高中生物： 52 细胞的能量“通货”—ATP（教案）人教版必修1

用心 爱心 专心 第第 2 2 节节 细胞的能量细胞的能量 通货通货 ATP ATP 一 教学目标一 教学目标1 简述 ATP 的化学组成和特点 2 写出 ATP 的分子简式 3 解释 ATP 在能量代谢中的作用 二 教学重点和难点二 教学重点和难点 1 ATP 化学组成的特点及其在能量代谢中的作用 2 ATP 与 ADP 的相互转化 三 教学策略三 教学策略 本节课内容需 1 课时完成 生命活动需要能量 这些能量来自哪里呢 学生在前面的 学习中了解到生命活动需要的能量来自细胞中的有机物 可以让学生想一想 燃烧一匙葡 萄糖 能观察到什么现象 燃烧葡萄糖可以观察到放出的热和光 说明葡萄糖中蕴含着能 量 但是细胞内的各种化学反应均需要温和的条件 那么细胞中的能量以什么形式释放出 来 又是如何被利用的呢 可以用这些问题引入新课的学习 本节课的标题为 细胞的能量 通货 ATP 教师可以围绕着这个标题展开教学 教学时教师若善作比喻会使本节内容易于被学生理解 教师可以告诉学生我们的日常生活 每天都需要必要的开销 这些消费要通过我们手里的流通货币 但是如果我们总是拿出大 额面值的钞票进行交易会很麻烦 比如我们不必要在买一根冰棒 一串糖葫芦或一管牙膏 时拿出百元大钞 相反如果我们把百元大钞换成 100 张一元小票 在进行交易时就会很方 便 细胞利用能量也是如此 在细胞中的 百元大钞 相当于储存能量的有机物大分子 ATP 分子就是那个可以在细胞内流通的 小票 即能量的通货 在介绍 ATP 时 可以将 ATP 分子的化学成分以及结构图片展示给学生 不必让学生记 忆 ATP 分子的结构式 只是通过了解 ATP 分子结构的特点 让学生对其能够作为细胞的能 量通货有所理解 尤其是对于 ATP 的简式以及所表示的含义 要让学生清楚 ATP 三个磷酸 键的不同 可以利用多媒体或形象的图画让学生了解何谓 高能磷酸键 关于 ATP 与 ADP 的相互转化是本节的重点也是难点 教师可以继续利用前面的比喻 将细胞中的能量通货比作我们日常生活中的零用钱 它会随着每天的花销而减少 因此要 维持正常生活必须不断破开大面值的钞票给予补充 细胞中的大面值钞票主要是糖类等有 机物 在有机物分解时释放出的能量能被用来合成 ATP 这个过程通过 ATP 与 ADP 的相互 转化来实现 教师在介绍这部分内容时可以充分利用教材上的图解 告诉学生 ATP 水解时 远离腺苷的磷酸键断裂时释放出较多的能量 是一种放能的过程 所以当 ADP 与磷酸再次 结合形成 ATP 时 必然从周围吸收相同的能量 而且这个过程在细胞中时刻发生 这就是 为什么 ATP 可以作为一种能量的 小票 而在细胞中流通使用的原因 关于 ATP 的利用 一是要讲清楚吸能反应和放能反应与 ATP 的分解和合成的关系 二 是要充分利用教材上的图解 让学生在看懂图解的基础上 讨论 ATP 还有哪些用途 从而 对该图解进行补充和完善 四 答案与提示四 答案与提示 一 问题探讨一 问题探讨 1 萤火虫发光的生物学意义主要是相互传递求偶信号 以便交尾 繁衍后代 2 萤火虫腹部后端细胞内的荧光素 是其特有的发光物质 3 有 萤火虫腹部细胞内一些有机物中储存的化学能 只有在转变成光能时 萤火虫才能 发光 二 思考与讨论 二 思考与讨论 用心 爱心 专心 1 1 分子葡萄糖所含的能量 约是 1 分子 ATP 所含能量的 94 倍 指 ATP 转化为 ADP 时释放 的能量 2 有道理 糖类和脂肪分子中的能量很多而且很稳定 不能被细胞直接利用 这些稳定的 化学能只有转化成 ATP 分子中活跃的化学能 才能被细胞直接利用 三 练习 三 练习 基础题 1 B 2 提示 吸能反应 如葡萄糖和果 糖合成蔗糖的反应 需要消耗能量 是吸能反应 这一 反应所需要的能量是由 ATP 水解为 ADP 时释放能量来提供的 放能反应 如丙酮酸的氧化 分解 能够释放能量 是放能反应 这一反应所释放的能量除以热能形式散失外 用于 ADP 转化为 ATP 的反应 储存在 ATP 中 3 提示 在储存能量方面 ATP 同葡萄糖相比具有以下两个特点 一是 ATP 分子中含有的 化学能比较少 一分子 ATP 转化为 ADP 时释放的化学能大约只是一分子葡萄糖的 1 94 二 是 ATP 分子中所含的是活跃的化学能 而葡萄糖分子中所含的是稳定的化学能 葡萄糖分 子中稳定的化学能只有转化为 ATP 分子中活跃的化学能 才能被细胞利用 拓展题 提示 植物 动物 细菌和真菌等生物的细胞内都具有能量 通货 ATP 这可以从 一个侧面说明生物界具有统一性 也反映种类繁多的生物有着共同的起源 五 参考资料五 参考资料 1 ATP1 ATP 的结构特性的结构特性 ATP 也叫做腺苷三磷酸 三磷酸腺苷 腺三磷 是高能磷酸化合物的典型代表 高能 磷酸化合物的特点是 它的高能磷酸键 也即酸酐键 用 表示 水解时释放出的 化学能是正常化学键释放化学能的 2 倍以上 一般在 20 92 kJ mol 以上 这里需要说明 的是 化学中使用的 键能 和生物化学中使用的 高能键 含义是完全不同的 化学 中 键能 的含义是指断裂一个化学键所需要提供的能量 生物化学中所说的 高能键 是指该键水解时能释放出大量能量 ATP 是由一分子腺嘌呤 一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的 这三个磷酸基团 从与分子中腺苷基团连接处算起 依次分别称为 磷酸基团 ATP 的结构式是 分析 ATP 的结构式可以看出 腺嘌呤与核糖结合形成腺苷 腺苷通过核糖中的第 5 位羟基 与 3 个相连的磷酸基团结合 形成 ATP ATP 分子中的 磷酸基团水解时 能释放 30 5 kJ mol 的能量 而 6 磷酸葡萄糖水解时释放的能量只有 13 8 kJ mol 需要指出的是 用心 爱心 专心 ATP 分子既可以水解一个磷酸基团 磷酸基团 而形成二磷酸腺苷 ADP 和磷酸 Pi 又可以同时水解两个磷酸基团 磷酸基团和 磷酸基团 而形成一磷酸腺 苷 AMP 和焦磷酸 PPi 后一种水解方式在某些生物合成中具有特殊意义 AMP 可以 在腺苷酸激酶的作用下 由 ATP 提供一个磷酸基团而形成 ADP ADP 又可以迅速地接受另外 的磷酸基团而形成 ATP 2 ATP2 ATP 系统的动态平衡系统的动态平衡 ATP 是活细胞内一种特殊的能量载体 在细胞核 线粒体 叶绿体以及细胞质基质中 广泛存在着 并不断与 ADP 相互转化而形成 ATP 系统 ATP 在细胞内的含量是很少的 但 是 ATP 与 ADP 在细胞内的相互转化却是十分迅速的 一般地说 ATP 在细胞内形成后不到 1 min 的时间就要发生转化 这样累计下来 生物体内 ATP 转化的总量是很大的 例如 一个成年人在静止的状态下 24 h 内竟有 40 kg 的 ATP 发生转化 在紧张活动的情况下 ATP 的消耗可达 0 5 kg min 总之 在活细胞中 ATP 末端磷酸基团的周转是极其迅速的 其消耗与再生的速度是相对平衡的 ATP 的含量因而维持在一个相对稳定的 动态平衡的 水平 可见 细胞内 ATP 系统处在动态平衡之中 这对于构成细胞内稳定的供能环境具有 十分重要的意义 3 3 其他高能磷酸化合物其他高能磷酸化合物 在动物和人体细胞 特别是肌细胞 内 除了 ATP 外 其他的高能磷酸化合物还有 磷酸肌酸 可用 C P 代表 磷酸肌酸的结构式是 当动物和人体细胞由于能量大量消耗而使细胞内的 ATP 含量过分减少时 在有关酶的催化 作用下 磷酸肌酸中的磷酸基团连同能量一起转移给 ADP 从而生成 ATP 和肌酸 可用 C 代表 当 ATP 含量比较多时 在有关酶的催化作用下 ATP 可以将磷酸基团连同能量一 起转移给肌酸 使肌酸转变成磷酸肌酸 对于动物和人体细胞来说 磷酸肌酸只是能量的一种储存形式 而不能直接被利用 由此可见 对于动物和人体细胞来说 磷酸肌酸在能量释放 转移和利用之间起着缓冲的 作用 从而使细胞内 ATP 的含量能够保持相对的稳定 ATP 系统的动态平衡得以维持 4 ATP4 ATP 的利用的利用 ATP 中的能量可以直接转化成其他各种形式的能量 用于各项生命活动 这些能量的 形式主要有以下 6 种 渗透能细胞的主动运输是逆浓度梯度进行的 物质跨膜移动所做的功消耗了能量 这 些能量叫做渗透能 渗透能来自 ATP 机械能细胞内各种结构的运动都是在做机械功 所消耗的就是机械能 例如 肌细胞 的收缩 草履虫纤毛的摆动 精子鞭毛的摆动 有丝分裂期间染色体的运动 腺细胞对分 泌物的分泌等 都是由 ATP 提供能量来完成的 用心 爱心 专心 电能大脑的思考 神经冲动在神经纤维上的传导 以及电鳐 电鳗等动物体内产生 的生物电等 它们所做的电功消耗的就是电能 电能是由 ATP 提供的能量转化而成的 化学能细胞内物质的合成需要化学能 如小分子物质合成为大分子物质时 必须有直 接或间接的能量供应 另外 细胞内物质在分解的开始阶段 也需要化学能来活化 成为 能量较高的物质 如葡萄糖活化成磷酸葡萄糖 可以说在细胞内的物质代 谢中 到处都 需要由 ATP 转化而来的化学能做功 光能目前关于生物发光的生理机制还没有完全弄清楚 但是已经知道 生物体用于发 光的能量直接来自 ATP 如萤火虫的发光 热能有机物的氧化分解释放的能量 一部分用于生成 ATP 大部分转化为热能通过各 种途径向外界环境散发 其中一小部分热能作用于体温 通常情况下 热能的形成往往是 细胞能量转化和传递过程中的副 产品 此外 ATP 释放的能量中 一部分能量也能用于动 物的体温的提升和维持 5 5 萤火虫发光的原理和意义萤火虫发光的原理和意义 萤火虫不论雄性的还是雌性的 夏秋的夜晚都会一闪一闪地发光 雄虫比雌虫的个体 小一些 但发出的闪光却亮一些 萤火虫发出的闪光 主要是求偶的信号 用来吸引异性 前来交尾 萤火虫有许多种 如平家萤火虫 姬萤火虫等 不同种类的萤火虫会发出各自 特定的闪光信号 雌虫看到飞舞着的同种雄虫发出的闪光信号后 就会以特定的闪光信号 回应 雄虫的每一组闪光信号是由几个节奏组成的 每个节奏都包括闪光的次数 闪光的 频率和每次闪光的时间 这些都是雌虫能够识别的 如果雌虫顺利地回应了闪光信号 则 雄虫就会前来交尾 以繁衍后代 有的科学家准确分析出某种雄性萤火虫的闪光规律后 用手电筒模拟这种闪光信号 竟然发现同种的雌虫会迎光而来 有趣的是 雌虫看到其他种类雄虫的闪光信号后 有时竟能发出该种雌虫的闪光信号 这种闪光信号具有欺骗性 能使该种雄虫误以为可以前去交尾而被雌虫吃掉 雌虫的这一 特性 可以使