资源简介

第3节　细胞呼吸的原理和应用　第1课时　细胞呼吸的方式和有氧呼吸
高中生物学　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．生命观念：描述线粒体适于进行有氧呼吸的结构特点，说明有氧呼吸过程中物质与能量的变化，形成物质和能量观。
2．科学探究：设计并实施对比实验，探究酵母菌的呼吸方式，学会验证CO2和酒精的方法。
3．科学思维：通过对实验现象的分析，能够归纳和概括细胞呼吸的概念及建构有氧呼吸过程模型。
二、情境导入
无论是动物、植物还是微生物，细胞的生命活动都离不开能量。有机物中的化学能储存在葡萄糖等有机物中，细胞通过细胞呼吸将这些有机物分解并释放能量，供生命活动利用。细胞呼吸有哪些方式？有机物中的能量又是如何一步步释放出来的？让我们从探究酵母菌细胞呼吸的方式开始，一步步走进有氧呼吸的世界。
三、自主预学
（一）知识梳理
图1　细胞呼吸的方式和有氧呼吸知识梳理示意图
一、细胞呼吸的方式
1．细胞呼吸的概念
(1)场所：细胞内。
(2)反应：有机物氧化分解。
(3)结果：释放能量。
2．探究酵母菌细胞呼吸的方式
(1)实验原理
图2　探究酵母菌细胞呼吸方式的实验原理示意图
(2)实验过程
图3　探究酵母菌细胞呼吸方式的实验过程示意图
二、有氧呼吸
1．主要场所——线粒体
图4　线粒体的结构示意图
2．总反应式
C6H12O6＋6H2O＋6O2　6CO2＋12H2O＋能量
3．有氧呼吸过程
图5　有氧呼吸的过程示意图
4．能量转化
图6　有氧呼吸的能量转化示意图
5．概念：指细胞在氧的参与下，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，释放能量，生成大量ATP的过程。
（二）判断正误
判断下列说法是否正确，正确的填“√”，错误的填“×”。
(1)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。________
(2)检测CO2的产生除澄清石灰水外，还可以用溴麝香草酚蓝溶液。________
(3)真核细胞都进行有氧呼吸。________
(4)没有线粒体的细胞一定不能进行有氧呼吸。________
(5)有氧呼吸的实质是葡萄糖在线粒体中彻底氧化分解，并且释放大量能量的过程。________
(6)有氧呼吸产生的能量大部分储存在ATP中。________
四、课堂探究
探究一　探究酵母菌细胞呼吸的方式
[材料情境]结合下图中探究酵母菌细胞呼吸方式的实验设计装置，小组合作，完成以下探究问题。
图7　探究酵母菌细胞呼吸方式的实验装置示意图
1．配制酵母菌培养液时要用新鲜的食用酵母菌，因为新鲜的酵母菌繁殖快，细胞代谢旺盛，实验效果明显。
2．为什么葡萄糖溶液需要煮沸后冷却到常温后才可加入新鲜的酵母菌？
3．本实验的自变量是O2的有无，无关变量有温度、葡萄糖溶液的浓度、酵母菌活性等，无关变量应保持相同且适宜。因变量为是否有CO2和酒精的产生。
4．改进实验装置中空气泵直接泵入空气是否合理？若不合理，应如何改进？
5．丙试管中放入石蜡油的目的是什么？若实验中没有石蜡油如何达到上述目的？
6．该实验有没有对照组？请说明理由。
1．实验设计的自变量和因变量
项目 有氧呼吸 无氧呼吸
变量控制 ①通入空气，保证O2充足
②将空气先通入NaOH溶液中，以除去CO2 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，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 温度、营养物质的浓度和总量等
2．实验操作及目的
实验操作 操作目的
配制培养液时，将葡萄糖溶液先煮沸再冷却后加入锥形瓶 煮沸：除去其他杂菌，防止其他杂菌的干扰；除去溶液中的氧气
冷却后再加入：防止高温将酵母菌杀死
先通入NaOH溶液再通入酵母菌培养液中 排除空气中CO2对实验结果的干扰
酵母菌培养液封口放置一段时间 让酵母菌将瓶中的O2消耗完，确保其在实验过程中只进行无氧呼吸
3．对比实验和对照实验的比较
实验类型 比较项目
对照组 实验组 举例
对照实验 有 有 探究淀粉酶的专一性
对比实验 无 有 探究酵母菌细胞呼吸的方式
(1)对比实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，来探究各种因素与实验对象的关系，所以对比实验中各组都为实验组，但相互对照。
(2)对比实验一定是对照实验，对照实验不一定是对比实验。
1．为了探究酵母菌细胞呼吸的方式，某同学设计实验并将实验材料和用具按如图所示安装。以下关于该实验的说法，错误的是（　　）
图8　探究酵母菌细胞呼吸方式的装置示意图（对练1）
A．设置锥形瓶A的目的是防止外界CO2的干扰
B．澄清的石灰水可以换成溴麝香草酚蓝溶液
C．C瓶中澄清石灰水变浑浊的程度高于E瓶
D．可适当缩短实验时间以便用酸性重铬酸钾进行检测
2．某学生兴趣小组对“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验装置进行改进，可用于定量和定性检测酵母菌细胞呼吸的产物。反应发生装置如图所示，吸入等量配好的葡萄糖溶液5 mL，分别设置有氧组和无氧组。下列叙述错误的是（　　）
图9　改进的酵母菌细胞呼吸实验装置（对练2）
A．有氧组需要用NaOH制备不含CO2的空气，通过接头注入装置中
B．有氧组针筒活塞移动距离比无氧组活塞移动距离远且移动速度更快
C．通过将产生的气体注入澄清石灰水变浑浊可判断酵母菌的呼吸方式
D．可利用酸性重铬酸钾溶液检验酒精的生成，现象为由橙色变成灰绿色
探究二　有氧呼吸的过程
[材料情境]资料1：科学家提取了新鲜的动物肝脏组织，研磨离心后获取了细胞质基质（作为A组）和线粒体（作为B组）以及细胞匀浆（其中既有细胞质基质又有线粒体，作为C组）。分别向三组材料中加入等量的葡萄糖，检测葡萄糖的含量的变化，实验结果见下图。
图10　三组材料中葡萄糖含量随时间变化的曲线
资料2：研究发现线粒体内膜两侧有H＋浓度差。有一种能破坏这种浓度差的药物，可以使线粒体产生大量热量，也消耗氧气，但不生成ATP。
资料3：超声波震碎线粒体之后，内膜自然卷成了小囊泡，这些小囊泡具有氧化[H]的功能。用胰蛋白酶处理后，这些小囊泡不再具有氧化[H]的功能；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。
1．分析资料1，葡萄糖在什么位置首先被分解？
2．线粒体能否利用葡萄糖？线粒体对葡萄糖的分解有影响吗？
3．若向资料1三组中分别加入等量的丙酮酸，请画出三组材料中丙酮酸含量的变化曲线。
图11　三组材料中丙酮酸含量变化的坐标图（绘图）
4．若在资料1的实验中加入荧光素和荧光素酶，三组实验中荧光强度如何？呼吸作用释放的能量都能被荧光素发光所利用吗？
5．结合资料2，分析O2的消耗和ATP的生成是不是同一个化学反应？
6．分析资料3，推测囊泡中的小颗粒是什么物质？[H]的氧化发生在线粒体的什么部位？
7．若用18O标记O2，18O能否出现在产物中的CO2中？若可以，用文字和箭头写出转移途径。
1．有氧呼吸方程式分析
图12　有氧呼吸方程式分析示意图
2．有氧呼吸中[H]和ATP的来源和去路
物质 来源 去路
[H] C6H12O6和H2O 第三阶段与O2结合生成水
ATP 三个阶段都产生 用于各项生命活动
(1)葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质，但不是唯一的物质。
(2)葡萄糖不能进入线粒体，需要在细胞质基质中分解为丙酮酸和[H]后，丙酮酸才能进入线粒体进一步分解。
(3)哺乳动物成熟的红细胞、蛔虫中无线粒体，只能进行无氧呼吸。
3．下图表示有氧呼吸过程，下列有关说法正确的是（　　）
图13　有氧呼吸过程示意图（对练3）
A．①②④中数值最大的是①
B．③代表的物质名称是氧气
C．线粒体能完成图示全过程
D．原核生物能完成图示全过程
4．某小组为验证寡霉素和DNP两种呼吸抑制剂的作用，对离体的线粒体分别进行处理，检测线粒体的耗氧量变化，结果及操作如图所示。寡霉素可抑制ATP合成酶的作用，DNP不影响NADH和O2的结合，但能消除ATP合成所需的质子推动力。下列说法不正确的是（　　）
图14　呼吸抑制剂寡霉素和DNP对线粒体耗氧量的影响（对练4）
A．图中加入的底物可以是丙酮酸或NADH
B．抑制剂Ⅰ是DNP，抑制剂Ⅱ是寡霉素
C．与其他阶段相比，过程3放出的热量最多
D．过程3中可能含有有氧呼吸第二阶段
五、分层训练
课后分层练(十八)　细胞呼吸的方式和有氧呼吸
（选择题每题5分，非选择题每题15分）
【基础巩固练】
考点一　探究细胞呼吸的方式
1．某同学用质量分数为5%的葡萄糖溶液培养酵母菌，探究酵母菌的细胞呼吸方式。下列相关叙述正确的是（　　）
A．泵入的空气通过NaOH溶液可以控制有氧和无氧条件
B．应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽培养液中的葡萄糖
C．无氧条件下的培养液遇酸性重铬酸钾溶液会出现橙色反应
D．根据溴麝香草酚蓝溶液是否变成黄色来判断呼吸方式
2．为探究酵母菌细胞的呼吸方式，某同学设计了如图三个装置，下列相关叙述不正确的是（　　）
图15　探究酵母菌细胞呼吸方式的三个装置
A．若要探究酵母菌的无氧呼吸，则直接连接a、b装置即可
B．若要探究酵母菌的有氧呼吸，则需要将装置按c、a、b顺序连接
C．b装置中的溶液遇CO2的颜色变化为由蓝变绿再变黄
D．通过b装置中溶液变黄的时间长短，检测酵母菌培养液CO2的产生情况
3．如图是测量种子萌发时锥形瓶中气体体积变化的实验装置。锥形瓶中放的种子事先用水浸泡过并在稀释的消毒剂中浸泡过（不影响种子的生命力）。实验开始时U型管左侧液面与右侧液面相平，每隔半小时利用标尺量出右侧液面高度变化，以下关于该实验的分析正确的是（　　）
图16　测定种子萌发时气体体积变化的实验装置
A．种子在消毒剂中清洗是为了防止微生物呼吸作用干扰实验结果
B．此实验的目的是测定种子萌发时有氧呼吸及无氧呼吸的速率
C．一段时间后右侧液面高度不再变化，说明种子的细胞呼吸完全停止
D．为排除外界因素的影响，需要将装置中的NaOH溶液换成清水作为对照组
考点二　有氧呼吸
4．如图为线粒体的结构示意图，其中不可能发生的反应是（　　）
图17　线粒体的结构示意图
A．②处发生有氧呼吸第二阶段
B．①处产生ATP
C．②处产生CO2
D．③处发生[H]与O2的结合反应
5．菜粉蝶幼虫因体细胞中有NADH脱氢酶（催化[H]与氧反应的酶）而对鱼藤酮十分敏感，生产上常利用鱼藤酮来防治菜粉蝶幼虫。下列相关分析正确的是（　　）
A．幼虫体细胞线粒体外膜上分布有NADH脱氢酶
B．幼虫体细胞内的NADH主要来自线粒体内膜
C．幼虫体细胞有氧呼吸的三个阶段都能产生NADH
D．鱼藤酮会降低幼虫体细胞内的ATP水平，从而导致幼虫死亡
6．提取鼠肝细胞的线粒体作为实验材料，向盛有线粒体的试管中注入丙酮酸时，测得氧的消耗量较大；当注入葡萄糖时，测得几乎不耗氧；同时注入细胞质基质和葡萄糖时，氧消耗量又较大。下列叙述中与实验结果不相符合的是（　　）
A．有氧呼吸中，线粒体内进行的是第二、三阶段
B．在线粒体内能分解丙酮酸，不能分解葡萄糖
C．葡萄糖只能在细胞质基质内被分解成丙酮酸
D．水是在细胞质基质中生成的
7．如图是有氧呼吸过程的图解，据图回答下列问题：
图18　有氧呼吸过程图解
(1)有氧呼吸是从________的氧化分解开始的，全过程分为________个阶段。
(2)有氧呼吸的主要场所是________，进入该场所的呼吸底物是________。释放的CO2是在第________个阶段产生的；H2O是在第________个阶段形成的；产生ATP最多的是第________个阶段。
(3)有氧呼吸中氧的作用是________，写出有氧呼吸的总反应式：________。
【综合提升练】
8．某实验小组为探究酵母菌的细胞呼吸方式，做了以下两组实验：用注射器A缓慢吸入25 mL酵母菌葡萄糖溶液，倒置，排尽注射器中的气体，再吸入25 mL无菌氧气，密封；用注射器B缓慢吸入25 mL酵母菌葡萄糖溶液，倒置，排尽注射器中的气体，密封。将两注射器置于25 ℃的水浴锅中保温一段时间（不考虑溶液体积的变化）。以下说法错误的是（　　）
图19　探究酵母菌细胞呼吸方式的注射器装置
A．当观察到注射器A中的总体积大于50 mL时，说明酵母菌进行了无氧呼吸
B．取注射器B中的适量液体，滴加少量酸性重铬酸钾溶液，溶液颜色由橙色变为灰绿色
C．将注射器A中的气体通入溴麝香草酚蓝溶液中，可观察到溶液颜色由蓝变绿再变黄
D．一段时间后当注射器A、B中的总体积均为50 mL时，两注射器中酵母菌消耗的葡萄糖的量相同
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）×　（2）√　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×
解析：（1）酒精在酸性条件下与重铬酸钾溶液反应产生灰绿色。（2）检测CO2可用澄清石灰水或溴麝香草酚蓝溶液，正确。（3）真核细胞中哺乳动物成熟的红细胞不含线粒体，只能进行无氧呼吸。（4）蓝细菌（原核生物）无线粒体，但能进行有氧呼吸。（5）葡萄糖不能在线粒体中氧化分解，需在细胞质基质中先分解为丙酮酸和[H]后，丙酮酸再进入线粒体分解。（6）有氧呼吸产生的能量大部分以热能的形式散失，只有少部分储存在ATP中。
（二）课堂探究·探究一（探究酵母菌细胞呼吸的方式）
探究2　煮沸的目的是灭菌、除去葡萄糖溶液中的O2；冷却的目的是避免高温杀死酵母菌。
探究4　不合理，可先将空气通过NaOH溶液去除其中的CO2，防止干扰实验结果。
探究5　形成无氧条件。若没有石蜡油，可反应进行一段时间耗尽其中的氧气后再连接检测装置。
探究6　没有。该实验中有氧条件和无氧条件均为实验组，为相互对照。
对练1　D
解析：向锥形瓶A中加入NaOH溶液的目的是吸收空气中的CO2，排除空气中CO2对有氧呼吸产物检测的影响，A正确；CO2可使澄清石灰水变浑浊，也可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，故可将C和E中澄清石灰水换成溴麝香草酚蓝溶液，B正确；与无氧条件相比，酵母菌在有氧条件下产生的CO2更多，因此相同时间内C瓶中澄清石灰水变浑浊的程度高于E瓶，C正确；由于葡萄糖能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化，因此应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽培养液中的葡萄糖，D错误。
对练2　C
解析：有氧组需要用NaOH制备不含CO2的空气通过接头注入装置中，A正确；有氧组产生CO2速度更快，针筒活塞移动距离比无氧组活塞移动距离远且移动速度更快，B正确；酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸均能产生CO2，不能通过将产生的气体注入澄清石灰水变浑浊来判断酵母菌的呼吸方式，C错误；橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与酒精反应变成灰绿色，D正确。
（三）课堂探究·探究二（有氧呼吸的过程）
探究1　细胞质基质。
探究2　不能。线粒体能加速葡萄糖的分解。
探究3　如下图所示：
图20　三组材料中丙酮酸含量随时间变化的曲线（答案）
探究4　A组和C组会出现荧光，C组荧光较强。不能全部被利用，荧光素发光利用的是ATP中的能量，呼吸作用释放的能量只有一部分转化为ATP。
探究5　资料2说明O2的消耗和ATP的生成是两个过程，H＋浓度可能起到将两个过程连接起来的作用。
探究6　小颗粒是线粒体内膜上的酶。[H]的氧化发生在线粒体内膜上。
探究7　能，18O2→H218O→C18O2。
对练3　D
解析：④是有氧呼吸的第三阶段释放的能量，第三阶段释放的能量最多，A错误；③是第二阶段的反应物水，不是氧气，B错误；有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体，线粒体只能完成有氧呼吸的第二、三阶段，C错误；原核生物如蓝细菌能完成有氧呼吸全过程，D正确。
对练4　C
解析：加入底物后耗氧量明显增多，说明能推动有氧呼吸第三阶段的进行，加入的物质可以是丙酮酸或NADH，A正确。加入抑制剂Ⅰ后ATP合成量比过程3少，但耗氧量不减，说明不影响O2消耗，所以抑制剂Ⅰ是DNP；加入抑制剂Ⅱ后O2消耗不变、ATP合成明显下降，说明抑制剂Ⅱ是寡霉素，B正确。由图可知，加入抑制剂Ⅰ后，更多能量以热能形式散失，过程4放出的热量更多，C错误。若加入的底物是丙酮酸，则过程3既进行第二阶段又进行第三阶段；若加入的底物是NADH，则过程3只进行第三阶段，D正确。
（四）课后分层练(十八)
1　B
解析：泵入的空气通过NaOH溶液是为了排除空气中的二氧化碳，不能控制无氧条件，A错误；由于葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化，故应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖，B正确；无氧条件下酵母菌进行无氧呼吸产生酒精，酒精遇酸性重铬酸钾溶液呈灰绿色，C错误；有氧呼吸和无氧呼吸都能产生CO2，使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，无法据此判断呼吸方式，D错误。
2　A
解析：若要探究酵母菌的无氧呼吸，不能直接用a装置，需要隔绝外界空气，A错误；若要探究有氧呼吸，需按c、a、b顺序连接，其中c装置中NaOH溶液可除去空气中CO2，b装置中溴麝香草酚蓝溶液用于检测CO2，B正确；CO2可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，C正确；产生CO2速度快，溶液变黄时间短，可通过变黄时间长短检测CO2产生情况，D正确。
3　A
解析：实验中将种子在消毒剂中清洗，目的是杀死种子表面的微生物，防止微生物呼吸作用干扰实验结果，A正确；装置中含有空气和NaOH溶液，测定的是有氧呼吸速率，B错误；一段时间后右侧液面高度不再变化，原因可能是瓶内O2消耗完毕，种子不能进行有氧呼吸，但不能说明细胞呼吸完全停止，C错误；对照组应用等量的在消毒剂中清洗过的死种子（其他保持不变）作为对照，D错误。
4　B
解析：①②③分别表示线粒体外膜、线粒体基质、线粒体内膜。有氧呼吸第二阶段发生在场所②，产生CO2；[H]与O2的结合反应在③上完成；物质氧化分解过程不能在①处进行，①处也不能产生ATP，故选B。
5　D
解析：NADH脱氢酶催化[H]与氧反应，[H]与氧反应在线粒体内膜上，故线粒体内膜上分布有NADH脱氢酶，A错误；有氧呼吸第一阶段在细胞质基质产生少量NADH，第二阶段在线粒体基质产生大量NADH，故NADH主要来自线粒体基质，B错误；第一、二阶段产生NADH，第三阶段消耗NADH，C错误；鱼藤酮抑制[H]与氧结合，ATP合成减少，导致幼虫死亡，D正确。
6　D
解析：向线粒体中注入丙酮酸时氧消耗量较大，说明第二、三阶段在线粒体内进行，A相符；注入葡萄糖时几乎不耗氧，说明线粒体内能分解丙酮酸不能分解葡萄糖，B相符；同时注入细胞质基质和葡萄糖时耗氧量较大，说明葡萄糖只能在细胞质基质内分解成丙酮酸，C相符；由有氧呼吸过程知水是在线粒体内生成的，本实验无法证明水在细胞质基质中生成，D不相符。
7　（1）葡萄糖；三　（2）线粒体；丙酮酸；二；三；三　（3）与[H]结合生成水，释放能量，生成大量的ATP；C6H12O6＋6H2O＋6O2→12H2O＋6CO2＋能量
解析：（1）有氧呼吸是从葡萄糖的氧化分解开始的，全过程分为三个阶段。（2）有氧呼吸的主要场所是线粒体。第一阶段在细胞质基质中，1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸；第二阶段在线粒体基质中，丙酮酸与水反应生成CO2和[H]；第三阶段在线粒体内膜上，[H]与氧结合生成H2O。因此进入线粒体的底物是丙酮酸；CO2在第二阶段产生；H2O在第三阶段形成；产生ATP最多的是第三阶段。（3）氧的作用是与[H]结合生成水，释放能量，生成大量ATP。总反应式为C6H12O6＋6H2O＋6O2→12H2O＋6CO2＋能量。
8　D
解析：注射器A中酵母菌只进行有氧呼吸时，消耗O2量与产生CO2量相等，气体体积不变；当总体积大于50 mL时说明产生了多余的气体，进行了无氧呼吸，A正确。注射器B中无氧条件下产生酒精，酒精与酸性重铬酸钾溶液反应由橙色变为灰绿色，B正确。注射器A中酵母菌进行有氧呼吸产生CO2，可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，C正确。当两注射器总体积均为50 mL时，A中酵母菌进行有氧呼吸产生25 mL CO2，B中只进行无氧呼吸产生25 mL CO2，以葡萄糖为底物产生等量CO2时，有氧呼吸消耗的葡萄糖量比无氧呼吸少，D错误。

展开更多......

收起↑