高中生物一轮复习(或同步)知识点:细胞呼吸的原理和应用

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，释放出能量并生成ATP的过程。

（1）细胞呼吸的实质：细胞内的有机物氧化分解，并释放能量。

（2）细胞呼吸的意义：为细胞的生命活动提供能量；为各种物质间的相互转化提供了丰富的中间产物及多样的途径。

一、探究酵母菌细胞呼吸的方式

1.实验原理

（1）酵母菌：一种单细胞真菌，其代谢类型是异养兼性厌氧型，其细胞呼吸方式为有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸。

（2）细胞呼吸产物的检测

CO2的检测：使澄清的石灰水变浑浊，浑浊程度越高，产生的CO2越多；使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，变成黄色的时间越短，产生CO2越多。

酒精的检测：在酸性条件下，橙色的重铬酸钾溶液会与酒精发生化学反应，变成灰绿色。（注：创造酸性环境条件时，使用95%～97%的浓硫酸。）

2.实验装置图：

（1）甲装置：检测有氧呼吸装置。A瓶中的NaOH溶液可以吸收通入气体中的CO2，保证C瓶中的澄清石灰水变浑浊是由酵母菌有氧呼吸产生的CO2所致。

（2）乙装置：检测无氧呼吸的装置，接E瓶前，先将D瓶封口放置一段时间，使D瓶中的氧气先消耗掉，以确保E瓶澄清石灰水变浑浊是酵母菌无氧呼吸产生的CO2所致。

3.产物检测与实验现象

(1)实验装置：甲组探究酵母菌的有氧呼吸，乙组探究酵母菌的无氧呼吸。实验设计需遵循对照原则，此实验为何不设置对照组？

提示：此实验为对比实验，对比实验不设对照组，而是通过有氧和无氧条件下的两个实验组相互对照得出实验结论。

(2)无关变量控制

①通入A瓶的空气中不能含有CO2，以保证第三个锥形瓶中的澄清石灰水变混浊是由酵母菌有氧呼吸产生的CO2所致。

②B瓶应封口放置一段时间，待酵母菌将B瓶中的氧气消耗完，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，确保通入澄清石灰水中的CO2是由酵母菌无氧呼吸产生的。

实验所用的葡萄糖溶液为什么需煮沸？

提示　煮沸的主要目的是灭菌，排除其他微生物的呼吸作用对实验结果造成干扰。

二、有氧呼吸

1.概念：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。

2.过程

第一阶段（场所是细胞质基质 ）： 

第二阶段（场所是线粒体基质）：

第三阶段（场所是线粒体内膜）：

有氧呼吸的总反应式：

小结：物质变化如上化学反应方程式，注意：[H]有氧呼吸第一阶段和第二阶段都产生，有氧呼吸第二阶段产生的最多，[H]的消耗发生在第三阶段；H2O的消耗是在第二阶段，产生是在第三阶段；ATP在有氧呼吸3个阶段中都产生，在第三阶段产生最多；CO2是在第二阶段产生的；线粒体不能利用葡萄糖，利用的是丙酮酸。（注：细胞呼吸中的[H]实际上是氧化型辅酶Ⅰ（NAD＋）转化成的还原型辅酶Ⅰ（NADH）。）

能量变化：有机物中稳定的化学能转变为热能和ATP中不稳定的化学能。

解决元素转移途径问题的方法：分阶段化学反应方程式。

（4）放能：1 mol葡萄糖释放的能量中有1 161 kJ左右的能量转移至ATP中，其余能量则以热能形式散失。

（5）与有机物在生物体外燃烧相比，有氧呼吸是在温和的条件下进行的；有机物中的能量是逐步释放的；一部分能量储存在ATP中。

三、无氧呼吸　　　

微生物的无氧呼吸也叫发酵。全过程是在细胞质基质中进行的。

1.完善无氧呼吸的过程

（1）分阶段化学反应方程式：

①分解成酒精的反应式：C6H12O62C2H5OH(酒精)＋2CO2＋少量能量。

②转化成乳酸的反应式：C6H12O62C3H6O3(乳酸)＋少量能量。

小结：①无氧呼吸第一阶段与有氧呼吸第一阶段相同。

无氧呼吸只在第一阶段产生ATP，第二阶段不产生ATP，还要消耗第一阶段产生的[H]。

人体内产生的CO2只能是有氧呼吸的产物，因为人体细胞无氧呼吸的产物是乳酸，无CO2。

（3）放能：1 mol葡萄糖释放196.65 kJ（生成乳酸）或225.94 kJ（生成酒精）的能量，其中均有61.08 kJ左右转移至ATP中。

四、不同生物的无氧呼吸产物

（2）线粒体是进行有氧呼吸的主要场所，但部分原核生物无线粒体，也能进行有氧呼吸。无线粒体的真核生物（或细胞）只能进行无氧呼吸，如蛔虫、哺乳动物成熟的红细胞等。

（3）脂肪进行有氧呼吸时消耗O2的量≠产生CO2的量。脂肪与葡萄糖相比，含H量高，因此有氧呼吸消耗O2的量大于产生CO2的量。

（1）有氧呼吸时，生成物H2O中的氢只来自线粒体中丙酮酸的分解（×）

（2）有氧呼吸第二、三阶段都能产生大量ATP（×）

（3）有氧呼吸产生的[H]在线粒体基质中与氧结合生成水（×）

（4）有氧呼吸产生的能量全部储存在ATP中（×）

（5）人体在剧烈运动时所需的能量由乳酸分解提供（×）

（6）无氧呼吸不需要O2的参与，该过程最终有[H]的积累（×）

1.线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，其在结构上有哪些特点与功能相适应？

提示　（1）线粒体具有内、外两层膜，内膜向内折叠形成嵴，扩大了内膜的表面积。

（2）线粒体的内膜和基质中含有许多与有氧呼吸有关的酶。

2.无氧呼吸中葡萄糖中能量去向及释放的能量去向？

提示　无氧呼吸中葡萄糖中能量大部分储存在酒精或乳酸中，少部分释放，而释放的能量大部分以热能形式散失，少部分生成ATP。

五．细胞呼吸方式或类型的判定

1.判断细胞呼吸方式的三大依据

拓展：当产生CO2的量>消耗O2的量，同时进行有氧呼吸和无氧呼吸时：比较有氧呼吸和无氧呼吸的强弱（呼吸强度以消耗葡萄糖的量来衡量）

O2/CO2的比值：等于3/4时，有氧呼吸强度和无氧呼吸强度相等；

O2/CO2的比值：大于3/4且小于1时，有氧呼吸比无氧呼吸强；

O2/CO2的比值：小于3/4时，无氧呼吸比有氧呼吸强。

2.“实验法”判断生物呼吸类型

（1）理解前提：有氧呼吸消耗O2的量和产生CO2的量相等；产乳酸的无氧呼吸既不消耗氧气也不产生CO2；产乙醇的无氧呼吸，同时产生CO2； NaOH溶液的作用是吸收掉细胞呼吸所产生的CO2。

（2）装置甲分析：

从气体类型分析：NaOH溶液的作用是吸收掉细胞呼吸所产生的CO2，则CO2不影响对装置内气压变化或液滴的移动，即影响装置甲液滴移动的是O2含量的变化。

从细胞呼吸的类型分析：乙醇和CO2以及产乳酸的无氧呼吸都不影响液滴移动，影响液滴移动的只能是有氧呼吸。

装置甲是探究生物材料是否进行有氧呼吸，若进行有氧呼吸时液滴将向左移动。

➪装置甲液滴左移，可推断出生物材料进行着有氧呼吸（含只进行有氧呼吸、有氧呼吸和无氧呼吸同时进行两种情况）；注：这里的无氧呼吸包括产乙醇和CO2以及产乳酸的无氧呼吸。

➪装置甲液滴不动，则可推断出生物材料没进行有氧呼吸（只进行产乙醇和CO2的无氧呼吸、只进行产乳酸的无氧呼吸或生物材料已死）。

（3）装置乙分析：因有氧呼吸消耗O2的量和产生CO2的量相等，而产乳酸的无氧呼吸既不消耗氧气也不产生CO2，所以两种生理作用都不影响液滴的移动。

装置乙是探究生物材料是否进行产乙醇和CO2的无氧呼吸，若进行时液滴将向右移动。

➪装置乙液滴右移，可推断出生物材料进行着产乙醇和CO2的无氧呼吸；

➪装置甲液滴不动，可推断出生物材料没进行产乙醇和CO2的无氧呼吸（只进行有氧呼吸、只进行产乳酸的无氧呼吸、同时进行有氧呼吸和产乙醇和CO2的无氧呼吸两种生理作用、生物材料已死）。

①如果实验材料是绿色植物，整个装置应遮光处理，否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定。

②如果实验材料是种子，为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应对装置及所测种子进行消毒处理。如果实验材料是酵母菌，实验所用的葡萄糖溶液需煮沸，目的是灭菌，排除其他微生物的呼吸作用对实验结果造成的干扰。

③为防止气压、温度等物理膨胀因素所引起的误差，应设置对照实验（如图所示的丙装置），除将装置中生物材料换为杀死的等量同种生物材料(如将种子煮熟)外，其余均与乙装置相同。

装置丙

六、影响细胞呼吸的因素及其应用

1．内部因素

(1)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。

(2)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。

(3)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。

2．外界因素

(1)温度

①解读：细胞呼吸是一系列酶促反应，温度通过影响酶的活性进而影响细胞呼吸速率。

②应用：储存水果、蔬菜时应选取零上低温(填“高温”“零上低温”或“零下低温”)。

(2)O2浓度

线的含义：

线ABD：表示无氧呼吸释放的CO2量的变化；

线BCF：表示有氧呼吸释放的CO2量的变化；

线ARCF：表示细胞呼吸释放的CO2量的变化；

趋势变化原因的解读：

线ABD：随氧气浓度的增加，无氧呼吸逐渐减弱，到D点时，无氧呼吸不再进行；

线BCF：OF段，随氧气浓度的增加，有氧呼吸逐渐增强；F点时，有氧呼吸达到最强；

（注：C点后只进行有氧呼吸）

线ARCF：细胞呼吸强度先减弱后增强，R点时最弱，F点达到最强。[AR段细胞呼吸减弱的原因主要是：随着氧气浓度的增加，无氧呼吸减弱；RC段细胞呼吸增强的主要原因是：随氧气浓度的增加，有氧呼吸逐渐增强；R点细胞呼吸最弱的原因：有氧呼吸和无氧呼吸都比较弱。]

点的含义：

A点：氧气浓度为零，细胞只进行无氧呼吸。细胞呼吸的场所只有细胞质基质。此时无氧呼吸强度最大，消耗有机物较多，不适于储存种子、蔬菜、水果等。

R点：此时由于有氧呼吸和无氧呼吸都比较弱，细胞呼吸最弱，消耗的有机物最少，在对应的该氧气浓度下最适于储存种子、蔬菜、水果等。

B点：有氧呼吸和无氧呼吸释放的CO2量相等，有氧呼吸和无氧呼吸消耗的葡萄糖的量之比为1:3。

C点（D点）：无氧呼吸消失点，此后只进行有氧呼吸。

F点：有氧呼吸的强度达到最大值，因素不再是氧气浓度，而是酶的数量有限。

面的解读

AOD所围成的面积：表示无氧呼吸过程中释放的CO2的总量；

OCD所围成的面积：表示有氧呼吸过程中释放的CO2的总量；

AODC所围成的面积：表示细胞呼吸过程中释放的CO2的总量；

另外，因为细胞呼吸过程中释放的CO2的总量=无氧呼吸过程中释放的CO2的总量+有氧呼吸过程中释放的CO2的总量，即AODC所围成的面积=AOD所围成的面积+OCD所围成的面积，所以：

面ABC=面OBD，则进一步可退出:面OAD=面OAC，面OCD=面ACD。

应用

a．选用透气的消毒纱布包扎伤口，抑制破伤风芽孢杆菌等厌氧细菌的无氧呼吸。

b．作物栽培中及时松土，保证根的正常细胞呼吸。

c．提倡慢跑，防止肌细胞无氧呼吸产生乳酸。

d．稻田定期排水，抑制无氧呼吸产生酒精，防止酒精中毒，烂根死亡。

(3)CO2浓度

①解读：CO2是细胞呼吸的最终产物，积累过多会抑制(填“促进”或“抑制”)细胞呼吸的进行。

②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。

(4)含水量

①解读：一定范围内，细胞中自由水含量越多，代谢越旺盛，细胞呼吸越强。

②应用：粮食储存前要进行晒干处理，目的是降低粮食中的自由水含量，降低细胞呼吸强度，减少储存时有机物的消耗。

种子萌发时吸水和呼吸方式的变化曲线

(1)在种子萌发的第Ⅰ阶段，由于(吸胀)吸水，呼吸速率上升。

(2)在种子萌发的第Ⅱ阶段，细胞产生CO2的量要比消耗O2的量大得多，说明在此期间主要进行无氧呼吸。

(3)在胚根长出后，由于胚根突破种皮，增加了O2的进入量，种子以有氧呼吸为主，同时胚根大量吸水(渗透吸水)。

例：干种子萌发过程中，CO2释放量(QCO2)和O2吸收量(QO2)的变化趋势如图所示(假设呼吸底物都是葡萄糖)。回答下列问题：

(1)干种子吸水后，自由水比例大幅增加，会导致细胞中新陈代谢速率明显加快，原因是____________________________________(至少答出两点)。

(2)在种子萌发过程中的12～30 h之间，细胞呼吸的产物是___________和CO2。若种子萌发过程中缺氧，将导致种子萌发速度变慢甚至死亡，原因是________________________。

(3)与种子萌发时相比，胚芽出土后幼苗的正常生长还需要的环境条件包括__________。

答案　(1)自由水是细胞内的良好溶剂，许多生物化学反应需要水的参与，水参与物质运输　(2)酒精、水　缺氧时，种子无氧呼吸产生的能量不能满足生命活动所需，无氧呼吸产生的酒精对细胞有毒害作用　(3)适宜的光照、CO2和无机盐等

解析　(1)干种子吸水后，自由水比例大幅增加，会导致细胞中新陈代谢速率明显加快，原因是自由水是细胞内的良好溶剂，许多生物化学反应需要水的参与，水参与物质运输。(2)种子萌发过程中的12～30 h之间，释放的CO2量大于消耗的O2量，说明细胞既进行无氧呼吸，也进行有氧呼吸，所以细胞呼吸的产物是酒精、CO2和水。由于缺氧时，种子无氧呼吸产生的能量不能满足生命活动所需，无氧呼吸产生的酒精对细胞有毒害作用，故种子萌发过程缺氧，将导致种子萌发速度变慢甚至死亡。(3)与种子萌发时相比，胚芽出土后幼苗的正常生长还需要的环境条件有适宜的光照、CO2和无机盐等。

细胞呼吸反应式中各物质量的比例关系

(1)反应式

①有氧呼吸：C6H12O6＋6O2＋6H2O6CO2＋12H2O＋能量。

②无氧呼吸：C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋能量；

C6H12O62C3H6O3＋能量。

(2)相关物质间量的比例关系

①有氧呼吸：C6H12O6∶O2∶CO2＝1∶6∶6。

②无氧呼吸：C6H12O6∶CO2∶C2H5OH＝1∶2∶2或C6H12O6∶C3H6O3＝1∶2。

③有氧呼吸和无氧呼吸消耗等量的葡萄糖时需要的O2和产生的CO2的物质的量：有氧呼吸需要的O2∶有氧呼吸和无氧呼吸产生的CO2之和＝3∶4。

④产生等量的CO2时消耗的葡萄糖的物质的量：无氧呼吸∶有氧呼吸＝3∶1。

例1：“有氧运动”是指人体吸入的氧气与需求的相等，达到生理上的平衡状态。如图所示为人体运动强度与血液中乳酸含量和氧气消耗速率的关系。结合所学知识，分析下列说法正确的是(　　)

A．a运动强度下只有有氧呼吸，b运动强度下有氧呼吸和无氧呼吸同时存在，c运动强度下只有无氧呼吸

B．运动强度大于或等于b后，肌肉细胞CO2的产生量将大于O2的消耗量

C．无氧呼吸使有机物中的能量大部分以热能形式散失，其余储存在ATP中

D．若运动强度长时间超过c，会因为乳酸积累而使肌肉酸胀乏力

答案　D  解析　a运动强度下乳酸含量低，无氧呼吸较弱，b运动强度下有氧呼吸和无氧呼吸都有所增强，c运动强度下氧气消耗速率较高，有氧呼吸、无氧呼吸速率都在较高水平，A错误；肌肉细胞无氧呼吸不产生CO2，有氧呼吸CO2的产生量等于O2的消耗量，B错误；无氧呼吸过程中，葡萄糖分子中的能量大部分储存在乳酸中，释放的能量中大部分以热能形式散失，其余储存在ATP中，C错误。

例2：下图表示某植物的非绿色器官在O2浓度为a、b、c、d时，CO2释放量和O2吸收量的变化。下列相关叙述正确的是(　　)

A．O2浓度为a时，最适于储藏该植物器官，此时呼吸产物除CO2外还有酒精和乳酸

B．O2浓度为b时，无氧呼吸消耗的葡萄糖是有氧呼吸的5倍

C．O2浓度为c时，只进行有氧呼吸

D．O2浓度为d时，有氧呼吸强度与无氧呼吸强度相等

答案　B 解析　据图可知，CO2的释放量在O2浓度为c时最少，因此O2浓度为c时细胞呼吸最弱，最适合储藏该植物器官，A错误；O2浓度为b时，O2的吸收量为3，CO2的释放量为8，通过计算可知无氧呼吸消耗葡萄糖的量是有氧呼吸的5倍，B正确；O2浓度为c时，CO2释放量大于O2吸收量，说明此时存在无氧呼吸和有氧呼吸，C错误；O2浓度为d时，O2的吸收量与CO2的释放量相等，说明该器官只进行有氧呼吸，而无氧呼吸被完全抑制，D错误。