“细胞呼吸及其原理的应用”考点等级提升解读

张卓鹏

《考试说明》每年都会对个别知识点的等级要求进行微调，如2018年江苏省生物考试说明共有6个考点等级就行了调整，其中“细胞呼吸及其原理的应用”由B级提升为C级（等级分三级：A级为了解；B级为理解；C级为应用）。调整的考点往往成为命题的关注点。在“细胞呼吸”复习训练中，常有学生对细胞呼吸的原理及应用混淆不清，如人体细胞无氧呼吸有没有C02产生（无，产物仅为乳酸）；人体细胞呼吸产生COs的场所主要是线粒体的判断（错误，场所仅为线粒体）；无氧呼吸两个阶段都有ATP产生的判断（错误，仅第一阶段产生少量的ATP）；透气的创口贴可防止伤口细胞因长时间缺氧而坏死的判断（错误，透气的创口贴透气可抑制破伤风杆菌无氧呼吸和增殖，防止破伤风杆菌的感染）等。另外，学生在新情境中获取信息解题时暴露出的“细胞呼吸”问题更多。下选几例，并就可能出现的解题障碍提供具体的解题思路和方法。

【例1】一些哺乳动物在入冬前要大量进食，这些食物可在体内转变为脂肪。

（1）脂肪是细胞内良好的____物质，在脂肪细胞中以大小不一的脂滴存在，可推测包裹脂滴的是外被蛋白和____单分子层。

（2）科研人員在哺乳动物体内发现了细胞内含有大量线粒体的棕色脂肪组织，其线粒体内膜含有U蛋白，使得H+可以通过U蛋白回流至线粒体基质，减少线粒体内膜上ATP的合成。因此，棕色脂肪细胞被激活时，线粒体有氧呼吸释放的能量中____能所占比例明显增大。

（3）科研人员对冬眠动物在寒冷环境中棕色脂肪组织的变化进行了实验研究，结果如图1所示。

据上述结果分析，寒冷环境诱导棕色脂肪细胞数量__，动物由冬眠状态转为清醒状态时，__迅速升高，______量迅速增加，使体温迅速恢复到正常水平。

（4）机体内，棕色脂肪细胞间含有丰富的交感神经末梢，交感神经兴奋后分泌的去甲肾上腺素能提高代谢率。科研人员用大鼠进行实验研究，结果如图2所示。

结果表明，随寒冷刺激的持续时间延长，机体维持体温恒定所需能量来源的变化是：______。寒冷刺激后注射去甲肾上腺素诱导的机体产热显著强于寒冷刺激前，请你提出一种可能的作用机制解释此现象：__________。

【解法指导】（1）介绍磷脂分子有亲水基团和疏水基团两种基团，细胞膜因内外两侧都与水接触，故形成细胞膜的基本支架为磷脂双分子层。

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单分子层包被，所形成的磷脂单分子层结构示意图如图3所示。

（2）细胞呼吸释放的能量有两个去路，如1 mol的葡萄糖彻底氧化分解后，可释放能量2870kJ，其中1161 kJ左右的能量储存在ATP中，其余的能量则以热能的形式散失掉了。因此，当棕色脂肪细胞被激活时，线粒体内膜上ATP的合成减少，有氧呼吸释放的总能量不变，则有氧呼吸释放的能量中热能所占比例将会明显增大。

（3）应将温度随时间的变化图、棕色脂肪细胞数量相对值随时间的变化图、棕色脂肪细胞活性相对值随时间的变化图对应同一时段的变化进行整体观察分析，便能得出：寒冷环境（环境温度下降）诱导棕色脂肪细胞数量增加；动物由冬眠状态转为清醒状态时，棕色脂肪细胞活性迅速升高，导致产热量迅速增加，从而使体温迅速恢复到正常水平。

（4）图中先后两次注射去甲肾上腺素，寒冷刺激后注射去甲肾上腺素诱导的机体产热显著强于寒冷刺激前。这就要求学生根据信息作出合理性假设。激素作用的对象为靶器官、靶细胞，先得判断出去甲肾上腺素作用的靶细胞是哪种。从题中，可分析出：去甲肾上腺素的靶细胞最可能是棕色脂肪细胞；寒冷刺激能诱导棕色脂肪细胞数量增加，故寒冷刺激后再注射去甲肾上腺素，效果会因靶细胞数量的增加而变得更加明显。作用机制的解释或假设具有一定的开放性，只要尽可能合理就行。例如，寒冷刺激使棕色脂肪细胞对去甲肾上腺素的敏感性增加；寒冷刺激使棕色脂肪细胞去甲肾上腺素受体增加或活性增强等均可。

【参考答案】（1）储能 磷脂 （2）热 （3）增加棕色脂肪细胞活性 产热 （4）由骨骼肌战栗供能为主逐渐转变为消耗棕色脂肪供能为主棕色脂肪细胞是去甲肾上腺素的靶细胞，寒冷刺激前，动物体内棕色脂肪含量有限，寒冷刺激使棕色脂肪细胞的数量增加，寒冷刺激后再注射去甲肾上腺素的效果明显（或寒冷刺激使棕色脂肪细胞对去甲肾上腺素的敏感性增加；寒冷刺激使棕色脂肪细胞去甲肾上腺素受体增加或活性增强）

【例2】图4表示某植物叶肉细胞中光合作用和有氧呼吸的主要过程，其中甲～丁表示细胞中相应结构，a～d表示相关物质；图5表示该植物种子萌发过程中呼吸作用状态的变化。请据图回答：

（1）图4中的结构乙的名称是________，物质c表示________。

（2）图5中的第Ⅲ阶段细胞呼吸发生的主要场所是____（填图1中的甲～丁）。

（3）细胞呼吸强度受外界条件和内部因素的影响，请分析：

①图5中第Ⅰ阶段CO₂释放量迅速上升的主要原因是______。

②图5中第Ⅲ阶段CO₂释放量再次急剧上升的主要原因有____、____。

【解法指导】（1）关于细胞呼吸、光合作用各阶段场所、条件、物质变化、能量变化以及两者之间的联系，这是细胞代谢最基础的内容，学生务必熟练掌握运用。据图分析，图4中，甲能利用光能，是叶绿体类囊体薄膜，乙是叶绿体基质（暗反应场所，产生葡萄糖），丙是细胞质基质，丁是线粒体。物质c是二氧化碳。（2）图5中的第Ⅲ阶段（胚根穿破种皮后）细胞呼吸主要是有氧呼吸，其进行的主要场所是线粒体。（3）图5中第1阶段C02释放量迅速上升的主要原因是种子吸水后呼吸酶活性增强，无氧呼吸（因有种皮包被，无氧呼吸为主）增强导致二氧化碳释放增加。图5中第Ⅲ阶段C02释放量再次急剧上升的主要原因有胚根穿破种皮后氧气浓度升高有氧呼吸增强，氧气浓度升高这是外因，内因是细胞中线粒体数量增多，代谢旺盛。发生变化的原因通常可从内外因两方面综合考虑。

【参考答案】（1）叶绿体基质 CO₂（2）丁（3）①种子吸水后呼吸酶活性增强 ②氧气供应增多 线粒体数量增多

【例3】某研究小组对某大豆新品种的种子萌发过程开展研究，首先将大豆种子置于适宜的环境中培养，定期检测萌发过程中种子的鲜重和气体交换速率（曲线①和②分别代表一种气体的交换速率）如图6、图7所示。回答下列问题：

（1）影响种子萌发的外界因素有______（至少答出2点）。

（2）图6中阶段Ⅱ期间，大豆种子胚细胞合成的

解除种子休眠，促进种子萌发。阶段Ⅲ期间不可能发生的可遗传变异是

。

（3）图7中a点以前，曲线①高于②的原因是________，a点以后曲线②高于①，其原因是此时种子进行呼吸作用所使用的底物可能包含一定量的

。

【解法指导】（1）种子萌发过程中只进行呼吸作用，影响种子呼吸作用的外界因素有氧气、温度、水分。尤其是水分，干种子自由水少，呼吸酶活性低，种子不萌发。（2）图6中阶段Ⅲ种子鲜重急剧上升，种子已萌发，可推断出甲图中阶段Ⅱ期间，大豆种子胚细胞合成了赤霉素（或GA），解除种子休眠，从而促进种子萌发。脱落酸与赤霉素作用相反，与种子休眠有关，两者为拮抗作用。阶段Ⅲ期间细胞仅进行有丝分裂，不会发生减数分裂，因此发生的可遗传变异有基因突变和染色体变异，而基因重组只能发生在减数分裂过程中（如减数第一次分裂四分体时期的交叉互换，减数第一次分裂后期的非同源染色体的自由组合）。（3）图7中a点以前，种子进行了无氧呼吸，无氧呼吸不吸收氧气，但释放二氧化碳，曲线①表示二氧化碳（开始时交换速率高），曲线②表示氧气（开始时交换速率低），因此曲线①高于②；a点以后曲线②高于①，其原因是此时种子胚根穿破种皮，进行有氧呼吸，所使用的底物可能包含一定量的脂肪（或脂肪和蛋白质），脂肪的碳氢比例高，氧既需用于碳氧化，也要用于与氢氧化，需消耗较多的氧，应消耗的氧气量大于二氧化碳的产生量，如花生种子萌发时便是如此，这涉及到“呼吸熵”这一内容。呼吸熵是指生物体在同一时间内，释放二氧化碳与吸收氧气的体积之比或摩尔数之比，即指呼吸作用所释放的CO₂和吸收的O₂的分子比。

由于糖類、脂质和蛋白质的供能顺序不同，只有糖类和脂质都供能不足时，才会出现蛋白质的氧化供能。而这种情况在生物体内很少发生，所以通常情况下所测定的呼吸熵，实际上是非蛋白呼吸熵，即以糖类和脂质为氧化分解的底物时所测定的呼吸熵。糖类和脂质的呼吸商数值也是有差异的。

糖类是碳水化合物C_m（H₂O）_n。当其完全氧化分解时，氧只用于与碳形成二氧化碳，也就是说每释放m摩尔CO₂需吸收m摩尔O₂，故呼吸熵为1。

脂质完全氧化分解时，由于其分子中氢对氧的比例较糖分子中高，氧既需用于碳氧化，也要用于与氢氧化，需消耗较多的氧，故呼吸熵小于1（0.7～0.8）。如蓖麻油的氧化方程式表示为：2C₅₇H₁₀₄O₉+157O₂→114CO₂+104H₂O，可推算呼吸熵为114/157=0.73。

值得注意的是，用呼吸熵的数值推断呼吸底物时，仅限在氧气充足的情况下。但在低氧条件下，由于生物体内存在无氧呼吸，特别是以糖类做为呼吸底物时，呼吸熵明显会大于1。因此生物体呼吸作用类型的不同，在一定程度上也会影响呼吸商数值的大小。图7中b点后曲线①、②重叠，可判断出此时植物只进行有氧呼吸，呼吸熵为1，呼吸底物为糖类。

【参考答案】（1）氧气、温度、水分 （2）赤霉素（或GA）基因重组 （3）种子进行了无氧呼吸，无氧呼吸不吸收氧气，但释放二氧化碳 脂肪（或脂肪和蛋白质）