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2019-2020年高中生物 （人教大綱版）第一冊 第三章　生物的新陳代謝 7細(xì)胞呼吸(備課資料) 一、在生物體能量代謝中鐵的載體作用 生物體內(nèi)的能量代謝主要是通過氧完成的。氧的生物功能包括通過氧化有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)向細(xì)胞內(nèi)提供能量，參與某些氧化性代謝和生物合成等，其基本反應(yīng)相當(dāng)于有機(jī)物的完全氧化： C，H+O2－→,CO2+H2O C，H被氧化成CO2和H2O ，這一反應(yīng)實質(zhì)上是光合作用的逆向反應(yīng)。從反應(yīng)的起點和終點看，它無機(jī)生物的燃燒相同，但生物體內(nèi)的能量和物質(zhì)代謝有其本身的特點： (1)生物體以自由能形式釋放和貯存能量； (2)生物體內(nèi)進(jìn)行的物質(zhì)及能量轉(zhuǎn)化需恒溫(37℃左右)，近中性的水溶液中完成； (3)生物體內(nèi)的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化是多種多樣的，每個細(xì)胞都能產(chǎn)生、貯存和利用自由能，以保證定時、定點、定量地提供能量和對物質(zhì)加工。 (4)有機(jī)物氧化反應(yīng)的最終產(chǎn)物CO2最終由肺呼出。 可以把能量代謝中氧的利用表示如下： 每一環(huán)節(jié)的完成都有一種或幾種生物物質(zhì)作為其物質(zhì)基礎(chǔ)。它包括運(yùn)氧載體并運(yùn)送CO2經(jīng)肺呼出的血紅蛋白(Hb)，它存在于紅細(xì)胞內(nèi)；也包括在組織中負(fù)責(zé)從Hb中獲得氧并貯存起來的肌紅蛋白(Mb)以及定位于線粒體內(nèi)膜的呼吸鏈中電子傳遞系統(tǒng)，使有機(jī)代謝物最終氧化生成CO2和H2O。這里，Hb、Mb和電子傳遞系統(tǒng)中的細(xì)胞色素(Cyt)都是血紅素蛋白，即都是以鐵的卟啉絡(luò)合物為輔基的蛋白質(zhì)。 鐵是人體的必需微量元素，其含量占人體約4.5 g，分布于人體各部，幾乎所有組織都有，其中以肝脾中含量最高。鐵在體內(nèi)的存在形式可分兩大類：血紅素類和非血紅素類。非血紅素類主要有運(yùn)鐵蛋白、乳鐵蛋白、鐵蛋白、含鐵血黃素及一些酶類。而血紅蛋白、肌紅蛋白及細(xì)胞色素即為血紅素類，參與體內(nèi)物質(zhì)及能量的代謝的載體作用。 1．含鐵氧載體 Hb和Mb的運(yùn)氧和貯氧功能都是依靠血紅素中的Fe+3與O2的配位結(jié)合： Hb　 Fe2++ O2　　　　Hb　Fe2++ O2 Mb 　 Fe2++ O2　　　　Mb 　 Fe2++ O2 所以都屬于載氧體。它們的作用是：Hb能在肺泡中盡量結(jié)合較多的、本來難溶于水的氧，在需氧組織中把氧轉(zhuǎn)給Mb，并在這里使CO2溶解在血液中，即要求下列氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)在氧分壓較低的組織中進(jìn)行： HbO2+Mb　　　　MbO2+Hb 在氧分壓高些的肺泡處，Hb能較快較多地結(jié)合O2，而在氧分壓低些的組織中，它又能把O2轉(zhuǎn)給含氧的能力比它強(qiáng)的Mb，這一性質(zhì)是由它們的分子結(jié)構(gòu)決定的。 Hb含鐵O.34％，每個紅細(xì)胞含2.8億個Hb分子，每個Hb分子由4個亞單位組成，每個亞單位以鐵原子為核心，與很多C、H、O、N結(jié)合成亞鐵血紅素，再與肽鏈結(jié)合。每個鐵原子和一個分子氧結(jié)合?？梢姡琀b的運(yùn)氧效率是很高的。 Mb和Hb一樣，它存在于肌肉中，每個肌紅蛋白分子為單一的肽鏈，并含有一個亞鐵血紅素成為肌肉中的“氧庫”。 2．含鐵遞電子體 有機(jī)物在生物體內(nèi)氧化分解的產(chǎn)物是CO2、H2O和能量。 C6H12O6+6O2－→6 CO2+6H2O+能量(17.1 kJg-1)，這種氧化是與呼吸過程結(jié)合進(jìn)行的。其釋能過程是由線粒體內(nèi)膜上的一套酶系統(tǒng)催化而成的，此酶構(gòu)成了鏈狀反應(yīng)，稱之為呼吸鏈。有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)消化、吸收進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的線粒體，脫氫，經(jīng)呼吸鏈的逐步傳遞，最后交給氧使其變成水，與此同時產(chǎn)生能量供機(jī)體利用。 呼吸鏈的傳遞過程是： 呼吸鏈組成的前三種復(fù)合物中都含有鐵硫蛋白(Fe－S)，F(xiàn)e—S是一種重要的電子傳遞體，這類蛋白的特征是含有非血紅素鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，稱它為非血紅素鐵蛋白。在氧化態(tài)時鐵硫蛋白中的鐵原子都是三價的；當(dāng)鐵硫蛋白被還原時，其中一個鐵原子被還原成二價鐵，由此起傳遞電子的作用。 呼吸鏈中細(xì)胞色素的組成及電子傳遞順序為b→c1→c→aa3，它們都是以血紅素為中心的含鐵蛋白，其分子內(nèi)鐵卟啉中的鐵能夠進(jìn)行可逆的氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)e3+接受電子還原成Fe2+，然后再將電子傳遞給另一個Cyt，最后再由Cytaa3將電子傳遞給O2，使氧活化成氧離子(O2－)，再與介質(zhì)中的2H+結(jié)合成水。Cyt傳遞電子的過程如下： 　　由此看來，鐵是重要的氧載體和電子傳遞體，影響著生物體的物質(zhì)代謝和能量代謝。 二、呼吸、呼吸作用與發(fā)酵 1．呼吸 呼吸是指生物與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的全過程。主要為吸入氧氣和排出二氧化碳的過程。 人和高等動物呼吸的全過程包括外呼吸、氣體在血液中運(yùn)輸、內(nèi)呼吸三個相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)。外呼吸包括肺的通氣和肺泡內(nèi)的氣體交換，即是指血液與外界空氣在肺部進(jìn)行的氣體交換過程。氣體在血液中的運(yùn)輸是通過血液循環(huán)運(yùn)輸O2和CO2的過程。內(nèi)呼吸是指組織細(xì)胞之間的氣體交換過程。 低等動物的呼吸方式與其生活環(huán)境和自身相應(yīng)的呼吸結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。如：蝗蟲用氣管呼吸，河蚌用鰓呼吸，蚯蚓用皮膚呼吸，草履蟲用表膜（細(xì)胞膜）呼吸。 植物是以葉片等部位的氣孔和莖的皮孔及表皮等從外界空氣中吸入O2，排出CO2，本質(zhì)上同動物一樣與外界環(huán)境進(jìn)行著氣體交換。 微生物（需氧型和兼性厭氧型）則是直接通過體表吸入O2，排出CO2，完成氣體交換。 2．呼吸作用 呼吸作用是指生物體內(nèi)的有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，最終生成CO2或其他產(chǎn)物，并且釋放出能量的總過程。呼吸作用嚴(yán)格屬于新陳代謝的范籌，不論何種生物均在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，因此，又稱之為脫氧化、細(xì)胞呼吸等。根據(jù)生物對氧氣的需求不同，呼吸作用又分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種類型。 人、動物、植物主要是以有氧呼吸的方式獲取生命活動所需能量的，好氧性微生物和兼性厭氧微生物也均能以有氧呼吸方式獲取能量。 人、動物、植物、微生物在特定條件下，均能進(jìn)行無氧呼吸，只是條件不同，產(chǎn)物不同。如：高等植物水淹、種子萌發(fā)初期、蘋果貯藏過久等情況下，均進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)生酒精和二氧化碳，獲得能量；高等植物的某些器官（馬鈴薯塊莖、甜菜塊根、胡蘿卜的葉、玉米的胚）和人處于某特定環(huán)境（劇烈運(yùn)動、剛進(jìn)入高原等）都能進(jìn)行無氧呼吸，但產(chǎn)物是乳酸，并獲得能量；某些寄生蟲（蛔蟲、絳蟲、血吸蟲等）也進(jìn)行無氧呼吸（只能無氧呼吸）產(chǎn)生二氧化碳和其他有機(jī)物。 3．發(fā)酵 發(fā)酵是指通過微生物的培養(yǎng)，大量生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物的過程。發(fā)酵的種類很多，根據(jù)培養(yǎng)的物理狀態(tài)分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵；根據(jù)生成的產(chǎn)物不同分為抗生素發(fā)酵、維生素發(fā)酵和氨基酸發(fā)酵等；根據(jù)對氧的需求與否分為厭氧發(fā)酵和需氧發(fā)酵。 醋酸桿菌發(fā)酵可以造醋（需氧）； 乳酸菌發(fā)酵可以制泡菜、酸菜、青飼料（厭氧）； 酵母菌發(fā)酵可以釀酒（先需氧增加菌數(shù)，再厭氧增產(chǎn)酒精）。 三、范例析與解 ［例1］新鮮蔬菜放在冰箱的冷藏室中，能適當(dāng)延長保鮮時間的生理原因是( ) A.呼吸作用減弱 B.呼吸作用加強(qiáng) C.光合作用減弱 D.促進(jìn)了物質(zhì)分解 分析：新鮮蔬菜的細(xì)胞是活細(xì)胞，活細(xì)胞內(nèi)不斷地進(jìn)行著呼吸作用，當(dāng)然也就在不斷地消耗有機(jī)物（削弱著營養(yǎng)價值），而呼吸作用又是在酶的作用下進(jìn)行的，溫度能影響呼吸酶的催化效率，故溫度降低時可抑制呼吸酶的活性，適當(dāng)延長蔬菜的保鮮時間。 答案：A ［例2］假如宇宙空間站內(nèi)的綠色植物積累了120mol的O2，這些O2可供宇航員氧化分解多少mol的葡萄糖？分解葡萄糖所釋放的能量大約有多少kJ轉(zhuǎn)移給了ATP （　?。? A.120和23220 B.20和2870 C.60和69660 D.20和23220 酶 分析：這是一道涉及光合作用、呼吸作用和能量轉(zhuǎn)移以及相關(guān)化學(xué)知識的綜合題。根據(jù)有氧呼吸的總反應(yīng)式“C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量”可知，氧化分解1 mol葡萄糖消耗6 mol O2，則120 mol O2可分解葡萄糖為：1206=20(mol)；又因為1 mol葡萄糖徹底氧化分解后釋放的能量是2870 kJ，其中只有1161 kJ轉(zhuǎn)移給了ATP，則20 mol葡萄糖徹底氧化可轉(zhuǎn)移給ATP的能量為116120=23220(kJ)。 答案：D ［例3］在貯藏水果時需充加CO2或N2或抽取空氣，其目的是( ) A.促進(jìn)有氧呼吸 B.促進(jìn)無氧呼吸 C.抑制有氧呼吸 D.抑制無氧呼吸 分析：本題是考查有氧呼吸的條件的。有氧呼吸需要氧氣，貯藏水果時，充加CO2或N2或抽取空氣，其目的都是使氧氣減少，抑制呼吸作用，使代謝緩慢，營養(yǎng)物質(zhì)消耗減少，延長貯存的時間。 答案：C ［例4］運(yùn)動員在進(jìn)行不同項目運(yùn)動時，機(jī)體供能方式不同。對三種運(yùn)動項目的機(jī)體需氧量、實際攝入氧量和血液中的乳酸增加量進(jìn)行測定，結(jié)果如下： 運(yùn)動項目 總需O2量（升） 實攝O2量（升） 血中乳酸增加量 馬拉松跑 600 589 略有增加 400米跑 16 2 顯著增加 100米跑 8 0 未見增加 根據(jù)以上資料分析馬拉松跑、400米跑、100米跑運(yùn)動時機(jī)體的主要供能方式分別是( ) A.有氧呼吸、無氧呼吸、磷酸肌酸分解 B.無氧呼吸、有氧呼吸、磷酸肌酸分解 C.有氧呼吸、無氧呼吸、無氧呼吸 D.有氧呼吸、磷酸肌酸分解、無氧呼吸 分析：運(yùn)動員的運(yùn)動是肌肉收縮的結(jié)果。肌肉收縮的直接能源物質(zhì)是ATP，正常情況下肌細(xì)胞的ATP含量并不高，只能維持2～3秒的快速短跑，因此，需要通過呼吸作用分解有機(jī)物釋放能量、并轉(zhuǎn)移到ATP中，還可以通過貯存在細(xì)胞內(nèi)的高能化合物磷酸肌酸釋放能量，合成ATP。依表中數(shù)據(jù)：馬拉松長跑過程中，機(jī)體實攝O2 589 L，接近總需O2量（600 L），乳酸含量略有增加，說明此過程機(jī)體供能方式主要是有氧呼吸，其次是無氧呼吸。在400米中長跑過程中，機(jī)體實攝O2 2 L，遠(yuǎn)小于總需O2量（16 L），乳酸含量增加，說明此過程機(jī)體供能方式主要是無氧呼吸。在100米短跑過程中，機(jī)體實攝O2為0，說明沒有耗氧，乳酸含量也未見增加，說明此過程機(jī)體供能既沒通過有氧呼吸，也沒通過無氧呼吸，故此僅10秒左右的運(yùn)動過程是磷酸肌酸分解提供能量的。 答案：A ［例5］酵母菌在氧充足時，也進(jìn)行有氧呼吸。但一般來說，乙醇發(fā)酵是衡量它的一個標(biāo)準(zhǔn)。酵母菌在含有葡萄糖的培養(yǎng)液里進(jìn)行培養(yǎng)，做了測定單位時間內(nèi)吸氧量（氣體體積）和CO2發(fā)生量（氣體體積）的實驗。回答跟這個實驗有關(guān)的問題，分別從①～③中選出它們的正確答案。 （1）在酵母菌只進(jìn)行有氧呼吸時，比較吸氧量和CO2產(chǎn)生量哪一個大？ ①吸氧量大；②CO2發(fā)生量大；③兩者相等 （2）酵母菌同時進(jìn)行有氧呼吸和乙醇發(fā)酵，假如等量的葡萄糖在有氧呼吸和乙醇發(fā)酵過程中被消耗掉，這時的吸氧量和CO2產(chǎn)生量之比是多少？ ①1∶2 ②2∶3 ③3∶4 （3）酵母菌同時進(jìn)行有氧呼吸和乙醇發(fā)酵，根據(jù)有氧呼吸和乙醇發(fā)酵所產(chǎn)生的CO2量，如果相等，這時吸氧量和CO2產(chǎn)生量之比又是多少？ ①1∶1 ②1∶2 ③2∶1 （4）根據(jù)乙醇發(fā)酵消耗了360 mg葡萄糖，可生成多少mol的乙醇？ ①0.004 mol　?、?.03 mol　　③0.25 mol 分析：本題屬考試熱點之一。（1）根據(jù)有氧呼吸的反應(yīng)式：C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量，可以判斷兩者相等。（2）在有氧呼吸中吸收6O2，放出6CO2；在乙醇發(fā)酵中只放出2CO2，因為酒精發(fā)酵的反應(yīng)式是C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量。所以，O2∶CO2=6∶8。（3）O2∶CO2=2∶4。（4）180 g∶92 g=360 mg∶x mg，x=184 mg（生成的酒精量）。因此，1 mol酒精為46 g，0.184/46=0.004 mol。 答案：（1）③ （2）③ （3）② （4）① ［例6］植物在有氧呼吸與無氧呼吸過程中，產(chǎn)生同樣數(shù)量ATP所消耗糖的摩爾數(shù)是( ) A.前者比后者約多9倍 B.后者比前者約多9倍 C.前者比后者約多19倍 D.后者比前者約多19倍 答案：D ［例7］將10 mL酵母液放在適宜溫度下培養(yǎng)，并于不同時間內(nèi)等量均勻取樣4次，分別測定樣品中酵母菌的數(shù)量和pH，結(jié)果如下表。請分析回答： 樣品 酵母菌數(shù)量（個/立方毫米） pH 1 1210 4.8 2 820 5.4 3 1210 3.7 4 1000 5.0 （1）表中樣品的取樣先后順序為______。 （2）對酵母菌而言，10 mL該培養(yǎng)液的環(huán)境負(fù)荷量為______個。 （3）若第5次均勻取樣時，樣品中的酵母菌數(shù)量為760個/立方毫米，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是___________________。 答案：（1）②④①③ （2）1.21107 （3）培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)不斷被消耗，部分酵母菌因營養(yǎng)缺乏而死亡并解體 ［例8］（xx年廣東高考題）解除休眠期的干種子吸收后，呼吸作用強(qiáng)度( ) A.下降 B.上升 C.不變 D.不確定 答案：B ［例9］（xx年山西高考題）如果一定重量的黃豆全部萌發(fā)生成黃豆芽，黃豆芽中的有機(jī)物總量、有機(jī)物種類分別比黃豆中的( ) A.多、多 B.少、多 C.多、少 D.少、少 答案：B