1、1专题四：呼吸作用竞赛要求呼吸系统：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知识梳理一、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
2、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，为气体交换提供了广大的面积。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。吸气时，肋间外肌收缩，肋间内肌松弛，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，肋骨下降，于是胸廓
3、前后、左右径复位（图 4-2）。图 4-1 人的呼吸系统2（2）肺通气的动力呼吸肌的活动是推动气体进出肺的原动力，但此原动力还必须引起肺内、外压力的周期性变化，从而建立起肺泡与大气之间存在一定的压力差，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，而决定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
4、压低于动脉血的分压，而二氧化碳的分压则高于动脉血，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；而体循环毛细血管不断从组织接受二氧化碳排出氧。（2）气体运输血液运输氧和二氧化碳是以物理溶解和化学结合两种形式进行的，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 Fe2+, Fe2+不仅能同氧结合，也能同一氧化碳
5、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，形成还原血红蛋白。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、呼吸作用图 4-2 吸气和呼气时胸廓的变化31.呼吸作用的类型呼吸作用是指生活细胞内的有机物，在一系列酶的参与下，逐步氧化分解成简单物质，并释放能量的过程。应该注意的是，呼吸作用并不一定伴随着 O2 的吸收和 CO2 的释放。依据呼吸过程中是否有氧参与，可将呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两大类型。（1）有氧呼吸是指生活细胞利用
6、分子氧（O 2），将某些有机物质彻底氧化分解释放CO2，同时将 O2 还原为 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。其总反应式如下：（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彻底的氧化产物（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、甜菜块根在储藏时也会产生乳酸。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
7、需要氧的。反应式可写为：酒精发酵（酵母菌）：乳酸发酵（乳酸菌）：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持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彻底的产物，如酒精、乳酸等。这些物质的积累，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提供足够的原料。2.呼吸作用的生理意义（图 4-3）（1）为植物生命活动提供能量（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、三羧酸循环和戊糖磷酸途径。不管是有氧呼吸或无
8、氧呼吸，糖的分解都必须先经过糖酵解阶段，形成丙酮酸，然后才分道扬镳。还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1 葡萄糖 2 丙酮酸 2 乙醛 2 乙醇2ATP+2CO 2+2H2ONADH+H NAD+1 葡萄糖 2 丙酮酸 2 乳酸2ATP+2H 2OC6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+能图 4-3 呼吸作用的意义4以葡萄糖的氧
9、化为例，呼吸作用可分 为三个部分：糖酵解；三 羧酸循环和氧化磷酸化。（1）糖酵解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；第二步是 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+）还原成 2 分子的还原型辅酶（NADH），这一过程生成 2 分子的 ATP。总反应式：葡萄糖+2ADP+2Pi
10、+2NAD +在缺氧情况下，NADH 就去还原乙醛成乙醇，或还原丙酮酸为乳酸。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。如果氧气充足，则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，首先丙酮酸氧化脱羧，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。这一循环过程的最初中间产物是柠檬酸，而柠檬酸是一种三羧基酸，所以这
11、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）。2 丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O5概括地说，这一过程一共发生了 5 次脱氢，其中 4 次脱出的氢都被 NAD+携带着，形成NADH，另一次则被黄酶（FAD）携带着，形成还原型黄酶（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NADPH 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提供主要的还原力。NADPH 作为主要
12、的供氢体 ,为脂肪酸、固醇、等的合成, 硝酸盐、亚硝酸盐的还原以及氨的同化等反应所必需。为合成代谢提供原料。（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则被还原成 FADH2。FADH2 中的 H2 则分离成游离的氢离子（H+）和电子（e）：FADH2FAD+2H+ + 2e图 4-4 糖酵解的过程 图 4-5 三羧酸循环图 4-6 氧化磷酸化6电子 e 可以在多种细胞色素中按顺序传递，最终传递给氧，再加上由 FADH2 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
13、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，因为氧化 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：糖酵解 底物水平的磷酸化己糖分子活化产生2NADH4ATP（细胞质）2ATP(细胞质)4 或 6ATP（线粒体）丙酮酸脱羧 2NADH 6ATP（线粒体）三羧酸循环 底物水平磷酸化产生 6NADH产生 2FADH22ATP（线粒体）18ATP（线粒体）4ATP（线粒体）总计 36 或 38ATP在氧化磷酸化
14、过程中，1 分子 NADH 彻底被氧化，需要发生 3 次磷酸化，生成 3 分子的 ATP；1 分子的 FADH2 彻底被氧化，则生成 2 分子的 ATP。因为 1 mol 的物质含有 6.021023 个分子，所以，每氧化 1 mol 的葡萄糖，则生成 6 mol 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 mol/L、pH 为 7.0、温度为 25 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
15、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，有氧呼吸的能量转换效率约为 40%左右，其余的能量则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。通常以单位时间内单位鲜重或干重植物组织或原生质释放的 CO2呼吸商：（R.Q.）又称呼吸系数，同一植物组织在一定时间
16、内所释放的 CO2 与所吸收的 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 CO2/吸收 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，都首先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密切，根据呼吸商的大小可大致推测呼吸底物的类型。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
17、，如无氧条件下发生的酒精发酵，只有 CO2 释放，无 O2 的吸收，则 R.Q.远大于 1。7（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，生殖器官营养器官；生长旺盛生长缓慢；幼嫩器官年老器官；种子内，胚胚乳（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: 0 -7，松树针叶: -25）最高温度：3545在 035，温度系数(Q 10)为 2.02.5 氧气：氧气浓度20时，呼吸开始下降；氧气浓度在 1020时，有氧呼吸为主；氧
18、气浓度10；无氧呼吸出现并逐步增强，有氧呼吸迅速下降。把无氧呼吸停止进行的最低氧含量(10左右)称为无氧呼吸的消失点。氧浓度过高，对植物有毒害；氧浓度过低, 无氧呼吸增强，产生酒精中毒，消耗体内养料过多。 CO2：CO 2 浓度增高, 呼吸受抑； CO25时，明显抑制；土壤积累 CO2 可达410，水分：干燥种子，呼吸很微弱；吸水后迅速增加，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升高。机械损伤：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及时进行松土透气，可以使根细胞进行充分的有氧呼吸，从而有利于
19、根系的生长和对无机盐的吸收。此外，松土透气还有利于土壤中好氧微生物的生长繁殖，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收。水稻的根系适于在水中生长，这是因为水稻的茎和根能够把从外界吸收来的氧气通过气腔运送到根部各细胞，而且与旱生植物相比，水稻的根也比较适应无氧呼吸。但是，水稻根的细胞仍然需要进行有氧呼吸，所以稻田需要定期排水。如果稻田中的氧气不足，水稻根的细胞就会进行酒精发酵，时间长了，酒精就会对根细胞产生毒害作用，使根系变黑、腐烂。（2）呼吸作用与粮食贮藏种子是有生命的有机体，不断进行着呼吸作用。呼吸速率快，会引起有机物的大量消耗；呼吸放出的水分，又会使粮堆湿度增
20、大，粮食“出汗”，呼吸加强；呼吸放出的热量，又使粮温增高，反过来又促使呼吸增强，最后导致发热霉变，使粮食变质变量。因此，在贮藏过程中，必须降低呼吸速率，确保贮粮安全。经分析，种子本身呼吸增高不大，主要是种子上附着的微生物，它们在 75%相对湿度中可迅速繁殖。所以，粮食安全贮藏，首先要晒干。（3）呼吸作用与果蔬贮藏果蔬贮藏不能干燥，因为干燥会造成皱缩，失去新鲜状态，但柑橘、白菜、菠菜等贮藏前可轻度干燥，以减少呼吸。果蔬贮藏也应采取降低氧浓度或降低温度的原理。8现在常用“自体保藏法”来贮藏果蔬，其原理是在密闭环境里，利用果蔬本身呼吸释放出的二氧化碳，达到高浓度后抑制呼吸作用，以延长贮藏时间。（4）
21、呼吸作用的其他应用较深的伤口里缺少氧气，破伤风芽孢杆菌适合在这种环境中生存并大量繁殖。所以，伤口较深或被锈钉扎伤后，患者应及时请医生处理。选用“创可贴”等敷料包扎伤口，既为伤口敷上了药物，又为伤口创造了疏松透气的环境、避免厌氧病原菌的繁殖，从而有利于伤口的痊愈。酵母菌是兼性厌氧微生物。酵母菌在适宜的通气、温度和 pH 等条件下，进行有氧呼吸并大量繁殖；在无氧条件下则进行酒精发酵。醋酸杆菌是一种好氧细菌。在氧气充足和具有酒精底物的条件下，醋酸杆菌大量繁殖并将酒精氧化分解成醋酸。谷氨酸棒状杆菌是一种厌氧细菌。在无氧条件下，谷氨酸棒状杆菌能将葡萄糖和含氮物质（如尿素、硫酸铵、氨水）合成为谷氨酸。谷氨
22、酸经过人们的进一步加工，就成为谷氨酸钠 味精。有氧运动是指人体细胞充分获得氧的情况下所进行的体育锻炼。人体细胞通过有氧呼吸可以获得较多的能量。相反，百米冲刺和马拉松长跑等无氧运动，是人体细胞在缺氧条件下进行的高速运动。无氧运动中，肌细胞因氧不足，要靠乳酸发酵来获取能量。因为乳酸能够刺激肌细胞周围的神经末梢，所以人会有肌肉酸胀乏力的感觉。典型例题例 1在下列哪种条件下贮藏果实的效果好？( )A高二氧化碳浓度、低氧浓度和高乙烯浓度B低二氧化碳浓度、高氧浓度和无乙烯C低氧浓度、高二氧化碳浓度和无乙烯D无氧、无乙烯和高二氧化碳浓度 答案：C解析：贮藏果实应降低呼吸强度，呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸，
23、为使两种呼吸强度都降低，应选较低氧气浓度，而不是无氧或高氧浓度，同时应选高 CO2 浓度，才能有效的阻止呼吸作用的进行。乙烯是催熟剂，所以应选无乙烯的条件。例 2厌氧条件下，哪一种化合物会在哺乳动物的肌肉组织中积累 ( )A乳酸 B丙酮酸 C酒精 DCO 2答案：A解析：哺乳动物无氧呼吸的产物是乳酸，而不是酒精和 CO2，丙酮酸是呼吸作用的中间产物，也不会在肌肉组织中积累。例 3水淹导致植物死亡的原因是 ( )A土壤水势过高 B植物的根缺氧C呼吸产生的 CO2 的毒害作用 D土壤中的物质溶于水中达到毒害作用的浓度答案：B解析：水淹导致植物死亡的原因是根系缺乏氧气，主要进行无氧呼吸。第一，无氧呼
24、吸释放的能量少，要依靠无氧呼吸释放的能量来维持生命活动的需要就要消耗大量的有机9物，以至呼吸基质很快耗尽。第二，无氧呼吸生成氧化不彻底的产物，如酒精、乳酸等。这些物质的积累，对植物会产生毒害作用。第三，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提供足够的原料。例 4呼吸商是呼吸作用的一个重要指标它是呼吸作用所放出的 CO2 的摩尔数或体积与所吸收的 O2 的摩尔数或体积之比。蓖麻油的分子式是 57H101O9，如它是呼吸底物并完全被氧化， 57H101O9 +O2CO 2+H2O，呼吸商是 （ ）A0.57 B 1.65 C0.73 D0.89答案：C解析：将该 反应式配平，即为 4
25、 57H101O9 +311O2228CO 2+202H2O，呼吸商为228/311=0.733。例 5下列图文相符的有（BD）答案：BD解析：A，小白鼠是恒温动物，当环境温度升高时，维持体温所需的能量减少，有氧呼吸强度下降，耗氧量下降。B ，酵母菌是兼性厌氧型生物，在氧浓度较低时，进行无氧呼吸，随氧浓度的升高，无氧呼吸强度下降。当氧浓度到达一定值时，开始进行有氧呼吸，符合曲线。C ，此图表示的是“光合午休现象 ”，而“光合午休现象”只发生于夏季晴朗的中午。D，番茄种子萌发时，由于呼吸产生能量，分解有机物，所以干重在减少。当长出叶片开始光合时，合成有机物，干重又开始增加。例 6氨基酸作为呼吸底
26、物时呼吸商是 （ ） A大于 1 B等于 1 C小于 1 D不一定答案：D解析：呼吸商是呼吸作用所放出的 CO2 的摩尔数或体积与所吸收的 O2 的摩尔数或体积之比。呼吸商的大小主要取决于呼吸底物的碳、氢、氧的比，由于不同氨基酸的碳、氢、氧的比不同，所以呼吸商不定。例 7宇宙空间站内绿色植物积累 240mol 氧气，这些氧气可供宇航员血液中多少血糖分解，大约使多少能量储存在 ATP 中？ （ ）A40mol，28 675kJ B240mol，28 657kJC40mol，46 440kJ D240mol，46 440kJ答案：C解析：根据有氧呼吸反应式，葡萄糖与氧气的比是 1：6，240mol
27、 氧气能分解 40mol 葡萄糖，每 mol 葡萄糖分解时会将 1161KJ 的能量储存在 ATP 中，40mol 葡萄糖分解时会将46440KJ 的能量储存在 ATP 中。A B C D10例 8下列关于呼吸作用产物的叙述中，只适用于有氧呼吸的是 （ ）A产生 ATP B产生丙酮酸 C产生 H2O D产生 CO2答案：C解析：无氧呼吸和有氧呼吸都产生 ATP、丙酮酸和 CO2，而只有有氧呼吸产生 H2O。例 9以下哪种物质不属于糖酵解过程中的产物：（ ）A磷酸烯醇式丙酮酸 B3-磷酸甘油酸 C2-磷酸甘油醛 D果糖-6-磷酸答案：C解析：糖酵解过程大致可分成下列四个阶段：（1）葡萄糖或糖原转
28、变为果糖-1，6- 二磷酸（FDP ），（2）果糖-1，6- 二磷酸分解为甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸，（3）甘油醛-3-磷酸转变为丙酮酸，（4）在无氧情况下，丙酮酸经乳酸脱氢酶催化，接受甘油醛 -3-磷酸脱氢过程中生成的 NADHH +中的两个氢原子，被还原成为乳酸，乳酸是糖酵解的最终产物。例 10抗氰呼吸受下列哪种抑制剂抑制 （ ） A抗霉素 A B安密妥、鱼藤酮 CCO DKCN 和 CO答案：B解析：从上图可看出，要抑制抗氰呼吸，则这种呼吸抑制剂的作用位点应在 UQ 之前，因此应为安密妥、鱼藤酮。例 11甲、乙两组数量相同的酵母菌培养在葡萄糖溶液中，甲组进行有氧呼吸，乙组进行发酵，若两组消耗了等量的葡萄糖则 （ABC）A甲组放出的 CO2 与乙组放出的 CO2 的体积比为 31B甲组释放的能量与乙组释放的能量之比为 151C它们放出的 CO2 和吸入的 O2 的体积之比为 43D若两组产生的 CO2 量相等那么消耗的葡萄糖之比为 31答案：ABC解析：有氧呼吸每消耗 1mol 葡萄糖，产生 CO26mol，释放能量 2870KJ。无氧呼吸每消耗 1mol 葡萄糖，产生 CO22mol，释放能量 196.65KJ。如果将两种呼吸产生的 CO2 累加与有
