溶液,由于只有无氧呼吸才会产生酒精,所以E瓶内的溶液会变灰绿色;C瓶和F瓶中澄清石灰水的作用都是用来检测CO2。
3.如图所示,甲、乙两瓶盛有等量相同浓度的葡萄糖溶液,溶液内同时加入足量同种酵母菌,甲瓶内液体不断通入N2,乙瓶内不断通入O2,1 h后,测定两瓶溶液的pH,结果是
A.乙的pH高于甲
B.甲的pH下降,乙的上升
C.甲的pH上升,乙的下降
D.乙的pH低于甲
【练习3】
3.选D解析:甲和乙中均可能产生CO2,但由于乙中进行的是有氧呼吸,产生的CO2较多,所以乙中的酸性更强。

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