5.3细胞呼吸的原理和应用第2课时教学设计-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

第5章第1节第2课时 细胞呼吸的原理和应用 教学准备 教师准备 1．视频《有氧呼吸的过程》。 2．教材梳理、搜集资料、查阅文献、制作课件。 学生准备 1．复习细胞呼吸的方式。 2．预习细胞呼吸的原理及应用。 导入新课 导入一 请回答：生物体生命活动的重要能源物质和生物体生命活动的直接能源物质分别是什么？ 学生 生物体生命活动的重要能源物质是糖类；生物体生命活动的直接能源物质是ATP。 所有细胞中，合成ATP的能量来源都有什么？ 学生细胞呼吸。 细胞只要活着就要进行呼吸，但不同细胞在不同情况下的产物可能不同。 人们通常用酵母和面，放置一段时间后就会成为发面，发面可以用来做包子、馒头等。为了促进发面，有时还会向其中加入一点蔗糖。发面时，早期并没有酒味，而后期有了酒味。 想一想：发面中的“窟窿”是怎么产生的？ -- 学生 酵母菌发酵过程产生的气体（CO2）。 教师为什么发酵早期没有酒味呢？ 学生/因为发酵早期氧气充足，不进行产生酒精的无氧呼吸。 教师 发面团里是热乎乎的，这说明了什么？冬天发面时，用毛巾包裹发酵的面盆，面会发得更快些，为什么？ 学生酵母菌呼吸作用会释放热能，冬天气温较低，用毛巾包裹，可使酵母菌发酵释放的热能散失得慢一些。 教师 那么，在发酵过程中，都发生了什么？这些过程都发生在哪些结构中？这就是本节课要讨论的问题。 导入二 教师 回顾一下酵母菌细胞呼吸的方式。在氧气充足的情况下，酵母菌细胞呼吸的产物是什么？在无氧条件下，酵母菌细胞呼吸的产物是什么？可以通过哪些试剂检测？分别出现哪些现象？ 学生 在氧气充足的情况下，酵母菌细胞呼吸的产物是大量二氧化碳和水。在无氧条件下，酵母菌细胞呼吸的产物是酒精和少量二氧化碳。可以用澄清石灰水检测二氧化碳，有氧条件下比无氧条件下澄清石灰水更浑浊；也可以用溴麝香草酚蓝溶液检测二氧化碳，有氧条件下溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄的时间更短。可以用酸性条件下的重铬酸钾溶液检测酒精，在酸性条件下，橙色的重铬酸钾溶液与酒精反应变成灰绿色。 1．做米酒的时候“先有水后有酒”。 提示：做米酒的时候，酵母菌先进行有氧呼吸产生水，后进行无氧呼吸产生酒。 2．把手插进堆放一段时间的新鲜谷堆中，会有潮湿和发烫的感觉。 提示：新鲜谷堆的种子含有较多的水，呼吸速率较高，有氧呼吸会产生水，释放能量。 3．萝卜放久了会空心。 提示：萝卜放久了，因为长时间的呼吸作用，会把萝卜中间的这些有机物消耗掉，使得萝卜变为空心。 教师 有氧呼吸与无氧呼吸的具体过程是什么？细胞呼吸的场所在哪？这是这节课要探究的问题。 教学过程 环节一：有氧呼吸 为探究有氧呼吸的过程，有研究者设计了实验： 将酵母菌细胞破碎后进行离心处理，获得上清液（仅含有酵母菌的细胞质基质）和沉淀物（仅含有酵母菌的细胞器）两部分，与未离心的酵母菌细胞悬液分别加入1、2、3号试管中，并向三支试管内同时滴入等量的、等浓度的葡萄糖、荧光素和荧光素酶，再通入等量的氧气，一段时间后检测各试管中葡萄糖含量的变化情况、气泡生成情况和荧光出现情况。 荧光素和荧光素酶的作用是什么？ 学生在有ATP的情况下，荧光素酶可以催化荧光素发出荧光，本实验中荧光素和荧光素酶可以检测是否有ATP生成。 该实验的实验目的是什么？ 探究有氧呼吸分解葡萄糖的场所是在细胞质基质还是在线粒体。 教师 一段时间后，各试管的变化情况如表所示。 试管 葡萄糖含量 荧光 .气泡 1 下降 微弱 无 2 不变 无 无 3 下降 较强 有 学生 小组合作探究，分析表中实验现象，推理得出实验结论。 提示： 1．葡萄糖不能被线粒体分解。 2．葡萄糖的分解场所为细胞质基质，且可生成少量的ATP。 3．有氧条件下，葡萄糖在细胞质基质中的分解过程不能产生 教师 那么葡萄糖在细胞质基质中发生了什么变化？请阅读教材相关内容，回答这一问题。 学生 1分子的葡萄糖在细胞质基质中被分解成2分子的丙酮酸，同时产生少量的［H］，并且释放少量的能量。反应式为：量）。 教师该过程进行的条件是什么？ 学生 具有相关的酶。 该过程是否需要氧气？ 学生 不需要氧气。 由上可知，葡萄糖的分解过程与细胞质基质和线粒体都有关，有氧呼吸的主要场所是线粒体。 板书线粒体结构的示意图，讲解线粒体的外膜、内膜、基质和嵴。 教师 想一想：线粒体内膜向内折叠形成嵴有什么意义？ 学生，内膜向内折叠形成嵴可以增加线粒体的膜面积。 教师 线粒体中哪些部位具有与呼吸作用有关的酶？ 学生 线粒体的内膜和基质中含有多种与有氧呼吸有关的酶。 教师 科学家利用线粒体进行了以下的实验： 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，与破碎但未分离的线粒体分别放入4、5、6号试管中，再向其中加入等量的丙酮酸、荧光素和荧光素酶，通入等量的氧气，一段时间后，检测丙酮酸的含量和荧光的情况。 试管 丙酮酸含量 荧光 气泡 4 不变 无 无 5 下降 微弱 有 6 下降 较强 有 学生 小组合作探究，分析表中实验现象，推理得出实验结论。 提示： 1．丙酮酸分解发生在细胞质基质中，并且产生二氧化碳，释放了少量的能量。 2．线粒体基质分解丙酮酸之后，线粒体膜状结构继续发生反应，释放较多的能量，合成较多的ATP。 阅读教材相关内容，总结呼吸作用第二阶段发生的场所、条件、物质变化。 学生 第二阶段在线粒体基质中进行，丙酮酸和水在酶的作用下分解成二氧化碳和［H］，并释放出少量能量。反应式为： 科学家继续进行实验： ①超声波破碎了线粒体后，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。 ②当用胰蛋白酶处理之后，这些小囊泡不再具有氧化［H］的功能；当把小颗粒重新装上去之后，小囊泡又具有了氧化［H］的功能。 ③这些小颗粒被证实是一系列线粒体内膜上的酶。 通过以上事实可以确定在线粒体内膜上发生了什么样的反应？ 学生［H］和氧气发生了反应。 教师 请总结呼吸作用第三阶段发生的场所、条件、物质变化。 学生 在线粒体内膜上，［H］和氧结合形成水，同时释放大量能量。反应式为：:24[H]+ 根据我们刚才分析的有氧呼吸的各阶段的物质变化，写出有氧呼吸的总反应式。 学生 偶有所得 根据反应式回答：若用含80的葡萄糖进行有氧呼吸，细胞中出现含180的物质依次是什么？ 学生 丙酮酸、（ 若让生物吸入，体内最先出现含18O的物质是什么？ H2O。 在有氧呼吸的总反应式上使用双线桥方法标出反应物中的O的去路。 结合以上分析，概括出有氧呼吸的概念。 有氧呼吸是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，生成大量ATP的过程。 简单识记有氧呼吸基本过程后，回答以下问题： 1．有氧呼吸三个阶段的共同点有哪些？第一、第二两个阶段的共同点有哪些？ 提示：有氧呼吸三个阶段的共同点为都需要酶的催化、都释放能量；第一、第二两个阶段的共同点是都需要酶的催化、都释放少量能量、都产生［H］。 2．消耗氧气的阶段进行的场所是哪里？ 提示：消耗氧气的阶段进行的场所是线粒体内膜。 3．CO2和水的产生场所分别在哪里？ 提示：CO2的产生场所是线粒体基质，水的产生场所是线粒体内膜。 4．与生物膜有关的阶段是哪一阶段 提示：与生物膜有关的阶段是第三阶段。 5．释放能量最多的阶段是哪一阶段？ 提示：释放能量最多的阶段是第三阶段。 课件出示思考题： 1．在细胞内，1mol葡萄糖彻底氧化分解可以释放出2870kJ的能量，可以使977.28kJ 左右的能量储存在ATP中，其余的能量则以热能的形式散失掉了。请你计算一下，有氧呼吸的能量转化效率大约是多少，这些能量大约能使多少ADP转化为ATP？ 提示：有氧呼吸的能量转化效率大约为34％。结合上两节所学内容，1mol ATP水解释放的能量高达30.54kJ，因此，1mol葡萄糖能够使32molADP分子转化为ATP分子。 2．与燃烧迅速释放的能量相比，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？ 提示：燃烧是一种迅速释放能量的过程，而有氧呼吸过程则是逐步缓慢释放能量的，这种方式保证有机物中的能量得到最充分的利用。逐级释放能量可以使有机物中的能量逐步地转移到ATP中；同时，能量缓慢有序地释放，有利于维持细胞的相对稳定状态。 以上是氧气充足时酵母菌细胞中发生的有氧呼吸，那么如果没有氧气，酵母细胞所需能量由什么呼吸来提供呢？ 学生 无氧呼吸。 环节二：无氧呼吸 思路一 课件出示图片： 提出问题：苹果储藏久了为什么会有酒味呢？无氧呼吸的场所在哪里呢？反应是如何进行的呢？学生 阅读教材相关内容，小组合作回答问题： 1．哪些生物无氧呼吸产生乳酸？哪些生物无氧呼吸产生酒精？为什么他们的无氧呼吸产物不同？ 提示：无氧呼吸产生乳酸的有人和动物，马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚，乳酸菌等微生物；无氧呼吸产生酒精的有水稻根、苹果果实，酵母菌等微生物。无氧呼吸的产物不同是因为它们含有的酶不完全相同。 2．无氧呼吸第一阶段发生的场所和物质能量变化是怎样的？ 提示：第一阶段发生在细胞质基质中，1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸，产生少量的［H］，并且释放少量的能量；与有氧呼吸第一阶段完全相同。 3．无氧呼吸第二阶段是否释放能量？是否产生ATP？ 提示：无氧呼吸第二阶段不释放能量，不产生ATP。 4．无氧呼吸产生乳酸的同时有CO2产生吗？ 提示：无氧呼吸产生乳酸的同时没有CO2产生。 5．人体产生的CO2全部来自线粒体吗？ 提示：人体产生的CO2全部来自线粒体。 6．为什么无氧呼吸分解葡萄糖释放的能量少？ 提示：因为无氧呼吸的产物酒精或乳酸中仍含有大量能量未释放出来。 7．绘制无氧呼吸过程示意图。 提示： 有氧呼吸和无氧呼吸都属于细胞呼吸，列表比较有氧呼吸与无氧呼吸的异同点，并总结什么是细胞呼吸。 学生 类型 有氧呼吸 无氧呼吸 不同点 场所 线粒体（主）和细胞质基质 细胞质基质 条件 需氧气、需酶 不需氧气、需酶 分解程度 彻底氧化分解 不彻底氧化分解 产物 CO2+H2O 乳酸或酒精＋CO2 能量 释放大量能量、合成大量ATP 热能（主）＋储存在ATP中的化学能 释放少量能量，合成少量ATP 乳酸／酒精中的化学能（主）＋热能＋储存在ATP中的化学能 ATP生成阶段 第一、第二、第三阶段 第一阶段 相同点 第一阶段完全相同；都能氧化分解有机物，释放能量 细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放能量并生成ATP的过程。 思路二 以上为有氧呼吸的基本过程，那么在没有氧气的时候，酵母菌的呼吸过程又是怎样的呢？ 学生没有氧气的时候，酵母菌进行无氧呼吸。 请阅读教材相关内容，叙述什么是无氧呼吸。 学生在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机物经过不完全分解，释放少量能量的过程，就是无氧呼吸。 小组合作，总结一下，有氧呼吸和无氧呼吸的相同点与不同点。 学生 阅读教材，小组合作，总结有氧呼吸和无氧呼吸的相同点与不同点。 提示： 类型 有氧呼吸 无氧呼吸 不同点 场所 细胞质基质和线粒体 细胞质基质 条件 需要氧气和相关酶 不需要氧气，需要相关酶 产物 CO2、H2O 酒精和CO2／乳酸 能量 大量 少量 相同点 联系 从葡萄糖分解为丙酮酸阶段相同 实质 分解为有机物，释放能量，合成ATP 意义 为生物体的各项生命活动提供能量 教师是不是所有的生物细胞进行无氧呼吸的产物都是酒精和二氧化碳呢？ 学生不是，有些生物无氧呼吸产生的物质是乳酸。 哪些生物无氧呼吸产生酒精和二氧化碳，哪些生物无氧呼吸产生乳酸呢？ 偶有所得 学生 一般植物细胞无氧呼吸的产物为酒精和二氧化碳，但马铃薯块茎无氧呼吸的产物是乳酸；动物骨骼肌细胞，无氧呼吸的产物也是乳酸。 教师请总结无氧呼吸的反应式。 学生 （乳酸）＋少量能量或H5OH（酒精）＋2CO2＋少量能量。 教师请简述无氧呼吸的过程，我根据你们的叙述，绘制无氧呼吸过程示意图。 细胞呼吸有什么意义吗？ 学生 细胞呼吸为生物进行生命活动提供所需要的能量，还是生物体代谢的枢纽。例如，在细胞呼吸过程中产生的中间产物，可转化为甘油、氨基酸等非糖物质；非糖物质代谢形成的某些产物与细胞呼吸中间产物相同，这些物质可进一步形成葡萄糖。蛋白质、糖类和脂质的代谢，都可以通过细胞呼吸过程联系起来。 设计意图 引导学生在阅读教材的基础上列表比较有氧呼吸和无氧呼吸的过程，既让学生对无氧呼吸有更深的理解，又复习巩固了有氧呼吸过程。 环节三：细胞呼吸原理的应用 思路一 教师 如图为与呼吸速率有关的几条曲线，分析这些曲线，影响呼吸速率的因素有哪些？ 教师 温度是如何影响呼吸速率的？这一曲线体现的原理有什么应用？ 学生 温度主要影响与呼吸作用有关的酶的活性，从而影响呼吸速率。应用有蔬菜、水果在零上低温下储藏，不易腐烂；在大棚蔬菜的栽培过程中，夜间适当降低温度，减弱呼吸作用，减少有机物的消耗；和面用温水，这样发酵快。 教师 CO2浓度是如何影响呼吸速率的？这一原理有什么应用？ 学生 CO2是细胞呼吸的产物，随CO2浓度的增大，对细胞呼吸的抑制作用增强。应用有储藏粮食时适当增大CO2浓度，可抑制细胞呼吸，减少有机物消耗。 含水量是如何影响呼吸速率的？这一原理有什么应用？ 偶有所得 在一定范围内，含水量越高，代谢速率越高，超过一定含水量，呼吸速率会下降。应用有粮食需晒干后再储存，抑制细胞呼吸，减少有机物消耗。 分析D图，我们可以得到什么结论？ 学生随着氧气浓度的升高，无氧呼吸的速率逐渐下降，有氧呼吸的速率先升高后基本不变。 教师D图能表示氧气浓度对乳酸菌的呼吸速率的影响吗？为什么？ 不能，因为乳酸菌只能进行无氧呼吸，且乳酸菌无氧呼吸不产生二氧化碳。 氧分压为0时，细胞释放CO2的场所是什么？氧分压为0～10％时，细胞释放CO2的呼吸方式是什么？氧分压大于10％时，细胞释放CO2的呼吸方式是什么？ 学生 氧分压为0时，细胞进行无氧呼吸，释放CO2的场所是细胞质基质。氧分压为0～10％时，细胞释放CO2的呼吸方式是有氧呼吸和无氧呼吸。氧分压大于10％时，细胞释放CO2的呼吸方式仅为有氧呼吸。 教师 两条曲线相交时，有氧呼吸和无氧呼吸消耗的葡萄糖的量之比为多少？ 学生1：3。两条曲线相交时，有氧呼吸和无氧呼吸释放的CO2的量相等，根据有氧呼吸和无氧呼吸的反应式，可计算出有氧呼吸和无氧呼吸消耗的葡萄糖的量之比为1：3。 教师结合教材及生活实际，想一想生产生活中还有哪些方面运用了细胞呼吸的原理。 学生 创可贴、酿酒、中耕松土、储藏果实等。 思路二 根据以上呼吸作用过程，请分析影响呼吸作用强度的因素有哪些，以及这些因素是如何影响呼吸作用强度的。 学生 影响呼吸作用强度的因素有温度、含水量、CO2浓度和O2浓度等。温度主要通过影响酶的活性来影响呼吸速率；细胞中自由水含量升高会促进细胞代谢，呼吸速率增加，含水量过高会导致缺氧，从而使呼吸速率下降；CO2是细胞呼吸的产物，积累过多会抑制细胞呼吸；O2是有氧呼吸必需的，对无氧呼吸有抑制作用。 教师列表比较四种影响因素的作用机理。 影响因素 温度 水 CO2浓度 氧气浓度 作用机理 影响酶的活性 影响代谢和 氧气的供应 抑制细胞呼吸 抑制无氧呼吸 应用举例 适当降低温度储 存水果、粮食 种子在贮藏前 要晾晒 增加CO2浓度 保鲜蔬菜 真空包装保存肉食 曲线图 堂 八 温度 含水量 堂 CO2的含量 O2 O2 如图表示大气中的氧气含量对植物组织产生CO2的影响，请分析曲线图中，各点的含义。 学生 A点表示植物组织释放的CO2较多，这些是无氧呼吸的产物。 AC段（不含A、C点）细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，AR段CO2的释放量下降，原因是氧气浓度逐渐升高，抑制无氧呼吸的进行，此时氧气浓度偏低，有氧呼吸速率也很低。RC段CO2的释放量又开始增加，有氧呼吸不断加强。 CE段（含C点）仅进行有氧呼吸，呼吸速率先随氧气浓度的升高而升高，后因细胞内酶等的限制，不再增加。 教师 请阅读教材中的“思考·讨论”，结合自己的经验，回答以下问题： 1．包扎伤口时选用透气的消毒纱布或创可贴等敷料的目的是什么？ 提示：避免伤口处的厌氧菌繁殖，从而有利于伤口的愈合。 2．耕作时需要对植物及时松土，目的是什么？ 提示：及时松土的目的是避免根部细胞进行无氧呼吸，影响根系生长。 3．储藏水果和粮食需要降低温度、降低氧气浓度，以保延长保质期，其原理是什么？ 提示：降低温度、降低氧气浓度都可以抑制呼吸作用，减少有机物的分解，以保延长保质期。 4．收获后的粮食要晒干了之后再储藏，其原理是什么？ 提示：因为晒干的种子中自由水含量较低，细胞呼吸速率低，可以延长储藏时间。 5．当皮肤破损较深或被锈钉扎伤后，通常需要打破伤风疫苗，原因是什么？ 提示：破伤风是由破伤风芽孢杆菌引起的，这种细菌只能进行无氧呼吸，当皮肤破损较深或被锈钉扎伤后，破伤风芽孢杆菌就容易大量繁殖，因此需要打破伤风疫苗。 6．制作酸奶利用了乳酸菌的什么呼吸方式？ 提示：制作酸奶利用了乳酸菌的无氧呼吸。 设计意图 引导学生分析影响细胞呼吸的四种因素的作用机理、应用实例，并结合小组合作讨论问题，培养学生的合作学习、分析和表达的能力。 教学研讨 引导学生在阅读教材的基础上，进行资料分析，让学生在具体的情境中理解呼吸作用的场所、过程、物质和能量变化以及生理意义，在不断探讨中加深对呼吸作用原理的认识，同时注意生命观念、科学思维、科学探究等生物学核心素养的培养。 学科网（北京）股份有限公司 $$