人教版高一下册《ATP的主要来源——细胞呼吸》知识点
一、相关概念
1. 呼吸作用（也叫细胞呼吸）
呼吸作用是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，最终生成二氧化碳或其它产物，释放出能量并生成ATP的过程。根据是否有氧气参与，呼吸作用可以分为有氧呼吸和无氧呼吸。
细胞呼吸是生物体维持生命活动的重要生理过程之一。通过这一过程，细胞能够将储存在葡萄糖等有机物中的化学能转化为生物可以直接利用的能量形式——ATP（三磷酸腺苷）。ATP是一种高能化合物，广泛存在于所有活细胞中，它为细胞的各种生命活动提供能量支持。
例如，肌肉收缩、神经传导、物质运输等都离不开ATP的供能。
2. 有氧呼吸
有氧呼吸是指细胞在有氧条件下，通过多种酶的催化作用，将葡萄糖等有机物彻底氧化分解，最终产生二氧化碳和水，并释放出大量能量，生成ATP的过程。有氧呼吸是大多数生物进行能量代谢的主要方式，因为它能更高效地将有机物中的能量释放出来。
具体来说，有氧呼吸分为三个阶段：糖酵解、柠檬酸循环（也称为三羧酸循环或Krebs循环）和电子传递链。这三个阶段紧密相连，逐步将葡萄糖分子中的化学能转化为ATP和其他能量载体，如NADH和FADH。这些能量载体再通过电子传递链进一步将能量转移给氧气，形成水的同时释放出大量的ATP。
3. 无氧呼吸
无氧呼吸一般是指细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，将葡萄糖等有机物分解为不完全的氧化产物（如酒精、二氧化碳或乳酸），同时释放出少量能量，生成少量ATP的过程。与有氧呼吸相比，无氧呼吸效率较低，但它在缺氧环境下对生物体具有重要意义。
无氧呼吸也有两种主要类型：酒精发酵和乳酸发酵。前者常见于酵母菌等微生物中，后者则发生在人体肌肉细胞中。当剧烈运动时，肌肉细胞可能会因氧气供应不足而转向无氧呼吸，产生乳酸，导致肌肉酸痛。这种现象在短时间内提供了额外的能量来源，但长期依赖会导致疲劳和损伤。
4. 发酵
发酵是微生物（如酵母菌、乳酸菌）在无氧条件下进行的无氧呼吸过程。发酵过程中，微生物会将葡萄糖分解成酒精、二氧化碳或乳酸等简单有机物，并释放出少量能量。发酵不仅在生物学上有重要意义，在食品工业中也广泛应用，如酿酒、制醋、酸奶生产等。
五、有氧呼吸与无氧呼吸的比较
| 呼吸方式 | 有氧呼吸 | 无氧呼吸 |
| --- | --- | --- |
| 不同点 | 场所 | 细胞质基质、线粒体基质、线粒体内膜 | 细胞质基质 |
| 条件 | 氧气、多种酶 | 无氧气参与、多种酶 |
| 物质变化 | 葡萄糖彻底分解，产生CO和HO | 葡萄糖分解不彻底，生成乳酸或酒精等 |
| 能量变化 | 释放大量能量（1161kJ被利用，其余以热能散失），形成大量ATP | 释放少量能量，形成少量ATP |
从上述表格可以看出，有氧呼吸和无氧呼吸的主要区别在于反应条件、场所和能量产出。有氧呼吸需要氧气参与，且反应更为复杂，能量转换效率更高；而无氧呼吸不需要氧气，反应较为简单，能量转换效率较低。
六、影响呼吸速率的外界因素
1. 温度
温度通过影响细胞内与呼吸作用有关的酶的活性来影响细胞的呼吸作用。酶是生物催化剂，其活性受温度的影响很大。在一定温度范围内，随着温度升高，酶的活性增强，呼吸作用也随之加强；但如果温度过高或过低，都会使酶的结构发生改变，从而抑制酶的活性，进而影响呼吸作用的效率。
具体而言，低温下酶的活性降低，呼吸作用减弱，细胞内的代谢活动减缓；高温下酶可能变性失活，呼吸作用也会受到抑制。因此，对于植物来说，适宜的温度范围是保证其正常生长发育的关键因素之一。在农业生产中，合理调控环境温度有助于提高作物产量。
2. 氧气
氧气的存在与否直接影响着细胞选择何种类型的呼吸方式。当环境中氧气充足时，细胞倾向于进行有氧呼吸，因为这种方式能够更有效地利用有机物中的能量。相反，如果氧气供应不足，则有氧呼吸将会减弱或受抑制，细胞转而采用无氧呼吸作为替代方案。
然而，长时间处于低氧环境中可能导致细胞积累过多的有害代谢产物，如乳酸或酒精，这对细胞是有害的。因此，在实际应用中，如储存种子、水果和蔬菜时，适当控制氧气浓度可以有效延长其保存期限。
3. 水分
水分对细胞呼吸也有重要影响。一般来说，细胞水分充足时，呼吸作用会增强，这是因为水分不仅是许多生化反应的介质，还参与了物质运输和代谢调节。但是，对于陆生植物而言，根部如果长时间被水浸泡，会导致根系缺氧，进而引发无氧呼吸，产生过多酒精，严重时可导致根部细胞坏死。
因此，在农业实践中，保持土壤适度湿润而不积水是非常重要的。例如，适时灌溉和排水管理可以帮助植物维持健康的根系环境，促进其正常生长发育。
4. CO
环境中的CO浓度同样会影响细胞呼吸。研究表明，适当提高CO浓度可以抑制细胞呼吸，这主要是因为CO能够直接或间接地干扰呼吸链中某些关键步骤。基于这一原理，人们可以通过增加CO浓度来延缓果实和蔬菜的成熟过程，从而延长其保鲜期。
在实际操作中，如冷库贮藏水果和蔬菜时，通常会在冷藏室内通入适量的CO气体，以达到更好的保鲜效果。此外，温室栽培中也可以利用这一特性来调节作物生长速度，提高产量和品质。
七、呼吸作用在生产上的应用
1. 农业生产中的应用
在农业生产中，合理的呼吸作用管理对于提高作物产量和质量至关重要。例如，疏松土壤可以改善土壤透气性，确保根系获得足够的氧气供给，有利于有氧呼吸的进行，从而促进根系健康发育。另外，深耕翻土还可以打破土壤板结层，增加土壤孔隙度，进一步提升土壤通气性和保水性。
除了物理措施外，施肥也是调控植物呼吸作用的有效手段之一。施用适量的氮肥可以促进叶片光合作用，增加碳源供应，进而刺激呼吸作用；而磷钾肥则有助于增强植物抗逆性和养分吸收能力，间接影响呼吸作用强度。总之，科学合理地运用各种农艺措施，可以最大限度地发挥呼吸作用在农业生产中的积极作用。
2. 种子贮藏中的应用
对于粮油种子的贮藏，降低呼吸作用强度是延长种子寿命、减少营养损耗的重要策略。风干处理可以去除种子表面多余水分，降低呼吸作用速率；降温则能减缓酶的活性，抑制呼吸作用；而降低氧气含量则是最直接有效的办法之一，可以通过真空包装或充氮气等方式实现。
此外，一些特殊情况下还可以结合使用化学药剂或辐射处理来进一步抑制呼吸作用，延长种子保存时间。总之，综合考虑多种因素，采取适当的贮藏方法，可以在不影响种子发芽率的前提下，最大限度地延长其使用寿命。
3. 水果、蔬菜保鲜中的应用
水果和蔬菜的保鲜技术同样离不开对呼吸作用的调控。低温冷藏是最常用的方法之一，它可以显著降低呼吸作用速率，延缓衰老进程。同时，降低氧气含量及增加二氧化碳浓度也能起到类似的效果，这两者往往结合使用，既能抑制呼吸作用，又能防止病原菌滋生。
近年来，随着科技的发展，气调保鲜技术逐渐成为主流。该技术通过精确控制贮藏环境中的气体成分比例，创造一个适合果蔬生长但不利于微生物繁殖的小气候环境，从而达到理想的保鲜效果。此外，还有一些新型保鲜材料和技术不断涌现，如纳米材料、智能包装等，为果蔬保鲜带来了更多可能性。
考点·助力
1. 体温的维持与细胞呼吸的关系
人与鸟类和哺乳类维持体温的能量来源都是细胞呼吸。在这些生物的细胞呼吸过程中，葡萄糖等分子中稳定的化学能释放出来：除一部分储存在ATP中外，其余的则转化成热能，可以直接用于提升体温；ATP水解释放出的能量，除了维持各项生命活动外，有一部分也能转化成热能，用于提升体温。
而维持体温的相对稳定，还需复杂的调节机制。
在寒冷环境中，动物体会通过增强细胞呼吸来产生更多的热量，以抵御低温。此时，甲状腺激素和肾上腺素等激素分泌增加，加速新陈代谢，促使更多葡萄糖被氧化分解，释放更多能量。而在炎热环境中，动物体会通过出汗、喘气等方式散热，同时适当降低细胞呼吸强度，避免过热。
2. 呼吸作用与物质燃烧的共同点
呼吸作用与物质燃烧虽然看似不同，但实际上有着许多共同之处。两者都是物质的氧化分解过程，都能产生二氧化碳等产物，并且都释放出能量。只不过，呼吸作用是在细胞内部由酶催化的温和条件下进行的，而物质燃烧则是在外部高温条件下迅速完成的。
从化学角度看，无论是呼吸作用还是燃烧，都是将有机物中的碳氢键断裂，重新组合成新的化合物，同时释放出能量。这个过程中，氧气扮演着至关重要的角色，它作为最终的电子受体，接受来自底物分子的电子，形成水和二氧化碳。
尽管两者的反应条件和速率不同，但在本质上，它们都是将储存在有机物中的化学能转化为其他形式的能量，如热能或电能。
细胞呼吸不仅是生物体内能量代谢的核心环节，还在维持体温、应对环境变化等方面发挥着重要作用。通过对呼吸作用及其影响因素的研究，我们可以更好地理解生命的奥秘，并将其应用于农业生产、食品保存等多个领域，为人类社会的发展做出贡献。
