2022年高中生物奥林匹克竞赛辅导呼吸作用习题.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载专题四呼吸作用高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座竞赛要求 呼吸系统: 1.系统的结构特点2.呼吸机制3.气体交换呼吸作用: 1.呼吸作用的类型2.呼吸作用的生理意义 3.呼吸作用的途径 4.呼吸作用的过程 5.影响呼吸作用的因素 6.呼吸作用与光合作用的关系 7.呼吸作用的原理的应用学问梳理 一、呼吸系统呼吸:机体与环境交换氧和二氧化碳的过 程称为呼吸;其全过程包括外呼吸(又称肺呼 吸)、气体运输和内呼吸(又称组织呼吸)三 个相互紧密联系的环节;1、呼吸系统的基本结构 呼吸系统由鼻、咽、喉、气管、支气管和 肺等器官组成;肺的实质是
2、由反复分支的支气 管树(各级支气管) 及大量肺泡构成; (图 4-1)肺泡是肺实现气体交换的结构和功能单位,壁 薄,仅由单层扁平上皮组成,外面密布毛细血 管网(对保证血液与外界气体交换有重要作用)和弹性纤维 (与呼吸后肺泡的弹性回缩有关);肺泡的数量极多,为气体交换供应了广大的面 积;图 4-1 人的呼吸系统 2、呼吸运动与肺通气(1)呼吸运动 肺本身不能主动的长缩,呼吸时气体进出于肺,有赖于胸廓的周期性运动;胸廓扩大,肺随之扩张, 外界气体吸入肺泡;胸廓缩小, 肺泡气被排出; 所以胸廓的节律性扩大与缩小,称为呼吸运动; 呼吸运动的实现, 是由于呼吸肌活动的结果;主要的呼吸肌是膈肌和肋间肌;吸
3、气时,肋间外肌收缩,肋间内肌放松,使肋骨上举,增大了胸廓的前后径,同时,当肋骨 上举时,其下缘又略向外侧偏转,故胸廓的左右径亦增大;呼气时,肋间内肌收缩,肋骨下名师归纳总结 降,于是胸廓前后、左右径复位(图4-2);第 1 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载(2)肺通气的动力图 4-2 吸气和呼气时胸廓的变化呼吸肌的活动是推动气体进出肺的原动力,但此原动力仍必需引起肺内、外压力的周期性变化,从而建立起肺泡与大气之间存在肯定的压力差,方能推动气体进出肺;3、气体交换与运输(1)气体交换呼吸气体的交换是指肺泡和血液之间,血
4、液和组织细胞之间氧和二氧化碳的交换;气体交换是通过扩散的方式进行的,而打算气体扩散方向的为该气体的分压;呼吸气体的交换动力就是交换处细胞两边该气体的分压差;在肺泡内, 氧分压高于静脉血,二氧化碳分压低于静脉血,所以氧从肺泡扩散入静脉血,二氧化碳从静脉血扩散入肺泡;交换的结果,使静脉血变成动脉血;在组织中,氧的分压低于动脉血的分压,而二氧化碳的分压就高于动脉血,所以氧从血液中向组织扩散,二氧化碳从组织向血液扩散;交换的结果, 使动脉血变成静脉血;总之, 肺循环毛细血管不断从肺泡获得氧排出二氧化碳;接受二氧化碳排出氧;(2)气体运输而体循环毛细血管不断从组织血液运输氧和二氧化碳是以物理溶解和化学结
5、合两种形式进行的,但主要是以化学结合形式进行的;氧的运输在通常氧的分压下,每100 毫升血浆中仅能溶解0.3 毫升的氧,所以绝大部分的氧是与血红蛋白( Hb)形成可逆结合的形式进行运输的;一个血红蛋白分子是由一个珠蛋白分子结合四个血红素构成的;每个血红素含有一个Fe 2+, Fe 2+不仅能同氧结合,也能同一氧化碳结合; 肺内,由于氧的分压高,促使氧进入红细胞同血红蛋白结合形成氧合血红蛋白;而在组织中,氧的分压低,促使血红蛋白与氧解离,形成仍原血红蛋白;二氧化碳的运输组织中产生的二氧化碳进入血液后,在其分压差的推动下,大部分进入红细胞,在其中以氨基甲酸血红蛋白或碳酸盐的形式运输;二、呼吸作用1
6、.呼吸作用的类型 呼吸作用是指生活细胞内的有机物,在一系列酶的参加下,逐步氧化分解成简洁物质,并释放能量的过程;应当留意的是,呼吸作用并不肯定相伴着O2 的吸取和 CO2 的释放;依据呼吸过程中是否有氧参加,可将呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两大类型;名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载CO 2,(1)有氧呼吸是指生活细胞利用分子氧(O2),将某些有机物质完全氧化分说明放同时将 O2 仍原为 H2O,并释放能量的过程;这些有机物称为呼吸底物,碳水化合物、有机 酸、蛋白质、脂肪等均可以作为呼吸底物;其总
7、反应式如下:C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H 2O+能(2)无氧呼吸是指生活细胞在无氧条件下,把某些有机物分解成为不完全的氧化产物(酒精、乳酸等),同时释放出部分能量的过程;有氧呼吸是由无氧呼吸进化来的;植物中的无氧呼吸主要产生酒精,动物组织无氧呼吸主要产生乳酸;如苹果、 香蕉贮藏久了产生的酒味,便是酒精发酵的结果;胡萝卜、甜菜块根在贮存时也会产生乳酸;一般将微生物的无氧呼吸统称为发酵;需要指出的是, 发酵工业上所说的发酵,并非完全是无氧的,如醋酸发酵就是需要氧的;反应式可写为:酒精发酵(酵母菌):NADH+H NAD+ 1 葡萄糖 2 丙酮酸 2 乙醛 2 乙醇 2ATP+
8、2CO 2+2H 2O 乳酸发酵(乳酸菌):1 葡萄糖 2 丙酮酸 2 乳酸 2ATP+2H 2O 长时间的无氧呼吸对植物有较大影响:无氧呼吸释放的能量少,要依靠无氧呼吸释放的能量来维护生命活动的需要就要消耗大量的有机物,以至呼吸基质很快耗尽;无氧呼吸生成氧化不完全的产物,如酒精、乳酸等;这些物质的积存,对植物会产生毒害作用;无氧呼吸产生的中间产物少,不能为合成多种细胞组成成分供应足够的原料;2.呼吸作用的生理意义(图 4-3)(1)为植物生命活动供应能量(2)中间产物是合成重要有机物质的原料(3)在植物抗病免疫方面有重要作用3.呼吸作用的途径呼吸作用的糖的分解代谢途径有三种,糖酵解、 三羧酸
9、循环和戊糖磷酸途径;不管是有氧呼吸或无氧呼吸,糖的分解都必需先经过糖酵解阶段,形成丙酮酸, 然后才分道扬镳;仍有一种葡萄糖在细胞质内进行的直接氧化降解的酶促反应过程称为戊糖磷酸途径;在正常情况下,植物细胞里葡萄糖降解主要是通过糖酵解和三羧酸循环,戊糖磷酸途径所占的比重较小(一般只占百分之几到三十之间);但这两种途径在葡萄糖降解中所占的比例,随植物的种类、器官、年龄和环境而异;4.呼吸作用的过程名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载以葡萄糖的氧化为例,呼吸作用可分为三个部分:糖(1)糖酵解酵解;三羧酸循
10、环和氧化磷酸化;指葡萄糖在无氧条件下被酶降解成丙酮酸,并释放能量的过程;也称为 EMP 途径;包括一系列反应,都在细胞质中发生,而且不需要氧;这一过程可以分为以下两步(图 4-4):第一步是 1 分子葡萄糖经过两次磷酸化,而形成1 分子的 1,6-二磷酸果糖,这一过程要消耗 2 分子的 ATP ;其次步是 1 分子的 1,6-二磷酸果糖,在有关酶的催化作用下,最终形成2 分子的丙酮酸,并将 2 分子的氧化型辅酶(NAD+ )仍原成 2 分子的仍原型辅酶(NADH ),这一过程生成 2 分子的 ATP ;总反应式:葡萄糖 +2ADP+2Pi+2NAD + 2 丙酮酸 +2ATP+2NADH+2H
11、 +2H 2O在缺氧情形下,NADH 就去仍原乙醛成乙醇,或仍原丙酮酸为乳酸;无氧呼吸释放二氧化碳, 说明呼吸底物在此过程中也被氧化,但是氧化作用所需要的氧是来自组织内的含氧物质,即水分子和被氧化的糖分子中得到的,因此无氧呼吸也称分子内呼吸;假如氧气充分,就丙酮酸就完全氧化形成水和二氧化碳;(2)三羧酸循环糖酵解的产物丙酮酸,在有氧条件下进入线粒体,第一丙酮酸氧化脱羧,与辅酶 A 结合成为活化的乙酰辅酶 A (乙酰 CoA),再通过一个包括三羧酸和二羧酸循环而逐步氧化分解,最终形成水和二氧化碳并释放能量的过程;发生在在线粒体基质中;这一循环过程的最中学间产物是柠檬酸,而柠檬酸是一种三羧基酸,所
12、以这个过程叫做三羧酸循环,也叫做 Krebs 循环或柠檬酸循环(图 4-5);图 4-4 糖酵解的过程 图 4-5 三羧酸循环名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 概括地说,这一过程一共发生了学习必备欢迎下载NAD+携带着,形成5 次脱氢,其中4 次脱出的氢都被NADH ,另一次就被黄酶 (FAD )携带着, 形成仍原型黄酶 (FADH 2),并形成 2 分子 ATP ;各种细胞的呼吸作用都有三羧酸循环;三羧酸循环是最经济和最有效率的氧化系统;其特点和意义如下:该途径不需要通过糖酵解,对葡萄糖进行直接氧化,生成的NAD
13、PH 也可能进入线粒体,通过氧化磷酸化作用生成 ATP ;产生大量的 NADPH, 为细胞的各种合成反应供应主要的仍原力;NADPH 作为主要的供氢体 ,为脂肪酸、 固醇、等的合成 , 硝酸盐、亚硝酸盐的仍原以及氨的同化等反应所必需;为合成代谢供应原料;(3)氧化磷酸化在这一过程中,NADH 中的 H 传递给了 FAD ,于是 NADH 被氧化成 NAD+ ,而 FAD就被仍原成 FADH2 ;FADH2 中的 H2 就分别成游离的氢离子(H+ )和电子( e):图 4-6 氧化磷酸化FADH2 FAD+2H+ + 2e电子 e 可以在多种细胞色素中按次序传递,最终传递给氧,再加上由 FADH
14、2 游离出来的 H+,最终生成 H2O;这一过程中,H+ 和 e 在各传递体中依次传递,共同构成了一条链,因此叫做细胞呼吸电子传递链,或简称为呼吸链;在电子传递过程中,由于氧化 NADH 和FADH2 而释放出的能量形成了ATP ,并且这一氧化作用与磷酸化作用总是偶联在一起的,所以这一过程叫做氧化磷酸化(图 4-6);(4)呼吸作用产生的 ATP 统计 1 分子葡萄糖经过呼吸作用产生的 ATP 统计:4ATP (细胞质) 2ATP 细胞质 糖酵解 底物水平的磷酸化己 糖 分 子 活 化 产 生 2NADH 4 或 6ATP (线粒体)丙酮酸脱羧2NADH 6NADH 6ATP (线粒体)三羧酸
15、循环底物水平磷酸化产生2ATP (线粒体)产生 2FADH2 18ATP (线粒体)4ATP (线粒体)总计36 或 38ATP 3 次磷酸化,生成3 分子在氧化磷酸化过程中,1 分子 NADH 完全被氧化,需要发生的 ATP ;1 分子的 FADH2 完全被氧化,就生成2 分子的 ATP ;由于 1 mol 的物质含有6.02 1023 个分子, 所以, 每氧化 1 mol 的葡萄糖, 就生成 6 mol名师归纳总结 的二氧化碳和6 mol 的水, 并生成 38 mol 的 ATP ;在标准状态 (是指作用物的质量浓度为1 第 5 页,共 13 页mol/L 、pH 为 7.0、温度为 25
16、 的状态)下,1 mol ADP形成 1 mol ATP ,需要 30.54 kJ 的能量,那么,38 个 ATP 就需要 1 161 kJ 的能量;每氧化 1 mol 葡萄糖释放出来的能量是2 870 kJ,其中只有1 161 kJ 被保留在 ATP 中,它们可供细胞生命活动利用;这就是说,有氧呼- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载吸的能量转换效率约为 40%左右,其余的能量就以热能的形式散失或作他用;5.呼吸作用与光合作用的关系(1)ADP 和 NADP +在光合和呼吸中可共用;(2)光合 C3 途径与呼吸 PPP 途径基本上正反反
17、应,中间产物可交替使用;(3)光合释放 O2 呼吸;呼吸释放 CO2 光合6. 影响呼吸作用的因素(1)呼吸作用的指标呼吸速率: 又称呼吸强度, 是最常用的生理指标;植物组织或原生质释放的 CO 2通常以单位时间内单位鲜重或干重呼吸商: (R.Q.)又称呼吸系数,同一植物组织在肯定时间内所释放的 CO 2 与所吸取的 O2 的量 体积或摩尔数 的比值;它表示呼吸底物的性质及氧气供应状态的一种指标;R.Q.=释放的 CO 2/吸取 O2的量呼吸底物是各种有机物,有机物来源于食物,最终来源于光合作用;氨基酸和脂肪酸的氧化,都第一转化为某种中间代谢物,再进入糖酵解或三羧酸循环;氨基酸氧化需先脱氨,再
18、进入呼吸代谢途径;脂肪酸氧化需转化为乙酰CoA ,再进入三羧酸循环;底物类型不同,完葡萄糖全氧化时的 R.Q.1;富含氢的脂肪、蛋白质 1;呼吸商的大小与呼吸底物的性质关系亲密,依据呼吸商的大小可大致估计呼吸底物的类型;生物材料的呼吸商也往往来自多种呼吸底物的平均值;氧气对呼吸商影响也很大,如无氧条件下发生的酒精发酵,只有 CO2 释放,无 O2 的吸取,就 R.Q.远大于 1;(2)内部因素对呼吸速率的影响不同植物具有不同的呼吸速率,一般是生长快的植物呼吸速率也快;同一植株的不同器官或组织,呼吸速率也有很大差异;一般来说, 生殖器官养分器官;生长旺盛生长缓慢;幼嫩器官年老器官;种子内,胚胚乳
19、(3)外界条件对呼吸速率的影响温度:最适温度 : 2535,而且呼吸最适温度光合最适温度最低温度: 0左右(冬小麦 最高温度: 3545: 0 -7,松树针叶 : -25)在 035,温度系数 Q10为 2.0 2.5 氧气:氧气浓度20时,呼吸开头下降;氧气浓度在 10 20时,有氧呼吸为主;氧气浓度 10;无氧呼吸显现并逐步增强,有氧呼吸快速下降;把无氧呼吸停止进行的最低氧含量 10左右 称为无氧呼吸的消逝点;氧浓度过高,对植物有毒害;氧浓度过低 料过多;, 无氧呼吸增强,产生酒精中毒,消耗体内养CO2:CO2 浓度增高 , 呼吸受抑; CO 25时,明显抑制;土壤积存 CO 2 可达 4
20、10,水分:干燥种子,呼吸很柔弱;吸水后快速增加,所以种子含水量是制约种子呼吸强弱的重要因素;整体植物的呼吸速率,随着植物组织含水量的增加而上升;机械损耗:造成的称伤呼吸;7.呼吸作用的原理在农业生产中的应用(1)呼吸作用与作物栽培对于板结的土壤准时进行松土透气,可以使根细胞进行充分的有氧呼吸,从而有利于根系的生长和对无机盐的吸取;此外, 松土透气仍有利于土壤中好氧微生物的生长繁衍,这能够促使这些微生物对土壤中有机物的分解,从而有利于植物对无机盐的吸取;名师归纳总结 水稻的根系适于在水中生长,这是由于水稻的茎和根能够把从外界吸取来的氧气通过气第 6 页,共 13 页- - - - - - -精
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