从化学能到生物能
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。
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，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，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，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，在有氧和无氧的条下均能正常生存。有氧呼吸是在有氧气条下进行的，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。
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。
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[s5u]
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+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中的化学能转换而的。动物的机械活动所消耗的能，也都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）。
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