课题 第4章 光合作用和细胞呼吸
第3节 细胞呼吸(1) 课型 新授课 教学目标
与知识点 1、说明细胞呼吸的本质,能对细胞呼吸与有机燃料的燃烧进行比较。
2、说明有氧呼吸的过程。
3、通过对"有氧呼吸的过程"图群学习,提高图表分析能力以及运用恰当的生物学知识有效地表述图表、公式等提供的信息能力。
4、通过小组学习过程中的合作与交往,培养学生的协作意识与交往的态度。 教学重点、
难点分析及
教法设计 【教学重点】
1、细胞呼吸的本质。
2、有氧呼吸的过程。
【教学难点】
有氧呼吸的过程。
【教学媒体】PPT课件
【教学方法】问题导学、小组合作及启发点拨相结合 思考问题 生物体进行生命活动所需的能量是从哪里来的?细胞呼吸的本质是什么?在活细胞中,哪些物质能够氧化分解产生能量?作为能源物质,糖类、脂质、蛋白质等有机物与ATP相比有什么不同?细胞呼吸和有机燃料燃烧有什么不同?细胞呼吸的特点是什么?细胞呼吸需要怎样的条件?
有氧呼吸的底物、产物和必需的条件是什么?有氧呼吸的场所在哪里?有氧呼吸的过程怎样?有氧呼吸反应式怎样?1mol葡萄糖经过有氧呼吸,释放能量是多少?储存在ATP中的能量是多少?与无氧呼吸相比,有氧呼吸的特点和意义是什么? 一次备课 二次备课 导入新课
课件展示:
(1)寒冷冬季的一个夜晚,一群人围在一堆篝火旁取暖。
(2)某现代化啤酒生产企业,利用发酵工程技术大量生产啤酒。
(3)某同学因10 000米长跑以后,觉得筋疲力尽。
(4)一片果园内的果树因遭受水淹而正在慢慢萎蔫,并不断有果树死去。
(5)农民经常要锄田,因为这样可以提高作物的产量。
(6)汽车在飞快地奔驰,同时不断地消耗着汽油,一些尾气正从其排气管中被排出。
师:
上述问题的中心问题是什么?能否从中选出与其他不同的资料?并论述你的依据。
学生活动:学生自主思考,列出观点。
生甲:上述问题的中心是能量问题。
生乙:(1)(6)谈的是非生物的能量问题,而其他资料谈论的是生物体内的能量问题。
生丙:(6)谈论的是环境污染问题。
......
师: 我们今天选出一个问题来进行讨论,我们要讨论的问题是生物体内的能量供应问题--细胞呼吸。
师:
我们知道,物质的燃烧需要氧气,发现这一现象的是法国化学家拉瓦锡。拉瓦锡还曾经把生物的细胞呼吸比作碳和氢的缓慢燃烧过程。那么,拉瓦锡的这一说法有道理吗?细胞呼吸能够像燃料燃烧那样剧烈吗?
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板 书:
一、细胞呼吸产生能量
(一)细胞呼吸与有机物燃烧的不同点
生:不能。
师:为什么?
学生活动:学生思考、讨论。
师:
细胞呼吸不能像燃料燃烧那样剧烈的原因是多方面的,例如:(1)如同我们生活的环境一样,细胞要生活在常温、常压下;(2)细胞内的酶促反应需要适宜的温度,假如呼吸作用像燃料燃烧那样剧烈的话,会在短时间内释放大量的能量,而导致温度急剧升高,从而导致酶变性失去活性;(3)同时也会导致大量的能量浪费,因为细胞内的ADP与ATP的量有限,大量的能量在短时间内释放,不能及时转移到ADP内以合成ATP,造成生物体细胞内的能量浪费。
师:
生命活动的直接能源物质是什么?细胞中的主要能源物质是什么?动物细胞内储存能量的物质是什么?植物细胞内储存能量的物质是什么?生物体内储存能量的物质是什么?
生:
生命活动的直接能源物质是ATP;细胞中的主要能源物质是糖类;动物细胞内储存能量的物质是糖元;植物细胞内储存能量的物质是淀粉;生物体内储存能量的物质是脂肪。
师:
细胞的生命活动离不开能量,许多化学反应都需要耗能,那么糖类等能源物质是怎样被细胞利用的呢?储存在这些有机物中的能量是如何转移到ATP中的呢?
生:
在细胞中应该有一个类似糖类等能源物质燃烧的过程,可以将糖类等分子中的能量释放出来,但又不伤及细胞。
板 书:
(二)细胞呼吸的定义
师:
(1)在生物细胞内,糖类等有机物中储存的能量是逐步地、缓慢地被释放出来的,除了一部分以热量形式向外界释放以外,还有一部分能量被转移到ATP中,随时地被细胞利用于各种生命活动过程。
(2)科学家经过研究发现,在细胞中的确存在这样的过程,这就是细胞呼吸。
(3)细胞呼吸主要指糖类、脂质与蛋白质等有机物,在生物活细胞内氧化分解为水和二氧化碳,或者分解为不彻底的氧化产物,同时释放能量的过程。
(4)细胞呼吸不同于有机物在体外被燃烧氧化的另一个特点,是有机物在细胞内多种酶的催化作用下,被逐步分解,因为能量是被逐步释放的,因而没有剧烈的发光、发热的现象。
师: "细胞呼吸"与我们通常了解的"呼吸运动"是一回事吗?
学生活动:回忆人体呼吸的过程,试图比较"呼吸运动"与"呼吸作用"的不同,并尝试与他人交流自己的观点。
师:
(1)其实"细胞呼吸"并非我们学习过的"呼吸运动"。我们熟悉的"呼吸运动"也就是所谓的肺通气,是指人和动物体通过呼吸肌的运动使得胸廓、膈肌收缩或扩张,以改变胸廓容积,最终改变胸廓内的压强,从而达成与外界进行的气体交换过程。
(2)而"细胞呼吸"是指糖类、脂质与蛋白质等有机物,在生物活细胞内氧化分解为水和二氧化碳,或者分解为不彻底的氧化产物,同时释放能量的过程,通常也叫做"呼吸作用"。正是因为所有生物的细胞都具备这一功能,才能保证所有生物正常的生命活动。
(3)"呼吸运动"与"细胞呼吸"的现象和本质是有所区别的。
师生互动:教师引导学生阅读文本P61,并尝试对表格提供的信息进行分析。
生甲:
表格中不同植物组织的细胞呼吸速率是在25 ℃条件下测得的,说明温度会影响细胞呼吸的速率,可能与温度影响细胞内呼吸酶的活性有关。
生乙:
说明不同植物细胞呼吸的速率是不同的,可能与不同植物细胞内呼吸酶的种类不同有关。
生丙:
表格中干种子的呼吸作用速率最小,可能与干种子细胞缺乏自由水有关。
......
板 书:
(三)细胞呼吸的实质
课件展示:
(1)在一个氧气充足的公园里,一个游园者正在慢慢散步,此时,该游园者体内的细胞利用氧将糖类等有机物氧化分解,产生二氧化碳与水,同时产生能量。
(2)一个优秀的中跑选手,在较短时间内跑完了400 m,此时,他体内细胞中的糖类等有机物在无氧条件下,被分解成为乳酸,同时产生能量。
(3)放置较长时间的苹果,散发出一股浓浓的酒香,我们发现苹果内的糖类被分解成为了酒精,在这个过程中,也产生了一些能量。
师:
细胞呼吸一定需要氧气吗?气体的交换是细胞呼吸的本质吗?假如不是,那么细胞呼吸的实质又是什么呢?
生:
细胞呼吸不一定需要氧气,如骨骼肌细胞在有氧与无氧条件下都可以进行细胞呼吸;因此,气体的交换并非是细胞呼吸的本质;细胞呼吸的实质是有机物的氧化分解,能量的释放和利用。
师:
(1)有机物在体外燃烧时,其中储存的能量是一次性全部释放出来的,并且以光和热的形式表现出来。这就相当于放在高处的大石块,由于本身的重量和所在的高度具有了很大的势能。若石块从高处直接落下来,势能会迅速地转变成动能释放出来,产生强大的冲击力。而细胞的生命过程所需的能量需要不断地释放出来,需要随时补充给细胞。这就像放在高处的石块必须经过许多台阶缓缓滚动到最底层,将能量一点点释放出来一样,只有这样释放出来的能量才能被有效地、充分地利用。发生在细胞内的细胞呼吸无论是在有氧条件下还是在无氧条件下,其过程的进行均是如此。
(2)细胞呼吸是一个由多种酶参与催化,多步骤的过程。细胞呼吸通常是在有氧的情况下进行的,但是某些细胞也可以在无氧的环境下进行呼吸。在有氧条件下,细胞中的有机物会彻底氧化分解成为无机物,自然会放出有机物中全部的能量。无氧条件下,细胞中的有机物降解成为其他的相对简单的有机物,释放出一部分能量。
(3)总之,通过有机物的氧化分解,释放能量,被细胞利用,生命过程得以正常进行,这便是细胞呼吸的实质所在。
师:那么,你能否根据细胞呼吸的本质,来推断有氧条件下细胞呼吸的化学变化呢?
学生活动:尝试构建细胞有氧呼吸的模型,即:有机物+ O2━━ CO2+H2O+能量。
师:下列细胞中,哪些细胞能进行细胞呼吸?你的依据是什么?
课件展示:
①导管细胞;②哺乳动物的红细胞;③人体的神经元;④造血干细胞;⑤骨骼肌细胞;⑥绿色植物的叶肉细胞;⑦酵母菌;⑧死亡的口腔上皮细胞;⑨大豆种子细胞。
生:
其中,哺乳动物的红细胞、人体的神经元、造血干细胞、骨骼肌细胞、绿色植物的叶肉细胞、酵母菌、大豆种子细胞能进行细胞呼吸;因为这些细胞都是活细胞,活细胞生命活动需要能量,而通过细胞呼吸可以分解有机物释放能量,其中一部分能量转移到ATP中被用于生命活动。大豆种子的代谢速率很低,但是大豆种子细胞仍然具有活力,因而大豆种子细胞仍进行细胞呼吸,为大豆种子的生命活动提供能量。而导管细胞、死亡的口腔上皮细胞均为死细胞,不具有与代谢相关的酶,因而不能进行细胞呼吸。
师:那么细胞呼吸究竟是如何进行的呢?
板 书:
二、细胞呼吸的过程
(一)有氧呼吸
师: 细胞的有氧呼吸是细胞呼吸的主要类型,是生活细胞在氧气的参与下,把某些有机物彻底氧化分解,产生二氧化碳和水,同时释放能量的过程。
师: 细胞呼吸是否一定要以糖类作为呼吸底物?可以以脂肪或蛋白质作为底物吗?为什么?
生: 细胞呼吸不一定要以糖类作为呼吸底物;可以以脂肪或蛋白质作为呼吸底物,因为脂肪与蛋白质等其他的有机物(如乳酸、丙酮酸等)中也具有能量。
师: 假如人体的骨骼肌细胞内以葡萄糖作为呼吸底物为例,进行有氧呼吸,那么其具体过程是怎样的?能否从有氧呼吸的场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向来阐述细胞有氧呼吸的整个过程。
课件展示:
(1)通过展示骨骼肌细胞显微结构、线粒体亚显微立体结构、有氧呼吸第一、第二、第三阶段反应动画等情景,把学生带入真实场景,使学生学习兴趣高涨,并产生探究欲望。
(2)在对有氧呼吸中的物质转变、能量转化一步步推理、分析讨论后,再采用多媒体技术对有氧呼吸全过程进行剖析讲解,以有氧呼吸中的物质转变与能量转化为两条主线,以同位素示踪技术为研究手段;以有氧呼吸第一、第二、第三阶段的反应为时间先后顺序,以细胞质基质、线粒体为空间先后顺序,系统地分析葡萄糖分解形成丙酮酸、丙酮酸氧化、还原态氢([H])的氧化等生理过程。从细胞是一个统一整体的概念出发,提出了控制有氧呼吸过程的信息流的概念;从能量转化与守恒的角度出发,让学生探究储存在有机物中的能量如何释放,其中一部分能量是如何被逐步转移进入ATP的。在总结讨论阶段,可利用多媒体技术中的箭头指向物体表面是闪烁的效果,帮助学生提高对有氧呼吸第一、第二、第三阶段反应的场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向等关键知识的理解。
学生活动:结合多媒体提供的信息,阅读文本P62中"有氧呼吸的过程"的图群,思考有氧呼吸第一、第二、第三反应阶段反应的场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向。
师: 细胞的有氧呼吸,假如以反应场所来看,发生于细胞的哪些部位?主要部位是什么?为什么?
生: 细胞的有氧呼吸,发生于细胞质基质和线粒体;主要部位是线粒体;因为线粒体是细胞有氧呼吸的主要场所;高等生物细胞的有氧呼吸酶分布在线粒体中(只有类似硝化细菌的原核需氧型生物的有氧呼吸酶分布于细胞膜上)。
师: 假如从反应的步骤来看,细胞的有氧呼吸主要可以分为几个阶段?分别是哪几个阶段?每一个阶段的反应场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向是怎样的?
生: 细胞的有氧呼吸主要可以分为三个阶段;第一阶段是葡萄糖在细胞质基质中被分解形成丙酮酸(糖酵解)阶段;第二阶段是丙酮酸在线粒体中被分解阶段;第三阶段是[H]和氧结合生成水,释放大量能量的阶段。(见右图)
(图中的①②③表示有氧呼吸过程的三个阶段)
有氧呼吸过程的图解
1.有氧呼吸的第一阶段(葡萄糖在细胞质基质中被分解形成丙酮酸)
师: 那么,你能否说出有氧呼吸第一阶段的反应场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向呢?
生甲:反应部位是细胞质基质。
生乙:反应条件是细胞质基质的呼吸酶、ADP+Pi、适宜的温度与pH。
生丙:反应底物是葡萄糖(呼吸底物)。
生丁: 反应过程是在酶催化下葡萄糖分解为丙酮酸。即:葡萄糖2丙酮酸+4[H]+能量(少量)(C6H12O62C3H4O3+4[H]+能量)
生戊:反应产物是丙酮酸、少量[H]和少量ATP(注:第一阶段释放少量能量,其中一部分能量以热量形式散失,另一部分能量转移到ATP中,可形成2ATP)。
生己: 产物中,丙酮酸、[H]将被运入线粒体,而ATP可直接用于各项生命活动。
师: 那么,你能否说出有氧呼吸第二阶段反应的场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向呢?
2.有氧呼吸的第二阶段(丙酮酸在线粒体中被分解形成二氧化碳和[H])
生:
有氧呼吸的第二阶段反应
(1)场所是线粒体的基质。
(2)条件是线粒体内的有氧呼吸酶系统、ADP+Pi、适宜的温度与pH。
(3)反应底物是丙酮酸和H2O。
(4)反应过程是在线粒体有氧呼吸酶系统的催化下,丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和[H]。即2丙酮酸+6H2O 20[H]+6CO2能量(少量)(2 C3H4O3+6H2O 6CO2+20[H]+能量)。
(5)反应的产物有CO2、[H]、少量ATP(注:第二阶段也释放少量能量,其中一部分能量以热量形式散失,另一部分能量转移到ATP中,可再形成2ATP)。
(6)产物中,CO2离开线粒体,可以通过自由扩散出细胞膜,再通过血液循环至肺泡,最终通过气体交换而排出体外;在植物细胞内,则可以通过气孔进入大气,或进入叶绿体参与光合作用;[H]继续参与有氧呼吸的第三阶段反应;ATP直接用于各项生命活动。
学生活动:学生在教师的指导下自主分析有氧呼吸第三阶段的反应场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向。
3.有氧呼吸的第三阶段([H]和氧结合生成水,释放大量能量的阶段)
(1)发生部位:细胞线粒体内膜上。
(2)条件:线粒体内的有氧呼吸酶系统、ADP+Pi、适宜的温度、pH与O2。
(3)反应底物:[H]和氧。
(4)反应过程:在线粒体内有氧呼吸酶的催化下,前两阶段释放的[H]和O2结合生成水,同时释放大量能量,一部分能量以热量形式散失,另一部分形成34个ATP。即:
24[H]+6O2 12H2O+能量(大量)。
(5)产物:水和34个ATP。
(6)产物去向:ATP直接用于各项生命活动;而水亦可参与其他的生命活动(如继续参与细胞呼吸、蛋白质水解等,在植物体内还可参加光合作用等生命活动)。
师:能否根据上述三个阶段推出有氧呼吸总反应式?
生:
C6H12O6 2C3H4O3+4[H]+能量(少量)
2C3H4O3+6H2O 6CO2+20[H]+能量(少量)
有氧呼吸总反应式:C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量(大量)
(注:以C6H12O6为例,其他有机物也可以通过细胞呼吸)
课堂小结
师:能否对有氧呼吸的第一、第二、第三阶段进行列表分析?(教师利用多媒体呈示以下表格)
比较
项目 有氧呼吸
第一阶段 有氧呼吸
第二阶段 有氧呼吸
第三阶段 发生部位 条件 反应底物 反应过程 产物 产物去向
学生活动:根据表格自主分析、比较。
师: 细胞有氧呼吸时,假如以C6H12O6作为底物,共释放2 870 kJ的能量,可以形成38个ATP。每形成一个ATP可以储存多少能量?细胞有氧呼吸的产能效率是多少?已知内燃机的产能效率是15%~25%,二者相比,谁的产能率更高?
生: 每形成一个ATP可以储存30.54 kJ能量;细胞有氧呼吸的产能效率高于内燃机的产能效率,高达40%。
【布置作业】认真复习本课所授内容,完成《学习与评价》中的相应练习。
【板书设计】
第三节 细胞呼吸
一、细胞呼吸产生能量
(一)细胞呼吸与有机物燃烧的不同点
(二)细胞呼吸的定义
(三)细胞呼吸的实质
二、细胞呼吸的过程
(一)有氧呼吸
1. 有氧呼吸的第一阶段(葡萄糖在细胞质基质中被分解形成丙酮酸)
2. 有氧呼吸的第二阶段(丙酮酸在线粒体中被分解形成二氧化碳和[H])
3. 有氧呼吸的第三阶段([H]和氧结合生成水,释放大量能量的阶段)