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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
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。
秋夕
【作者】杜牧 【朝代】唐
讨论
1.萤火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.在萤火虫发光的过程中有能量转化？
“求偶行为”
主要是相互传递信号，以便繁衍后代
萤火虫腹部后端细胞内的荧光素，是其特有的发光物质
有 尾部细胞内的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。
探究:萤火虫发光的直接能源物质
【材料用具】
【作出假设】
【提出问题】
ATP是直接的能源物质
萤火虫发光的直接能源物质是什么？
【实验设计】
活萤火虫数只，生理盐水，葡萄糖，脂肪、ATP
荧光素+能量+O2 氧化荧光素+H2O
荧光素酶
（发出荧光）
【实验原理】
荧光消失
A
B
C
D
２ｍL葡萄糖溶液
２ｍL脂肪溶液
２ｍL生理盐水
有荧光
出现
无荧光
出现
无荧光
出现
无荧光
出现
2ml荧光素溶液
15min
暗处
观察
暗处
结论: 萤火虫发光的直接供能物质是 。
ATP
２ｍL ATP溶液
自变量
因变量
对照组
实验组
实验组
实验组
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
有机物（糖类、脂肪等）中的化学能→ATP中的化学能→用于各项生命活动。ATP是能直接给细胞生命活动提供能量的物质，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！
太阳能
腺苷
腺苷一磷酸
腺苷二磷酸
腺苷三磷酸
A
腺嘌呤核糖核苷酸
AMP
ADP
ATP
3.组成元素
C、H、O、N、P
2.化学组成
1分子核糖+1分子腺嘌呤+3分子磷酸基团
4.结构简式
ATP或腺苷三磷酸
1.名称
A－P～P～P
A:
P:
～:
—:
腺苷
磷酸基团
普通的化学键
特殊的化学键
RNA的组成单位
一. ATP是一种高能磷酸化合物
α 位 β位 γ位
A
P
P
P
5. ATP的特点
②ATP水解的过程就是 的过程，
1molATP水解时释放的能量高达30.54kJ，所以
说ATP是一种 。
①ATP不稳定的原因是ATP中两个相邻的磷酸基团都 ，使得这种化学键不
稳定，末端的磷酸基团有较高的 。
带有负电荷而相互排斥
转移势能
释放能量
高能磷酸化合物
注意: ATP并非细胞生命活动唯一的直接供能物质，只是绝大多数生命活动的直接供能物质。（还有GTP、UTP、CTP和dATP、dGTP、dTTP、dCTP等）
磷酸肌酸
α 位 β位 γ位
特殊的化学键
不稳定、容易断裂
具有较高的转移势能
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，从而使后者发生改变。
“1、2、3”
“1”——1个腺苷
“2”——2个特殊化学键
“3”——3个磷酸基团
A－P～P～P
一. ATP是一种高能磷酸化合物
ATP
DNA
RNA
核苷酸
腺苷
腺嘌呤脱氧核苷酸
腺嘌呤核糖核苷酸
一分子核糖
+
一分子腺嘌呤
一分子脱氧核糖
+
一分子腺嘌呤
+
一分子磷酸
一分子核糖
+
一分子腺嘌呤
+
一分子磷酸
腺嘌呤
知识延伸
ATP与DNA、RNA、核苷酸的结构中的“A” 表示的含义有什么不同？
1个ATP分子中有 个腺苷， 个特殊化学键键， 个磷酸基团。
A—P ~ P ~ P
1
2
3
在各种条件都适宜的情况下，20个腺苷和90个磷酸分子最多可以合成的ATP分子数和形成的特殊化学键数分别为( )
A. 20、30 B. 30、90
C. 20、60 D. 20、40
变式训练
D
思考
二. ATP与ADP可以相互转化
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
这里的能量用于各项生命活动。
ATP合成酶
这里的能量从哪里来？
从动物和人等来看：
呼吸作用
能量
ATP的形成途径
分解有机物释放的能量
从绿色植物来看：
ATP的形成途径
呼吸作用
能量
光合作用吸收光能
动物、人、真菌和大多数细菌
绿色植物
呼
吸
作
用
呼
吸
作
用
光
合
作
用
ADP+ Pi+能量
ATP合成酶
ATP
ATP的形成途径(总结)
合成场所：
细胞质基质、线粒体、叶绿体
有机物氧化分解
A-P~P~P
(ATP)
A-P~P
(ADP)
能量
Pi
ATP水解酶
ATP合成酶
能量
Pi
ATP ADP+ Pi+能量
ATP水解酶
这里的能量用于各项生命活动。
ATP合成酶
这里的能量从哪里来？
呼吸作用
光合作用
这种转化是否为可逆反应？
不是可逆反应。
(物质是可逆的，能量是不可逆)
二. ATP与ADP可以相互转化
【思考】ATP与ADP的相互转化是否可逆？
反应式 ATP ADP＋Pi＋能量 ADP＋Pi＋能量 ATP
场所 生物体的需能部位 细胞质基质、线粒体、叶绿体
反应类型 反应 反应
能量去路
能量来源 特殊化学键的断裂
特点 时刻不停地发生，并且处于 之中 水解
储存于特殊化学键中
合成
用于各项生命活动
呼吸作用释放的能量
光能
动态平衡
ATP水解酶
ATP合成酶
注: “物质是可逆的，能量是不可逆的”因为(1)所需的酶种类不同；(2)能量的来源和去向不同。(3)反应发生的场所不同；
ATP与ADP的这种相互转化是时刻不停地发生并且处在动态平衡之中。这对于构成细胞内稳定的供能环境具有十分重要的意义。
ATP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，这体现了生物界的统一性。
2.ATP在细胞内含量很少但机体对能量的需求量很大，怎么解决这种能量供需矛盾？
1.一个人在剧烈运动状态下，每分钟约有0.5kg的ATP分解释放能量，供运动所需。而一个成年人在24h内水解及再合成的ATP总量相当于他的体重。但每一时刻储存在人体内的 ATP、ADP 的总含量不到1g。
ATP在细胞内含量很少
ATP在细胞内转化快
资料显示：人体中ATP的总量只有大约0.1 mol ，剧烈运动时只
能维持3s。氰化钾会阻止细胞中ATP的合成，中毒后人在几分钟内就会死亡。
对于正常的细胞来说， ATP和ADP转化迅速， 并且处于动态平衡中，保证了生命活动的稳定供能，代谢的正常进行。
意义:
保证细胞内有一个相对稳定的能量供应库。
ATP在能源物质供能过程中处于核心地位，绝大多数能源物质只有转化为ATP才能为生命活动功能。在生命活动中，ATP中的能量可转化为不同形式的能量。
用于大脑思考（电能）
用于主动运输（渗透能）
ATP
ATP的能量被消耗于各种需能的生命活动
用于生物发光（光能）
用于肌肉收缩（机械能）
用于生物发电（电能）
葡萄糖+果糖 蔗糖
酶
（化学能）
四. ATP的利用
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。
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.载体蛋白的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。
ATP为主动运输提供能量
四. ATP的利用
ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化，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. 吸能反应总是与___________相联系，由ATP水解提供能量；
放能反应总是与____________相联系，释放的能量贮存在ATP中。
ATP的水解
ATP的合成
2. 能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。
糖类、脂肪等有机物
储存有大量的能量，
但不能被直接利用。
ATP储存的能量相对较少，但能被直接利用。
释放
储存
ATP比喻成细胞内流通的能量“货币”
放能反应与吸能反应
蛋白质的合成
葡萄糖的氧化分解
下列属于吸能反应的是 ，
属于放能反应的是 。
①麦芽糖分解成葡萄糖 ②氨基酸合成蛋白质 ③葡萄糖合成淀粉 ④二氧化碳和水合成葡萄糖 ⑤糖分解为二氧化碳和水
②③④
①⑤
细胞内的化学反应
放能反应
吸能反应
吸收能量
蛋白质的合成
释放能量
葡萄糖的氧化分解
由ATP水解提供能量
释放的能量储存在ATP中
呼吸作用（葡萄糖等氧化分解）
释放能量(放能反应)
合成
水解
为生命活动提供能量(吸能反应)
ATP
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”。
萤火虫的发光原理
荧光素酶
＋氧气
荧光素
激活的荧光素
荧光
氧化荧光素
发出
能量
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。
与社会的联系
将荧光素酶基因导入植物体内，再用荧光素溶液浇灌植物，使转基因植物在黑暗中发光。
ATP荧光检测仪基于萤火虫发光原理，利用“荧光素酶—荧光素体系”快速检测三磷酸腺苷（ATP）。由于所有生物活细胞中含有恒量的ATP，所以ATP含量可以清晰地表明样品中(食品、药品、水体等)微生物与其他生物残余的多少，用于判断卫生状况。
荧光素+ATP
氧化荧光素(发出荧光)
荧光素酶
O2
荧光强度越强→ATP含量越多→微生物数量越多
ATP荧光检测仪
与社会的联系
【适应症】
用于进行性肌萎缩、脑出血后遗症、心功能不全等的辅助治疗。
【药物原理】
当体内吸收、分泌、肌肉收缩及进行生化合成反应等需要能量时，三磷酸腺苷（ATP）即分解成二磷酸腺苷及磷酸基，同时释放出能量。
与社会的联系
学习小结
ATP
功能: 细胞的直接能源物质
　　 细胞的能量“货币”
结构
光合作用
细胞呼吸
ADP转化成ATP时所需能量的主要来源
与RNA的关系
含量少转化快
利用
光能
电能
机械能
化学能
吸能反应
水解
合成
元素: C H O N P
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”
课堂巩固
1. 下列关于ATP的叙述，正确的是( )
A. ATP中A代表腺嘌呤
B. ATP分子结构式可以简写为A～T～P
C. ATP可水解为1个核苷酸和2个磷酸
D. ATP水解产生的能量，可用于合成ATP
C
2. 如图为ATP分子结构式。下列相关叙述错误的是(　　)
A. 图中五碳糖为核糖
B. 图中虚线框中的基团是腺苷
C. 该分子中有2个特殊化学键
D. 该分子水解掉两个磷酸基团后为核糖核苷酸
B
3. 以下对生物体ATP的叙述中，正确的是(　　)
A. ATP与ADP是同一种物质的两种形态
B. 动物细胞中，产生ATP的过程为呼吸作用
C. ATP脱掉两个磷酸基团后为腺嘌呤脱氧核苷酸
D. ATP和ADP的相互转化是两个完全可逆的过程
B
4. 以下为ATP和ADP相互转化的示意图，对这一过程的叙述不正确的是(　　)
A．存在着能量的释放和储存
B．保证了生命活动的顺利进行
C．持续不断地在生物活细胞中进行
D．此过程物质与能量变化都是可逆的
D
ATP ADP+Pi+能量
合成酶
水解酶
5. 在如图所示的四种化合物的化学组成中，与圆圈中“A”所对应的名称相符合的是(　　)
A. ①—腺嘌呤核糖核苷酸 B. ②—腺苷
C. ③—腺嘌呤脱氧核苷酸 D. ④—腺嘌呤
D
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，以及磷酸基团和腺苷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
B
D
3.ATP是细胞生命活动的直接能源物质，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
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
B
C

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