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2019-2020年高中生物 ATP的主要來源——細(xì)胞呼吸 第2課時(shí)示范教案 新人教版 ●教學(xué)過程 ［課前準(zhǔn)備］ 要求學(xué)生把上一節(jié)課的探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果以書面報(bào)告形式總結(jié)。 ［情境創(chuàng)設(shè)］ 學(xué)生：把上一節(jié)課的探究實(shí)驗(yàn)結(jié)論總結(jié)。 教師：上節(jié)課我們通過探究實(shí)驗(yàn)，知道了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。 科學(xué)家通過大量的實(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。 ［師生互動(dòng)］ （一）有氧呼吸 對(duì)于絕大多數(shù)生物來說，有氧呼吸是細(xì)胞呼吸的主要形式，這一過程必須有氧的參與。有氧呼吸的主要場(chǎng)所是線粒體。 1.復(fù)習(xí)線粒體的結(jié)構(gòu) 師：線粒體有哪些結(jié)構(gòu)與呼吸作用相適應(yīng)？ 生：線粒體具有內(nèi)、外兩層膜，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)。線粒體的內(nèi)膜和基質(zhì)中含有許多種與有氧呼吸有關(guān)的酶。 2.有氧呼吸的過程 （１）教師：引導(dǎo)學(xué)生，回顧初中學(xué)過的有關(guān)呼吸的知識(shí)，在討論中板書有氧呼吸的反應(yīng)式。即 C6H12Ｏ6＋Ｏ2CO2＋H2Ｏ＋能量 教師：呼吸作用是怎樣進(jìn)行的呢? 學(xué)生：閱讀課本P93～P94相關(guān)內(nèi)容。 教師：有氧呼吸的全過程十分復(fù)雜，可以概括地分為三個(gè)階段，每個(gè)階段的反應(yīng)都有相應(yīng)的酶催化。 關(guān)于呼吸作用過程的教學(xué)，可對(duì)照?qǐng)D（圖5－9）講解，在講解中講清以下幾點(diǎn)： ①首先應(yīng)指出，下面以葡萄糖為例講述呼吸作用過程。其他有機(jī)物也可以通過呼吸作用氧化分解。 ②第一階段，一個(gè)分子的葡萄糖分解成兩個(gè)分子的丙酮酸，在分解的過程中釋放能量，一部分被ADP捕獲（把ADP轉(zhuǎn)變成ATP），并脫下[H]。這一過程在細(xì)胞質(zhì)的基質(zhì)完成。 ③第二階段，丙酮酸進(jìn)入線粒體內(nèi)，繼續(xù)脫[H]，氧化分解成二氧化碳，同時(shí)釋放能量合成ATP。 ④第三階段，前兩階段脫下的[H]在線粒體內(nèi)，與從外界吸收或葉綠體光合作用產(chǎn)生的O2結(jié)合成水。在此過程中釋放大量的能量，合成大量的ATP。 （2）在整理出三個(gè)階段后，根據(jù)學(xué)生狀況，進(jìn)一步分析以下幾點(diǎn)： ①引導(dǎo)學(xué)生，將呼吸作用的反應(yīng)式配平 即C6H12Ｏ6＋6O26CO2＋6H2Ｏ＋能量 配平過程中，提問，呼吸作用產(chǎn)生的H2O中的O，來自哪種原料?（學(xué)生回答出：來自O(shè)2），接著提出，消耗6分子的O2應(yīng)該產(chǎn)生12個(gè)分子的H2O，可是，如果形成12分子的H2O，又需要24個(gè)H，一分子的C6H12Ｏ6，只有12個(gè)H，差12個(gè)H來自哪里?最后指出，呼吸作用還消耗水。因而呼吸作用的反應(yīng)式應(yīng)改為： C6H12Ｏ6＋6Ｏ2＋6H2O6CO2＋12H 2Ｏ＋能量才能反映其本質(zhì)。解決了這一環(huán)節(jié)，其他物質(zhì)的來龍去脈就可迅速解釋清楚。 ②分析呼吸作用過程中的能量問題。 學(xué)生：閱讀課本P94小字。 教師：1 mol的葡萄糖徹底氧化分解成二氧化碳和水，釋放出2 870 kJ的能量，其中 1 161 kJ左右的能量被ADP捕獲，儲(chǔ)存在ATP中（約38 mol的ATP）?？梢?，呼吸過程中釋放的能量，只有40％儲(chǔ)存在ATP中，用于推動(dòng)其他生命活動(dòng)。其余以熱的形式散失了。因此，在有些情況下，如新鮮蔬菜、糧食等保存，通過控制呼吸速率，可減少有機(jī)物的消耗。 （3）線粒體是呼吸作用的主要場(chǎng)所。 教師：為什么說線粒體是呼吸作用的主要場(chǎng)所？ 學(xué)生：呼吸作用的三個(gè)階段，后兩個(gè)階段都是在線粒體中進(jìn)行的。另外，從能量角度看，在細(xì)胞質(zhì)的基質(zhì)中進(jìn)行的第一步產(chǎn)生4 mol的ATP，其余34 mol的ATP是在線粒體中產(chǎn)生的。因此，線粒體是呼吸作用的主要場(chǎng)所。 播放多媒體課件觀看有氧呼吸全過程 3.歸納有氧呼吸概念 教師：請(qǐng)同學(xué)們歸納有氧呼吸的概念。 學(xué)生：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。 （二）無氧呼吸 1.無氧呼吸過程 教師：除前節(jié)課我們探究過的酵母菌以外，還有許多細(xì)胞在缺氧條件下也可以進(jìn)行無氧呼吸，無氧呼吸的過程又是怎樣的呢？ 學(xué)生：閱讀課本P94～P95相關(guān)內(nèi)容。 教師：無氧呼吸的第一階段與有氧呼吸的第一階段是否相同？ 學(xué)生：無氧呼吸的第一階段與有氧呼吸的第一階段是相同的。 教師：接下來兩者有何不同？ 學(xué)生：在有氧的情況下，丙酮酸進(jìn)入線粒體繼續(xù)氧化分解，脫下的氫與氧氣結(jié)合而消耗，即進(jìn)行有氧呼吸；在無氧情況下，則在細(xì)胞質(zhì)的基質(zhì)中，在酶的作用下，利用第一階段脫下的氫，把丙酮酸還原成酒精或乳酸。因此，兩種呼吸作用是在丙酮酸后分道揚(yáng)鑣的。 教師：請(qǐng)學(xué)生寫出有關(guān)化學(xué)方程式： C6H12O62C3H6O3（乳酸）＋少量能量 C6H12Ｏ62C2H5OH（酒精）＋2CO2＋少量能量 教師：兩種呼吸作用，有何共同點(diǎn)？ 學(xué)生：兩種呼吸作用，不僅在過程上有共同點(diǎn)，而且都具有分解有機(jī)物，釋放能量，產(chǎn)生ATP的本質(zhì)。 教師：兩種呼吸作用，放出的能量有何不同？為什么？ 學(xué)生：無氧呼吸，由于沒有徹底分解有機(jī)物，所以釋放的能量少，合成ATP少。因此，利用有機(jī)物分解獲得ATP的效率低。 教師：無氧呼吸是否有害？ 學(xué)生：由于無氧呼吸產(chǎn)生的小分子有機(jī)物，如酒精和乳酸，在細(xì)胞中大量積累，對(duì)細(xì)胞有毒害。因此大多數(shù)生物不能長時(shí)間用無氧呼吸維持生命，澇田時(shí)應(yīng)及時(shí)排水就是這個(gè)道理。 教師：無氧呼吸是否有利？ 學(xué)生：生物體或部分器官組織在缺氧條件下，作為有氧呼吸的補(bǔ)充，是生物的適應(yīng)性的表現(xiàn)（舉例）。 教師：在遠(yuǎn)古時(shí)期，地球的大氣中沒有氧氣，那時(shí)微生物的呼吸是無氧呼吸。隨著大氣中出現(xiàn)了氧氣，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了有氧呼吸的酶類，在無氧呼吸的基礎(chǔ)上發(fā)展出有氧呼吸。由于有氧呼吸比無氧呼吸優(yōu)越，有氧呼吸逐漸成為絕大多數(shù)生物的主要呼吸形式，但還保留無氧呼吸的能力，使生物體或部分器官組織在缺氧條件下，作為有氧呼吸的補(bǔ)充，是生物的適應(yīng)性的表現(xiàn)（舉例）。 有些微生物，至今仍只在無氧的條件下生活。人類在生活和生產(chǎn)中，對(duì)其有很多利用 （舉例）。 播放多媒體課件觀看無氧呼吸全過程。 2.歸納無氧呼吸概念 教師：參照有氧呼吸的概念，用準(zhǔn)確而精練的語言概括無氧呼吸的定義。 學(xué)生：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)物分解為不徹底的氧化產(chǎn)物，同時(shí)釋放少量能量的過程。 3.發(fā)酵 無氧呼吸如果不用于高等動(dòng)植物和人體，而用于微生物則叫做發(fā)酵。需要指出的是，工業(yè)上所說的發(fā)酵，并非完全是無氧的，如醋酸發(fā)酵就是需要氧的。 （三）比較有氧呼吸和無氧呼吸的異同 要求學(xué)生完成下表 有氧呼吸 無氧呼吸 呼吸場(chǎng)所 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 是否需氧 需氧 不需氧 分解產(chǎn)物 二氧化碳和水 二氧化碳和酒精或乳酸 釋放能量 較多 較少 聯(lián) 系 從葡萄糖到丙酮酸這一階段完全相同，從丙酮酸開始，它們才沿著不同的途徑形成不同的產(chǎn)物 （四）細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用 教師：對(duì)照課本P95，說出它們應(yīng)用的呼吸原理。 學(xué)生：（1）控制呼吸條件，造成只能進(jìn)行有氧呼吸或無氧呼吸。如課本中的“創(chuàng)可貼”，中耕松土應(yīng)用的是有氧呼吸；酸菜、面包、釀酒應(yīng)用的是無氧呼吸。 （2）抑制酶活性、抑制呼吸作用，減弱有機(jī)物分解速度等。低溫、減少水分，加CO2、N2等。 ［教師精講］ 1.有氧呼吸 有氧呼吸全過程，可以分三個(gè)階段： 第一階段：C6H12Ｏ62丙酮酸＋4[H]＋2ATP 第二階段：2丙酮酸6CO2＋20[H]＋2ATP 第三階段：6O2＋24[H] 12H2Ｏ＋34ATP 從物質(zhì)變化的角度來看，是有機(jī)物脫去氫，脫下的氫與氧結(jié)合生成水，又脫去CO2，分解成無機(jī)物。從能量的角度看，有氧呼吸是在有機(jī)物的逐漸分解中，使儲(chǔ)存在有機(jī)物中的能量逐步釋放，一部分轉(zhuǎn)移到ATP中，另一部分能量則以熱能的形式散失。有氧呼吸之所以能正常進(jìn)行，是因?yàn)榫€粒體中含有與有氧呼吸有關(guān)的酶，有機(jī)物之所以徹底氧化分解，是因?yàn)橛醒鯕獾膮⒓印? 2.無氧呼吸：只需相應(yīng)的酶，不需要氧氣，在有氧氣存在時(shí)，無氧呼吸會(huì)受到抑制；從物質(zhì)變化的角度來看，由于缺氧，C6H12Ｏ6不能徹底氧化分解，而產(chǎn)生不徹底的氧化產(chǎn)物，如C3H6O3（乳酸）、C2H5OH（酒精）。從能量的角度看，因?yàn)榉纸獠粡氐?，氧化產(chǎn)物中嚴(yán)寒儲(chǔ)存著能量，所以釋放少。無氧呼吸不一定只有在無氧條件下才能進(jìn)行，如小麥、水稻、玉米等種子的胚芽早期，在有氧條件下就可以進(jìn)行無氧呼吸，但一些高等植物在通氣不良時(shí)，會(huì)誘發(fā)無氧呼吸，如蘋果、梨儲(chǔ)存久了就會(huì)產(chǎn)生酒味。因?yàn)榫凭珜?duì)細(xì)胞有毒害作用，所以一般陸生植物不能長期進(jìn)行無氧呼吸。 3.有氧呼吸與無氧呼吸的聯(lián)系 （1）有氧呼吸與無氧呼吸的第一階段是相同的，都產(chǎn)生丙酮酸，兩種呼吸作用是在丙酮酸后分道揚(yáng)鑣的。 （2）兩種呼吸作用不僅在過程上有共同點(diǎn)，而且在本質(zhì)上也有共同點(diǎn)，都是分解有機(jī)物，釋放能量產(chǎn)生ATP。 4.細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用 主要是從控制反應(yīng)的條件來應(yīng)用的，如有無氧氣、水分、溫度等。 ［評(píng)價(jià)反饋］ 學(xué)生做課本探究練習(xí)題，教師檢查評(píng)講。 ［課堂小結(jié)］ 1.呼吸作用 2.有氧呼吸與無氧呼吸的比較 ［布置作業(yè)］ 練習(xí)P96：1、2、3、4。 ［課后拓展］ 1.線粒體有哪些與功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？ 電鏡下觀察，線粒體由內(nèi)外兩層膜組成。外膜即界限膜，使線粒體與周圍的細(xì)胞質(zhì)分開，是各種分子和離子進(jìn)入線粒體內(nèi)部的屏障。內(nèi)膜的不同部位向線粒體的中心腔折疊，形成嵴。這樣就大大增加了酶分子附著的表面，并且把分子密集地包在線粒體里。內(nèi)膜和外膜在化學(xué)成分和物理特性上都有顯著的差異。例如，它們?cè)诘鞍踪|(zhì)的含量上，特別是在類脂上的分布上是很不相同的。外膜比內(nèi)膜的磷脂含量要高2至3倍；外膜的通透性也比內(nèi)膜高得多。外膜的通透性，為線粒體與周圍細(xì)胞質(zhì)之間進(jìn)行充分的物質(zhì)交換提供了條件。內(nèi)膜的通透性差，可以使催化有氧呼吸第二、三階段的復(fù)雜酶系統(tǒng)保留在內(nèi)膜的間隔中，保證有氧呼吸的進(jìn)行。線粒體膜上還有小孔，這樣，有氧呼吸所產(chǎn)生的ATP可以更加容易地向線粒體外面擴(kuò)散。 2.線粒體的研究 人體的每一個(gè)細(xì)胞都含有數(shù)百個(gè)線粒體，一個(gè)線粒體又含有幾個(gè)環(huán)狀DNA。其中每一個(gè)環(huán)都包含著幾十個(gè)基因，最近10年來的研究成果表明，線粒體DNA在許多方面具有重要 作用。 線粒體DNA的缺陷與數(shù)十種人類遺傳病有關(guān)，并且這些疾病很多是與腦部和肌肉有關(guān)的遺傳病。例如，線粒體肌病和神經(jīng)性肌肉衰弱、運(yùn)動(dòng)失調(diào)及眼視網(wǎng)膜炎等。這些遺傳病都是只能通過母親遺傳給后代的。 隨著對(duì)線粒體DNA研究的進(jìn)一步深入，線粒體DNA的檢驗(yàn)還越來越多地用于對(duì)罪犯的鑒別，以及對(duì)死者的查找核對(duì)上。這是因?yàn)榕c核內(nèi)DNA比較，在一些可利用部分（如一根頭發(fā)、一塊骨骸或一顆牙齒）的細(xì)胞中，更容易得到大量的線粒體DNA。 此外，遺傳學(xué)家通過對(duì)世界各地人類不同種群線粒體的對(duì)比分析，推斷出人類歷史上幾次大遷徙的情況及時(shí)間表。例如，用這種方法推算出北美印第安人的祖先是在1.5萬年前，由亞洲經(jīng)過西伯利亞和阿拉斯加遷徙到北美洲的。 3.細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用 選用“創(chuàng)可貼”等敷料包扎傷口，既為傷口敷上了藥物，又為傷口創(chuàng)造了疏松透氣的環(huán)境、避免厭氧病原菌的繁殖，從而有利于傷口的痊愈。 對(duì)于板結(jié)的土壤及時(shí)進(jìn)行松土透氣，可以使根細(xì)胞進(jìn)行充分的有氧呼吸，從而有利于根系的生長和對(duì)無機(jī)鹽的吸收。此外，松土透氣還有利于土壤中好氧微生物的生長繁殖，這能夠促使這些微生物對(duì)土壤中有機(jī)物的分解，從而有利于植物對(duì)無機(jī)鹽的吸收。 酵母菌是兼性厭氧微生物。酵母菌在適宜的通氣、溫度和pH等條件下，進(jìn)行有氧呼吸并大量繁殖；在無氧條件下則進(jìn)行酒精發(fā)酵。醋酸桿菌是一種好氧細(xì)菌。在氧氣充足和具有酒精底物的條件下，醋酸桿菌大量繁殖并將酒精氧化分解成醋酸。 谷氨酸棒狀桿菌是一種厭氧細(xì)菌。在無氧條件下，谷氨酸棒狀桿菌能將葡萄糖和含氮物質(zhì)（如尿素、硫酸銨、氨水）合成為谷氨酸。谷氨酸經(jīng)過人們的進(jìn)一步加工，就成為谷氨酸鈉——味精。 水稻的根系適于在水中生長，這是因?yàn)樗镜那o和根能夠把從外界吸收來的氧氣通過氣腔運(yùn)送到根部各細(xì)胞，而且與旱生植物相比，水稻的根也比較適應(yīng)無氧呼吸。但是，水稻根的細(xì)胞仍然需要進(jìn)行有氧呼吸，所以稻田需要定期排水。如果稻田中的氧氣不足，水稻根的細(xì)胞就會(huì)進(jìn)行酒精發(fā)酵，時(shí)間長了，酒精就會(huì)對(duì)根細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，使根系變黑、腐爛。較深的傷口里缺少氧氣，破傷風(fēng)芽孢桿菌適合在這種環(huán)境中生存并大量繁殖。所以，傷口較深或被銹釘扎傷后，患者應(yīng)及時(shí)請(qǐng)醫(yī)生處理。 圖5－3－2 水稻根的橫切面 有氧運(yùn)動(dòng)是指人體細(xì)胞充分獲得氧的情況下所進(jìn)行的體育鍛煉。人體細(xì)胞通過有氧呼吸可以獲得較多的能量。相反，百米沖刺和馬拉松長跑等無氧運(yùn)動(dòng)，是人體細(xì)胞在缺氧條件下進(jìn)行的高速運(yùn)動(dòng)。無氧運(yùn)動(dòng)中，肌細(xì)胞因氧不足，要靠乳酸發(fā)酵來獲取能量。因?yàn)槿樗崮軌虼碳ぜ〖?xì)胞周圍的神經(jīng)末梢，所以人會(huì)有肌肉酸脹乏力的感覺。 4.呼吸速率 呼吸速率是指單位數(shù)量的活體組織，在單位時(shí)間內(nèi)，分解有機(jī)物的速率。它是植物呼吸作用強(qiáng)弱的生理指標(biāo)。因?yàn)闇y(cè)定有機(jī)物分解的速率是非常困難的，所以一般以測(cè)定植物釋放二氧化碳或吸收氧氣的速率來衡量呼吸速率。因呼吸作用是植物物質(zhì)代謝的中心環(huán)節(jié)，通常呼吸速率作為植物生理活動(dòng)強(qiáng)弱的指標(biāo)。 5.影響呼吸速率的因素 （1）內(nèi)部因素 不同種類植物的呼吸速率不同，一般旱生植物生長緩慢，呼吸速率比水生植物低；陰生植物所處的光強(qiáng)度較弱，呼吸也較弱，呼吸速率比陽生植物低。同一種植物在不同的生長發(fā)育時(shí)期，呼吸速率也不同，一般在幼苗期、開花期等生長旺盛期，呼吸速率增高。同一種植物的不同器官，呼吸速率也不同，一般生殖器官比營養(yǎng)器官高，幼嫩組織器官比衰老的組織器官高。 （2）外界因素對(duì)呼吸速率的影響 ①溫度 呼吸作用是一系列的化學(xué)過程，這些化學(xué)反應(yīng)大多需要酶來催化完成，而酶的活性直接受溫度的影響，因此溫度對(duì)呼吸作用的影響很大。一般植物在0 ℃以下，呼吸作用很弱或幾乎停止，呼吸作用的最適宜溫度一般在25～35 ℃之間，呼吸作用的最高點(diǎn)一般在45～55 ℃。 ②氧氣 呼吸作用需要游離的氧氣，由于大氣中氧氣的含量約占大氣成分的21％，因此，植物的地上部分一般不會(huì)受到缺氧的危害。但土壤中氧氣的含量是隨土壤水分含量以及土壤板結(jié)程度而改變，當(dāng)土壤中含量低于2％～5％時(shí)根系的正常呼吸會(huì)受到影響。在儲(chǔ)藏植物種子、果實(shí)時(shí)，為了保持其品質(zhì)，常通過控制水分、溫度和氧氣含量來控制呼吸強(qiáng)度。有的就采用空氣調(diào)節(jié)技術(shù)儲(chǔ)藏大米，即將大米用塑料布密封，抽出空氣再充入氮?dú)?，使?nèi)部缺氧，抑制呼吸作用，達(dá)到保持品質(zhì)的目的。 ●板書設(shè)計(jì) 第二課時(shí) 細(xì)胞的呼吸和呼吸原理的應(yīng)用 （一）有氧呼吸 1.有氧呼吸的過程 （1）第一階段 C6H12O62丙酮酸＋4 [H]＋少量能量（2ATP）（細(xì)胞質(zhì)的基質(zhì)） （2）第二階段 2丙酮酸＋6H2O6CO2＋20 [H]＋少量能量（2ATP）（線粒體） （3）第三階段 6O2＋24[H] 12H2Ｏ＋大量能量（34ATP）（線粒體） 總反應(yīng)式： C6H12Ｏ6＋6Ｏ2＋6H2O6CO2＋12H2Ｏ＋能量 2.有氧呼吸概念 （二）無氧呼吸 1.無氧呼吸過程 （1）第一階段：與有氧呼吸完全相同。 （2）第二階段：生成乳酸或酒精和CO2。 總反應(yīng)式： C6H12Ｏ62C3H6O3（乳酸）＋少量能量 C6H12Ｏ62C2H5OH（酒精）＋2CO2＋少量能量 2.無氧呼吸概念 3.發(fā)酵 （三）比較有氧呼吸和無氧呼吸的異同 要求學(xué)生完成下表： 有氧呼吸 無氧呼吸 呼吸場(chǎng)所 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì) 是否需氧 需氧 不需氧 分解產(chǎn)物 二氧化碳和水 二氧化碳和酒精或乳酸 釋放能量 較多 較少 聯(lián) 系 從葡萄糖到丙酮酸這一階段完全相同，從丙酮酸開始，它們才沿著不同的途徑形成不同的產(chǎn)物 （四）細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用 1.控制呼吸條件 2.抑制酶活性、抑制呼吸作用