学习目标

　　1.说明细胞呼吸(知识性目标：理解水平)。

　　2.探讨其原理的应用〔情感性目标：经历(感受)水平〕〕。

　　学习提示

　　通过探究酵母菌的呼吸方式来掌握细胞呼吸的两种方式及其产物等。

　　1.生物体生命活动的主要能源物质是什么?

　　2.生物体内储存能量的物质是什么?

　　3.生物新陈代谢所需能量的直接来源是什么?

　　4.在光合作用过程中的能量转化是如何进行的?

　　答案：

　　1.生物体生命活动的主要能源物质是糖类。包括葡萄糖、果糖、糖元、淀粉等。

　　2.生物体内储存能量的物质是脂肪。

　　3.生物新陈代谢所需能量的直接来源是ATP的水解。

　　4.在光合作用过程中的能量转化是：太阳光能→电能→ATP与NADPH中活跃的化学能→糖类中稳定的化学能。

　　知识链接

　　糖类是主要的能源物质。

　　ATP含量稳定、可再生和移动迅速、供能高效，因而成为细胞内能量释放、转移和利用的中间物质。

　　光合作用为几乎所有生物提供了物质和能量来源。

　　教材分析

　　汽油的燃烧是一个物质氧化的化学反应过程，C由还原态转变为氧化态的过程中有大量的能量被释放出来，在这一能量的转变中是一个由稳定的化学能转变为物理能的过程(如放出大量的光和热)。

　　与此相似，生命的运动过程也有一个能量形式的转变。而在细胞内的能量是贮存在有机物中的，这相当于汽油这种燃料，例如：糖类、脂肪、蛋白质。这些“燃料”中能量必须被氧化分解，变成氧化态，能量就可以释放出来，并且转变成ATP中的活跃化学能被生命活动直接利用。 要点提炼

　　与汽油这种形式的能源物质相似——在细胞内的能量也是贮存于还原态的碳元素中，能量的释放过程，就其本质来说：是一个碳元素被氧化的过程。

　　1.细胞呼吸的类型

　　无论是自养生物还是异养生物，细胞必须将这些有机物氧化分解，将能量释放出来，供生命活动之需。细胞氧化葡萄糖、脂肪酸或其他有机物以获取能量并产生CO2的过程称为细胞呼吸。

　　探究活动

　　酵母菌细胞呼吸的方式

　　目的要求：通过探究酵母菌细胞呼吸的方式，了解细胞呼吸的类型。 细胞呼吸的最重要的意义是为生命活动提供能量。

　　实验原理：酵母菌是兼性厌氧微生物，在有氧和无氧的条件下均能正常生存。有氧呼吸是在有氧气条件下进行的，产生二氧化碳和水，释放能量多。无氧呼吸是在无氧(或缺氧)条件下进行，产生二氧化碳和酒精，释放能量较少的一种呼吸方式。 全析提示

　　释放能量多少的显示方法：用温度计测量保温瓶内的温度变化。

　　材料器具：酵母培养液;液体石蜡油(用于培养液面与空气进行可靠的隔离)、0.1 g/mL葡萄糖液;保温瓶(可以有效地控制内部温度尽可能的不受外界影响)、温度计、棉花(可以阻止空气中的微生物进入，但空气可以进入)。

　　活动程序：(1)取3只保温瓶，编号为A、B、C。 将少量的酵母菌放进由蒸馏水、纯糖和酒石酸铵组成的培养液中，经过一夜的培养，便可以产生出千千万万的酵母菌。

　　(2)A瓶注入煮沸冷却(冷却的目的是避免高温杀死酵母菌)的质量分数为0.1 g/mL的葡萄糖溶液1 L;B、C瓶注入未经煮沸的质量分数为0.1 g/mL的葡萄糖溶液1 L。

　　(3)向A、B瓶中加入等量的酵母培养液，C号瓶中不加入酵母菌培养液(作为空白对照)。

　　(4)向A号瓶中注入液体石蜡。 煮沸的目的有两个：其一是排出氧气，气体于100℃在水中的溶解度非常小;其二是杀死微生物。

　　(5)3个瓶中同时放入温度计，并用棉团轻轻塞上瓶口(这样做可以有效地通入空气，并且阻止空气中的微生物的进入)，插入温度计并保证保温瓶通气。

　　(6)2 h后观察并记录3个保温瓶温度数据。

　　结果预测及分析：B号瓶中温度最高，A号瓶次之，C号瓶的温度最低并且接近室温。 液体石蜡的密度比水小，所以可以在水面上形成一层油膜，从而有效地使空气与培养液隔开。

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　　高一生物教案 从化学能到生物能

　　B号瓶中的酵母菌进行的呼吸方式是有氧呼吸。细胞在氧的参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，同时释放出大量能量的过程，称为有氧呼吸。A号瓶中的酵母菌进行的呼吸方式是无氧呼吸。无氧呼吸不需要大气中的氧。

　　绝大多数的动物和植物都需要进行有氧呼吸，所以必须生活在氧气充足的条件下。几种专营体内寄生的动物进行无氧呼吸，如蛔虫、猪肉绦虫等。部分微生物也必须进行无氧呼吸才能生存，这种微生物的代谢类型被称为专性厌氧，除了书上的两种微生物外，还有甲烷杆菌、链球菌等。

　　2.细胞呼吸的主要场所——线粒体 要点提炼

　　酵母菌的两种呼吸方式：①有氧呼吸时产物是CO2和H2O，并有大量能量释放;②无氧呼吸产物是酒精和CO2，释放少量能量。

　　线粒体，最早发现这种细胞器是1857年利用光学显微镜在昆虫的肌肉细胞中看到的一种颗粒状结构，直到1897年Benda才把这种线状和颗粒状结构称为线粒体。在光学显微镜下，线粒体成颗粒状或短杆状，横径约0.2～1 μm，长约2～8 μm，相当于一个细菌的大小。 全析提示

　　线粒体的形态与其名称来历有关，线粒体在光学显微镜下呈线状和颗粒状。

　　线粒体在电镜下呈双层膜结构，内膜向内腔折叠形成嵴，嵴的形成增加了线粒体内膜的面积。线粒体内膜中蛋白质的含量比外膜多得多，完成有氧呼吸第三阶段过程的所有的酶都分布在内膜上。第二阶段的酶在线粒体基质中。

　　线粒体是有氧呼吸的主要场所，它的主要使命是为各种生命活动提供能量，所以在能量代谢旺盛的细胞中，线粒体的数量就比较多，如心肌细胞与骨骼肌细胞相比较，心肌细胞消耗的能量比骨骼肌细胞多，所以心肌细胞中的线粒体数量比骨骼肌多，而且每个线粒体中嵴的数量也比骨骼肌中多。 要点提炼

　　有氧呼吸有关的酶分布在基质(第二阶段)和内膜(第三阶段)上。

　　线粒体为生命活动提供能量，所以需要能量多的细胞内的线粒体数量多。

　　在线粒体中有少量的DNA和RNA，线粒体在细胞中可以进行自我增殖，如细胞从低能量代谢转到高能量代谢时，线粒体的数量就会增加，所以线粒体在遗传上不完全依赖于细胞核，有一定独立性。 全析提示[Ks5u.com]

　　线粒体称为半自主性细胞器，是因为：①增殖不与细胞同步;②能够自主合成部分蛋白质。

　　3.细胞呼吸的过程

　　(1)有氧呼吸是高等动物和植物细胞进行呼吸作用的主要形式，因此，通常所说的呼吸作用就是指有氧呼吸。细胞进行有氧呼吸的主要场所是线粒体。

　　氧化的有机物最多的是葡萄糖(约占全部的70%)。如果选择适当的催化剂使葡萄糖燃烧，一步就被氧化成CO2和水，而在细胞中葡萄糖的氧化是要经过许多步骤才产生CO2和水的。

　　有氧呼吸的全过程可分为三个阶段： 要点提炼

　　物质在细胞内氧化分解最大特点是：要经过一系列复杂的化学反应，逐步释放出来的。

　　第一阶段：1分子葡萄糖分解为2分子的丙酮酸(C3H4O3)，同时产生少量的氢和少量的能量，这些能量能产生2分子ATP。这个过程是在细胞质基质中进行的。

　　C6H12O6 2C3H4O3+4[H]+2ATP 第一阶段可称为：葡萄糖的分解。

　　第二阶段：丙酮酸经过一系列的反应，分解成二氧化碳和氢，同时释放出少量能量，这些能量能产生2分子ATP。这个阶段是在线粒体基质中进行的。

　　2C3H4O3+6H2O 6CO2+20[H]+2ATP 第二阶段可称为：丙酮酸的彻底分解。

　　第三阶段：前两个阶段产生的氢，经过一系列反应，与氧结合成水，同时释放大量的能量，这些能量能产生34分子ATP。这个过程是在线粒体内膜(嵴)上进行的。 第三阶段可称为：水的产生。

　　24[H]+6O2 12H2O+34ATP

　　以葡萄糖为底物的细胞呼吸的总反应式是：

　　C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+能量 全析提示

　　总反应式两侧的水不可以约掉，因为不是在一个阶段中参与的反应。

　　综合上述每氧化1摩尔葡萄糖，生成6摩尔的二氧化碳和12摩尔的水，同时生成38摩尔ATP。每氧化1摩尔葡萄糖释放出来的总能量是2870 kJ，其中只有1161 kJ转移至ATP的高能磷酸键上，能量转变效率只有40%左右，其余部分(1709 kJ)的能量就以热能形式散失掉了。

　　(2)无氧呼吸

　　无氧呼吸也包括许多类型，但它们有一个共同的特点，氧气不参与反应，并且呼吸底物只是部分地被氧化，所以最终形成的产物有酒精、乳酸等。 左栏中的一组数据是一定要掌握的。

　　第一阶段：1分子葡萄糖分解为2分子的丙酮酸(C3H4O3)，同时产生少量的氢和少量的能量，这些能量能产生2分子ATP。这个过程是在细胞质基质中进行的。

　　C6H12O6 2C3H4O3+4[H]+2ATP 要点提炼

　　第一阶段与有氧呼吸的相同，可以看出这一阶段并不需要氧气存在。

　　第二阶段：生物种类不同，终产物有两种。

　　①产生酒精的无氧呼吸　酵母菌和其他一些微生物，甚至一些高等植物，在缺氧条件下，都以酒精无氧呼吸的形式进行呼吸。 全析提示

　　无氧呼吸全过程中，这是唯一的释放能量的过程。

　　无氧气存在时，丙酮酸就在丙酮酸羧化酶的作用下，脱羧成为乙醛。乙醛在乙醇脱氢酶的作用下，被第一阶段产生的[H]还原为酒精(乙醇)。这些反应可以用下列的反应式来表示：

　　2CH3COCOOH 2CH3CHO+2CO2

　　2CH3CHO+2[H] 2C2H5OH 思维拓展

　　这一过程可以看出，[H]中贮存的能量随之进入了酒精。

　　酒精无氧呼吸的总反应式是：

　　C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量

　　②产生乳酸的无氧呼吸　高等动物和人体的无氧呼吸产生乳酸。乳酸无氧呼吸也不需要氧的参与，而只依靠酶的作用就能把1分子葡萄糖分解成2分子乳酸，并且产生2分子ATP。ks5u.com 全析提示

　　从反应式中可以看出，物质在反应前后依然是平衡的。

　　2CH3COCOOH+2[H] 2CH3CHOHCOOH

　　乳酸发酵的总反应式是：

　　C6H12O6 2C3H6O3+能量

　　此外，还有一些高等植物的某些器官在进行无氧呼吸时也可以产生乳酸，如马铃薯块茎、甜菜块根等。 左栏中的反应式中也有丙酮酸被还原的过程：羰基被还原成了羟基。

　　总之，无氧呼吸的效率虽然远比有氧呼吸低，但作为一种应急措施是必要的。从生物的进化历史来看，无氧呼吸也是很有意义的。因为在绿色植物出现之前没有光合作用，因而大气中没有氧气。这时的原始生物必然是靠无氧呼吸获得它们所需的能量。

　　在无氧呼吸中，分解葡萄糖时释放的能量是196.65 kJ/mol，本章第一节中ATP水解时，释放能量的值是30.54 kJ/mol，所以无氧呼吸中产生的2 mol ATP中的能量是61.08 kJ。

　　细胞呼吸释放出来的能用于细胞的各种生命活动过程。细胞生长、分裂时需要合成许多物质，因而都要耗能。恒温动物体温的维持也需要能。在低温下，生物生长非常缓慢，甚至停滞，原因之一就是呼吸作用十分低微，生物合成十分缓慢。细胞的主动运输也是一种耗能过程。植物根系在氧分压很低的情况下对K+的吸收大大减少，就是因为在氧分压低时呼吸作用微弱，不能产生足够的自由能之故。某些特殊的生物，如萤火虫、电鳗等的光能、电能等都是由ATP中的化学能转换而来的。动物的机械活动所消耗的能，也都来自呼吸作用中产生的ATP。 要点提炼

　　①只需相应的酶，不需O2，在有O2存在时，无氧呼吸会受抑制。②物质变化：由于缺氧，C6H12O6不能彻底氧化分解，而产生不彻底氧化产物，如C2H5OH或C3H6O3。③能量变化：因为分解不彻底，氧化产物中还贮存着能量，所以释能少。

　　呼吸作用中的能量形式的转变：稳定的化学能(有机物) 活跃的化学能(ATP) 生物能(萤火虫、电鳗的光能等)。