細胞的能量“貨幣”ATP（教學設計）高一生物（人教版2019必修1）

第5章細胞的能量供應和利用

第2節(jié)細胞的能量“貨幣ATP”年級高一年級授課時間1課時課題第2節(jié)細胞的能量“貨幣ATP”教材分析本節(jié)內(nèi)容主要介紹ATP的分子組成和結構特點、ATP與ADP的相互轉化以及ATP在能量代謝中的作用3個方面的內(nèi)容。盡管糖類等有機物是能源物質，但并不能給生命活動直接提供能量，ATP之所以是直接能源物質，是由其分子結構所決定的。ATP為什么能像“貨幣”一樣反復利用呢?教材通過ATP和ADP相互轉化的示意圖，讓學生直觀地認識到，ATP和ADP的相互轉化伴隨著能量的釋放和儲存。此外，ATP和ADP的數(shù)量還處于動態(tài)平衡之中。本節(jié)內(nèi)容是在學生掌握了細胞中的有機物蛋白質、糖類、脂肪等在細胞中的作用等知識的基礎上安排的教學內(nèi)容，教材中ATP水解釋放出能量促使主動運輸中載體蛋白的磷酸化的典型意義，有助于第4章“主動運輸”的學習。ATP是生命活動的直接能源物質，在細胞代謝中具有重要作用，在細胞呼吸、光合作用中會產(chǎn)生ATP,因此本節(jié)內(nèi)容是后續(xù)章節(jié)學習的基礎，具有承前啟后的作用。教學目標1.依據(jù)ATP的分子簡式說出ATP的化學組成和特點。2.根據(jù)ATP與ADP的相互轉化解釋ATP在細胞生命活動中的作用。教學重、難點ATP化學組成的特點及其在能量代謝中的作用。通過ATP與ADP相互轉化的特點，解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。教學過程教學內(nèi)容教師活動學生活動引入新課【情境引入】播放螢火蟲發(fā)光的奧秘視頻，引發(fā)學生思考問題:1.螢火蟲發(fā)光的生物意義是什么?主要是相互傳遞信號，以便繁衍后代。2.螢火蟲為什么能發(fā)光?螢火蟲腹部后端細胞內(nèi)有特有的發(fā)光物質熒光素。3.螢火蟲發(fā)光需要的能量從哪里來?激發(fā)學生的好奇心，導入對ATP的學習。思考回答問題，進入對ATP的學習。一、ATP是一種高能磷酸化合物【閱讀分析】指導學生閱讀教材，學習ATP的結構。(1)中文名稱：腺苷三磷酸(2)結構簡式：A—P～P～P(3)元素組成：C、H、O、N、PA:腺苷P:磷酸基團:普通的化學鍵～：特殊的化學鍵展示ATP的結構模型圖?！静贾萌蝿铡咳蝿找唬航Y合資料，引導學生分析ATP的結構及特點。資料1如圖為ATP結構式：學生思考以下問題：(1)圖中①②③的結構分別代表什么？①腺嘌呤；②核糖；③磷酸基團(2)腺苷是由圖中哪些結構組成的？①②結合問題探討螢火蟲發(fā)光需要什么呢？能量回顧細胞內(nèi)哪些化合物可為細胞的生命活動提供能量。分析思考并歸納，主要能源物質是什么？糖類主要儲能物質是什么？脂肪糖類、脂肪這些物質能為螢火蟲發(fā)光直接供能嗎?【探究活動】學生帶著問題，以小組為單位進行實驗探究。實驗材料：將離體熒光蟲發(fā)光器研磨成粉末，然后制成熒光素試劑實驗工具：燒杯、量筒、試管、玻璃棒等實驗試劑：蒸餾水、脂肪溶液、葡萄糖溶液、ATP注射液等實驗原理：請同學們分組討論完成實驗(用簡筆畫圖示并配文字說明)。強調實驗設計的對照、等量、單一變量原則。實驗步驟：實驗結果：引導學生思考從A、B、C、D試管的實驗現(xiàn)象中你得出的結論是什么?從而得出：ATP的功能：驅動細胞生命活動的直接能源物質。結合資料闡述ATP的供能機理：ATP在酶的作用下水解時，脫離下來的末端磷酸基團挾能量與其他分子結合，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上三個磷酸基團所處的位置(A－Pα～Pβ～Pγ)，現(xiàn)有甲、乙兩組ATP溶液，甲組用32P標記ATP的β位的磷酸基團，乙組用32P標記ATP的γ位的磷酸基團，然后分別加入等量的ATP水解酶，短時間后迅速分離溶液中游離的磷酸基團，結果發(fā)現(xiàn)只有乙組中游離的磷酸基團帶有放射性。指導學生一邊閱讀，一邊完成學案上的表格。辨析ATP中的兩個特殊化學鍵都斷裂嗎？問題1：從實驗結果ATP中哪一個化學鍵更容易斷裂？為什么？β位與γ位磷酸基團之間的化學鍵更容易斷裂。動態(tài)展示ATP的水解示意圖。分析闡述ATP中兩個相鄰的磷酸基團帶有負電荷而相互排斥，使得這種化學鍵不穩(wěn)定，末端的磷酸基團具有較高的轉移勢能。磷酸基團攜帶轉移的“勢能”與其他分子結合。ADP相互排斥的磷酸基團減少，勢能降低。問題2：寫出ATP水解的反應式問題3：為什么說ATP是一種高能磷酸化合物？（一般將水解時釋放20.92kJ/mol及以上能量的化合物叫做高能化合物）。因為1molATP水解釋放的能量高達30.54kJ。問題4：若ATP分子去掉2個磷酸基團后的剩余部分是什么物質？【思考討論】1．展示ATP的分子組成(如圖)，引導學生結合圖片進行分析概括。(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的結構組成可以用“1、2、3”來總結，“1”表示1個腺苷，“2”表示兩個特殊的化學鍵，“3”表示3個磷酸基團?！練w納總結】2．結合已知識對生物體內(nèi)的能源物質進行總結(1)能源物質：糖類、脂肪、蛋白質、ATP。(2)主要能源物質：糖類。(3)儲能物質：脂肪、淀粉(植物細胞)、糖原(動物細胞)。(4)主要儲能物質：脂肪。(5)直接能源物質：ATP。(6)最終能量來源：太陽能。閱讀教材，學習ATP的結構。結合資料，分析ATP的結構及特點。設計實驗方案,根據(jù)實驗現(xiàn)象，得出實驗結論:ATP是細胞內(nèi)直接的能源物質。閱讀資料，完成學案上的表格。結合圖片分析ATP的分子組成。習題鞏固1.如圖是ATP結構示意圖，其中①②③表示化學鍵。下列有關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的結構與核苷酸很相似【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錯誤;B、③最容易斷裂和重新形成，B錯誤;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，D錯誤。故選C。是腺嘌呤核苷的衍生物，下列有關敘述錯誤的是A.一分子的ATP中含有的腺苷、磷酸基團和特殊化學鍵數(shù)目依次是1、3、2中的兩個特殊化學鍵儲存的能量基本相同，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具有較高的轉移勢能【答案】B【解析】ATP中的兩個特殊化學鍵儲存的能量基本相同，但穩(wěn)定性不同，遠離A的特殊化學鍵不穩(wěn)定，B錯誤。二、ATP與ADP之間的相互轉化【布置任務】任務二：結合資料探討ATP與ADP之間的相互轉化。1.研究顯示，一個成年人一天在靜止狀態(tài)下所消耗的ATP約有40kg；在劇烈運動的狀態(tài)下，每分鐘約有0.5kg的ATP轉化為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？請根據(jù)資料回答下列問題：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轉移到ADP分子中來合成ATP。研究者對蛙的肌肉組織進行短暫電刺激，檢測對照組和實驗組(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，結果如表所示。問題1：為什么對照組ATP和ADP含量沒有變化，實驗組ATP含量減少，ADP含量上升？肌肉收縮會消耗ATP生成ADP，對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，而實驗組由于缺乏肌酸激酶，ADP不能生成ATP，所以對照組ATP和ADP含量沒有變化，實驗組ATP含量減少，ADP含量上升。請寫出ATP合成的反應式。資料4催化ATP合成的酶主要分布在線粒體內(nèi)膜和葉綠體類囊體膜上。ADP接受細胞呼吸中有機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結合，重新合成ATP。根據(jù)上述材料，請學生完善ATP與ADP相互轉化的模型圖。請學生完善下表并得出結論。分析討論得出結論：物質是可逆的，能量是不可逆的，酶也不相同，因此ATP和ADP的相互轉化不是可逆反應。通過對資料中具體事實的分析，得出結論:ATP的存量有限，但是消耗量大。并結合資料探討ATP與ADP之間的相互轉化。完善ATP與ADP相互轉化的模型圖及表格。三、ATP的利用【閱讀教材】結合課本圖解，引導學生分析回答:ATP水解后可用于哪些生命活動?進一步提問：你能補充其他ATP利用的實例嗎？在學生列舉事例后歸納概括出ATP水解釋放的能量用于各項生命活動。播放以鈣離子為例ATP直接供能的過程的視頻。分析ATP的供能機制。展示能量通過ATP分子在吸能反應和放能反應之間流通的模型圖，請學生完善該模型圖。通過“貨幣”的類比，幫助學生更好地理解ATP是能量的“貨幣”（直接能源），加深了學生對ATP生理功能的理解?！就卣寡由臁浚?）ATP只能作為能源物質嗎？展示資料520世紀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)等多個部位的細胞質膜上發(fā)現(xiàn)了ATP受體，可見ATP還是一種能在細胞間傳遞信息的信號分子。從資料引導學生得出結論：ATP是一種能源物質，也是能在細胞間傳遞信息的信號分子。（2）有其他的直接能源物質嗎？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。引導學生概括出結論：除了ATP外，鳥苷三磷酸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)系生活實際，列舉ATP的利用。舉出ATP利用的其他實例。完善ATP分子在吸能反應和放能反應之間流通的模型圖。習題鞏固是細胞內(nèi)流通的能量“貨幣”，如圖表示ATP與ADP相互轉化的示意圖。下列有關敘述正確的是A.人在饑餓時，細胞中ATP與ADP的含量難以達到動態(tài)平衡B.不同生物體中ATP與ADP相互轉化的供能機制不同，體現(xiàn)了生物的多樣性C.植物根尖細胞中ATP合成所需的能量可來自線粒體、葉綠體和細胞質基質水解釋放的磷酸基團可使蛋白質分子磷酸化，蛋白質活性發(fā)生改變【答案】D【解析】A、人在饑餓時，肝糖原和脂肪可以轉變成葡萄糖供呼吸作用利用，細胞中ATP與ADP快速轉換而達到動態(tài)平衡，A錯誤;B、不同生物體中ATP與ADP相互轉化的供能機制，在所有生物的細胞內(nèi)都是一樣的,體現(xiàn)了生物界的統(tǒng)性，B錯誤;C、根尖分生區(qū)無葉綠體,ATP合成所需的能量可來自線粒體和細胞質基質，C錯誤;D、ATP水解釋放的磷酸基團可以使蛋白質分子磷酸化，通過蛋白質分子的磷酸化和去磷酸化，使蛋白質的空間結構發(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檢)如圖為ATP與ADP相互轉化的關系式，下列說法正確的是A.在此轉化過程中物質和能量均不可重復利用B.葉肉細胞在白天能產(chǎn)生ATP，在晚上不能產(chǎn)生ATPC.圖中所示的過程在心肌細胞中比在口腔上皮細胞中進行得更快D.圖中的反應向右進行時，常伴隨著放能反應的進行【答案】C【解析】A、在此轉化過程中物質可重復利用，A錯誤;B