班別 : 姓名 : ( ) 日期 : 22 呼吸作用 22.1 呼吸作用的基本概念 ( 課本 3,p. 22-3) A 呼吸作用是甚麼?( 課本 3,p. 22-3) (1) (respiration) 是指生物透過體內一連串受控制的 (2) 分解反應, 從食物釋出 (3) 的過程 (4) 是呼吸作用最常用的受質 在呼吸作用的過程中, 葡萄糖透過一連串由 (5) 控制的化學反應, 逐步分解成 (6) 和 (7) 葡萄糖儲存的化學能經不同步驟逐步釋出, 所儲存的能量中, 約 45% 轉移至 (8), 其餘約 55% 以 (9) 的形式散失 總結呼吸作用過程的方程式 : 酶葡萄糖 + 氧 (10) + 水 + 能量 (ATP) B ATP 在細胞新陳代謝的角色是甚麼?( 課本 3,p. 22-4) 呼吸作用中釋出的部分能量會用來把磷酸鹽 (P) 和 ADP 結合, 形成 (11), 這個過程稱為 (12) (phosphorylation) ATP 在其產生的細胞中用作 (13) ATP 能夠迅速分解成 ADP 和磷酸鹽, 過程會提供 (14) ( 少量 / 大量 ) 能量 ATP 分解時所產生 的 ADP 和磷酸鹽可以 (15) 於呼吸作用中, 產生更多 ATP ATP 分解葡萄糖釋出的能量 供給細胞活動的能量 ADP + P ATP 的形成和分解 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 48 -
細胞裏很多代謝活動都由 ATP 所提供的能量推動, 例如 : - 食物分子藉 (16) 在消化道被吸收 - (17) 分裂 - (18) 的傳遞 - (19) 收縮 - 生物分子的 (20) ( 例如氨基酸縮合成蛋白質 ) C 呼吸作用有哪些種類?( 課本 3,p. 22-5) 需要氧的呼吸作用稱為 (21) (aerobic respiration) 不需要氧的呼吸作用稱為 (22) (anaerobic respiration) 與需氧呼吸相比, 缺氧呼吸所產生的 ATP 數目較 (23) ( 多 / 少 ), 兩者的生成物也 (24) ( 相同 / 不同 ) 22.2 呼吸作用發生的部位 ( 課本 3,p. 22-6) 兩種呼吸作用的首個階段都是在 (1) 進行, 需氧呼吸的其他階段 則在 (2) 進行 線粒體的結構 : (3) 膜間腔 (4) ( 高度摺疊, 附有呼吸作用 所需的 (5) ) (6) (mitochondrial matrix) ( 含有酶 ) 較 (7) 的細胞, 例如肌肉細胞 脂肪細胞 肝細胞和精子都含有 許多線粒體 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 49 -
22.3 需氧呼吸 ( 課本 3,p. 22-9) 需氧呼吸需要 (1) 才能進行, 過程可分為三個主要階段, 分別是 (2) (glycolysis) (3) (Krebs cycle) 和 (4) (oxidative phosphorylation) A 糖酵解 ( 課本 3,p. 22-9) 糖酵解是需氧呼吸的首個階段, 它在 (5) 發生, 並不需要 (6) 糖酵解包括兩個主要步驟, 反應由位於 (7) 的酶催化 1 葡萄糖分解形成丙糖磷酸 葡萄糖分子首先經 (8) ( 即加添磷酸鹽團基 ) 而活化, 磷酸鹽由 (9) 提供 磷酸化的過程會消耗 (10) 個 ATP 分子, 活化後的葡萄糖分子會分解成兩個 (11) 分子 2 丙糖磷酸氧化形成丙酮酸鹽 每個丙糖磷酸分子會 (12) 成另一個三碳化合物 (13), 過程中會產生兩個 ATP 分子 同時, 丙糖磷酸會失去 (14), 即 (15) ( 氧化 / 還原 ), 氫由載體分子 (16) ( 菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 ) 接受, 使它 (17) ( 氧化 / 還原 ) 成 (18) NADH 會在呼吸作用的最後階段用作 (19) 供體, 用來形成更多 ATP 分子 2 ATP 2 ADP + 2 P 2 NAD 2 NADH 葡萄糖 ( 六碳 ) 2 丙糖磷酸 ( 三碳 ) 2 丙酮酸鹽 ( 三碳 ) 4 ADP + 4 P 4 ATP 葡萄糖分解形成丙糖磷酸 丙糖磷酸氧化形成丙酮酸鹽 糖酵解 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 50 -
糖酵解與克雷伯氏循環之間的連繫 糖酵解產生的 (20) 會運送到 (21) 內, 並進入 克雷伯氏循環 不過, 丙酮酸鹽並不會直接進入循環, 而是首先轉化為一種稱為 (22) (acetyl-coa) 的化學物 在轉化過程中, 丙酮酸鹽的其中一個 (23) 原子會除去, 以 (24) 的形式釋出 餘下的二碳化合物會失去 (25), 氫由 NAD 接受, 形成 (26) 接著, 二碳化合物與輔酶 A 結合, 形 成 (27) 上述轉化過程由位於 (28) 的酶催化 NAD NADH 丙酮酸鹽 ( 三碳 ) 乙酰輔酶 A( 二碳 ) CO 2 輔酶 A 每個經糖酵解後的葡萄糖分子, 會形成 (29) 個乙酰輔酶 A 分子 換句話說, 輔酶 A 成為把乙酰團基帶到克雷伯氏循環的 (30) 分子 B 克雷伯氏循環 ( 課本 3,p. 22-11) 克雷伯氏循環在 (31) 中發生, 它包括兩個主要步驟, 由基質內特 定的 (32) 催化 1 乙酰輔酶 A 與四碳化合物結合 乙酰輔酶 A( 二碳 ) 與一個已存在於線粒體基質的四碳化合物結合, 形成一個 (33) 化合物, 並釋出輔酶 A 因此, 輔酶 A 可以不停地 (34), 把其他從丙酮酸鹽形成的乙酰團基帶到克雷伯氏循環中 輔酶 A 乙酰輔酶 A( 二碳 )+ 四碳化合物 六碳化合物 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 51 -
2 四碳化合物的再生 六碳化合物會逐步 (35), 使原來的四碳化合物再生 過程中, 六碳化合物的其中 (36) 個碳原子會除去, 並以 (37) 的形式釋出 同時, 六碳化合物也會失去 (38), 氫由 NAD 接受, 使 NAD 還原成 (39) 除 NAD 外, 另一種載體分子 (40) ( 黃素腺嘌呤二核苷酸 ) 也會 接受氫, 並還原成 (41) 另外, 過程中還會產生一個 (42) 分子 2 CO 2 3 NAD 3 NADH 六碳化合物 四碳化合物 ADP + P ATP FAD FADH 乙酰輔酶 A( 二碳 ) ( 由糖酵解生成的一個丙酮酸鹽分子轉化而成 ) 輔酶 A 乙酰輔酶 A 與四碳化合物結合 四碳化合物 克雷伯氏循環 六碳化合物 四碳化合物再生 FADH FAD ATP ADP + P 3 NAD 3 NADH 2 CO 2 克雷伯氏循環 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 52 -
C 氧化磷酸化 ( 課本 3,p. 22-13) 需氧呼吸的最後階段在線粒體的 (43) ( 外膜 / 內膜 ) 進行 由於 這階段透過把 NADH 和 FADH (44), 進行 (45) 來 產生 ATP 分子, 因此這階段又稱為氧化磷酸化 NADH 氧化 NAD + H + + e FADH 氧化 FAD + H + + e 經一系列氧化還原反應產生 ATP 由氧 (O 2 ) 接受水 (H 2 O) NADH 和 FADH 的氧化, 及所釋出的氫離子與電子的去向 在糖酵解和克雷伯氏循環產生的 NADH 和 FADH 分子失去 (46), 分別 (47) 成 NAD 和 FAD NAD 和 FAD 失去氫而再生, 可再次用於糖酵解和克雷伯氏循環中接受 (48) 氫原子會分裂成 (49) 離子和 (50) 電子經一系列 (51) 反應釋出能量, 產生 (52) 分子 這些反應由線粒體 (53) ( 外膜 / 內膜 ) 上的酶催化 最後, 氫離子和電子與最終電子受體 (54) 結合, 形成 (55) 註 : 每個 NADH 分子的氧化會產生 3 個 ATP 分子 ; 每個 FADH 分子的氧化會產生 2 個 ATP 分子 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 53 -
D 需氧呼吸的總結 ( 課本 3,p. 22-14) 1 需氧呼吸產生的 ATP 數目 每個葡萄糖分子產生的 ATP 總數 : 階段產生的載體分子數目產生的 ATP 數目 糖酵解 2 ATP 2 NADH 2 2 3 = 6 丙酮酸鹽轉化為 乙酰輔酶 A 2 NADH 2 3 = 6 克雷伯氏循環 2 ATP 6 NADH 2 FADH 2 6 3 = 18 2 2 = 4 每個葡萄糖分子產生的 ATP 總數 (56) 2 需氧呼吸的反應式 要把一個葡萄糖分子完全分解共需要 (57) 個氧分子, 過程中會 釋放 (58) 個二氧化碳分子和 (59) 個水分子, 並 產生 (60) 個 ATP 分子 C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 葡萄糖 氧 6 CO 2 + 6 H 2 O + 38 ATP 二氧化碳水能量 3 氧對需氧呼吸的重要性 氧只參與 (61), 作為最終 (62) 受體 可是, 如果沒有氧,NADH 和 FADH 分子釋放的電子便不能參與一系列氧化還原 反應,(63) 也會終止, 使 NAD 和 FAD 分子無法再生 結果, (64) 無法進行, 只有 (65) 能繼續進行, 於是產生 的 ATP 分子數目會大幅 (66) 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 54 -
細胞質 糖酵解葡萄糖 2 ATP 2 NADH 2 丙酮酸鹽 線粒體基質 2 CO 2 2 乙酰輔酶 A 2 NADH 2 ATP 克雷伯氏循環 6 NADH 4 CO 2 2 FADH 線粒體內膜 34 ATP 氧化磷酸化 H 2 O O 2 需氧呼吸的總結 E 探究生物的需氧呼吸 ( 課本 3,p. 22-17) 生物的需氧呼吸會產生二氧化碳 利用 (67) (hydrogencarbonate indicator) 或 (68) (lime water) 可測試生物產生的氣體中有沒有二氧化碳 呼吸作用釋出的能量中, 大約 55% 會以 (69) 的形式散失 因此, 如果圍繞生物身體的 (70) 上升, 便顯示生物正在進行呼吸作用 參閱 實驗 22.1 探究萌發種子會否產生二氧化碳 ( 課本 3,p. 22-17; 校本評核實驗作業 3 4,p. 22-1) 實驗 22.2 探究活鼠會否產生二氧化碳 ( 課本 3,p. 22-18; 校本評核實驗作業 3 4,p. 22-4) 實驗 22.3 探究萌發種子會否產生熱 ( 課本 3,p. 22-19; 校本評核實驗作業 3 4,p. 22-7) 實驗 22.4 探究活鼠會否產生熱 ( 課本 3,p. 22-20; 校本評核實驗作業 3 4,p. 22-10) 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 55 -
22.4 缺氧呼吸 ( 課本 3,p. 22-22) 缺氧呼吸不需要 (1), 過程只在 (2) 進行 跟需氧呼吸相似, 缺氧呼吸由 (3) 開始, 葡萄糖會氧化成丙酮酸 鹽 可是, 由於沒有氧, 丙酮酸鹽無法繼續進行克雷伯氏循環和氧化磷酸化, 只 能進入另一個途徑, 產生不同的生成物 A 乙醇和二氧化碳在酵母中的形成 ( 課本 3,p. 22-22) 酵母是一種單細胞 (4) 在氧供應不足的情況下, 酵母會進行缺氧 呼吸 過程中, 丙酮酸鹽還原成 (5) ( 一種酒精 ), 並釋出 (6), 而再生的 (7) 可重新用於糖酵解中, 再次接 受氫 2 NAD 2 NADH 2 NADH 2 NAD 葡萄糖 ( 六碳 ) 2 丙酮酸鹽 ( 三碳 ) 2 乙醇 ( 二碳 ) 2ADP + 2 P 2 ATP 2 CO 2 糖酵解 葡萄糖經缺氧途徑形成乙醇的過程, 稱為 (8) (alcoholic fermentation) 葡萄糖 能量 (2 ATP) + 2 乙醇 + 2 二氧化碳 進行酒精發酵時, 葡萄糖只局部分解成 (9) 和 (10) 與需氧呼吸比較, 每個葡萄糖分子進行酒精發酵時, 只能透過糖酵解產生 (11) 個 ATP 分子, 大量 (12) 能仍然被困在生成物乙醇內, 因此缺氧呼吸比需氧呼吸釋放的能量 (13) ( 多 / 少 ) 某些植物的細胞也能夠在氧供應不足的情況下進行酒精發酵 例如有些植物的 種子和根細胞在 (14) 的土壤中會進行酒精發酵 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 56 -
B 乳酸在肌肉中的形成 ( 課本 3,p. 22-24) 一般情況下, 骨骼肌細胞會進行需氧呼吸 但如果 (15) 需求突然 增加, 它們也會進行缺氧呼吸 當我們在短時間內進行劇烈運動時, 這情況便可 能發生 骨骼肌細胞進行缺氧呼吸時, 葡萄糖會首先進行糖酵解, 氧化成 (16) 在沒有氧的情況下, 丙酮酸鹽會接受 NADH 的氫, 還原成 (17) (lactic acid), 過程中再生的 NAD 可重新用於糖酵解, 乳酸則 會釋進 (18) 中 2 NAD 2 NADH 2 NADH 2 NAD 葡萄糖 ( 六碳 ) 2 丙酮酸鹽 ( 三碳 ) 2 乳酸 ( 三碳 ) 2 ADP + 2 P 2 ATP 糖酵解 葡萄糖經缺氧途徑產生乳酸的過程, 稱為 (19) (lactic acid fermentation) 葡萄糖 能量 (2 ATP) + 2 乳酸 進行乳酸發酵時, 只能透過糖酵解產生 (20) 個 ATP 分子 可是, 由於這個過程十分 (21), 當進行劇烈運動時, 缺氧呼吸能在短時間內提供 (22) 能量, 使肌肉收縮更有力和更頻密 進行單車速度賽時能量主要由缺氧呼吸提供 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 57 -
做劇烈運動後, 我們會加快和加深呼吸一段時間, 以吸入額外的 (23) 來把 (24) 分解成二氧代碳和水, 肝也會把乳酸轉化為 (25) 用來移除血液中的乳酸而額外吸入的氧, 稱為 (26) (oxygen debt) 吸入氧的速率 氧債 休息運動恢復期休息 時間 運動時和運動後吸入氧速率的變化 C 缺氧呼吸的工業用途 ( 課本 3,p. 22-26) 酵母的酒精發酵可應用於 : - 釀製 (27) 和 (28) ; - 烘焙麵包時使 (29) 脹起 ; - 製造乙醇作為 (30) (biofuel) 細菌的乳酸發酵可應用於 : - 製造 (31) ; - 製造 (32) 參閱 實驗 22.5 設計實驗以探究酵母的酒精發酵 ( 課本 3,p. 22-23; 校本評核實驗作業 3 4,p. 22-13) 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 58 -
22.5 比較需氧呼吸和缺氧呼吸 ( 課本 3,p. 22-29) 需氧呼吸 缺氧呼吸 把有機物 (1) 分解, 釋出能量 相同之處 能量轉移至能量載體 (2), 部分能量會以 (3) 的形式散失 涉及一連串由 (4) 控制的反應 不同之處 在細胞質和 (5) 發生 (7) ( 需要 / 不需要 ) 氧 有機物完全分解成二氧化碳和 (9) 釋出 (12) ( 較少 / 大量 ) 能量 ( 每個葡萄糖分子產生 38 個 ATP 分子 ) 只在 (6) 發生 (8) ( 需要 / 不需要 ) 氧 有機物只局部分解, 產生 (10), 或 (11) 及二氧化碳 釋出 (13) ( 較少 / 大量 ) 能量 ( 每個葡萄糖分子產生 2 個 ATP 分子 ) 22.6 呼吸作用和光合作用的關係 ( 課本 3,p. 22-30) 1 分子的相互轉換 環境中部分二氧化碳和水是由 (1) 作用產生的 透過光合作用, 環境中的二氧化碳和水會轉化為 (2) 化合物, 把來自太陽的光能儲存起來 透過呼吸作用, 光合作用製造的有機化合物被分解, 釋出能量來產生 (3) 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 59 -
葡萄糖 呼吸作用和光合作用之間分子的相互轉換 2 能量的流動 呼吸作用和光合作用之間不斷有分子相互轉換 這樣的分子轉換可作為環境與生 物之間 (4) 流的橋樑, 容許能量在 (5) 中流動 葡萄糖 氧 太陽 能量 植物進行光合作用, 把 (6) 能 轉換為 (7) 能, 儲存在食物內 光合作用 二氧化碳 水 呼吸作用 生物進行呼吸作用, 把有機化合物分解, 釋出能量, 產生 (8) 呼吸作用和光合作用之間分子的轉換, 怎樣帶動環境與生物間能量的流動 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 60 -
ATP 是光合作用和呼吸作用的 (9) 載體 - 在 (10) ( 光合作用 / 呼吸作用 ) 中,ATP 把葉綠素吸收的光能輸送到 (11) 循環, 以產生有機化合物 - 在 (12) ( 光合作用 / 呼吸作用 ) 中,ATP 把有機化合物氧化分解時釋出的能量, 供應給細胞以推動代謝活動 光合作用 ATP ATP 葉綠素吸收光能 能量儲存在有機化合物內 能量釋出, 以推動細胞的代謝活動 ADP + P ADP + P 呼吸作用 ATP 在光合作用和呼吸作用中的角色 呼吸作用和光合作用過程的異同 : 呼吸作用 光合作用 發生的部位 所有活細胞 ( 細胞質和線粒體 ) 含 (13) 的細胞 新陳代謝種類 (14) 代謝 ; 藉氧化把有機食物分解, 釋出能量 (15) 代謝 ; 藉還原產生有機食物, 儲存能量 儲存於食物中的 (17) 能轉換 能量轉換 (16) 能轉換成 ATP 和熱 成食物的化學能 接下頁 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 61 -
呼吸作用 光合作用 兩者均涉及活化步驟 活化過程和產生的生成物 透過利用 ATP 把葡萄糖磷酸化, 活化葡萄糖 活化的葡萄糖透過 (18) 受控地 透過吸收光活化 (19) 電子被激發至高能量水平 分解, 形成 ATP 和 NADH 克雷伯氏循環 卡爾文循環 能量轉換過程中涉及的反應 循環過程和產生的生成物 電子傳遞和 ATP 的形成 除去 (20) 中 二氧化碳被 (21) 的二氧化碳化合物固定在循環中 形成 NADH FADH 和 ATP 利用 NADPH 和 ATP 形成 (22), 再結合成葡萄糖 ATP 也用來再生五碳化合物 兩者均涉及電子傳遞 電子傳遞時, 逐步釋出能量, 形成 (23) NADH 和 FADH 所攜帶的 葉綠素的電子最終由電子最終由 (24) (26) 接受接受 ATP 透過氧化磷酸化形成, 即 ATP 透過 NADH 和 FADH 透過磷酸化而 (27) 形成氧化, 推動 ATP 的形成 (NADPH 和 ATP 會用來推動 ATP 也透過卡爾文循環中的反應 ) (25), 在糖酵 解和克雷伯氏循環的過程中 形成 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 62 -
參考答案 第 22 章 呼吸作用 22.1 1 呼吸作用 2 氧化 3 能量 4 葡萄糖 5 酶 6 二氧化碳 / 水 7 水 / 二氧化碳 8 ATP 9 熱 10 二氧化碳 11 ATP 12 磷酸化 13 能量載體 14 少量 15 循環再用 16 主動轉運 17 細胞 18 神經脈衝 19 肌肉 20 合成 21 需氧呼吸 22 缺氧呼吸 23 少 24 不同 22.2 1 細胞質 2 線粒體 3 外膜 4 內膜 5 酶 6 線粒體基質 7 活躍 22.3 1 氧 2 糖酵解 3 克雷伯氏循環 4 氧化磷酸化 5 細胞質 6 氧 7 細胞質 8 磷酸化 9 ATP 10 兩 11 丙糖磷酸 12 氧化 13 丙酮酸鹽 14 氫 15 氧化 16 NAD 17 還原 18 NADH 19 氫 20 丙酮酸鹽 21 線粒體 22 乙酰輔酶 A 23 碳 24 二氧化碳 25 氫 26 NADH 27 乙酰輔酶 A 28 線粒體基質 29 兩 30 載體 31 線粒體基質 32 酶 33 六碳 34 再生 35 氧化 36 兩 37 二氧化碳 38 氫 39 NADH 40 FAD 41 FADH 42 ATP 43 內膜 44 氧化 45 磷酸化 46 氫 47 氧化 48 氫 49 氫 50 電子 51 氧化還原 52 ATP 53 內膜 54 氧 55 水 56 38 57 六 58 六 59 六 60 38 61 氧化磷酸化 62 電子 63 氧化磷酸化 64 克雷伯氏循環 65 糖酵解 66 減少 67 碳酸氫鹽指示劑 68 石灰水 69 熱 70 氣溫 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 63 -
22.4 1 氧 2 細胞質 3 糖酵解 4 真菌 5 乙醇 6 二氧化碳 7 NAD 8 酒精發酵 9 乙醇 / 二氧化碳 10 二氧化碳 / 乙醇 11 兩 12 化學 13 少 14 鎖水 15 能量 16 丙酮酸鹽 17 乳酸 18 血液 19 乳酸發酵 20 兩 21 簡單 22 額外 23 氧 24 乳酸 25 糖原 26 氧債 27 啤酒 / 葡萄酒 28 葡萄酒 / 啤酒 29 麵糰 30 生物燃料 31 酸乳酪 32 芝士 22.5 1 氧化 2 ATP 3 熱 4 酶 5 線粒體 6 細胞質 7 需要 8 不需要 9 水 10 乳酸 11 乙醇 12 大量 13 較少 22.6 1 呼吸 2 有機 3 ATP 4 能量 5 生態系 6 光 7 化學 8 ATP 9 能量 10 光合作用 11 卡爾文 12 呼吸作用 13 葉綠體 14 分解 15 合成 16 化學 17 光 18 糖酵解 19 葉綠素 20 丙酮酸鹽 21 五碳 22 丙糖磷酸 23 ATP 24 氧 25 磷酸化 26 NADP 27 光磷酸化 新高中基礎生物學 ( 第二版 ) - 64 -