¿Cómo respiran los seres vivos? ppt1 Edición educativa de Zhejiang

Respiración Celular

1. Estructura del Conocimiento

2. Propósito de la Enseñanza

1. Concepto de Respiración Celular (C: Comprensión).

2. Respiración aeróbica y respiración anaeróbica de los seres vivos (C: Comprensión).

3. El significado de la respiración celular (C: Comprensión).

3. Puntos clave y dificultades

1. Puntos clave de enseñanza

(1) Conocimiento de la respiración aeróbica y la respiración anaeróbica.

(2) La importancia de la respiración .

2. Dificultades didácticas

Conocimiento de la respiración aeróbica y la respiración anaeróbica.

IV.Sugerencias didácticas

En este apartado En el Al comenzar la enseñanza del contenido, los docentes primero deben aclarar que la respiración es una función fisiológica importante de todos los organismos y células vivas. No es un proceso macroscópico de intercambio de gases, sino la descomposición oxidativa, la liberación de energía y la generación de materia orgánica que ocurre en cada célula viva. El proceso del compuesto de alta energía ATP.

En el proceso de enseñanza, debemos comprender las siguientes cuestiones clave para que el conocimiento complejo sea fácil de entender.

Primero, los carbohidratos y las grasas. y proteínas Toda la materia orgánica es rica en energía y la energía almacenada proviene de la energía luminosa fijada en la fotosíntesis.

En segundo lugar, esta materia orgánica solo puede oxidarse en materia orgánica más simple o oxidarse completamente en agua. combinada con dióxido de carbono, la energía almacenada puede liberarse parcial o completamente.

La tercera es que la energía liberada se disipa en forma de energía térmica o se utiliza para mantener una temperatura corporal constante, y más Es importante destacar que una parte considerable de la energía debe ser capturada mediante el proceso de conversión de ADP → ATP y almacenada en los enlaces fosfato de alta energía de las moléculas de ATP para convertirse en la "moneda energética" utilizada para diversas actividades vitales.

IV.Es la base estructural para completar la liberación y transferencia de energía, que son la matriz citoplasmática y las mitocondrias, así como los sistemas enzimáticos relacionados.

Quinto, en la historia de la evolución biológica, el La atmósfera de la Tierra antigua era hipóxica. En ese momento, los organismos se caracterizaban por una vida respiratoria anaeróbica, con la aparición y prosperidad de las plantas verdes, el oxígeno en la atmósfera aumentó, por lo que los organismos que vivían con respiración aeróbica tomaron la posición dominante. , había orgánulos utilizados específicamente para la respiración aeróbica: las mitocondrias en el citoplasma, pero todavía hay conservan la capacidad de la respiración anaeróbica.

El sexto es utilizar un método comparativo para discutir los procesos y las diferencias entre la respiración anaeróbica. y la respiración aeróbica Quizás primero introduzca la fermentación de los microorganismos (fermentación alcohólica y fermentación del ácido láctico), y luego sea más lógico hablar de respiración aeróbica y finalmente señalar la respiración anaeróbica en animales y plantas superiores.

El séptimo es resumir el significado fisiológico de la respiración celular.

Además, para los estudiantes de secundaria, cabe señalar que ya sea respiración anaeróbica o respiración aeróbica, es una reacción redox. no depende de la participación del oxígeno molecular. La pérdida de electrones es oxidación y la ganancia de electrones es reducción. Señalar esto puede ayudar a los estudiantes a comprenderlo. Es más fácil y se combina con conocimientos básicos de química.

5. Respuestas de referencia a las preguntas de revisión

1. (╳); 2. (╳).

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3. Consejos: El mismo punto es que el piruvato se oxida completamente y se descompone en dióxido de carbono y agua, y todo el proceso libera más energía. La diferencia es que el piruvato se descompone en alcohol y dióxido de carbono. , o se convierte en ácido láctico, y se libera menos energía en todo el proceso.

Pregunta de la columna lateral Las manzanas producen alcohol durante la respiración anaeróbica durante el almacenamiento, por lo que huelen Huele a alcohol.

6. Materiales de referencia

El proceso de respiración aeróbica

Durante el proceso de respiración, las moléculas de glucosa no se queman todas a la vez, sino que se oxidan en dióxido de carbono y agua. una serie de reacciones químicas complejas. El proceso de la respiración aeróbica se puede dividir en los siguientes tres pasos:

(1) Glucólisis: conversión de una molécula. La glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato y sufre oxidación (deshidrogenación). ) y genera una pequeña cantidad de ATP.

(2) Ciclo del ácido tricarboxílico: el piruvato se descompone completamente en dióxido de carbono e hidrógeno (este hidrógeno se transfiere al hidrógeno transportado por la coenzima), mientras se genera una pequeña cantidad de ATP.

(3) Fosforilación oxidativa: el hidrógeno (iones de hidrógeno y electrones) se transfiere a oxígeno para generar agua, y la mayor parte de la energía se libera para generar ATP.

El La reacción química de tres pasos de la respiración aeróbica mencionada en el libro de texto "Biología" (obligatorio) de la escuela secundaria se refiere a estos tres pasos.

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(1) Glucólisis

El origen del nombre glucólisis se debe a que cuando los animales respiran, primero usan glucógeno (almidón animal) como sustrato respiratorio y lo convierten en glucosa. Luego, la glucosa se descompone. condiciones anaeróbicas para generar ácido láctico, por lo que este proceso se llama glucólisis.

El proceso de glucólisis se divide principalmente en los dos pasos siguientes (Figura 3-9):

① La glucosa se somete a dos fosforilación e isomerización, y se convierte en fructosa 1,6-bifosfato. Esto significa que un compuesto de seis carbonos se convierte en un compuesto con dos fosfatos. Este proceso consume dos moléculas de ATP.

②Fructosa 1,. El 6-bisfosfato es un compuesto inestable. Se puede descomponer fácilmente en dos triosas fosfato: dihidroxiacetona fosfato bajo la acción de la aldolasa y el gliceraldehído fosfato. Los dos pueden convertirse entre sí y están en un estado de equilibrio cuando el gliceraldehído fosfato se convierte aún más. y consumido, el fosfato de dihidroxiacetona también se convertirá en fosfato de gliceraldehído y participará en reacciones posteriores.

Cuando el fosfato de gliceraldehído se convierte en ácido fosfoglicérico, el hidrógeno liberado es transportado por la coenzima I oxidada (NAD) y se convierte en coenzima reducida. I (NADH2). La energía liberada durante este proceso de oxidación es transportada por ATP. Posteriormente, también se genera ATP en la reacción de conversión de fosfoenolpiruvato en piruvato.

Durante todo el proceso de glucosa a piruvato, el La posición de energía disminuye gradualmente, pero solo las dos reacciones anteriores tienen una gran caída en el potencial de energía, que es suficiente para generar ATP. Las otras reacciones solo tienen una ligera caída, que no es suficiente para generar ATP. El ,6-bisfosfato en realidad puede formar dos moléculas de piruvato. ***Se obtienen cuatro moléculas de ATP, pero se utilizan dos moléculas de ATP en la etapa inicial de la glucólisis, por lo que una molécula de glucosa se somete a glucólisis para obtener dos moléculas de ATP.

El proceso de glucólisis se puede resumir de la siguiente manera:

El piruvato es una importante estación de transferencia en el proceso respiratorio. En condiciones aeróbicas, entra en el ciclo del ácido tricarboxílico. , se reduce a ácido láctico mediante NADH2, o después de que se elimina el grupo carboxilo (se libera CO2), se convierte en acetaldehído, que luego se reduce a etanol. Este es el proceso de respiración anaeróbica.

(2) Ciclo del ácido tricarboxílico

El producto intermedio inicial del ciclo del ácido tricarboxílico es el ácido cítrico. Debido a que el ácido cítrico es un ácido tricarboxílico, este proceso se llama ciclo del ácido tricarboxílico, también llamado ciclo del ácido cítrico. .

El ciclo del ácido tricarboxílico El proceso simplificado es: después de la oxidación (deshidrogenación) y la descarboxilación (liberación de CO2), el piruvato genera acetil coenzima A (acetil CoA se condensa con oxaloacetato para formar ácido cítrico). (C6), y el ácido cítrico se deshidrata en ácido cítrico y el ácido aconítico agrega agua para formar ácido isocítrico. Luego, el isocitrato se descarboxila oxidativamente para formar α-cetoglutarato (C5), luego el α-cetoglutarato se oxida y se descarboxila para formar. El ácido succínico (C4) y el ácido succínico se deshidrogenan y oxidan y eventualmente se convierten en oxalacetato. Luego, el oxalacetato se puede combinar con acetil-CoA y entrar nuevamente en el ciclo del ácido tricarboxílico. generan dos moléculas de piruvato, y luego Los dos piruvatos se descarboxilan oxidativamente y cada uno entra en el ciclo del ácido tricarboxílico, produciendo finalmente seis moléculas de CO2.

El proceso del ciclo del ácido tricarboxílico se puede resumir de la siguiente manera:

En el ciclo del ácido tricarboxílico En el ciclo del ácido, una molécula sufre cinco deshidrogenaciones, cuatro de las cuales son transportadas por NAD, y la otra hidrógeno (proveniente del ácido succínico) es transportada por la enzima amarilla (FAD), y posteriormente en el proceso de fosforilación oxidativa se oxida en agua. Además,!-Cuando el cetoglutarato se descarboxila oxidativamente para generar ácido succínico, también se forma una molécula de ATP.

En todo el proceso del ciclo del ácido tricarboxílico, solo el piruvato se descompone por completo, otros ácidos no se descomponen por completo, por lo que mientras existan en pequeñas cantidades, pueden hacer que el ciclo continúe. Otros ácidos son como cintas transportadoras en una fábrica, enviando moléculas de piruvato hacia adelante y descomponiéndose gradualmente.

(3) Fosforilación oxidativa

Como se mencionó anteriormente, las reacciones de deshidrogenación deben ocurrir tanto en la glucólisis como en el ciclo del ácido tricarboxílico. La glucosa genera 2NADH2 en la glucólisis y 8NADH2+2FADH2 en el ciclo del ácido tricarboxílico. Posteriormente, el [H] en estos compuestos sufre una serie de reacciones redox y finalmente se combina con oxígeno para generar agua. Primero, NADH2 H2 pasa a FAD, por lo que NADH2 se oxida a NAD y FAD se reduce a F.

ADH2:

NADH2+FAD→NAD+FADH2

Después, el H2 en FADH2 se separa en iones de hidrógeno libres (H+) y electrones (e-):

FADH2→FAD+2H+ +2e-

Después de eso, los electrones se transfieren secuencialmente en una variedad de citocromos. Los citocromos son un tipo de derivados de porfirina que contienen hierro que interactúan entre sí en las células. El hierro de la molécula de citocromo puede sufrir una reacción redox:

2 Citocromo Fe3+ +2e-→2 Citocromo Fe2+

Ahora se sabe que en la respiración Los citocromos que desempeñan un papel en el proceso de fosforilación oxidativa incluye a, a3, b, c, etc. Los electrones son primero aceptados por el citocromo by luego transferidos al oxígeno a través de c, a, a3, además de los electrones libres liberados por FAD 2H+, se genera H2O (. Figura 3-11):

En este proceso, los iones de hidrógeno (H+) y los electrones (e-) se transfieren entre varios transmisores, lo cual es consistente con el proceso de la fotosíntesis que es muy similar. El cuerpo de transferencia es un eslabón en todo el proceso de transferencia, formando una "cadena", por lo que esta cadena se llama cadena de transferencia de electrones de respiración, o simplemente cadena respiratoria.

En Durante el proceso redox mencionado anteriormente, El nivel de energía de cada cuerpo de transferencia de electrones también disminuye gradualmente y parte de la energía liberada por ellos se retiene para formar ATP. Este proceso de formación de ATP a partir de la energía liberada al oxidar NADH2 o FADH2 se denomina fosforilación oxidativa. , la oxidación y la fosforilación están acopladas. Se sabe que durante la oxidación de NADH2 para producir agua, se produce una fosforilación tres veces para generar tres moléculas de ATP, pero en el proceso de oxidación de FADH2 para producir agua, solo dos moléculas de. Se genera ATP El proceso de fosforilación oxidativa de 1 molécula de glucosa se puede resumir de la siguiente manera:

Ahora podemos resumir todo el proceso respiratorio:

(1) Glicozima<. /p>

(2) Ciclo del ácido tricarboxílico:

(3) Fosforilación oxidativa:

En la descripción anterior, la glucosa y otras sustancias se miden en "moléculas", y la unidad utilizada en los libros de texto es "mol". Sabemos que 1 mol de una sustancia contiene 6,02×1023 moléculas. Entonces, la reacción total también se puede expresar así: 1 mol por oxidación genera 6 moles de dióxido de carbono y 6. mol de agua, y al mismo tiempo genera 38 moles de ATP. 1 mol de ADP para formar ATP generalmente requiere 33,47 kJ de energía, por lo que 38 moles de ATP requieren 38 × 33,47 = 1272 kJ de energía total liberada por oxidación. de 1 mol de glucosa son 2870 kJ. Solo 1272 kJ se retienen en ATP para las actividades de la vida vegetal. Por lo tanto, la eficiencia de conversión de energía de la respiración es solo alrededor del 44% y el resto de la energía se pierde en forma de calor.

Respiración anaeróbica El proceso

Además de la respiración aeróbica antes mencionada, las plantas también pueden realizar otro tipo de respiración, es decir, la respiración anaeróbica no requiere oxígeno en su interior. La respiración anaeróbica ocurre en condiciones aeróbicas. La diferencia básica entre estos dos tipos de respiración es que algunas etapas de la respiración aeróbica requieren que el oxígeno atmosférico participe como reactivo, pero la respiración anaeróbica estricta, sin importar en qué etapa se encuentre. Ninguno de ellos requiere la participación de oxígeno. La respiración anaeróbica también incluye muchos tipos, pero tienen la misma característica, es decir, el oxígeno no es el aceptor final de H+ y e, y los sustratos respiratorios solo se oxidan parcialmente, por lo que finalmente. Los productos formados incluyen alcohol, ácido láctico, etc. La respiración anaeróbica a veces se llama fermentación, pero los dos no son sinónimos exactos. Esto se debe a que algunas fermentaciones, como la fermentación del ácido acético, son en realidad oxidación aeróbica.

1. Fermentación alcohólica La levadura y algunos otros microorganismos, e incluso algunas plantas superiores, realizan respiración anaeróbica en forma de fermentación alcohólica en condiciones anóxicas porque las células de la levadura y las plantas superiores, además de la alcohol deshidrogenasa, también contienen una pequeña cantidad. cantidad de lactato deshidrogenasa, por lo que durante la fermentación alcohólica, también se produce una pequeña cantidad de ácido láctico. Dado que la fermentación alcohólica es la forma principal de respiración anaeróbica general, la fermentación alcohólica se utiliza a menudo como proceso para ilustrar la vía de la respiración anaeróbica.

La etapa anterior de la fermentación alcohólica es exactamente igual a todos los pasos de la glucólisis. En condiciones anóxicas, el piruvato se encuentra en el piruvato carboxilo.

Bajo la acción de la alcohol deshidrogenasa, se descarboxila en acetaldehído. Sin embargo, el acetaldehído no reacciona con el acetil-CoA y no participa en el ciclo del ácido tricarboxílico, sino que se reduce por el NADH2 producido por la glucólisis. Es alcohol (etanol).

2CH3COCOOH→2CH3CHO+2CO2

2CH3CHO+2NADH2→2C2H5OH+2NAD

La fórmula de reacción general de la fermentación alcohólica es:

C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP

La energía disponible que proporciona la fermentación alcohólica es de sólo dos moléculas de ATP obtenidas durante la etapa de glucólisis. La gran cantidad original de moléculas de glucosa. Parte de la energía del enlace permanece en el alcohol y no puede ser utilizada por la levadura ni por las plantas superiores. Por lo tanto, la respiración anaeróbica es una forma ineficaz de producir ATP. Sin embargo, los productos de la fermentación del alcohol desempeñan un papel importante en la producción industrial y agrícola. , cerveza, vino de frutas, alcohol industrial, etc. se producen mediante la fermentación de levaduras de diferentes fuentes.

2. Fermentación del ácido láctico La fermentación del ácido láctico no requiere la participación de oxígeno, solo depende del oxígeno. acción de las enzimas. Puede descomponer una molécula de glucosa en dos moléculas de ácido láctico y producir dos moléculas de ATP.

Los pasos para descomponer la glucosa en piruvato son los mismos que los de la fermentación alcohólica mencionada anteriormente, excepto que que el piruvato se descompone bajo la acción de la lactato deshidrogenasa. La reducción se lleva a cabo para generar ácido láctico y, al mismo tiempo, la coenzima I reducida (NADH2) se oxida en coenzima I oxidada (NAD), asegurando así el progreso continuo de la fermentación del ácido láctico.

2CH3COCOOH+2NADH2→2CH3CHOHCOOH+2NAD

La fórmula de reacción total de la fermentación del ácido láctico es:

C6H12O6+2ADP+2Pi→2C3H6O3+2ATP

Las bacterias del ácido láctico pueden fermentar la leche para producir queso, kéfir, kimchi y chucrut. El ensilaje se puede almacenar durante mucho tiempo porque el ácido láctico acumulado a través de la fermentación del ácido láctico inhibe las actividades de otros microorganismos.