本節聚焦:細胞呼吸過程中能量是怎樣轉化的？有氧呼吸與無氧呼吸各有什么特點？細胞呼吸原理在生產和生活中有哪些應用？必修1/第5章/細胞的能量供應和利用/第3節細胞呼吸的原理和應用

酵母菌細胞富含蛋白質，可以用作飼料添加劑。在培養酵母菌用作飼料添加劑時，要給培養裝置通氣或進行振蕩，以利于酵母菌大量繁殖。在利用酵母菌生產葡萄酒時，卻需要密封發酵。

討論

1.都是培養酵母菌，為什么有的需要通氣，有的卻需要密封？發酵生產葡萄酒的車間

通氣可以給酵母菌提供呼吸需要的氧氣，利于酵母菌進行旺盛的細胞分裂；密封則是避免空氣進入，便于酵母菌在無氧條件下分解有機物產生酒精。

酵母菌細胞富含蛋白質，可以用作飼料添加劑。在培養酵母菌用作飼料添加劑時，要給培養裝置通氣或進行振蕩，以利于酵母菌大量繁殖。在利用酵母菌生產葡萄酒時，卻需要密封發酵。

討論

2.為什么通氣有利于酵母菌大量繁殖？發酵生產葡萄酒的車間

在有氧條件下，酵母菌分解營養物質釋放的能量多，這些能量可以為酵母菌細胞進行物質代謝和細胞分裂提供充足的動力。3.在密封發酵時，酵母菌將有機物轉化為酒精對它自身有什么意義？

密封發酵時，酵母菌將有機物轉化為酒精的同時，能為自己的生命活動提供少量能量。呼吸作用的實質:呼吸作用的實質是細胞內的有機物氧化分解，并釋放能量。也叫細胞呼吸。一、細胞呼吸的方式酵母菌是一種單細胞真菌，在有氧和無氧的條件下都能生存，屬于兼性厭氧菌。因此便于用來研究細胞呼吸的不同方式。酵母菌代謝類型同化類型異化類型自養型異養型需氧型厭氧型兼性厭氧型細胞呼吸是否都需要氧？生物在有氧和無氧條件下是否都能進行細胞呼吸呢？一、細胞呼吸的方式探究酵母菌細胞呼吸的方式實驗目的分析有氧和無氧條件下酵母菌細胞的呼吸情況。酵母菌在有氧和無氧條件下細胞呼吸的產物是否相同？有氧/無氧條件下都可以產生酒精嗎？有氧/無氧條件下都可以產生CO2嗎？提出問題探究酵母菌細胞呼吸的方式作出假設假設酵母菌在有氧和無氧條件下均能進行細胞呼吸。有氧條件下產生CO?，無氧條件下產生酒精；有氧、無氧條件都能產生酒精和CO?；有氧、無氧條件下都能產生CO?，有氧條件下產生的CO?多，無氧條件下能產生酒精。等等設計實驗探究酵母菌細胞呼吸的方式實驗原理1.通入澄清的石灰水：2.溴麝香草酚藍溶液：3.CO2多少：澄清→渾濁藍→綠→黃CO2的檢測：石灰水渾濁程度或由藍→綠→黃所需時間長短橙色的重鉻酸鉀溶液在酸性下與酒精發生反應：橙色→灰綠色酒精的檢測：設計實驗探究酵母菌細胞呼吸的方式有氧呼吸和無氧呼吸裝置：質量分數為10%NaOH溶液酵母菌培養液澄清石灰水澄清石灰水酵母菌培養液接橡皮球或氣泵將B瓶先反應一段時間，然后再連接盛有澄清石灰水的錐形瓶有氧一組不斷通入空氣（氧氣）以保證反應始終在有氧條件進行。無氧一組先反應一段時間消耗掉培養液中的氧氣以保證反應在無氧條件下進行。問題1.如何實現嚴格的有氧和無氧條件？設計實驗探究酵母菌細胞呼吸的方式有氧呼吸和無氧呼吸裝置：質量分數為10%NaOH溶液酵母菌培養液澄清石灰水澄清石灰水酵母菌培養液接橡皮球或氣泵將B瓶先反應一段時間，然后再連接盛有澄清石灰水的錐形瓶問題2.A瓶前通過含NaOH溶液的目的是什么？去除空氣中CO2，保證澄清石灰水變渾濁是酵母菌有氧條件產生CO2所致。設計實驗探究酵母菌細胞呼吸的方式有氧呼吸和無氧呼吸裝置：質量分數為10%NaOH溶液酵母菌培養液澄清石灰水澄清石灰水酵母菌培養液接橡皮球或氣泵將B瓶先反應一段時間，然后再連接盛有澄清石灰水的錐形瓶問題3.B瓶應封口放置一段時間后，再連通盛有澄清石灰水的錐形瓶的目的？消耗掉B瓶中的氧氣，確保通過澄清石灰水的CO2是無氧呼吸產生的。設計實驗自變量:因變量:無關變量:細胞呼吸的條件(有無氧氣)細胞呼吸的產物(酒精、CO2)

溫度、PH等(相同且適宜)探究酵母菌細胞呼吸的方式該實驗中變量分析：進行實驗酵母菌培養液的配制取20g新鮮的食用酵母菌，分成兩等份，分別放入A、B兩錐形瓶(500mL)中。分別向瓶中注入240mL質量分數為5%的葡萄糖溶液。進行實驗探究酵母菌細胞呼吸的方式CO2的檢測和觀察1.通入澄清的石灰水：藍→綠→黃；有氧呼吸比無氧呼吸所需時間長短。有氧裝置澄清石灰水變渾濁，出現時間快；無氧裝置澄清石灰水變渾濁，出現時間慢。2.通入溴麝香草酚藍溶液：組裝實驗裝置及培養：按圖組裝實驗裝置，需氧裝置中間歇性通氣約50min，在25～35℃的環境中培養8～10h。進行實驗探究酵母菌細胞呼吸的方式酒精的檢測橙色的重鉻酸鉀溶液在酸性下與酒精發生反應：橙色→灰綠色注意：因為葡萄糖也能與酸性重鉻酸鉀發生顏色變化。因此，應將酵母菌的培養時間適當延長以消耗盡溶液中的葡萄糖。1.各取2mL酵母菌培養液的濾液注入2支干凈的試管中；2.向試管中分別滴加0.5mL溶有0.1g重鉻酸鉀的濃硫酸溶液，振蕩、觀察。現象：有氧呼吸裝置中不變灰綠色；無氧裝置中變灰綠色。得出結論探究酵母菌細胞呼吸的方式1.酵母菌在有氧和無氧條件下均能進行細胞呼吸；2.在有氧條件下，通過細胞呼吸產生大量的CO2；3.在無氧條件下，通過細胞呼吸產生酒精和少量的CO2。實驗裝置改進

有同學認為，在有氧呼吸實驗裝置中10％的NaOH溶液不能完全吸收空氣中的CO2，以致可能對實驗結果有干擾，你同意嗎？你如何避免這種可能性的發生，以保證實驗更嚴謹？質量分數為10%NaOH溶液酵母菌培養液澄清石灰水接橡皮球或氣泵澄清石灰水驗證空氣中的CO2是否完全被吸收。對比實驗概念：設置兩個或兩個以上的實驗組，通過對結果的比較分析，來探究某種因素對實驗對象的影響，這樣的實驗叫作對比實驗，也叫相互對照實驗。施加實驗因素處理的，且實驗結果未知。實驗組：在“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中，需要設置有氧和無氧兩種條件來探究酵母菌在不同氧氣條件下細胞呼吸的方式，這兩個實驗組的結果都是事先未知的，通過對比可以看出氧氣條件對細胞呼吸的影響。對比實驗也是科學探究中常用的方法之一。舉例：細胞呼吸：有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，生成CO2或其他產物，釋放能量并生成ATP的過程。有氧呼吸：細胞在_______的參與下，通過_________的催化作用，把_________等有機物_________________，產生______和_______，釋放________，生成___________的過程。氧多種酶葡萄糖能量徹底氧化分解大量ATPCO2H2O

細胞呼吸包括有氧呼吸和無氧呼吸。細胞呼吸分類：對于絕大多數生物來說，有氧呼吸是細胞呼吸的主要形式，這一過程必須有氧的參與。有氧呼吸的主要場所是線粒體。二、有氧呼吸酶C6H12O6

＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O＋能量二、有氧呼吸線粒體結構：（1）線粒體增大膜面積的方式：

。（2）線粒體增大膜面積的意義：

。（3）有氧呼吸的酶分布在：

。（4）線粒體的功能：

。內膜向內折疊成嵴增大有氧呼吸酶的附著位點線粒體內膜和線粒體基質進行有氧呼吸的主要場所外膜內膜嵴線粒體基質二、有氧呼吸有氧呼吸過程:將有氧呼吸劃分為三個階段，每一階段都需要酶催化，并有ATP生成。1個分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸，產生少量[H]，并且釋放出少量的能量。這一階段不需要氧的參與，是在細胞質基質中進行的。2C3H4O3+4[H]+少量能量C6H12O6酶[H]指的是還原型輔酶Ⅰ（NADH）第一階段1.熱能形式散失（大部分）2.合成ATP（少部分）少量能量二、有氧呼吸有氧呼吸過程:[H]指的是還原型輔酶Ⅰ（NADH）丙酮酸和水徹底分解成二氧化碳和[H]，并釋放出少量的能量。這一階段不需要氧的參與，是在線粒體基質中進行的。2C3H4O3+6H2O20[H]+6CO2+少量能量酶第二階段1.熱能形式散失（大部分）2.合成ATP（少部分）少量能量二、有氧呼吸有氧呼吸過程:[H]指的是還原型輔酶Ⅰ（NADH）上述兩個階段產生的[H]，經過一系列的化學反應，與氧結合形成水，同時釋放出大量的能量。這一階段需要氧的參與，是在線粒體內膜上進行的。第三階段24[H]+6O212H2O+大量能量酶1.熱能形式散失（大部分）2.合成ATP（少部分）大量能量歸納：有氧呼吸過程C6H12O62C3H4O32C3H4O3+4[H]+少量能量C6H12O6酶細胞質基質少量能量場所：物質變化：產生能量：第一階段：場所：物質變化：產生能量：第二階段：6CO2+20[H]+少量能量2丙酮酸+6H2O酶線粒體基質少量能量場所：物質變化：產生能量：第三階段：線粒體內膜酶12H2O+大量能量24[H]+6O2大量能量6H2O6CO24[H]20[H]6O212H2O有氧呼吸場所反應物產物釋能是否需氧第一階段第二階段第三階段細胞質基質主要是葡萄糖丙酮酸、[H]少量丙酮酸、水CO2、[H]少量[H]、O2H2O大量線粒體基質線粒體內膜否否是有氧呼吸三個階段的比較二、有氧呼吸線粒體膜上沒有葡萄糖載體；線粒體中沒有氧化分解葡萄糖的酶。思考1.為什么線粒體不能直接氧化分解葡萄糖？思考2.原核生物（如藍藻、硝化細菌等）沒有線粒體，但也能進行有氧呼吸的原因及場所是?原因：含有與有氧呼吸有關的酶；場所：細胞質和細胞膜內表面。二、有氧呼吸二、有氧呼吸有氧呼吸中各元素原子的運動軌跡C6H12O6+6H2O+6O2

6CO2

+12H2O+能量酶（2）H原子運動：（1）C原子運動：（3）O原子運動：C6H12O62C3H4O36CO

2C6H12O64[H]2C3H4O3+6H2O12H2O20[H]C6H12O62C3H4O3+6H2O

6CO26O212H2O有氧呼吸的能量利用特點1.在細胞內，1mol的葡萄糖徹底氧化分解可以釋放出約為2870kJ的能量，可使977.28kJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量則以熱能的形式散失掉了。請你計算一下，有氧呼吸的能量轉化效率大約是多少？這些能量大約能使多少ADP轉化為ATP?

轉化效率=977.28kJ/2870kJ

=34%產生ATP的mol數=977.28kJ/30.54kJ

=32mol第1階段：2mol第2階段：2mol第3階段：28mol糖類等有機物中穩定的化學能ATP中活躍的化學能和熱能（大部分）

2.與燃燒迅速釋放能量相比，有氧呼吸是逐級釋放能量的，這對于生物體來說具有什么意義？可以使有機物中的能量逐步地轉移到ATP中，能量緩慢有序地釋放，有利于維持細胞的相對穩定狀態。同有機物在生物體外的燃燒相比，有氧呼吸具有的特點有：（1）有氧呼吸過程溫和；（2）有機物中的能量經過一系列的化學反應逐步釋放；（3）這些能量有相當一部分儲存在ATP中。有氧呼吸的能量利用特點三、無氧呼吸除酵母菌外，還有許多細胞(如乳酸菌)能進行無氧呼吸。此外，馬鈴薯塊莖、水稻根、蘋果果實等植物器官的細胞以及動物骨骼肌的肌細胞等，除了能進行有氧呼吸外，在缺氧條件下也有進行無氧呼吸。1.場所：細胞質基質2.過程：C6H12O6酶2

C3H4O3＋4[H]＋少量能量第一階段場所：細胞質基質與有氧呼吸第一階段完全相同!1.熱能形式散失（大部分）2.合成ATP（少部分）三、無氧呼吸第二階段場所：細胞質基質產乳酸的無氧呼吸C6H12O62C3H6O3+少量能量酶人、動物、乳酸菌、甜菜的塊根、馬鈴薯塊莖、玉米的胚、胡蘿卜的葉子等。2C3H6O3(乳酸)2C3H4O3+4[H]

酶總反應式：反應式：適用生物或組織：此過程不產生能量三、無氧呼吸第二階段場所：細胞質基質產酒精的無氧呼吸2CO2+

2C2H5OH(酒精)2C3H4O3+4[H]

酶適用生物或組織：絕大多數植物細胞、酵母菌等。C6H12O62C2H5OH+2CO2+少量能量酶總反應式：反應式：三、無氧呼吸3.概念：細胞在_______________的情況下，葡萄糖等有機物經過________分解，釋放出___________的過程。沒有氧氣參與不完全少量能量4.無氧呼吸過程中的能量轉換：1mol葡萄糖經過無氧呼吸，釋放196.65kJ的能量，其中61.08kJ儲存在ATP中，其余以熱能形式散失。試計算：(1)無氧呼吸消耗1mol葡萄糖能合成多少ATP(2)為什么無氧呼吸只能釋放少量能量？剩余的能量都去哪了?產生ATP的mol數=61.08/30.54=2mol（第1階段：2mol；第2階段：0）葡萄糖的分解不徹底，還有大量的能量存留在酒精或乳酸中。歸納：無氧呼吸過程葡萄糖丙酮酸[H]

乙醇發酵

酶

乳酸發酵

酶酒精+CO2乳酸酶第二階段第一階段少量能量場所：物質變化：產能情況：細胞質基質C6H12O62C3H4O3+4[H]+少量能量酶少量能量場所：細胞質基質物質變化：產能情況：無或2C3H6O3(乳酸)2C3H4O3+4[H]

酶2CO2+

2C2H5OH(酒精)2C3H4O3+4[H]酶有氧呼吸與無氧呼吸有哪些異同？請嘗試設計簡明的表格來比較。呼吸方式有氧呼吸無氧呼吸不同點場所條件分解產物能量ATP產生階段相同點細胞質基質、線粒體細胞質基質氧氣、多種酶無氧氣、多種酶葡萄糖徹底分解為CO2和H2O葡萄糖不徹底分解，形成乳酸或酒精和CO2釋放大量能量釋放少量能量，大部分能量儲存在乳酸或酒精中有氧呼吸的三個階段均產生ATP僅在第一階段產生ATP第一階段反應完全相同；兩種呼吸方式實質相同，都是分解有機物，釋放能量。有氧呼吸和無氧呼吸的判斷方法1.既無O2的吸收也無CO2的釋放，則呼吸方式為：

2.無O2的吸收有CO2的釋放，則呼吸方式為：3.既有O2的吸收也有CO2

的釋放，且O2吸收量=

CO2釋放量，則呼吸方式為：4.既有O2的吸收也有CO2的釋放，且O2吸收量＜CO2釋放量，則呼吸方式為：5.若細胞O2吸收量>CO2釋放量，說明：產乳酸的無氧呼吸產酒精的無氧呼吸只進行有氧呼吸或有氧呼吸與產乳酸的無氧呼吸同時進行同時進行有氧呼吸和產酒精的無氧呼吸細胞呼吸的底物不是糖類，可能是脂肪。四、細胞呼吸原理的應用包扎傷口時，需要選用透氣的消毒紗布或“創可貼”等敷料。原理：增加通氣量，抑制破傷風桿菌等厭氧菌的無氧呼吸，從而抑制其繁殖。利用麥芽、葡萄、糧食和酵母菌以及發酵罐等，在控制通氣的情況下，可以生產各種酒。原理：早期通氣，促進酵母菌有氧呼吸，有利于菌種繁殖；后期密封，促進酵母菌無氧呼吸產生酒精。細胞呼吸原理的應用花盆里的土壤板結后，空氣不足，會影響根系生長，需要及時松土透氣。細胞呼吸原理的應用原理：促進根部有氧呼吸，為主動運輸提供能量，有利于礦質元素的吸收。儲藏水果、糧食的倉庫，往往要通過降低溫度、降低氧氣含量等措施，來減弱水果、糧食的呼吸作用，以延長保質期。原理：降低溫度、降低氧氣含量可以降低呼吸作用強度，減少有機物的消耗。細胞呼吸原理的應用破傷風由破傷風芽孢桿菌引起，這種病菌只能進行無氧呼吸。皮膚破損較深或被銹釘扎傷后，病菌就容易大量繁殖。原理：避免破傷風芽胞桿菌（只能進行無氧呼吸）進行無氧呼吸而大量繁殖，引起破傷風。提倡慢跑等有氧運動的原因之一是:有氧運動能避免肌細胞因供氧不足進行無氧呼吸產生大量乳酸。乳酸的大量積累會使肌肉酸脹乏力。原理：避免肌肉細胞因供氧不足進行無氧呼吸而產生大量乳酸。細胞呼吸原理的應用討論2.生產和生活中還有哪些應用呼吸原理的事例？試再舉一兩例加以說明。稻田需要定期排水。如果稻田中的氧氣不足，水稻根的細胞就會進行酒精發酵，時間長了，酒精就會對根細胞產生毒害作用，使根系變黑、腐爛。提倡慢跑等有氧運動。有氧運動能避免肌肉細胞因供氧不足進行無氧呼吸產生大量的乳酸。乳酸的大量積累會使肌肉酸脹無力。指導閱讀教材P95面最后一自然段：呼吸作用的原理在生產和生活中的運用。五、影響細胞呼吸的因素（3）同一植物的不同器官呼吸速率不同：1.內因——遺傳因素（決定酶的種類和數量）旱生＜水生陰生＜陽生幼苗、開花期>成熟期生殖器官>營養器官（1）不同種類的植物呼吸作用強度不同：（2）同一植物在不同的生長發育時期呼吸作用強度不同：五、影響細胞呼吸的因素2.外部因素——溫度溫度呼吸速率溫度主要通過影響酶活性來影響呼吸速率。①低溫下貯存蔬菜、水果；②在大棚蔬菜的栽培過程中，增加晝夜溫差，減少有機物的消耗，提高產量。解釋：白天提高溫度，增加光合作用，有機物積累。晚上降低溫度，降低呼吸作用，減少有機物的消耗。五、影響細胞呼吸的因素3.外部因素——O2濃度氧氣促進有氧呼吸，抑制無氧呼吸。O2濃度CO2釋放量O2濃度CO2釋放量無氧呼吸：以酒精發酵為例，無氧呼吸隨O2濃度增加而受抑制，O2濃度越高，抑制作用越強，O2濃度達到一定值時，被完全抑制。有氧呼吸：在一定范圍內，有氧呼吸隨O2濃度增加而增加，當O2濃度達到一定值時，由于酶和底物濃度的抑制，將不再增加。無氧呼吸有氧呼吸五、影響細胞呼吸的因素3.外部因素——O2濃度O2濃度CO2釋放總量ABCA：在O2濃度為零時只進行無氧呼吸；A～B：隨O2濃度的升高，無氧呼吸逐漸受到抑制；而有氧呼吸還很弱，使得CO2釋放總量減少。B～C：主要與有氧呼吸加強有關。C：無氧呼吸停止，只進行有氧呼吸。分析某植物種子受O2濃度的影響：

生產中常利用降低氧氣濃度抑制呼吸作用，減少有機物消耗來延長蔬菜、水果保鮮時間。五、影響細胞呼吸的因素4.外部因素——CO2濃度CO2是細胞呼吸的最終產物，積累過多會抑制細胞呼吸的進行。應用：適當增加CO2濃度，抑制細胞呼吸，有利于水果和蔬菜的保鮮。

果實保鮮或儲藏，可向密封環境中充入CO2或N2降低呼吸消耗。地窖來貯藏大白菜、甘薯等。五、影響細胞呼吸的因素5.外部因素——水在一定范圍內，細胞呼吸速率隨含水量的增加而加快，隨含水量的減少而減慢。應用①糧食在收倉儲存之前要進行晾曬，甚至烘干，減少水分，以減弱細胞呼吸，減少有機物的消耗。②干種子在萌發時，要浸泡以增強代謝。運用證據和邏輯評價論點關于真核細胞線粒體的起源，科學家提出了一種解釋：約幾十億年前，有一種真核細胞吞噬了原始的需氧細菌，被吞噬的細胞不僅沒有被消化分解，反而在細胞中生存下來了。需氧細菌從宿主細胞那里得到丙酮酸氧化分解釋放的能量。在共同生存繁衍的過程中，需氧細菌進化為宿主細胞內專門進行細胞呼吸的細胞器。以下哪些證據支持這一論點，哪些不支持這一論點？1.線粒體內存在與細菌DNA相似的環狀DNA2.線粒體內的蛋白質，有少數幾種由線粒體DNA指導合成，絕大多數由核DNA指導合成。3.真核細胞內的DNA有極高比例的核苷酸序列經常不表現出遺傳效應，線粒體DNA和細菌的卻不是這樣。4.線粒體能像細菌一樣進行分裂增殖。支持：___________不支持：_________1、3、42練習與應用一、概念檢測1.某超市有一批過保質期的酸奶出現漲袋現象。酸奶中可能含有的微生物有乳酸菌、酵母菌等。據此分析漲袋現象的原因，判斷以下解釋是否合理。

（1）是乳酸菌無氧呼吸產生氣體造成的。（

）

（2）如果有酒味，可能是酵母菌無氧呼吸造成的。（

）×√.

練習與應用一、概念檢測2.下圖表示某種植株的非綠色器官在