新陈代谢与ATP

教学目标

知识方面
　　1、理解ATP的分子简式及其结构特点
　　2、理解ATP和ADP之间的相互转化及其对细胞中能量代谢中的意义
　　3、理解ATP的形成途径
　　4、掌握ATP是新陈代谢的直接能源，并理解ATP作为"能量通用货币"的含义

能力方面
　　学生通过分析ATP与ADP的相互转化及其对细胞内供能的意义，初步训练学生分析实际问题的能力。

情感、态度、价值观方面
　　让学生在分析自己身体内发生的ATP-ADP循环及其重要意义过程中，体验到生物学原理在生产实践中的价值，加强学生对身边的科学（RLS）这一理念的理解。

教学建议

教材分析
　　1、对于ATP的分子结构，教材首先介绍了ATP是腺嘌呤核苷的衍生物，分子简式为A-P~P~P，其中A代表腺苷，T代表三个，P代表磷酸基，~代表高能磷酸键，然后从比较高能磷酸化合物释放能量的标准数值和ATP释放能量的数值入手，使学生很信服地认识到ATP的确是一种高能磷酸化合物。
　　2、对于ATP与ADP的相互转化，教材中首先介绍了ATP水解和重新合成的过程：ATP与ADP的转化中，ATP的第二个和第三个磷酸之间的高能磷酸键对于细胞中能量的捕获、贮存和释放都是很重要的。第二个高能磷酸键的末端，能很快地水解断裂，于是ATP转换为ADP，能量随之释放出来以用于各项生命活动；同样，在提供能量的条件下，也容易加上第三个磷酸，使ADP又转化为ATP。在ATP与ADP的转化过程中都需要酶的参与，活细胞内这个过程是永无休止地循环进行的。
同时还介绍了ATP与ADP的这种相互转化是十分迅速的，ATP在细胞中的含量是很少的，如肌细胞中的ATP只能维持肌肉收缩2钞钟左右。从而易于引发学生讨论ADP-ADP循环的意义，同时可使学生加强ATP是生物体维持各项生命活动所需能量的直接来源的观点。
　　3、对于ATP的形成途径，教材是在介绍了ADP-ATP循环的基础上，从动物（包括人体）和绿色植物两方面进行了阐述。对动物而言，产生ATP途径是是氧化磷酸化，即呼吸作用；对植物而言，产生ATP的过程包括氧化磷酸化（呼吸作用）和光合磷酸化（光合作用）。
　　4、对于ATP的生理功能，教材先分析了生物体内糖类、脂肪等物质具有储存能量的特点，指出新陈代谢不仅需要酶，还需要能量，糖类是细胞的主要能源之一，脂肪是生物体内重要的储能物质，但这些有机物中的能量都不能直接被生物利用，它们的能量只有在细胞中随着有机物的逐步分解而释放出来，且储存到ATP中才能被生物体利用，从而使学生易于理解为什么ATP是新陈代谢所需能量的直接来源。在本节的最后，教材还用ATP是流通着的"能量货币"这一形象的比喻，以加深学生对ATP的生理功能以及ADP-ATP相互转化的认识，即伴随着ATP的水解与合成的过程，发生着能量的释放与储存，从而推动新陈代谢顺利进行。

教法建议
　　本节教学内容中，ATP的分子简式、ATP的生理功能是重点，ATP与ADP的相互转变在新陈代谢中的作用，既是教学重点也是难点。
　　1．引入本节课时，首先要让学生明确以下事实，即生物体的生存不仅仅要依靠物质上的支持，同时还必须有能量的维持，在生物体内发生物质变化的同时，必定伴随着能量的获取、储存、释放、利用和散失。这样，引入ATP这一生物体直接能源就顺理成章了。
　　2．引出ATP这一高能化合物时，还是先从学生较为熟悉的能量形式入手比较容易被学生接受。比如，可先从宏观上引导学生分析绿色植物的光合作用过程把光能以化学能的形式储存在糖类、脂肪等有机物中；动植物又通过呼吸作用分解体内的有机物而获取生命活动所需的能量。在此基础上，引导学生进一步分析出：光能只有转化成一种活跃的化学能，才能被绿色植物利用；同样，动、植物通过呼吸作用分解有机物释放出的能量，除了一部分以热能的形式散失或维持体温外，其余的都要转化成一种活跃的化学能，才能用于各项生命活动。那么这种活跃的、随时可以利用的化学能是什么呢?这样自然而然地就引出ATP这一生物体的直接能源物质。
　　3．ATP的分子结构不宜讲授得过于深入。学生只要了解ATP中具有不稳定的高能磷酸键，ATP水解时释放其能量，形成ATP时需要能量就可以了，应把学生讨论的重点放在ATP释放出的能量用于哪些生理过程，及形成ATP的高能磷酸键时，能量来自哪些生理过程，以便使学生易于理解ATP和ADP的相互转变在细胞中能量的储存、转移和利用中的作用。
　　4．ATP与ADP的相互转化及这种转化在能量的储存、转移和利用中的作用，是本节学习的难点。为使学生的讨论顺利进行，教师应适时给学生以下提示：其一，细胞内ATP的含量是相对稳定的；其二，ATP在细胞内的含量是极少的，其三，细胞内的糖类、脂类等能源物质不能被细胞直接利用，ATP的水解后释放的能量才是细胞内各种生命活动的直接能量来源；其四，呼吸作用分解有机物释放能量不能为生物体直接利用，只有这些能量转移给ATP，且ATP水解后释放的能量才可被细胞利用。最终应使学生认识到ATP与ADP之间高效、迅速的转化是处于动态平衡之中的，ATP是生物体的直接能源，是细胞能量代谢的"通用货币"。
　　5．ATP的形成途径也不宜太深入，因为光合作用、呼吸作用的具体过程还没学到。注意引导学生分析出绿色植物通过光合作用，将光能转化成ATP中的化学能，并将ATP中的化学能最终储存在糖类等有机物中，即光合作用过程中固定的光能是绿色植物、动物和人形成的ATP的能量源泉。

教学设计示例

【课题】 第二节 新陈代谢与ATP
【教学重点】ATP的分子简式及其结构特点、ATP和ADP之间的相互转化及其对细胞内能量代谢中的意义、ATP的形成途径、ATP是新陈代谢的直接能源，能理解ATP作为“能量通用货币”的含义
【教学难点】ATP和ADP之间的相互转化及其对细胞内能量代谢中的意义、理解ATP作为“能量通用货币”的含义
【课时安排】1课时
【教学手段】板图、挂图、多媒体课件
【教学过程】
　　1、引言
　　设计1：通过学生列举生活实例引入ATP这一高能化合物。
　　新陈代谢的物质变化过程中，必定伴随着能量的转化。为了使学生对能量的转化有一个感性的认识，教师应鼓励学生从自己的生活中找一些能量转化的实例，比如可以提问：
　　（1）“你能举出几个生物体内发生的诸如能量转化、或能量的吸收储存、或能量的释放利用的例子来吗？”
　　（2）“绿色植物能把光能直接用于有机物的合成吗?”或“生物体通过呼吸作用把有机物中的能量释放出来，这些能量能直接被细胞利用吗？”
　　不能，光能必须要转化为一种活跃的化学能才能用于有机物的合成；有机物中的能量通过呼吸作用释放出来后，也必须转化为一种活跃的化学能才能用于生物体的各项生命活动，携带这种活跃的化合能的物质就是一种高能化合物，即ATP，这样很自然地引入了ATP这个概念。
　　设计2：从细胞中能量利用存在的矛盾入手，设计相关的问题串引入ATP这一高能化合物。
　　（1）“细胞中主要是由什么细胞器来产生能量的？”
线粒体的呼吸作用氧化分解有机物释放能量
　　（2）“细胞中有哪些生理过程在不断地消耗着能量？”
细胞分裂、细胞核中DNA的复制、核糖体合成蛋白质、细胞膜主动运输、高尔基体合成分泌等需要能量
　　（3）“细胞内产能与用能很明显地存在着空间上的隔离，细胞是怎样解决这一矛盾的呢?”
　　（4）“细胞内存在有糖类、脂肪等有机物，这些有机物含有大量且稳定的能量，但某项生命活动可能不用大量的能量就足以进行，而且糖类、脂肪中储存的能量又过于稳定，不易被生物体利用，细胞又是怎样解决这一矛盾的呢？”
这样就可自然地引入ATP这种储能少、不稳定、可为所有生理活动供能的高能化合物。
　　2、ATP的分子简式及其结构特点
　　在引导学生讨论ATP的分子结构简式及其特点时，可从ATP的英文名称中的三个字母含义、中文名称、ATP是高能化合物等方面入手，使学生易于理解ATP的结构特点及其生理作用。
　　需要向学生解释清楚高能化合物的概念，即高能磷酸键水解过程中，释放的能量是一般的共价键的2倍以上，如ATP末端磷酸水解生成ADP和磷酸时，释放出的能量约30.5kJ/mol上，而6-磷酸葡萄糖水解成葡萄糖和磷酸时，释放的能量只有13.8kJ/mol。这种键称为高能键，常以“~”符号表示。含有高能键的化合物统称为高能化合物。
　　然后让学生自己分析ATP的结构简式的含义，如ATP中两个磷酸基团之间（P和P之间用“~“表示）的化学键是高能磷酸键。
　　细胞内释放能量的反应，如呼吸作用常会伴随ADP转变成ATP；而耗能的反应，如蛋白质的合成等，需要用ATP水解成ADP再将能量释放出来，以推动需能代谢反应的进行。
　　ATP和ADP在体内总是处于不停地转化中，且处于动态平衡之中。
　　3、ATP和ADP之间的相互转变及其意义
　　在引导学生讨论ATP和ADP之间的相互转变时，需强调细胞内ATP的含量是相对稳定的；ATP在细胞内的含量是极少的，细胞内的糖类、脂类等能源物质不能被细胞直接利用，ATP的水解后释放的能量才是细胞内各种生命活动的直接能量来源，呼吸作用分解有机物释放能量不能为生物体直接利用，只有这些能量转移给ATP，且ATP水解后释放的能量才可被细胞利用。最终应使学生认识到ATP与ADP之间高效、迅速的转化是处于动态平衡之中的，ATP是生物体的直接能源，是细胞能量代谢的“通用货币”。
　　4、在讨论了ATP和ADP之间相互转变及其意义后，在小结ATP在细胞内能量的转换、运输、利用中的关键作用时，可结合本节所讲的内容，提一些与ATP有关的综合性问题供学生讨论，让学生在讨论中加深对ATP这一生物体直接能源物质的理解。比如，可以讨论下面几个问题：
　　（1）众多能源物质中，ATP这种绝对含量极少的物质为什么成为直接能源？
葡萄糖、糖元、淀粉、脂肪、氨基酸、脂肪酸、磷酸肌酸等，这些都可作为生物体的能源物质，但生物体不能利用这些能源物质中的能量，这些物质中储存的能量必须要转移给ATP中。生物体直接从ATP中获得生命活动所需的各种形式的能量，如ATP可转化为机械能、电能、渗透能、化学能、光能和热量等。
　　（2）为什么ATP是细胞内能量释放、储存、转移和利用的中心物质，成为生物的直接能源呢？
　　我们来看看葡萄糖和ATP分子中储存能量的差异就明白了。ATP末端磷酸基团水解时，释放出的能量是30.5kJ/mol，一般把水解时释放20.92 kJ/mol以上能量的化合物叫高能化合物，可见ATP是高能化合物，而且其能量与某些高能化合物（如磷酸肌酸）相比，要低一些，因此磷酸肌酸中的能量可在不需额外供能的情况下转移给ATP。而葡萄糖分子彻底氧化为二氧化碳和水后，释放出2870kJ/mol的能量。结果，存在于葡萄糖分子中的能量就像存在银行里的钱，而储存在ATP分子中的能量则像“零钱”，它更容易在细胞中被使用，因此还有的说ATP是能量的“通用货币”就是这个道理。
　　（3）ATP对生命的维持是极其重要的，试想：当产生ATP的过程停止时，会发生什么？
　　举一个例子，学生可能知道氰化物可以在非常短的时间内使人死亡，其毒理就是阻挡ATP的形成。当人体ATP合成受阻后，机体没有ATP，神经细胞和其他细胞中的细胞活动就不能继续，人在3-6分钟内就会失去知觉。
　　（4）还有一个问题值得一提，就是ATP在生物体中的绝对含量是极小的，但生物体中的每一个细胞每时每刻都在消耗着ATP，但在正常情况下，生物体内的ATP量可满足机体的要求，奥妙何在呢？
　　生物体可把其它能源物质的能量高速地转移给ATP，以补充ATP的消耗，即ATP—ADP循环速度是很快的。