人教版（2019）生物必修1教案：5-2 细胞的能量“货币”ATP

第5章 细胞的能量供应和利用
第2节 细胞的能量“货币”ATP
素养导引
1.生命观念:运用结构与功能观,说出ATP的结构和功能。
2.科学思维:采用比较与分类,说明动植物合成ATP的来源不同。
3.社会责任:通过萤火虫发光现象的研究,了解荧光素对人类生活的影响。
一、ATP及其结构
1.中文名称 :腺苷三磷酸。
2.结构简式:A-P~P~P。
3.各字母、符号的含义:
A:腺苷　P:磷酸基团　~:一种特殊的化学键
4.结构特点:末端磷酸基团具有较高的转移势能。
5.作用:是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
　[思考]　一个ATP分子中有几个磷酸基团,几个特殊化学键
提示:3个磷酸基团,2个特殊化学键。
二、ATP和ADP可以相互转化
1.转化过程:
(1)图中字母A、B代表的物质分别是磷酸、ADP。
(2)能量1的来源:
①绿色植物:光合作用和呼吸作用。
②动物、人、真菌和大多数细菌:呼吸作用。
(3)写出ATP合成的反应式:ADP+Pi+能量ATP。
2.转化特点:
(1)ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生,且处于动态平衡之中。
(2)ATP和ADP相互转化的能量供应机制,在所有生物的细胞内都是一样的,体现了生物界的统一性。
三、ATP的利用
1.ATP的利用:细胞中绝大多数的生命活动都是由ATP直接提供能量的,如大脑思考、主动运输等。
2.ATP是细胞内流通的能量“货币”:
(1)化学反应中的能量变化与ATP的关系。
①放能反应:一般与ATP的合成相联系。
②吸能反应:一般与ATP的水解相联系。
(2)能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。
　成人体内ATP的总量2~10 mg,在安静的状态下一天需要消耗的ATP为40 kg,在活动的状态下ATP的消耗可达0.5 kg/min;在安静状态时,肌肉内ATP所放能量只能维持肌肉收缩1~2 s。请结合所学知识判断:
1.ATP消耗量高但含量很少,是因为葡萄糖等也可以直接为生命活动提供能量。 (×)
分析:葡萄糖不能直接提供能量。
2.体内ATP总量少,但消耗的却很多,是因为ATP和ADP可以快速转化。 (√)
学习任务一:ATP的结构与功能
1.ATP的结构:
(1)结构组成:①表示腺苷(A),②为特殊的化学键,P表示磷酸基团。
(2)元素组成:C、H、O、N、P。
　[思考探究]　仔细观察上图,ATP彻底水解后会产生哪些物质
提示:磷酸、腺嘌呤、核糖。
2.ATP为主动运输供能的机理:
(1)Ca2+载体蛋白是一种能催化ATP水解的酶。
(2)载体蛋白磷酸化:末端磷酸基团脱离下来与载体蛋白结合。
(3)磷酸化使载体蛋白空间结构改变。
　　　　　　　【拓展归纳】
消耗能量与不消耗能量的生理过程
(1)常见的消耗能量的生理过程:主动运输、蛋白质合成、胞吞、胞吐、细胞分裂等。
(2)常见的不需要消耗能量的生理过程:自由扩散、协助扩散、气体交换等。
【学习加点料】
1.思维易错:蛋白质的合成为吸能反应还是放能反应
提示:吸能反应。需要的能量由ATP水解提供。
2.教材开发:教材P86[相关信息]拓展
ATP中的A是腺苷,由腺嘌呤和核糖结合而成。观察ATP的结构式,试想一下,ATP水解去掉两个磷酸基团后,剩余部分的组成是什么 是组成哪种物质的基本单位
提示:由一分子腺嘌呤、一分子核糖和一分子磷酸基团构成。剩余部分为腺嘌呤核糖核苷酸,是RNA的基本单位之一。
　下图为ATP分子结构式。下列相关叙述正确的是 (　　)
A.图中五碳糖为脱氧核糖
B.ATP的组成元素有C、H、O、N、P
C.1个ATP分子由1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成
D.靠近腺苷的磷酸基团有较高的转移势能
[解题思维]
提取关键点 ATP的分子结构式
转化知识点 ATP中的A由腺嘌呤和核糖组成;ATP的组成
排除障碍点 ATP中有3个磷酸基团,远离A的磷酸基团有较高的转移势能
【解析】选B。图中五碳糖为核糖,A错误;ATP的组成元素有C、H、O、N、P,B正确;1个ATP分子由1个腺嘌呤、3个磷酸基团和一个核糖组成,C错误;ATP中远离腺苷的磷酸基团有较高的转移势能,D错误。
　[借题发挥]　根据ATP的命名规律来猜想一下,若把图中的核糖换成脱氧核糖后形成的物质名称是什么
提示:脱氧腺苷三磷酸。
1.当其他条件均可满足时,20个腺苷和90个磷酸分子最多可以组成的ATP个数和ATP分子中所含的特殊的化学键个数分别是 (　　)
A.20和30 B.20和40
C.40和40 D.30和60
【解析】选B。1个ATP分子中含有1个腺苷、3个磷酸基团、2个特殊的化学键,所以20个腺苷和90个磷酸分子最多能组成20个ATP,共含有20×2=40(个)特殊的化学键。
2.某同学将萤火虫的尾部组织取下 ,晒干并磨碎,分别将等量的粉末放入四支试管中,然后加入水,开始出现荧光,过一段时间后荧光就消失了,然后在四支试管中分别加入等量的ATP、葡萄糖、蛋白质和脂肪,则试管中重新发亮的是 (　　)
【解析】选A。ATP是细胞驱动生命活动的直接能源物质,可以为萤火虫的发光器提供能量使其发光,而葡萄糖、蛋白质、脂肪等有机物不能为生命活动直接提供能量,需要先经过氧化释放能量合成ATP再为各种生命活动提供能量,故试管中重新发亮的是加入ATP的试管,A正确,B、C、D错误。
学习任务二:ATP与ADP的相互转化
项目 ATP的合成 ATP的水解
反应式 能量+Pi+ADPATP ATPADP+Pi+能量
所需酶 ATP合成酶 ATP水解酶
能量来源 光能(光合作用)、化学能(细胞呼吸) 储存在特殊化学键中的化学能
能量去路 储存于特殊化学键中 用于各项生命活动
　(1)ATP合成所需能量的来源:
①动物和人:细胞呼吸。
②绿色植物:光合作用和细胞呼吸。
(2)由于反应条件、能量等均不相同,因此ATP和ADP的转化不是可逆反应。
[思考探究]　
　ATP合成过程中存在能量的转化,请用文字和箭头写出能量转化的过程。
提示:①光能→ATP中的化学能;②有机物中的化学能→ATP中的化学能。
　　　　　　　【拓展归纳】
ATP的特点
(1)高能量:ATP水解释放的能量高达30.54 kJ/mol,是细胞中的一种高能磷酸化合物。
(2)不稳定:末端磷酸基团有较高的转移势能。
(3)含量少:ATP在细胞内含量很少,但转化是时刻不停地发生。
【学习加点料】
　思维易错:同样是能源物质,ATP与葡萄糖具有不同的特点,请从能量的角度概括出ATP有哪些特点。
提示:(1)ATP分子中含有的化学能较少;
(2)ATP结构不稳定,能量容易释放。
　如图①②代表物质M、N间的相互转化过程,则 (　　)
A.萤火虫体内的能量c可来源于光能
B.吸能反应一般和M的合成相联系
C.物质M的元素组成是C、H、O、N
D.M、N间的相互转化过程是不可逆反应
[解题思维]
提取关键点 图中为①②代表物质M、N间的相互转化过程
转化知识点 N转变为M时需要能量和Pi,所以N为ADP,M为ATP;能量c可以来源于光能和化学能,能量d用于各项生命活动
排除障碍点 ATP和ADP的相互转化不是可逆反应
【解析】选D。萤火虫体内ATP的合成过程所需的能量c可来源于细胞呼吸氧化分解有机物释放出来的化学能,A错误;吸能反应一般和ATP 的水解相联系,放能反应一般与ATP的合成相关联,B错误;物质M即ATP,中文名称为腺苷三磷酸,其元素组成是C、H、O、N、P,C错误;M、N间的相互转化过程是不可逆反应,因为ATP 合成所需能量与ATP 释放出来的能量不是同一部分能量,D正确。
　　 [借题发挥]　试举例说出能使②过程加快的生理过程。
提示:主动运输、肌肉收缩。
1.(2020·山东合格考)如图为ATP的结构示意图,其中甲、乙和丙表示构成ATP的小分子物质,a、b表示某种化学键。下列叙述错误的是 (　　)
A.甲表示磷酸基团
B.乙表示脱氧核糖
C.丙表示腺嘌呤
D.a、b表示特殊的化学键
【解析】选B。图示为ATP的结构,甲为磷酸基团,乙为核糖,丙为腺嘌呤,a、b为特殊的化学键。
2.下图是ATP和ADP相互转化的示意图,①②表示相关反应。有关叙述正确的是 (　　)
ATPADP+Pi+能量
A.ATP分子中的五碳糖是脱氧核糖
B.①和②需要的酶是同一种酶
C.①②过程在活细胞内时刻不停地发生
D.人体肌细胞中储存着大量的ATP
【解析】选C。ATP分子中的五碳糖是核糖,A错误;①需要的酶是ATP的水解酶,②需要的酶是ATP的合成酶,B错误;ATP和ADP时刻不停发生相互转化,从而保证细胞对ATP的大量需求,C正确;人体肌细胞中储存着少量的ATP,D错误。
分子马达——ATP合酶
　　　ATP合酶,又称F0F1-ATP酶,在细胞内可催化能源物质ATP的合成。在呼吸或光合作用过程中通过电子传递链释放的能量先转换为跨膜质子(H+)梯度差,之后质子流顺梯度差通过ATP合酶使ADP+Pi合成ATP。
(1)ATP合酶应广泛分布于______________等细胞器膜结构上。
(2)推测好氧型细菌细胞的__________上存在该酶,据图分析。理由是______________________________________________________。
(3)科学家发现,一种化学结构与ATP相似的物质——GTP(鸟苷三磷酸)也能为细胞的生命活动提供能量,请从化学结构的角度解释GTP也可以供能的原因:______________________________________________。
【解析】(1)据题干信息“在呼吸或光合作用过程中通过电子传递链释放的能量先转换为跨膜质子(H+)梯度差,之后质子流顺梯度差通过ATP合酶使ADP+Pi合成ATP”可知,ATP合酶应广泛分布于线粒体、叶绿体等细胞器膜结构上。
(2)据图分析可知,由于该酶与生物膜结合后能催化ATP的合成,好氧型细菌能进行有氧呼吸产生ATP,而好氧型细菌的膜结构只有细胞膜,故推测好氧型细菌细胞膜上存在该酶。
(3)由于GTP(鸟苷三磷酸)含有两个特殊的化学键,远离鸟苷的特殊的化学键容易水解断裂,其化学结构是与ATP相似,故GTP也能为细胞的生命活动提供能量。
答案:(1)线粒体、叶绿体
(2)细胞膜　该酶与生物膜结合后能催化ATP的合成,而好氧型细菌的膜结构只有细胞膜
(3)含有两个特殊化学键,远离鸟苷的化学键容易水解断裂,释放能量
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力↓图文转化 ①凸出于膜外的F1和嵌入膜内的F0②呼吸或光合作用过程中通过电子传递链释放的能量先转换为跨膜质子(H+)梯度差,之后质子流顺梯度差通过ATP合酶使ADP+Pi→ATP
学科素养 培养生命观念中的结构与功能观、科学思维中的分析与比较等素养
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