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第5章 细胞的能量供应和利用
第2节 细胞的能量“货币”ATP
问题探讨
《咏萤火》
唐·李白
雨打灯难灭，
风吹色更明。
若非天上去，
定作月边星。
观看视频
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？
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
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？
腺嘌呤
核糖
磷酸基团
腺嘌呤、核糖
ATP结构模型
ATP的结构
活动1
①腺嘌呤
②核糖
③磷酸基团
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
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？
ATP的结构
活动1
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
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。
C、H、O、N、P
腺苷三磷酸
A-P~P~P
腺苷
磷酸基团
特殊化学键
末端磷酸基团
P
P
A
P
1.ATP的结构
思考：ATP中的A，与我们以前学过的DNA、RNA中的A有什么区别？
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
P
P
A
P
1.ATP的结构
腺嘌呤
核糖
磷酸基团
腺苷（A）
腺苷一磷酸
（AMP）
腺苷二磷酸
（ADP）
腺苷三磷酸
（ATP）
腺苷一磷酸（AMP），即腺嘌呤核糖核苷酸是构成RNA单体之一。
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
1.ATP的结构
明确不同化合物中“A”的含义
化合物 结构简式 “A”的含义 共同点
ATP
DNA
RNA
核苷酸
A-P~P~P
AGCT
TCGA
UAGC
腺苷（由腺嘌呤和核糖组成）
腺嘌呤脱氧核苷酸
腺嘌呤核糖核苷酸
腺嘌呤
所有“A”的共同点是都含有腺嘌呤。
思考：为什么说ATP是一种高能磷酸化合物？
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
ATP供能的机制
活动2
【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。
P
P
A
P
α位 β位 γ位
普通化学键
↘
特殊化学键
↙ ↘
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？
β位与γ位磷酸基团之间的化学键更容易断裂。
P
P
A
P
P
P
A
P
丨 丨
HO—C—C—
丨 丨
P
P
A
P
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。
负电荷
负电荷
负电荷
易断裂
ADP相互排斥的磷酸基团减少，势能降低。
磷酸基团携带转移的“势能”与其他分子结合，使其发生变化。
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？
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
ATP供能的机制
活动2
新知探究
一、ATP是一种高能磷酸化合物
2.ATP的供能机制
P
P
A
P
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。
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
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
ATP与ADP的相互转化
活动3
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的合成，ATP与ADP可以互相转化。
新知探究
二、ATP与ADP之间的相互转化
ATP与ADP的相互转化
活动3
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。
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？
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
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。
新知探究
二、ATP与ADP之间的相互转化
1.ATP的水解
P
P
A
P
Pi
P
A
P
能量
ATP水解酶
ATP
ADP
30.54kJ/mol，用于各项生命活动。
＋H2O
P
A
P
酶
AMP
能量
（腺嘌呤核糖核苷酸）
写出ATP水解的反应式：
ATP ADP+ Pi（磷酸）+能量
合成酶
新知探究
二、ATP与ADP之间的相互转化
2.ATP的合成
Pi
P
A
P
能量
ADP
ATP合成酶
＋
＋
P
P
A
P
ATP
＋H2O
思考：合成ATP的能量来源是什么？
写出ATP合成的反应式：
ADP+ Pi+能量 ATP
合成酶
新知探究
二、ATP与ADP之间的相互转化
2.ATP的合成
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。
ADP + Pi + 能量 ATP
合成酶
人、动物、真菌、多数细菌等
呼吸作用
光合作用
绿色植物
能量
ATP
ADP
Pi
光合作用
呼吸作用
用于细胞各项生命活动。
新知探究
二、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：
3.ATP与ADP的相互转化
思考：ATP的水解与合成是可逆反应吗？
反应 ATP水解 ATP合成
反应类型 水解反应 合成反应
酶的类型
场所 活细胞所有部位 线粒体、叶绿体、细胞质基质等
能量来源
能量去向
新知探究
二、ATP与ADP之间的相互转化
3.ATP与ADP的相互转化
水解酶
合成酶
特殊化学键中的化学能
有机物中的化学能、光能
用于各项生命活动
储存于特殊化学键中
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。
结论：
ATP ADP+Pi+能量
水解酶
合成酶
新知探究
三、ATP的利用
ATP的利用
活动4
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？
新知探究
三、ATP的利用
ATP的利用
活动4
用于物质合成
用于肌肉收缩
大脑思考 电鳗发电
萤火虫发光
新知探究
三、ATP的利用
ATP的利用
活动4
用于主动运输供能
参与Ca2+主动运输的载体蛋白是一种____________
________；当膜___侧的Ca2+与其相应位点_____
时，其酶活性就被_____。
在这种酶的作用下ATP分子的____________脱离下来与_____________，这一过程伴随着__________
这就是载体蛋白的
_______。
载体蛋白的_______导致
其_________________，
使Ca2+的结合位点_____
膜____侧，将Ca2+释放到膜外。
能催化ATP
内
结合
激活
末端磷酸基团
载体蛋白结合
磷酸化
磷酸化
空间结构发生变化
转向
外
能量的转移
水解的酶
新知探究
三、ATP的利用
ATP的利用
活动4
用于主动运输供能（钙离子载体）
观看视频
新知探究
三、ATP的利用
观看视频
ATP的利用
活动4
用于主动运输供能（钠钾泵）
新知探究
三、ATP的利用
ATP的利用
活动4
用于胞内的物质运输
驱动蛋白
细胞骨架
驱动蛋白利用ATP沿细胞骨架运输囊泡内的物质
携带物质的囊泡
思考：为什么将ATP称作能量的“货币”？
能量
ATP
合成
ATP水解
新知探究
三、ATP的利用
高能化合物
低能化合物
能量
高能化合物
低能化合物
放能反应
吸能反应
能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通模式图
商品生产
商品消费
货 币
ATP储存的能量相对来说少，但能被直接利用。
糖类、脂肪等有机物储存有大量的能量，但不能被直接利用。
新知探究
三、ATP的利用
ATP是能量“货币”
新知探究
三、ATP的利用
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）。
归纳小结
生物体内的能源物质
新知探究
三、ATP的利用
质疑
1.ATP只能作为能源物质吗？
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。
【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。
ATP是一种能源物质，也是能在细胞间传递信息的信号分子。
结论：
结论：
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
【详解】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；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。
B
随堂检测
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
【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。
A
随堂检测
3．研究人员将32P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32P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32P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32P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
【详解】A、腺苷是由腺嘌呤和核糖组成的，不含磷酸，故若延长32P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。
D
随堂检测
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
【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。
C
随堂检测
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
【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。
C
随堂检测
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。
下列叙正确的是（　　）
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
D
随堂检测
【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
ATP
概念
腺苷三磷酸
结构
特性
能源来源
主要场所
利用
A-P~P~P
ATP
ATP水解酶
ADP+Pi+能量
动物：呼吸
植物：呼吸、光合
叶绿体类囊体薄膜、细胞质基质、线粒体
直接能源物质
（能量“货币”）
吸能反应
ATP
ATP合成酶
ADP+Pi+能量
放能反应
形成

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