必修1 第3单元 第2讲 第一课时 ATP的结构与功能和细胞呼吸的原理（学生讲义）-【新高考方案】2025版高考生物一轮总复习（江苏专版）

第2讲　ATP和细胞呼吸 【学习目标】　1.解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质；　2.通过探究酵母菌细胞呼吸的方式，说出细胞呼吸的类型；　3.说明生物通过细胞呼吸将储存在有机物中的能量转化为生命活动可以利用的能量；4.分析影响细胞呼吸的因素及应用。 建构知识体系 　 第一课时　ATP的结构与功能和细胞呼吸的原理 主题研习(一)　ATP的结构与功能(基础·自学型) (一)ATP的结构 1．ATP的组成结构 2．ATP的供能原理 (二)ATP和ADP的相互转化 1．ATP和ADP的转化图 2．ATP的合成和水解的区别 项目 ATP的合成 ATP的水解 反应式 ADP＋Pi＋能量ATP ATPADP＋Pi＋能量 所需酶 ATP合成酶 ATP水解酶 反应场所 　　　　　　　　　　　　　　　 生物体的需能部位 能量来源 　　　(光合作用)、　　　(细胞呼吸) 储存在特殊化学键中的化学能 能量去路 储存在ATP中形成末端的特殊化学键 可直接转化成其他形式的能量用于生命活动 (三)ATP的利用 1．ATP为主动运输供能 (1)相关图示 (2)图示分析 ATP水解释放的　　　　　使蛋白质等分子磷酸化，这些分子被磷酸化后，　　　　　发生变化，　　　也被改变，因而可以参与相应化学反应。 2．细胞内的吸能反应和放能反应 [微点判断] (1)(2022·浙江1月选考)ATP由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成。(　 ) (2)(2021·北京卷)ATP必须在有氧条件下合成。(　 ) (3)(2019·全国卷Ⅲ)线粒体、叶绿体和高尔基体都是合成ATP的场所。(　 ) (4)ATP是生命活动的直接能源物质，但它在细胞中的含量很少，ATP与ADP时刻不停地进行相互转化。(　 ) (5)ATP水解释放的能量可用于细胞内的吸能反应。(　 ) 题点(一)　ATP的结构与功能 1．(2024·苏州昆山中学月考)如图是ATP分子的结构式，相关叙述正确的是(　 ) A．ATP水解的过程常伴随放能反应的发生 B．③脱离ATP后，挟能量可使载体蛋白等分子磷酸化 C．所有生物体都存在ATP与ADP相互转化的能量供应机制 D．①②③脱离后，ATP剩下的部分成为RNA分子的基本单位之一 2．除了ATP以外，生物体内还存在其他可以供能的核苷三磷酸。例如UTP用于多糖合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。UTP、CTP或GTP分子中的特殊的化学键不是直接由物质氧化获能产生的。物质氧化时释放的能量都必须先合成ATP，然后ATP将磷酸基团转移给相应的核苷二磷酸，生成核苷三磷酸：ATP＋UDP→ADP＋UTP。下列叙述正确的是(　 ) A．生物体内并非所有生命活动都由ATP直接供能 B．有氧呼吸也能产生其他核苷三磷酸 C．作为高能磷酸化合物，ATP中的能量主要储存在磷酸基团中 D．各种物质的吸收均依靠ATP供能 题点(二)　ATP与ADP的转化和ATP的利用 3．[多选](2024·泰州中学期末)蛋白质的磷酸化与去磷酸化被比喻为一种分子开关，分子开关的机理如下图所示。形成有活性的蛋白质是一个磷酸化的过程，即“开”的过程；形成无活性的蛋白质是一个去磷酸化的过程，即“关”的过程。下列有关分子开关的说法正确的是(　 ) A．蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化的底物不同 B．蛋白质的磷酸化和去磷酸化是可逆反应 C．蛋白质磷酸化过程是一个吸能反应 D．ATP脱去两个磷酸基团后可作为某些病毒遗传物质的单体 1．关于ATP的3个易错点 (1)ATP≠ 能量，ATP是直接能源物质，但不是唯一的，生物体内还存在CTP、GTP、UTP等直接能源物质。 (2)ATP与ADP的相互转化，从物质方面来看是可逆的，从酶、进行的场所、能量方面来看是不可逆的。 (3)细胞中的ATP与ADP的转化总是处于动态平衡中，由于ADP、Pi 可重复利用，只要提供能量，生物体就可不断合成ATP，满足生命活动的需要。 2．磷酸化和去磷酸化 (1)在相应的位置上，加上磷酸基团称为磷酸化，将磷酸基团去除称为去磷酸化。腺苷二磷酸加上磷酸基团发生在叶绿体内，称光合磷酸化；腺苷二磷酸加上磷酸基团发生在线粒体内，称氧化磷酸化。这两种磷酸化过程中，都伴随着能量向ATP的转移。若蛋白质分子加上磷酸基团，称蛋白质分子的磷酸化，已磷酸化的蛋白质分子去除磷酸基团，称蛋白质分子的去磷酸化。 (2)磷酸化和去磷酸化，一般指的是蛋白质分子的磷酸化和蛋白质分子的去磷酸化。蛋白质分子的磷酸化过程，往往伴随着ATP水解，提供磷酸基团，在蛋白激酶的作用下完成。蛋白质分子的去磷酸化，在蛋白磷酸酶的作用下完成。 主题研习(二)　细胞呼吸的方式和过程(深化·提能型) (一)完善有氧呼吸和无氧呼吸的原理和过程 1．有氧呼吸 (1)概念：指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生　　　　　　，释放能量，生成　　　　的过程。 (2)有氧呼吸过程 ①第一阶段——糖酵解 任何细胞中，糖酵解过程都是葡萄糖氧化分解的必经途径。 ②第二阶段——涉及三羧酸循环 丙酮酸先脱去一个CO2生成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A会进入一个多种有机酸参与的循环途径，在这个途径中逐步脱氢和脱羧(生成CO2)。这一阶段不需要 O2直接参与。三羧酸循环是糖类、脂肪和蛋白质三大营养物质分解代谢的最终共同途径，也是糖类、脂肪和蛋白质三者转化的联络中心。 ③第三阶段——电子传递和氧化磷酸化 糖酵解和丙酮酸氧化过程中生成的NADH是在线粒体内膜上继续氧化的。NADH在酶的催化下释放电子和H＋，电子被镶嵌在线粒体内膜上的一系列特殊蛋白质捕获和传递，最终与O2和H＋结合，生成H2O，而线粒体内膜上的这些特殊蛋白质则利用电子给予的能量将线粒体基质中的H＋泵入内膜和外膜的间隙，构建了跨膜的______浓度梯度。最终，H＋沿着线粒体内膜上__________酶内部的通道流回线粒体基质，推动ATP的合成(见下图)。这一阶段涉及电子传递和氧化磷酸化，需要O2的参与，是有氧呼吸过程中产生ATP的主要阶段。 ④总化学反应式 ________________________________________。 ⑤能量转化：少量能量转移至　　　中，大部分能量则以　　　形式散失。 2．无氧呼吸 (1)场所：全过程是在　　　　　　中进行的。 (2)过程 (3)化学反应式 ①产物为酒精和CO2 C6H12O6　　　　　　　　 　　　　　。 ②产物为乳酸 C6H12O6　　　 　　　　　　　　　　。 (4)能量转化 ①只在　　　　　释放少量能量，生成少量ATP。 ②葡萄糖分子中的大部分能量存留在　　　　　　　中。 3．细胞呼吸过程中[H]和ATP的来源和去路分析 物质 来源 去路 [H] 有氧呼吸：　　　　　　　　； 无氧呼吸：C6H12O6 有氧呼吸：　　　　　　　　　　　； 无氧呼吸：还原丙酮酸 ATP 有氧呼吸：三个阶段都产生； 无氧呼吸：只在　　　　　产生 用于绝大多数生命活动 (二)细胞呼吸中各物质间量的关系、细胞呼吸方式的判断及细胞呼吸的作用 [典例]　(2024·长沙模拟)细胞呼吸的呼吸熵为细胞呼吸产生的CO2量与细胞呼吸消耗的O2量的比值。现有一瓶酵母菌和葡萄糖的混合液，培养条件适宜。据此做出的相关分析错误的是 (　 ) A．若测得酵母菌的呼吸熵为1，则混合液中的酵母菌只进行有氧呼吸 B．若测得酵母菌的呼吸熵大于1，则混合液中的酵母菌同时进行有氧呼吸和无氧呼吸 C．根据放出的气体是否能使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，无法确定酵母菌的呼吸方式 D．若测得CO2产生量为15 mol，酒精的产生量为6 mol，可推测有2/3的葡萄糖用于有氧呼吸 听课随笔： |认|知|生|成| 1．有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸各物质间的比例关系 (以葡萄糖为呼吸底物) (1)有氧呼吸中葡萄糖∶O2∶CO2＝1∶6∶6。 (2)产生酒精的无氧呼吸中葡萄糖∶CO2∶酒精＝1∶2∶2。 (3)消耗等量的葡萄糖时，产生酒精的无氧呼吸与有氧呼吸产生的CO2摩尔数之比为1∶3。 (4)同时进行有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸，且两种呼吸方式消耗等量的葡萄糖时，有氧呼吸消耗的O2摩尔数与有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸产生CO2摩尔数之和的比为3∶4。 2．细胞呼吸方式的判断(以真核生物分解葡萄糖为例) 题点(一)　细胞呼吸的原理和过程 1．(2023·山东高考)水淹时，玉米根细胞由于较长时间进行无氧呼吸导致能量供应不足，使液泡膜上的H＋转运减缓，引起细胞质基质内H＋积累，无氧呼吸产生的乳酸也使细胞质基质pH降低。pH降低至一定程度会引起细胞酸中毒。细胞可通过将无氧呼吸过程中的丙酮酸产乳酸途径转换为丙酮酸产酒精途径，延缓细胞酸中毒。下列说法正确的是(　 ) A．正常玉米根细胞液泡内pH高于细胞质基质 B．检测到水淹的玉米根有CO2的产生不能判断是否有酒精生成 C．转换为丙酮酸产酒精途径时释放的ATP增多以缓解能量供应不足 D．转换为丙酮酸产酒精途径时消耗的[H]增多以缓解酸中毒 2．(2024·南京金陵中学模拟)细胞呼吸过程中形成的NADH等物质通过电子传递系统将电子传递给氧生成水，并偶联ATP合成的过程称为氧化磷酸化，如图为细胞呼吸过程中电子传递和氧化磷酸化过程。已知人体棕色脂肪细胞线粒体内膜上有一种特殊的通道蛋白UCP。ATP合成酶竞争性地将膜间隙高浓度的H＋回收到线粒体基质。下列说法不正确的是(　 ) A．膜间隙高浓度的H＋全部来自有机物的分解 B．NADH中的能量可通过H＋的电化学势能转移到ATP中 C．蛋白质复合体运输H＋和ATP合成酶复合体运输H＋的方式分别为主动运输和协助扩散 D．寒冷条件下棕色脂肪细胞被激活时，线粒体有氧呼吸释放的能量中热能所占比例明显增加 题点(二)细胞呼吸中物质量的变化和细胞呼吸方式的判断 3．[多选]葡萄糖和脂肪是细胞呼吸常用的物质，葡萄糖中的氧含量远多于脂肪，科学研究中常用RQ(释放的CO2体积/消耗的O2体积)来推测生物的呼吸方式和用于呼吸的能源物质。下列叙述正确的是(　 ) A．水淹时植物根细胞的RQ>1，该植物根细胞呼吸的产物可能有酒精 B．若测得酵母菌在葡萄糖培养液中的RQ＝1，说明进行的是有氧呼吸 C．若测得某植物种子在萌发初期的RQ<1，该植物种子可能富含脂肪 D．人体在剧烈运动的时候，若呼吸底物只有葡萄糖，RQ会大于1 题点(三)　细胞呼吸与细胞代谢的关系 4．[多选](2022·江苏高考)下图为生命体内部分物质与能量代谢关系示意图。下列叙述正确的有(　 ) A．三羧酸循环是代谢网络的中心，可产生大量的[H]和CO2并消耗O2 B．生物通过代谢中间物，将物质的分解代谢与合成代谢相互联系 C．乙酰CoA在代谢途径中具有重要地位 D．物质氧化时释放的能量都储存于ATP |考|教|衔|接|——教材隐性命题点发掘 (一)教材素材“深加工” 1．(人教版必修1 P86“相关信息”拓展分析)如图是ATP的结构式，图中A、B、C表示构成ATP分子的物质，①～④表示连接各小分子的化学键。下列叙述正确的是(　 ) A．图中A代表腺苷，ATP的元素组成与RNA的元素组成相同 B．少数酶中也可能含有A、B、C C．无氧条件下，丙酮酸转变为酒精的过程中伴随有ATP的合成 D．代谢越旺盛的细胞，②的水解和形成速率越快 (二)科学思维“融会通” 2．(人教版必修1 P86“正文内容”关键点拨)ATP中含有3个磷酸基团，磷酸基团带有负电荷。请从电荷间的相互作用角度解释ATP分子中远离腺苷的那个特殊的化学键容易水解的原因：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。3．(人教版必修1 P94“相关信息”拓展分析)1 mol葡萄糖有氧呼吸能释放2 870 kJ的能量，而1 mol葡萄糖分解生成乳酸，只释放196.65 kJ的能量，其中只有61.08 kJ的能量储存在ATP中。据此分析在进行无氧呼吸过程中，葡萄糖中能量的主要去向和葡萄糖氧化分解释放的能量的主要去向是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 |应|用|创|新|——新情境问题的建模训练 1．(2024·汕头二模)研究证实ATP既是“能量通货”，也可作为一种信号分子，其作为信号分子的作用机理如图所示。下列说法错误的是(　 ) A．图中神经细胞释放ATP的过程需要相关蛋白质参与并且耗能 B．ATP作为信号分子发挥作用的过程能体现细胞间的信息交流 C．靶细胞膜上存在ATP的受体能成为ATP作为信号分子的证据 D．细胞间隙中的ATP在有关酶作用下脱去磷酸基团生成腺嘌呤 2．[多选]研究发现脂肪的合成与线粒体直接相关，丙酮酸在线粒体中可生成柠檬酸，进而转化合成脂肪，其中Ca2＋在柠檬酸循环中起重要作用，具体过程如图所示。有氧呼吸过程中产生的H＋可逆浓度从线粒体基质运到内外膜的间隙，线粒体内膜上的UCP­1蛋白介导H＋内流却不与ATP合成过程偶联。下列叙述错误的是(　 ) A．人体内丙酮酸转化为柠檬酸和CO2的生成均发生在线粒体基质中 B．蛋白N的缺失可能会导致线粒体基质中的Ca2＋浓度过大 C．包裹脂肪小滴的膜结构与包裹分泌蛋白的膜结构相同 D．UCP­1蛋白表达时，线粒体内膜上ATP的合成速率将增大 10 / 11 学科网（北京）股份有限公司 $$