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《ATP的主要來(lái)源—細(xì)胞呼吸》文本素材[教材優(yōu)化全析]問(wèn)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(guò)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(guò)程。細(xì)胞內(nèi)部是一個(gè)相對(duì)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(wú)氧條件下,細(xì)胞還能夠通過(guò)呼吸作用釋放能量嗎?能,有的生物體細(xì)胞可進(jìn)行無(wú)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(lèi)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(guò)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(guò)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(guò)呼吸作用把糖類(lèi)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guān)氣體交換過(guò)程。要點(diǎn)提煉細(xì)胞呼吸的概念場(chǎng)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(guò)“探究酵母菌的呼吸方式”,我們了解到,酵母菌在有氧和無(wú)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(guò)細(xì)胞呼吸產(chǎn)生大量的二氧化碳和水;在無(wú)氧條件下,酵母菌通過(guò)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí),細(xì)胞呼吸可分為有氧呼吸和無(wú)氧呼吸兩種類(lèi)型。(一)有氧呼吸有氧呼吸是指細(xì)胞在氧的參與下,通過(guò)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(guò)程。全析提示細(xì)胞呼吸包括有氧呼吸、無(wú)氧呼吸兩種類(lèi)型。有氧呼吸的主要場(chǎng)所是線(xiàn)粒體。線(xiàn)粒體大多數(shù)呈橢球形,具有內(nèi)外兩層膜。外膜使線(xiàn)粒體與周?chē)募?xì)胞質(zhì)基質(zhì)分開(kāi)。內(nèi)膜的某些部位向線(xiàn)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?chē)錆M(mǎn)了液態(tài)的基質(zhì),叫做線(xiàn)粒體基質(zhì)。在線(xiàn)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(xiàn)粒體內(nèi)還含有少量的DNA和RNA,使線(xiàn)粒體能控制自身一部分物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的形成,線(xiàn)粒體的大部分性狀是由細(xì)胞核DNA控制的,因此,我們稱(chēng)線(xiàn)粒體為半自主性細(xì)胞器。線(xiàn)粒體是有氧呼吸的主要場(chǎng)所,原因有二:三階段中有兩個(gè)發(fā)生在線(xiàn)粒體中;產(chǎn)生能量多。線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)粒體組成的,肌質(zhì)網(wǎng)顯然有利于對(duì)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(jiǎn)單,只有核糖體這一種細(xì)胞器,沒(méi)有線(xiàn)粒體,那是不是說(shuō)原核細(xì)胞只能進(jìn)行無(wú)氧呼吸呢?不是,有的原核生物,如硝化細(xì)菌、根瘤菌,雖然沒(méi)有線(xiàn)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(jiǎn)寫(xiě)為:C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量但我們?cè)谧鲇?jì)算題以及元素轉(zhuǎn)移類(lèi)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)程是在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上進(jìn)行的。24[H]+6O212H2O+大量能量整個(gè)過(guò)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(chǎng)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(wú)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(wú)氧呼吸。此外,馬鈴薯塊莖、蘋(píng)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(wú)氧呼吸。一般地說(shuō),無(wú)氧呼吸最常利用的物質(zhì)也是葡萄糖。無(wú)氧呼吸的全過(guò)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(wú)氧呼吸只是暫時(shí)、局部的現(xiàn)象。無(wú)氧呼吸也包括許多類(lèi)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(wú)氧呼吸:反應(yīng)產(chǎn)物不同。1.酒精無(wú)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(wú)氧呼吸的形式進(jìn)行無(wú)氧呼吸。酒精無(wú)氧呼吸是一般無(wú)氧呼吸的主要形式,因此常常以酒精無(wú)氧呼吸過(guò)程來(lái)闡述無(wú)氧呼吸的途徑。酒精無(wú)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(lái)表示:全析提示動(dòng)物和人的無(wú)氧呼吸不產(chǎn)生CO2。2CH3COCOOH2CH3CHO+2CO22CH3CHO+2[H]2C2H5OH酒精無(wú)氧呼吸的總反應(yīng)式是:C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP酒精無(wú)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(wú)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(lái)源的酵母菌無(wú)氧呼吸制得的。酵母菌在無(wú)氧的條件下進(jìn)行無(wú)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(wú)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(mǎn)足骨骼肌對(duì)氧的需要,這時(shí)骨骼肌內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)無(wú)氧呼吸。高等動(dòng)物和人體的無(wú)氧呼吸產(chǎn)生乳酸。乳酸無(wú)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(wú)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(zhǎng)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(wú)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(wú)氧呼吸的整個(gè)過(guò)程可以概括為下圖形式:乳酸菌在無(wú)氧的條件下進(jìn)行無(wú)氧呼吸,但在有氧條件下無(wú)氧呼吸受抑制(不能進(jìn)行有氧呼吸)。無(wú)氧呼吸過(guò)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?jī)?chǔ)存到ATP中,近69%的能量都以熱能的形式散失掉了。無(wú)氧呼吸的定義:一般是指細(xì)胞在無(wú)氧條件下,通過(guò)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(guò)程。(三)有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的異同點(diǎn)無(wú)氧呼吸比有氧呼吸能量轉(zhuǎn)化效率低。有氧呼吸無(wú)氧呼吸不同點(diǎn)場(chǎng)所細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線(xiàn)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
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