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

2细胞的能量“货币”ATP 目标素养 1．依据ATP的分子简式说出ATP的化学组成和特点。 2．根据ATP和ADP的相互转化解释ATP在细胞生命活动中的作用。 3．通过对ATP化学组成和结构特点的学习，认同ATP的结构与其功能相适应。 4．通过对生活实例的讨论分析，能解释“ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”的原因。 重点难点 重点 ATP化学组成的特点及其在能量代谢中的作用。 难点 通过ATP与ADP相互转化的特点，解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。 教学准备 教师准备 1．视频《荧光虫荧光素实验》《ATP与ADP的相互转化》《ATP为主动运输供能》。 2．教材梳理、搜集资料、查阅文献、准备教案和课件。 学生准备 1．复习降低化学反应的活化能的酶。 2．预习细胞的能量“货币”ATP。 导入新课 导入一 教师 课件出示夜空点点流萤的图片并展示诗句：银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤，天阶夜色凉如水，卧看牵牛织女星。 学生 朗诵诗句，观看图片，思考并回答下列问题： 1．萤火虫发光的生物学意义是什么？ 提示：萤火虫发光的生物学意义主要是相互传递信号，以便繁衍后代。 2．萤火虫体内有特殊的荧光物质吗？ 提示：萤火虫腹部后端细胞内的荧光素，是其特有的发光物质。 3．在萤火虫发光的过程中有能量转化吗？ 提示：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。 假如现在我们有一些萤火虫的发光器，还有葡萄糖溶液、生理盐水、ATP制剂和 蒸馏水，你能不能设计实验来验证细胞中的直接能源物质是ATP而不是葡萄糖？ 学生 以小组为单位设计实验方案，预测实验现象和实验结论。小组派代表分享思路。 提示：将捣碎的发光器分成等量的A、B、C三组。每组发光器中加入等量的生理盐水。在A、B、C三组中分别加入等量的ATP制剂、葡萄糖溶液和蒸馏水。预期实验现象应为只有A组的发光器发出荧光。实验结论是ATP是细胞内的直接能源物质。 教师 播放视频《萤火虫荧光素实验》。 那么为什么ATP能够直接为生命活动提供能量呢？这就是本节课我们要解决的问题。 设计意图 让学生感受中华传统文化的美妙，激发学生学习兴趣，渗透热爱自然和生命的情感。利用萤火虫的发光器设计实验方案，一方面引导学生复习了有关实验设计的要点，另一方面提高了学生的科学探究能力。 导入二 课件出示ATP注射液的说明书（部分）。 三磷酸腺苷二钠注射液 性状 本品为无色至微黄色的澄明液体 成分 三磷酸腺苷二钠 适应症 辅酶类药。用于进行性肌萎缩、脑出血后遗症、心功能不全、心肌疾患及肝炎等的辅助治疗 用法用量 肌内注射或静脉注射，一次10～20mg，一日10～40mg 学生阅读说明书，了解ATP药物的作用。 根据之前的学习，我们知道细胞中有许多能源物质，请举例。 糖类是细胞中的重要能源物质，细胞中良好的储能物质是脂肪。 那ATP是细胞中的什么物质呢？研究表明萤火虫的尾部会发生如下化学反应： 荧光素激活的荧光素荧光素酶氧化荧光素→发出荧光 研究者用小刀将数十只萤火虫的发光器割下，干燥后研磨成粉末，取四等份分别装入四支试管，各加入少量生理盐水使之混合，置于暗处，可见试管内有淡黄色荧光出现，约过15分钟荧光消失，然后进行如下操作。 由这一实验现象可以得出什么实验结论？ 使萤火虫发光的直接能源物质是ATP。 那么ATP到底是什么物质呢？这就是本节课我们要研究的内容。 教学过程 环节一：ATP是一种高能磷酸化合物 思路一 学生 阅读教材相关内容。 在学习核酸的知识的时候，我们用长方形、五边形和圆形卡片分别代表组成核酸的什么分子？ 学生，碱基、五碳糖、磷酸。 教师 碱基有哪几种？五碳糖有哪几种？ 学生碱基有A、T、C、G和U五种，五碳糖有核糖和脱氧核糖两种。 教师 给学生提供长方形、五边形和圆形卡片。 学生 结合教材知识，在各种卡片上标注它们所代表的物质，再利用胶带或订书钉构建ATP的结构模型并在全班展示。 教师 提问： 1．胶带或订书钉所代表的含义是什么？ 提示：化学键。 2．这些化学键是否相同？ 提示：这些化学键不完全相同，两个磷酸基团之间的化学键是一种特殊的化学键。 教师请继续利用刚才的卡片构建腺苷的结构模型。 学生构建腺苷的结构模型。 教师提问： 1．ATP三个字母中A、T、P分别表示什么？ 提示：A表示腺苷，T表示三个，P表示磷酸基团。 2．这里的腺苷与腺嘌呤有何关系？ 提示：腺苷是由一分子腺嘌呤和一分子核糖结合而成。 3．腺苷的核糖上再连接一个磷酸基团，这样的化合物称为什么？ 提示：腺苷的核糖上再连接一个磷酸基团，形成一个腺嘌呤核糖核苷酸。 教师 请建构腺嘌呤核糖核苷酸的模型。 教师提问 1．ATP发生什么变化，也会变成一个腺嘌呤核糖核苷酸？ 提示：ATP去掉两个磷酸基团也会变成一个腺嘌呤核糖核苷酸。 2．腺嘌呤核糖核苷酸上再连接一个磷酸基团，会变成什么物质？ 提示：腺苷二磷酸。 请用五边形表示核糖，圆形表示磷酸基团，长方形表示腺嘌呤，绘制出腺嘌呤、腺苷、腺嘌呤核糖核苷酸、腺苷二磷酸和ATP之间的关系。 学生 绘制图形。 教师那么我们为什么说ATP是一种高能磷酸化合物呢？ 偶有所得 因为磷酸基团都带有负电荷，负电荷之间相互排斥，使得两个磷酸基团之间的化学键不稳定，末端的磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，也就是说它具有较高的转移势能。当ATP在酶的作用下水解时，脱离下来的末端磷酸基团挟能量与其他分子结合，从而使后者发生变化。 由此可见，ATP水解是释放能量的过程还是储存能量的过程？ 学生ATP水解是释放能量的过程。 那么ATP释放能量后形成什么物质呢？接下来我们来讨论这一问题。 设计意图 通过逐步地建构模型，使学生对ATP的结构有了基本认识。而完善该模型，则加深了学生对ATP分子结构的理解。 思路二 学生 阅读教材相关内容和旁栏“相关信息”的内容，小组合作完成以下问题： 1．ATP的中文名称是什么？ 提示：腺苷三磷酸。 2．ATP的元素组成是什么？ 提示：C、H、O、N、P。 3．ATP的结构简式如何书写？ 提示：A-P～P～P 4．简式中A、P、一、～分别代表什么？ 提示：A代表腺苷，P代表磷酸基团，一代表普通化学键，～代表特殊的化学键。 5．腺苷由什么组成？ 提示：腺嘌呤和核糖 课件出示图片。 学生」小组合作，分析图中A～F分别表示什么。提示：A表示特殊的化学键，B表示腺嘌呤，C表示腺苷，D表示腺嘌呤核糖核苷酸，E表示腺苷二磷酸，F表示腺苷三磷酸。 教师 课件出示图片。提问：图示过程为什么容易发生？ 学生 ATP中两个相邻的磷酸基团带有负电荷而相互排斥，使得这种化学键不稳定，末端的磷酸基团具有较高的转移势能。 β位与γ位磷酸基团之间的化学键更容易断裂。ADP相互排斥的磷酸基团减少，势能降低。 图示过程是释放能量的过程，那释放的能量去哪儿了？这是我们要讨论的下一个问题。 设计意图 通过阅读教材，回答问题的形式，让学生体验发现知识的愉悦感，再通过图片分析，将与ATP有关的物质形成一个相对完整的知识网。 环节二：ATP和ADP可以相互转化 思路一 教师ATP水解后会转化为ADP，请尝试写出ATP水解的反应式，假设脱离的磷酸基团没有与其他物质结合。 学生书写反应式： ATP→{酶}ADP+Π+能量 教师该反应需要什么催化？ 酶。 教师 生物体的生命活动在不断地消耗能量，这意味着ATP在不断地水解。 课件出示资料： 成人体内的ATP的总量为2～10mg，在安静的状态下一天需要消耗的ATP为40kg，在活动状态下ATP的消耗可达0.5kg／min；在安静状态时，肌肉内ATP所释放的能量只能维持肌肉收缩1～2s。 提问：ATP在细胞内的含量多吗？生物体如何补充生命活动所需要的大量的ATP呢？ 学生ATP在细胞中含量较低。细胞对ATP的需求量较高，ATP在水解的同时需要不停地合成。 参考刚才所书写的ATP水解的反应式，请写出ATP合成的反应式。 提示： ADP+Π+能量→{酶}ATP 多 由反应式可以看出，合成ATP的过程是储存能量的过程，那么ATP合成过程中所需要的能量从哪里来呢？ 学生 对于绿色植物来说，合成ATP的能量既可以来自光能，也可以来自呼吸作用所释放的能量；对于动物、人、真菌和大多数细菌来说，合成ATP的能量均来自细胞进行呼吸作用时有机物分解所释放的能量。 思路二 教师播放视频《ATP与ADP的相互转化》。 学生小组合作，列表比较ATP合成和水解的过程。 提示： 反应式 酶 ADP＋Pi＋能量 酶 类型 ATP的合成 ATP的水解 条件（酶） 相关酶 相关酶 场所 细胞质基质、线粒体、叶绿体 活细胞内多种场所 能量来源 光能、呼吸作用释放的能量 特殊的化学键 能量去向 储存在ATP中 用于各项生命活动 ATP与ADP相互转化是可逆反应吗？ 不是，物质是可逆的，但能量不可逆，反应过程中酶和场所不同。 课件出示图片。 该图片表示三类生物体内ADP转化成ATP时所需能量的主要来源。请分析，A、B类生物分别是什么？ 学生A类生物是动物、人、真菌和大多数细菌；B类生物是绿色植物和光合细菌等。 教师ATP与ADP相互转化的能量供应机制在所有生物的细胞内都是一样的，这体现了生物界的什么性？ 学生 统一性。 通过观看视频，形象而直观地理解ATP与ADP相互转化的机制。 环节三：ATP的利用 思路一 学生 阅读教材相关内容，总结ATP水解后可用于哪些生命活动。 提示：ATP水解之后释放的能量，可用于主动运输、物质合成、肌肉收缩等。 除了教材上所举的例子，你还能举出哪些实例？ 学生胞吞和胞吐、生物放电、生物发光、细胞分裂等。 这些过程具有一个共同点，你能找出来吗？ 学生这些生理过程都需要消耗能量，都属于吸能反应。 请阅读教材中的“ATP为主动运输供能示意图”，回答下列问题： 1．参与钙离子主动运输的载体蛋白具有什么功能？ 提示：参与钙离子主动运输的载体蛋白具有运输钙离子和催化ATP水解的功能。 2．图中的载体蛋白的空间结构发生变化是可逆的吗？ 提示：是可逆的。 3．蛋白质空间结构发生变化后，蛋白质一定会变性吗？ 提示：蛋白质空间结构发生变化后，蛋白质不一定会变性，但其活性会发生改变。 4．什么叫载体蛋白的磷酸化？载体蛋白的磷酸化伴随着什么反应？ 提示：在载体蛋白这种酶的作用下，ATP分子的末端磷酸基团脱离下来与载体蛋白结合，这一过程伴随着能量的转移，称为载体蛋白的磷酸化。载体蛋白的磷酸化伴随着ATP的水解反应。 教师ATP水解总是伴随着吸能反应。以此类推，ATP合成时，常常伴随着什么反应？ 学生 ATP合成时常常伴随着放能反应。 教师 许多吸能反应与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量；许多放能反应与ATP的合成相联系，释放的能量储存在ATP中，用来为吸能反应直接供能。也就是说，能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。因此，可以形象地把ATP比喻成细胞内流通的能量“货币”。 教师 提问：能量是否能脱离物质而存在？ 学生 不能。 从能量的来源去向、反应条件、反应场所等方面可知，ATP的合成与水解过程不尽相同。因此，在ATP和ADP的相互转化过程中，什么是可逆的？什么是不可逆的？ 学生物质是可逆的，能量是不可逆的。 请从能量的来源与用途入手，绘制ATP合成和水解相互联系的图解。 提示： 设计意图 帮助学生认同ATP水解与合成的同时伴随着能量的变化，引导学生形成物质是能量流动的载体、能量是物质代谢的动力的物质和能量观。 思路二 学生ATP中的化学能可以转化为机械能、电能、光能、化学能和渗透能等。 教师 ATP水解是释放能量的过程，它常常与吸能反应相联系。反之，ATP合成是吸收能量的过程，它常常与放能反应相联系。细胞中哪些反应为放能反应呢？ 学生光合作用的光反应和呼吸作用。 教师播放视频《ATP为主动运输供能》。 学生观看视频，结合教材相关内容，描述ATP为Ca2＋主动运输供能的原理。 提示：膜内侧的与相应位点结合，可激活载体蛋白的酶活性。在载体蛋白这种酶的作用下，ATP分子的末端磷酸基团脱离，挟能量与载体蛋白结合。载体蛋白的磷酸化导致其空间结构改变，使Ca2＋的结合位点转向膜外，释放Ca2+。 课件出示图片。 学生 观察图片，总结ATP的功能。 提示：能量通过ATP分子在放能反应和吸能反应之间流通。ATP是细胞的能量“货币”，细胞中的直接能源物质。 设计意图 帮助学生认同ATP水解与合成的同时，伴随着能量的变化。形成物质是能量流动的载体、能量是物质代谢的动力的物质和能量观。 教学研讨 围绕ATP是细胞生命活动的直接能源物质这一核心概念，本教案利用杜牧优美的诗句开启新课程，让学生动手编辑ATP的模型，将抽象的问题直观化，并在此基础上进行演变，帮助学生理清腺嘌呤、腺苷、腺嘌呤核糖核苷酸、ADP、ATP之间的关系，在活动中发展学生归纳与概括、模型与建模的科学思维，逐步建构生物学概念。另外以资料的形式，展现人体内ATP需求大而含量少的矛盾，分析这样的认知冲突能够加深学生理解ATP和ADP相互转化的生物学意义。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$