细胞呼吸，复习笔记

概览

呼吸作用从葡萄糖释放能量供细胞使用，暂时以 ATP 储存。本章讲授有氧呼吸、人体与酵母中的无氧呼吸（发酵），以及它们的比较。

呼吸作用容易与呼吸（换气）混淆，呼吸作用是细胞内以化学方式释放能量。

呼吸作用在每个细胞中都以相同方式开始：葡萄糖首先在细胞质中经糖酵解分解，释放少量能量。糖酵解产物之后的去向取决于氧气供应，若有氧气，它会进入线粒体进行释放更多能量的有氧阶段；若氧气不足，则会转化为乳酸（在人体中）或乙醇与二氧化碳（在酵母中）。

这一共同的第一步解释了为何厌氧生物即使完全没有氧气，仍能从葡萄糖中提取一些可用的能量，也说明之后能获得多少能量完全取决于线粒体中的有氧阶段能否继续进行。

由于试卷三常要求学生设计或解读一个关于呼吸作用的实验，本章也讲授如何以实际方法探究这个过程，用石灰水检测释放的二氧化碳、用温度计或隔热瓶检测释放的热量，或用呼吸计测量萌发种子或小型无脊椎动物所消耗的氧气量。 一份答得好的试卷三答案会写明应变量、自变量、至少一个控制变量，并准确描述石灰水、温度计读数或气体体积出现怎样的变化才算是阳性结果。

能量、ATP 与每个细胞为何呼吸（内容标准 7.1）

内容标准 7.1 把细胞呼吸作用视为从葡萄糖化学键中释放储存能量、使细胞获得可用能量供应的过程。呼吸作用并不创造能量；它把葡萄糖中已有的化学能转移到三磷酸腺苷（ATP），一种作为细胞即时能量货币的小分子。

在细胞任何需要能量的地方，ATP 被分解为 ADP 与一个磷酸基并立即释放能量，随后再利用呼吸作用提供的能量重新合成，因此活细胞的能量供应从不中断。

所释放的能量驱动维持生物体存活的各项活动：肌肉收缩以产生运动、跨细胞膜主动运输离子与分子、在生长与修复期间合成蛋白质等大分子、传导神经冲动，以及产生维持哺乳动物体温稳定所需的热量。一道问呼吸作用「有何用途」的题目，考查的正是这些用途，而不仅仅是文字方程式。

无论有没有氧气，每个细胞都以相同方式开始呼吸作用。葡萄糖首先在细胞质中经糖酵解分解，无需氧气便释放少量能量。

糖酵解产物之后的去向完全取决于氧气供应，而这一个分叉点正是贯穿全章的关键思想。

有氧呼吸（内容标准 7.2）

有氧呼吸利用氧气把葡萄糖完全分解，并释放大量能量。文字方程式为：葡萄糖 + 氧气 → 二氧化碳 + 水 + 能量。

在细胞质中进行糖酵解之后，富含能量的阶段在线粒体内进行，这正是能量需求高的细胞（如肌肉细胞与肝细胞）含有大量线粒体的原因。

由于葡萄糖被完全拆解为二氧化碳与水，有氧呼吸从每分子葡萄糖中提取的能量远多于任何无氧途径。这种高产量正是有氧呼吸成为身体在静息与轻度活动时主要能量来源的原因，此时肺部与血液能够足够快地输送氧气以满足组织的需求。

在考试中，满分答案会写出每个反应物与产物都正确的方程式，把氧气放在左侧，并把线粒体命名为主要场所。漏掉氧气，或把产物只写成二氧化碳而没有水，都是常见的失分方式。

无氧呼吸与发酵（内容标准 7.3）

当细胞无法获得足够的氧气时，它便进行无氧呼吸，也就是在没有氧气的情况下呼吸。在剧烈运动时的人体肌肉中，葡萄糖只被部分分解：葡萄糖 → 乳酸 + 少量能量。

乳酸在肌肉中积累，降低其 pH 值，并造成剧烈运动期间及运动后不久所感到的疲劳。

酵母通过发酵进行无氧呼吸：葡萄糖 → 乙醇 + 二氧化碳 + 少量能量。这个反应被直接应用于工业。

在烘焙中，产生的二氧化碳使面包面团膨胀并赋予面包质地；在酿造中，由糖产生的乙醇正是啤酒与葡萄酒中所含的酒精。

两条无氧途径都只释放少量能量，因为葡萄糖只被部分分解，其产物仍储存着大量尚未释放的化学能。两条途径共享相同的第一步糖酵解，但终产物不同：人体肌肉产生乳酸，酵母产生乙醇与二氧化碳。

三条途径的比较

把三条呼吸途径并排对照，是贯通本章最清晰的方法。下表比较了是否需要氧气、途径发生的部位、产物、释放的能量以及各自的文字方程式。

氧债、肌肉疲劳与恢复

剧烈运动时，肌肉对能量的需求可能超过氧气供应所能满足的程度，于是细胞部分转为无氧呼吸，产生乳酸的速度快于身体清除乳酸的速度。这种氧气的不足称为氧债：即身体日后需要用来处理积累乳酸的额外氧气。

运动停止后，呼吸速率与心跳速率会维持较高一段时间，以便吸入额外氧气并送往肌肉与肝脏，在那里分解乳酸。这就是为何人在剧烈短跑结束后（而非奔跑途中）仍会持续喘气，运动后的深呼吸代表的是偿还氧债，而不是运动本身。

准确的答案会按顺序写出整个过程：剧烈运动、氧气供应不足以满足需求、无氧呼吸、乳酸积累、氧债，以及运动后当呼吸与心跳仍然较高时的偿还。把事件顺序写乱，或声称氧债在运动期间偿还，都是常见的失分原因。

在实验室中探究呼吸作用

探究呼吸作用的方法是检测其产物之一或测量其反应物之一，而试卷三常要求学生设计或解读这样的实验。把呼吸中的种子或小型生物所释放的二氧化碳通入石灰水，石灰水会变浑浊（像牛奶一样）。

插在隔热（真空）瓶内的温度计可检测萌发种子释放的热量。呼吸计测量一段时间内消耗的氧气体积，通常配合碱石灰或氢氧化钾吸收二氧化碳，使气体体积的任何变化都只归因于氧气的吸收。

有效的实验总会包含对照组。在萌发种子的实验中，对照组是一套相同装置，但使用先煮沸再冷却的种子；煮过的种子已经死亡、不再呼吸，因此活装置中石灰水的浑浊或温度的上升，便可归因于呼吸作用而非仪器本身。

在回答本主题的试卷三题目时，要写明操纵变量、反应变量以及至少一个控制变量，并准确描述石灰水、温度计读数或气体体积出现怎样的变化才算阳性结果。分数是为这种结构而给的，而不是为「呼吸作用发生了」这种含糊的陈述而给。

须掌握的关键概念

• 能量与 ATP, 呼吸作用把储存在葡萄糖化学键中的能量转移到 ATP，一种作为细胞即时可用能量形式的小分子。ATP 在细胞任何需要能量的地方被分解，立即释放能量，然后利用呼吸作用提供的更多能量重新合成，因此细胞的能量供应从不短缺。
• 有氧呼吸, 有氧呼吸利用氧气把葡萄糖完全分解，生成二氧化碳、水与大量能量：葡萄糖 + 氧气生成二氧化碳 + 水 + 能量。它主要在线粒体中进行，效率远高于任何无氧途径，这也是肌肉与肝脏等能量需求高的细胞含有特别多线粒体的原因。
• 人体无氧呼吸, 剧烈运动时，若氧气供应无法满足肌肉的需求，人体细胞便进行无氧呼吸：葡萄糖生成乳酸 + 少量能量。乳酸在肌肉中积累，降低其 pH 值，并造成剧烈运动期间及运动后不久所感到的疲劳与抽筋。
• 酵母发酵, 酵母细胞通过发酵进行无氧呼吸，把葡萄糖分解为乙醇与二氧化碳，同时释放少量能量：葡萄糖生成乙醇 + 二氧化碳 + 能量。这个反应被工业上加以利用，二氧化碳使面包面团在烘焙时膨胀，而乙醇则是啤酒与葡萄酒生产的基础。
• 比较, 有氧呼吸每分子葡萄糖释放的能量远多于任何无氧途径，因为它把葡萄糖完全分解为二氧化碳与水，而不像无氧途径那样只部分分解为乳酸或乙醇，这两者仍含有大量尚未释放的化学能。
• 氧债, 剧烈运动时，乳酸积累的速度快于其被清除的速度，从而产生氧债。运动停止后，呼吸与心跳速率仍保持较高，以便吸入额外氧气分解积累的乳酸，这也是剧烈短跑之后仍会持续喘气的原因。
• 呼吸作用发生的部位, 每个细胞都以相同方式开始呼吸作用：糖酵解在细胞质中分解葡萄糖，无需氧气即可释放少量能量。若有氧气，糖酵解的产物便进入线粒体，在那里进行有氧阶段，释放出葡萄糖分子所含总能量中的大部分。
• 呼吸释放能量的用途, 呼吸作用产生的 ATP 为生物体几乎所有活动提供动力，包括使肌肉收缩以产生运动、跨细胞膜的主动运输、生长期间蛋白质等大分子的生物合成、神经冲动的传导，以及为温血动物产生维持体温稳定所需的热量。
• 探究呼吸作用, 呼吸作用通常通过检测其产物之一或测量其反应物之一来探究：把呼吸中的种子或生物体产生的气体通入石灰水，石灰水变浑浊即表示有二氧化碳；温度计或隔热瓶可检测萌发种子释放的热量；呼吸计则测量一段时间内消耗的氧气体积。
• 发酵的应用, 酵母的发酵直接应用于食品工业：在烘焙中，产生的二氧化碳使面包面团膨胀并赋予面包质地；在酿造中，由糖产生的乙醇正是啤酒与葡萄酒中所含的酒精。这两种过程所依靠的，正是本章所讲授的同一条无氧途径。

快速回想清单

1. 你能定义并解释能量与 ATP吗？
2. 你能定义并解释有氧呼吸吗？
3. 你能定义并解释人体无氧呼吸吗？
4. 你能定义并解释酵母发酵吗？
5. 你能定义并解释比较吗？
6. 你能定义并解释氧债吗？
7. 你能定义并解释呼吸作用发生的部位吗？
8. 你能定义并解释呼吸释放能量的用途吗？
9. 你能定义并解释探究呼吸作用吗？
10. 你能定义并解释发酵的应用吗？

常见问题

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