《ATP的主要來源-細(xì)胞呼吸》文本素材

《ATP的主要來源—細(xì)胞呼吸》文本素材［教材優(yōu)化全析］問題探討1.呼吸作用和物質(zhì)的燃燒有什么共同點(diǎn)?都是物質(zhì)氧化分解釋放能量的過程。2.呼吸作用能夠像燃料在體外燃燒那么劇烈嗎?不能，呼吸作用是在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，是有機(jī)物在酶的催化作用下緩慢分解放能的過程。細(xì)胞內(nèi)部是一個(gè)相對穩(wěn)定的理化環(huán)境，因此，呼吸作用不會(huì)像燃料在體外燃燒那么劇烈。3.在無氧條件下，細(xì)胞還能夠通過呼吸作用釋放能量嗎?能，有的生物體細(xì)胞可進(jìn)行無氧呼吸分解有機(jī)物釋放能量。在生物體內(nèi)，能源物質(zhì)有多種，如糖類是生物體生命活動(dòng)的主要能源物質(zhì)，脂肪是生物體主要的儲(chǔ)能物質(zhì)。在這些有機(jī)物中含有大量的化學(xué)能，但這些化學(xué)能并不能被生命活動(dòng)直接利用，它們必須通過呼吸作用氧化分解，先把釋放出的能量轉(zhuǎn)移給細(xì)胞的能量“通貨”——ATP，儲(chǔ)存到ATP的高能磷酸鍵中。然后通過ATP為生物體的生命活動(dòng)直接提供能量。由于呼吸作用是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，因此也叫細(xì)胞呼吸。全析提示細(xì)胞通過呼吸作用把糖類等有機(jī)物中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)移到ATP中，為生命活動(dòng)直接供能。一、細(xì)胞呼吸的概念細(xì)胞呼吸是指有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放出能量并生成ATP的過程。誤區(qū)警示：1.“氧化”不一定要有氧氣的參與，失電子即為氧化，得電子為還原，因此細(xì)胞呼吸的概念包含了有氧呼吸和無氧呼吸。2.正確區(qū)分呼吸作用，呼吸和呼吸運(yùn)動(dòng)三個(gè)概念：呼吸作用可概括為在細(xì)胞內(nèi)氧化分解有機(jī)物，釋放能量的過程。呼吸運(yùn)動(dòng)是指由于呼吸肌的收縮和擴(kuò)張而使胸腔有節(jié)律的擴(kuò)大和縮小，從而引起吸氣和呼氣。呼吸是指在呼吸運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的宏觀氣體交換過程。要點(diǎn)提煉細(xì)胞呼吸的概念場所→細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)物→有機(jī)物反應(yīng)→氧化分解產(chǎn)物→CO2或其他產(chǎn)物、能量（ATP）實(shí)質(zhì)→有機(jī)物氧化分解，釋放能量二、細(xì)胞呼吸的方式通過“探究酵母菌的呼吸方式”，我們了解到，酵母菌在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行細(xì)胞呼吸。在有氧條件下，酵母菌通過細(xì)胞呼吸產(chǎn)生大量的二氧化碳和水；在無氧條件下，酵母菌通過細(xì)胞呼吸產(chǎn)生酒精，還產(chǎn)生少量的二氧化碳?？茖W(xué)家經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，細(xì)胞呼吸可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種類型。（一）有氧呼吸有氧呼吸是指細(xì)胞在氧的參與下，通過多種酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，釋放能量，生成許多ATP的過程。全析提示細(xì)胞呼吸包括有氧呼吸、無氧呼吸兩種類型。有氧呼吸的主要場所是線粒體。線粒體大多數(shù)呈橢球形，具有內(nèi)外兩層膜。外膜使線粒體與周圍的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)分開。內(nèi)膜的某些部位向線粒體的內(nèi)腔折疊形成嵴，嵴使內(nèi)膜的表面積大大增加。嵴的周圍充滿了液態(tài)的基質(zhì)，叫做線粒體基質(zhì)。在線粒體的內(nèi)膜上和基質(zhì)中含有許多種與有氧呼吸有關(guān)的酶。在線粒體內(nèi)還含有少量的DNA和RNA，使線粒體能控制自身一部分物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的形成，線粒體的大部分性狀是由細(xì)胞核DNA控制的，因此，我們稱線粒體為半自主性細(xì)胞器。線粒體是有氧呼吸的主要場所，原因有二：三階段中有兩個(gè)發(fā)生在線粒體中；產(chǎn)生能量多。線粒體一般均勻分布在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，但是它在活細(xì)胞中能自由地移動(dòng)，往往在細(xì)胞內(nèi)新陳代謝旺盛的部位比較集中。例如，線粒體在小鼠受精卵分裂面附近比較集中；肌細(xì)胞內(nèi)的肌質(zhì)網(wǎng)就是由大量變形的線粒體組成的，肌質(zhì)網(wǎng)顯然有利于對肌細(xì)胞的能量供應(yīng)。重點(diǎn)提示：原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，只有核糖體這一種細(xì)胞器，沒有線粒體，那是不是說原核細(xì)胞只能進(jìn)行無氧呼吸呢?不是，有的原核生物，如硝化細(xì)菌、根瘤菌，雖然沒有線粒體，但卻含有全套的與有氧呼吸有關(guān)的酶，分布在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中和細(xì)胞膜上，這些細(xì)胞是可以進(jìn)行有氧呼吸的。有氧呼吸最常利用的物質(zhì)是葡萄糖，其反應(yīng)式可簡寫為：C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量但我們在做計(jì)算題以及元素轉(zhuǎn)移類型題目時(shí)常用的則是有氧呼吸的總反應(yīng)式：C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量線粒體的分布與生命活動(dòng)供能狀況息息相關(guān)。有氧呼吸的全過程十分復(fù)雜，可以概括為三個(gè)階段，每個(gè)階段的反應(yīng)都有相應(yīng)的酶催化。第一階段：一分子葡萄糖分解成兩分子丙酮酸（C3H4O3），同時(shí)產(chǎn)生少量的氫和少量的能量，這些能量一部分以熱能的形式散失，一部分供形成2個(gè)ATP。這個(gè)過程是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行的。C6H12O62C3H4O3+4［H］+少量能量第二階段：丙酮酸和水經(jīng)過一系列反應(yīng)，分解成二氧化碳和氫，同時(shí)釋放出少量能量，這些能量也是一部分以熱能的形式散失，一部分供形成2個(gè)ATP。這個(gè)階段是在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行的。2C3H4O3+6H2O6CO2+20［H］+少量能量第三階段：前兩個(gè)階段產(chǎn)生的24個(gè)［H］，經(jīng)過一系列反應(yīng)，與氧結(jié)合成水，同時(shí)釋放大量的能量，這些能量一部分以熱能形式散失，一部分供形成34個(gè)ATP。這個(gè)過程是在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行的。24［H］+6O212H2O+大量能量整個(gè)過程可概括為下圖形式：注意區(qū)分有氧呼吸三個(gè)階段在場所、反應(yīng)物、產(chǎn)物等方面的區(qū)別。在細(xì)胞內(nèi)，1mol的葡萄糖徹底氧化分解，生成6mol的二氧化碳和12mol的水，同時(shí)生成38molATP。每氧化分解1mol葡萄糖釋放總能量2870kJ，其中有1161kJ轉(zhuǎn)移至ATP的高能磷酸鍵上，能量轉(zhuǎn)化效率為40%左右，其余部分的能量（1709kJ）就以熱能的形式散失掉了。有氧呼吸釋放的能量一部分以熱能的形式散失，一部分轉(zhuǎn)移至ATP的高能磷酸鍵上，能量轉(zhuǎn)化效率約為40%。（二）無氧呼吸除酵母菌以外，還有許多細(xì)菌和真菌能夠進(jìn)行無氧呼吸。此外，馬鈴薯塊莖、蘋果果實(shí)等植物器官的細(xì)胞以及動(dòng)物骨骼肌的肌細(xì)胞等，除了能夠進(jìn)行有氧呼吸，在缺氧條件下也能進(jìn)行無氧呼吸。一般地說，無氧呼吸最常利用的物質(zhì)也是葡萄糖。無氧呼吸的全過程，可以概括為兩個(gè)階段，這兩個(gè)階段需要不同酶的催化，但都是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行的。低等、高等生物進(jìn)行無氧呼吸只是暫時(shí)、局部的現(xiàn)象。無氧呼吸也包括許多類型，但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是氧不是H+和e－的最終受體，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。注意區(qū)別兩種無氧呼吸：反應(yīng)產(chǎn)物不同。1．酒精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(jìn)行無氧呼吸。酒精無氧呼吸是一般無氧呼吸的主要形式，因此常常以酒精無氧呼吸過程來闡述無氧呼吸的途徑。酒精無氧呼吸的第一階段，與有氧呼吸的第一階段的所有步驟完全相同。在缺氧條件下，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(yīng)可以用下列的反應(yīng)式來表示：全析提示動(dòng)物和人的無氧呼吸不產(chǎn)生CO2。2CH3COCOOH2CH3CHO+2CO22CH3CHO+2［H］2C2H5OH酒精無氧呼吸的總反應(yīng)式是：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP酒精無氧呼吸所提供的可利用能量，只是在第一階段凈得的兩分子ATP。葡萄糖分子中原有的大部分鍵能，則存留在不能被酵母菌或高等植物利用的酒精中。因此，無氧呼吸是產(chǎn)生ATP的一種低效途徑。但是，酒精發(fā)酵的產(chǎn)物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位。例如，啤酒、果酒、工業(yè)酒精等都是利用不同來源的酵母菌無氧呼吸制得的。酵母菌在無氧的條件下進(jìn)行無氧呼吸，在有氧的條件下進(jìn)行有氧呼吸。2.產(chǎn)生乳酸的無氧呼吸高等動(dòng)物和人體在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡管呼吸運(yùn)動(dòng)和血液循環(huán)都大大加強(qiáng)了，但是仍然不能滿足骨骼肌對氧的需要，這時(shí)骨骼肌內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)無氧呼吸。高等動(dòng)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一分子葡萄糖分解成兩分子乳酸，并且產(chǎn)生兩分子ATP。由葡萄糖分解成為丙酮酸的步驟與上述的酒精無氧呼吸相同，只是丙酮酸在［H］的作用下進(jìn)行還原，生成乳酸。2CH3COCOOH+2［H］2CH3CHOHCOOH乳酸發(fā)酵的總反應(yīng)式是：C6H12O6+2ADP+2Pi2C3H6O3+2ATP乳酸菌可以使牛奶發(fā)酵制成奶酪和酸牛奶。泡菜、酸菜、青貯飼料能夠較長時(shí)間的保存，也都是利用乳酸發(fā)酵積累的乳酸，抑制了其他微生物活動(dòng)的緣故。此外，還有一些高等植物的某些器官在進(jìn)行無氧呼吸時(shí)也可以產(chǎn)生乳酸，如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根等。無氧呼吸的整個(gè)過程可以概括為下圖形式：乳酸菌在無氧的條件下進(jìn)行無氧呼吸，但在有氧條件下無氧呼吸受抑制（不能進(jìn)行有氧呼吸）。無氧呼吸過程中由于有機(jī)物氧化分解不徹底，所以能量轉(zhuǎn)化效率較低，例如，1mol葡萄糖在分解成乳酸時(shí)，只釋放出kJ的能量，其中只有kJ的能量儲(chǔ)存到ATP中，近69%的能量都以熱能的形式散失掉了。無氧呼吸的定義：一般是指細(xì)胞在無氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物分解成為不徹底的氧化產(chǎn)物，同時(shí)釋放出少量能量的過程。（三）有氧呼吸和無氧呼吸的異同點(diǎn)無氧呼吸比有氧呼吸能量轉(zhuǎn)化效率低。有氧呼吸無氧呼吸不同點(diǎn)場所細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體始終在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)條件需分子氧、酶不需分子氧，需酶產(chǎn)物CO2、H2O酒精和CO2或乳酸能量大量，合成38ATP少量，合