5.2细胞的能量“货币”ATP课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

细胞的能量“货币”ATP 年 级：高一 学 科：生物（人教版） 同学们，今天我们一起来学习细胞的能量货币“ATP”。我们知道，细胞是一刻不停地在进行各项的生命活动，需要不断有能量供应，那细胞是如何获取能量的呢？下面，我们从萤火虫的发光说起 1 问题探讨(课本P86） 夏天晚上，我们可以在野外看到萤火虫发出点点的荧光，发光是萤火虫特有的一种生命活动 2 问题探讨(课本P86） 萤火虫 １、萤火虫发光有的生物学意义是什么？ 2、萤火虫体内有特殊的发光物质吗？ 3、萤火虫发光的过程有能量转化吗？ 相互传递信号，以便繁衍后代 对于萤火虫而言，发光是为了传递求偶的信号，是与萤火繁衍密切相关的活动。萤火虫为什么能发光？这个过程中有能量的转化吗 3 萤火虫 荧光素 能量 + O2 荧光素酶 发光器 氧化 荧光素 有机物 发光物质 化学能→光能 问题探讨(课本P86） 原来，在萤火虫的腹部有发光器，发光器中含有荧光素和荧光素酶，荧光素就是能发光的特殊物质，而荧光素酶，能催化荧光素与氧反应，形成氧化荧光素并发出荧光。光是一种能，在这个过程中，必然有细胞中的有机物为该过程提供能量，并发生了能量转化 4 萤火虫 荧光素 能量 + O2 荧光素酶 发光器 氧化 荧光素 有机物 发光物质 问题探讨(课本P86） ？ 那么，为这个过程提供能量的有机物是什么呢？ 5 葡萄糖：生命活动的主要能源物质，是“生命燃料”。 脂肪：细胞中的主要储能物质 复习：细胞中的能源物质 思考：它们是为萤火虫发光提供能量的有机物吗？ 在前面的学习，我们知道，葡萄糖是“...生命的燃料”，脂肪是.....，那它们是....吗？ 我们通过一个实验去探究一下 6 ATP溶液 （2ml） 脂肪溶液 （2ml） 葡萄糖溶液 （2ml） 蒸馏水（2ml） 实验材料： 1）发光器粉末 （含荧光素、荧光素酶） 2）葡萄糖溶液 脂肪溶液 ATP溶液 原有能量消耗完毕 首先，我们对萤火虫的发光器进行处理，使其成为粉末，在这些粉末中就含有了荧光素和荧光素酶。将等量的粉末加入到ABCD四个试管内，约15分钟后，试管的荧光就消失了，说明发光器内原有的能量消耗完毕，这时，我们向4个试管加入等量的........ 7 ATP溶液 （2ml） 脂肪溶液 （2ml） 葡萄糖溶液 （2ml） 蒸馏水（2ml） 自变量： 因变量： 对照组： 实验组： 结果： 结论： 加入的物质 是否发光 A管 B、C、D管 实验结果 只有D管发光 ATP为发光过程供能 在学习酶一节时，我们曾经学习过对照实验与变量分析，同学们看，这个实验，也是一个对照实验，自变量是....因变量是....， 通过这个实验，我们可以知道为萤火虫发光直接提供能量的是ATP 8 思考：提供能量的物质是什么？ 萤火虫 荧光素 能量 + O2 荧光素酶 发光器 氧化 荧光素 有机物 ATP 9 一、ATP的功能 ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质 课本86，第2段 而ATP，就是细胞生命活动的直接能源物质。 ATP为什么具有这样的功能？我们还是从它的结构去了解吧 10 二、ATP的结构 课本86，旁栏 课本86页旁栏给出了ATP的结构式，我们把它放大来认识一下 11 二、ATP的结构 腺苷（A） ATP（腺苷三磷酸） ADP（腺苷二磷酸） Double--“二” Tri--“三” ATP的组成包括1分子的腺嘌呤，一分子核糖和3个磷酸基团，其中，腺嘌呤与核糖组成了腺苷，再加上3个磷酸，就成为腺苷三磷酸了，英文缩写就是ATP；若腺苷连接的磷酸基团从3个变成2个，那就称为腺苷二磷酸，ADP，D、T其实是英文词根2、3的首字母 12 二、ATP的结构 A — P ～ P ～ P 结构 简式 腺苷 磷酸基团 特殊的化学键 课本86，第3段 不稳定 易转移 ATP的结构可以先写为A连接3个P的简式，其中A代表..P代表磷酸，特别要注意的是三个磷酸基团通过特殊的化学键连接的，用波浪线表示。这两个化学键的特殊之处是不稳定，容易在酶的作用下水解断裂。我们观察一下三个磷酸基团，它们都带有负电，使它们相互排斥，因为彼此间的化学键不稳定，特别是最外面的那个磷酸，有较高的转移势能。 13 三、ATP与ADP的相互转化 课本86，第3段 A—P ～ P ～ P ADP + Pi + 能 酶 30.54KJ 因此，ATP在酶的作用下，就会水解生成ADP和1分子的磷酸，同时将转移势能释放出来，能量值是30.54千焦。所以，ATP是一种高能磷酸化合物。ATP释放出来的能量是怎么被利用到生命活动中去的呢？下面我们来看一个物理小实验 14 我们 用三个乒乓球代表3个磷酸基团，2个弹簧代表连接他们的不稳定的化学键，下面我们释放第3个小球，模拟在酶的作用下，最外面的化学键水解，释放出一个磷酸，仔细观察，当磷酸击中小盒子的时候，发生来什么现象？对来，小盒子发生来位移 15 三、ATP与ADP的相互转化 A—P ～ P ～ P ADP + Pi + 能 酶 结 合 转 移 完成某项生命活动 磷酸化 课本88，最后一段 弹簧势能→动能 小纸盒的位移说明了在碰撞的过程中，乒乓球的势能转化为纸盒的动能；ATP水解释放出的磷酸基团，也和这个过程类似，当磷酸基团与相关分子结合时，磷酸基因所携带的转移势能就传递给这些分子，使其发生变化，从而完成一定的生命活动。我们把这样的过程成为磷酸化 16 下面，我们通过一个视频来了解一下，钙离子载体蛋白是如何通过磷酸化来完成对钙离子的主动运输的 17 ①Ca2+与载体蛋白结合，使载体蛋白的酶活性被激活，催化ATP水解 课本88，图5-7 ②ATP水解产生的Pi与载体蛋白结合，伴随能量转移--载体蛋白磷酸化 课本88，图5-7 ③载体蛋白磷酸化导致其空间结构改变，完成转运功能 课本88，图5-7 肌肉收缩过程 示意图 原理：两种不同的肌肉蛋白相互滑动 除了主动运输，肌肉的收缩也是通过磷酸化来实现的。图中的肌肉收缩的示意图，原来，肌肉的收缩是通过两种不同的肌肉蛋白相互滑动来实现 肌肉收缩过程 示意图 肌球蛋白的头部能与ATP结合，且含ATP酶，当ATP水解时，肌球蛋白就实现自身磷酸化，结构改变，继而完成相应的功能。 肌球蛋白 我们再看一下更微观的示意图，可以看到，有一种特殊的结构在摆动，这些摆动的结构其实是一个个的肌球蛋白分子。肌球蛋白分子分为杆部和头部，在头部有ATP的结合位点，也有水解ATP的功能，当ATP被水解时，肌球蛋白就实现磷酸化，发生结构改变，从而完成相应的功能 葡萄糖 + 果糖 → 蔗糖 氨基酸 + 氨基酸 → 二肽 除了萤火虫发光、主动运输、肌肉收缩外，细胞中物质的合成也需要ATP来提供能量，例如.....因此，所有的生命活动都离不开ATP的水解供能 ATP ADP Pi 主动运输 物质合成 肌肉收缩 …… 能量 生物发光 ATP 是驱动细胞生命活动的直接能源物质 水解 ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质 联系生活：校园里各项消费用什么方式支付? 饭堂吃饭 小卖部买零食 洗澡用热水 讲到这里，我们可以联系一下我们的校园生活。校园里的各种消费，同学们是如何支付的？对，现在很多学校都是用校园卡来支付校园消费的 ATP 充值 支付 校园开销 生命活动 葡萄糖等能源物质 校 园 细 胞 ATP在细胞中，就好像校园卡那样，所有的能量支付都是由ATP来直接提供。我们想想，自己校园卡内的钱是用不完的吗？当然不是，当余额不足，我们就要往卡里充值了。同样的，ATP水解释放了能量后，也需要充值，是什么物质给ATP充值呢？就是我们的葡萄糖 ATP ADP Pi 主动运输 物质合成 肌肉收缩 …… 能量 生物发光 合成 能量 葡萄糖（化学能） 呼吸作用 吸能反应 放能反应 ATP “充值” “支付” 水解 能量通过ATP 在放能反应和吸能反应之间流通 ADP和磷酸在接受能量后又可以重新合成ATP，而葡萄糖就是为ATP的合成提供能量的主要来源。葡萄糖通过氧化分解释放出能量，这个过程就是呼吸作用。我们将在后面的章节继续学习。我们把细胞中主动运输、肌肉收缩这类要ATP水解提供能量的反应成为吸能反应，而像呼吸作用这类，释放能量储存在ATP中的反应称为放能反应，也就是说，吸能反应需要ATP支付能量，而放能反应是为ATP充值能量，可以看到，能量就是通过ATP在方能反应和吸能反应之间流通 ATP ADP Pi 主动运输 物质合成 肌肉收缩 …… 能量 生物发光 合成 能量 葡萄糖（化学能） 呼吸作用 水解 思考：人体内ATP的含量很多吗？ 成人体内ATP总量约2~10mg，人体安静状态下，肌肉内ATP含量只能供肌肉收缩1~2s。 2 成年人一天在静止状态下所消耗的 ATP约有40kg；剧烈运动状态下，每分钟约有0.5kg的ATP转化成ADP。 1 含量少 消耗多 矛盾 每个细胞每秒钟可合成约1000 万个ATP 且同时有等量 ATP 被水解 3 快速转化 动态平衡 我们来看一下以下2段资料；资料1说明，资料2说明...，细胞是如何解决这样的矛盾的呢？我们再看资料3。说明，细胞中，ATP与ADP是快速...而且动态平衡，这样，即使身体在大量消耗ATP，ATP的数量也能保持相对稳定 2024/8/19 29 ATP ADP Pi 能量 能量 吸能 反应 放能 反应 ATP与ADP的快速相互转化且保持动态平衡。 合成 水解 ATP 校园消费 生命活动 葡萄糖等能源物质 校 园 细 胞 妈妈， 给我充钱啦！ 转换一刻不停、快速、动态平衡 我们再来类比校园卡和ATP，我们的校园卡里的金额能保持相对稳定吗？但是，我们细胞中的ATP就通过。。。。保持相对稳定 1 mol葡萄糖彻底氧化分解可以释放能量2870kJ，1 mol ATP水解可以释放能量30.54kJ。 2 葡萄糖分子含的是稳定的化学能，分解速度慢；ATP分子中的是活跃的化学能，分解速度快。 1 ATP释放能量快 思考：为什么葡萄糖不能作为直接的能源物质？ （约94倍） ATP能量值低，适用各项生命活动 学到这里，同学们大概会产生这样的疑问，校园里为了避免同学们携带大量的现金而采用校园卡来消费，那细胞中，为什么不能使用葡萄糖作为直接的能源物质而是选择了ATP呢？我们来看2个对比 2024/8/19 32 人类曾以贝壳作为货币 我们不妨回到远古的人类社会，在货币出现前，人们通过物物交换的方式来获取自己需要的东西。但物物交换会出现交换不对等的情况。例如，我只有一头牛，它的价值相当于这边小物件的总和，可是，如果我只想要2把斧子，这个交易就难以完成。后来，人们就想出来用贝壳作为交换的中介，这样，把牛兑换成若干个贝壳，就可以用相应的贝壳去交换所需的小物品了。而贝壳，就是人类早期的货币形式了 ATP 30.54KJ 主动运输 肌肉收缩 氨基酸脱水缩合 ...... 葡萄糖 2870KJ n个 ATP是细胞中的能量货币 葡萄糖含的能量值高，相当于一头大牛，而主动运输、肌肉收缩这些吸能反应就相当于一些小物件，直接用葡萄糖功能会导致能量的浪费，把葡萄糖兑换成若干个ATP，为不同的生命活动供能，是更高效、节能的好方式。因此，ATP就是细胞中的能量货币 课本87，图5-5 除了葡萄糖中的化学能能用于合成ATP，植物还能通过光合作用将光能储存在ATP中 ATP ADP Pi 主动运输 物质合成 肌肉收缩 …… 能量 生物发光 能量 葡萄糖（化学能） 呼吸作用 光能 光合作用 光能、有机物中的化学能均要转换成ATP中的化学能才能被细胞利用 合成 水解 因此，合成ATP的途径有呼吸作用和光合作用。通过两个作用，有机物中的化学能、光能就转化为ATP中的化学能供应给各项生命活动了 联系生活：生产、生活中通用的能源是什么？ 电能 我们再来联系一下我们日常的生产生活实际，生产生活中，通用的能源是什么？ 电能 青海省西蒙古族藏族自治州 新疆达坂风力发电城 三峡大坝 我们所用的电能，是各类发电厂将不同形式的能转化而来。这样，我们就更充分地利用了自然界不同的能量了 每种系统都有其通用的“货币” ATP 校园消费 生命活动 校 园 细 胞 电能 生产生活 现 代 社 会 生物界的统一性 课堂小结 一、ATP的功能：是细胞生命活动的直接能源物质 二、ATP的结构简式： 三、ATP与ADP的相互转化： ATP是细胞的能量“货币” A — P ～ P ～ P 40 Lavf58.30.100 $$