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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
秋夕
杜牧（唐）
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。
1、萤虫发光的生物学意义是什么？
2、萤火虫体内有特殊的发光物质吗？
3、萤火虫发光的过程有能量的转换吗？
腹部后端细胞内有荧光素。
相互传递求偶信号，以便交尾繁衍后代。
腹部细胞内有机物中储存的化学能转变为光能使其发光。
问题探讨
生物体进行生命活动的主要能源物质:
萤火虫发光需要的能量靠谁直接提供呢
生物体内储存能量的物质:
脂肪
糖类
思考：是哪类物质直接给萤火虫发光提供能量呢？
是葡萄糖，脂肪，还是其他物质？
1
2
3
4
加入等量发光器粉末，
放置一段时间直至荧光消失
2mL
蒸馏水
2mL
脂肪
2mL
葡萄糖
2mL
ATP
黑暗环境
萤火虫发光器实验
思考
实验结果说明什么？
ATP为萤火虫发光直接提供能量。
一　ATP结构与功能
1.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”
2.ATP的名称与简式
（1）中文名称：腺苷三磷酸
（2）组成元素：C、H、O、N、P
腺嘌呤
核糖
三个磷酸基团
O-
C
O
C
C
H
H
OH
OH
C
C
O
P
O
P
O
P
O-
O
O-
O
O-
O
N
C
N
C
C
C
N
C
N
N
H
H
H
H
H
H
H
H
（3）结构简式：A－P～P～P
A：腺苷=腺嘌呤+核糖
T：三
P：磷酸基团（3个）
—：普通的化学键（1个）
～：特殊的化学键（2）
腺嘌呤
核糖
P
P
P
~
~
腺苷（A）
A-P～P ～P
….A T G C ….
….T A C G ….
….A U G C ….
腺嘌呤脱氧核糖核苷酸
腺嘌呤核糖核苷酸
核糖
A
P
~
P
P
~
腺嘌呤
腺嘌呤
腺苷
拓展：不同化合物中“A”的辨析
所有“A”中都含有腺嘌呤
共同点：
（4）ATP结构：
我相当脆弱，水解时容易断裂
核糖
P
P
P
腺嘌呤
~
~
ATP很不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP与其他分子结合的趋势，当末端磷酸基团脱落后剩下的结构是什么呢？
拓展
腺苷一磷酸（AMP）
腺苷（A）
腺苷二磷酸（ADP）
腺苷三磷酸（ATP）
注：AMP也叫腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本单位之一。
ATP结构式：
ADP结构式:
核糖
P
P
P
腺嘌呤
~
~
核糖
P
P
腺嘌呤
~
~
ATP和ADP可以相互转化吗？
A-P~P~P
(ATP)
A-P~P
(ADP)
能量
Pi
酶
酶
能量
Pi
ATP ADP+ Pi+能量
ATP水解酶
ATP合成酶
二 ATP与ADP可以相互转化
转化过程
注意:
ATP与ADP的相互转化是不可逆的，物质是可逆的，但是能量是不可逆的，酶是不相同的，场所是不完全相同的。
酶
ADP +Pi
+能量
ATP
酶
ATP与ADP的相互转化是否可逆？
酶
ADP +Pi
+能量
ATP
酶
1. 从反应条件看：ATP的分解是一种水解反应，催化该反应的酶属于水解酶；ATP的合成是一种合成反应，催化该反应的酶属于合成酶。酶具有专一性，因此反应条件不同。
2. 从能量来源看：ATP水解释放的能量是储存在特殊化学键中的化学能，用于生命活动；合成ATP的能量来自生物体内有机物中的化学能和太阳光能。因此能量来源不同（能量不可逆，而物质可逆）。
3. 从合成与分解场所看：ATP合成的场所是细胞质基质、线粒体和叶绿体；ATP分解的场所相对较多。因此合成与分解的场所不同。
不是可逆反应
思考讨论
ATP与ADP的相互转化是否可逆？
1. 转化的原因和特点
（1）原因
A—P ~ P ~ P
②ATP是高能磷酸化合物
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。
相邻的磷酸基团都带负电荷互相排斥
①远离A的那个特殊的化学键不稳定
末端磷酸基团有较高的转移势能
（有一种离开ATP与其他分子结合的趋势）
ATP在供能时，如何释放能量？
（2）转化特点
①ATP与ADP相互转化是时刻不停地发生且处于动态平衡之中的。
P
P
P
~
~
能量
能量
合成
水解
ATP与ADP相互转化示意图
P
P
~
Pi
Pi
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
资料分析
※ATP在细胞内的含量很少。ATP和ADP在细胞内的相互转化十分迅速，使细胞内的ATP的含量保持相对稳定。
②ATP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，体现了生物界的统一性。
P
P
P
~
~
能量
能量
合成
水解
ATP与ADP相互转化示意图
P
P
~
Pi
Pi
A-P~P~P
(ATP)
A-P~P
(ADP)
能量
Pi
酶
酶
能量
Pi
这里的能量用于哪里？
这里的能量从哪里来？
人和动物等
绿色植物
（1）ADP合成ATP的能量来源
①绿色植物：既可来自光能，也可以来自呼吸作用所释放的能量。
②动物、人、真菌和大多数细菌：均来自细胞进行呼吸作用时有机物分解所释放的能量。
2.转化过程中能量来源和去向
（2）ATP水解成ADP释放的能量去向：用于生物体的各项生命活动。
p
p
p
p
p
能量
Pi
能量
Pi
合成
水解
ATP与ADP相互转化示意图
用于大脑思考（电能）
用于主动运输（渗透能）
用于生物发光(光能)
用于生物发电（电能）
用于物质合成（化学能）
用于肌肉收缩（机械能）
三 ATP的利用
（2）原因：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。
思考：ATP水解释放的能量是如何用于上述各种生命活动的呢？
※注意：ATP是直接能源物质，但不是唯一的直接能源物质，如存在于各种生物体细胞内的UTP、GTP、CTP等。
1．ATP是生命活动的直接能源物质
（1）实例：用于物质的主动运输、肌肉收缩、物质合成和大脑思考等生命活动。
ATP
Ca2+
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，其酶的活性就被激活了。
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。
③载体蛋白磷酸化导致其空间结构发生变化，使Ca2+ 的结合位点转移膜外侧，将Ca2+ 释放到膜外。
Ca2+
ADP
Pi
教材P88
ATP为主动运输供能示意图
ADP
Ca2+
Pi
（3）ATP供能机制
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。
（1）吸能反应是需要吸收能量的，如蛋白质合成等。许多吸能反应与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量。
（2）放能反应是释放能量的，如葡萄糖的氧化分解等。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。
能量
能量
水解
合成
放
能
反
应
吸
能
反
应
2．ATP是细胞内流通的能量“货币”
能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间循环流通。→ATP是细胞内流通的能量“货币”。
吸能反应
放能反应
水解
合成
反应
反应类型
酶的类型
能量来源
能量去向
能量转化
场所
特点
ATP ADP+Pi+能量
酶
ADP+Pi+ 能量 ATP
酶
水解反应
合成反应
ATP水解酶
ATP合成酶
ATP中的能量
有机物中的化学能以及光能
用于各项生命活动
储存在ATP中
生物体内的需能部位
细胞质基质、线粒体、叶绿体等
四 ATP合成与ATP水解的比较
放能：与吸能反应相联系
吸能：与放能反应相联系
时刻不停地发生，并且处于动态平衡之中
概念总结：各种能源物质
能源来源 直接能源物质
主要能源物质
生物体内良好的储能物质
动物细胞内的储能物质
植物细胞内的储能物质
最终能源来源
ATP
糖类（葡萄糖）
脂肪
糖原
淀粉
太阳能
ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质
ATP≠能量；ATP是直接能源物质！
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
酶
酶
总结：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。
课堂小结
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，荧光素与氧发生化学反应，形成氧化荧光素，并且发出荧光。
荧光素
ATP
激活的
荧光素
荧光素酶
氧化
荧光素
荧光
发出
+氧气
萤火虫发光的原理（P89）
化学能
光能
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”。
下节课见！

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