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5.3 细胞呼吸的原理和应用
第1课时 细胞呼吸的方式和有氧呼吸 教案
一、教学目标
1.探究酵母菌细胞呼吸的方式（重、难点）。
2.概述有氧呼吸过程中物质与能量的变化（重、难点）。
二、教学重难点
教学重点：探究酵母菌呼吸的方式。
教学难点：探究酵母菌呼吸的方式。
三、教学过程
【新课导入】
情境导入：
提出问题：酵母菌在什么条件下使葡萄糖发酵产生酒精？
酵母菌在有氧和无氧的条件下产生的二氧化碳是否一样多？
问题探讨：
酵母菌细胞富含蛋白质，可以用作饲料添加剂。在培养酵母菌用作饲料添加剂时，要给培养装置通气或进行振荡，以以利于酵母菌大量繁殖。在利用酵母菌生产葡萄酒时，却需要密封发酵。
讨论：
1.都是培养酵母菌，为什么有的需要通气，有的却需要密封？
提示：通气可以给酵母菌提供呼吸需要的氧气，利于酵母菌进行旺盛的细胞分裂；密封则是避免空气进入，便于酵母菌在无氧条件下分解有机食产生酒精。
2.为什么通气有利于酵母菌大量繁殖？
提示：在有氧条件下，酵母菌分解营养物质释放能量多，这些能量可以为酵母菌细胞进行物质代谢和细胞分裂提供充足的动力。
3.在密封发酵时，酵母菌将有机物转化为酒精对它自身有什么意义？
提示：密封发酵时，酵母菌将有机物转化为酒精的同时，能为自己的生命活动提供少量能量。
酵母菌是一类单细胞真菌，它与人类的生活息息相关。做馒头、面包，酿酒等，都是利用酵母菌的呼吸作用。呼吸作用的实质是细胞内的有机物氧化分解，并释放能量，因此也叫细胞呼吸。
提出问题：细胞呼吸是否一定需要氧？
生物在有氧和无氧条件下是否都能进行细胞呼吸呢？
我们一起设计实验来探究吧。
【新课学习】
目标1：细胞呼吸的方式
展示发酵和酿葡萄酒图片，提出问题：酵母菌什么条件下产生CO2，什么条件下产生酒精？
活动1 探究酵母菌细胞呼吸的方式
课前准备：
1.材料：酵母菌细胞。
酵母菌细胞富含蛋白质，可以用作饲料添加剂。在培养酵母菌用作饲料添加剂时，要给培养装置通气或进行振荡，以利于酵母菌大量繁殖。而在利用酵母菌生产葡萄酒时，却需要密封发酵。
酵母菌：单细胞的真菌，在有氧和无氧条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。其细胞呼吸以葡萄糖作为底物时，可通过测定在有氧条件和无氧条件下细胞呼吸的产物，来确定细胞呼吸的类型。
2.探究的基本步骤一般包括：
提出问题—作出假设—设计实验—进行实验—分析结果，得出结论—表达交流
3.实验原理：
酒精的检测：重铬酸钾（橙色）+ 酒精 → 灰绿色（酸性条件）
CO2的检测：CO2能使澄清的石灰水变浑浊、CO2能使溴麝香草酚蓝溶液颜色由蓝→绿→黄；CO2产生量的多少可以根据石灰水的混浊度或溴麝香草酚蓝水溶液变成黄色的时间长短来判断。
具体实施过程如下：
1.提出问题
（1）酵母菌在什么条件下使葡萄糖发酵产生酒精？
（2）酵母菌在有氧和无氧的条件下产生的二氧化碳是否一样多？
2.作出假设
同学们作出的假设可能有：
（1）无氧条件下产生酒精，无氧条件下产生的CO2多；
（2）有氧条件下产生酒精，无氧条件下产生的CO2多；
（3）无氧条件下产生酒精，有氧条件下产生的CO2多；
（4）有氧条件下和无氧条件下都产生酒精，有氧条件下产生的CO2多；
…
3.设计实验
教师活动：布置学生思考该实验变量的相关问题，明确实验目的，科学设计实验，自变量、因变量、无关变量，设置对照实验。
（1）自变量是什么 如何设置自变量
（2）因变量是什么 如何检测因变量
（3）无关变量有哪些 如何控制无关变量
学生活动：独立思考后进行讨论，运用控制变量法完成探究酵母菌呼吸方式的实验设计方案。
教师活动：呈现以下内容。
自变量：有氧或无氧环境——通入氧气或密闭
因变量：产物的区别——通过观察相同时间内澄清石灰水混浊的程度或者相同混浊程度所需的时间长短，用滴管取出部分培养液加入酸性条件下的重铬酸钾检测。
无关变量：温度、葡萄糖溶液浓度、酵母菌活性等。
活动：搭建实验装置
教师活动：根据以上过程中，学生提出的变量控:制方案，提供锥形瓶、玻璃管等仪器，请学生以小组为单位组装实验装置，并设计实验所需要的试剂。
学生活动：尝试组装有氧呼吸和无氧呼吸的整套装置。
运用以上装置分别搭建有氧呼吸和无氧呼吸装置？
有氧呼吸装置：甲同学 E-A-D；乙同学 ：E-C-A-D
无氧呼吸装置：甲同学 B-D；乙同学 ：B-D
两位同学的不同之处就是在有氧呼吸装置的搭建中，乙同学，在气泵和酵母菌培养液之间多加了质量分数为10%的氢氧化钠溶液。而甲同学则直接将气泵与酵母菌培养液进行连接相通。到底哪位同学搭建的有氧呼吸装置更加合理呢？答案是乙同学搭建的是比较合理的，为什么呢？因为乙同学，做到了对本实验的重要的无关变量进行控制。
4.进行实验
（1）酵母菌培养液的配制
称取等量的两份食用酵母菌（10g）；
配制质量分数为5%葡萄糖溶液作为酵母菌的培养液；
搭建如图的有氧呼吸（左）和无氧呼吸（右）装置；
培养、观察、检测、记录
（2）检测二氧化碳的产生
用锥形瓶和其他材料用具组装好实验装置（如上图），A装置连通橡皮球（或气泵），让空气间歇性地依次通过3个锥形瓶（50 min）。
思考：为什么在通入A瓶之前先用NaOH溶液处理？
提示：去除空气中CO2，保证澄清石灰水变浑浊是酵母菌有氧条件产生CO2所致。
B装置中B瓶应封口放置一段时间后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶（想一想，这是为什么？）。然后将实验装置放到25～35℃的环境中培养8～10 h。
思考：B瓶应封口放置一段时间后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶的目的是什么？
提示：消耗掉B瓶中的氧气，确保通过澄清石灰水的CO2是无氧呼吸产生的。
CO2可使澄清石灰水变浑浊，也可使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄。根据石灰水浑浊程度或溴麝香草酚蓝溶液变成黄色的时间长短，可以检测酵母菌培养液中CO2的产生情况。想一想，除了这两种检测方法，还有没有其他方法？
（3）检测酒精的产生：
原理：橙色的重铬酸钾溶液在酸性条件下与乙醇（俗称酒精）发生化学反应，变成灰绿色。
具体做法是：
①各取2 mL酵母菌培养液的滤液，分别注入2支干净的试管中。
②向试管中分别滴加0.5 mL溶有0.1 g重铬酸钾的浓硫酸溶液（质量分数为95% ～ 97%）并轻轻振荡，使它们混合均匀。
③观察试管中溶液的颜色变化。
注意：①葡萄糖也能与酸性重铬酸钾反应发生颜色变化，因此，应将酵母菌的培养时间适当延长以耗尽溶液中的葡萄糖。
②浓硫酸有腐蚀性，向试管中滴加浓硫酸时要缓慢、小心。
5.实验结果
播放实验视频，观察二氧化碳产生情况
6.得出结论
（1）酵母菌在有氧气条件下进行有氧呼吸，产生大量二氧化碳，不产生酒精；
（2）酵母菌在无氧条件下进行无氧呼吸，产生了少量二氧化碳，同时也产生了酒精。
问题：本实验中哪个是对照组，哪个是实验组？
提示：本实验的两组都是实验组。
科学方法——对比实验
对比实验的概念：设置两个或两个以上的实验组，通过对结果的比较分析，来探究某种因素对实验对象的影响，这样的实验叫作对比实验，也叫相互对照实验。
举例：在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中，需要设置有氧和无氧两种条件来探究酵母菌在不同氧气条件下细胞呼吸的方式，这两个实验组的结果都是事先未知的，通过对比可以看出氧气条件对细胞呼吸的影响。对比实验也是科学探究中常用的方法之一。
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。
科学家根据大量的实验结果得出结论：细胞呼吸可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。
目标2：有氧呼吸
活动2：有氧呼吸的过程分析
教师活动：组织学生阅读教材内容，展示资料，引导学生分析资料，思考并回答相关问题，结合教材内容和图示，尝试归纳总结有氧呼吸的场所、过程和特点。
学生活动：阅读教材，分析资料，观察图片，思考并回答问题，归纳总结，概括。
1.有氧呼吸的场所分析
资料1　将酵母菌细胞破碎后进行离心处理，获得上清液(细胞质基质)和沉淀物(线粒体)两部分，与未离心处理过的酵母菌培养液分别放入3支试管中，往3支试管中分别加入等量的氧气、葡萄糖、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管中的变化情况。
问题1.荧光素和荧光素酶的作用是什么？
提示：荧光素和荧光素酶的作用是检测ATP含量的多少。
问题2.分析实验结果，物质发生了什么变化，这些变化发生在哪个位置？能量又有怎样的变化？
提示：葡萄糖在细胞质基质中被分解成了丙酮酸，并且有少量ATP生成；在线粒体内丙酮酸被分解产生了CO2，并且有大量ATP生成。
2.有氧呼吸第一阶段分析
资料2　科学家发现酵母汁液(主要成分是细胞质基质)能够发酵(分解)葡萄糖，但将酵母汁液加热到50 ℃以上，便会失效。酵母汁液经过透析(除去小分子物质)以后，也失去了发酵能力。
根据以上资料分析，细胞质基质为葡萄糖的分解提供了什么物质？
提示：提供了酶和小分子物质。
资料3　细胞质基质中的一种小分子物质——NAD＋(氧化型辅酶Ⅰ)。它实际上是电子和氢离子的载体，能够与葡萄糖氧化过程中脱下来的氢离子和电子结合，形成NADH(还原型辅酶Ⅰ)。NADH在后续的反应中还会解离出电子和氢离子，使得电子和氢离子能够继续用于后续的反应。而NAD＋则可以重新结合新的电子和氢离子。由于NADH携带了电子和氢离子，因此具有较强的还原性，通常可以把它简化为[H]。
根据上述资料完善简化图解。
3.有氧呼吸第二阶段分析
资料4　使用超声波将线粒体破碎，分离线粒体膜状结构和线粒体基质，加入等量的氧气、丙酮酸、荧光素和荧光素酶，一段时间后，检测各试管中的变化情况。
丙酮酸是在线粒体的什么部位分解的？你从实验结果能得到什么推论？
在线粒体基质中丙酮酸被分解。
推论1：丙酮酸分解发生在线粒体基质中，并且产生CO2，释放少量能量；
推论2：线粒体基质分解丙酮酸后，在线粒体膜状结构上继续发生反应合成较多的ATP。
资料5　丙酮酸在线粒体中氧化分解生成CO2和H2O。20世纪30年代，克雷布斯等科学家发现，向鸽子胸肌悬浮液中加入少量草酰乙酸(C4H4O5)或苹果酸(C4H6O5)，都能大大提高丙酮酸的氧化分解速率。
根据以上资料分析，草酰乙酸或苹果酸是否是丙酮酸分解的中间产物？
不是，因为如果草酰乙酸或苹果酸是丙酮酸分解的中间产物，那么外加的草酰乙酸和苹果酸都能够与丙酮酸分解产生的草酰乙酸和苹果酸竞争结合相应的酶，应该会降低丙酮酸的分解速率，而不是大大地提高丙酮酸的氧化分解速率。
资料6　有氧呼吸第二阶段图解
请结合资料6，完善有氧呼吸第二阶段的简化图解
4.有氧呼吸第三阶段分析
资料7　超声波震碎了线粒体之后，内膜自然卷成了颗粒朝外的小囊泡。这些小囊泡具有氧化[H]的功能。当用胰蛋白酶处理囊泡外的颗粒后，这些小囊泡不再具有氧化[H]的功能。当把这些小颗粒装上去之后，小囊泡重新具有了氧化[H]的功能。这些小颗粒后被证实是一系列线粒体内膜上的酶。
通过以上资料可以确定在线粒体内膜上发生了怎样的反应？
在线体内膜上发生了[H]的氧化，即[H]和氧气发生反应。
资料8　有氧呼吸的第三阶段的反应主要有两方面：一方面前两个阶段产生[H]在线粒体基质分离为电子和氢离子，电子在线粒体内膜的蛋白复合体之间进行传递，传递过程中将氢离子由线粒体基质泵入膜间隙，使得膜间隙的氢离子浓度更高，电子失去能量后跟氢离子和氧气结合生成了水；另一方面，氢离子顺着浓度梯度又由膜间隙流回到线粒体基质，
同时推动ATP合成酶合成ATP。
请结合资料8，完善有氧呼吸第三阶段反应的简化图解。
写出有氧呼吸总反应方程式并标注反应物葡萄糖、氧气、水中的氧的去向。
讲解：
对于绝大多数生物来说，有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式，这一过程必须有氧的参与。有氧呼吸的主要场所是线粒体。线粒体具有内、外两层膜，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（图5-8）。嵴的周围充满了液态的基质。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。
有氧呼吸的全过程十分复杂，可以概括地分为三个阶段，每个阶段的化学反应都有相应的酶催化(图5-9)。第一个阶段是，1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸，产生少量的[H]，并且释放出少量的能量。这一阶段不需要氧的参与，是在细胞质基质中进行的。第二个阶段是，丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和[H]，并释放出少量的能量。这一阶段不需要氧直接参与，是在线粒体基质中进行的。
第三个阶段是，上述两个阶段产生的[H]，经过一系列的化学反应，与氧结合形成水，同时释放出大量的能量。这一阶段需要氧的参与，是在线粒体内膜上进行的。
归纳总结：
1.有氧呼吸的概念：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，同时生成大量ATP的过程。
2.对象：是绝大多数生物细胞呼吸的主要方式
3.有氧呼吸的场所：细胞质基质、线粒体（主要场所）
4.总反应式：
5.能量转换：
1 mol的葡萄糖彻底氧化分解释放的总能量2870 KJ，其中977.28 kJ的能量储存在ATP中（合32 mol），大多数能量以热能形式散失掉了。
6.有氧呼吸的能量利用特点
1mol葡萄糖彻底氧化分解，共释放2870kJ能量，其中一部分以热能形式散失(约65.95%)；另一部分转移到ATP中(977.28kJ，约34.05%)储存，约形成32个ATP。
与燃烧迅速释放能量相比，有氧呼吸是逐级释放能量的，这对于生物体来说具有什么意义？
可使有机物中的能量逐步转移到ATP中；能量缓慢有序地释放，有利于维持细胞的相对稳定状态。
7.有氧呼吸特点：
①有氧呼吸过程温和，常温常压，多种酶的催化。
②有机物中的能量逐级释放，保证有机物中的能量得到充分利用。
③释放的能量大部分以热能的形式散失，小部分储存在ATP中。
核心归纳：
1.图示展示有氧呼吸的过程
2.总反应式剖析
有氧呼吸反应式中的能量与ATP的关系：有氧呼吸各个阶段的反应式和总反应式中的能量都不能写成ATP，因为ATP并不是有氧呼吸的直接产物，只是糖类等有机物氧化分解时释放的部分能量可以用于合成ATP。
3.易错提醒
（1）葡萄糖是有氧呼吸最常利用的物质，但不是唯一的物质。
（2）葡萄糖不能进入线粒体，需要在细胞质基质中分解为丙酮酸和[H]后，丙酮酸才能进入线粒体中进一步分解。
（3）真核细胞中哺乳动物成熟的红细胞、蛔虫中无线粒体，只能进行无氧呼吸。线粒体不是进行有氧呼吸必需的结构，如蓝细菌(原核生物)无线粒体，但能进行有氧呼吸。
四、板书设计
第3节 细胞呼吸的原理和应用
第1课时 细胞呼吸的方式和有氧呼吸
一、探究酵母菌细胞呼吸的方式
1.酵母菌细胞呼吸的产物：有氧（CO2+H2O）；无氧（CO2+酒精）
2.细胞呼吸：有氧呼吸、无氧呼吸
3.科学探究实验的一般步骤：提出问题、作出假设、设计实验、进行实验、得出结论
二、有氧呼吸
1.概念
2.对象
3.场所
4.总反应式
5.能量转化
6.有氧呼吸的能量利用特点

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