《ATP的主要来源-细胞呼吸》文本素材

《ATP的主要来源—细胞呼吸》文本素材［教材优化全析］问题探讨1.呼吸作用和物质的燃烧有什么共同点?都是物质氧化分解释放能量的过程。2.呼吸作用能够像燃料在体外燃烧那么剧烈吗?不能，呼吸作用是在活细胞内进行的，是有机物在酶的催化作用下缓慢分解放能的过程。细胞内部是一个相对稳定的理化环境，因此，呼吸作用不会像燃料在体外燃烧那么剧烈。3.在无氧条件下，细胞还能够通过呼吸作用释放能量吗?能，有的生物体细胞可进行无氧呼吸分解有机物释放能量。在生物体内，能源物质有多种，如糖类是生物体生命活动的主要能源物质，脂肪是生物体主要的储能物质。在这些有机物中含有大量的化学能，但这些化学能并不能被生命活动直接利用，它们必须通过呼吸作用氧化分解，先把释放出的能量转移给细胞的能量“通货”——ATP，储存到ATP的高能磷酸键中。然后通过ATP为生物体的生命活动直接提供能量。由于呼吸作用是在细胞内进行的，因此也叫细胞呼吸。全析提示细胞通过呼吸作用把糖类等有机物中储存的化学能转移到ATP中，为生命活动直接供能。一、细胞呼吸的概念细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。误区警示：1.“氧化”不一定要有氧气的参与，失电子即为氧化，得电子为还原，因此细胞呼吸的概念包含了有氧呼吸和无氧呼吸。2.正确区分呼吸作用，呼吸和呼吸运动三个概念：呼吸作用可概括为在细胞内氧化分解有机物，释放能量的过程。呼吸运动是指由于呼吸肌的收缩和扩张而使胸腔有节律的扩大和缩小，从而引起吸气和呼气。呼吸是指在呼吸运动的基础上所进行的宏观气体交换过程。要点提炼细胞呼吸的概念场所→细胞内反应物→有机物反应→氧化分解产物→CO2或其他产物、能量（ATP）实质→有机物氧化分解，释放能量二、细胞呼吸的方式通过“探究酵母菌的呼吸方式”，我们了解到，酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。在有氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量的二氧化碳和水；在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精，还产生少量的二氧化碳。科学家经过大量的实验证实，细胞呼吸可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。（一）有氧呼吸有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成许多ATP的过程。全析提示细胞呼吸包括有氧呼吸、无氧呼吸两种类型。有氧呼吸的主要场所是线粒体。线粒体大多数呈椭球形，具有内外两层膜。外膜使线粒体与周围的细胞质基质分开。内膜的某些部位向线粒体的内腔折叠形成嵴，嵴使内膜的表面积大大增加。嵴的周围充满了液态的基质，叫做线粒体基质。在线粒体的内膜上和基质中含有许多种与有氧呼吸有关的酶。在线粒体内还含有少量的DNA和RNA，使线粒体能控制自身一部分物质和结构的形成，线粒体的大部分性状是由细胞核DNA控制的，因此，我们称线粒体为半自主性细胞器。线粒体是有氧呼吸的主要场所，原因有二：三阶段中有两个发生在线粒体中；产生能量多。线粒体一般均匀分布在细胞质基质中，但是它在活细胞中能自由地移动，往往在细胞内新陈代谢旺盛的部位比较集中。例如，线粒体在小鼠受精卵分裂面附近比较集中；肌细胞内的肌质网就是由大量变形的线粒体组成的，肌质网显然有利于对肌细胞的能量供应。重点提示：原核细胞结构简单，只有核糖体这一种细胞器，没有线粒体，那是不是说原核细胞只能进行无氧呼吸呢?不是，有的原核生物，如硝化细菌、根瘤菌，虽然没有线粒体，但却含有全套的与有氧呼吸有关的酶，分布在细胞质基质中和细胞膜上，这些细胞是可以进行有氧呼吸的。有氧呼吸最常利用的物质是葡萄糖，其反应式可简写为：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量但我们在做计算题以及元素转移类型题目时常用的则是有氧呼吸的总反应式：C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量线粒体的分布与生命活动供能状况息息相关。有氧呼吸的全过程十分复杂，可以概括为三个阶段，每个阶段的反应都有相应的酶催化。第一阶段：一分子葡萄糖分解成两分子丙酮酸（C3H4O3），同时产生少量的氢和少量的能量，这些能量一部分以热能的形式散失，一部分供形成2个ATP。这个过程是在细胞质基质中进行的。C6H12O62C3H4O3+4［H］+少量能量第二阶段：丙酮酸和水经过一系列反应，分解成二氧化碳和氢，同时释放出少量能量，这些能量也是一部分以热能的形式散失，一部分供形成2个ATP。这个阶段是在线粒体基质中进行的。2C3H4O3+6H2O6CO2+20［H］+少量能量第三阶段：前两个阶段产生的24个［H］，经过一系列反应，与氧结合成水，同时释放大量的能量，这些能量一部分以热能形式散失，一部分供形成34个ATP。这个过程是在线粒体内膜上进行的。24［H］+6O212H2O+大量能量整个过程可概括为下图形式：注意区分有氧呼吸三个阶段在场所、反应物、产物等方面的区别。在细胞内，1mol的葡萄糖彻底氧化分解，生成6mol的二氧化碳和12mol的水，同时生成38molATP。每氧化分解1mol葡萄糖释放总能量2870kJ，其中有1161kJ转移至ATP的高能磷酸键上，能量转化效率为40%左右，其余部分的能量（1709kJ）就以热能的形式散失掉了。有氧呼吸释放的能量一部分以热能的形式散失，一部分转移至ATP的高能磷酸键上，能量转化效率约为40%。（二）无氧呼吸除酵母菌以外，还有许多细菌和真菌能够进行无氧呼吸。此外，马铃薯块茎、苹果果实等植物器官的细胞以及动物骨骼肌的肌细胞等，除了能够进行有氧呼吸，在缺氧条件下也能进行无氧呼吸。一般地说，无氧呼吸最常利用的物质也是葡萄糖。无氧呼吸的全过程，可以概括为两个阶段，这两个阶段需要不同酶的催化，但都是在细胞质基质中进行的。低等、高等生物进行无氧呼吸只是暂时、局部的现象。无氧呼吸也包括许多类型，但它们有一个共同的特点，那就是氧不是H+和e－的最终受体，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。注意区别两种无氧呼吸：反应产物不同。1．酒精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无氧呼吸。酒精无氧呼吸是一般无氧呼吸的主要形式，因此常常以酒精无氧呼吸过程来阐述无氧呼吸的途径。酒精无氧呼吸的第一阶段，与有氧呼吸的第一阶段的所有步骤完全相同。在缺氧条件下，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：全析提示动物和人的无氧呼吸不产生CO2。2CH3COCOOH2CH3CHO+2CO22CH3CHO+2［H］2C2H5OH酒精无氧呼吸的总反应式是：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP酒精无氧呼吸所提供的可利用能量，只是在第一阶段净得的两分子ATP。葡萄糖分子中原有的大部分键能，则存留在不能被酵母菌或高等植物利用的酒精中。因此，无氧呼吸是产生ATP的一种低效途径。但是，酒精发酵的产物在工农业生产中占有很重要的地位。例如，啤酒、果酒、工业酒精等都是利用不同来源的酵母菌无氧呼吸制得的。酵母菌在无氧的条件下进行无氧呼吸，在有氧的条件下进行有氧呼吸。2.产生乳酸的无氧呼吸高等动物和人体在剧烈运动时，尽管呼吸运动和血液循环都大大加强了，但是仍然不能满足骨骼肌对氧的需要，这时骨骼肌内就会出现无氧呼吸。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一分子葡萄糖分解成两分子乳酸，并且产生两分子ATP。由葡萄糖分解成为丙酮酸的步骤与上述的酒精无氧呼吸相同，只是丙酮酸在［H］的作用下进行还原，生成乳酸。2CH3COCOOH+2［H］2CH3CHOHCOOH乳酸发酵的总反应式是：C6H12O6+2ADP+2Pi2C3H6O3+2ATP乳酸菌可以使牛奶发酵制成奶酪和酸牛奶。泡菜、酸菜、青贮饲料能够较长时间的保存，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。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。无氧呼吸的整个过程可以概括为下图形式：乳酸菌在无氧的条件下进行无氧呼吸，但在有氧条件下无氧呼吸受抑制（不能进行有氧呼吸）。无氧呼吸过程中由于有机物氧化分解不彻底，所以能量转化效率较低，例如，1mol葡萄糖在分解成乳酸时，只释放出kJ的能量，其中只有kJ的能量储存到ATP中，近69%的能量都以热能的形式散失掉了。无氧呼吸的定义：一般是指细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解成为不彻底的氧化产物，同时释放出少量能量的过程。（三）有氧呼吸和无氧呼吸的异同点无氧呼吸比有氧呼吸能量转化效率低。有氧呼吸无氧呼吸不同点场所细胞质基质和线粒体始终在细胞质基质条件需分子氧、酶不需分子氧，需酶产物CO2、H2O酒精和CO2或乳酸能量大量，合成38ATP少量，合