“細(xì)胞呼吸及其原理的應(yīng)用”考點(diǎn)等級(jí)提升解讀

張卓鵬

《考試說明》每年都會(huì)對(duì)個(gè)別知識(shí)點(diǎn)的等級(jí)要求進(jìn)行微調(diào)，如2018年江蘇省生物考試說明共有6個(gè)考點(diǎn)等級(jí)就行了調(diào)整，其中“細(xì)胞呼吸及其原理的應(yīng)用”由B級(jí)提升為C級(jí)（等級(jí)分三級(jí)：A級(jí)為了解；B級(jí)為理解；C級(jí)為應(yīng)用）。調(diào)整的考點(diǎn)往往成為命題的關(guān)注點(diǎn)。在“細(xì)胞呼吸”復(fù)習(xí)訓(xùn)練中，常有學(xué)生對(duì)細(xì)胞呼吸的原理及應(yīng)用混淆不清，如人體細(xì)胞無氧呼吸有沒有C02產(chǎn)生（無，產(chǎn)物僅為乳酸）；人體細(xì)胞呼吸產(chǎn)生COs的場(chǎng)所主要是線粒體的判斷（錯(cuò)誤，場(chǎng)所僅為線粒體）；無氧呼吸兩個(gè)階段都有ATP產(chǎn)生的判斷（錯(cuò)誤，僅第一階段產(chǎn)生少量的ATP）；透氣的創(chuàng)口貼可防止傷口細(xì)胞因長(zhǎng)時(shí)間缺氧而壞死的判斷（錯(cuò)誤，透氣的創(chuàng)口貼透氣可抑制破傷風(fēng)桿菌無氧呼吸和增殖，防止破傷風(fēng)桿菌的感染）等。另外，學(xué)生在新情境中獲取信息解題時(shí)暴露出的“細(xì)胞呼吸”問題更多。下選幾例，并就可能出現(xiàn)的解題障礙提供具體的解題思路和方法。

【例1】一些哺乳動(dòng)物在入冬前要大量進(jìn)食，這些食物可在體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橹尽?/p>

（1）脂肪是細(xì)胞內(nèi)良好的____物質(zhì)，在脂肪細(xì)胞中以大小不一的脂滴存在，可推測(cè)包裹脂滴的是外被蛋白和____單分子層。

（2）科研人員在哺乳動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)含有大量線粒體的棕色脂肪組織，其線粒體內(nèi)膜含有U蛋白，使得H+可以通過U蛋白回流至線粒體基質(zhì)，減少線粒體內(nèi)膜上ATP的合成。因此，棕色脂肪細(xì)胞被激活時(shí)，線粒體有氧呼吸釋放的能量中____能所占比例明顯增大。

（3）科研人員對(duì)冬眠動(dòng)物在寒冷環(huán)境中棕色脂肪組織的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖1所示。

據(jù)上述結(jié)果分析，寒冷環(huán)境誘導(dǎo)棕色脂肪細(xì)胞數(shù)量__，動(dòng)物由冬眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為清醒狀態(tài)時(shí)，__迅速升高，______量迅速增加，使體溫迅速恢復(fù)到正常水平。

（4）機(jī)體內(nèi)，棕色脂肪細(xì)胞間含有豐富的交感神經(jīng)末梢，交感神經(jīng)興奮后分泌的去甲腎上腺素能提高代謝率?？蒲腥藛T用大鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果表明，隨寒冷刺激的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，機(jī)體維持體溫恒定所需能量來源的變化是：______。寒冷刺激后注射去甲腎上腺素誘導(dǎo)的機(jī)體產(chǎn)熱顯著強(qiáng)于寒冷刺激前，請(qǐng)你提出一種可能的作用機(jī)制解釋此現(xiàn)象：__________。

【解法指導(dǎo)】（1）介紹磷脂分子有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)兩種基團(tuán)，細(xì)胞膜因內(nèi)外兩側(cè)都與水接觸，故形成細(xì)胞膜的基本支架為磷脂雙分子層。

油滴分散在水中的乳滴或水滴分散在油中的乳滴也有磷脂單分子層包被，所形成的磷脂單分子層結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

（2）細(xì)胞呼吸釋放的能量有兩個(gè)去路，如1 mol的葡萄糖徹底氧化分解后，可釋放能量2870kJ，其中1161 kJ左右的能量?jī)?chǔ)存在ATP中，其余的能量則以熱能的形式散失掉了。因此，當(dāng)棕色脂肪細(xì)胞被激活時(shí)，線粒體內(nèi)膜上ATP的合成減少，有氧呼吸釋放的總能量不變，則有氧呼吸釋放的能量中熱能所占比例將會(huì)明顯增大。

（3）應(yīng)將溫度隨時(shí)間的變化圖、棕色脂肪細(xì)胞數(shù)量相對(duì)值隨時(shí)間的變化圖、棕色脂肪細(xì)胞活性相對(duì)值隨時(shí)間的變化圖對(duì)應(yīng)同一時(shí)段的變化進(jìn)行整體觀察分析，便能得出：寒冷環(huán)境（環(huán)境溫度下降）誘導(dǎo)棕色脂肪細(xì)胞數(shù)量增加；動(dòng)物由冬眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為清醒狀態(tài)時(shí)，棕色脂肪細(xì)胞活性迅速升高，導(dǎo)致產(chǎn)熱量迅速增加，從而使體溫迅速恢復(fù)到正常水平。

（4）圖中先后兩次注射去甲腎上腺素，寒冷刺激后注射去甲腎上腺素誘導(dǎo)的機(jī)體產(chǎn)熱顯著強(qiáng)于寒冷刺激前。這就要求學(xué)生根據(jù)信息作出合理性假設(shè)。激素作用的對(duì)象為靶器官、靶細(xì)胞，先得判斷出去甲腎上腺素作用的靶細(xì)胞是哪種。從題中，可分析出：去甲腎上腺素的靶細(xì)胞最可能是棕色脂肪細(xì)胞；寒冷刺激能誘導(dǎo)棕色脂肪細(xì)胞數(shù)量增加，故寒冷刺激后再注射去甲腎上腺素，效果會(huì)因靶細(xì)胞數(shù)量的增加而變得更加明顯。作用機(jī)制的解釋或假設(shè)具有一定的開放性，只要盡可能合理就行。例如，寒冷刺激使棕色脂肪細(xì)胞對(duì)去甲腎上腺素的敏感性增加；寒冷刺激使棕色脂肪細(xì)胞去甲腎上腺素受體增加或活性增強(qiáng)等均可。

【參考答案】（1）儲(chǔ)能 磷脂 （2）熱 （3）增加棕色脂肪細(xì)胞活性 產(chǎn)熱 （4）由骨骼肌戰(zhàn)栗供能為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄淖厣竟┠転橹髯厣炯?xì)胞是去甲腎上腺素的靶細(xì)胞，寒冷刺激前，動(dòng)物體內(nèi)棕色脂肪含量有限，寒冷刺激使棕色脂肪細(xì)胞的數(shù)量增加，寒冷刺激后再注射去甲腎上腺素的效果明顯（或寒冷刺激使棕色脂肪細(xì)胞對(duì)去甲腎上腺素的敏感性增加；寒冷刺激使棕色脂肪細(xì)胞去甲腎上腺素受體增加或活性增強(qiáng)）

【例2】圖4表示某植物葉肉細(xì)胞中光合作用和有氧呼吸的主要過程，其中甲～丁表示細(xì)胞中相應(yīng)結(jié)構(gòu)，a～d表示相關(guān)物質(zhì)；圖5表示該植物種子萌發(fā)過程中呼吸作用狀態(tài)的變化。請(qǐng)據(jù)圖回答：

（1）圖4中的結(jié)構(gòu)乙的名稱是________，物質(zhì)c表示________。

（2）圖5中的第Ⅲ階段細(xì)胞呼吸發(fā)生的主要場(chǎng)所是____（填圖1中的甲～?。?/p>

（3）細(xì)胞呼吸強(qiáng)度受外界條件和內(nèi)部因素的影響，請(qǐng)分析：

①圖5中第Ⅰ階段CO₂釋放量迅速上升的主要原因是______。

②圖5中第Ⅲ階段CO₂釋放量再次急劇上升的主要原因有____、____。

【解法指導(dǎo)】（1）關(guān)于細(xì)胞呼吸、光合作用各階段場(chǎng)所、條件、物質(zhì)變化、能量變化以及兩者之間的聯(lián)系，這是細(xì)胞代謝最基礎(chǔ)的內(nèi)容，學(xué)生務(wù)必熟練掌握運(yùn)用。據(jù)圖分析，圖4中，甲能利用光能，是葉綠體類囊體薄膜，乙是葉綠體基質(zhì)（暗反應(yīng)場(chǎng)所，產(chǎn)生葡萄糖），丙是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，丁是線粒體。物質(zhì)c是二氧化碳。（2）圖5中的第Ⅲ階段（胚根穿破種皮后）細(xì)胞呼吸主要是有氧呼吸，其進(jìn)行的主要場(chǎng)所是線粒體。（3）圖5中第1階段C02釋放量迅速上升的主要原因是種子吸水后呼吸酶活性增強(qiáng)，無氧呼吸（因有種皮包被，無氧呼吸為主）增強(qiáng)導(dǎo)致二氧化碳釋放增加。圖5中第Ⅲ階段C02釋放量再次急劇上升的主要原因有胚根穿破種皮后氧氣濃度升高有氧呼吸增強(qiáng)，氧氣濃度升高這是外因，內(nèi)因是細(xì)胞中線粒體數(shù)量增多，代謝旺盛。發(fā)生變化的原因通常可從內(nèi)外因兩方面綜合考慮。

【參考答案】（1）葉綠體基質(zhì) CO₂（2）?。?）①種子吸水后呼吸酶活性增強(qiáng) ②氧氣供應(yīng)增多 線粒體數(shù)量增多

【例3】某研究小組對(duì)某大豆新品種的種子萌發(fā)過程開展研究，首先將大豆種子置于適宜的環(huán)境中培養(yǎng)，定期檢測(cè)萌發(fā)過程中種子的鮮重和氣體交換速率（曲線①和②分別代表一種氣體的交換速率）如圖6、圖7所示?；卮鹣铝袉栴}：

（1）影響種子萌發(fā)的外界因素有______（至少答出2點(diǎn)）。

（2）圖6中階段Ⅱ期間，大豆種子胚細(xì)胞合成的

解除種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)。階段Ⅲ期間不可能發(fā)生的可遺傳變異是

。

（3）圖7中a點(diǎn)以前，曲線①高于②的原因是________，a點(diǎn)以后曲線②高于①，其原因是此時(shí)種子進(jìn)行呼吸作用所使用的底物可能包含一定量的

。

【解法指導(dǎo)】（1）種子萌發(fā)過程中只進(jìn)行呼吸作用，影響種子呼吸作用的外界因素有氧氣、溫度、水分。尤其是水分，干種子自由水少，呼吸酶活性低，種子不萌發(fā)。（2）圖6中階段Ⅲ種子鮮重急劇上升，種子已萌發(fā)，可推斷出甲圖中階段Ⅱ期間，大豆種子胚細(xì)胞合成了赤霉素（或GA），解除種子休眠，從而促進(jìn)種子萌發(fā)。脫落酸與赤霉素作用相反，與種子休眠有關(guān)，兩者為拮抗作用。階段Ⅲ期間細(xì)胞僅進(jìn)行有絲分裂，不會(huì)發(fā)生減數(shù)分裂，因此發(fā)生的可遺傳變異有基因突變和染色體變異，而基因重組只能發(fā)生在減數(shù)分裂過程中（如減數(shù)第一次分裂四分體時(shí)期的交叉互換，減數(shù)第一次分裂后期的非同源染色體的自由組合）。（3）圖7中a點(diǎn)以前，種子進(jìn)行了無氧呼吸，無氧呼吸不吸收氧氣，但釋放二氧化碳，曲線①表示二氧化碳（開始時(shí)交換速率高），曲線②表示氧氣（開始時(shí)交換速率低），因此曲線①高于②；a點(diǎn)以后曲線②高于①，其原因是此時(shí)種子胚根穿破種皮，進(jìn)行有氧呼吸，所使用的底物可能包含一定量的脂肪（或脂肪和蛋白質(zhì)），脂肪的碳?xì)浔壤?，氧既需用于碳氧化，也要用于與氫氧化，需消耗較多的氧，應(yīng)消耗的氧氣量大于二氧化碳的產(chǎn)生量，如花生種子萌發(fā)時(shí)便是如此，這涉及到“呼吸熵”這一內(nèi)容。呼吸熵是指生物體在同一時(shí)間內(nèi)，釋放二氧化碳與吸收氧氣的體積之比或摩爾數(shù)之比，即指呼吸作用所釋放的CO₂和吸收的O₂的分子比。

由于糖類、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的供能順序不同，只有糖類和脂質(zhì)都供能不足時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)蛋白質(zhì)的氧化供能。而這種情況在生物體內(nèi)很少發(fā)生，所以通常情況下所測(cè)定的呼吸熵，實(shí)際上是非蛋白呼吸熵，即以糖類和脂質(zhì)為氧化分解的底物時(shí)所測(cè)定的呼吸熵。糖類和脂質(zhì)的呼吸商數(shù)值也是有差異的。

糖類是碳水化合物C_m（H₂O）_n。當(dāng)其完全氧化分解時(shí)，氧只用于與碳形成二氧化碳，也就是說每釋放m摩爾CO₂需吸收m摩爾O₂，故呼吸熵為1。

脂質(zhì)完全氧化分解時(shí)，由于其分子中氫對(duì)氧的比例較糖分子中高，氧既需用于碳氧化，也要用于與氫氧化，需消耗較多的氧，故呼吸熵小于1（0.7～0.8）。如蓖麻油的氧化方程式表示為：2C₅₇H₁₀₄O₉+157O₂→114CO₂+104H₂O，可推算呼吸熵為114/157=0.73。

值得注意的是，用呼吸熵的數(shù)值推斷呼吸底物時(shí)，僅限在氧氣充足的情況下。但在低氧條件下，由于生物體內(nèi)存在無氧呼吸，特別是以糖類做為呼吸底物時(shí)，呼吸熵明顯會(huì)大于1。因此生物體呼吸作用類型的不同，在一定程度上也會(huì)影響呼吸商數(shù)值的大小。圖7中b點(diǎn)后曲線①、②重疊，可判斷出此時(shí)植物只進(jìn)行有氧呼吸，呼吸熵為1，呼吸底物為糖類。

【參考答案】（1）氧氣、溫度、水分 （2）赤霉素（或GA）基因重組 （3）種子進(jìn)行了無氧呼吸，無氧呼吸不吸收氧氣，但釋放二氧化碳 脂肪（或脂肪和蛋白質(zhì)）