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第2节细胞的能量“通货”——ATP1．知识：(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。2．情感态度与价值观：通过ATP在细胞代谢中的作用，认识生命现象的本质，进一步树立唯物主义观点。3．能力：(1)通过ATP与ADP相互转化关系的学习，培养辩证思维能力；(2)学会分析比较在生物体生命活动中，ATP如何生成、消耗，找出能量代谢的规律。4．重点与难点：(1)ATP化学组成的特点及其在能量代谢中的作用；(2)ATP和ADP的相互转化。(一)问题探讨1．荧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．荧火虫腹部后端细胞内的荧光素，是其特有的发光物质。3．有。萤光虫腹部细胞内一些有机物中储存的化学能，只有在转变为光能时，萤光虫才能发光。(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。1．生命活动的直接能源物质是________，它的中文名称叫做________。2．ATP的结构简式是________，其中A代表________；～代表________；P代表________。3．ATP与ADP的相互转化：ATP的化学性质不稳定。在有关酶的作用下，ATP分子中________高能磷酸键很容易水解，储存在这个________中的能量释放出来，ATP就转化成________。在有关酶的作用下，ADP可以接受能量，同时与一个游离的Pi结合，重新形成________。ATP和ADP相互转化关系式可以表示为________________________________________________________。4．ATP的合成：ATP的合成所需的能量来源对于动物来说来自________；对于植物来说来自____________________。5．ATP的利用：ATP水解释放的能量用于________，因此，可以形象地把ATP比喻成细胞内的能量________。答案：1.ATP三磷酸腺苷2．A—P～P～P腺嘌呤核苷高能磷酸键磷酸3．远离腺苷的高能磷酸键ADPATPADP＋PiATP4．呼吸作用呼吸作用和光合作用5．循环流通通货ATP是细胞中普遍存在的一种高能磷酸化合物。ATP是三磷酸腺苷的英文名称缩写。ATP分子的结构式可以简写成A—P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，～代表一种特殊的化学键，当这种化学键水解时，放出的能量是一般化学键放出能量的2倍以上。例如，每摩尔的高能磷酸键放出的能量约是30.54kJ，而一般的P—O键只放出能量8.37～20.92kJ。因此，这样的化学键叫做高能磷酸键，ATP分子中大量的能量就储存在高能磷酸键中。ATP可以水解，这实际上是指ATP分子中高能磷酸键的水解。高能磷酸键水解时释放的能量多达30.54kJ/mol，所以说ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物。1下列关于ATP的叙述中，正确的是()A．ATP分子中所有化学键都储存着大量的能量，所以被称为高能磷酸化合物B．三磷酸腺苷可简写为A～P～P—PC．ATP中大量的能量都储存在腺苷和磷酸基团中D．ATP中大量的能量储存在高能磷酸键中解析：三磷酸腺苷的分子式可简写为A—P～P～P，其中，P与P之间的高能磷酸键储存着大量的能量，所以称为高能磷酸化合物。答案：D30个腺苷和60个磷酸基最多能组成多少个ATP()A．10B．20C．30D．60答案：B解析：每个ATP有3个磷酸基，所以60个磷酸基最多组成20个ATP。ADP是二磷酸腺苷的英文名称缩写，分子式可简写成A—P～P。从分子简式中可以看出，ADP比ATP少了一个磷酸基团和一个高能磷酸键。ATP的化学性质不稳定，在有关酶的催化作用下，ATP分子中远离A的那个高能磷酸键很容易水解，于是，远离A的那个P就脱离开来，形成游离的Pi(磷酸)，同时，储存在这个高能磷酸键中的能量释放出来，ATP就转化成ADP，这个过程通常称为ATP的水解。ATP水解时释放出的能量，可直接用于各项生命活动，如细胞分裂、根细胞通过主动运输从土壤中吸收矿质元素和肌肉收缩等。对于所有的活细胞来说，几乎都是用ATP作为直接能源物质，推动着新陈代谢中的化学反应顺利地进行。ATP在新陈代谢中的作用如此重要，那么细胞中ATP的含量是不是很高呢？其实，ATP在细胞中的含量是很少的。当细胞中ATP的含量过分减少时，在一种酶的催化作用下，ADP可以接受能量，同时与一个磷酸结合，形成一个高能磷酸键，从而转化成ATP。综上所述，细胞内的ATP与ADP可以相互转化，这种转化使细胞内的ATP含量总是处在一种动态平衡之中，这对于稳定生物体内的供能环境，保证生物体新陈代谢的顺利进行具有重要的意义。ATP与ADP的相互转化，实际上就是ATP中最末端的高能磷酸键的形成与断开。当形成这个高能磷酸键时，必然从环境中吸收能量，这些能量主要来自细胞呼吸和绿色植物的光合作用。当ATP中最末端的高能磷酸键断开时，必然释放能量，这些能量被细胞的各项生命活动所利用。小结：ATP的形成途径对于动物、人、真菌和大多数细菌来说，均来自细胞进行细胞呼吸时有机物分解所释放的能量；对于绿色植物来说，除了依赖细胞呼吸所释放的能量外，在叶绿体内进行光合作用时，ADP转化为ATP还利用了光能。2关于叶肉细胞在光照条件下产生ATP的描述，正确的是()A．无氧条件下，光合作用是细胞ATP的唯一来源B．有氧条件下，线粒体、叶绿体和细胞质基质都能产生ATPC．线粒体和叶绿体合成ATP都依赖氧D．细胞质中消耗的ATP均来源于线粒体和叶绿体解析：植物叶肉细胞的ATP来源有两个：光合作用和呼吸作用，叶绿体合成ATP并不依赖氧；细胞质中代谢所需的ATP主要来源于线粒体。答案：B高等植物体内产生ATP的生理过程有()A．细胞呼吸、渗透作用B．细胞呼吸、蒸腾作用C．光合作用、主动运输D．光合作用、细胞呼吸答案：D解析：生物体内产生ATP，是由ADP接受能量，结合上一分子磷酸形成的。对于绿色植物来说，ADP转化成ATP所需要的能量，除了来自细胞呼吸(主要是有氧呼吸)分解有机物释放出的能量外，还可以来自光合作用。细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量的，ATP是生物体内直接供给可利用能量的物质，是细胞内能量转换的“中转站”。各种形式的能量转换都是以ATP为中心环节的。生物体内由于有各种酶作为生物催化剂，同时又有细胞中生物膜系统的存在，因此，ATP中的能量可以直接转换成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。这些能量形式主要有以下几种：1．机械能生物体内的细胞以及细胞内各种结构的运动都在做机械功，所消耗的就是机械能。例如，纤毛和鞭毛的摆动、肌细胞的收缩、细胞分裂期间染色体的运动等，都是由ATP提供能量来完成的。2．电能生物体内神经系统传导冲动和某些生物能够产生电流，所做的电功消耗的就是电能。电能也是由ATP所提供的能量转换而成的。3．渗透能细胞的主动运输是逆浓度梯度进行的，物质过膜移动所做的功消耗了能量，这些能量叫做渗透能，渗透能也来自ATP。4．化学能生物体内物质的合成需要化学能，小分子物质合成大分子物质时，必须有直接或间接的能量供应。另外，物质在分解的开始阶段，也需要化学能来活化成能量较高的物质(如葡萄糖活化成磷酸葡萄糖)。在生物体的物质代谢中，可以说到处都需要由ATP转换的化学能来做化学功。5．光能例如萤火虫尾部的发光细胞中含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。6．热能生物体内的热能，来源于有机物的氧化分解。大部分的热能通过各种途径向外界环境散发，只有一小部分热能用于维持细胞或恒温动物的体温。通常情况下，热能的形成往往是细胞能量转换和传递过程中的副产品。细胞内的化学反应有些是需要吸收能量的，有些是释放能量的。吸能反应总是与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量；放能反应总是与ATP的合成相联系，释放的能量储存在ATP中。也就是说，能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间循环流通。因此，可以形象地把ATP比喻成细胞内流通的能量“通货”。正是由于细胞内具有ATP这种能量“通货”，细胞才能及时而持续地满足各项生命活动对能量的需求。3在剧烈运动中，人体骨骼肌所需要的能量，直接来源于()A．肌糖原B．磷酸肌酸C．葡萄糖D．ATP解析：生物体进行生命活动所需要的能量都直接来源于ATP(三磷酸腺苷)，除此之外，不可能从其他途径获得能量。题中的“直接”二字是关键。肌肉收缩所需要的能量是直接由ATP水解成ADP时释放出来的，肌肉细胞无论是进行有氧呼吸，还是进行无氧呼吸，它们释放的能量都必须转移给ATP，然后才能被肌细胞利用。假如要问肌肉细胞活动所需要的主要能源物质，则应是糖类。答案：D生物体内既能储存能量，又能为生命活动直接提供能量的物质是()A．葡萄糖B．糖原C．三磷酸腺苷D．脂肪答案：C解析：生物体内能够储存能量的物质很多，如糖类、脂肪等，但它们储存的能量不能直接用于生命活动。三磷酸腺苷的高能磷酸键中储存着能量，只有这些能量才能直接用于各项生命活动。ATP与ADP的相互转变伴随着能量的释放和储存，因此与生物体的新陈代谢密切相关，可用下式表示二者的转变过程：有人认为，ATP与ADP的相互转变关系是一种可逆反应，理由是存在可逆符号“”。根据化学中讲到的可逆反应特点：无论正逆反应都能在同一条件下同时进行，可知上述反应不是可逆反应，原因是：(1)从反应条件上看：ATP的分解是一种水解反应，催化该反应的酶属于水解酶，而ATP的合成是一种合成反应，催化该反应的酶属于合成酶。由酶的专一性可知，上述反应的条件是不同的。(2)从ATP合成与分解的场所上看：ATP合成的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体；而ATP分解的场所有细胞膜(供主动运输消耗的能量)、叶绿体基质(将ATP中的能量释放出来，储存在合成的有机物中)、细胞核(DNA复制和RNA合成所消耗的能量)等。因此，其合成与分解的场所不尽相同。显然上述反应并不是同时进行的。(3)从能量上看：ATP水解的能量是储存在高能磷酸键内的化学能，释放出来后供各种生命活动之用，不能再由Pi和ADP形成ATP而储存；而合成ATP的能量主要是有机物中的化学能和太阳能。因此，反应物和反应产物中的能量来源是不同的；正反应中释放出的能量的流向也是不可逆的。综上所述，对反应式“ATPADP＋Pi＋能量”在生物体内的过程应判断为“物质是可逆的，能量是不可逆的，且酶也是不相同的”，或者把反应式表示为：ATPADP＋Pi＋能量细胞代谢不仅需要酶，而且需要能量。我们知道，糖类是细胞的主要能源物质之一，脂肪是生物体内储存能量的主要物质，但是这些有机物中的能量都不能直接被生物利用，它们只有在细胞中随着这些有机物逐步氧化分解而释放出来，并且储存在ATP中，才能被生物利用，所以说细胞代谢所需要的能量是由细胞内的ATP直接提供的，ATP是细胞代谢所需能量的直接来源。特别提醒：(1)糖类、脂肪、蛋白质——生物体内的能源物质。(2)淀粉——植物细胞中储能的物质。(3)糖原——动物细胞中储能的物质。(4)糖类——生物体进行生命活动的主要能源物质。(5)ATP——生物体内的直接能源物质。在自然界中生物的发光现象普遍存在，生物通过细胞的生化反应而发光。请设计实验探究萤火虫的发光强度与ATP浓度的关系。(1)实验材料：萤火虫的荧光器晒干后研磨成的粉末、ATP粉末、蒸馏水、大小相同的小烧杯若干、大小相同的试管若干、标签纸若干等其他实验所需材料。(2)实验原理：萤火虫的荧光器中相关酶利用ATP而发光。(3)实验步骤：①配置6种不同浓度的等浓度梯度的ATP溶液置于6只大小相同的小烧杯中，分别贴上标签。②将________分成若干等份分别放于