浙科版（2023）生物必修一 第三章第一节　ATP是细胞内的“能量通货”学案（有答案）

第第页浙科版（2023）生物必修一第三章第一节ATP是细胞内的“能量通货”学案（有答案）第一节ATP是细胞内的“能量通货”

解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。

1.通过对ATP结构和功能的分析,构建ATP的结构模型,形成生命的物质与能量观。

2.认同ATP在吸能反应与放能反应转化时的纽带作用,能够对相关的生产实践内容做出科学的解释与判断,培养科学思维能力和社会责任意识。

一、ATP是细胞生命活动的直接能源

1.ATP的中文名称为腺苷三磷酸。

2.ATP中的能量形式为化学能。

3.ATP的结构

①表示磷酸基团;②表示高能磷酸键;③表示核糖;④表示腺嘌呤;③与④组成的结构为腺苷。

1.ATP的元素组成是什么

提示:C、H、O、N、P。

2.ATP是腺嘌呤核苷的衍生物,如图是ATP的分子结构图。图中虚线部分的名称是什么哪处的化学键易断裂,使ATP转化为ADP

提示:图中虚线部分的名称是腺苷。ATP中远离腺苷的高能磷酸键②易断裂,使ATP转化为ADP。

二、细胞内ATP与ADP保持动态平衡

1.ATP分布及含量

广泛分布在细胞核、线粒体、叶绿体、细胞溶胶等结构中,但含量很低。

2.ATP在细胞中易于水解

3.ATP在细胞中易于再生

4.ATP-ADP循环

(1)概念:通过ATP的合成和水解,使放能反应所释放的能量用于吸能反应,此过程被称为ATP-ADP循环。

(2)特点:ATP-ADP循环速度很快,细胞内ATP的含量能够维持在相对稳定的水平。

(3)功能:ATP是细胞中普遍使用的能量载体,在细胞内能量转换和利用中起着关键作用,有细胞中的“能量通货”之称。

1.经测定,正常成年人静卧时24h内约有40kgATP发生转化,而细胞内ADP、ATP的总量仅为2～10mmol/L,为满足能量需要,生物体内如何解决这一矛盾

提示:通过ATP与ADP的迅速转化。

2.荧光素酶催化荧光素与氧发生反应形成氧化荧光素并发出荧光,该过程需ATP供能。基于上述原理发明的手持ATP测定仪,可用于测定食物表面的细菌数。测定时,细菌被裂解,ATP释放到胞外作用于测定仪中的“荧光素酶—荧光素体系”并发出荧光,依据荧光强度得出细菌数。由此可知,荧光强度与ATP消耗量、细菌数有怎样的关系

提示:荧光强度与ATP消耗量、细菌数呈正相关。

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1.在野外可以看到萤火虫一闪一闪的亮光,这种光所用的能量直接来自ATP而非葡萄糖。(√)

2.ATP的组成元素为C、H、O、N、P,其中“A”代表腺嘌呤,“P”代表磷酸基团。(×)

提示:ATP中的“A”代表腺苷,由腺嘌呤和核糖组成。

3.在活细胞中,ATP广泛分布在细胞核、线粒体、叶绿体、细胞溶胶等结构中,且含量很高。(×)

提示:在活细胞中,ATP含量很少。

4.ATP中的磷酸基团之间的高能磷酸键稳定性较差,易水解释放大量的能量。(√)

5.活细胞中ATP-ADP循环速度很慢,细胞内ATP的含量能够维持在相对较高的水平。(×)

提示:活细胞中ATP-ADP循环速度很快,细胞内ATP的含量能够维持在相对稳定的水平。

6.安静状态下和运动状态下ATP的消耗量不同,说明在运动状态下ATP更容易水解。(×)

提示:安静状态下和运动状态下ATP的消耗量不同,只能说明两种状态下ATP的再生速度不同,不能说明在运动状态下ATP更容易水解。

7.ATP合成所需的能量一般来自吸能反应,ATP分解所释放的能量一般会用于放能反应。(×)

提示:ATP合成所需的能量一般来自放能反应,ATP分解所释放的能量一般会用于吸能反应。

任务一准确认知ATP的结构

[任务突破]

基于模型与建模分析ATP的结构与功能

(1)ATP的结构模型与解读:

(2)ATP的结构特点:远离腺苷的高能磷酸键很容易水解和重新合成,ATP分子中大量的能量就储存在高能磷酸键中。

(3)ATP的功能:作为生命活动的直接能源物质,为生命活动中的耗能反应持续提供能量。

[迁移应用]

[典例1](2022·北斗联盟高一期中)如图为ATP的结构示意图。下列有关叙述错误的是(D)

A.一分子该物质中有三个磷酸基团和两个高能磷酸键

B.①和②组成腺苷

C.该物质中④最容易断裂

D.ATP水解掉两个磷酸基团后的产物是DNA的基本组成单位之一

解析:由图可知,一分子该物质(ATP)中有三个磷酸基团和两个高能磷酸键;腺苷由1分子①腺嘌呤和1分子②核糖组成;④为远离腺苷的高能磷酸键,该键最容易断裂;ATP水解掉两个磷酸基团后的产物是RNA的基本组成单位之一。

任务二探究ATP-ADP循环

与细胞内的能量变化

[任务突破1]

列表比较ATP的合成与水解

项目ATP的合成ATP的水解

反应式ADP+Pi+能量ATPATPADP+Pi+能量

酶ATP合成酶ATP水解酶

反应类型吸能反应放能反应

场所细胞溶胶、线粒体、叶绿体等需能部位

能量来源光能(光合作用)、化学能(细胞呼吸)ATP中高能磷酸键内的化学能

能量去路用于ATP的合成用于各项生命活动

[迁移应用]

[典例2-1](2022·浙北G2联盟高一联考)下图是细胞中ATP-ADP循环示意图。下列叙述错误的是(D)

A.ATP和ADP分子中都含有腺嘌呤和核糖

B.原核细胞和真核细胞内都可以发生甲、乙过程

C.能量①可来自放能反应,能量②可用于吸能反应

D.肌肉收缩过程中发生过程甲,不发生过程乙

解析:ATP是由1个核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成的,ADP是由1个核糖、1个腺嘌呤和2个磷酸基团组成的,两者都含有腺嘌呤和核糖;甲是ATP的合成,乙是ATP的水解,原核细胞和真核细胞内都可以发生两过程;ATP的合成过程,需要吸收能量,所需的能量可来自细胞呼吸等放能反应,能量②是ATP水解释放的能量,可用于吸能反应;肌肉收缩是吸能反应,需要ATP供能,与ATP的水解有关。

[典例2-2]如图为人体细胞的ATP-ADP循环示意图,下列有关叙述与事实相符的是(B)

A.反应①需要水作为底物

B.在ATP-ADP循环中Pi可重复利用

C.人在饥饿状态下ATP含量显著下降

D.细胞通过反应①和反应②实现能量的循环利用

解析:反应①是ATP的合成过程,该过程不需要水作底物;在ATP-ADP循环中Pi可重复利用;ATP在体内含量很少,但由于ATP和ADP的转化在时刻不停地进行,故人在饥饿状态下ATP含量也不会显著下降;通过反应①和反应②可实现ADP和ATP含量的动态平衡,但能量不能循环利用。

[任务突破2]

明确ATP在吸能反应与放能反应中的纽带作用

特别提醒:(1)放能反应释放的能量不能直接被吸能反应所利用,此过程必须以ATP为媒介才能完成。放能反应释放的能量储存到ATP中,ATP水解释放的能量用于吸能反应。细胞中最主要的放能反应是糖类的氧化分解。

(2)细胞中吸能反应所需的能量来源主要是放能反应所释放的能量,但是光合作用所需的能量来自太阳能。

(3)放能反应都存在能量的释放,但是释放的能量不一定储存到ATP中,如二肽的分解等,该过程中有能量释放,但不会储存到ATP中,而是以热能的形式散失。

(4)ATP的水解本身属于放能反应,其释放的能量用于其他吸能反应,如肌肉收缩、物质运输等一些耗能生理过程。

[迁移应用]

[典例2-3]下列关于吸能反应与放能反应的叙述,正确的是(A)

A.肌肉收缩属于吸能反应

B.人体剧烈活动加强,ATP含量增加

C.吸能反应所需的能量只能来自放能反应

D.光合作用是绿色植物细胞中最重要的放能反应

解析:肌肉收缩是需要消耗能量的,故属于吸能反应;人体剧烈活动加强,ATP含量基本不变;光合作用过程吸收光能,属于吸能反应,该反应需要的能量不是来自放能反应,而是来自光能。

基础达标练

1.(2022·金华高二期中)下列关于腺苷三磷酸分子的叙述,正确的是(D)

A.由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成

B.分子中与磷酸基团相连接的化学键称为高能磷酸键

C.在水解酶的作用下不断地合成和水解

D.是细胞中吸能反应和放能反应的纽带

解析:ATP由1个腺嘌呤、1个核糖和3个磷酸基团组成;ATP分子的结构式可以简写成A—P～P～P,磷酸基团与磷酸基团相连接的化学键是高能磷酸键;ATP在水解酶的作用下水解,在合成酶的作用下由ADP和磷酸吸收能量合成ATP;吸能反应一般与ATP的水解相联系,放能反应一般与ATP的合成相联系,故吸能反应和放能反应之间的纽带

就是ATP。

2.(2022·精诚联盟高二联考)ATP是心内科常用于治疗心脑血管方面疾病的药物。下列叙述错误的是(C)

A.心肌炎患者可服用ATP药为人体细胞提供能量

B.1分子ATP是由1分子腺苷和3分子磷酸基团组成的

C.ATP脱去2个磷酸基团的产物可用来合成DNA

D.ATP和ADP之间的相互转化不是可逆反应

解析:ATP是生物体内直接的能源物质,心肌炎患者可服用ATP药为人体细胞提供能量;ATP结构简式为A-P～P～P,其中A表示腺苷,P表示磷酸基团,即1分子ATP是由1分子腺苷和3分子磷酸基团组成的;ATP脱去2个磷酸基团的产物是腺嘌呤核糖核苷酸,可用来合成RNA,DNA的基本单位是脱氧核苷酸;从两个反应所需的酶、参与条件和反应场所来看,ATP和ADP之间的相互转化不是可逆反应。

3.(2022·杭州“六县九校”联盟高二期中)ATP是细胞中重要的高能磷酸化合物。下列有关叙述错误的是(C)

A.ATP中的A由腺嘌呤和核糖组成

B.ATP水解所释放的能量可用于肌肉收缩

C.ATP中含有的能量少,能量可以被重复利用

D.ATP在细胞中易于再生,是细胞中普遍使用的能量载体

解析:ATP是高能磷酸化合物,ATP中的能量不能重复利用。

4.(2022·湖州高一期末改编)下图是酵母菌细胞中ATPADP循环图。下列叙述正确的是(B)

A.②过程中有两个高能磷酸键断裂

B.①过程可以发生在线粒体中

C.②过程提供的能量可转化为光能和机械能

D.ATPADP循环使细胞储存了大量的ATP

解析:②过程是ATP的水解,只有距离腺苷最远端的一个高能磷酸键断裂;①过程是ATP的合成,酵母菌细胞中有线粒体可进行需氧呼吸,

ATP的合成可以发生在线粒体中;ATP在酵母菌细胞中不会转化为光能;细胞中的ATP含量很少,ATPADP相互转化是时刻不停地发生且处于动态平衡中。

5.(2022·宁波高一期末)ATP的结构示意图如下,①③表示组成ATP的物质或基团,②④表示化学键。下列有关叙述正确的是(C)

A.物质①表示鸟嘌呤

B.化学键②断裂的化学反应属于吸能反应

C.在ATPADP循环中③可重复利用

D.若化学键④断裂,则左边的化合物是ADP

解析:分析ATP的结构示意图,其中①为腺嘌呤,②为远离腺苷的高能磷酸键,③为磷酸基团,④也为高能磷酸键;②为高能磷酸键,其水解断裂会释放能量,属于放能反应;在ATP与ADP的循环中,物质都是可逆的,只是能量不可逆,所以③是可以重复利用的;若④高能磷酸键断裂,ATP水解后只剩下腺嘌呤、核糖和1分子磷酸基团,该化合物称为腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)。

阅读下列材料,回答下面6、7小题。

某同学进行一项实验:对刚刚丧失收缩功能的新鲜骨骼肌,先滴加葡萄糖溶液,观察现象;再滴加ATP,观察现象。ATP分子结构式如图1,图2为ATP转化为ADP的示意图。

6.根据图示分析,下列说法错误的是(A)

A.ATP与ADP的相互转化是可逆的

B.图2中的X是Pi(磷酸)

C.图2中的能量可用于萤火虫的发光

D.图1水解掉两个高能磷酸键剩下部分是组成RNA的基本单位

7.根据上述实验分析,下列叙述错误的是(C)

A.必须待离体肌肉自身的ATP消耗之后,才能进行实验

B.本实验中采用的是自身对照

C.如果将滴加溶液的顺序颠倒一下,实验结果依然可靠

D.本实验的结论是ATP是肌肉收缩所需能量的直接来源

解析:6.由于能量来源和所需酶不同,细胞内的ATP与ADP的相互转化是不可逆的;ATP的结构简式为A—P～P～P,其中“—”为普通磷酸键,“～”为高能磷酸键,“A”为腺苷,由腺嘌呤和核糖组成,离腺苷较远的高能磷酸键易发生断裂,从而形成ADP,故图2中的X是Pi;ATP为细胞生命活动的直接能源物质,故图2中的能量可用于萤火虫的发光;如果ATP的两个高能磷酸键都发生断裂,则形成AMP即腺嘌呤核糖核苷酸,是组成RNA的基本单位。

7.必须待离体肌肉自身的ATP消耗之后,才能进行实验,以排除原有ATP对实验结果的影响;在程序上,先滴加葡萄糖溶液,观察肌肉是否收缩以后,再滴加ATP溶液,这是采取自身前后对照的方法;如果将题述顺序颠倒,实验结果不可靠,原因是如果外源ATP尚未耗尽,会出现滴加葡萄糖溶液后肌肉也会收缩的现象,造成葡萄糖也被肌肉直接利用的假象;先滴加葡萄糖溶液,肌肉不收缩,再滴加ATP溶液,肌肉收缩,说明ATP是肌肉收缩所需能量的直接来源。

8.下列关于ATP的叙述,正确的是(C)

A.细胞内吸能反应所需要的能量都由ATP直接提供

B.ATPADP循环使细胞内物质和能量得以循环利用

C.ATP中的“A”与ATP彻底水解后生成的“A”不同

D.ATP主要由C、H、O、N、P等元素构成

解析:ATP是细胞的直接能源物质,但不是唯一的直接能源物质;能量不能循环利用;ATP中的“A”表示腺苷,ATP彻底水解后生成的“A”表示腺嘌呤;ATP只由C、H、O、N、P五种元素构成。

9.将同位素(32P)标记的磷酸注入活细胞内,随后迅速分离细胞内的ATP,测定其放射性。实验结果表明ATP的含量并没有发生变化,但它的末端磷酸基团已被放射性32P所标记。结合以上实验事实和ATP的结构功能,判断下列相关叙述错误的是(A)

A.上述过程只涉及吸能反应

B.活细胞内ATP与ADP的转化很迅速

C.远离腺苷的高能磷酸键不稳定

D.ATP的结构与其功能相适应

解析:结合题意,“ATP的含量并没有发生变化,但它的末端磷酸基团已被放射性32P所标记”说明题述过程涉及ATP与ADP的相互转化,故涉及吸能反应和放能反应;ATP是在细胞中的含量少而需求量大的化合物,可与ADP之间进行相互转化且转化速度非常快;由题干信息“末端磷酸基团已被放射性32P所标记”可知,远离腺苷的高能磷酸键不稳定;ATP的结构与其功能相适应,如ATP远离腺苷的高能磷酸键不稳定,易水解和形成,利于能量的快速释放和转化。

10.(2022·温州联考)如图是ATP的结构及合成与水解反应,下列相关叙述正确的是(C)

A.图2反应向右进行时,图1中b、c化学键连续断裂释放出能量和磷酸基团

B.ATP与ADP相互转化迅速,细胞中储存大量ATP以满足对能量的

需求

C.叶肉细胞中图2反应向左进行时,所需的能量可以是化学能也可以是光能

D.ATP脱去一个磷酸基团后形成的腺嘌呤脱氧核苷酸可参与RNA的

合成

解析:图2反应向右进行时,图1中c化学键断裂释放出能量和磷酸基团;ATP与ADP相互转化迅速,细胞中ATP含量很少,不能大量储存;叶肉细胞中图2反应向左进行时,所需的能量可以是细胞呼吸释放的化学能也可以是光合作用吸收的光能;ATP脱去两个磷酸基团后形成的腺嘌呤核糖核苷酸可参与RNA的合成。

11.ATP是与能量代谢关系最为密切的化合物,请回答下列有关ATP的问题。

(1)写出在能量代谢过程中,ATP释放和储存能量的反应式。

(2)在动物细胞内形成ATP所需要的能量主要来自作用,在绿色植物叶肉细胞的(填结构名称)中也能合成ATP。

(3)如果ATP分子去掉两个磷酸基团,则成为腺苷一磷酸,它是构成

的基本组成单位之一。

(4)用“○”“”“□”三种符号分别表示磷酸、核糖与腺嘌呤,试写出这三种分子在ATP中的连接方式。

解析:(1)能量代谢过程中,ATP水解时释放能量,ATP合成时储存能量,ATP与ADP可相互转化。(2)动物细胞内合成ATP所需要的能量来自呼吸作用,植物叶肉细胞中合成ATP所需要的能量来自呼吸作用和光合作用。(3)ATP水解去掉两个磷酸基团后成为腺嘌呤核糖核苷酸,是构成RNA的基本组成单位之一。(4)ATP的结构简式为A—P～P～P,它由一分子核糖、一分子腺嘌呤和三分子磷酸构成,且磷酸之间为高能磷酸键。

答案:(1)(2)呼吸叶绿体(3)RNA

(4)

12.在生物体内能量的转换和传递中,ATP是一种关键的物质,其分子结构式如图1所示。

(1)ATP的结构简式为。

(2)人体骨骼肌细胞中,ATP的含量仅够剧烈运动时三秒钟内的能量供给。在校运动会上,某同学参加100m短跑过程中,其肌细胞中ATP相对含量变化如图2所示,试回答下列问题。

①由A到B的变化过程中,说明ATP被水解,释放的能量用于。

②由整个曲线来看,肌细胞中ATP的含量不会降为零,说明。

解析:(1)ATP的分子结构简式为A—P～P～P,其中A代表腺苷,P代表磷酸基团。(2)①图2中,由A到B的变化过程中,说明ATP被水解,释放的能量用于肌肉收缩等生命活动。②由于ATP的生成和分解是同时进行的,则由整个曲线来看,肌细胞中ATP的含量不会降为零。

答案:(1)A—P～P～P(2)①肌肉收缩等生命活动②ATP在分解的同时也有ATP的合成

综合提升练

13.(2023·浙南名校联考)鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)等和腺嘌呤(A)一样也可以形成相应的三磷酸化核苷酸,G、C、U和A参与形成的三磷酸化核苷酸分别为GTP、CTP、UTP和ATP,它们都属于高能磷酸化合物,结构和功能也都类似,但ATP用途最为广泛。下列叙述错误的是(B)

A.每个GTP由1个核糖、1个鸟嘌呤和3个磷酸基团组成

B.CTP含有3个磷酸基团,连接磷酸基团之间的磷酸键稳定性较高

C.UTP分子中高能磷酸键全部断裂后的产物可以是RNA的基本组成

单位

D.胃腺细胞分泌胃蛋白酶原时,伴随着ATP向ADP的转化过程

解析:GTP、CTP、UTP和ATP属于高能磷酸化合物,结构和功能也都类似,可推知每个GTP由1个核糖、1个鸟嘌呤和3个磷酸基团组成;CTP中连接磷酸基团之间的磷酸键为高能磷酸键,稳定性较低,容易水解和重新生成;UTP分子中高能磷酸键全部断裂后的产物为尿嘧啶核糖核苷酸,是RNA的基本组成单位之一;ATP是细胞内直接能源物质,细胞内大多数吸能反应由ATP水解直接提供能量,胃腺细胞分泌胃蛋白酶原的过程需要消耗能量,因而伴随着ATP向ADP的转化过程。

14.ATP可将蛋白质磷酸化,磷酸化的蛋白质会改变形状做功,从而推动细胞内系列反应的进行(机理如图所示)。下列说法不正确的是(B)

A.ATP推动细胞做功,存在吸能反应与放能反应过程

B.磷酸化的蛋白质做功,失去的能量主要用于再生ATP

C.ATP水解与磷酸化的蛋白质做功均属于放能反应

D.肌肉在收缩过程中,肌肉中的能量先增加后减少

解析:分析图示可知,ATP推动细胞做功,首