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高一生物集体备课-5-2细胞的能量“通货”──ATP

[日期:2012-06-24]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:308[字体: ]

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

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

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

(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

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

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

1.ATP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 α、β、γ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γ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,ATP分子既可以水解一个磷酸基团(γ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(β磷酸基团和γ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.ATP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.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.ATP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。

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.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,可以使自己获得丰富的营养。这种现象被科学家戏称为“死亡拥抱”。此外,萤火虫发出的荧光还具有一定的警戒作用和照明作用。

萤火虫的发光器官位于腹部后端的下方,该处具有发光细胞。发光细胞的周围有许多微细的气管,发光细胞内有荧光素和荧光素酶。荧光素接受ATP提供的能量后就被激活。在荧光素酶的催化作用下,激活的荧光素与氧发生化学反应,形成氧化荧光素并且发出荧光。顺便说到,荧光是一种冷光,其发光效率可高达98%左右,而热光则发光效率低得多,如太阳的发光效率只有35%左右。
 


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