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

5.2 细胞的能量“货币”ATP 问题探讨 问题探讨 “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。”让我们重温唐代诗 人杜牧这情景交融的诗句，想象夜空中与星光媲 美的点点流萤，思考有关的生物学问题。 1.萤火虫发光的生物学意义是什么？ 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发光物质吗？ 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？ 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。 萤火虫 【相关资料】萤火虫的尾部发光细胞中有荧光素和荧光素酶。荧光素接受能量后就被激活，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。 萤火虫的发光原理 荧光素 能量 激活的 荧光素 荧光素酶 +氧气 氧化 荧光素 发出 荧光 问题：细胞内哪些物质有可能为萤火虫发光提供能量呢？是葡萄糖，脂肪，还是其他物质？ 从哪里来？ 实验：探究生命活动的直接能源物质 ①材料用具：活萤火虫数只，解剖刀，蒸馏水，葡萄糖，脂肪，ATP ③基本原理： 荧光素+能量+O2 氧化荧光素——H2O 荧光素酶 （发出荧光） 自变量： 因变量： 无关变量： 添加的物质（葡萄糖/脂肪/ATP） 是否发光 温度等 ②实验试剂：蒸馏水、葡萄糖溶液、ATP注射液等 5 ④实验设计： 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…… 1 2 3 4 15min 荧光消失 1 2 3 4 2mL蒸馏水 2mL葡萄糖溶液 2mL脂肪溶液 2mLATP溶液 暗处 1 2 3 4 无荧光出现 有荧光出现 实验结论：萤火虫发光所需的能量不是葡萄糖直接提供的，而是由ATP直接提供的。 ATP是直接的供能物质。 实验·探究 萤火虫发光需要细胞提供能量。同样，在细胞内，物质的主动运输需要能量，物质的合成需要能量，肌纤维的收缩也需要能量。这些能量从哪里来呢?我们知道，细胞中的糖类、脂肪等有机物都储存着化学能，但是直接给细胞生命活动提供能量的却是另一种有机物--ATP。 ATP的功能 ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质 有机物中的化学能 ATP中的化学能 耗能的生命过程 细胞中流通的能量“货币” 蛋白质—— 脂肪—— 糖类—— ATP—— 细胞能源物质的比喻 “不动产” “定期存款” “活期存款” “现金” ATP是生物体生命活动的直接能源物质。 为什么ATP能作为直接的能源物质呢？ ——这与ATP的结构有关。 ▲腺苷三磷酸（ ATP ）的结构式 一、ATP是一种高能磷酸化合物 1、ATP的中文名称： 腺苷三磷酸 1个腺苷（1个核糖+1个腺嘌呤），3个磷酸基团。 腺苷 2. ATP结构简式： 一、ATP是一种高能磷酸化合物 – P ~ P ~ P A P : 磷酸基团 A : 腺苷=腺嘌呤+核糖 T : 三 — : 普通化学键（1个） ～ : 特殊化学键（2个） ▲腺苷三磷酸（ ATP ）的结构式 普通化学键 特殊化学键 3. ATP的组成元素： C、H、O、N、P ~ ~ 腺嘌呤 核糖 腺苷(A) 磷酸基团 （P） P P P 一、ATP是一种高能磷酸化合物 4、特点 ①、由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因，使得这种化学键不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，也就是具有较高的转移势能。 ②ATP水解过程就是释放能量的过程。 1molATP水解释放的能量高达30.54kJ，所以说ATP是一种高能磷酸化合物 A P P ADP A P ~ P P 30.54kj/mol 腺苷二磷酸 5、ATP的供能机理：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。 ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质 腺苷(A) 特殊的化学键 腺苷一磷酸(AMP) 腺苷二磷酸(ADP) 腺苷三磷酸(ATP) （腺嘌呤核糖核苷酸） RNA的基本组成单位之一 注：脱离下来的磷酸基团如果未转移给其他分子，就成为游离的磷酸（以pi表示） 三、ATP与ADP可以相互转化 二、ATP和ADP可以相互转化 A-P～P ～P 水解酶 A-P～P ～P 合成酶 A-P～P + Pi + A-P～P + Pi + ATP水解： ATP合成： 能量 能量 A-P～P ～P 能量 A-P～P + Pi + 水解酶 合成酶 思考：ATP和ADP的相互转化是可逆反应吗？ 1、相互转化过程及能量来源 16 绿色植物 呼 吸 作 用 呼 吸 作 用 光 合 作 用 ADP +Pi + 能量 ATP 合成酶 动物和人、真菌和大多数细菌 1、相互转化过程及能量来源 ADP转化成ATP时所需能量的主要来源 17 ATP ADP +Pi + 能量 酶2（合成酶） 酶1（水解酶） 光合作用呼吸作用 各生命活动 ATP ADP Pi 能量 能量 Pi 合成酶 水解酶 ATP与ADP相互转化示意图 三、ATP与ADP的相互转化 1、相互转化过程及能量来源 项目 ATP的合成 ATP的水解 反应式 ______________ ______________ __________ ________________ 所需酶 _________________ ________________ 能量来源 ________(光合作用)、_________ (细胞呼吸) 储存在_____________中的能量 能量去路 储存于形成的______________中 用于___________________ 反应场所 _____________________________ 生物体的需能部位 ADP+Pi+能量 ATP合成酶 ATP水解酶 酶 ATP+H2O ADP+Pi+能量 酶 ATP+H2O 光能 化学能 特殊化学键 特殊化学键 各项生命活动 细胞质基质、线粒体、叶绿体 两者转化时，物质是可逆的，能量是不可逆的，酶也不相同，所以ATP和ADP的相互转化不是可逆反应。 资料分析 ATP消耗量大 ATP含量很少 矛盾 研究显示，一个成年人一天在静止状态下所消耗的ATP约有40kg；在剧烈运动的状态下，每分钟约有0.5kg的ATP转化成ADP。 1 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 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 ATP合成和水解都非常迅速 20 ①对细胞的正常生活来说，ATP在生物体内含量很少，但ATP和ADP的转化是时刻不停地发生且处于动态平衡的。 ②ATP和ADP相互的转化的能量供应机制，在所有生物的细胞内都一样，这体现了生物界的统一性。 二、ATP和ADP可以相互转化 2、ATP和ADP转化的特点 用于各种运动，如肌细胞收缩 用于大脑思考 ATP 用于细胞内各种物质合成 ATP是细胞完成生命活动的直接能源物质 生物发光、发电 主动运输 三、ATP的利用 哪些生命活动由ATP直接供能? 1、ATP为主动运输供能的机理 请同学们观看视频后，描述Ca2＋主动运输载体是如何利用ATP的? ATP水解释放的能量是如何用于上述生命活动的呢？ 1．参与Ca2+ 主动运输的载体蛋白是一种能催化ATP 水解的酶。当膜内侧的Ca2+ 与其相应位点结合时，其酶活性就被激活了。 ATP为主动运输供能示意图 二、ATP的利用 1、ATP为主动运输供能的机理 2．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，这就是载体蛋白的磷酸化。 二、ATP的利用 1、ATP为主动运输供能的机理 3．载体蛋白磷酸化导致其空间结构发生变化，使Ca2+ 的结合位点转向膜外侧，将Ca2+ 释放到膜外。 二、ATP的利用 1、ATP为主动运输供能的机理 ATP ATP水解 Ca2＋释放到膜外 Ca2＋主动运输载体 Pi与载体结合 载体空间结构改变 ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化，这些分子被磷酸化后，空间结构发生变化，活性也被改变。因而可以参与各种化学反应。 三、ATP的利用 2、ATP的供能机制 吸能反应，如蛋白质的合成 放能反应，如葡萄糖的氧化分解 3、细胞内的化学反应可以分为吸能反应与放能反应。吸能反应与ATP的水解相联系（吸水），放能反应与ATP的合成相联系。 能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。 ATP是细胞内流通的的能量“货币”！ ATP中的化学能 糖类等有机物中的化学能 直接用于各种生命活动 ATP水解 呼吸作用 正是由于细胞内具有ATP这种能量“货币”，细胞才能及时而持续地满足各项生命活动对能量的需求。 水解 合成 培育出转基因荧光树 将荧光素酶基因导入植物后，再用荧光素溶液浇灌植物，使转基因植物在黑暗中发光，从而培育出一种能发光的“荧光树”。 应用: 白天，阳光照射，公园与普通公园一模一 样。晚上，这些树就自动发光。公园里不需要路灯，一片通明。而且，光照非常柔和。 未来，夜间发光的树可能会成为街灯的天然替代品。 ATP 全称：腺苷三磷酸 结构简式： A-P～P～P ATP的来源： ATP与ADP相互转化: ATP的利用：各种形式的能量 光合作用 呼吸作用 ATP ADP+Pi+能量 水解酶 合成酶 课堂小结 正是由于细胞内具有ATP这种能量“货币”，细胞才能及时而持续地满足各项生命活动对能量的需求。 “一、二、三、五”，即一个腺苷、二个特殊化学键、三个磷酸基团、五种元素（C、H、O、N、P） 注意：ATP是一种物质，不是能量，能量储存在ATP的化学键中。 能量直接来源 主要能源物质 细胞内良好的储能物质 动物细胞内的储能物质 植物细胞内的储能物质 最终能量来源 ATP 糖类 脂肪 糖原 脂肪 淀粉 脂肪 太阳能 归 纳 请完成下列模型？ 能量来源: 作用和 作用 酶 酶 +Pi 能量来源：高能磷酸键的 。 能量去向： 高能磷酸键的 。 -Pi 能量去向： 。 反应 反应 合成 水解 光合 呼吸 形成 断裂 用于各项生命活动 ADP ATP 吸能 放能 P89练习与应用 一、概念检测 1.能准确表示ATP中三个磷酸基团之间，以及磷酸基团和腺昔之间关系的结构简式是( ) A. A--P--P～P B. A--P～P～P C. A～P～P-P D. A～P～P～P 2.下列物质中，能够直接给细胞生命活动提供能量的是( ) A.脂肪酸 B.氨基酸 C.腺苷二磷酸 D.腺苷三磷酸 3.下面关于ATP的叙述，错误的是( ) A.细胞质和细胞核中都有ATP的分布 B.ATP合成所需的能量由磷酸提供 C. ATP可以水解为ADP和磷酸 D.正常细胞中ATP与ADP的比值相对稳定 B D B 4.离子泵是一种具有ATP水解酶活性的载体蛋白，它在跨膜运输物质时离不开ATP的水解。下列叙述正确的是( ) A.离子通过离子泵的跨膜运输属于协助扩散 B.离子通过离子泵的跨膜运输是顺浓度梯度进行的 C.动物一氧化碳中毒会降低离子泵跨膜运输离子的速率 D.加入蛋白质变性剂会提高离子泵跨膜运输离子的速率 二、拓展应用 1.就细胞中的吸能反应和放能反应各举出-一个实例，并说明这些实例分别与ATP和ADP的相互转化有什么关系。 C 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,还用于ADP转化为ATP的反应,储存在ATP中. 2.同样是能源物质，AIP与葡萄糖具有不同的特点。请你概括出ATP具有哪些特点。 3.在植物、动物、细菌和真菌的细胞内，都是以ATP作为能量“货币”的，这是否也说明生物界的统一性?这对你理解生物的进化有什么启示? 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. 提示：植物、动物、细菌和真菌等生物的细胞内都具有能量“货币”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起源。 ATP不是唯一的直接能源物质，除ATP外，还有UTP、GTP和CTP。UTP是由一个尿嘧啶、一个核糖、三个磷酸连接而成的；GTP是由一个鸟嘌呤、一个核糖、三个磷酸连接而成的；CTP是由一个胞嘧啶、一个核糖、三个磷酸连接而成的。每个分子去掉两个磷酸基团后都是构成RNA的基本单位，它们的关系如下图所示： 这四种物质中，ATP是生物体的直接能源物质，当人体在运动、吸收氨基酸、葡萄糖等营养物质时都会消耗ATP，ATP是能量“货币”。GTP可用于合成蛋白质，CTP可用于合成脂质，UTP可用于合成多糖。另外，ATP中的核糖若改变为脱氧核糖，就转变为dATP(脱氧腺苷三磷酸)。 ATP拓展： Lavf58.30.100 $$