师：同学们，本节课我们一起来学习细胞呼吸原理和应用。我们知道，细胞的生命活动需要能量驱动。这里有个典型案例，全球约15%的已婚夫妇存在不孕不育困扰，其中精子活力低下是常见病因。不同精子活力差异有多大呢？我们先看段视频，思考精子活力与哪项生命活动有关。生理学家做了相关研究，通过定量分析列出不同精子活力线粒体氧化呼吸的功能变化。大家根据这个表格思考两个问题：第一，精子活力和呼吸耗氧量之间的关系是怎样的？从表格能看出应该呈正相关。第二，作为一个细胞，其活力与哪一种细胞器、哪一项生命活动有关？既然呼吸耗氧量与精子活力有关，看来它和我们的细胞呼吸活动密切相关，自然也和线粒体有关。细胞呼吸分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型，下面我们就来研究这两种细胞呼吸的原理。

　　我们先来看有氧呼吸，葡萄糖是有氧呼吸最常利用的底物。葡萄糖进入细胞后经历了怎样的物质转变呢？首先要探究葡萄糖进入细胞后在什么场所被利用，我们可以进行科学实验。以肝细胞作为实验对象，处理肝脏组织，获取细胞质基质，并将其分为三组，分别加入等量的葡萄糖和氧气。一段时间后，检测三组中葡萄糖的消耗量。实验结果显示，只有在线粒体这一组，葡萄糖含量未有明显变化。由此我们得出结论，线粒体不能利用葡萄糖，葡萄糖通常在细胞质基质当中被消耗。

　　我们再看一段资料，有科学家研究发现，在上述科学实验中，细胞质基质组中葡萄糖减少的同时，丙酮酸在增加。那我们就产生新疑问，线粒体不利用葡萄糖，而葡萄糖分解的产物是丙酮酸，线粒体利用的是不是丙酮酸呢？为此我们进行第二个科学实验，观察肝细胞线粒体经不同底物处理后的溶解氧含量变化。此时实验对象是肝细胞的线粒体，分别加入等量的葡萄糖、丙酮酸并通入等量氧气后，检测两组中溶解氧的含量变化。结果显示，加入葡萄糖的线粒体中，溶解氧含量几乎没有变化；而加入丙酮酸的线粒体中，溶解氧明显下降。这说明线粒体利用的是葡萄糖的分解产物丙酮酸。我们尝试构建反应式，根据化学反应原子数量守恒原理，产物中应该还有含氢化合物生成。丙酮酸接下来的代谢路径又是怎样的呢？生物学家克雷布斯做了个实验，1分子的丙酮酸最终产生了3分子的二氧化碳。由此我们得出结论，丙酮酸在线粒体基质当中被分解成二氧化碳。同时，产物中未出现氢元素，所以据此推断，这一反应过程中还产生了含氢化合物。实际上，这一产生氢的过程是指氧化型辅酶Ⅰ转化成还原型辅酶Ⅰ ，这只是一种简化表示方法。

　　二氧化碳作为有氧呼吸的另一重要反应物，进入细胞后是如何被利用的呢？下面我们进入第二个活动，探究细胞中氧气的有氧呼吸之路。同样通过离心获取细胞质基质、线粒体、细胞匀浆这三个结构，并分为三组，加入等量葡萄糖，通入等量氧气，一段时间后检测三种结构的耗氧量。实验结果表明，只有在细胞匀浆组别中氧气被利用，细胞质基质和线粒体无法利用氧气，这该如何解释呢？同学们注意到了吗，实验中我们加入的反应底物都是葡萄糖。前面实验一我们知道线粒体不能利用葡萄糖，实验二当中线粒体加入丙酮酸后，装置中的溶解氧量减少。回顾实验二，我们不难发现氧气是在线粒体中被利用的。那氧气具体在线粒体的哪一个结构上被利用呢？氧气中的氧又去了哪里呢？看这段资料分析，研究发现，氢化物能够破坏线粒体内膜上部分蛋白质结构功能，导致组织细胞不能利用氧气，这说明氧气是在线粒体内膜中被利用。科学家采用同位素标记示踪法，用氧 - 18标记氧气，短时间内在装置中测得了含氧 - 18的水，由此可知氧气中的氧元素最后进入到生成物水中。

　　细胞呼吸过程中有机物氧化分解会释放能量，这些能量在哪些细胞结构中产生呢？我们进入活动三，探究细胞有氧呼吸过程中的能量转变。同样以肝细胞作为研究对象，通过离心技术获取肝细胞的细胞质基质、线粒体、细胞匀浆并分为三组，加入等量的葡萄糖、氧气、荧光素和荧光素酶。这里说明一下，在有氧条件下，荧光素可以利用ATP经荧光素酶催化转变成氧荧光素，同时发出强烈的光。实验结果是，a组中有微弱荧光，b组中无荧光出现，c组中有较强荧光出现。我们得出结论，葡萄糖在细胞质基质中进行反应时可以释放出少量能量，在细胞匀浆中进行反应时可释放较多能量。这时我们产生疑问，细胞匀浆中含有核糖体和细胞质基质，在细胞匀浆中进行反应时，释放的能量当中是否有一部分来自于线粒体呢？所以在科学实验4的基础上，我们又开展了科学实验5。此时实验对象是肝细胞的线粒体，加入丙酮酸、氧气、荧光素和荧光素酶，b组还加入少量氢化物，氢化物能破坏线粒体内膜上部分蛋白质结构功能，使组织细胞不能利用氧气。一段时间后，观察两组装置的发光程度。实验结果，a组有较强的荧光出现，b组有微弱荧光出现。由此我们得出结论，丙酮酸在线粒体中进行反应时可以释放能量，在线粒体内膜中进行反应时可释放较多能量。

　　接下来我们根据前面一系列研究结论，自主构建有氧呼吸的过程模型。呈现一个细胞结构模式，有细胞质基质和线粒体。根据结论可知，葡萄糖首先在细胞质基质当中分解成丙酮酸和还原氢，丙酮酸进入线粒体，在线粒体基质中分解成二氧化碳和还原氢，在线粒体内膜上，前两个阶段产生的还原氢和氧气结合生成水。我们根据反应场所不同，将这一过程分为三个阶段，每个阶段都会释放出能量，其中第三阶段能够释放大量能量。

　　我们再梳理一遍有氧呼吸的过程。第一阶段，葡萄糖在细胞质基质中被初步分解成丙酮酸和还原氢，并释放出少量能量。第二阶段，丙酮酸进入线粒体，在线粒体基质当中被彻底分解成二氧化碳，产生还原氢并释放出少量能量。第三阶段，在线粒体内膜，前两个阶段产生的还原氢与氧气结合生成水，并释放出大量能量。这三个阶段的代谢反应都需要酶的催化，由于代谢反应不同，催化这些代谢反应所需的酶的种类也不同。