第2节　细胞的能量“货币”ATP（教师用书）-【勤径学升】2024-2025学年高中生物必修1同步练测（人教版2019）

第2节　细胞的能量“货币”ATP [学习目标] 1．简述ATP的化学组成和结构特点。 2．依据ATP与ADP相互转化示意图分析ATP与ADP相互转化的过程。 3．结合实例，理解ATP的利用。 一、ATP是一种高能磷酸化合物 1．ATP的结构 (1)中文名称：腺苷三磷酸。 (2)结构简式：A—P～P～P。 (3)符号含义：A代表腺苷，P代表磷酸基团，～代表一种特殊的化学键。 2．ATP的特点 (1)高能量 ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物，含有2个特殊的化学键，储存大量能量。1 mol ATP水解释放的能量高达30.54 kJ。 (2)不稳定 ATP的化学性质不稳定，这是由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥，即末端磷酸基团具有较高的转移势能。在有关酶的催化作用下，末端磷酸基团脱落，释放出大量能量。 3．功能 是驱动细胞生命活动的直接能源物质。 二、ATP与ADP可以相互转化 1．能量的主要来源及去路 2．相互转化特点 （1）ATP和ADP的相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的，保证了机体对能量的需要。 （2）ATP与ADP相互转化的能量供应机制体现了生物界的统一性。 三、ATP的利用 1．ATP利用的实例 2．ATP供能的过程 ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化，这些分子被磷酸化后，空间结构改变，活性也被改变，因而可以参与特定的化学反应。 3．ATP为主动运输供能的机制(以Ca2＋的主动运输为例) (1)参与Ca2＋主动运输的载体蛋白是一种能催化ATP水解的酶。 (2)膜内侧的Ca2＋与其相应位点结合时，酶活性被激活→ATP水解→脱离下来的Pi与载体蛋白结合→载体蛋白磷酸化导致其空间结构发生变化→Ca2＋的结合位点转向膜外侧→Ca2＋释放到 膜外。 4．ATP是细胞内流通的能量“货币” (1)化学反应中的能量变化与ATP的关系 放能反应：一般与ATP的合成相联系。 吸能反应：一般与ATP的水解相联系。 (2)能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 1．糖类、脂肪和ATP中都储存着能量，均可以直接为生命活动提供能量。 （×） 2．“能量”就是指ATP，ATP就是“能量”。（×） 3．ATP在细胞内含量并不高，活细胞都能产生ATP，也都会消耗ATP。 （√） 4．ATP失去末端两个磷酸基团以后的剩余部分可为RNA的合成提供原料。 （√） 5．剧烈运动的过程中，细胞中的ATP会显著减少。 （×） 6．ATP的合成常伴随着细胞内的放能反应。 （√） 7．ATP中的能量可以来源于光能、化学能，也可以转化为光能和化学能。 （√） 8．ATP与ADP的快速转化，使细胞内的化学反应能在常温常压下快速进行。 （×） 知识点一　ATP是一种高能磷酸化合物 　根据ATP结构式思考下列问题： (1)ATP是由哪些化学元素组成的？ (2)ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质？ (3)若ATP完全水解，会得到哪些成分？ (4)ATP中的“A”与碱基中的“A”是同一种物质吗？ 提示：(1)C、H、O、N、P。 (2)腺嘌呤核糖核苷酸。 (3)腺嘌呤、核糖、磷酸基团。 (4)不是。在ATP中，“A”代表腺苷(腺嘌呤＋核糖)；而在碱基中，“A”代表腺嘌呤。 1．ATP与核苷酸的关系 2．ATP结构与功能的关系 （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链。ATP中远离腺苷的特殊的化学键容易水解和形成，可保证细胞内ATP含量的相对稳定和能量的持续供应。 （2）ATP为细胞内流通的能量“货币”，糖类、脂肪等能源物质中的能量需要转移到ATP分子中才能为生命活动供能；同时，ATP分子中的能量又可以转化为多种不同形式的能量。 1．如图为ATP分子的结构图，a、b、c表示相应的结构，①②表示化学键。下列叙述正确的是 （　　） A．a表示腺嘌呤，b表示腺苷 B．化学键①与化学键②断开时所释放的能量不同 C．化学键②的形成所需的能量都来自化学能 D．化学键②中能量的释放往往与吸能反应相关联 解析　a表示腺苷，b表示腺嘌呤核糖核苷酸，A错误；化学键①和化学键②都为特殊的化学键，断开时所释放的能量相同，B错误；化学键②的形成过程是ATP合成的过程，所需的能量来自光能或者化学能，C错误；化学键②中能量的释放过程是ATP水解的过程，往往与吸能反应相关联，D正确。 答案　D 2．已知ATP是一种高能磷酸化合物，下列有关ATP的说法错误的是 （　　） A．在ATP中，两个相邻磷酸基团都带负电荷而相互排斥 B．离腺苷最远的磷酸基团具有较高的转移势能，容易脱离 C．ATP水解释放的能量与其他分子结合，使后者发生变化 D．ATP水解属于释放能量的过程，并且该过程释放较高能量 解析　由于两个相邻的磷酸基团都带有负电荷而相互排斥等原因，使得它们之间的化学键不稳定，A正确；离腺苷最远（末端）的磷酸基团具有较高的转移势能，因此容易脱离ATP，B正确；脱离下来的（末端）磷酸基团挟能量与其他分子结合，使后者发生变化，能量转移必须以物质为载体，C错误；ATP水解过程释放的能量高达30．54 kJ/mol，D正确。 答案　C 知识点二　ATP与ADP可以相互转化 　　根据图中信息，分析ATP转化的原因及过程。 （1）转化的原因 ATP中　　　　　　　　　　　　既容易水解，又容易形成，伴随特殊的化学键的水解，实现ATP→ADP的转化，而特殊的化学键的形成与ADP→ATP相伴随。  （2）转化的过程 ①光合作用和　　　　等放能反应与ATP的合成相联系，呼吸作用中释放的能量一部分储存在ATP中，另一部分以热能的形式散失。  ②　　　　等吸能反应与ATP的水解相联系，所以ATP是直接能源物质。  提示：（1）远离腺苷的特殊的化学键 （2）①呼吸作用　②主动运输 1．ATP与ADP间的相互转化过程不可逆 反应式 ATPADP＋Pi＋能量 能量＋Pi＋ADPATP 类型 水解反应 合成反应 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 放能与吸能反应相联系 储能与放能反应相联系 能量来源 特殊的化学键 有机物和光能 能量去向 用于各项生命活动 储存于ATP中 综上所述，ATP和ADP相互转化的过程应理解为“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”。 2．ATP与ADP的相互转化具有普遍性 ATP与ADP相互转化的能量供应机制，在所有生物的细胞内都是一样的，这体现了生物界的统一性。 1．ATP与ADP的转化关系如图，其中①和②为反应过程，③表示某化学键。下列叙述正确的是 （　　） A—P～P＋Pi＋能量 A．过程①是合成反应 B．反应②的能量来源可以不同 C．③表示特殊的化学键 D．反应①与反应②是可逆反应 解析　过程①是ATP的水解反应，A错误；反应②的能量来源可以是光合作用或呼吸作用，B正确；③表示普通化学键，C错误；由于ATP的合成和水解所需的酶和能量来源以及反应场所均不同，故不是可逆反应，D错误。 答案　B 2．ATP合成酶是一种功能复杂的蛋白质，与生物膜结合后能催化ATP的合成，其作用机理如图所示。请据图回答： （1）ATP在细胞内的作用是　　　　　　　　　　；分析此图可知H＋跨越该膜的运输方式是　　　　。  （2）在真核细胞中，该酶主要分布于  （填细胞器名称）。推测好氧型细菌细胞的　　　　（填细胞结构名称）存在该酶，理由是　　　　。  （3）科学家发现，一种化学结构与ATP相似的物质—GTP（鸟苷三磷酸）也具有与ATP相似的生理功能，请从化学结构的角度解释GTP也具有相似功能的原因　　　　。  解析　（1）ATP在细胞内的作用是生命活动的直接能源物质；H＋跨越该膜是从高浓度到低浓度且需要载体蛋白，不需要能量，所以该运输方式为协助扩散。（2）在真核细胞中，光合作用和呼吸作用会释放大量能量，所以该酶主要分布于线粒体、叶绿体；推测好氧型细菌细胞的细胞膜也存在该酶，因为该酶与生物膜结合后能催化ATP的合成，而好氧型细菌的膜结构只有细胞膜。（3）科学家发现，一种化学结构与ATP相似的物质—GTP（鸟苷三磷酸）也具有与ATP相似的生理功能，这是因为含有两个特殊的化学键，远离鸟苷的特殊的化学键容易水解断裂，释放能量。 答案　（1）生命活动的直接能源物质　协助扩散 （2）线粒体、叶绿体　细胞膜　该酶与生物膜结合后能催化ATP的合成，而好氧型细菌的膜结构只有细胞膜 （3）含有两个特殊的化学键，远离鸟苷的特殊的化学键容易水解断裂，释放能量 知识点三　ATP的利用 细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量的，如大脑思考、电鳐发电和物质的主动运输都需要消耗ATP。下图是ATP为主动运输供能示意图。 (1)由甲→乙过程中，ATP转化为ADP。磷酸基团的去向及其作用是什么？ (2)从Ca2＋的转运过程看，Ca2＋的载体蛋白有什么作用？ (3)下列过程需要ATP水解提供能量的是________(填编号)。 ①主动运输　②生物发光、发电 ③肌肉收缩　④淀粉合成　⑤大脑思考 ⑥根细胞吸收水分 提示：(1)ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化，这些分子被磷酸化后，空间结构发生变化，活性也被改变，因而可以参与特定的化学反应。 (2)参与主动运输转运Ca2＋的载体蛋白有两种作用，一是运输作用，结合Ca2＋进行跨膜运输；二是催化作用，能催化ATP水解。 (3)①②③④⑤ 1．细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP直接提供的 ATP中的化学能各种形式的能量各项生命活动 化学能→电能 用于大脑思考和神经传导 化学能→化学能 用于细胞内各种吸能反应（如物质合成），用于主动运输 化学能→机械能 用于肌肉收缩 化学能→电能、光能 用于生物发电、发光 化学能→热能 维持体温 2．生物体内的能源物质总结 （1）能源物质：糖类、脂肪、蛋白质、ATP。 （2）主要能源物质：糖类。 （3）储能物质：脂肪、淀粉（植物细胞）、糖原（动物细胞）。 （4）主要储能物质：脂肪。 （5）直接能源物质：ATP。 （6）最终能量来源：太阳能。 1．有关ATP的叙述，下列说法错误的是（　　） A．动物CO中毒，会降低Ca2＋通过离子泵跨膜运输的速率 B．ATP与ADP循环中，放能反应释放的能量可用于吸能反应 C．各植物组织中，在耗氧量相同的条件下，ATP生成量也一定相同 D．物质跨膜运输消耗ATP时，载体蛋白磷酸化后构象改变 解析　动物CO中毒，会降低Ca2＋通过离子泵跨膜运输的速率，A正确；ATP与ADP循环中，放能反应释放的能量可用于吸能反应，B正确；各植物组织中，在耗氧量相同的条件下，ATP生成量不一定相同，C错误；物质跨膜运输消耗ATP时，载体蛋白磷酸化后构象改变，D正确。 答案　C 2．科学家研究发现，向刚刚失去收缩功能的离体肌肉滴葡萄糖溶液，不会立刻立马引起肌肉收缩；向同一条肌肉滴ATP溶液，肌肉很快就发生了明显的收缩。这种现象说明了 （　　） A．葡萄糖是生物体生命活动的能源物质 B．ATP是生物体生命活动的能源物质 C．葡萄糖是生物体生命活动的直接能源物质 D．ATP是生物体生命活动的直接能源物质 解析　题干所述现象表明葡萄糖不能直接供给生物体生命活动所需能量，而ATP可以，说明ATP是生物体生命活动的直接能源物质。故D正确。 答案　D 　　　　　　　　　　　　　素养发展　探究应用　　　　　　　　　　　　　  [情境] ATP与信号传递 研究证实ATP既是“能量通货”，也可作为神经细胞间信息传递中的一种信号分子，ATP水解为ADP时产生的磷酸分子与细胞膜上的P2X受体结合，ADP水解为AMP时产生的磷酸分子与P2Y受体结合，AMP可以与P1受体结合，其作用机理如图所示。 [探究] （1）ATP的结构简式是　　　　，神经细胞中的ATP主要来自　　　　（细胞器）。  （2）由图可知，ATP在信号传递过程中，在细胞间隙中的有关酶的作用下，磷酸基团逐个脱离下来，最后剩下的是　　　　。  （3）一些神经细胞不仅能释放典型神经递质，还能释放ATP，二者均能引起受体细胞的膜电位变化。据图分析，如果要研究ATP是否能在神经元之间起传递信号的作用，则图中的　　　　　　　　属于无关变量，应予以排除。  （4）研究发现，正常成年人安静状态下24小时有40 kg ATP发生转化，而细胞内ADP、ATP的浓度仅为2～10 mmol/L，为满足能量需要，人体是如何解决这一矛盾的？   解析　（1）ATP的结构简式是A—P～P～P。动物细胞中，线粒体是有氧呼吸的主要场所，所以神经细胞中的ATP主要来自线粒体。（2）ATP脱去一个磷酸基团为ADP，脱去两个磷酸基团为AMP，AMP是组成RNA的基本单位之一，如果磷酸基团完全脱落，剩下的则是腺苷，由腺嘌呤和核糖组成。（3）实验思路是设法把ATP与典型神经递质分开，单独去研究其作用，即用化学物质阻断典型神经递质，所以典型神经递质是实验的无关量。（4）ATP是直接能源物质，在体内含量很少，可通过ATP与ADP迅速相互转化而形成。 答案　（1）A—P～P～P　线粒体 （2）腺苷 （3）典型神经递质 （4）ATP与ADP迅速相互转化。 1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）ATP是高能磷酸化合物，含有三个特殊的化学键。 （×） （2）1个ATP分子由1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成。 （×） （3）ATP水解时，两个特殊的化学键都断裂，生成ADP和Pi。 （×） （4）ATP和ADP的相互转化与吸能反应和放能反应联系在一起。 （√） （5）ATP与ADP的相互转化时刻不停地发生并且处在动态平衡之中，且是生物界的共性。 （√） （6）细胞中的生命活动所需要的能量都是由ATP直接提供的。 （×） 2．当其他条件均满足时，20个腺苷和90个磷酸最多可以组成的ATP个数和ATP分子中所含的特殊化学键个数是 （　　） A．20个和30个 B．20个和40个 C．40个和40个 D．30个和60个 解析　20个腺苷最多可以组成20个ATP，90个磷酸基团最多可以组成30个ATP，因此，20个腺苷和90个磷酸基团最多可以组成20个ATP；每个ATP含有两个特殊化学键，因此最多含有特殊化学键的数目为20×2＝40个。故B正确。 答案　B 3．据研究，人体正常细胞中的ATP含量约为0．1 mol，仅能维持细胞5～8 s的基础代谢，但一般细胞可存活3～5个月。其原因是 （　　） A．细胞中有其他直接能源物质 B．ATP可以快速生成 C．一般情况下细胞为休眠状态 D．基础代谢耗能极高 解析　由题干信息可知，原因是ATP能够快速生成，以满足机体对ATP的需求。 答案　B 4．ATP（甲）是生命活动的直接能源物质，据下图判断下列叙述正确的是 （　　） A．在主动运输过程中，乙的含量会明显增加 B．丙中不含磷酸键，是RNA基本组成单位之一 C．甲、乙在细胞中的含量低，但二者相互转化的速率高 D．甲→乙和乙→丙过程中，起催化作用的酶的空间结构相同 解析　甲是ATP，乙是ADP，在主动运输过程中，ATP水解为ADP和Pi，储存在远离腺苷的特殊化学键中的能量被释放出来，用于主动运输，但因细胞中ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生并且处于动态平衡之中，乙的含量不会明显增加，A错误；丙为腺嘌呤核糖核苷酸，含磷酸键，但不含特殊化学键，是RNA的基本组成单位之一，B错误；甲（ATP）、乙（ADP）在细胞内的含量很少，但二者间相互转化的速率非常高，C正确；甲→乙和乙→丙过程，是在不同酶的催化下完成的，因此催化这两个过程的酶的空间结构不同，D错误。 答案　C 5．如图是细胞内ATP与ADP相互转化的示意图，请据图回答下列问题： (1)在人体内，图示左侧的能量来自________作用，右侧的能量用于_______________。 (举一例) (2)在绿色植物体内，图示左侧的能量来自________作用和________作用。 (3)从图中可知，在适宜的温度和酶的作用下，ADP转变成ATP时还需要的条件是________。将ADP转化为ATP的图示改写成反应式的形式：____________________________。 (4)经测定，正常成年人静止状态下24 h将有40 kg ATP发生转化，而细胞内ADP、ATP的总量仅为2～10 mmol/L，为满足能量需要，生物体内解决这一矛盾的合理途径是 ________________________________________________________ ______________________________________________________。 解析　(1)在人体内，图示左侧的能量用来合成ATP，来自呼吸作用释放的能量，右侧的能量是ATP水解释放的能量，用于细胞中耗能的生命活动，如大脑思考、主动运输等。(4)细胞内ADP、ATP的总量很少，为满足细胞的能量需要，ATP和ADP的相互转化在细胞内时刻不停地发生且处于动态平衡之中。 答案　(1)呼吸　大脑思考 (2)呼吸　光合 (3)能量和Pi　ADP＋能量＋PiATP (4)ATP和ADP的这种相互转化时刻不停地发生且处于动态平衡之中 学科网（北京）股份有限公司 $$