5.2 细胞的能量“货币”ATP（教学设计）生物人教版2019必修1

该高中生物学教学设计聚焦ATP的结构、ATP与ADP的相互转化及ATP的利用核心知识点。通过李白《咏萤火》诗句与萤火虫发光视频导入，衔接已学核苷酸、糖类等有机物知识，为后续细胞呼吸和光合作用的能量代谢学习搭建支架。 特色在于情境创设与实证探究结合，构建ATP结构模型培养结构与功能观（生命观念），分析同位素标记实验、肌酸激酶数据等资料发展科学思维，探究萤火虫发光供能物质落实科学探究。融入医学应用案例渗透社会责任，丰富视频与模型素材助学生理解能量“货币”本质，为教师提供素养导向教学方案。

第5章  细胞的能量供应和利用 第2节 细胞的能量“货币”ATP 年级 高一年级 授课时间 1课时 课题 第2节　细胞的能量“货币”ATP 教材分析 本节以探讨萤火虫发光原理切入，对ATP的结构与功能、ATP与ADP的转化、ATP的利用进行了全面介绍。本节课在结构上，ATP可与已学的核苷酸相联系；在功能上，学习ATP作为直接能源物质为学习细胞呼吸及光合作用过程的物质能量变化做铺垫，也为进一步解释细胞是如何不断且快速实现细胞代谢活动提供理论基础。 本节内容是在学生掌握了细胞中的有机物蛋白质、 糖类、脂肪等在细胞中的作用等知识的基础上安排的教学内容，教材中ATP水解释放出能量促使主动运输中载体蛋白的磷酸化的典型意义，有助于第4章“主动运输”的学习。ATP是生命活动的直接能源物质，在细胞代谢中具有重要作用，在细胞呼吸、光合作用中会产生ATP,因此本节内容是后续章节学习的基础，具有承前启后的作用。 教学目标 【课标要求】 概念2 细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖 2.2 细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域 2.2.2 解释ATP 是驱动细胞生命活动的直接能源物质 【素养目标】 1、 从物质与能量观、结构与功能观认同ATP是细胞的能量“货币”。(生命观念） 2、 比较、归纳ATP与RNA、DNA、ADP之间的关系、各种能源物质的区别；描述ATP释放能量的过程。（科学思维） 3、 探究使萤火虫发光的物质，确认ATP是直接能源物质。（科学探究） 4、 关注ATP在生命活动中作用和在医学上的运用，对探索生命奥秘充满热情，热爱自然，珍爱生命。（社会责任） 教学重、难点 【教学重点】ATP的结构、ATP和ADP的转化、ATP的利用 【教学难点】ATP的结构、ATP与RNA的关系、ATP的功能 教学过程 教学内容 教师活动 学生活动 新课导入 【问题探讨】 “雨打灯难灭，风吹色更明。若非天上去，定作月边星。”——唐·李白《咏萤火》 萤火虫是怎么发光的呢？ 观看视频，认识萤火虫的发光原理。为萤火虫发光提供能量的ATP是什么物质呢？它为什么能为生命活动提供能量呢？ 通过诗和视频引发学生思考ATP的什么，有什么功能，导入本节课，激发学生兴趣。 观看视频，思考并回答问题。 新知探究 一、ATP是一种高能磷酸化合物 【探究活动1】ATP的结构 ATP是生命活动的直接能源物质，观察教材P86的ATP的结构式，构建ATP结构模型。 思考以下问题： 1.图中①②③的结构分别代表什么？ 2.腺苷是由图中哪些结构组成的？ 构建ATP结构模型： 观察构建的ATP模型，阅读教材P86，小组合作讨论以下问题： 1.ATP的组成元素有哪些？ 2.ATP的中文名称是什么？ 3.ATP的结构简式是什么？A、T、P、—、～分别代表什么？ 4.ATP的A具体指什么结构？包含哪几部分？与我们以前学过的DNA、RNA中的A有什么区别？ 5.ATP中的能量储存在哪里？ 6.为什么ATP能够提供能量呢？为什么它是一种高能磷酸化合物？ 学习小结： 1.ATP的结构 ·组成ATP的元素有_________________。 ·ATP是_____________的英文名称缩写，其结构简式____________。 ·A代表______，T代表“三”，表示含有3个磷酸基团，P代表___________，“—”代表普通的化学键，“~”代表______________。 ·ATP主要通过_________________储存能量。 仔细观察ATP结构简图，思考问题：ATP中的A，与我们以前学过的DNA、RNA中的A有什么区别？ 明确不同化合物中“A”的含义： 思考：为什么说ATP是一种高能磷酸化合物？ 【探究活动2】ATP供能的机制 资料1： α、β和γ表示ATP上三个磷酸基团所处的位置(A－Pα～Pβ～Pγ)，现有甲、乙两组ATP溶液，甲组用32P标记ATP的β位的磷酸基团，乙组用32P标记ATP的γ位的磷酸基团，然后分别加入等量的ATP水解酶，短时间后迅速分离溶液中游离的磷酸基团，结果发现只有乙组中游离的磷酸基团带有放射性。 思考：ATP中的两个特殊化学键都断裂吗？从实验结果ATP中哪一个化学键更容易断裂？为什么？ 结合ATP的结构特点，思考： 1.为什么ATP能够提供能量呢？ 2.为什么ATP是一种高能磷酸化合物？ 思考：萤火虫发光需要能量。糖类、脂肪这些物质能为萤火虫发光直接供能吗? 思考并回答问题： 1.①腺嘌呤；②核糖； ③磷酸基团。 2.腺嘌呤、核糖。 认真观察ATP结构，小组合作讨论问题，认识ATP的结构。 完成填空。 回顾“核酸”相关内容，完成表格。 阅读材料：思考并回答问题：β位与γ位磷酸基团之间的化学键更容易断裂。 ATP的供能机制：特殊化学键不稳定，末端磷酸基团具有较高的转移势能。磷酸基团携带着转移的“势能”与其他分子结合，使其发生变化。 ATP能够直接为生命活动提供能量，是驱动生命活动的直接能源物质。1molATP水解释放的能量高达30.54kJ，所以ATP是一种高能磷酸化合物。 新知探究二、ATP与ADP之间的相互转化 【探究活动3】ATP与ADP的相互转化 资料1：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。 资料2：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。 资料3：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。 根据以上资料，你能得出什么结论？ 资料4：磷酸肌酸是一种高能磷酸化合物，它能在肌酸激酶的催化下将自身的磷酸基团转移到ADP分子中来合成ATP。研究者对蛙的肌肉组织进行短暂电刺激，检测对照组和实验组(肌肉组织用肌酸激酶阻断剂处理)肌肉收缩前后ATP和ADP的含量，结果如表所示。 腺苷磷酸 对照组/(10－5 mol·g－1) 实验组/(10－5 mol·g－1) 收缩前 收缩后 收缩前 收缩后 ATP 1.30 1.30 1.30 0.75 ADP 0.60 0.60 0.60 0.95 思考：为什么对照组ATP和ADP含量没有变化，实验组ATP含量减少，ADP含量上升？ 提示：肌肉收缩会消耗ATP生成ADP，对照组中由于存在肌酸激酶，所以ADP在酶的作用下可以重新生成ATP，而实验组由于缺乏肌酸激酶，ADP不能生成ATP，所以对照组ATP和ADP含量没有变化，实验组ATP含量减少，ADP含量上升。 1.ATP的水解 写出ATP水解的反应式。 2.ATP的合成 写出ATP合成的反应式。 资料5：催化ATP合成的酶主要分布在线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上。ADP接受细胞呼吸中有机物氧化分解释放的能量或光合作用中捕获的光能，与游离的Pi结合，重新合成ATP。 3.ATP与ADP之间的相互转化 根据以上分析，请完善ATP与ADP相互转化的模型图： 思考ATP的水解与合成是可逆反应吗？完成表格，得出结论。 人、动物、真菌、多数细菌等的能量来源是呼吸作用有机物的氧化分解。绿色植物除了来自呼吸作用，还可来自光合作用。硝化细菌还可以来自化能合成作用。形成ATP后，将能量储存在ATP特殊的化学键中。 ATP和ADP的相互转化是一种动态平衡，使能量能够循环流通。ATP水解，能量来源是ATP中特殊的化学键断裂，去路是用于各项生命活动（吸能反应）。ATP合成，能量来源是放能反应，如呼吸作用、光合作用、化能合成作用，去路是储存在ATP的特殊化学键中。 资料1结论：ATP消耗量多。 资料2结论：体内ATP储量很少。 资料3结论：ATP合成和水解都非常迅速，ATP在水解的同时还在源源不断的合成，ATP与ADP可以互相转化。 ATP→ADP＋Pi＋能量 ADP＋Pi＋能量→ATP 结论：物质是可逆的，能量是不可逆的，酶也不相同，因此ATP和ADP的相互转化不是可逆反应。 新知探究三、ATP的利用 【探究活动4】ATP的利用 阅读教材P86~87，小组合作讨论以下问题： 1.ATP水解后可以直接用于哪些生命活动？ 2.ATP水解释放的能量如何用于各项生命活动? 3.ATP可以转化为哪些形式的能量？ 4.ATP如何为主动运输供能？如何让蛋白质等分子磷酸化的？ 结合课本图解，引导学生分析回答：ATP水解后可用于哪些生命活动？ 进一步提问：你能补充其他ATP利用的实例吗？ 结合钙离子载体、钠钾泵、驱动蛋白的实例，介绍ATP能用于主动运输或细胞内的物质运输。 在学生列举事例后归纳概括出ATP水解释放的能量用于各项生命活动。 思考：为什么将ATP称作能量的“货币”？ 综合分析，完善能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通模式图。 如果蛋白质相当于“不动产”，那么脂肪、糖类、ATP相当于什么呢？脂肪就是“定期存款”，糖类是“活期存款”，那么ATP就相当于“现金”。所以，ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，它是细胞中流通的能量“货币”。 质疑： 1.ATP只能作为能源物质吗？ 资料1：20世纪50年代，研究者发现ATP在神经系统的信息传递中可以作为一种兴奋性的神经递质发挥作用，并且在内脏、中枢及外周神经系统等多个部位的细胞质膜上发现了ATP受体，可见ATP还是一种能在细胞间传递信息的信号分子。 结论：_______________________________________________。 2.还有其他的直接能源物质吗？ 资料2：如果将ATP中的碱基A替换为G、U、C，分别为鸟苷三磷酸、尿苷三磷酸和胞苷三磷酸，一起组成NTP家族，其脱去核糖第二位C上的O原子组成dNTP家族，均为高能化合物。 结论：_______________________________________________。 归纳小结：生物体内的能源物质 能源物质：糖类、脂肪、蛋白质、ATP。 主要能源物质：糖类。 储能物质：脂肪、淀粉(植物细胞)、糖原(动物细胞)。 主要储能物质：脂肪。 直接能源物质：ATP。 最终能量来源：太阳能（由绿色植物等生物通过光合作用固定）。 通过ATP利用的讲解，认识ATP水解释放的能量可以用于各项生命活动，为其他生命活动直接供能，转化为其他形式的能。 ATP是一种能源物质，也是能在细胞间传递信息的信号分子。 除了ATP外，鸟苷三磷酸GTP、尿苷三磷酸UTP和胞苷三磷酸CTP，也可以直接供能。 随堂检测 1．下列关于ATP分子的叙述，正确的是（    ） A．A表示腺嘌呤，P表示磷酸基团 B．ATP分子中含有C、H、O、N、P五种元素 C．1 mol ATP水解，释放出30．54 kJ的能量来自两个特殊化学键的断裂 D． T表示胸腺嘧啶，因而ATP的结构与核苷酸很相似 【答案】B 【分析】ATP又叫三磷酸腺苷，简称为ATP，其结构式是：A-P～P～P。A表示腺苷、T表示三个、P表示磷酸基团、“～”表示特殊化学键。ATP水解释放能量断裂的是末端的那个特殊磷酸键。ATP来源于光合作用和呼吸作用。放能反应一般与ATP的合成相联系，吸能反应一般与ATP的水解相联系。 【详解】ABD、ATP的结构简式为A—P～P～P，其中的A代表腺苷，是由核糖和腺嘌呤组成，P代表磷酸基团，～代表特殊化学键，T表示三（三个磷酸基团），可见，ATP分子中含有C、H、O、N、P五种元素，A、D错误，B正确； C、1molATP水解，释放出30．54kJ的能量来自远离“腺苷”的那1个特殊化学键，C错误。 2．下图表示与ATP相关的部分结构示意图，下列分析中正确的是(　　) A．d表示ATP，是生物体的直接供能物质 B．b表示腺嘌呤核苷，是ATP中“A”代表的含义 C．c表示腺嘌呤核糖核苷酸，它是构成RNA的基本单位之一 D．a表示ADP，与ATP相比少了一个磷酸 【答案】A 【分析】ATP是由一分子腺苷和三个磷酸基团形成的，腺苷由一分子腺嘌呤和一分子核糖组成，a为腺嘌呤和核糖组成的腺苷，b是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和一分子磷酸形成的腺嘌呤核糖核苷酸，c含两个磷酸，为ADP，d含三个磷酸，为ATP。 【详解】根据分析可知，d表示ATP，是生物体的直接供能物质，A正确；b表示腺嘌呤核糖核苷酸，而ATP中的A代表腺苷，是由一分子腺嘌呤和一分子核糖组成的，B错误；c表示ADP，而构成RNA基本单位之一的应是b，C错误；a为腺嘌呤和核糖组成的腺苷，与ATP相比少了三个磷酸，D错误。 【点睛】熟知ATP的组成和结构、注意ATP中A的含义和碱基腺嘌呤的区别是解题关键。 3．研究人员将标记的磷酸注入离体肝细胞，1～2分钟后迅速分离得到细胞内的ATP，结果发现ATP末端磷酸基团被标记，并测得ATP总含量与注入前几乎一致。下列有关叙述正确的是（　　） A．若延长在细胞中的时间，腺苷中也可能会有放射性 B．上述实验中的ATP合成过程均发生在肝细胞的线粒体 C．分析可知在ATP的3个磷酸基团中出现的概率相等 D．ATP总量没有明显变化是因为ATP与ADP转化速率很快 【答案】D 【分析】ATP的结构简式为A-P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团。水解时远离A的磷酸键容易断裂，释放大量的能量，供给各项生命活动。 【详解】A、腺苷是由腺嘌呤和核糖组成的，不含磷酸，故若延长在细胞中的时间，腺苷中不会有放射性，A错误；B、有氧呼吸可以产生ATP，上述实验中的ATP合成过程发生在肝细胞的线粒体和细胞质基质中，B错误；C、据题意可知，ATP末端磷酸基团被32P标记，故32P在ATP的3个磷酸基团中出现的概率不相等，更容易出现在远离“A”的那个磷酸中，C错误；D、对细胞的正常生活来说．ATP与ADP的相互转化，是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的，故ATP总量没有明显变化是因为ATP与ADP转化速率很快，D正确。 4．下图为植物细胞中ATP与ADP相互转化示意图。下列叙述正确的是（    ） A． ①过程可发生在细胞中的细胞核内 B． ①过程需要的能量只能来自细胞呼吸 C．②过程与细胞内许多吸能反应相联系 D．每个ATP分子含有一个特殊的化学键 【答案】C 【详解】A、①过程是ATP的合成，ATP的合成可发生在细胞质基质、线粒体和叶绿体，不能发生在细胞核中，A错误；B、①过程需要的能量可以来自细胞呼吸和光合作用，B错误；C、②过程是ATP的水解（释放能量），细胞内许多吸能反应与ATP的水解相联系，C正确；D、每个ATP分子含有两个特殊的化学键，D错误。 5．ATP结合到肌球蛋白上并释放能量，从而改变其构象，进而驱动肌肉细胞的收缩，机理如图所示。下列说法正确的是(    ) A．肌肉细胞中只消耗ATP，不会产生ATP B．ATP释放能量过程中失去了两个磷酸基团 C．肌球蛋白构象的改变依赖于ATP水解供能 D．该过程中ATP中的化学能转化成了热能 【答案】C 【分析】ATP水解得到ADP和Pi，并释放出能量，直接为各项生命活动供能。 【详解】A、肌肉细胞也会进行细胞呼吸，也会产生ATP，A错误；B、ATP释放能量过程中失去了1个磷酸基团，B错误；C、由图可知，肌球蛋白构象的改变依赖于ATP水解供能，C正确；D、该过程中ATP中的化学能转化成了肌肉细胞的收缩的能量，D错误。 6．蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化与其活性的关系如下图所示。下列叙述错误的是（　　） A．若某物质通过图示磷酸化后的载体蛋白运输，则其运输方式是协助扩散 B．蛋白质被磷酸化激活的过程中，周围环境中会积累很多ADP 和磷酸分子 C．蛋白磷酸酶为蛋白质的去磷酸化过程提供化学反应的活化能 D．ATP水解释放的磷酸基团与相关蛋白结合后，可通过改变其空间结构来影响其活性 【答案】D 【分析】ATP由腺嘌呤、核糖和3个磷酸基团连接而成，细胞中ATP含量很低，ATP 与ADP可以迅速转化，ATP和ADP的转化过程中，能量来源不同，ATP水解释放的能量，来自特殊的化学键中的化学能，并用于生命活动；合成ATP的能量来自呼吸作用或光合作用。 【详解】A、由图可知，蛋白质磷酸化过程伴随着ATP的水解，某物质通过图示磷酸化后的载体蛋白来运输，运输方式为主动运输，A错误；B、ATP和ADP的转化，是时刻不停地发生并处于动态平衡中，所以周围环境中不会有ADP和磷酸分子的积累，B错误；C、酶通过降低化学反应的活化能来提高化学反应速率，而不能为化学反应提供活化能，C错误；D、ATP水解释放的磷酸基团与相关蛋白结合后，无活性蛋白质变成有活性蛋白质，空间结构发生变化，D正确。 课堂小结 板书设计 第2节 细胞的能量“货币ATP” 一、ATP是一种高能磷酸化合物 (1)中文名称： 腺苷三磷酸 (2)结构简式：A—P～P～P (3)元素组成： C、 H、 O、 N、 P A：腺苷 P：磷酸基团 —：普通的化学键 ～：特殊的化学键 二、ATP与ADP的相互化 三、ATP的利用 教学反思 本节教学以萤火虫发光创设情境，融合实验、动画与视频等直观素材，将ATP的抽象知识转化为生动的可视化内容，降低了学生的理解难度。在ATP结构的学习中，学生通过构建模型，对ATP的组成和化学键特点有了更直观深刻的认识。教学中加入了科研素材、生活实例等各种资料，引导学生通过资料分析理解ATP的结构特点及利用。结合“能量货币”等生活化类比，帮助学生快速掌握核心概念；通过资料分析活动，有效锻炼了学生的信息处理与逻辑分析能力。 在教学过程中，注重引导学生思考和探究，培养了学生的科学思维和科学探究能力。在材料分析和问题讨论环节，学生能够积极思考，提出自己的见解，锻炼了分析问题和解决问题的能力。 / 学科网（北京）股份有限公司 $