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高一生物集体备课-5-3 ATP的主要来源─细胞呼吸

[日期:2012-06-24]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:509[字体: ]

一、 教学目标
1.说出线粒体的结构和功能。

2.说明有氧呼吸和无氧呼吸的异同。

3.说明细胞呼吸的原理,并探讨其在生产和生活中的应用。

4.进行酵母菌细胞呼吸方式的探究。

二、 教学重点和难点

1.教学重点

有氧呼吸的过程及原理。

2.教学难点

(1)细胞呼吸的原理和本质。

(2)探究酵母菌细胞的呼吸方式。

三、 教学策略

本节课内容需要约2课时完成。第一节课为探究活动,探究酵母菌细胞呼吸的方式,第二节课学习有氧呼吸和无氧呼吸的概念以及细胞呼吸原理应用于生活和生产实践的实例。

学生学过了ATP的知识,对于ATP作为能量的通货有了一定的认识,教师可以此为切入点,提出问题引入新课。

探究酵母菌细胞呼吸方式的活动要注意解决几个问题:了解酵母菌作为单细胞生物采取何种方式进行细胞呼吸;酵母菌在有氧和无氧条件下细胞呼吸的产物是什么;在实验中如何控制实验条件和检测实验结果;如何设计对照实验等。

当问题明确后,学生探究的过程就会成为探究学习细胞呼吸概念的过程,同时也是学习科学方法,养成科学态度以及建立科学价值观的过程。教师要随时注意学生在探究过程中的问题,及时引导学生对科学概念的学习和理解。比如在准备实验、观察现象、记录结果等方面,需要特别提醒学生,注意养成尊重事实的习惯,然后根据实验现象来分析可能的原因,将学习引向深入,为下面的概念学习铺设道路。

通过酵母菌细胞呼吸方式的探究,学生认识到有氧呼吸和无氧呼吸的条件和生成的产物,这样就为后面学习有氧呼吸和无氧呼吸打下了基础。然后从酵母菌转向其他生物,为学生介绍普遍存在于生物体中的有氧呼吸和无氧呼吸,同时通过学习细胞呼吸作用,让学生了解细胞呼吸的本质是通过有机物的氧化分解为生命活动提供能量,维持细胞的正常生活。

关于细胞呼吸原理在生产和生活中的应用,可以先让学生分析课本中相关的图文资料,说明这些事例中所应用的细胞呼吸原理,再让学生联想其他事例,进行讨论和交流,从而认识到细胞呼吸原理在实践中应用的广泛性。

四、答案和提示

(一)问题探讨

1.两者的共同点是:都是物质的氧化分解过程;都能产生二氧化碳等产物,并且都释放出能量。

2.不能。否则,组成细胞的化合物会迅速而彻底地氧化分解,能量会迅速地全部释放出来,细胞的基本结构也就会遭到彻底的破坏。

3.在无氧条件下,细胞能够通过无氧呼吸来释放能量。但是,无氧呼吸比有氧呼吸释放的能量要少许多。

(二)探究

提示:重铬酸钾可以检测有无酒精存在。这一原理可以用来检测汽车司机是否喝了酒。具体做法是:让司机呼出的气体直接接触到载有用硫酸处理过的重铬酸钾或三氧化铬的硅胶(两者均为橙色),如果呼出的气体中含有酒精,重铬酸钾或三氧化铬就会变成灰绿色的硫酸铬。

(三)小字部分的问题

有氧呼吸的能量转换效率大约是40%。这些能量大约可以使2.3×1025个ATP转化为ADP。

(四)旁栏思考题

提示:一般来说,如果无氧呼吸产生的乳酸或酒精过多,会对细胞产生毒害。酵母菌在无氧以及其他条件适合的情况下,随着发酵产物(如酒精)的增多,营养物质的减少以及pH发生变化等的影响,它的繁殖速率逐渐下降,死亡率逐渐上升,酒精发酵最终就会停止。其他的例子如用乳酸杆菌使牛奶发酵形成酸牛奶,最终情况也是这样。

(五)资料分析

1.提示:参见本节参考资料。

2.提示:胖人通过适量的运动,细胞呼吸的速率会加快,细胞内有机物的分解会增加,体重就会下降。应当将蔬菜和瓜果放入冰箱或地窖等冷凉的地方储藏,这样能够降低细胞呼吸的速率,减少细胞内有机物的损耗。

(六)练习

基础题

1.C。 2.B。

3.提示:有氧呼吸与无氧呼吸的第一个阶段完全相同:都不需要氧;都与线粒体无关。联想到地球的早期以及原核细胞的结构,可以作出这样的推测:在生物进化史上先出现无氧呼吸而后才出现有氧呼吸,即有氧呼吸是由无氧呼吸发展变化而形成的。先出现原核细胞而后出现真核细胞,即真核细胞是由原核细胞进化而来的。

4.不能。因为绿色植物在光合作用中也能形成ATP。

拓展题

提示:人与鸟类和哺乳类维持体温的能量来源都是细胞呼吸。在这些生物的细胞呼吸过程中,葡萄糖等分子中稳定的化学能释放出来:除一部分储存在ATP中外,其余的则转化成热能,可以直接用于提升体温;ATP水解释放出的能量,除了维持各项生命活动外,有一部分也能转化成热能,用于提升体温。而维持体温的相对稳定,还需复杂的调节机制。

五、参考资料

1.细胞有氧呼吸中ATP的产生和消耗

在细胞有氧呼吸的过程中,ATP有产生,也有消耗。细胞的有氧呼吸过程需要经过一系列复杂的化学反应,它们可以概括为以下三个阶段。

糖酵解这是指葡萄糖在无氧条件下进行分解而形成丙酮酸的过程(图12)。这一过程可以分为以下两步:

 

第一步是1分子葡萄糖经过两次磷酸化,而形成1分子的1,6-二磷酸果糖,这一过程要消耗2分子的ATP;第二步是1分子的1,6-二磷酸果糖,在有关酶的催化作用下,最终形成2分子的丙酮酸,并将2分子的氧化型辅酶Ⅰ(NAD+)还原成2分子的还原型辅酶Ⅰ(NADH),这一过程生成2分子的ATP。

三羧酸循环 这一循环过程的最初中间产物是柠檬酸,而柠檬酸是一种三羧基酸,所以这个过程叫做三羧酸循环,也叫做柠檬酸循环(图13)。

概括地说,这一过程一共发生了5次脱氢,其中4次脱出的氢都被NAD+携带着,形成NADH,另一次则被黄酶(FAD)携带着,形成还原型黄酶(FADH2),并形成2分子ATP。

氧化磷酸化 在这一过程中,NADH中的H传递给了FAD,于是NADH被氧化成NAD+,而FAD则被还原成FADH2。FADH2中的H2则分离成游离的氢离子(H+)和电子(e):

FADH2→FAD+2H+ + 2e

电子e可以在多种细胞色素中按顺序传递,最终传递给氧,再加上由FADH2游离出来的H+,最终生成H2O。这一过程中,H+和e在各传递体中依次传递,共同构成了一条链,因此叫做细胞呼吸电子传递链,或简称为呼吸链。在电子传递过程中,因为氧化NADH和FADH2而释放出的能量形成了ATP,并且这一氧化作用与磷酸化作用总是偶联在一起的,所以这一过程叫做氧化磷酸化(图14)。

 

在氧化磷酸化过程中,1分子NADH彻底被氧化,需要发生3次磷酸化,生成3分子的ATP;1分子的FADH2彻底被氧化,则生成2分子的ATP。这样,1分子葡萄糖被氧化磷酸化的情况,可以概括如下:

 

(2)三羧酸循环:

 

因为1 mol的物质含有6.02×1023个分子,所以,每氧化1 mol的葡萄糖,则生成6 mol的二氧化碳和6 mol的水,并生成38 mol的ATP。在标准状态标准状态(是指作用物的质量浓度为1 mol/L、pH为7.0、温度为25 ℃的状态。)下,1 mol ADP形成1 mol ATP,需要30.54 kJ的能量,那么,38个ATP就需要1 161 kJ的能量。每氧化1 mol葡萄糖释放出来的能量是2 870 kJ,其中只有1 161 kJ被保留在ATP中,它们可供细胞生命活动利用。这就是说,有氧呼吸的能量转换效率约为40%左右,其余的能量则以热能的形式散失或作他用。

2.细胞呼吸在线粒体中进行的部位和途径

通过细胞匀浆法和分级离心技术等手段处理,然后测定各细胞亚显微结构的成分得知,有氧呼吸中参与糖酵解阶段的酶,存在于细胞质基质中。参与三羧酸循环阶段和氧化磷酸化阶段的酶,都存在于线粒体内:与三羧酸循环阶段有关的酶存在于线粒体基质中;与氧化磷酸化阶段有关的酶存在于线粒体内膜上。

总之,细胞质基质是有氧呼吸第一阶段的场所;线粒体则是有氧呼吸第二阶段和第三阶段的场所。由于三羧酸循环和氧化磷酸化,在有氧呼吸过程中形成很多的ATP,所以,人们将线粒体形象地比喻成“能量转换站”或“细胞的发电厂”。至于无氧呼吸,则是在细胞质基质中进行的。

3.发酵

无氧呼吸如果不用于高等动植物和人体,而用于微生物则叫做发酵。发酵与无氧呼吸的共同点是:H+和e的最终受体都不是氧,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(图15)。需要指出的是,发酵工业上所说的发酵,并非完全是无氧的,如醋酸发酵就是需要氧的。

酒精发酵酵母菌和其他一些微生物,在缺氧的情况下,以酒精发酵的形式进行无氧呼吸,这是因为它们的细胞内含有乙醇脱氢酶。

酒精发酵的第一个阶段,与糖酵解的步骤完全相同。然后在缺氧的情况下,丙酮酸就在丙酮酸羧化酶的作用下,脱羧形成乙醛,乙醛则在乙醇脱氢酶的作用下,被糖酵解产物──NADH还原为酒精(乙醇)。酒精发酵的总反应式是:

C6H12O6 + 2ADP+2Pi→2C2H5OH + 2CO2+2ATP

概括地说,1分子葡萄糖经过酒精发酵后所提供的可利用的能量,只是糖酵解过程中净得的2分子ATP,该葡萄糖分子中原有的大部分能量则存留在酵母菌不能利用的酒精中。所以说,酒精发酵是产生ATP的一条低效途径。

乳酸发酵乳酸发酵也不需要氧的参与,1分子葡萄糖经乳酸发酵后,形成2分子乳酸,所提供的可利用的能量,同样只是糖酵解过程中净得的2分子ATP。

葡萄糖分解成丙酮酸的情况与上述酒精发酵相同,只是丙酮酸是在乳酸脱氢酶的作用下还原成乳酸,同时还原型辅酶Ⅰ(NADH)被氧化成氧化型辅酶Ⅰ(NAD+),从而保证了乳酸发酵的持续进行。乳酸发酵的总反应式是:

C6H12O6 + 2ADP+2Pi→2C3H6O3 + 2ATP

乳酸菌可以使牛奶发酵而成酸牛奶或奶酪。此外,泡菜、酸菜、青贮饲料能够较长时间地保存,也都是利用乳酸发酵积累的乳酸抑制了其他微生物活动的缘故。

4.细胞呼吸原理的应用

选用“创可贴”等敷料包扎伤口,既为伤口敷上了药物,又为伤口创造了疏松透气的环境、避免厌氧病原菌的繁殖,从而有利于伤口的痊愈。

对于板结的土壤及时进行松土透气,可以使根细胞进行充分的有氧呼吸,从而有利于根系的生长和对无机盐的吸收。此外,松土透气还有利于土壤中好氧微生物的生长繁殖,这能够促使这些微生物对土壤中有机物的分解,从而有利于植物对无机盐的吸收。

酵母菌是兼性厌氧微生物。酵母菌在适宜的通气、温度和pH等条件下,进行有氧呼吸并大量繁殖;在无氧条件下则进行酒精发酵。醋酸杆菌是一种好氧细菌。在氧气充足和具有酒精底物的条件下,醋酸杆菌大量繁殖并将酒精氧化分解成醋酸。

谷氨酸棒状杆菌是一种厌氧细菌。在无氧条件下,谷氨酸棒状杆菌能将葡萄糖和含氮物质(如尿素、硫酸铵、氨水)合成为谷氨酸。谷氨酸经过人们的进一步加工,就成为谷氨酸钠──味精。

水稻的根系适于在水中生长,这是因为水稻的茎和根能够把从外界吸收来的氧气通过气腔(图16)运送到根部各细胞,而且与旱生植物相比,水稻的根也比较适应无氧呼吸。但是,水稻根的细胞仍然需要进行有氧呼吸,所以稻田需要定期排水。如果稻田中的氧气不足,水稻根的细胞就会进行酒精发酵,时间长了,酒精就会对根细胞产生毒害作用,使根系变黑、腐烂。

较深的伤口里缺少氧气,破伤风芽孢杆菌适合在这种环境中生存并大量繁殖。所以,伤口较深或被锈钉扎伤后,患者应及时请医生处理。

有氧运动是指人体细胞充分获得氧的情况下所进行的体育锻炼。人体细胞通过有氧呼吸可以获得较多的能量。相反,百米冲刺和马拉松长跑等无氧运动,是人体细胞在缺氧条件下进行的高速运动。无氧运动中,肌细胞因氧不足,要靠乳酸发酵来获取能量。因为乳酸能够刺激肌细胞周围的神经末梢,所以人会有肌肉酸胀乏力的感觉。
 


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