資源簡介

第5章 細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用
第2節(jié) 細(xì)胞的能量“貨幣”ATP
素養(yǎng)導(dǎo)引
1.生命觀念:運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀,說出ATP的結(jié)構(gòu)和功能。
2.科學(xué)思維:采用比較與分類,說明動植物合成ATP的來源不同。
3.社會責(zé)任:通過螢火蟲發(fā)光現(xiàn)象的研究,了解熒光素對人類生活的影響。
一、ATP及其結(jié)構(gòu)
1.中文名稱 :腺苷三磷酸。
2.結(jié)構(gòu)簡式:A-P~P~P。
3.各字母、符號的含義:
A:腺苷　P:磷酸基團(tuán)　~:一種特殊的化學(xué)鍵
4.結(jié)構(gòu)特點(diǎn):末端磷酸基團(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢能。
5.作用:是驅(qū)動細(xì)胞生命活動的直接能源物質(zhì)。
　[思考]　一個ATP分子中有幾個磷酸基團(tuán),幾個特殊化學(xué)鍵
提示:3個磷酸基團(tuán),2個特殊化學(xué)鍵。
二、ATP和ADP可以相互轉(zhuǎn)化
1.轉(zhuǎn)化過程:
(1)圖中字母A、B代表的物質(zhì)分別是磷酸、ADP。
(2)能量1的來源:
①綠色植物:光合作用和呼吸作用。
②動物、人、真菌和大多數(shù)細(xì)菌:呼吸作用。
(3)寫出ATP合成的反應(yīng)式:ADP+Pi+能量ATP。
2.轉(zhuǎn)化特點(diǎn):
(1)ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化時刻不停地發(fā)生,且處于動態(tài)平衡之中。
(2)ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的能量供應(yīng)機(jī)制,在所有生物的細(xì)胞內(nèi)都是一樣的,體現(xiàn)了生物界的統(tǒng)一性。
三、ATP的利用
1.ATP的利用:細(xì)胞中絕大多數(shù)的生命活動都是由ATP直接提供能量的,如大腦思考、主動運(yùn)輸?shù)取?br/>2.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。
　成人體內(nèi)ATP的總量2~10 mg,在安靜的狀態(tài)下一天需要消耗的ATP為40 kg,在活動的狀態(tài)下ATP的消耗可達(dá)0.5 kg/min;在安靜狀態(tài)時,肌肉內(nèi)ATP所放能量只能維持肌肉收縮1~2 s。請結(jié)合所學(xué)知識判斷:
1.ATP消耗量高但含量很少,是因?yàn)槠咸烟堑纫部梢灾苯訛樯顒犹峁┠芰俊?(×)
分析:葡萄糖不能直接提供能量。
2.體內(nèi)ATP總量少,但消耗的卻很多,是因?yàn)锳TP和ADP可以快速轉(zhuǎn)化。 (√)
學(xué)習(xí)任務(wù)一:ATP的結(jié)構(gòu)與功能
1.ATP的結(jié)構(gòu):
(1)結(jié)構(gòu)組成:①表示腺苷(A),②為特殊的化學(xué)鍵,P表示磷酸基團(tuán)。
(2)元素組成:C、H、O、N、P。
　[思考探究]　仔細(xì)觀察上圖,ATP徹底水解后會產(chǎn)生哪些物質(zhì)
提示:磷酸、腺嘌呤、核糖。
2.ATP為主動運(yùn)輸供能的機(jī)理:
(1)Ca2+載體蛋白是一種能催化ATP水解的酶。
(2)載體蛋白磷酸化:末端磷酸基團(tuán)脫離下來與載體蛋白結(jié)合。
(3)磷酸化使載體蛋白空間結(jié)構(gòu)改變。
　　　　　　　【拓展歸納】
消耗能量與不消耗能量的生理過程
(1)常見的消耗能量的生理過程:主動運(yùn)輸、蛋白質(zhì)合成、胞吞、胞吐、細(xì)胞分裂等。
(2)常見的不需要消耗能量的生理過程:自由擴(kuò)散、協(xié)助擴(kuò)散、氣體交換等。
【學(xué)習(xí)加點(diǎn)料】
1.思維易錯:蛋白質(zhì)的合成為吸能反應(yīng)還是放能反應(yīng)
提示:吸能反應(yīng)。需要的能量由ATP水解提供。
2.教材開發(fā):教材P86[相關(guān)信息]拓展
ATP中的A是腺苷,由腺嘌呤和核糖結(jié)合而成。觀察ATP的結(jié)構(gòu)式,試想一下,ATP水解去掉兩個磷酸基團(tuán)后,剩余部分的組成是什么 是組成哪種物質(zhì)的基本單位
提示:由一分子腺嘌呤、一分子核糖和一分子磷酸基團(tuán)構(gòu)成。剩余部分為腺嘌呤核糖核苷酸,是RNA的基本單位之一。
　下圖為ATP分子結(jié)構(gòu)式。下列相關(guān)敘述正確的是 (　　)
A.圖中五碳糖為脫氧核糖
B.ATP的組成元素有C、H、O、N、P
C.1個ATP分子由1個腺嘌呤和3個磷酸基團(tuán)組成
D.靠近腺苷的磷酸基團(tuán)有較高的轉(zhuǎn)移勢能
[解題思維]
提取關(guān)鍵點(diǎn) ATP的分子結(jié)構(gòu)式
轉(zhuǎn)化知識點(diǎn) ATP中的A由腺嘌呤和核糖組成;ATP的組成
排除障礙點(diǎn) ATP中有3個磷酸基團(tuán),遠(yuǎn)離A的磷酸基團(tuán)有較高的轉(zhuǎn)移勢能
【解析】選B。圖中五碳糖為核糖,A錯誤;ATP的組成元素有C、H、O、N、P,B正確;1個ATP分子由1個腺嘌呤、3個磷酸基團(tuán)和一個核糖組成,C錯誤;ATP中遠(yuǎn)離腺苷的磷酸基團(tuán)有較高的轉(zhuǎn)移勢能,D錯誤。
　[借題發(fā)揮]　根據(jù)ATP的命名規(guī)律來猜想一下,若把圖中的核糖換成脫氧核糖后形成的物質(zhì)名稱是什么
提示:脫氧腺苷三磷酸。
1.當(dāng)其他條件均可滿足時,20個腺苷和90個磷酸分子最多可以組成的ATP個數(shù)和ATP分子中所含的特殊的化學(xué)鍵個數(shù)分別是 (　　)
A.20和30 B.20和40
C.40和40 D.30和60
【解析】選B。1個ATP分子中含有1個腺苷、3個磷酸基團(tuán)、2個特殊的化學(xué)鍵,所以20個腺苷和90個磷酸分子最多能組成20個ATP,共含有20×2=40(個)特殊的化學(xué)鍵。
2.某同學(xué)將螢火蟲的尾部組織取下 ,曬干并磨碎,分別將等量的粉末放入四支試管中,然后加入水,開始出現(xiàn)熒光,過一段時間后熒光就消失了,然后在四支試管中分別加入等量的ATP、葡萄糖、蛋白質(zhì)和脂肪,則試管中重新發(fā)亮的是 (　　)
【解析】選A。ATP是細(xì)胞驅(qū)動生命活動的直接能源物質(zhì),可以為螢火蟲的發(fā)光器提供能量使其發(fā)光,而葡萄糖、蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物不能為生命活動直接提供能量,需要先經(jīng)過氧化釋放能量合成ATP再為各種生命活動提供能量,故試管中重新發(fā)亮的是加入ATP的試管,A正確,B、C、D錯誤。
學(xué)習(xí)任務(wù)二:ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化
項(xiàng)目 ATP的合成 ATP的水解
反應(yīng)式 能量+Pi+ADPATP ATPADP+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) 儲存在特殊化學(xué)鍵中的化學(xué)能
能量去路 儲存于特殊化學(xué)鍵中 用于各項(xiàng)生命活動
　(1)ATP合成所需能量的來源:
①動物和人:細(xì)胞呼吸。
②綠色植物:光合作用和細(xì)胞呼吸。
(2)由于反應(yīng)條件、能量等均不相同,因此ATP和ADP的轉(zhuǎn)化不是可逆反應(yīng)。
[思考探究]　
　ATP合成過程中存在能量的轉(zhuǎn)化,請用文字和箭頭寫出能量轉(zhuǎn)化的過程。
提示:①光能→ATP中的化學(xué)能;②有機(jī)物中的化學(xué)能→ATP中的化學(xué)能。
　　　　　　　【拓展歸納】
ATP的特點(diǎn)
(1)高能量:ATP水解釋放的能量高達(dá)30.54 kJ/mol,是細(xì)胞中的一種高能磷酸化合物。
(2)不穩(wěn)定:末端磷酸基團(tuán)有較高的轉(zhuǎn)移勢能。
(3)含量少:ATP在細(xì)胞內(nèi)含量很少,但轉(zhuǎn)化是時刻不停地發(fā)生。
【學(xué)習(xí)加點(diǎn)料】
　思維易錯:同樣是能源物質(zhì),ATP與葡萄糖具有不同的特點(diǎn),請從能量的角度概括出ATP有哪些特點(diǎn)。
提示:(1)ATP分子中含有的化學(xué)能較少;
(2)ATP結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,能量容易釋放。
　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M的合成相聯(lián)系
C.物質(zhì)M的元素組成是C、H、O、N
D.M、N間的相互轉(zhuǎn)化過程是不可逆反應(yīng)
[解題思維]
提取關(guān)鍵點(diǎn) 圖中為①②代表物質(zhì)M、N間的相互轉(zhuǎn)化過程
轉(zhuǎn)化知識點(diǎn) N轉(zhuǎn)變?yōu)镸時需要能量和Pi,所以N為ADP,M為ATP;能量c可以來源于光能和化學(xué)能,能量d用于各項(xiàng)生命活動
排除障礙點(diǎn) ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化不是可逆反應(yīng)
【解析】選D。螢火蟲體內(nèi)ATP的合成過程所需的能量c可來源于細(xì)胞呼吸氧化分解有機(jī)物釋放出來的化學(xué)能,A錯誤;吸能反應(yīng)一般和ATP 的水解相聯(lián)系,放能反應(yīng)一般與ATP的合成相關(guān)聯(lián),B錯誤;物質(zhì)M即ATP,中文名稱為腺苷三磷酸,其元素組成是C、H、O、N、P,C錯誤;M、N間的相互轉(zhuǎn)化過程是不可逆反應(yīng),因?yàn)锳TP 合成所需能量與ATP 釋放出來的能量不是同一部分能量,D正確。
　　 [借題發(fā)揮]　試舉例說出能使②過程加快的生理過程。
提示:主動運(yùn)輸、肌肉收縮。
1.(2020·山東合格考)如圖為ATP的結(jié)構(gòu)示意圖,其中甲、乙和丙表示構(gòu)成ATP的小分子物質(zhì),a、b表示某種化學(xué)鍵。下列敘述錯誤的是 (　　)
A.甲表示磷酸基團(tuán)
B.乙表示脫氧核糖
C.丙表示腺嘌呤
D.a、b表示特殊的化學(xué)鍵
【解析】選B。圖示為ATP的結(jié)構(gòu),甲為磷酸基團(tuán),乙為核糖,丙為腺嘌呤,a、b為特殊的化學(xué)鍵。
2.下圖是ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的示意圖,①②表示相關(guān)反應(yīng)。有關(guān)敘述正確的是 (　　)
ATPADP+Pi+能量
A.ATP分子中的五碳糖是脫氧核糖
B.①和②需要的酶是同一種酶
C.①②過程在活細(xì)胞內(nèi)時刻不停地發(fā)生
D.人體肌細(xì)胞中儲存著大量的ATP
【解析】選C。ATP分子中的五碳糖是核糖,A錯誤;①需要的酶是ATP的水解酶,②需要的酶是ATP的合成酶,B錯誤;ATP和ADP時刻不停發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,從而保證細(xì)胞對ATP的大量需求,C正確;人體肌細(xì)胞中儲存著少量的ATP,D錯誤。
分子馬達(dá)——ATP合酶
　　　ATP合酶,又稱F0F1-ATP酶,在細(xì)胞內(nèi)可催化能源物質(zhì)ATP的合成。在呼吸或光合作用過程中通過電子傳遞鏈釋放的能量先轉(zhuǎn)換為跨膜質(zhì)子(H+)梯度差,之后質(zhì)子流順梯度差通過ATP合酶使ADP+Pi合成ATP。
(1)ATP合酶應(yīng)廣泛分布于______________等細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)上。
(2)推測好氧型細(xì)菌細(xì)胞的__________上存在該酶,據(jù)圖分析。理由是______________________________________________________。
(3)科學(xué)家發(fā)現(xiàn),一種化學(xué)結(jié)構(gòu)與ATP相似的物質(zhì)——GTP(鳥苷三磷酸)也能為細(xì)胞的生命活動提供能量,請從化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度解釋GTP也可以供能的原因:______________________________________________。
【解析】(1)據(jù)題干信息“在呼吸或光合作用過程中通過電子傳遞鏈釋放的能量先轉(zhuǎn)換為跨膜質(zhì)子(H+)梯度差,之后質(zhì)子流順梯度差通過ATP合酶使ADP+Pi合成ATP”可知,ATP合酶應(yīng)廣泛分布于線粒體、葉綠體等細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)上。
(2)據(jù)圖分析可知,由于該酶與生物膜結(jié)合后能催化ATP的合成,好氧型細(xì)菌能進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)生ATP,而好氧型細(xì)菌的膜結(jié)構(gòu)只有細(xì)胞膜,故推測好氧型細(xì)菌細(xì)胞膜上存在該酶。
(3)由于GTP(鳥苷三磷酸)含有兩個特殊的化學(xué)鍵,遠(yuǎn)離鳥苷的特殊的化學(xué)鍵容易水解斷裂,其化學(xué)結(jié)構(gòu)是與ATP相似,故GTP也能為細(xì)胞的生命活動提供能量。
答案:(1)線粒體、葉綠體
(2)細(xì)胞膜　該酶與生物膜結(jié)合后能催化ATP的合成,而好氧型細(xì)菌的膜結(jié)構(gòu)只有細(xì)胞膜
(3)含有兩個特殊化學(xué)鍵,遠(yuǎn)離鳥苷的化學(xué)鍵容易水解斷裂,釋放能量
情境載體 情境類型為生活、學(xué)習(xí)和實(shí)踐情境,突出與生活的聯(lián)系
關(guān)鍵能力↓圖文轉(zhuǎn)化 ①凸出于膜外的F1和嵌入膜內(nèi)的F0②呼吸或光合作用過程中通過電子傳遞鏈釋放的能量先轉(zhuǎn)換為跨膜質(zhì)子(H+)梯度差,之后質(zhì)子流順梯度差通過ATP合酶使ADP+Pi→ATP
學(xué)科素養(yǎng) 培養(yǎng)生命觀念中的結(jié)構(gòu)與功能觀、科學(xué)思維中的分析與比較等素養(yǎng)
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