学年 浙科版 必修一 细胞呼吸为细胞生活提供能量 教案.docx
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学年浙科版必修一细胞呼吸为细胞生活提供能量教案
第四节 细胞呼吸为细胞生活提供能量
课标要求
核心素养
素养对接
素养水平
1.探究酵母菌的呼吸方式。
2．概述需氧呼吸的三个阶段。
3．概述厌氧呼吸的过程和类型。
4．了解细胞呼吸原理的应用。
生命观念：
认同线粒体的结构特点与其作为需氧呼吸的主要场所相适应。
水平一
科学思维：
构建需氧呼吸和厌氧呼吸的过程模型，理解二者之间的关系。
水平二
社会责任：
运用细胞呼吸原理，对生活和生产中的应用实例作出科学解释。
水平三
一、探究酵母菌的呼吸方式
1．原理
（1）酵母菌在有氧和无氧环境中都能够生存。
（2）NaOH溶液能够吸收CO2。
溴麝香草酚蓝溶液与CO2反应，其颜色由蓝色变成绿色再变成黄色。
澄清的石灰水遇到CO2变浑浊。
重铬酸钾溶液在酸性条件下，遇到酒精发生反应，溶液由橙色变成灰绿色。
2．设计实验方案
（1）活动方案应包括以下几个方面
①选择实验材料与器具。
②确定实验操作步骤与方法。
③确定观察与记录实验现象的方式。
（2）设计活动方案时，需要考虑的两个问题
①保证酵母菌有氧或者无氧的生活条件。
②检测酵母菌在有氧或者无氧条件下呼吸的产物的方法。
二、细胞呼吸的本质是糖等有机物的氧化分解
1．细胞呼吸的概念：
细胞内进行的将糖类等有机物分解成无机物或者小分子有机物，并且释放出能量的过程。
2．细胞呼吸的分类：
根据呼吸过程中是否有氧参与，分为需氧呼吸和厌氧呼吸。
需氧呼吸是细胞呼吸的主要方式。
三、需氧呼吸
1．条件：
有氧参与。
2．场所：
细胞溶胶和线粒体，主要是线粒体。
3．反应式：
C6H12O6＋6H2O＋6O2
6CO2＋12H2O＋能量。
4．反应过程（三个阶段）
（1）第一阶段（糖酵解）：
场所是细胞溶胶。
在此过程中，1个葡萄糖分子被分解成2个三碳化合物——丙酮酸和少量的氢（用[H]表示），释放少量能量，形成少量ATP。
（2）第二阶段：
场所是线粒体基质。
丙酮酸被彻底氧化分解形成CO2，并产生[H]和少量ATP。
（3）第三阶段：
场所是线粒体内膜。
前两个阶段产生的[H]经过线粒体内膜上的电子传递链的传递，与氧结合生成水，产生大量ATP。
四、厌氧呼吸
1．条件：
无氧。
2．场所：
细胞溶胶。
3．过程
（1）第一阶段：
与需氧呼吸的第一阶段一样。
（2）第二阶段：
丙酮酸在不同酶的催化下，形成不同的产物，如乳酸或乙醇。
4．类型
（1）产乳酸的厌氧呼吸
①反应式：
C6H12O6
2C3H6O3＋能量。
②生物类型：
动物细胞、某些植物细胞、乳酸菌等。
③微生物的厌氧呼吸也称为发酵。
乳酸菌的厌氧呼吸被称为乳酸发酵。
（2）产乙醇的厌氧呼吸
①反应式：
C6H12O6
2C2H5OH＋2CO2＋能量。
②生物类型：
某些植物细胞、酵母菌等。
③酵母菌在氧充足的环境中进行需氧呼吸，在氧缺少的状态下进行厌氧呼吸。
酵母菌的厌氧呼吸被称为乙醇发酵。
五、细胞呼吸是细胞代谢的核心
1．细胞代谢包括分解代谢和合成代谢，都与细胞呼吸密切相关。
2．细胞分解代谢主要利用糖类作为呼吸过程中能量的来源，人和动物的细胞也可以利用脂肪和蛋白质作为能源。
（1）多糖首先水解成单糖，再进行糖酵解，最终被完全氧化成二氧化碳和水。
（2）脂肪先分解成甘油和脂肪酸，甘油形成一个三碳化合物后进入糖酵解，脂肪酸则进一步被分解。
（3）蛋白质首先被分解成氨基酸，再脱去氨基变成有机酸，最终被完全氧化。
3．细胞呼吸为细胞合成代谢提供能量（ATP）和碳骨架。
[正误判断]
（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）有氧条件下，酵母菌产生ATP的主要部位是线粒体。
（√）
（3）需氧呼吸的第三阶段既消耗水又产生水。
（×）
（4）厌氧呼吸能产生ATP，但没有[H]的生成过程。
（×）
（5）新鲜的蔬菜、水果应该在低温、无氧环境下保存。
（×）
（6）种子风干脱水后呼吸强度减弱。
（√）
知识点一 探究酵母菌的呼吸方式
下图甲、乙为探究酵母菌细胞呼吸方式的两个实验装置。
（1）条件：
甲装置为有氧条件，必须持续通入空气，以保证氧气的充足。
乙装置为无氧条件。
（2）试剂
①处为质量分数为10%的NaOH溶液，作用是吸收通入空气中的CO2，避免空气中的CO2影响实验结果。
②处为澄清石灰水。
③处为澄清石灰水。
（3）实验变量的控制
本实验的自变量是O2的有无；因变量是呼吸产物中是否有酒精和CO2的产生等。
（4）产物检测
①检测CO2产生，装置图如上图。
②检验酒精的产生：
自锥形瓶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溶有重铬酸钾的浓硫酸溶液→振荡并观察溶液的颜色变化。
（5）实验现象
①甲、乙两装置中澄清的石灰水都变浑浊，且甲中浑浊程度大且快。
②2号试管中溶液由橙色变成灰绿色，1号试管不变色。
（6）实验结论
①酵母菌在无氧和有氧条件下都能分解葡萄糖进行细胞呼吸，但分解产物不同。
②产物
[温馨提醒]该实验是对比实验
对比实验是指设置两个或两个以上的实验组，通过对结果的比较分析，来探究某种因素与实验对象的关系。
对比实验不设对照组，均为实验组（或互为实验组和对照组），是对照实验的一种特殊形式，即相当于“相互对照实验”。
1．下图装置可用于研究萌发的小麦种子呼吸方式及其产物（呼吸底物都为糖类），下列有关分析错误的是（ ）
A．装置甲可用于探究细胞呼吸是否产生热量
B．装置乙有色液滴不移动，说明种子萌发只进行需氧呼吸
C．装置丙可根据澄清石灰水是否变混浊探究酵母菌的细胞呼吸方式
D．3个装置中的种子都必须进行消毒处理，并设置对照实验
解析：
选C。
装置甲中含有温度计，可用于探究细胞呼吸是否产生热量，A正确；装置乙中，若有色液滴不移动，说明气体的量没有变化，说明种子萌发只进行需氧呼吸，B正确；装置丙中澄清石灰水可检测CO2，因此该装置可用于探究萌发的种子细胞呼吸是否产生CO2，因酵母菌需氧呼吸和厌氧呼吸均产生CO2，因此不能根据澄清石灰水是否变混浊探究酵母菌的细胞呼吸方式，C错误；微生物也会进行细胞呼吸，所以三个装置中的种子都必须进行消毒处理，都需要设置对照实验，D正确。
2．一位学生将葡萄糖和酵母菌溶液放入一个保温瓶中，并用带有两个孔的塞子封口，如下图所示。
随着反应进行，指示剂的颜色开始改变（该指示剂遇酸变红）。
下列判断正确的是（ ）
A．保温瓶内的温度将一直慢慢升高
B．保温瓶中O2的含量对酵母菌细胞呼吸的类型有重要的影响
C．实验可用来测定酵母菌细胞呼吸释放的CO2量
D．指示剂变色的情况与保温瓶中空气的量无关，与葡萄糖的量有关
解析：
选B。
酵母菌在有氧的条件下进行需氧呼吸，在无氧的条件下进行厌氧呼吸，因此保温瓶中O2的含量对酵母菌细胞呼吸的类型有重要的影响。
知识点二 需氧呼吸和厌氧呼吸
1．需氧呼吸三个阶段的比较
项目
第一阶段
（糖酵解）
第二阶段
第三阶段
场所
细胞溶胶
线粒体基质
线粒体内膜
反应物
葡萄糖
丙酮酸、H2O
[H]、O2
生成物
丙酮酸、
[H]、ATP
CO2、ATP、[H]
H2O、ATP
能量
少量（2ATP）
少量（2ATP）
大量（28ATP）
2.需氧呼吸与厌氧呼吸的比较
项目
需氧呼吸
厌氧呼吸
反应
条件
需要O2、酶和适宜的温度
不需要O2，需要酶和适宜的温度
呼吸
场所
第一阶段在细胞溶胶中，第二、三阶段在线粒体内
全过程都在细胞溶胶中
分解产物
CO2和H2O
乳酸或乙
醇和CO2
释放能量
大量
少量
特点
有机物彻底分解，能量完全释放
有机物没有彻底分解，能量没完全释放
相互联系
其实质都是分解有机物，释放能量，生成ATP供生命活动需要；第一阶段（糖酵解）完全相同
（1）需氧呼吸和厌氧呼吸的公共途径是细胞呼吸的第一阶段；都在活细胞中进行。
虽然厌氧呼吸不需要O2，但该过程也是氧化分解。
（2）需氧呼吸过程中H2O既是反应物（第二阶段利用），又是生成物（第三阶段生成），且生成的H2O中的氧全部来源于O2。
（3）有H2O生成一定是需氧呼吸，有CO2生成一定不是乳酸发酵。
（4）厌氧呼吸只释放少量能量，其余的能量储存在分解不彻底的氧化产物——乙醇或乳酸中。
[温馨提醒]
（1）葡萄糖等有机物中的能量是稳定的化学能，不能被细胞各项生命活动直接利用，只能通过细胞呼吸将其氧化分解，释放的能量被ADP捕获生成ATP，ATP才是各项生命活动的直接能源。
细胞呼吸是生物体内最大最重要的放能反应。
（2）需氧呼吸和厌氧呼吸的第一阶段完全一样，都是糖酵解，前者生成[H]进入线粒体，参与第三阶段，而后者生成的[H]，用于厌氧呼吸第二阶段还原丙酮酸或乙醛。
（3）相同呼吸底物、不同呼吸类型和代谢产物的直接原因是催化反应的酶不同，其根本原因是不同生物体内基因的不同。
（4）厌氧呼吸只在第一阶段生成ATP，需氧呼吸三个阶段都生成ATP。
发展素养 科学思维
酵母菌和大部分植物细胞既能进行需氧呼吸，又能进行产乙醇的厌氧呼吸，如何根据反应物或产物判断呼吸的类型？
提示：
（1）依据O2吸收量和CO2释放量判断：
①不消耗O2，释放CO2―→只进行产乙醇的厌氧呼吸；
②O2吸收量＝CO2释放量―→只进行需氧呼吸或同时进行产乳酸的厌氧呼吸；
③O2吸收量＜CO2释放量―→两种呼吸方式同时进行，且多余的CO2来自产乙醇的厌氧呼吸。
（2）依据乙醇和CO2生成量判断
①乙醇量＝CO2量―→只进行产乙醇的厌氧呼吸；
②乙醇量＜CO2量―→两种呼吸方式同时进行，且多余的CO2来自需氧呼吸。
1．下图表示萌发的小麦种子中可能发生的相关生理过程，a～e表示物质，①～④表示过程。
下列有关叙述正确的是（ ）
A．催化反应②和④的酶都存在于细胞溶胶中
B．图中物质c为[H]，它只在需氧呼吸过程中产生
C．图中①②过程主要发生在小麦种子萌发的早期，其中e为ATP
D．①④③过程为需氧呼吸的三个阶段，其中物质a、d分别是丙酮酸和O2
解析：
选D。
题图为细胞呼吸的全过程，①②过程为厌氧呼吸，①④③过程为需氧呼吸，a、b、c、d、e分别表示丙酮酸、CO2、[H]、O2、乙醇；催化反应②和④的酶分别存在于细胞溶胶和线粒体中，厌氧呼吸的第一阶段也产生[H]。
2．（2020·台州期末）研究人员选取体长、体重一致的斑马鱼随机均分成对照组和训练组，其中训练组每天进行运动训练（持续不断驱赶斑马鱼游动），对照组不进行。
训练一段时间后，分别测量两组斑马鱼在静止时及相同强度运动后的肌肉乳酸相对含量，结果如下图。
下列叙述正确的是（ ）
A．乳酸是由丙酮酸在线粒体基质中转化形成的
B．运动训练可降低厌氧呼吸在运动中的供能比例
C．运动训练可降低斑马鱼静止时的厌氧呼吸强度
D．静止时斑马鱼所需ATP主要在细胞溶胶生成
答案：
B
3．在植物细胞中，葡萄糖的分解过程如图所示，下列有关叙述中正确的是（ ）
A．该过程发生在细胞溶胶中
B．O2不足条件下不能进行该过程
C．图中产生的[H]用于需氧呼吸第二阶段反应
D．上图中的ATP合成量小于ATP的分解量
解析：
选A。
由分解过程可知此为需氧呼吸和厌氧呼吸共同的第一阶段，发生在细胞溶胶中，不消耗O2，A正确，B错误；需氧呼吸第一、二阶段产生的[H]用于第三阶段生成水，C错误；第一阶段结果是产生少量ATP，因此ATP合成量大于分解量，D错误。
4．有一瓶酵母菌和葡萄糖的混合培养液，当通入不同浓度的O2时，其产生的乙醇和CO2的量如表所示。
下列叙述中错误的是（ ）
氧浓度
a
b
c
d
产生CO2的量（mol）
9
12.5
15
30
产生乙醇的量（mol）
9
6.5
6
0
A.氧浓度为b时，经需氧呼吸产生的CO2为6mol
B．氧浓度为c时，消耗的葡萄糖有50%通过乙醇发酵
C．氧浓度为d时，只进行需氧呼吸
D．氧浓度为a时，不进行需氧呼吸
答案：
B
知识点二 影响细胞呼吸的环境因素以及与生产、生活的关系
1．温度
（1）原理：
细胞呼吸在最适温度时最强；超过最适温度，呼吸酶活性降低甚至变性失活，细胞呼吸受抑制；低于最适温度，酶活性下降，细胞呼吸也受抑制（如下图）。
（2）应用：
生产上常利用这一原理在低温下储存蔬菜、水果。
在大棚蔬菜的栽培过程中夜间适当降温，抑制细胞呼吸，减少有机物的消耗，可达到提高产量的目的。
2．O2浓度
（1）原理：
绿色植物或酵母菌在完全缺氧条件下进行厌氧呼吸，在低氧条件下通常厌氧呼吸与需氧呼吸并存，O2的存在对厌氧呼吸起抑制作用。
在一定范围内，需氧呼吸强度随O2浓度的增加而增强。
关于厌氧呼吸和需氧呼吸与O2浓度之间的关系，可用下图表示。
①当O2浓度为0时，细胞只进行厌氧呼吸，Q点对应的纵坐标大小表示厌氧呼吸的强度。
②当O2浓度在0～10%之间时，需氧呼吸与厌氧呼吸共存，随着O2浓度增加，厌氧呼吸强度减弱，需氧呼吸强度增强。
③当O2浓度大于或等于10%时，厌氧呼吸消失，此后只进行需氧呼吸。
但当O2浓度达到一定值后，需氧呼吸强度不再随O2浓度的增大而增强。
④当O2浓度为R点对应的O2浓度时，有机物消耗量相对较少，在该O2浓度下保存瓜果蔬菜效果较好。
⑤O2吸收量也可以表示需氧呼吸产生CO2的量，所以，两条实线间的距离可表示厌氧呼吸的强度，当两曲线重合时（距离为0），厌氧呼吸强度为0。
（2）应用
①生活中常利用降低O2浓度来抑制细胞呼吸，减少有机物消耗这一原理来延长蔬菜水果的保鲜时间。
但是，在完全无氧的情况下，厌氧呼吸强，分解的有机物也较多，不利于蔬菜水果的保质、保鲜，所以一般采用低氧保存，此时需氧呼吸较弱，而厌氧呼吸又受到抑制。
②无土栽培通入空气，农耕松土等都是为了增加O2含量，加强根部的需氧呼吸，保证能量供应，促进矿质元素的吸收。
③用透气纱布或“创可贴”包扎伤口：
增加通气量，抑制厌氧菌的厌氧呼吸。
④酿酒时早期通气——促进酵母菌需氧呼吸，利于菌种繁殖；后期密封发酵罐——促进酵母菌厌氧呼吸，利于产生乙醇。
3．CO2浓度
CO2是细胞呼吸产生的，从化学平衡角度分析，CO2浓度增加，呼吸速率下降。
在密闭的地窖中，O2浓度低，CO2浓度较高，抑制细胞呼吸，使细胞的代谢水平降低，有利于保存蔬菜水果（如图）。
4．含水量
细胞呼吸的各种化学反应都是在水中进行的，水含量增加，代谢加强。
粮油种子的贮藏，必须降低含水量，使种子处于风干状态，从而使细胞呼吸降至最低，以减少有机物消耗。
如果种子含水量过高，细胞呼吸加强，使贮藏的种子堆中温度上升，反过来又进一步促进种子的细胞呼吸，使种子的品质变坏（如图）。
发展素养 社会责任
人在剧烈运动时，会因骨骼肌进行厌氧呼吸积累过多的乳酸而感到肌肉酸痛。
运动成为当今人们生活的一种时尚，健身教练提倡有氧运动，请根据需氧呼吸和厌氧呼吸的产物及释放能量多少的角度分析原因。
提示：
需氧呼吸的产物是CO2和H2O，对机体的影响较小，且有机物中的能量全部释放。
而厌氧呼吸的产物中的乳酸对机体不利，且有机物中的能量仅释放一部分。
1．下图表示某植物的非绿色器官在氧浓度为a、b、c、d时，CO2释放量和O2吸收量的变化。
下列相关叙述不正确的是（ ）
A．氧浓度为a时，只有厌氧呼吸
B．氧浓度为b时，厌氧呼吸消耗葡萄糖的量是需氧呼吸的5倍
C．氧浓度为c时，厌氧呼吸和需氧呼吸都产生丙酮酸
D．氧浓度为d时，为厌氧呼吸消失的临界点
解析：
选D。
据图可知，环境中氧浓度为a时，O2吸收量是0，说明没有需氧呼吸，CO2释放量是10，全部来自厌氧呼吸；环境中氧浓度为b时，O2吸收量是3，说明需氧呼吸CO2释放量为3，因CO2总释放量是8，故厌氧呼吸CO2释放量为5，则厌氧呼吸消耗葡萄糖的量为2.5，需氧呼吸消耗葡萄糖的量为0.5，故厌氧呼吸消耗的葡萄糖的量是需氧呼吸的5倍；环境中氧浓度为c时，厌氧呼吸和需氧呼吸都产生丙酮酸；环境中氧浓度为d时，O2吸收量和CO2的释放量都是7，只有需氧呼吸，也可能在c浓度之后、d浓度之前，厌氧呼吸就已经消失，所以说d浓度是临界点不合适。
2．（2020·宁波高一检测）下列关于细胞呼吸的叙述，正确的是（ ）
A．水稻根部主要进行厌氧呼吸，所以能长期适应缺氧环境
B．荔枝在无O2、干燥、零下低温的环境中，可延长保鲜时间
C．马拉松运动时，运动员主要是从厌氧呼吸中获得能量
D．高等生物保留厌氧呼吸的能力，有利于对不良环境的适应
解析：
选D。
水稻根细胞主要进行需氧呼吸，若长期进行厌氧呼吸，则产生的乙醇对根细胞有毒害作用，A项错误；荔枝在低氧、湿度适中、零上低温的环境中，可延长保鲜时间，B项错误；马拉松运动时，运动员主要是从需氧呼吸中获得能量，厌氧呼吸产生的能量很少，C项错误；高等生物保留厌氧呼吸的能力，有利于对不良环境的适应，D项正确。
3．自然界中的酵母菌种类繁多、分布很广，是人类在发酵中常用的菌种。
回答下列相关问题：
（1）图一是酵母菌的结构示意图，酵母菌是____________（填“原核”或“真核”）生物，判断依据是__________________________________。
（2）酵母菌繁殖时，主要进行____________呼吸，其发生的场所是______________________。
（3）实验室用两种方式以葡萄糖为原料利用酵母菌发酵生产酒精。
甲发酵罐中保留一定量的氧气，乙发酵罐中没有氧气，其余条件均相同且适宜。
实验过程中每隔1h分别测定一次两发酵罐中氧气和酒精的物质的量，记录数据并绘成如图二所示的坐标图。
①在实验结束时甲、乙两发酵罐中产生的二氧化碳量之比为____________；甲、乙两发酵罐分别在____________（填写时间）的厌氧呼吸速率最快。
②由甲、乙发酵罐中的实验结果可以得出，要提高酒精产量需____________。
③在甲、乙发酵罐发生的相同生理过程的总反应式：
__________________________________________。
解析：
（1）图一是酵母菌的结构示意图，酵母菌是真核生物，真核细胞均具有核膜包被的成形的细胞核。
（2）酵母菌在有氧气的条件下进行需氧呼吸从而大量繁殖，需氧呼吸的场所是细胞溶胶和线粒体。
（3）①由题图可知，发酵罐中消耗的氧气是6mol，即产生的二氧化碳也是6mol，产生的酒精是18mol，即产生的二氧化碳也是18mol，甲发酵罐产生的二氧化碳总量是6＋18＝24mol，乙发酵罐产生的酒精是15mol，即产生的二氧化碳也是15mol，乙发酵罐产生的二氧化碳为15mol，则实验结束时甲、乙两发酵罐中产生的二氧化碳量之比为24∶15＝8∶5；曲线斜率最大时厌氧呼吸速率最快，因此从图中看出甲、乙两发酵罐分别在3h、5h的厌氧呼吸速率最快。
②由甲、乙发酵罐中实验结果可以得出，要提高酒精的产量需要首先让酵母菌需氧呼吸大量增殖，然后再密封让酵母菌进行厌氧呼吸发酵产生酒精，因此要提高酒精产量需通入少量的氧气。
③在甲、乙发酵罐发生的相同生理过程的总反应式：
C6H12O6
2C2H5OH＋2CO2＋能量。
答案：
（1）真核 有以核膜为界限的细胞核
（2）需氧 细胞溶胶和线粒体
（3）①8∶5 第5h和第3h ②通入少量的氧气
③C6H12O6
2C2H5OH＋2CO2＋能量
核心知识小结
[要点回眸]
[答题必备]
细胞呼吸是指在细胞内进行的将糖类等有机物分解成无机物或者小分子有机物，并且释放出能量的过程。
需氧呼吸必须有氧参与，将有机物中的碳氧化为二氧化碳，将氢氧化成水。
需氧呼吸的总反应式：
C6H12O6＋6H2O＋6O2
6CO2＋12H2O＋能量。
乳酸发酵的总反应式：
C6H12O6
2C3H6O3＋能量。
乙醇发酵的总反应式：
C6H12O6
2C2H5OH＋2CO2＋能量。
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