高中生物《從化學能到生物能》學案9 中圖版必修1

1、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來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源物質(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來源是什么？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)儲存能量的物質(zhì)是脂肪。3.生物新陳代謝所需能量的直接來源是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

2、能。知識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)和能量來源。教材分析汽油的燃燒是一個物質(zhì)氧化的化學反應過程，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)，能量就可以釋放出來，并且轉(zhuǎn)變成ATP中的活躍化學能被生命活動直接利用。要

3、點提煉與汽油這種形式的能源物質(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)來說：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，將能量釋放出來，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，在有氧和無氧的條件下均能正常生存。有氧呼吸是在有氧氣條件下進行的，產(chǎn)生二氧化碳和水，釋放能量多。無氧呼吸是在無氧（或缺

4、氧）條件下進行，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。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

5、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?。黄涠菤⑺牢⑸?。（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

6、。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件下。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：有氧呼吸時產(chǎn)物是CO2和H2O，并有大量能量釋放；無氧呼吸

7、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構，直到1897年Benda才把這種線狀和顆粒狀結構稱為線粒體。在光學顯微鏡下，線粒體成顆粒狀或短桿狀，橫徑約0.21 m，長約28 m，相當于一個細菌的大小。全析提示線粒體的形態(tài)與其名稱來歷有關，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構，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

8、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。全析提示線粒體稱為半自主性細胞器，是因為：增殖不與細胞同步;能夠自主合成部分蛋白

9、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，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。C6H12O

10、62C3H4O3+4H+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，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+6H2O6CO2+20H+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，與氧結合成水，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。24H+6O212H2O+34ATP以葡萄糖為底物的細胞呼吸的總反應式是：C6H12O6+6O26H2O6CO212H2O+能量全析提示總反應式兩

11、側(cè)的水不可以約掉，因為不是在一個階段中參與的反應。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摩爾葡萄糖釋放出來的總能量是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，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

12、分子ATP。這個過程是在細胞質(zhì)基質(zhì)中進行的。C6H12O62C3H4O3+4H+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。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，在缺氧條件下，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）。這些反應可以用下列的反應式來表示：2CH3COCOOH2CH3CHO+2CO22CH3CHO+2H2C2H5OH思維拓展這一

13、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式是：C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量產(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。全析提示從反應式中可以看出，物質(zhì)在反應前后依然是平衡的。2CH3COCOOH+2H2CH3CHOHCOOH乳酸發(fā)酵的總反應式是：C6H12O62C3H6O3+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。左欄中的反應式中也有丙酮酸被還原的過程：羰基被還原成了羥基?？傊?，無氧呼吸的效

14、率雖然遠比有氧呼吸低，但作為一種應急措施是必要的。從生物的進化歷史來看，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，本章第一節(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。細胞呼吸釋放出來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K+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