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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(xì)胞內(nèi)一種特殊的能量載體，在細(xì)胞核、線粒體、葉綠體以及細(xì)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(xì)胞內(nèi)的含量是很少的。但是，ATP與ADP在細(xì)胞內(nèi)的相互轉(zhuǎn)化卻是十分迅速的。一般地說，ATP在細(xì)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(dá)0.5 kg/min?？傊?，在活細(xì)胞中，ATP末端磷酸基團(tuán)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?xì)胞內(nèi)ATP系統(tǒng)處在動態(tài)平衡之中，這對于構(gòu)成細(xì)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(yīng)。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(yīng)了閃光信號，則雄蟲就會前來交尾，以繁衍后代。有的科學(xué)家準(zhǔn)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(xué)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(xì)胞。發(fā)光細(xì)胞的周圍有許多微細(xì)的氣管，發(fā)光細(xì)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(xué)反應(yīng)，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(dá)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(xì)胞的主動運輸是逆濃度梯度進(jìn)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(xì)胞內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的運動都是在做機械功，所消耗的就是機械能。例如，肌細(xì)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(xì)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(dǎo)，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(xué)能：細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的合成需要化學(xué)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(yīng)。另外，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)在分解的開始階段，也需要化學(xué)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）。可以說在細(xì)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(xué)能做功。 光能：目前關(guān)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(xì)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(xué)獎 1997 年諾貝爾化學(xué)獎頒給三位生化學(xué)家，獎金的一半給丹麥科學(xué)家斯寇(Jens C. Skon)教授，另外一半給英國科學(xué)家瓦克(John E. Walker)教授及美國科學(xué)家波亦爾(Paul D. Boyer) 教授，這三位生化學(xué)家的貢獻(xiàn)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(xué)家羅曼(K. Lohmann) 首先發(fā)現(xiàn)ATP化學(xué)分子。幾年之后，ATP 的化學(xué)結(jié)構(gòu)被決定。1948 年，英國科學(xué)家托德(Alexander Todd) 化學(xué)合成ATP（托德是1957 年諾貝爾獎化學(xué)獎得主）。在1939 至1941 年期間，利普曼(Fritz Lipmann) 證實ATP 是細(xì)胞內(nèi)所有生物化學(xué)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(xué)鍵(energyrich phosphate bonds)。在所有的生物中，從細(xì)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(xì)胞內(nèi)養(yǎng)分的燃燒所形成，而后ATP 被生物體用于合成細(xì)胞物質(zhì)、肌肉收縮、神經(jīng)信息傳遞及其他多種生理反應(yīng)，所以ATP 被稱為細(xì)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(dāng)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(xué)反應(yīng)；反之，能量也可以用于將ADP 及磷酸根結(jié)合形成ATP，至于ATP 如何形成及ATP 如何被消耗，正是三位得獎?wù)呒捌渌茖W(xué)家共同努力而得到的答案。