从化学能到生物能

编辑: 逍遥路 关键词: 高一 来源: 高中学习网



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)。





本文来自:逍遥右脑记忆 http://www.jiyifa.net/gaoyi/46414.html

相关阅读:ATP教案