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5.2 细胞的能量“货币”ATP 教案
一、教学目标
1.依据ATP的分子简式说出ATP的化学组成和特点（重点）。
2.根据ATP与ADP的相互转化解释ATP在细胞生命活动中的作用（难点）。
二、教学重难点
教学重点：1.ATP化学组成的特点及其在能量中的作用。
2.ATP与ADP的相互转化。
教学难点：ATP与ADP的相互转化。
三、教学过程
【新课导入】
问题探讨：
教师活动：展示夜空点点流萤的图片，重温杜牧的诗句，引导学生思考并回答问题。
学生活动：朗读诗句，并思考回答问题。
“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。”让我们重温唐代诗人杜牧这情景交融的诗句，想象夜空中与星光媲美的点点流萤，思考有关生物学问题。
学生欣赏“问题探讨”中华传统文化诗《秋夕》，教师引导学生通过阅读教材进行思考：
1.萤火虫发光的生物学意义是什么？
提示：萤火虫发光的生物学意义主要是相互传递信号，以便繁衍后代。
2.萤火虫体内有特殊的发光物质吗？
提示：萤火虫腹部后端细胞内的荧光素，是其特有的发光物质。
3.在萤火虫发光的过程中存在能量的转化吗？
提示：有，萤火虫腹部细胞内有一些有机物中储存的化学能，只有在转变为光能时才能发光。
提出问题：萤火虫发光需要细胞提供能量。同样，在细胞内，物质的主动运输需要能量，物质的合成需要能量，肌纤维的收缩也需要能量。这些能量从哪里来呢 是谁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？
我们知道，细胞中的糖类、脂肪等有机物都储存着化学能，但是直接给细胞生命活动提供能量的却是另一种有机物--ATP。ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
活动1：探究——驱动细胞生命活动的直接能源物质
提问：糖类（如葡萄糖）及脂肪能够为细胞提供能量吗？你是否思考过直接给肌肉收缩提供能量的物质是什么呢？
提示：葡萄糖或ATP。
展示资料，引导学生分析资料，探究驱动生命活动的直接能源物质，思考并回答问题。
资料1 1929年，费斯克和罗曼分别在肌肉中发现了一种焦磷酸盐和腺苷酸相联系的化合物。1934年，罗曼进一步确定这种物质为腺苷三磷酸(ATP)。同年，恩格尔哈特注意到肌肉收缩需要ATP。然而细胞中的主要能源物质是葡萄糖。
资料2 制作青蛙坐骨神经－腓肠肌标本(编号A、B)放入任氏液中，不断施加刺激，然后对两块肌肉标本分别加入适量的葡萄糖和ATP溶液，立即用电极刺激坐骨神经观察肌肉收缩的情况。结果发现：A组肌肉不收缩，B组肌肉收缩明显。
问题1：本实验的自变量如何控制？因变量如何检测？
提示：对两块肌肉标本分别加入等量的葡萄糖和ATP溶液；因变量是检测肌肉是否收缩。
问题2：向青蛙坐骨神经-腓肠肌标本（编号A、B）加入能源物质之前，为什么要不断刺激坐骨神经？
提示：腓肠肌的持续收缩使细胞内储存的能源物质消耗殆尽，排除自身能量的干扰。
问题3：从实验结果可以得出什么结论？
提示：为肌肉收缩直接提供能量的物质不是葡萄糖，而是ATP。
葡萄糖等有机物中的能量是不能直接被利用的。ATP才是生命活动的直接能源物质。
那么，ATP是什么呢？它的结构是怎样的呢？
【新课学习】
目标1：ATP是一种高能磷酸化合物
活动2：辨析ATP中的A代表腺嘌呤吗？
教师活动：展示资料，组织学生阅读教材，分析资料，以小组为单位，进行活动探究，思考并回答问题，进而归纳总结ATP的结构及其特点。
学生活动：阅读教材，分析材料，小组探究，思考回答问题，并进行归纳总结。
资料3 下图为ATP结构式：
思考以下问题：
（1）图中①②③的结构分别代表什么？
提示：①-腺嘌呤；②-核糖；③-磷酸基团
（2）腺苷是由图中哪些结构组成的？
提示：①②
归纳总结：ATP的结构及特点
ATP是腺苷三磷酸的英文名称缩写。ATP分子的结构可以简写成A一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。
活动3：辨析ATP中的两个特殊化学键都断裂吗？
资料4 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。
思考并回答下列问题：
问题1：从实验结果ATP中哪一个化学键更容易断裂？为什么？
问题2：写出ATP水解的反应式
问题3：为什么说ATP是一种高能磷酸化合物？（一般将水解时释放20.92kJ/mol及以上能量的化合物叫做高能化合物）。
提示：因为1molATP水解释放的能量高达30.54 kJ。
问题4：若ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质？
核心归纳：
1.ATP的分子组成（如图）
（1）元素组成：ATP是由C、H、O、N、P五种元素组成的，这与核酸的元素组成是相同的。
（2）AMP是RNA的基本组成单位之一。
（3）ATP的结构组成可以用“1、2、3”来总结，“1”表示1个腺苷，“2”表示两个特殊的化学键，“3”表示3个磷酸基团。
由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因，使得这种化学键不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，也就是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，从而使后者发生变化。可见ATP水解的过程就是释放能量的过程，1 molATP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。
2.生物体内的能源物质总结
（1）能源物质：糖类、脂肪、蛋白质、ATP。
（2）主要能源物质：糖类。
（3）储能物质：脂肪、淀粉(植物细胞)、糖原(动物细胞)。
（4）主要储能物质：脂肪。
（5）直接能源物质：ATP。
（6）最终能量来源：太阳能。
目标2：ATP与ADP之间的相互转化及ATP的利用
（一）ATP与ADP可以相互转化
教师活动：展示ATP与ADP相互转化示意图和资料，组织学生阅读教材，观察图片，独立思考，自主学习，进行活动探究，引导学生阐述ATP与ADP之间的关系，解释ATP在能量代谢中的作用。
学生活动：阅读教材，分析资料，小组活动探究，引导学生思考并回答问题，归纳概述ATP与ADP之间的关系。
活动4：ATP含量很少，但需求量很大，ATP如何持续供能？
资料5 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，结果如下表所示。
问题1：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。
问题2：请写出ATP合成的反应式。
活动5：在ADP转化成ATP时所需能量的来自哪里？
资料6 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。
根据上述材料，请完善ATP与ADP相互转化的模型图。
活动6：ATP和ADP的相互转化是否是可逆反应？
请完善下表并得出结论。
讲解：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的那个特殊的化学键很容易水解脱离开来，形成游离的Pi（磷酸），同时，储存在这个特殊化学键中的能量释放出来，ATP就转化成ADP。在有关酶的催化作用下，ADP可以接受能量，同时与一个游离的Pi结合，重新形成ATP。
强调：ATP和ADP可以迅速地相互转化，这种转化是不停地发生并且处于动态平衡当中。
对细胞的正常生活来说，ATP与ADP的这种相互转化，是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的。据测算，一个人在剧烈运动的状态下，每分钟约有0.5kg的ATP转化成ADP，释放能量，供运动之需。生成的ADP又可在一定条件下转化成ATP。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。
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。
那么，在ADP转化成ATP的过程中，所需要的能量从哪里来呢？对于绿色植物来说，既可以来自光能，也可以来自呼吸作用所释放的能量；对于动物、人、真菌和大多数细菌来说，均来自细胞进行呼吸作用时有机物分解所释放的能量。
（二）ATP的利用
教师活动：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，结合图片展示，肌肉收缩、主动运输、大脑思考、生物发电、生物发光等都需要利用ATP。阅读图5-6，你能补充其他ATP利用的实例吗
提出问题：ATP水解释放的能量是如何用于上述各种生命活动的呢？以主动运输为例，展示ATP是如何供能的。
学生活动：思考、讨论、作答。
活动7：ATP的利用
1.ATP为肌肉收缩供能
播放视频，引导学生观看视频，理解ATP为肌肉收缩功能。
2.ATP为Ca2+的主动运输供能
ATP水解释放的能量是如何用于上述各种生命活动的呢 下图向你展示了ATP是如何为主动运输供能的。
（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。
请完善能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通的模型图。
细胞内的化学反应可以分成吸能反应和放能反应两大类。前者是需要吸收能量的，如蛋白质的合成等;后者是释放能量的，如葡萄糖的氧化分解等。许多吸能反应与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量;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。也就是说，能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。因此，可以形象地把ATP比喻成细胞内流通的能量“货币”。
正是由于细胞内具有ATP这种能量“货币”，才能及时而持续地满足细胞各项生命活动对能量的需求。
活动8：质疑
（1）ATP只能作为能源物质吗？
资料8 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：ATP是一种能源物质，也是能在细胞间传递信息的信号分子。
（2）有其他的直接能源物质吗？
资料9 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：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。
核心归纳：
1.ATP和ADP的相互转化不可逆
（1）ATP与ADP的相互转化
①ATP合成：需要酶的催化，由动物的呼吸作用和植物的光合作用与呼吸作用提供能量。
②ATP水解：需要酶的催化，连接末端磷酸基团的那个特殊化学键水解释放能量，释放的能量用于各项生命活动。
③两者转化时，物质可逆，能量不可逆。
（2）ATP的利用特点
①ATP是生物体内的直接能源物质。
②虽然在生物体内含量少，但是ATP与ADP的相互转化十分迅速。
2.ATP与ADP的相互转化具有普遍性
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。
四、板书设计
5.2 细胞的能量“货币”ATP
一、ATP是一种高能磷酸化合物
二、ATP与ADP之间的相互转化
1.ATP合成：需要酶的催化，由动物的呼吸作用和植物的光合作用与呼吸作用提供能量
2.ATP水解：需要酶的催化，连接末端磷酸基团的那个特殊化学键水解释放能量，释放的能量用于各项生命活动
3.两者转化时，物质可逆，能量不可逆
三、ATP的利用
1.ATP是生物体内的直接能源物质
2.虽然在生物体内含量少，但是ATP与ADP的相互转化十分迅速

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