細(xì)胞的能量“貨幣”ATP（教學(xué)設(shè)計(jì)）高一生物（人教版2019必修1）

第5章細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用

第2節(jié)細(xì)胞的能量“貨幣ATP”年級(jí)高一年級(jí)授課時(shí)間1課時(shí)課題第2節(jié)細(xì)胞的能量“貨幣ATP”教材分析本節(jié)內(nèi)容主要介紹ATP的分子組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化以及ATP在能量代謝中的作用3個(gè)方面的內(nèi)容。盡管糖類(lèi)等有機(jī)物是能源物質(zhì)，但并不能給生命活動(dòng)直接提供能量，ATP之所以是直接能源物質(zhì)，是由其分子結(jié)構(gòu)所決定的。ATP為什么能像“貨幣”一樣反復(fù)利用呢?教材通過(guò)ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的示意圖，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到，ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化伴隨著能量的釋放和儲(chǔ)存。此外，ATP和ADP的數(shù)量還處于動(dòng)態(tài)平衡之中。本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生掌握了細(xì)胞中的有機(jī)物蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂肪等在細(xì)胞中的作用等知識(shí)的基礎(chǔ)上安排的教學(xué)內(nèi)容，教材中ATP水解釋放出能量促使主動(dòng)運(yùn)輸中載體蛋白的磷酸化的典型意義，有助于第4章“主動(dòng)運(yùn)輸”的學(xué)習(xí)。ATP是生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)，在細(xì)胞代謝中具有重要作用，在細(xì)胞呼吸、光合作用中會(huì)產(chǎn)生ATP,因此本節(jié)內(nèi)容是后續(xù)章節(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，具有承前啟后的作用。教學(xué)目標(biāo)1.依據(jù)ATP的分子簡(jiǎn)式說(shuō)出ATP的化學(xué)組成和特點(diǎn)。2.根據(jù)ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化解釋ATP在細(xì)胞生命活動(dòng)中的作用。教學(xué)重、難點(diǎn)ATP化學(xué)組成的特點(diǎn)及其在能量代謝中的作用。通過(guò)ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。教學(xué)過(guò)程教學(xué)內(nèi)容教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)引入新課【情境引入】播放螢火蟲(chóng)發(fā)光的奧秘視頻，引發(fā)學(xué)生思考問(wèn)題:1.螢火蟲(chóng)發(fā)光的生物意義是什么?主要是相互傳遞信號(hào)，以便繁衍后代。2.螢火蟲(chóng)為什么能發(fā)光?螢火蟲(chóng)腹部后端細(xì)胞內(nèi)有特有的發(fā)光物質(zhì)熒光素。3.螢火蟲(chóng)發(fā)光需要的能量從哪里來(lái)?激發(fā)學(xué)生的好奇心，導(dǎo)入對(duì)ATP的學(xué)習(xí)。思考回答問(wèn)題，進(jìn)入對(duì)ATP的學(xué)習(xí)。一、ATP是一種高能磷酸化合物【閱讀分析】指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，學(xué)習(xí)ATP的結(jié)構(gòu)。(1)中文名稱(chēng)：腺苷三磷酸(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式：A—P～P～P(3)元素組成：C、H、O、N、PA:腺苷P:磷酸基團(tuán):普通的化學(xué)鍵～：特殊的化學(xué)鍵展示ATP的結(jié)構(gòu)模型圖。【布置任務(wù)】任務(wù)一：結(jié)合資料，引導(dǎo)學(xué)生分析ATP的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。資料1如圖為ATP結(jié)構(gòu)式：學(xué)生思考以下問(wèn)題：(1)圖中①②③的結(jié)構(gòu)分別代表什么？①腺嘌呤；②核糖；③磷酸基團(tuán)(2)腺苷是由圖中哪些結(jié)構(gòu)組成的？①②結(jié)合問(wèn)題探討螢火蟲(chóng)發(fā)光需要什么呢？能量回顧細(xì)胞內(nèi)哪些化合物可為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供能量。分析思考并歸納，主要能源物質(zhì)是什么？糖類(lèi)主要儲(chǔ)能物質(zhì)是什么？脂肪糖類(lèi)、脂肪這些物質(zhì)能為螢火蟲(chóng)發(fā)光直接供能嗎?【探究活動(dòng)】學(xué)生帶著問(wèn)題，以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)材料：將離體熒光蟲(chóng)發(fā)光器研磨成粉末，然后制成熒光素試劑實(shí)驗(yàn)工具：燒杯、量筒、試管、玻璃棒等實(shí)驗(yàn)試劑：蒸餾水、脂肪溶液、葡萄糖溶液、ATP注射液等實(shí)驗(yàn)原理：請(qǐng)同學(xué)們分組討論完成實(shí)驗(yàn)(用簡(jiǎn)筆畫(huà)圖示并配文字說(shuō)明)。強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的對(duì)照、等量、單一變量原則。實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：引導(dǎo)學(xué)生思考從A、B、C、D試管的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中你得出的結(jié)論是什么?從而得出：ATP的功能：驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。結(jié)合資料闡述ATP的供能機(jī)理：ATP在酶的作用下水解時(shí)，脫離下來(lái)的末端磷酸基團(tuán)挾能量與其他分子結(jié)合，從而使后者發(fā)生變化?！举Y料探究】展示資料2α、β和γ表示ATP上三個(gè)磷酸基團(tuán)所處的位置(A－Pα～Pβ～Pγ)，現(xiàn)有甲、乙兩組ATP溶液，甲組用32P標(biāo)記ATP的β位的磷酸基團(tuán)，乙組用32P標(biāo)記ATP的γ位的磷酸基團(tuán)，然后分別加入等量的ATP水解酶，短時(shí)間后迅速分離溶液中游離的磷酸基團(tuán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有乙組中游離的磷酸基團(tuán)帶有放射性。指導(dǎo)學(xué)生一邊閱讀，一邊完成學(xué)案上的表格。辨析ATP中的兩個(gè)特殊化學(xué)鍵都斷裂嗎？問(wèn)題1：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果ATP中哪一個(gè)化學(xué)鍵更容易斷裂？為什么？β位與γ位磷酸基團(tuán)之間的化學(xué)鍵更容易斷裂。動(dòng)態(tài)展示ATP的水解示意圖。分析闡述ATP中兩個(gè)相鄰的磷酸基團(tuán)帶有負(fù)電荷而相互排斥，使得這種化學(xué)鍵不穩(wěn)定，末端的磷酸基團(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能。磷酸基團(tuán)攜帶轉(zhuǎn)移的“勢(shì)能”與其他分子結(jié)合。ADP相互排斥的磷酸基團(tuán)減少，勢(shì)能降低。問(wèn)題2：寫(xiě)出ATP水解的反應(yīng)式問(wèn)題3：為什么說(shuō)ATP是一種高能磷酸化合物？（一般將水解時(shí)釋放20.92kJ/mol及以上能量的化合物叫做高能化合物）。因?yàn)?molATP水解釋放的能量高達(dá)30.54kJ。問(wèn)題4：若ATP分子去掉2個(gè)磷酸基團(tuán)后的剩余部分是什么物質(zhì)？【思考討論】1．展示ATP的分子組成(如圖)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合圖片進(jìn)行分析概括。(1)元素組成：ATP是由C、H、O、N、P五種元素組成的，這與核酸的元素組成是相同的。(2)AMP是RNA的基本組成單位之一。(3)ATP的結(jié)構(gòu)組成可以用“1、2、3”來(lái)總結(jié)，“1”表示1個(gè)腺苷，“2”表示兩個(gè)特殊的化學(xué)鍵，“3”表示3個(gè)磷酸基團(tuán)?！練w納總結(jié)】2．結(jié)合已知識(shí)對(duì)生物體內(nèi)的能源物質(zhì)進(jìn)行總結(jié)(1)能源物質(zhì)：糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)、ATP。(2)主要能源物質(zhì)：糖類(lèi)。(3)儲(chǔ)能物質(zhì)：脂肪、淀粉(植物細(xì)胞)、糖原(動(dòng)物細(xì)胞)。(4)主要儲(chǔ)能物質(zhì)：脂肪。(5)直接能源物質(zhì)：ATP。(6)最終能量來(lái)源：太陽(yáng)能。閱讀教材，學(xué)習(xí)ATP的結(jié)構(gòu)。結(jié)合資料，分析ATP的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:ATP是細(xì)胞內(nèi)直接的能源物質(zhì)。閱讀資料，完成學(xué)案上的表格。結(jié)合圖片分析ATP的分子組成。習(xí)題鞏固1.如圖是ATP結(jié)構(gòu)示意圖，其中①②③表示化學(xué)鍵。下列有關(guān)ATP的敘述，正確的是A.①斷裂后形成的是ADPB.①最容易斷裂和重新形成C.②斷裂后可作為合成RNA的原料中的T表示胸腺嘧啶，因而ATP的結(jié)構(gòu)與核苷酸很相似【答案】C【解析】A、①斷裂后形成的是腺苷，③斷裂后形成的是ADP,A錯(cuò)誤;B、③最容易斷裂和重新形成，B錯(cuò)誤;C、②斷裂后為腺嘌呤脫氧核糖，可作為合成RNA的原料，C正確;D、ATP中的T表示磷酸基團(tuán)，D錯(cuò)誤。故選C。是腺嘌呤核苷的衍生物，下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是A.一分子的ATP中含有的腺苷、磷酸基團(tuán)和特殊化學(xué)鍵數(shù)目依次是1、3、2中的兩個(gè)特殊化學(xué)鍵儲(chǔ)存的能量基本相同，穩(wěn)定性基本相同分子中含有C、H、O、N、P五種元素末端磷酸基團(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能【答案】B【解析】ATP中的兩個(gè)特殊化學(xué)鍵儲(chǔ)存的能量基本相同，但穩(wěn)定性不同，遠(yuǎn)離A的特殊化學(xué)鍵不穩(wěn)定，B錯(cuò)誤。二、ATP與ADP之間的相互轉(zhuǎn)化【布置任務(wù)】任務(wù)二：結(jié)合資料探討ATP與ADP之間的相互轉(zhuǎn)化。1.研究顯示，一個(gè)成年人一天在靜止?fàn)顟B(tài)下所消耗的ATP約有40kg；在劇烈運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，每分鐘約有0.5kg的ATP轉(zhuǎn)化為ADP。成人體內(nèi)ATP總量約2～10mg，在安靜狀態(tài)下，肌肉內(nèi)ATP含量只能供肌肉收縮1～2s。ATP含量很少，但需求量很大，ATP如何持續(xù)供能？請(qǐng)根據(jù)資料回答下列問(wèn)題：資料3磷酸肌酸是一種高能磷酸化合物，它能在肌酸激酶的催化下將自身的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP分子中來(lái)合成ATP。研究者對(duì)蛙的肌肉組織進(jìn)行短暫電刺激，檢測(cè)對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組(肌肉組織用肌酸激酶阻斷劑處理)肌肉收縮前后ATP和ADP的含量，結(jié)果如表所示。問(wèn)題1：為什么對(duì)照組ATP和ADP含量沒(méi)有變化，實(shí)驗(yàn)組ATP含量減少，ADP含量上升？肌肉收縮會(huì)消耗ATP生成ADP，對(duì)照組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，而實(shí)驗(yàn)組由于缺乏肌酸激酶，ADP不能生成ATP，所以對(duì)照組ATP和ADP含量沒(méi)有變化，實(shí)驗(yàn)組ATP含量減少，ADP含量上升。請(qǐng)寫(xiě)出ATP合成的反應(yīng)式。資料4催化ATP合成的酶主要分布在線(xiàn)粒體內(nèi)膜和葉綠體類(lèi)囊體膜上。ADP接受細(xì)胞呼吸中有機(jī)物氧化分解釋放的能量或光合作用中捕獲的光能，與游離的Pi結(jié)合，重新合成ATP。根據(jù)上述材料，請(qǐng)學(xué)生完善ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的模型圖。請(qǐng)學(xué)生完善下表并得出結(jié)論。分析討論得出結(jié)論：物質(zhì)是可逆的，能量是不可逆的，酶也不相同，因此ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化不是可逆反應(yīng)。通過(guò)對(duì)資料中具體事實(shí)的分析，得出結(jié)論:ATP的存量有限，但是消耗量大。并結(jié)合資料探討ATP與ADP之間的相互轉(zhuǎn)化。完善ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的模型圖及表格。三、ATP的利用【閱讀教材】結(jié)合課本圖解，引導(dǎo)學(xué)生分析回答:ATP水解后可用于哪些生命活動(dòng)?進(jìn)一步提問(wèn)：你能補(bǔ)充其他ATP利用的實(shí)例嗎？在學(xué)生列舉事例后歸納概括出ATP水解釋放的能量用于各項(xiàng)生命活動(dòng)。播放以鈣離子為例ATP直接供能的過(guò)程的視頻。分析ATP的供能機(jī)制。展示能量通過(guò)ATP分子在吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)之間流通的模型圖，請(qǐng)學(xué)生完善該模型圖。通過(guò)“貨幣”的類(lèi)比，幫助學(xué)生更好地理解ATP是能量的“貨幣”（直接能源），加深了學(xué)生對(duì)ATP生理功能的理解。【拓展延伸】（1）ATP只能作為能源物質(zhì)嗎？展示資料520世紀(jì)50年代，研究者發(fā)現(xiàn)ATP在神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞中可以作為一種興奮性的神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)揮作用，并且在內(nèi)臟、中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)等多個(gè)部位的細(xì)胞質(zhì)膜上發(fā)現(xiàn)了ATP受體，可見(jiàn)ATP還是一種能在細(xì)胞間傳遞信息的信號(hào)分子。從資料引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：ATP是一種能源物質(zhì)，也是能在細(xì)胞間傳遞信息的信號(hào)分子。（2）有其他的直接能源物質(zhì)嗎？展示資料6如果將ATP中的堿基A替換為G、U、C，分別為鳥(niǎo)苷三磷酸、尿苷三磷酸和胞苷三磷酸，一起組成NTP家族，其脫去核糖第二位C上的O原子組成dNTP家族，均為高能化合物。引導(dǎo)學(xué)生概括出結(jié)論：除了ATP外，鳥(niǎo)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。閱讀教材，聯(lián)系生活實(shí)際，列舉ATP的利用。舉出ATP利用的其他實(shí)例。完善ATP分子在吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)之間流通的模型圖。習(xí)題鞏固是細(xì)胞內(nèi)流通的能量“貨幣”，如圖表示ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的示意圖。下列有關(guān)敘述正確的是A.人在饑餓時(shí)，細(xì)胞中ATP與ADP的含量難以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡B.不同生物體中ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的供能機(jī)制不同，體現(xiàn)了生物的多樣性C.植物根尖細(xì)胞中ATP合成所需的能量可來(lái)自線(xiàn)粒體、葉綠體和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)水解釋放的磷酸基團(tuán)可使蛋白質(zhì)分子磷酸化，蛋白質(zhì)活性發(fā)生改變【答案】D【解析】A、人在饑餓時(shí)，肝糖原和脂肪可以轉(zhuǎn)變成葡萄糖供呼吸作用利用，細(xì)胞中ATP與ADP快速轉(zhuǎn)換而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，A錯(cuò)誤;B、不同生物體中ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的供能機(jī)制，在所有生物的細(xì)胞內(nèi)都是一樣的,體現(xiàn)了生物界的統(tǒng)性，B錯(cuò)誤;C、根尖分生區(qū)無(wú)葉綠體,ATP合成所需的能量可來(lái)自線(xiàn)粒體和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，C錯(cuò)誤;D、ATP水解釋放的磷酸基團(tuán)可以使蛋白質(zhì)分子磷酸化，通過(guò)蛋白質(zhì)分子的磷酸化和去磷酸化，使蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，活性也隨之發(fā)生改變，D正確。故選D。4.(2023·江西上饒一中高一質(zhì)檢)如圖為ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系式，下列說(shuō)法正確的是A.在此轉(zhuǎn)化過(guò)程中物質(zhì)和能量均不可重復(fù)利用B.葉肉細(xì)胞在白天能產(chǎn)生ATP，在晚上不能產(chǎn)生ATPC.圖中所示的過(guò)程在心肌細(xì)胞中比在口腔上皮細(xì)胞中進(jìn)行得更快D.圖中的反應(yīng)向右進(jìn)行時(shí)，常伴隨著放能反應(yīng)的進(jìn)行【答案】C【解析】A、在此轉(zhuǎn)化過(guò)程中物質(zhì)可重復(fù)利用，A錯(cuò)誤;B