從化學能到生物能
學習目標
1.說明細胞呼吸（知識性目標：理解水平）。
2.探討其原理的應(yīng)用〔情感性目標：經(jīng)歷（感受）水平〕〕。
學習提示
通過探究酵母菌的呼吸方式掌握細胞呼吸的兩種方式及其產(chǎn)物等。
1.生物體生命活動的主要能物質(zhì)是什么？
2.生物體內(nèi)儲存能量的物質(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)化是如何進行的？
答案：
1.生物體生命活動的主要能物質(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中活躍的化學能→糖類中穩(wěn)定的化學能。
知識鏈接
糖類是主要的能物質(zhì)。
ATP含量穩(wěn)定、可再生和移動迅速、供能高效，因而成為細胞內(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
汽油的燃燒是一個物質(zhì)氧化的化學反應(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，在這一能量的轉(zhuǎn)變中是一個由穩(wěn)定的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟艿倪^程（如放出大量的光和熱）。
與此相似，生命的運動過程也有一個能量形式的轉(zhuǎn)變。而在細胞內(nèi)的能量是貯存在有機物中的，這相當于汽油這種燃料，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，并且轉(zhuǎn)變成ATP中的活躍化學能被生命活動直接利用。要點提煉
與汽油這種形式的能物質(zhì)相似——在細胞內(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)說：是一個碳元素被氧化的過程。
1.細胞呼吸的類型
無論是自養(yǎng)生物還是異養(yǎng)生物，細胞必須將這些有機物氧化分解，將能量釋放出，供生命活動之需。細胞氧化葡萄糖、脂肪酸或其他有機物以獲取能量并產(chǎn)生CO2的過程稱為細胞呼吸。
探究活動
酵母菌細胞呼吸的方式
目的要求：通過探究酵母菌細胞呼吸的方式，了解細胞呼吸的類型。細胞呼吸的最重要的意義是為生命活動提供能量。
實驗原理：酵母菌是兼性厭氧微生物，在有氧和無氧的條下均能正常生存。有氧呼吸是在有氧氣條下進行的，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）條下進行，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：用溫度計測量保溫瓶內(nèi)的溫度變化。
器具：酵母培養(yǎng)液；液體石蠟油（用于培養(yǎng)液面與空氣進行可靠的隔離）、0.1 g/mL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、棉花（可以阻止空氣中的微生物進入，但空氣可以進入）。
活動程序：（1）取3只保溫瓶，編號為A、B、C。將少量的酵母菌放進由蒸餾水、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)量分數(shù)為0.1 g/mL的葡萄糖溶液1 L；B、C瓶注入未經(jīng)煮沸的質(zhì)量分數(shù)為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養(yǎng)液，C號瓶中不加入酵母菌培養(yǎng)液（作為空白對照）。
（4）向A號瓶中注入液體石蠟。煮沸的目的有兩個：其一是排出氧氣，氣體于100℃在水中的溶解度非常小；其二是殺死微生物。
（5）3個瓶中同時放入溫度計，并用棉團輕輕塞上瓶口（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入），插入溫度計并保證保溫瓶通氣。
（6）2 h后觀察并記錄3個保溫瓶溫度數(shù)據(jù)。
結(jié)果預測及分析：B號瓶中溫度最高，A號瓶次之，C號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號瓶中的酵母菌進行的呼吸方式是有氧呼吸。細胞在氧的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，同時釋放出大量能量的過程，稱為有氧呼吸。A號瓶中的酵母菌進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)的動物和植物都需要進行有氧呼吸，所以必須生活在氧氣充足的條下。幾種專營體內(nèi)寄生的動物進行無氧呼吸，如蛔蟲、豬肉絳蟲等。部分微生物也必須進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.細胞呼吸的主要場所——線粒體要點提煉
酵母菌的兩種呼吸方式：①有氧呼吸時產(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)這種細胞器是1857年利用光學顯微鏡在昆蟲的肌肉細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。在光學顯微鏡下，線粒體成顆粒狀或短桿狀，橫徑約0.2～1 μm，長約2～8 μm，相當于一個細菌的大小。全析提示
線粒體的形態(tài)與其名稱歷有關(guān)，線粒體在光學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所，它的主要使命是為各種生命活動提供能量，所以在能量代謝旺盛的細胞中，線粒體的數(shù)量就比較多，如心肌細胞與骨骼肌細胞相比較，心肌細胞消耗的能量比骨骼肌細胞多，所以心肌細胞中的線粒體數(shù)量比骨骼肌多，而且每個線粒體中嵴的數(shù)量也比骨骼肌中多。要點提煉
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。
線粒體為生命活動提供能量，所以需要能量多的細胞內(nèi)的線粒體數(shù)量多。
在線粒體中有少量的DNA和RNA，線粒體在細胞中可以進行自我增殖，如細胞從低能量代謝轉(zhuǎn)到高能量代謝時，線粒體的數(shù)量就會增加，所以線粒體在遺傳上不完全依賴于細胞核，有一定獨立性。全析提示[s5u]
線粒體稱為半自主性細胞器，是因為：①增殖不與細胞同步;②能夠自主合成部分蛋白質(zhì)。
3.細胞呼吸的過程
（1）有氧呼吸是高等動物和植物細胞進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。細胞進行有氧呼吸的主要場所是線粒體。
氧化的有機物最多的是葡萄糖（約占全部的70%）。如果選擇適當?shù)拇呋瘎┦蛊咸烟侨紵�，一步就被氧化成CO2和水，而在細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階段：要點提煉
物質(zhì)在細胞內(nèi)氧化分解最大特點是：要經(jīng)過一系列復雜的化學反應(yīng)，逐步釋放出的。
第一階段：1分子葡萄糖分解為2分子的丙酮酸（C3H4O3），同時產(chǎn)生少量的氫和少量的能量，這些能量能產(chǎn)生2分子ATP。這個過程是在細胞質(zhì)基質(zhì)中進行的。
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，同時釋放出少量能量，這些能量能產(chǎn)生2分子ATP。這個階段是在線粒體基質(zhì)中進行的。
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，同時釋放大量的能量，這些能量能產(chǎn)生34分子ATP。這個過程是在線粒體內(nèi)膜（嵴）上進行的。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，因為不是在一個階段中參與的反應(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，同時生成38摩爾ATP。每氧化1摩爾葡萄糖釋放出的總能量是2870 kJ，其中只有1161 kJ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 kJ）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，但它們有一個共同的特點，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。這個過程是在細胞質(zhì)基質(zhì)中進行的。
C6H12O6 2C3H4O3+4[H]+2ATP要點提煉
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。
①產(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，在缺氧條下，都以酒精無氧呼吸的形式進行呼吸。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，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入了酒精。
酒精無氧呼吸的總反應(yīng)式是：
C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量
②產(chǎn)生乳酸的無氧呼吸 高等動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。ks5u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行無氧呼吸時也可以產(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。從生物的進化歷史看，無氧呼吸也是很有意義的。因為在綠色植物出現(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，分解葡萄糖時釋放的能量是196.65 kJ/mol，本第一節(jié)中ATP水解時，釋放能量的值是30.54 kJ/mol，所以無氧呼吸中產(chǎn)生的2 mol ATP中的能量是61.08 kJ。
細胞呼吸釋放出的能用于細胞的各種生命活動過程。細胞生長、分裂時需要合成許多物質(zhì)，因而都要耗能。恒溫動物體溫的維持也需要能。在低溫下，生物生長非常緩慢，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。細胞的主動運輸也是一種耗能過程。植物根系在氧分壓很低的情況下對+的吸收大大減少，就是因為在氧分壓低時呼吸作用微弱，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中的化學能轉(zhuǎn)換而的。動物的機械活動所消耗的能，也都自呼吸作用中產(chǎn)生的ATP。要點提煉
①只需相應(yīng)的酶，不需O2，在有O2存在時，無氧呼吸會受抑制。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：因為分解不徹底，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)定的化學能（有機物） 活躍的化學能（ATP） 生物能（螢火蟲、電鰻的光能等）。
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