高中生物从化学能到生物能学案9中图版1解析

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。

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.细胞呼吸的过程要点提炼（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：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酶2C3H4O3+4H]+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酶6CO2+20H]+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。

24H]+6O2酶12H2O+34ATP以葡萄糖为底物的细胞呼吸的总反应式是：C6H12O6+6O2＋6H2O酶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酶2C3H4O3+4H]+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：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。

2CH3COCOOH酶2CH3CHO+2CO2 2CH3CHO+2H]酶2C2H5OH酒精无氧呼吸的总反应式是：C6H12O6酶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。

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+2H]酶2CH3CHOHCOOH乳酸发酵的总反应式是：C6H12O6酶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。