2025高考生物总复习：细胞的能量“货币”ATP

第10讲细胞的能量“货币”ATP

课标内容解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。

考点ATP的结构和功能

基础•精细梳理夯实必备知识

1.ATP是一种高能磷酸化合物

(l)ATP的中文名称腺昔三磷酸。

①ATP的元素组成：C、H、0、N、P。

②ATP结构简式：A—P〜P〜P。其中“A”代表腺昔,“P”代表磷酸基团,“〜”代

表一种特殊的化学键(这种化学键不稳定)o

(2)ATP和ADP的结构

末端的®具有较高的转移势能，易脱离，ATP发生水

解、释放能量

核糖“腺喋U令

腺音(A)

：：腺昔一磷酸——AMP(腺U票哈核糖核甘酸一

：：RNA的基本组成单位之一)

；腺昔二磷酸二ADP

sV'

腺昔三磷酸——ATP

(3)ATP的供能原理

两个相ATP中的特殊化ATP在酶的作

邻的磷学键不稳定,末用下水解时脱

酸基团獭酸基团有一离下来的末端

都带负一种离开ATP而与一磷酸基团挟能

电荷而其他分子结合的量与其他分子

相互排趋势，即具有较结合，从而使

斥等高的转移势能后者发生变化

(4)ATP是一种高能磷酸化合物

ATP水解的过程就是释放能量的过程，1molATP水解释放的能量高达30J4kJ,

所以说ATP是一种高能磷酸化合物。

提醒ATP并不是细胞内唯一的高能化合物，高能化合物在生物体内有很多种,

如存在于各种生物体细胞内的UTP、GTP、CTP及动物体内的磷酸肌酸。因此,

ATP并不是唯一的供应生命活动的直接供能物质。

2.ATP和ADP的相互转化

〔ATP的合成］：ATP的水解］

VVV

ADP+Pi+能量.ATP酶

ATP-ADP+Pi+能量

ATP合成酶［所需酶）ATP水解酶

细胞质基质、线粒反应

1♦生物体的需能部位

体、叶绿体1场所，

［能'量’

光能（光合作用）、化远离腺首（A）的那个

学能（细胞呼吸）1来源，特殊化学键

.一'可直接转化成其他形

储存在ATP（远离A的能量式的能量（如机械能、

那个特殊化学键）中|去路|电能等），用于各项生

岗胞中ATP含量很少，।命活动

A开与制嗡化器常迅（工件］

速发时，且处于动态■平一~1

衢之中，一八

人口且独上相互挖傕的能量供应机制,在所有生物的

缅福砥溟二商7这体现了生物界的统一性

3.ATP的利用

（DATP为主动运输供能的过程（以Ca2+释放为例）

Ca"家是一种能促使ATP水解的磁

°Ca”0。那

义。ATPXADP®ADP

Ca?+与Ca?+载体载体蛋白空间结构

载体蛋白的

蛋白相应位点结发生变化,Ca"由

磷酸化

合，ATP水解膜内释放到膜外

（2）ATP——细胞内流通的能量“货币

①吸能反应：一般与ATP的水解反应相联系,由ATP水解提供能量。如蛋白质

的合成。

②放能反应：一般与ATP的合成相联系,释放的能量储存在ATP中。如细胞内

有机物的氧化分解反应。

4.ATP产生量与02供给量的关系分析

“考点速览

(l)ATP必须在有氧条件下合成。(2021.北京卷，1B)(X)

提示无氧呼吸也可产生ATP。

(2)线粒体、叶绿体和高尔基体都是合成ATP的场所。(2019•全国卷HI,1C)(X)

提示高尔基体不能合成ATP。

(3)唾液淀粉酶水解淀粉的过程需ATP水解提供能量。(2019•天津卷，2A)(X)

提示淀粉水解不需要消耗ATP。

■情境推理

必修1P86“相关信息”

1.写出图中标出的“A”的含义：

④

①腺背;②腺喋吟;③腺喋吟脱氧核甘酸;④腺喋吟核糖核甘酸。

2.科学家发现，一种化学结构与ATP相似的物质GTP(鸟昔三磷酸)也能为细胞的

生命活动提供能量，请从化学结构的角度解释GTP也可以供能的原因：

提示含有两个特殊化学键，远离鸟昔的特殊化学键容易水解断裂，释放能量。

3.在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间后分离出细胞中的ATP,

发现其含量变化不大，但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记，分析该现

象得到的结论是：o

提示①ATP中远离A的磷酸基团容易脱离；②该过程中ATP既有合成又有水

解；③部分32P标记的ATP是重新合成的

典例•精心深研提升学科素养

考向1结合ATP的结构和功能，考查结构与功能观

1.（2024.广州市联考）如图是ATP的结构简式，图中①②表示一种特殊的化学键。

下列相关叙述错误的是（）

\_r①⑦

A.②断裂后的产物可直接与Pi结合形成ATP

B.①断裂后的产物可作为合成RNA的原料

C.细胞中的高能磷酸化合物不止ATP一种

D.ATP和ADP相互转化的能量供应机制体现了生物界的统一性

答案A

解析②断裂后的产物是ADP,ADP在有关酶的作用下，可以接受能量与一个

游离的Pi结合形成ATP,A错误;①断裂后的产物是腺嘿吟核糖核甘酸，是构成

RNA的基本组成单位之一，B正确；根据ATP的结构简式可以推测细胞中可能

还会有GTP、CTP、UTP等高能磷酸化合物，C正确；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，D

正确。

2.（2024.湖北荆州三校联考）生物体内的高能磷酸化合物有多种，它们在人体合成

代谢中有一定差异，如表所示。下列相关叙述最为准确的是（）

高能磷酸化合物ATPGTPUTPCTP

能量蛋白质糖原脂肪和磷脂的

主要用途

“货币”合成合成合成

A.GTP脱去两个磷酸基团是DNA的合成的原料之一

B.UTP除了用于糖原合成，还可作为转录的原料

C.无光情况下，叶肉细胞内合成ATP的场所是线粒体

D.在糖原、脂肪和磷脂的合成过程中，消耗的能量均不能来自ATP

答案B

解析GTP脱去两个磷酸基团后，可得到鸟嘿吟核糖核甘酸，是组成RNA的基

本单位之一，A不符合题意；由表可知，UTP可用于糖原合成，其脱去两个磷酸

基团后可得到尿喀喔核糖核甘酸，可作为合成RNA的原料，因而可作为转录的

原料，B符合题意；无光情况下，叶肉细胞不能进行光合作用，此时叶肉细胞只

能通过细胞呼吸合成ATP,场所是线粒体和细胞质基质，C不符合题意；ATP作

为能量“货币”，在糖原、脂肪和磷脂的合成过程中，消耗的能量可来自ATP,

D不符合题意。

考向2围绕ATP的转化和利用，考查物质与能量观

3.（2024.广东深圳模拟）蛋白质的磷酸化与去磷酸化被比喻为一种“分子开关”，

分子开关的机理如图所示。下列有关分子开关的说法，错误的是（）

A.剧烈运动过程中分子开关的频率远高于静息状态

B.“分子开关”的磷酸化与去磷酸化过程属于可逆反应

C.蛋白质的磷酸化是翻译后的修饰

D.细胞膜上存在蛋白质的磷酸化与去磷酸化

答案B

解析剧烈运动过程中，细胞代谢加快，需要的有活性蛋白增多，推测分子开关

频率更高，A正确；蛋白质的磷酸化和去磷酸化所需要的酶分别为蛋白激酶和蛋

白磷酸酶，不属于可逆反应，B错误；蛋白质磷酸化使无活性蛋白转变为有活性

蛋白，属于翻译后的修饰，C正确；细胞膜上行使主动运输功能的载体蛋白存在

蛋白质的磷酸化和去磷酸化，D正确。

4.（2024.湘豫名校联考）如图所示为ATP合成酶结构及其作用机制。H+沿着线粒体

内膜上ATP合成酶内部的通道流回线粒体基质，推动ATP的合成。某些减肥药

物能够增加线粒体内膜对H+的通透性，降低H+膜内外浓度差。下列相关叙述正

确的是（）

线粒体

外膜

膜间隙

H+H+H

喇…线粒体

内膜

H+H+基质

ATP）

合成酶j

ADP+PiATP

A.ATP合成酶还存在于叶绿体内膜和叶绿体类囊体薄膜

B.图中合成ATP的能量来自H+浓度差产生的势能

C.图中产生的ATP可用于一切生命活动

D.减肥药物会加快ATP的产生，有利于健康

答案B

解析线粒体内膜和叶绿体类囊体薄膜上都存在ATP合成酶，但叶绿体内膜上不

存在ATP合成酶，A错误；由图可知，合成ATP的能量来自H+浓度差产生的势

能，B正确；光合作用暗反应阶段需要的ATP来自光反应阶段（叶绿体类囊体薄

膜产生的）而非来自线粒体，C错误；减肥药物能够增加线粒体内膜对H+的通透

性，降低H+膜内外的浓度差，减慢ATP的产生，不利于健康，D错误。

跳出题海

（l）ATP的来源和去向小结

色素吸晦发生在叶

光合作用光

IT，；ADP+Pi-ATPO绿体类囊

（光反应）能收、传体薄膜上

递、转化体舟朕上

发生在细胞

植物、质基质和线

有氧化热能——►散失

细菌、呼吸能粒体中（原核

机

真菌、作用’・生物发生在

分解I量化学能.

也酶

动物—ATP细胞质基质

ADP+Pi中和细胞膜

上）

（2）磷酸化和去磷酸化

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

甘二磷酸加上磷酸基团发生在叶绿体内，称光合磷酸化；腺苜二磷酸加上磷酸基

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。磷酸化和去磷酸化，一般指的

是蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化。

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。

■关键•真题必刷

1.（2022•浙江1月选考，3改编）下列关于腺首三磷酸分子的叙述，正确的是（）

A.由1个脱氧核糖、1个腺喋吟和3个磷酸基团组成

B.分子中与磷酸基团相连接的化学键都是特殊的化学键

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

答案D

解析1分子的ATP是由1分子腺喋吟、1分子核糖和3分子磷酸基团组成，A

错误；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

的化学键是一种特殊的化学键，而核糖与磷酸基团相连的化学键是普通磷酸键，

B错误；ATP在水解酶的作用下水解，在合成酶的作用下ADP和磷酸吸收能量合

成ATP,C错误；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,D正确。

2.（2021.北京卷，1）ATP是细胞的能量“通货”，关于ATP的叙述错误的是（）

A.含有C、H、0、N、P

B.必须在有氧条件下合成

C.胞内合成需要酶的催化

D.可直接为细胞提供能量

答案B

解析ATP中含有腺喋吟、核糖与磷酸基团，故元素组成为C、H、0、N、P,A

正确；在无氧条件下，无氧呼吸过程释放的能量也能用于合成ATP,B错误；ATP

合成过程中需要ATP合成酶的催化，C正确；ATP是生物体的直接能源物质，可

直接为细胞提供能量，D正确。

3.（2021.海南卷，14）研究人员将32P标记的磷酸注入活的离体肝细胞，1〜2min

后迅速分离得到细胞内的ATP。结果发现ATP的末端磷酸基团被32P标记，并测

得ATP与注入的32P标记磷酸的放射性强度几乎一致。下列有关叙述正确的是

A.该实验表明，细胞内全部ADP都转化成ATP

B.32P标记的ATP水解产生的腺昔没有放射性

C.32P在ATP的3个磷酸基团中出现的概率相等

D.ATP与ADP相互转化速度快，且转化主要发生在细胞核内

答案B

解析根据题意可知，该实验不能说明细胞内全部ADP都转化成ATP,A错误；

腺昔由腺嘿吟和核糖构成，不含磷元素，无放射性，B正确；根据题意可知，放

射性几乎只出现在ATP的末端磷酸基团，C错误；该实验不能说明转化主要发生

在细胞核内，D错误。

4.（2021.湖南卷，5）某些蛋白质在蛋白激酶和蛋白磷酸酶的作用下，可在特定氨基

酸位点发生磷酸化和去磷酸化，参与细胞信号传递，如图所示。下列叙述错误的

是（）

A.这些蛋白质磷酸化和去磷酸化过程体现了蛋白质结构与功能相适应的观点

B.这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失，不影响细胞信号传递

C.作为能量“货币”的ATP能参与细胞信号传递

D.蛋白质磷酸化和去磷酸化反应受温度的影响

答案B

解析根据题干可知，某些蛋白质在相关酶的作用下会发生磷酸化和去磷酸化，

而发生了磷酸化和去磷酸化的蛋白质就可以参与细胞信号传递，能够体现蛋白质

结构与功能相适应的特点，A正确；这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失，

会导致这些蛋白质不能发生磷酸化和去磷酸化，不能参与细胞信号传递,B错误；

由题图可知，在蛋白质磷酸化过程中，ATP为蛋白质提供磷酸基团，参与了细胞

信号传递，C正确；蛋白质磷酸化和去磷酸化反应均属于酶促反应，受温度的影

响，D正确。

限时强化练

（时间：20分钟）

【对点强化】

考点一ATP的结构和功能

1.（2024.广东深圳市调研）脱氧核昔三磷酸（dNTP）和核昔三磷酸（NTP）参与核酸合

成等多种生理过程，其结构如下图所示。下列叙述错误的是（）

TBa

OOO

HHH

P-

——P-

-P-—

——

O

0-O-

A.当图中基团X为H时，则该物质可为RNA合成提供反应所需的原料和能量

B.NTP、dNTP以及磷脂分子的元素组成都是C、H、0、N、P

C.以a位带32P的dATP为原料，会使新合成的DNA分子被32P标记

D.ATP的Y位磷酸基团使细胞中某些蛋白质分子磷酸化，导致这些分子空间结构

发生变化

答案A

解析当图中基团X为H时，五碳糖是脱氧核糖，则该物质是dNTP,可为DNA

合成提供反应所需的原料和能量，A错误；NTP、dNTP以及磷脂分子的元素组

成相同，都是C、H、0、N、P,B正确；dATP脱去。和丁位的磷酸基团后是

DNA的基本单位腺嘿吟脱氧核甘酸，故用32P标记dATP的a位的磷酸基团作为

DNA合成的原料，可使DNA分子被标记，C正确；ATP在酶的作用下水解时,

脱离下来的Y位磷酸基团与某些蛋白结合，使蛋白磷酸化，从而使其结构发生变

化，活性也被改变，D正确。

2.（2024.广东惠州期末）下图是萤火虫发光的原理，相关叙述正确的是（）

荧光素0

/酰腺昔酸72

ADP+Pi/荧光素⑥y深仁

ATP人ACO2+AMP

荧光素氧合荧尢素

A.ATP水解供能时生成一个腺昔和三个磷酸

B.荧光素酶的化学本质是蛋白质或RNA

C.由于酶具有专一性，该过程中需要多种酶催化

D.在试管中加入葡萄糖、荧光素和荧光素酶，可看到荧光

答案C

解析ATP水解供能时生成一个腺昔二磷酸和一个磷酸，A错误；荧光素酶的化

学本质是蛋白质，B错误；由于酶具有专一性，该过程中涉及多步反应，需要多

种酶催化，C正确；在试管中加入葡萄糖，并不会发生氧化分解，没有产生ATP,

则看不到荧光，D错误。

3.(2024.厦门市调研)细胞内的马达蛋白与囊泡结合，沿细胞骨架定向移动，其机

理如图所示。下列叙述错误的是()

马达蛋白一＜9+小1怔序

细胞骨

A.细胞骨架由蛋白纤维组成，锚定并支撑着许多细胞器

B.马达蛋白利用ATP水解所释放的能量驱动定向运动

C.马达蛋白具有和囊泡发生特异性结合的结构域

D.囊性纤维病与马达蛋白功能异常直接有关，影响了正常的离子转运

答案D

解析细胞骨架是蛋白质纤维交错连接的网络结构，在维持细胞形态、胞内运输、

变形运动等方面发挥作用；故细胞骨架由蛋白纤维组成，锚定并支撑着许多细胞

器，A正确；题图显示马达蛋白与囊泡结合沿着细胞骨架定向移动，该过程需要

消耗能量，该能量由ATP水解提供，B正确；由题图可知马达蛋白与囊泡特定部

位结合沿细胞骨架定向移动，故马达蛋白具有和囊泡发生特异性结合的结构域，

C正确；囊性纤维病的直接原因是转运氯离子的跨膜蛋白结构异常，与马达蛋白

无直接关系，D错误。

4.(2024.长沙一中质检)KR4s基因是R4S致癌基因家族成员之一，编码的KRAS

蛋白酶与肿瘤的生成、增殖、扩散等有关。KRAS蛋白酶结合鸟昔三磷酸(GTP)

时为活化态，结合鸟背二磷酸(GDP)时为失活态。鸟甘酸转换因子(GEFs)和GTP

酶激活蛋白(GAPs)能调控上述两种状态的转换(见图)。下列相关叙述错误的是

正常细胞

""GEFs^

KRASKRAS

蛋白酶蛋白酶

GDPGTP

失活激活

A.GTP与磷脂、NADH、NADPH的化学元素组成相同

B.GTP中含有三个磷酸基团，是细胞内的一种高能磷酸化合物

C.GTP或GDP与KRAS蛋白酶结合后会改变其空间结构

D.致癌因子能诱导KR4s基因发生定向突变引起癌症

答案D

解析GTP与磷脂、NADH、NADPH的化学元素组成均为C、H、0、N、P,A

正确；GTP与ATP结构相似，其中含有三个磷酸基团，是细胞内的一种高能磷酸

化合物，B正确；GTP或GDP与KRAS蛋白酶结合后会改变其空间结构，从而

影响其活性，C正确；基因突变是不定向的，D错误。

5.（2024•广东深圳调研）下列关于细胞内ATP、NADH、NADPH等活性分子的叙述,

错误的是（）

A.ATP脱去两个磷酸基团后可参与RNA的合成

B.ATP的合成通常与细胞内的放能反应偶联

C.NADH和NADPH都是具有还原性的活性分子

D.叶肉细胞可通过光合作用和呼吸作用合成NADPH

答案D

解析ATP的结构简式是A—P〜P〜P,其中A代表腺昔，P代表磷酸基团，水

解掉2个磷酸基团后则形成AMP即腺嘿吟核糖核甘酸，成为组成RNA的基本单

位之一，A正确；ATP合成与细胞中的放能反应相联系，细胞放出能量储存于ATP

中，B正确；叶绿体中的NADPH参与C3的还原，线粒体中的NADH与氧结合

生成水，二者都具有还原性，C正确；NADH是呼吸作用产生的还原型辅酶I,

而NADPH是光合作用产生的还原型辅酶H,是两种不同的物质，D错误。

6.（2024.福建省福州市调研）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（机理如下图所示）。下列叙述错误的是

反应物

蛋白质

ATP推动细胞做功

A.磷酸化的蛋白质做功，失去的能量主要用于再生ATP

B.ATP推动蛋白质做功的过程，存在放能反应与吸能反应过程

C.ATP水解过程中，末端磷酸基团具有较高的转移势能

D.主动运输过程中，载体蛋白中的能量先增加后减少

答案A

解析ATP可将蛋白质璘酸化，磷酸化的蛋白质会改变形状做功，失去的能量并

不能用于再生成ATP,A错误；ATP推动蛋白质做功过程中，ATP的水解是放能

反应，蛋白质磷酸化过程是吸能反应，因此该过程存在吸能反应和放能反应，B

正确；ATP水解过程中，ATP末端磷酸基团很容易有离开ATP而与其他分子结合

的趋势，具有较高的转移势能，C正确；主动运输过程中，ATP可将载体蛋白磷

酸化，璘酸化的蛋白质会改变形状，这是吸能反应，然后做功，失去能量，载体

蛋白恢复原状，这是放能反应，因此主动运输过程中，载体蛋白中的能量先增加

后减少，D正确。

考点二ATP的转化和利用

7.（2023•江苏连云港模拟，14）ATPIF1作为ATP合酶的抑制剂，对细胞ATP水平

具有重要的调节作用，其作用原理如下图。下列相关说法错误的是（）

促

进

肿

瘤

细

胞

增

生

A.ATP中的磷酸基团带负电荷相互排斥，末端磷酸基团有较高的转移势能

B.ATPIF1在细胞缺氧和交感神经兴奋时，可以加速葡萄糖分解从而促进细胞坏死

C.肿瘤细胞中高表达ATPIF1,有利于肿瘤细胞获得细胞增殖所需要的大量原料

D.过多的糖类和脂肪是产生胰岛素抵抗的重要原因，ATPIF1有望用于缓解这种病

症

答案B

解析ATP由一个腺昔和三个磷酸基团组成，含有“〜”特殊的化学键。由于两

个相邻的磷酸基团都带有负电荷而相互排斥，使得这种化学键不稳定，末端磷酸

基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，即具有较高的转移势能,A正确；

在交感神经兴奋时，ATPIF1活性受到抑制，葡萄糖分解过程减弱，B错误；肿瘤

细胞中高表达ATPIF1,可以加速葡萄糖分解，有利于肿瘤细胞获得细胞增殖所需

要的大量原料,C正确；ATPIF1可以加速葡萄糖分解，使得血糖降低，所以ATPIF1

有望用于缓解过多的糖类和脂肪产生的胰岛素抵抗，D正确。

8.（2024•江西金太阳联考）如图是生物体内ATP合成与分解示意图，下列叙述正确

的是（）

碎］］谕

A.能量1可以来自蛋白质水解为氨基酸的过程

B.能量1可以来自丙酮酸的氧化分解

C.能量2可以用于叶绿体中H2O的光解

D.能量2可以用于光合作用中CO2的固定

答案B

解析能量1为合成ATP的能量，来自呼吸作用或光合作用，A错误；能量1可

以来自丙酮酸的氧化分解，B正确；HzO的光解所需能量来自光能，C错误；能

量2可以用于各种需能的生命活动，但是光合作用中CO2的固定不需要消耗能量，

D错误。

9.（2024.重庆一中质检）ATP为Ca2+跨膜运输供能的过程如图所示，下