高中生物新教材人教版必修1第5章第2節(jié)細(xì)胞的能量“貨幣”ATP學(xué)案

第2節(jié)細(xì)胞的能量“貨幣”ATP課標(biāo)內(nèi)容要求核心素養(yǎng)對(duì)接解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。1．生命觀念——結(jié)構(gòu)與功能觀：說出ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能。2．科學(xué)思維——分析與綜合：ATP與ADP之間的相互轉(zhuǎn)化；說出動(dòng)植物合成ATP的來源不同；理解ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。一、ATP是一種高能磷酸化合物1．中文名稱：腺苷三磷酸。2．結(jié)構(gòu)簡式：A－P～P～P符號(hào)含義eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(A：腺苷\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(核糖,腺嘌呤)),P：磷酸基團(tuán),～：特殊的化學(xué)鍵))3．特點(diǎn)(1)ATP是細(xì)胞內(nèi)的一種高能磷酸化合物，含有2個(gè)特殊的化學(xué)鍵，儲(chǔ)存大量能量。(2)ATP的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，這是由于兩個(gè)相鄰的磷酸基團(tuán)都帶負(fù)電荷而相互排斥等原因，即末端磷酸基團(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能。在有關(guān)酶的催化作用下，末端磷酸基團(tuán)脫落，釋放出大量能量。二、ATP與ADP可以相互轉(zhuǎn)化1．相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)式：。2．相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)(1)ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化時(shí)刻不停地發(fā)生，且處于動(dòng)態(tài)平衡之中。(2)ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的能量供應(yīng)機(jī)制，體現(xiàn)了生物界的統(tǒng)一性。3．ATP合成的能量來源(1)動(dòng)物、人、真菌和大多數(shù)細(xì)菌：呼吸作用中有機(jī)物分解釋放的能量。(2)綠色植物：呼吸作用釋放的能量和光能。三、ATP的利用1．列舉利用ATP的實(shí)例2．ATP為主動(dòng)運(yùn)輸供能的過程分析(1)Ca2＋主動(dòng)運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白也是催化ATP水解的酶，膜內(nèi)側(cè)的Ca2＋與其載體結(jié)合時(shí)激活該酶，將ATP水解。(2)ATP水解時(shí)，脫離下來的磷酸基團(tuán)與載體蛋白結(jié)合即載體蛋白的磷酸化。(3)載體蛋白磷酸化導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。3．ATP供能的原理ATP水解釋放的磷酸基團(tuán)使蛋白質(zhì)等分子磷酸化，空間結(jié)構(gòu)改變，活性也被改變，因而參與各種化學(xué)反應(yīng)。4．ATP是細(xì)胞內(nèi)流通的能量“貨幣”(1)化學(xué)反應(yīng)中的能量變化與ATP的關(guān)系。①放能反應(yīng)：一般與ATP的合成相聯(lián)系。②吸能反應(yīng)：一般與ATP的水解相聯(lián)系。(2)能量通過ATP分子在吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)之間流通。判斷對(duì)錯(cuò)(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)1．ATP是高能磷酸化合物，含有三個(gè)特殊的化學(xué)鍵。 ()2．1個(gè)ATP分子中只含有1個(gè)腺嘌呤和3個(gè)磷酸基團(tuán)。 ()3．ATP水解時(shí)，兩個(gè)特殊的化學(xué)鍵都斷裂，生成ADP和Pi。 ()4．ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化與吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)聯(lián)系在一起。 ()5．ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化時(shí)刻不停地發(fā)生并且處在動(dòng)態(tài)平衡之中，且是生物界的共性。 ()提示：1．×ATP中含有兩個(gè)特殊的化學(xué)鍵。2．×1個(gè)ATP分子中含有1個(gè)腺苷和3個(gè)磷酸基團(tuán)。3．×ATP水解時(shí)，遠(yuǎn)離腺苷的特殊的化學(xué)鍵斷裂。4．√5．√ATP的結(jié)構(gòu)和功能1．ATP的分子組成(如圖)(1)元素組成：ATP是由C、H、O、N、P五種元素組成的，這與核酸的元素組成是相同的。(2)AMP是RNA的基本組成單位。(3)ATP的結(jié)構(gòu)組成可以用“1、2、3”來總結(jié)，“1”表示1個(gè)腺苷，“2”表示兩個(gè)特殊的化學(xué)鍵，2．ATP的結(jié)構(gòu)與功能的相互關(guān)系(1)ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了細(xì)胞內(nèi)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的能量供應(yīng)庫。ATP中末端磷酸基團(tuán)容易水解和形成，可保證ATP數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定和能量的持續(xù)供應(yīng)。(2)ATP在供能中處于核心地位，許多能源物質(zhì)中的能量需轉(zhuǎn)移到ATP中才能為生命活動(dòng)供能。在生命活動(dòng)中，ATP中的能量可轉(zhuǎn)化為不同形式的能量。3．ATP的利用生理過程能量轉(zhuǎn)化物質(zhì)合成化學(xué)能→化學(xué)能肌肉收縮化學(xué)能→機(jī)械能主動(dòng)運(yùn)輸化學(xué)能→機(jī)械能生物發(fā)光化學(xué)能→光能生物體內(nèi)的能源物質(zhì)總結(jié)(1)能源物質(zhì)：糖類、脂肪、蛋白質(zhì)、ATP。(2)主要能源物質(zhì)：糖類。(3)儲(chǔ)能物質(zhì)：脂肪、淀粉(植物細(xì)胞)、糖原(動(dòng)物細(xì)胞)。(4)主要儲(chǔ)能物質(zhì)：脂肪。(5)直接能源物質(zhì)：ATP。(6)最終能量來源：太陽能。1．ATP是腺嘌呤核苷的衍生物，如圖是ATP的分子結(jié)構(gòu)圖，下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是()A．ATP分子的結(jié)構(gòu)簡式可表示為A—P～P～PB．圖中虛線部分的名稱是腺苷C．組成ATP的化學(xué)元素是C、H、O、N、PD．圖中①處的化學(xué)鍵易斷裂，ATP轉(zhuǎn)化為ADPD[ATP中遠(yuǎn)離腺苷的特殊化學(xué)鍵②易斷裂，可以轉(zhuǎn)化形成ADP和Pi。]2．在某細(xì)胞培養(yǎng)液中加入32P標(biāo)記的磷酸分子，短時(shí)間內(nèi)分離出細(xì)胞的ATP，發(fā)現(xiàn)其含量變化不大，但部分ATP的末端磷酸基團(tuán)已帶上放射性標(biāo)記，該現(xiàn)象不能說明()A．ATP是細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)B．部分32P標(biāo)記的ATP是重新合成的C．ATP中遠(yuǎn)離腺苷的P容易斷裂D．該過程中ATP既有合成又有分解A[該現(xiàn)象只能說明ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化，不能說明ATP是細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，A項(xiàng)符合題意。帶有32P標(biāo)記的ATP是加入放射性32P標(biāo)記的磷酸分子后新產(chǎn)生的，B項(xiàng)不符合題意。由題意可知，細(xì)胞培養(yǎng)液中加入32P標(biāo)記的磷酸分子，短時(shí)間部分ATP的末端磷酸基團(tuán)已帶上放射性標(biāo)記，說明ATP末端的磷酸基團(tuán)很容易水解脫離下來，也很容易結(jié)合，C項(xiàng)不符合題意。該過程存在ATP水解形成ADP的過程，同時(shí)存在ADP與磷酸形成ATP的過程，D項(xiàng)不符合題意。]對(duì)ATP認(rèn)識(shí)的誤區(qū)(1)ATP的普通磷酸鍵和特殊化學(xué)鍵中都儲(chǔ)存著能量，只不過大量的能量儲(chǔ)存于特殊化學(xué)鍵中。(2)ATP是一種物質(zhì)，不是能量，ATP中儲(chǔ)存有大量的能量，所以不可將ATP與能量等同。(3)ATP在細(xì)胞中含量很少。ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化1．ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化過程(1)關(guān)系式：ATPADP＋Pi＋能量(2)過程(3)原因(4)意義：ATP水解釋放的能量供細(xì)胞生命活動(dòng)利用。2．ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化不可逆項(xiàng)目ATP的合成ATP的水解反應(yīng)式ADP＋Pi＋能量eq\o(→,\s\up8(酶))ATPATPeq\o(→,\s\up8(酶))ADP＋Pi＋能量所需酶ATP合成酶ATP水解酶能量來源光能(光合作用)、化學(xué)能(細(xì)胞呼吸)特殊的化學(xué)鍵中的能量能量去路形成特殊的化學(xué)鍵用于各項(xiàng)生命活動(dòng)反應(yīng)場(chǎng)所細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體、葉綠體生物體的需能部位相應(yīng)生理活動(dòng)主要是光合作用、細(xì)胞呼吸肌肉收縮、細(xì)胞分裂、興奮傳導(dǎo)等結(jié)論ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化時(shí)，反應(yīng)所需要的酶、能量的來源和去路、反應(yīng)的場(chǎng)所不同，因此兩者的相互轉(zhuǎn)化不是可逆的，從兩者相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)式來看，物質(zhì)是可逆的，但能量不可逆3．易混淆的2個(gè)與ATP產(chǎn)生量有關(guān)的曲線辨析(1)甲圖表示ATP產(chǎn)生量與O2供給量的關(guān)系①A點(diǎn)表示無氧條件下，細(xì)胞可通過無氧呼吸分解有機(jī)物，產(chǎn)生少量ATP。②AB段表示隨O2供給量增多，有氧呼吸明顯加強(qiáng)，通過有氧呼吸分解有機(jī)物釋放的能量增多，ATP的產(chǎn)生量隨之增加。③BC段表示O2供給量超過一定范圍后，ATP的產(chǎn)生量不再增加，此時(shí)的限制因素可能是酶、ADP、磷酸等。(2)乙圖可表示哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞中ATP來自無氧呼吸，與O2無關(guān)。怎樣理解ATP是細(xì)胞內(nèi)“取之不盡”的直接能源物質(zhì)？提示：(1)ATP是一種不穩(wěn)定的化合物，在細(xì)胞內(nèi)的含量很少。(2)ATP和ADP在細(xì)胞內(nèi)能迅速發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，ATP水解直接為生命活動(dòng)提供能量，產(chǎn)生ADP和Pi，ADP和Pi接受細(xì)胞代謝(主要是細(xì)胞呼吸)或光合作用產(chǎn)生的能量迅速合成ATP。(3)無論在安靜狀態(tài)還是在劇烈運(yùn)動(dòng)、饑餓狀態(tài)，ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化都在時(shí)刻不停地發(fā)生且處于動(dòng)態(tài)平衡之中。3．如圖①②代表物質(zhì)M、N間的相互轉(zhuǎn)化過程，則()A．螢火蟲體內(nèi)的能量c可來源于光能B．吸能反應(yīng)一般和物質(zhì)M的合成相聯(lián)系C．能量d用于過程①時(shí)大部分以熱能形式散失D．M、N間的相互轉(zhuǎn)化是生物界共有的能量供應(yīng)機(jī)制D[螢火蟲體內(nèi)的能量c主要來自呼吸作用，不能來源于光能，A錯(cuò)誤；吸能反應(yīng)消耗ATP，和物質(zhì)N的合成相聯(lián)系，B錯(cuò)誤；能量d可用于各項(xiàng)生命活動(dòng)，和過程①?zèng)]有關(guān)系，C錯(cuò)誤；M、N間的相互轉(zhuǎn)化是生物界共有的能量供應(yīng)機(jī)制，D正確。]4．科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些蚜蟲能合成類胡蘿卜素，其體內(nèi)的類胡蘿卜素不僅能吸收光能，傳遞給負(fù)責(zé)能量生產(chǎn)的組織細(xì)胞，而且還決定蚜蟲的體色。陽光下蚜蟲體內(nèi)的ATP生成量將會(huì)增加，黑暗時(shí)蚜蟲體內(nèi)的ATP含量會(huì)下降。下列有關(guān)敘述正確的是()A．蚜蟲合成ATP時(shí)所需能量僅僅來自細(xì)胞呼吸B．類胡蘿卜素的含量不僅會(huì)影響蚜蟲的體色，還會(huì)影響蚜蟲個(gè)體的生存機(jī)會(huì)C．蚜蟲做同一強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，陽光下和黑暗中的ATP消耗量不一樣D．蚜蟲體內(nèi)ATP含量在陽光下比黑暗時(shí)多，說明其體內(nèi)的ATP含量不穩(wěn)定B[由題干信息可知，蚜蟲合成ATP所需能量還可來自類胡蘿卜素吸收的光能，A錯(cuò)誤；由題干信息可知，類胡蘿卜素可以吸收、傳遞光能，影響ATP的合成量，因此類胡蘿卜素的含量會(huì)影響蚜蟲個(gè)體的生存機(jī)會(huì)，B正確；蚜蟲做同一強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗ATP的量是一樣的，C錯(cuò)誤；蚜蟲體內(nèi)ATP含量在陽光下比黑暗時(shí)多，但白天ATP消耗量也比黑暗時(shí)多，ATP含量處于動(dòng)態(tài)平衡中，故蚜蟲體內(nèi)的ATP含量穩(wěn)定，D錯(cuò)誤。]ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化的三點(diǎn)提醒(1)ATP合成：需要酶的催化，由動(dòng)物的呼吸作用和植物的光合作用與呼吸作用提供能量。(2)ATP水解：需要酶的催化，連接末端磷酸基團(tuán)的那個(gè)特殊化學(xué)鍵水解釋放能量，釋放的能量用于各項(xiàng)生命活動(dòng)。(3)兩者轉(zhuǎn)化時(shí)，物質(zhì)可逆，能量不可逆。智能生物藥物成為治療癌癥等難以攻克疾病的首選，其中ATP控制的藥物遞送系統(tǒng)通常用靶向ATP的適體作為“生物閘門”來實(shí)現(xiàn)藥物的按需快速釋放，近些年，一系列的材料已經(jīng)證明在細(xì)胞內(nèi)高含量ATP條件下可以釋放治療藥物。通過材料分析知：一些材料已經(jīng)證明在細(xì)胞內(nèi)高含量ATP條件下，由ATP控制的藥物傳遞系統(tǒng)可通過靶向ATP的適體快速釋放治療藥物，由此形成社會(huì)責(zé)任和科學(xué)思維的學(xué)科素養(yǎng)。(1)文中“一系列的材料”可以是蛋白質(zhì)納米管，可用來包裹、保護(hù)藥物，根據(jù)ATP、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能推測(cè)ATP在藥物釋放中所起的作用。(社會(huì)責(zé)任)提示：ATP水解釋放的能量可使蛋白質(zhì)納米管結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而釋放藥物。(2)ATP控制的藥物遞送系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了藥物的定向運(yùn)輸？(科學(xué)思維)提示：沒有。只是實(shí)現(xiàn)了藥物的按需釋放。[課堂小結(jié)]知識(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建核心語句背誦1．ATP的結(jié)構(gòu)簡式是A—P～P～P，其中“A”表示腺苷，“P”代表磷酸基團(tuán)，“～”代表特殊的化學(xué)鍵。2．ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)式是ATPADP＋Pi＋能量。3．細(xì)胞內(nèi)ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是生物界的共性。4．合成ATP的途徑包括光合作用和呼吸作用。5．ATP是生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。1．當(dāng)其他條件均可滿足時(shí)，20個(gè)腺苷和60個(gè)磷酸最多可以組成的ATP個(gè)數(shù)和ATP分子中所含的特殊的化學(xué)鍵個(gè)數(shù)分別是()A．20個(gè)和30個(gè)B．20個(gè)和40個(gè)C．40個(gè)和40個(gè) D．40個(gè)和60個(gè)B[一個(gè)ATP分子中含有1個(gè)腺苷、3個(gè)磷酸、2個(gè)特殊的化學(xué)鍵。20個(gè)腺苷，對(duì)應(yīng)60個(gè)磷酸，即只能形成20個(gè)ATP分子，共含有40個(gè)特殊的化學(xué)鍵。]2．下列關(guān)于ATP分子的敘述錯(cuò)誤的是()A．ATP中含有一個(gè)核糖和一個(gè)含氮堿基B．ATP脫去所有特殊的化學(xué)鍵后就是ADPC．ATP中的兩個(gè)特殊的化學(xué)鍵儲(chǔ)存有大量能量D．ATP斷裂了所有特殊的化學(xué)鍵后可作為合成核糖核酸的基本原料B[ATP由一分子腺苷和3分子磷酸基團(tuán)組成，一分子腺苷包括一分子核糖和一分子腺嘌呤。當(dāng)ATP脫去所有特殊的化學(xué)鍵后就是AMP，AMP為腺嘌呤核糖核苷酸，可作為合成核糖核酸的基本原料。]3．對(duì)“ATPADP＋Pi＋能量”的敘述中，正確的是()A．①過程和②過程所需的酶都是一樣的B．①過程的能量供各項(xiàng)生命活動(dòng)利用，②過程的能量來自糖類等有機(jī)物的氧化分解C．①過程和②過程時(shí)刻發(fā)生，處于動(dòng)態(tài)平衡之中D．ATP中的能量可來源于光能、熱能，也可以轉(zhuǎn)化為光能、熱能C[①過程為水解酶催化的水解反應(yīng)，釋放的能量可供各項(xiàng)生命活動(dòng)利用，②過程為合成酶催化的合成反應(yīng)，能量來源于呼吸作用中糖類等有機(jī)物的氧化分解，在綠色植物中還可來源于光合作用吸收并轉(zhuǎn)化的光能，故A、B項(xiàng)錯(cuò)誤。生物體內(nèi)ATP的水解與合成時(shí)刻發(fā)生，處于動(dòng)態(tài)平衡之中，C項(xiàng)正確。ATP中活躍化學(xué)能可來源于光能，但不能來源于熱能；ATP中活躍化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為光能、熱能、機(jī)械能、電能等多種形式的能量，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]4．下列有關(guān)ATP的敘述，不正確的是()A．人體成熟的紅細(xì)胞在O2充足時(shí)也只能通過無氧呼吸產(chǎn)生ATPB．ATP中的能量可以來源于光能、化學(xué)能，也可以轉(zhuǎn)化為光能和化學(xué)能C．ATP是生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)，其中兩個(gè)特殊化學(xué)鍵都易斷裂、易形成D．ATP中的“A”與構(gòu)成RNA中的堿基“A”表示的不是同一物質(zhì)C[人體成熟的紅細(xì)胞無線粒體，只能進(jìn)行無氧呼吸，所以即使在O2充足時(shí)也只能通過無氧呼吸產(chǎn)生少量能量合成ATP，A正確；ATP中的能量可以來源于光能(綠色植物的光合作用)、化學(xué)能(呼吸作用有機(jī)物的氧化分解)，ATP中活躍的化學(xué)能也可以轉(zhuǎn)化為光能(螢火蟲發(fā)光)、化學(xué)能(細(xì)胞內(nèi)小分子物質(zhì)合成大分子物質(zhì))，B正確；ATP是細(xì)胞內(nèi)的直接能源物質(zhì)，在有關(guān)酶的催化作用下遠(yuǎn)離腺苷的特殊化學(xué)鍵容易斷裂也容