2020-2021学年高中生物新教材人教版必修1学案：第5章第2节细胞的能量“货币”ATP（教师备课专用）

2020-2021学年高中生物新教材人教版必修1学案：第5章第2节细胞的能量“货币”ATP（教师备课专用）

www.ks5u.com 第2节　细胞的能量“货币”ATP 课标要求 核心素养 ‎1.简述ATP的化学组成和特点。‎ ‎2.简述ATP和ADP的相互转化。‎ ‎3.解释ATP在能量代谢中的作用。‎ ‎1.生命观念——结构与功能观：认同ATP的结构与功能相适应。‎ ‎2.科学思维——分析与综合：ATP与ADP之间的相互转化；理解ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。‎ 知识导图 新知预习·双基夯实 一、ATP是一种高能磷酸化合物 ‎1．ATP的名称与简式：‎ ‎(1)中文名称：__腺苷三磷酸__。‎ ‎(2)结构简式：__A—P～P～P__。‎ ‎(3)符号含义 ‎2．功能：‎ ATP是细胞内的一种__高能磷酸__化合物，是驱动细胞生命活动的__直接能源物质__。‎ 二、ATP和ADP可以相互转化 ‎1．过程：‎ ‎(1)释放能量：ATP__ADP__＋Pi＋能量。‎ ‎(2)储存能量：ADP＋Pi＋能量__ATP__。‎ ‎2．能量的来源及去路：‎ ‎3．原因及特点：‎ ‎(1)原因：ATP分子中__远离A的磷酸基团具有较高的转移势能__很容易水解。‎ ‎(2)特点：时刻不停地发生并且处于__动态平衡__之中。‎ 三、ATP的利用 ‎1．细胞内吸能反应一般与__ATP水解__的反应相联系，由__ATP水解__提供能量；放能反应一般与__ATP合成__的反应相联系，释放的能量储存在__ATP__中。‎ ‎2．举例说明有哪些生命活动需要利用ATP：__细胞的主动运输、胞吞胞吐、各种吸能反应，还可用于生物发光发电、肌肉收缩、大脑思考等生命活动__。‎ ‎3．ATP水解释放的__磷酸基团__使__蛋白质__等分子磷酸化，这在细胞中是常见的。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__。‎ ‎┃┃活学巧练__■‎ ‎1．ATP可以水解为一个核苷酸和两个磷酸。(√)‎ ‎2．人在饥饿时，细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡。(×)‎ ‎3．ATP能够及时转化成ADP，这有效地保证了细胞内能量的供应。(√)‎ ‎4．ATP在细胞内含量并不高，活细胞都能产生ATP，也都会消耗ATP。(√)‎ ‎5．ATP含有3个特殊化学键，但是只有一个特殊化学键会发生断裂。(×)‎ ‎6．ATP中的A不代表腺嘌呤，当脱去两个磷酸后，形成的物质为RNA的基本单位之一。(√)‎ ‎7．酶的催化反应都需要消耗ATP。(×)‎ ‎8．ATP水解释放的能量可用于细胞内的吸能反应。(√)‎ ‎9．活细胞内ATP与ADP的转化只能单向进行。(×)‎ 思考：‎ ‎1．ATP中去除两个磷酸基团后是构建哪种物质的基本单位？‎ 提示：RNA。‎ ‎2．ATP中的“A”与碱基中的“A”是同一种物质吗？‎ 提示：不是。在ATP中，“A”代表腺苷(腺嘌呤＋核糖)；在碱基中，“A”代表腺嘌呤。‎ ‎3．人们不论在运动时还是休息时，细胞内时刻进行着ATP与ADP的相互转化，这种转化属于可逆反应吗？‎ 提示：不属于，所需酶及场所等不同。‎ ‎4．ATP在细胞内的含量是很少的，如成年人细胞内ADP和ATP的总量仅为2～10 mg，而一个正常成年人在静止状态下24 h将有40 kg的ATP发生转化。为满足能量需要，分析生物体是如何解决这一矛盾的？‎ 提示：ATP与ADP在细胞内的相互转化是十分迅速的，且物质可以重复利用，因此，能满足生命活动对能量的需要。‎ 学霸记忆·素养积累 重点呈现 ‎1．ATP的结构简式是A－P～P～P，其中“A”表示腺苷，“P”代表磷酸基团，“～”代表特殊化学键。‎ ‎2．一个ATP分子中有1个腺苷，3个磷酸基团，其中含有2个特殊化学键。‎ ‎3．ATP与ADP相互转化的反应式：ATPADP＋Pi＋能量。‎ ‎4．细胞内ATP与ADP的相互转化的能量供应机制是生物界的共性。‎ ‎5．动物、人、真菌等合成ATP的途径是呼吸作用。‎ ‎6．绿色植物合成ATP的途径是光合作用和呼吸作用。‎ ‎7．ATP是生命活动的直接能源物质。‎ 课内探究·名师点睛 知识点 ATP的结构和生理功能 ‎1．ATP的组成 ‎2．ATP与核苷酸的关系 组成ATP和核苷酸的元素是相同的，都是C、H、O、N、P。ATP中存在一个普通磷酸键和两个特殊化学键。破坏了两个特殊化学键，剩余的部分就是一分子的腺嘌呤核糖核苷酸。‎ ‎3．ATP的生理功能 细胞代谢所需的能量绝大多数是由细胞内的ATP直接提供的。‎ ATP是细胞代谢所需能量的直接来源。‎ ‎4．ATP的结构与功能的相互关系 ‎(1)ATP的结构特点保证了细胞内有一个相对稳定的能量供应库。ATP中远离腺苷的磷酸基团很容易脱离与形成，可保证ATP数量的相对稳定和能量的持续供应。‎ ‎(2)ATP在供能中处于核心地位，许多能源物质需转化为ATP才能为生命活动供能。在生命活动中，ATP中的能量可转化为不同形式的能量。‎ 知识贴士 ‎(1)DNA和RNA的组成中的A表示腺嘌呤这种碱基，而在ATP中A代表的是腺苷，即核糖与腺嘌呤的组合体。‎ ‎(2)每个ATP分子中只含有2个特殊化学键(～)，其中只有远离腺苷的特殊化学键易断裂或合成。‎ ‎┃┃典例剖析__■‎ 典例1 (2020·山东省潍坊市高一)如图为ATP分子结构式。下列相关叙述错误的是(　B　)‎ 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 解析：ATP中的“A”代表腺苷，由核糖和腺嘌呤组成，因此图中五碳糖为核糖，A正确；图中虚线框中的基团是腺嘌呤，B错误；ATP分子中有2个特殊化学键，C正确；ATP分子水解掉两个磷酸基团后，剩余的部分是腺嘌呤核糖核苷酸，D正确。‎ ‎┃┃变式训练__■‎ ‎1．有人把ATP比作细胞的能量“货币”，说明ATP是细胞生命活动的(　A　)‎ A．直接能源　B．储备能源　C．间接能源　D．主要能源 知识点 ATP与ADP可以相互转化 ‎1．ATP转化及利用图示 图示1：‎ 图示2：‎ 例：ATP如何为主动运输供能 ATPATP水解Ca2＋释放到膜外 ‎2．解读 ‎(1)光合作用和呼吸作用等放能反应与ATP的合成相联系。‎ ‎(2)主动运输等吸能反应与ATP的分解相联系，所以ATP是直接供能物质。‎ ‎(3)ATP在生物体内含量很少，又不断通过各种生命活动大量消耗，但ATP在细胞内的转化十分迅速，从而使细胞中的ATP总是处于一种动态平衡之中。‎ 知识贴士 ATP为生命活动提供的是化学能 ATP是细胞内的直接供能物质，但并非所有的生命活动所需的能量都是由ATP提供的，如植物对水分的吸收和运输，其动力来自叶片蒸腾作用产生的拉力。‎ ‎┃┃典例剖析__■‎ 典例2 以下对生物体ATP的叙述中，正确的是(　B　)‎ 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 解析：ATP(腺苷三磷酸)和ADP(腺苷二磷酸)是两种不同的物质，A错误；细胞呼吸可以产生能量，用于合成ATP，B正确。ATP脱掉两个磷酸基团后为腺嘌呤核糖核苷酸，C错误。ATP和ADP的相互转化，从物质来讲是可逆的，但从能量、场所、酶来讲是不可逆的，D错误。‎ ‎┃┃变式训练__■‎ ‎2．(2019·山东省德州市高一) 有关ATP的叙述错误的是(　B　)‎ A．ATP中的能量可来源于光能、化学能 B．ATP是由三个磷酸基团和一个腺嘌呤构成 C．有机物的氧化分解一般与ATP的合成相联系 D．ATP和ADP相互转化的能量供应机制是生物界共性 解析：‎ 形成ATP可通过呼吸作用和光合作用，通过呼吸作用合成ATP，其能量来源于化学能；通过光合作用合成ATP，其能量来源于光能。故ATP中的能量可以来源于光能、化学能，A正确；ATP是由三个磷酸基团和一个腺苷构成，B错误；有机物氧化分解产生的能量一部分用于ATP的合成，因此有机物的氧化分解一般与ATP的合成相联系，C正确；细胞内ATP与ADP相互转化的能量供应机制是生物界的共性，从一个侧面说明了生物界具有统一性，D正确。‎ 指点迷津·拨云见日 一、ATP和ADP的相互转化是不可逆的 ‎1．ATP与ADP的相互转化 反应式 ATP→ADP＋Pi＋能量 能量＋Pi＋ADP→ATP 类型 水解反应 合成反应 条件 水解酶 合成酶 场所 活细胞内多种场所 细胞质基质、线粒体、叶绿体 能量转化 放能 储能 能量来源 磷酸基团的脱离 呼吸作用、光合作用 能量去向 用于各项生命活动 储存于ATP中的特殊化学键中 ‎2.ATP与ADP的转化式的含义 细胞内ATP与ADP的循环过程，并不表示化学上的可逆反应。‎ ‎(1)从反应条件上看：由于酶具有专一性，因此，二者反应条件不同。‎ ‎(2)从反应场所上看：ATP的合成场所与分解场所不完全相同。‎ ‎(3)从能量来源上看：二者的能量来源不同。‎ 综上所述，ATP和ADP相互转化的过程应判断为“物质是可逆的，能量是不可逆的”或解释为“物质是可以循环利用的，能量是不能循环的”。‎ 提示：判断一个化学反应是不是可逆反应，不仅要看反应物和生成物是否相同，还要看反应的条件、场所是否相同。‎ 典例3 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(　D　)‎ ATPADP＋Pi＋能量 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 解析：‎ 该反应为ATP与ADP的相互转化，存在着能量的释放和储存，A正确；ATP释放的能量用于各项生命活动，保证了生命活动顺利进行，B正确；体内ATP的含量较少，可与ADP迅速转化，持续不断地在生物活细胞中进行，C正确；此过程物质变化是可逆的，而能量变化是不可逆的，D错误。‎ 二、ATP与DNA、RNA、核苷酸的联系 ATP与DNA、RNA、核苷酸的结构中都含有“A”，但在不同物质中“A”表示的含义不同，如图所示。‎ ‎(1)ATP中的A为腺苷，由腺嘌呤和核糖组成。‎ ‎(2)DNA分子中的A为腺嘌呤脱氧核苷酸，由一分子腺嘌呤、一分子脱氧核糖和一分子磷酸组成。‎ ‎(3)RNA分子中的A为腺嘌呤核糖核苷酸，由一分子腺嘌呤、一分子核糖和一分子磷酸组成。‎ ‎(4)核苷酸中的A为腺嘌呤。‎ 由此可见，它们的共同点是都含有腺嘌呤。‎ 典例4 (2019·河南省洛阳市高一) 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(　D　)‎ 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 解析：ATP是由腺苷和3个磷酸基团构成的，腺苷是由一分子腺嘌呤和一分子核糖构成，①图中圈出的是ATP中的一分子腺苷，A错误；②图代表DNA，A代表的是腺嘌呤脱氧核苷酸，B错误；③图代表的是RNA，构成RNA的单位之一是腺嘌呤核糖核苷酸，C错误；④图指的是核苷酸，一分子的核苷酸是由一分子的磷酸、一分子的五碳糖、一分子的含氮碱基组成，所以④图指的是腺嘌呤，D正确。‎ 解疑答惑　　‎ 问题探讨⇨P86‎ ‎1．提示：萤火虫发光的生物学意义主要是相互传递求偶信号，以便交尾，繁衍后代。‎ 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。‎ 提示：有。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。‎ 练习与应用⇨P89‎ 一、概念检测 ‎1．B　ATP中含有两个特殊化学键，与腺苷A直接相连的磷酸键为普通磷酸键。‎ ‎2．D　腺苷三磷酸(ATP)为生物各项生命活动直接提供能量。‎ ‎3．B　ATP是生命活动的直接能源物质，故细胞质和细胞核中都有ATP分布，A正确；ATP来源于光合作用和呼吸作用，故合成ATP所需的能量来源于光能和有机物中的化学能，B错误；ATP可以水解为ADP和磷酸，C正确；人体内ATP的含量并不高，但和ADP的相互转化是永不停息地进行着，故正常细胞中ATP和ADP的比值是相对稳定的，D正确。‎ ‎4．C　离子通过离子泵的跨膜运输需要载体蛋白和消耗能量，属于主动运输，是逆浓度梯度进行的，A、B错误；动物一氧化碳中毒减少能量的供应，进而会降低离子泵跨膜运输离子的速率，C正确；离子的跨膜运输需要载体蛋白，因此加入蛋白质变性剂会降低离子泵跨膜运输离子的速率，D错误。‎ 二、拓展应用 ‎1．提示：吸能反应：如葡萄糖和果糖合成蔗糖的反应，需要消耗能量，是吸能反应。这一反应所需要的能量是ATP水解时所释放的能量。‎ 放能反应：如丙酮酸的氧化分解，能够释放能量，是放能反应。这一反应所释放的能量除以热能的形式散失外，还用于ADP转化为ATP的反应，储存在ATP中。‎ ‎2．提示：在储存能量方面，ATP同葡萄糖相比具有以下两个特点：①ATP分子中含有的化学能比较少，一分子ATP转化为ADP时释放的化学能大约只是一分子葡萄糖分解释放能量的1/94；②ATP分子中所含的是活跃的化学能，而葡萄糖分子中所含的是稳定的化学能。葡萄糖分子中稳定的化学能只有转化为ATP分子中活跃的化学能才能被细胞利用。‎ ‎3．提示：植物、动物、细菌和真菌等生物的细胞内都具有能量“货币”——ATP，这可以从一个侧面说明生物界具有统一性，也反映种类繁多的生物有着共同的起源。‎ 训练巩固·课堂达标 ‎1．ATP在细胞内的含量及其生成是(　D　)‎ A．很多，很快　　　　 B．很少，很慢 C．很多，很慢 D．很少，很快 解析：ATP是生物体中能量的“通用货币”‎ ‎，能够短时间储存能量并将能量迅速应用在生命活动中，因此需要快速生成，以满足生物体内不停的能量需求。ATP含量不大是因为：第一，ATP是体内多种反应的抑制剂，这些反应往往是生成ATP的反应，没有必要大量生成积累；第二，ATP活跃的结构也使其难以长期储存。‎ ‎2．下面有关ATP和ADP的描述中，正确的一项是(　C　)‎ A．ATP在酶的作用下，可以连续脱下3个Pi，释放大量能量 B．ATP在酶的作用下，可以加上一个Pi，储存能量 C．ATP和ADP的相互转化都需要酶的参加 D．ATP转化为ADP不需要酶参加 解析：ATP分子结构简式为A－P～P～P，不可以再加一个Pi；一般情况下，在酶的作用下，ATP可以脱下一个磷酸变成ADP，断裂一个特殊化学键，故A、B项错误；ATP与ADP的相互转化需要不同的酶催化，因此D项也不正确。‎ ‎3．根据ATP与ADP相互转变的反应条件、能量来源和反应场所的不同，回答下列问题。‎ ‎(1)ADP转变成ATP时，属于合成反应，需要的酶属于__合成__酶，所需能量是__太阳__能或__化学__能，其合成场所是__细胞质基质、线粒体和叶绿体__。‎ ‎(2)ATP转变成ADP时，属于水解反应，需要的酶属于__水解__酶，所释放的化学能来自__特殊化学__键，其水解场所是__每个活细胞内__。‎ ‎(3)化学中可逆反应的特性是：可逆反应是在__相同__条件下同时发生的。因此ATP与ADP可相互转变，而能量则不可逆。‎ 解析：(1)ADP与Pi转变成ATP时，属于合成反应，需要ATP合成酶，合成ATP所需的能量来源有两个，一是太阳能，一是有机物氧化分解释放的化学能。(2)ATP转变成ADP时，属于水解反应，在任何活细胞中都能发生，所释放的化学能来自特殊化学键。(3)化学中可逆反应的特性是：可逆反应是在相同条件下同时发生的。因此ATP与ADP可相互转变，而能量不可逆。‎