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2019-2020年高中生物 第1課時 生命活動的能量“貨幣”——ATP 備課資料 蘇教版 1.ATP系統(tǒng)的動態(tài)平衡 ATP是活細胞內(nèi)一種特殊的能量載體，在細胞核、線粒體、葉綠體以及細胞質(zhì)基質(zhì)中廣泛存在著，并不斷與ADP相互轉(zhuǎn)化而形成ATP系統(tǒng)。ATP在細胞內(nèi)的含量是很少的。但是，ATP與ADP在細胞內(nèi)的相互轉(zhuǎn)化卻是十分迅速的。一般地說，ATP在細胞內(nèi)形成后不到1 min的時間就要發(fā)生轉(zhuǎn)化。這樣累計下來，生物體內(nèi)ATP轉(zhuǎn)化的總量是很大的。例如，一個成年人在靜止的狀態(tài)下，24 h內(nèi)竟有40 kg的ATP發(fā)生轉(zhuǎn)化；在緊張活動的情況下，ATP的消耗可達0.5 kg/min?？傊?，在活細胞中，ATP末端磷酸基團的周轉(zhuǎn)是極其迅速的，其消耗與再生的速度是相對平衡的，ATP的含量因而維持在一個相對穩(wěn)定的、動態(tài)平衡的水平?？梢姡毎麅?nèi)ATP系統(tǒng)處在動態(tài)平衡之中，這對于構成細胞內(nèi)穩(wěn)定的供能環(huán)境具有十分重要的意義。 2.螢火蟲發(fā)光的原理和意義 螢火蟲不論雄性的還是雌性的，夏秋的夜晚都會一閃一閃地發(fā)光。雄蟲比雌蟲的個體小一些，但發(fā)出的閃光卻亮一些。螢火蟲發(fā)出的閃光，主要是求偶的信號，用來吸引異性前來交尾。螢火蟲有許多種，如平家螢火蟲、姬螢火蟲等。不同種類的螢火蟲會發(fā)出各自特定的閃光信號。雌蟲看到飛舞著的同種雄蟲發(fā)出的閃光信號后，就會以特定的閃光信號響應。雄蟲的每一組閃光信號是由幾個節(jié)奏組成的，每個節(jié)奏都包括閃光的次數(shù)、閃光的頻率和每次閃光的時間，這些都是雌蟲能夠識別的。如果雌蟲順利地響應了閃光信號，則雄蟲就會前來交尾，以繁衍后代。有的科學家準確分析出某種雄性螢火蟲的閃光規(guī)律后，用手電筒模擬這種閃光信號，竟然發(fā)現(xiàn)同種的雌蟲會迎光而來。 有趣的是，雌蟲看到其他種類雄蟲的閃光信號后，有時竟能發(fā)出該種雌蟲的閃光信號，這種閃光信號具有欺騙性，能使該種雄蟲誤以為可以前去交尾而被雌蟲吃掉。雌蟲的這一特性，可以使自己獲得豐富的營養(yǎng)。這種現(xiàn)象被科學家戲稱為“死亡擁抱”。此外，螢火蟲發(fā)出的熒光還具有一定的警戒作用和照明作用。 螢火蟲的發(fā)光器官位于腹部后端的下方，該處具有發(fā)光細胞。發(fā)光細胞的周圍有許多微細的氣管，發(fā)光細胞內(nèi)有熒光素和熒光素酶。熒光素接受ATP提供的能量后就被激活。在熒光素酶的催化作用下，激活的熒光素與氧發(fā)生化學反應，形成氧化熒光素并且發(fā)出熒光。順便說到，熒光是一種冷光，其發(fā)光效率可高達98%左右，而熱光發(fā)光效率則低得多，如太陽的發(fā)光效率只有35%左右。 3.ATP的利用 ATP中的能量可以直接轉(zhuǎn)化成其他各種形式的能量，用于各項生命活動。這些能量的形式主要有以下6種： 滲透能：細胞的主動運輸是逆濃度梯度進行的，物質(zhì)跨膜移動所做的功消耗了能量，這些能量叫做滲透能，滲透能來自ATP。 機械能：細胞內(nèi)各種結構的運動都是在做機械功，所消耗的就是機械能。例如，肌細胞的收縮、草履蟲纖毛的擺動、精子鞭毛的擺動、有絲分裂期間染色體的運動、腺細胞對分泌物的分泌等，都是由ATP提供能量來完成的。 電能：大腦的思考——神經(jīng)沖動在神經(jīng)纖維上的傳導，以及電鰩、電鰻等動物體內(nèi)產(chǎn)生的生物電等，它們所做的電功消耗的就是電能。電能是由ATP提供的能量轉(zhuǎn)化而成的。 化學能：細胞內(nèi)物質(zhì)的合成需要化學能，如小分子物質(zhì)合成為大分子物質(zhì)時，必須有直接或間接的能量供應。另外，細胞內(nèi)物質(zhì)在分解的開始階段，也需要化學能來活化，成為能量較高的物質(zhì)（如葡萄糖活化成磷酸葡萄糖）?？梢哉f在細胞內(nèi)的物質(zhì)代謝中，到處都需要由ATP轉(zhuǎn)化而來的化學能做功。 光能：目前關于生物發(fā)光的生理機制還沒有完全弄清楚，但是已經(jīng)知道，生物體用于發(fā)光的能量直接來自ATP，如螢火蟲的發(fā)光。 熱能：有機物的氧化分解釋放的能量，一部分用于生成ATP，大部分轉(zhuǎn)化為熱能通過各種途徑向外界環(huán)境散發(fā)，其中一小部分熱能作用于體溫。通常情況下，熱能的形成往往是細胞能量轉(zhuǎn)化和傳遞過程中的副產(chǎn)品。此外，ATP釋放的能量中，一部分能量也能用于動物體溫的提升和維持。 4.ATP與化學獎 1997 年諾貝爾化學獎頒給三位生化學家，獎金的一半給丹麥科學家斯寇(Jens C. Skon)教授，另外一半給英國科學家瓦克(John E. Walker)教授及美國科學家波亦爾(Paul D. Boyer) 教授，這三位生化學家的貢獻是首先研究并闡明參與生物高能分子ATP合成轉(zhuǎn)換的酵素。 在1929 年，德國化學家羅曼(K. Lohmann) 首先發(fā)現(xiàn)ATP化學分子。幾年之后，ATP 的化學結構被決定。1948 年，英國科學家托德(Alexander Todd) 化學合成ATP（托德是1957 年諾貝爾獎化學獎得主）。在1939 至1941 年期間，利普曼(Fritz Lipmann) 證實ATP 是細胞內(nèi)所有生物化學能量的運儲者（利普曼是1953 年諾貝爾獎得主），并且證實其能量是儲藏于高能磷酸化學鍵(energyrich phosphate bonds)。在所有的生物中，從細菌、霉菌一直到高等動、植物，包括人類在內(nèi)，ATP 都是扮演能量的運儲者，ATP 的形成是借著生物細胞內(nèi)養(yǎng)分的燃燒所形成，而后ATP 被生物體用于合成細胞物質(zhì)、肌肉收縮、神經(jīng)信息傳遞及其他多種生理反應，所以ATP 被稱為細胞的能量貨幣(energy currency) ，也就是說凡是需要能量，就必須使用ATP。 ATP 是由一個核酸連接三個磷酸根而成，當ATP 的最外一個磷酸根(γphosphate) 被水解形成ADP 及一個磷酸根時，能量就會釋放出來，而用于生物體內(nèi)的各種化學反應；反之，能量也可以用于將ADP 及磷酸根結合形成ATP，至于ATP 如何形成及ATP 如何被消耗，正是三位得獎者及其他科學家共同努力而得到的答案。