從化學(xué)能到生物能教學(xué)設(shè)計(jì)

　　學(xué)習(xí)目標(biāo)

　　1.說明細(xì)胞呼吸（知識(shí)性目標(biāo)：理解水平）。

　　2.探討其原理的應(yīng)用〔情感性目標(biāo)：經(jīng)歷（感受）水平〕〕。學(xué)習(xí)提示

　　通過探究酵母菌的呼吸方式來掌握細(xì)胞呼吸的兩種方式及其產(chǎn)物等。

　　1.生物體生命活動(dòng)的主要能源物質(zhì)是什么？

　　2.生物體內(nèi)儲(chǔ)存能量的物質(zhì)是什么？

　　3.生物新陳代謝所需能量的直接是什么？

　　4.在光合作用過程中的能量轉(zhuǎn)化是如何進(jìn)行的？

　　答案：

　　1.生物體生命活動(dòng)的主要能源物質(zhì)是糖類。包括葡萄糖、果糖、糖元、淀粉等。

　　2.生物體內(nèi)儲(chǔ)存能量的物質(zhì)是脂肪。

　　3.生物新陳代謝所需能量的直接是ATP的水解。

　　4.在光合作用過程中的能量轉(zhuǎn)化是：太陽光能→電能→ATP與NADPH中活躍的化學(xué)能→糖類中穩(wěn)定的化學(xué)能。

　　知識(shí)鏈接

　　糖類是主要的能源物質(zhì)。

　　ATP含量穩(wěn)定、可再生和移動(dòng)迅速、供能高效，因而成為細(xì)胞內(nèi)能量釋放、轉(zhuǎn)移和利用的中間物質(zhì)。

　　光合作用為幾乎所有生物提供了物質(zhì)和能量。

　　教材分析

　　汽油的燃燒是一個(gè)物質(zhì)氧化的化學(xué)反應(yīng)過程，C由還原態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)的過程中有大量的能量被釋放出來，在這一能量的轉(zhuǎn)變中是一個(gè)由穩(wěn)定的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟艿倪^程（如放出大量的光和熱）。

　　與此相似，生命的運(yùn)動(dòng)過程也有一個(gè)能量形式的轉(zhuǎn)變。而在細(xì)胞內(nèi)的能量是貯存在有機(jī)物中的，這相當(dāng)于汽油這種燃料，例如：糖類、脂肪、蛋白質(zhì)。這些“燃料”中能量必須被氧化分解，變成氧化態(tài)，能量就可以釋放出來，并且轉(zhuǎn)變成ATP中的活躍化學(xué)能被生命活動(dòng)直接利用。要點(diǎn)提煉

　　與汽油這種形式的能源物質(zhì)相似——在細(xì)胞內(nèi)的能量也是貯存于還原態(tài)的碳元素中，能量的釋放過程，就其本質(zhì)來說：是一個(gè)碳元素被氧化的過程。

　　1.細(xì)胞呼吸的類型

　　無論是自養(yǎng)生物還是異養(yǎng)生物，細(xì)胞必須將這些有機(jī)物氧化分解，將能量釋放出來，供生命活動(dòng)之需。細(xì)胞氧化葡萄糖、脂肪酸或其他有機(jī)物以獲取能量并產(chǎn)生CO2的過程稱為細(xì)胞呼吸。

　　探究活動(dòng)

　　酵母菌細(xì)胞呼吸的方式

　　目的要求：通過探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式，了解細(xì)胞呼吸的類型。細(xì)胞呼吸的最重要的意義是為生命活動(dòng)提供能量。

　　實(shí)驗(yàn)原理：酵母菌是兼性厭氧微生物，在有氧和無氧的條件下均能正常生存。有氧呼吸是在有氧氣條件下進(jìn)行的，產(chǎn)生二氧化碳和水，釋放能量多。無氧呼吸是在無氧（或缺氧）條件下進(jìn)行，產(chǎn)生二氧化碳和酒精，釋放能量較少的一種呼吸方式。全析提示

　　釋放能量多少的顯示方法：用溫度計(jì)測(cè)量保溫瓶?jī)?nèi)的溫度變化。

　　材料器具：酵母培養(yǎng)液；液體石蠟油（用于培養(yǎng)液面與空氣進(jìn)行可靠的隔離）、0.1 g/L葡萄糖液；保溫瓶（可以有效地控制內(nèi)部溫度盡可能的不受外界影響）、溫度計(jì)、棉花（可以阻止空氣中的微生物進(jìn)入，但空氣可以進(jìn)入）。

　　活動(dòng)程序：（1）取3只保溫瓶，編號(hào)為A、B、C。將少量的酵母菌放進(jìn)由蒸餾水、純糖和酒石酸銨組成的培養(yǎng)液中，經(jīng)過一夜的培養(yǎng)，便可以產(chǎn)生出千千萬萬的酵母菌。

　　（2）A瓶注入煮沸冷卻（冷卻的目的是避免高溫殺死酵母菌）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 g/L的葡萄糖溶液1 L；B、C瓶注入未經(jīng)煮沸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 g/L的葡萄糖溶液1 L。

　�。�3）向A、B瓶中加入等量的酵母培養(yǎng)液，C號(hào)瓶中不加入酵母菌培養(yǎng)液（作為空白對(duì)照）。

　�。�4）向A號(hào)瓶中注入液體石蠟。煮沸的目的有兩個(gè)：其一是排出氧氣，氣體于100℃在水中的溶解度非常��；其二是殺死微生物。

　�。�5）3個(gè)瓶中同時(shí)放入溫度計(jì)，并用棉團(tuán)輕輕塞上瓶口（這樣做可以有效地通入空氣，并且阻止空氣中的微生物的進(jìn)入），插入溫度計(jì)并保證保溫瓶通氣。

　�。�6）2 h后觀察并記錄3個(gè)保溫瓶溫度數(shù)據(jù)。

　　結(jié)果預(yù)測(cè)及分析：B號(hào)瓶中溫度最高，A號(hào)瓶次之，C號(hào)瓶的溫度最低并且接近室溫。液體石蠟的密度比水小，所以可以在水面上形成一層油膜，從而有效地使空氣與培養(yǎng)液隔開。

　　B號(hào)瓶中的酵母菌進(jìn)行的呼吸方式是有氧呼吸。細(xì)胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，同時(shí)釋放出大量能量的過程，稱為有氧呼吸。A號(hào)瓶中的酵母菌進(jìn)行的呼吸方式是無氧呼吸。無氧呼吸不需要大氣中的氧。

　　絕大多數(shù)的動(dòng)物和植物都需要進(jìn)行有氧呼吸，所以必須生活在氧氣充足的條件下。幾種專營(yíng)體內(nèi)寄生的動(dòng)物進(jìn)行無氧呼吸，如蛔蟲、豬肉絳蟲等。部分微生物也必須進(jìn)行無氧呼吸才能生存，這種微生物的代謝類型被稱為專性厭氧，除了書上的兩種微生物外，還有甲烷桿菌、鏈球菌等。

　　2.細(xì)胞呼吸的主要場(chǎng)所——線粒體要點(diǎn)提煉

　　酵母菌的兩種呼吸方式：①有氧呼吸時(shí)產(chǎn)物是CO2和H2O，并有大量能量釋放；②無氧呼吸產(chǎn)物是酒精和CO2，釋放少量能量。

　　線粒體，最早發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞器是1857年利用光學(xué)顯微鏡在昆蟲的肌肉細(xì)胞中看到的一種顆粒狀結(jié)構(gòu)，直到1897年Benda才把這種線狀和顆粒狀結(jié)構(gòu)稱為線粒體。在光學(xué)顯微鏡下，線粒體成顆粒狀或短桿狀，橫徑約0.2～1 μ，長(zhǎng)約2～8 μ，相當(dāng)于一個(gè)細(xì)菌的大小。全析提示

　　線粒體的形態(tài)與其名稱來歷有關(guān)，線粒體在光學(xué)顯微鏡下呈線狀和顆粒狀。

　　線粒體在電鏡下呈雙層膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)膜向內(nèi)腔折疊形成嵴，嵴的'形成增加了線粒體內(nèi)膜的面積。線粒體內(nèi)膜中蛋白質(zhì)的含量比外膜多得多，完成有氧呼吸第三階段過程的所有的酶都分布在內(nèi)膜上。第二階段的酶在線粒體基質(zhì)中。

　　線粒體是有氧呼吸的主要場(chǎng)所，它的主要使命是為各種生命活動(dòng)提供能量，所以在能量代謝旺盛的細(xì)胞中，線粒體的數(shù)量就比較多，如心肌細(xì)胞與骨骼肌細(xì)胞相比較，心肌細(xì)胞消耗的能量比骨骼肌細(xì)胞多，所以心肌細(xì)胞中的線粒體數(shù)量比骨骼肌多，而且每個(gè)線粒體中嵴的數(shù)量也比骨骼肌中多。要點(diǎn)提煉

　　有氧呼吸有關(guān)的酶分布在基質(zhì)（第二階段）和內(nèi)膜（第三階段）上。

　　線粒體為生命活動(dòng)提供能量，所以需要能量多的細(xì)胞內(nèi)的線粒體數(shù)量多。

　　在線粒體中有少量的DNA和RNA，線粒體在細(xì)胞中可以進(jìn)行自我增殖，如細(xì)胞從低能量代謝轉(zhuǎn)到高能量代謝時(shí)，線粒體的數(shù)量就會(huì)增加，所以線粒體在遺傳上不完全依賴于細(xì)胞核，有一定獨(dú)立性。全析提示[s5u.c]

　　線粒體稱為半自主性細(xì)胞器，是因?yàn)椋孩僭鲋巢慌c細(xì)胞同步;②能夠自主合成部分蛋白質(zhì)。

　　3.細(xì)胞呼吸的過程

　　（1）有氧呼吸是高等動(dòng)物和植物細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用的主要形式，因此，通常所說的呼吸作用就是指有氧呼吸。細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所是線粒體。

　　氧化的有機(jī)物最多的是葡萄糖（約占全部的70%）。如果選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┦蛊咸烟侨紵�，一步就被氧化成CO2和水，而在細(xì)胞中葡萄糖的氧化是要經(jīng)過許多步驟才產(chǎn)生CO2和水的。

　　有氧呼吸的全過程可分為三個(gè)階段：要點(diǎn)提煉

　　物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)氧化分解最大特點(diǎn)是：要經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，逐步釋放出來的。

　　第一階段：1分子葡萄糖分解為2分子的丙酮酸（C3H4O3），同時(shí)產(chǎn)生少量的氫和少量的能量，這些能量能產(chǎn)生2分子ATP。這個(gè)過程是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行的。

　　C6H12O6 2C3H4O3+4[H]+2ATP第一階段可稱為：葡萄糖的分解。

　　第二階段：丙酮酸經(jīng)過一系列的反應(yīng)，分解成二氧化碳和氫，同時(shí)釋放出少量能量，這些能量能產(chǎn)生2分子ATP。這個(gè)階段是在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行的。

　　2C3H4O3+6H2O 6CO2+20[H]+2ATP第二階段可稱為：丙酮酸的徹底分解。

　　第三階段：前兩個(gè)階段產(chǎn)生的氫，經(jīng)過一系列反應(yīng)，與氧結(jié)合成水，同時(shí)釋放大量的能量，這些能量能產(chǎn)生34分子ATP。這個(gè)過程是在線粒體內(nèi)膜（嵴）上進(jìn)行的。第三階段可稱為：水的產(chǎn)生。

　　24[H]+6O2 12H2O+34ATP

　　以葡萄糖為底物的細(xì)胞呼吸的總反應(yīng)式是：

　　C6H12O6+6O2＋6H2O 6CO2＋12H2O+能量全析提示

　　總反應(yīng)式兩側(cè)的水不可以約掉，因?yàn)椴皇窃谝粋�(gè)階段中參與的反應(yīng)。

　　綜合上述每氧化1摩爾葡萄糖，生成6摩爾的二氧化碳和12摩爾的水，同時(shí)生成38摩爾ATP。每氧化1摩爾葡萄糖釋放出來的總能量是2870 ，其中只有1161 轉(zhuǎn)移至ATP的高能磷酸鍵上，能量轉(zhuǎn)變效率只有40％左右，其余部分（1709 ）的能量就以熱能形式散失掉了。

　�。�2）無氧呼吸

　　無氧呼吸也包括許多類型，但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，氧氣不參與反應(yīng)，并且呼吸底物只是部分地被氧化，所以最終形成的產(chǎn)物有酒精、乳酸等。左欄中的一組數(shù)據(jù)是一定要掌握的。

　　第一階段：1分子葡萄糖分解為2分子的丙酮酸（C3H4O3），同時(shí)產(chǎn)生少量的氫和少量的能量，這些能量能產(chǎn)生2分子ATP。這個(gè)過程是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行的。

　　C6H12O6 2C3H4O3+4[H]+2ATP要點(diǎn)提煉

　　第一階段與有氧呼吸的相同，可以看出這一階段并不需要氧氣存在。

　　第二階段：生物種類不同，終產(chǎn)物有兩種。

　�、佼a(chǎn)生酒精的無氧呼吸 酵母菌和其他一些微生物，甚至一些高等植物，在缺氧條件下，都以酒精無氧呼吸的形式進(jìn)行呼吸。全析提示

　　無氧呼吸全過程中，這是唯一的釋放能量的過程。

　　無氧氣存在時(shí)，丙酮酸就在丙酮酸羧化酶的作用下，脫羧成為乙醛。乙醛在乙醇脫氫酶的作用下，被第一階段產(chǎn)生的[H]還原為酒精（乙醇）。這些反應(yīng)可以用下列的反應(yīng)式來表示：

　　2CH3COCOOH 2CH3CHO+2CO2

　　2CH3CHO+2[H] 2C2H5OH思維拓展

　　這一過程可以看出，[H]中貯存的能量隨之進(jìn)入了酒精。

　　酒精無氧呼吸的總反應(yīng)式是：

　　C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量

　�、诋a(chǎn)生乳酸的無氧呼吸 高等動(dòng)物和人體的無氧呼吸產(chǎn)生乳酸。乳酸無氧呼吸也不需要氧的參與，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，并且產(chǎn)生2分子ATP。s5u.c全析提示

　　從反應(yīng)式中可以看出，物質(zhì)在反應(yīng)前后依然是平衡的。

　　2CH3COCOOH+2[H] 2CH3CHOHCOOH

　　乳酸發(fā)酵的總反應(yīng)式是：

　　C6H12O6 2C3H6O3+能量

　　此外，還有一些高等植物的某些器官在進(jìn)行無氧呼吸時(shí)也可以產(chǎn)生乳酸，如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根等。左欄中的反應(yīng)式中也有丙酮酸被還原的過程：羰基被還原成了羥基。

　　總之，無氧呼吸的效率雖然遠(yuǎn)比有氧呼吸低，但作為一種應(yīng)急措施是必要的。從生物的進(jìn)化歷史來看，無氧呼吸也是很有意義的。因?yàn)樵诰G色植物出現(xiàn)之前沒有光合作用，因而大氣中沒有氧氣。這時(shí)的原始生物必然是靠無氧呼吸獲得它們所需的能量。

　　在無氧呼吸中，分解葡萄糖時(shí)釋放的能量是196.65 /l，本章第一節(jié)中ATP水解時(shí)，釋放能量的值是30.54 /l，所以無氧呼吸中產(chǎn)生的2 l ATP中的能量是61.08 。

　　細(xì)胞呼吸釋放出來的能用于細(xì)胞的各種生命活動(dòng)過程。細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂時(shí)需要合成許多物質(zhì)，因而都要耗能。恒溫動(dòng)物體溫的維持也需要能。在低溫下，生物生長(zhǎng)非常緩慢，甚至停滯，原因之一就是呼吸作用十分低微，生物合成十分緩慢。細(xì)胞的主動(dòng)運(yùn)輸也是一種耗能過程。植物根系在氧分壓很低的情況下對(duì)+的吸收大大減少，就是因?yàn)樵谘醴謮旱蜁r(shí)呼吸作用微弱，不能產(chǎn)生足夠的自由能之故。某些特殊的生物，如螢火蟲、電鰻等的光能、電能等都是由ATP中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換而來的。動(dòng)物的機(jī)械活動(dòng)所消耗的能，也都來自呼吸作用中產(chǎn)生的ATP。要點(diǎn)提煉

　　①只需相應(yīng)的酶，不需O2，在有O2存在時(shí)，無氧呼吸會(huì)受抑制。②物質(zhì)變化：由于缺氧，C6H12O6不能徹底氧化分解，而產(chǎn)生不徹底氧化產(chǎn)物，如C2H5OH或C3H6O3。③能量變化：因?yàn)榉纸獠粡氐�，氧化產(chǎn)物中還貯存著能量，所以釋能少。

　　呼吸作用中的能量形式的轉(zhuǎn)變：穩(wěn)定的化學(xué)能（有機(jī)物） 活躍的化學(xué)能（ATP） 生物能（螢火蟲、電鰻的光能等）。

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