细胞呼吸（生物必修一）

高中人教2019版新教材生物必修一第五章细胞呼吸、O2是有氧呼吸所必需的，且O2对无氧呼吸过程有抑制作用。 随着氧气浓度增加，有氧呼吸不断增强，无氧呼吸受到抑制，当氧气浓度达到一定值后，受呼吸酶数量等因素的限制，有氧呼吸的强度不再增大。

细胞呼吸

• 有氧呼吸
  • 概念
    • 有氧呼吸是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。
  • 反应式
  • 场所
    • 主要在线粒体。（细胞质基质和线粒体）
      • 线粒体具有内外两层膜，内膜的某些部位向内腔折叠形成嵴，嵴使内膜的表面积大大增加。嵴的周围充满了液态的基质。线粒体的内膜上和基质中含有许多与有氧呼吸有关的酶。
  • 过程
    • • [H]实质是还原型辅酶Ⅰ，NAD+氧化型辅酶Ⅰ
  • 有氧呼吸过程中各元素的去向
    • 氧气中的氧全部生成产物水。
    • 水在第二阶段参加反应，生成二氧化碳。二氧化碳中的氧一半来源于水，一般来源于葡萄糖。
  • 能量转化
    • 生成32molATP,其余约66%以热能形式散失
  • 有氧呼吸与有机物在体外燃烧的不同特点及对生物体的意义
    • 比较
      • 有氧呼吸过程温和
      • 有氧呼吸进行时有机物中的能量经过一系列的化学反应逐步释放。
      • 有氧呼吸释放的能量有相当一部分储存在ATP中。
      • 细胞呼吸过程中释放的能量，大部分过能力以热能形式散失。
    • 对生物体的意义
      • 使有机物中的能量逐步转移到ATP中，逐步缓慢释放能量，保证有机物中的能量得到最充分的利用且有利于维持细胞的相对稳定状态。
• 无氧呼吸
  • 概念
    • 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，释放少量能量的过程，就是无氧呼吸。
      • 无氧呼吸只在第一阶段释放少量的能量，生成少量ATP。
      • 酵母菌、乳酸菌等生物的无氧呼吸也叫做发酵。
  • 场所
    • 细胞质基质。
  • 类型和过程
    • 第一阶段
      • （与有氧呼吸第一阶段完全相同）
    • 第二阶段
      • （丙酮酸不彻底氧化分解），不放能
      • • 大多数植物细胞，酵母菌等
      • • 高等动物、乳酸菌、少数植物器官（马铃薯的块茎、甜菜的块根、玉米胚等）
    • 总反应式
  • 能量转化
    • 大部分以热能形式散失
    • 无氧呼吸过程中1 mol葡萄糖在分解成乳酸时，只释放出196.65 kJ的能量，其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP(2 mol)中，近69%的能量都以热能的形式散失了。
    • 无氧呼吸过程中1 mol葡萄糖分解成酒精和CO2时，只释放出225.94 kJ的能量，其中同样只有61.08 kJ的能量储存在ATP(2 mol)中，近73%的能量都以热能的形式散失了。
• 细胞呼吸原理的简单应用
  • 细胞呼吸概念
    • 细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放能量并生成ATP的过程。
  • 细胞呼吸的意义
    • 细胞呼吸能为生物体提供能量，还是生物代谢的枢纽。
    • 例如，在细胞呼吸过程中产生的中间产物，可转化为甘油、氨基酸等非糖物质；非糖物质代谢形成的某些产物与细胞呼吸中间产物相同，这些物质可以进一步形成葡萄糖。蛋白质、糖类和脂质的代谢，都可以通过细胞呼吸过程联系起来。
  • 有氧呼吸原理的应用
    • 利用淀粉、醋酸杆菌或谷氨酸棒状杆菌生产食醋或味精。酵母菌制作馒头、面包。
    • 提倡慢跑等有氧运动使细胞进行有氧呼吸，避免肌细胞产生大量乳酸。
    • 作物中耕松土、稻田适时排水有利于改善氧气供应来促进作物根系的呼吸作用，有利于作物生长。
    • 储藏果实、蔬菜时，采取低温、低氧等措施减弱果蔬的呼吸作用，减少有机物的消耗。
  • 无氧呼吸原理的应用
    • 酿酒、泡菜、酸奶等传统食品制作。利用乳酸菌无氧呼吸产生乳酸；利用酵母菌无氧呼吸产生酒精。
    • 包扎伤口应选用透气的消毒纱布或“创可贴”等敷料。为伤口创造有氧的环境，避免厌氧菌的繁殖，有利于伤口的愈合。
    • 皮肤破损较深或被锈钉扎伤后，需清理伤口并注射破伤风抗毒血清等。 防止破伤风芽孢杆菌可通过无氧呼吸进行大量繁殖。
• 影响细胞呼吸的因素及其应用
  • 内因
    • 遗传特性：不同种类的植物呼吸速率不同。 实例：旱生植物小于水生植物，阴生植物小于阳生植物。
    • 生长发育时期：同一植物在不同的生长发育时期呼吸速率不同。 实例：幼苗期呼吸速率高，成熟期呼吸速率低。
    • 器官类型：同一植物的不同器官呼吸速率不同。 实例：生殖器官大于营养器官。
  • 外因
    • 温度
      • 影响：细胞呼吸是一系列酶促反应，温度通过影响酶的活性来影响细胞呼吸速率。细胞呼吸的最适温度一般在25～35 ℃之间。
      • 应用：零上低温条件下储藏蔬菜和水果；蔬菜大棚夜间适当降温，以降低细胞呼吸对有机物的消耗，从而提高产量；温水和面发的快。
    • 氧气
      • O2是有氧呼吸所必需的，且O2对无氧呼吸过程有抑制作用。 随着氧气浓度增加，有氧呼吸不断增强，无氧呼吸受到抑制，当氧气浓度达到一定值后，受呼吸酶数量等因素的限制，有氧呼吸的强度不再增大。
      • Ⅰ.O2浓度＝0时，只进行无氧呼吸。 Ⅱ.0<O2浓度<10%时，同时进行有氧呼吸和无氧呼吸。 Ⅲ.O2浓度≥10%时，只进行有氧呼吸。 Ⅳ.O2浓度＝5%时，有机物消耗最少。
      • 应用：中耕松土促进植物根部有氧呼吸；无氧发酵过程需要严格控制无氧环境低氧抑制细胞呼吸，有利于储藏粮食、水果和蔬菜
    • CO2
      • 影响：CO2是细胞呼吸的最终产物，积累过多会抑制细胞呼吸的进行。
      • 应用：在蔬菜和水果保鲜中，增加CO2浓度可抑制细胞呼吸，减少有机物的消耗。
    • 水分
      • a.在一定范围内，细胞呼吸速率随含水量的增加而加快。 b.粮食在收仓前要进行晾晒处理；干种子萌发前进行浸泡处理
• 细胞呼吸方式的判断
  • 根据反应物和产物判断
    • 消耗O2或产物中有H2O，一定存在有氧呼吸。
    • 产物中有酒精或乳酸，一定存在无氧呼吸。
    • 无二氧化碳释放，一定为产乳酸的无氧呼吸或死亡。
  • 根据根据CO2释放量与O2消耗量判断
    • 不消耗O2，释放CO2→只进行产酒精的无氧呼吸。
    • 不消耗O2，不释放CO2→只进行产乳酸的无氧呼吸或细胞已死亡。
    • CO2释放量等于O2吸收量→只进行以葡萄糖为底物的有氧呼吸或既进行有氧呼吸又进行产乳酸的无氧呼吸。
    • CO2释放量大于O2吸收量→既进行有氧呼吸又进行产酒精的无氧呼吸。CO2释放量大于O2吸收量→既进行有氧呼吸又进行产酒精的无氧呼吸。如酵母菌在不同O2浓度下的细胞呼吸可如下分析：
      • 若 V(CO2):V（O2）=4:3，有氧和无氧呼吸消耗葡萄糖的速率相等。
      • 若 V(CO2):V（O2）>4:3，无氧呼吸消耗葡萄糖速率大于有氧呼吸。
      • 若 V(CO2):V（O2）<4:3，有氧呼吸消耗葡萄糖速率小于无氧呼吸。
    • CO2释放量等于酒精的产生量→只进行产酒精的无氧呼吸
    • CO2释放量大于酒精的产生量→既有进行有氧呼吸，又进行产酒精的无氧呼吸。
    • CO2释放量小于O2吸收量→可能存在脂质的氧化分解
  • 根据反应的场所判断
    • 真核细胞
      • 若整个呼吸过程均在细胞质基质中进行，则为无氧呼吸；若部分过程在线粒体中进行，则为有氧呼吸。
    • 原核细胞
      • 原核细胞没有线粒体，故原核细胞的细胞呼吸在细胞质基质和细胞膜上进行，其呼吸方式应根据产物判断，若只有CO2和H2O产生，则为有氧呼吸，若还有酒精或乳酸产生，则还存在无氧呼吸。
  • 液滴移动法探究细胞的呼吸方式
    • 实验装置
    • 实验原理
      • 装置1中加入NaOH溶液的目的是吸收二氧化碳，根据着色液滴移动的距离可测出呼吸作用消耗的氧气的体积。 装置2中着色液滴移动的距离代表呼吸作用消耗的氧气和释放的二氧化碳的体积的差值。
    • 结果分析
    • 误差的校正
      • 如果实验材料是种子，为防止微生物细胞呼吸对实验结果的干扰，应对实验装置及所测种子进行消毒处理。为防止压强、温度等物理因素引起的误差，应设置对照实验，将所测的生物材料灭活(如将种子煮熟)，其他条件均不变。
• 探究酵母菌细胞呼吸的方式
  • 基本原理
    • 呼吸作用的实质是细胞内的有机物氧化分解，并释放能量。呼吸作用也叫细胞呼吸。
    • 酵母菌是一种单细胞真菌，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。
    • 产物的检测：
      • 由于葡萄糖也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溶液中的葡萄糖。
  • 实验中的注意事项
    • 配制酵母菌培养液时，必须将煮沸的葡萄糖溶液冷却到常温，才可加入新鲜食用酵母菌，其目的是：一方面杀死葡萄糖溶液中的微生物，可以排除其他微生物对实验结果的影响，另一方面也可以排出溶液中的O2。
    • 有氧条件装置必须持续通入无菌空气，保证O2的充足。
    • 排尽反应瓶中原有空气，再连接检测装置。或先通入氮气排尽原有气体。
  • 实验结论
    • 酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸，产生大量的二氧化碳和水。
    • 酵母菌在无氧条件下进行无氧呼吸，产生酒精和少量二氧化碳
  • 【科学方法】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，来探究某种因素对实验对象的影响，这样的实验叫作对比实验。
    • 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”。