5.2细胞的能量“通货”—ATP 导学案

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第五章细胞的能量供应和利用

导学案

第二节细胞的能量“通货”—ATP

引入：相传，我国晋朝时有个青年叫车胤，他酷爱学习，但由于家贫买不起蜡烛，不能读书，于是就捉了很多萤火虫，装在薄薄的布袋子里。四五十只萤火虫发出的光真能抵得上一支点燃的蜡烛呢!他就借着萤火虫的光刻苦学习，后来成为一位有大学问的人。一、问题探讨：

思考：1．萤火虫发光的生物学意义是什么?

相互传递求偶信号，以便交尾、繁衍后代 2．萤火虫体内有特殊的发光物质吗?

萤火虫腹部后端细胞内的萦光素，是其特有的发光物质 3．萤火虫发光的过程有能量的转换吗?

萤火虫腹部细胞内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。

二、ATP的结构简式：

1．ATP是的英文名称缩写。 2．ATP的结构式可以简写成A－P P P，其中“A”代表，

“P”代表磷酸基因，

“一”代表一般的共价键，

“～”代表一种特殊的化学键，叫做，ATP分子中大量的能量就储存在高能磷酸键中。ATP可以水解，这实际上是指ATP分子中高能磷酸键的水解。高能磷酸键水解时释放的能量多达30.54 kJ／mol，所以说ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物。

三、ATP和ADP可以相互转化（1）ATP与ADP的相互转化

ADP是的英文名称缩写，ADP的结构简式可写成A—P～P。在有关酶的催化作用下，ATP分子中远离A的那个高能磷酸键很容易水解，于是远离A的那个P就脱离开来，形成游离的Pi(磷酸)，同时储存在高能磷酸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(如下所示)。

ATP 酶 ADP＋Pi＋能量

另一种酶

（2）ADP转化成ATP时所需能量的主要来源

①对动物、人、真菌和大多数细菌来说，ADP转化成ATP时所需能量的主要来源，均来自细胞进行呼吸作用时有机物分解所释放的能量。 ②对绿色植物来说ADP转化成ATP时所需能量的主要来源，除了依赖呼吸作用所释放的能量外，在叶绿体内进行光合作用时，ADP转化为ATP还利用了光能。

（3）ATP与ADP的相互转化过程是不是化学上的可逆反应？为什么？答：不是。这是因为它们：

①反应条件不同：ATP的分解是一种水解反应，催化该反应的酶属于水解酶；而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能量来源不同：ATP水解释放的能量是储存在高能磷酸键中的化学能，而合成ATP的能量主要是有机物中的化学能和太阳能。

③合成与分解的场所不同：ATP合成的场所是细胞质基质、线粒体和叶绿体；而ATP分解的场所较多，如：细胞膜（供主动运输消耗的能量）、叶绿体的基质（将ATP中的能量释放出来，储存在合成的有机物中）、细胞质的基质（由ATP供能，活化氨基酸，将活化的氨基酸转移到相应的mRNA上）、细胞核（DNA复制和RNA合成所消耗的能量）等等。因此，合成与分解的场所不尽相同。

④两者的功能不同：ATP是生物体内生命活动的直接能源物质，它水解时释放的能量可以供各项生命活动需要；而ATP的合成伴随着能量的储存，该反应实际上是生物体内能量的转移过程。总结：（物质可逆，能量和酶不可逆）

[补充]：

〖讲述〗在动物和人体细胞（特别是肌细胞）内，除了ATP外，其他的高能磷酸化合物还有磷酸肌酸（可用C～P代表）。磷酸肌酸的结构式是：

当动物和人体细胞由于能量的大量消耗而使细胞内的ATP含量过分减少时，在有关酶的催化作用下磷酸肌酸中的磷酸基团连同能量一起转移给ADP，从而生成ATP和肌酸（可用C代表）；当ATP含量比较多时，在有关酶的催化作用下，ATP可以将磷酸基团连同能量一起转移给肌酸，使肌酸转变成磷酸肌酸。

对于动物和人体细胞来说，磷酸肌酸只是能量的一种储存形式，而不能直接被利用。由此可见，对于动物

和人体细胞来说，磷酸肌酸在能量释放、转移和利用之间起着缓冲的作用，从而使细胞内ATP的含量能够保持相对的稳定，ATP系统的动态平衡得以维持。

四、ATP的利用

吸能反应：需要消耗能量，是吸能反应。（如葡萄糖和果糖合成蔗糖的反应，）这一反应所需要的能量是由ATP水解为ADP时释放能量来提供的。

放能反应：能够释放能量，是放能反应。（如丙酮酸的氧化分解，）这一反应所释放的能量除以热能形式散失外，用于ADP转化为ATP的反应，储存在ATP中。

〖讲述〗ATP中的能量可以直接转化成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。这些能量的形式主要有以下6种。

①渗透能细胞的主动运输是逆浓度梯度进行的，物质跨膜移动所做的功消耗了能量，这些能量叫做渗透能。

②机械能细胞内各种结构的运动都是在做机械功，所消耗的就是机械能。例如，肌细胞的收缩，草履虫纤毛的摆动，精子鞭毛的摆动，有丝分裂期间染色体的运动，腺细胞对分泌物的分泌等。

③电能大脑的思考──神经冲动在神经纤维上的传导，以及电鳐、电鳗等动物体内产生的生物电等，它们所做的电功消耗的就是电能。

④化学能细胞内物质的合成需要化学能，如小分子物质合成为大分子物质时，必须有直接或间接的能量供应。另外，细胞内物质在分解的开始阶段，也需要化学能来活化，成为能量较高的物质（如葡萄糖活化成磷酸葡萄糖）。可以说在细胞内的物质代谢中，到处都需要由ATP转化而来的化学能做功。

⑤光能目前关于生物发光的生理机制还没有完全弄清楚，但是已经知道，生物体用于发光的能量直接来自ATP，如萤火虫的发光。

⑥热能有机物的氧化分解释放的能量，一部分用于生成ATP，大部分转化为热能通过各种途径向外界环境散发，其中一小部分热能作用于体温。通常情况下，热能的形成往往是细胞能量转化和传递过程中的副产品。此外，ATP释放的能量中，一部分能量也能用于动物的体温的提升和维持。五、生物体内的能源物质总结：

（1）细胞中的重要能源物质——葡萄糖；（2）植物细胞中储存能量的物质——淀粉；（3）动物细胞中储存能量的物质——糖原；（4）生物体内储存能量的物质——脂肪；

（5）生物体进行各项生命活动的主要能源物质——糖类；（6）生物体进行各项生命活动的直接能源物质——ATP；（7）生物体进行各项生命活动的最终能源物质——太阳光。 [资料].萤火虫发光的原理和意义

萤火虫不论雄性的还是雌性的，夏秋的夜晚都会一闪一闪地发光。雄虫比雌虫的个体小一些，但发出的闪光却亮一些。萤火虫发出的闪光，主要是求偶的信号，用来吸引异性前来交尾。萤火虫有许多种，如平家萤火虫、姬萤火虫等。不同种类的萤火虫会发出各自特定的闪光信号。雌虫看到飞舞着的同种雄虫发出的闪光信号后，就会以特定的闪光信号回应。雄虫的每一组闪光信号是由几个节奏组成的，每个节奏都包括闪光的次数、闪光的频率和每次闪光的时间，这些都是雌虫能够识别的。如果雌虫顺利地回应了闪光信号，则雄虫就会前来交尾，以繁衍后代。有的科学家准确分析出某种雄性萤火虫的闪光规律后，用手电筒模拟这种闪光信号，竟然发现同种的雌虫会迎光而来。

有趣的是，雌虫看到其他种类雄虫的闪光信号后，有时竟能发出该种雌虫的闪光信号，这种闪光信号具有欺骗性，能使该种雄虫误以为可以前去交尾而被雌虫吃掉。雌虫的这一特性，可以使自己获得丰富的营养。这种现象被科学家戏称为“死亡拥抱”。此外，萤火虫发出的萦光还具有一定的警戒作用和照明作用。

萤火虫的发光器官位于腹部后端的下方，该处具有发光细胞。发光细胞的周围有许多微细的气管，发光细胞内有萦光素和萦光素酶。萦光素接受ATP提供的能量后就被激活。在萦光素酶的催化作用下，激活的萦光素与氧发生化学反应，形成氧化萦光素并且发出萦光。顺便说到，萦光是一种冷光，其发光效率可高达98％左右，而热光则发光效率低得多，如太阳的发光效率只有35％左右。

六、练习：

1．ATP形成ADP时最先断裂的是（）

A．腺苷与磷酸的结合键

B．两个高能磷酸键

D．远离腺苷的那个高能磷酸键

11．ATP 是细胞内的能源物质，医药商店出售的 ATP 注射液可以治疗心肌炎。若人体静脉注射这种药物， ATP 到心肌细胞内至少要通过的细胞膜层数为（）

A ． 1 B ． 2 C ． 3 D ． 4

12．已知1个葡萄糖分子经过彻底氧化分解可产生36或38个ATP。1mol/LATP

的高能磷酸键储存能量约30.54kJ；1mol/L葡萄糖氧化共释放2872.2kJ C．靠近腺苷的那个高能磷酸键

2．ATP之所以作为能量的直接来源，是因为（）

A．ATP在细胞内数量很多 B．ATP中的高能磷酸键很稳定

C．ATP中的高能磷酸键储存的能量多且很不稳定 D．ATP是生物体内唯一可以储存能量的化合物 3．下列生理过程中不需要消耗ATP的是（）