第15讲-细胞的能量货币ATP(人教版2019必修1)(原卷版)

第15讲细胞的能量“货币”ATP【学习目标】1.通过对ATP化学组成和结构特点的学习，认同ATP的结构与其功能相适应。2.通过对ATP和ADP相互转化进行模型构建，能归纳、概述ATP形成所需能量的主要来源及意义。3.通过对生活实例的讨论、分析，能解释“ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”的原因。【问题探讨】1.“银烛秋光冷画屏,轻罗小扇扑流萤。天阶夜色凉如水,卧看牵牛织女星。”请思考探讨下面的问题：①萤火虫发光的生物学意义是什么？②萤火虫体内有特殊的发光物质吗?③在萤火虫发光的过程中有能量转化吗？2.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P已带上放射性标记，分析该现象得到什么样的结论？3.人体每天进行正常活动所需的ATP量约等于他的体重，而细胞内ATP、ADP的总量仅有2～10mg。成人一天在静止状态下所消耗的ATP为48kg，在紧张活动的情况下，ATP的消耗可达0.5kg/min。请思考细胞中ATP含量很少，而机体对ATP很大。细胞可能以什么样的对策解决这一矛盾？4.在植物、动物、细菌和真菌细胞内，都是以ATP作为能量“货币”的，这是否说明生物界的统一性？这对理解生物的进化有什么启示？5.ATP是细胞内唯一的直接能源物质吗？如果不是，其他的直接能源物质会具有怎样的结构特点？【课前预习】1.ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。①ATP的中文全称是，ATP分子的结构简式可写为，ATP的A表示、T表示、P表示。②由于ATP两个相邻的磷酸基团都带有而相互排斥等原因，导致这种化学键，末端的磷酸基团有一种而与其他分子结合的趋势，也就是具有较高的。当ATP在酶的作用下水解时，脱离下来的磷酸基团与其他分子结合，从而使后者发生变化。可见ATP水解的过程就是的过程，1molATP水解释放的能量高达kJ，所以说ATP是一种。2.ATP与ADP可以相互转化反应反应类型酶的类型反应场所能量来源能量去向与之相联系的反应结论3.蛋白质的磷酸化和去磷酸化（如下图）在磷酸激酶催化下，ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质分子的过程称为磷酸化。蛋白质分子被磷酸化后，发生变化，被改变，可以参与各种化学反应。在蛋白磷酸酶催化下，磷酸基团从磷酸化的蛋白质分子上移除的过程称为去磷酸化。【预习检测】1．（2021·高一课时练习）下图是ATP的结构示意图，图中标号与对应叙述不正确的是（）选项编号描述A①只含有C、H、O三种元素B②生命活动的能量一般不是由②断裂释放提供供C③肯定含有N元素D④腺嘌呤脱氧核苷酸A．①只含有C、H、O三种元素B．②生命活动的能量一般不是由②断裂释放提供C．③肯定含有N元素D．腺嘌呤脱氧核苷酸2．（2021·高一课时练习）如下图为ATP的结构示意图，下列说法错误的是（）A．物质a与b组成腺苷B．c、d、e中不仅仅只含P元素C．图中a是RNA的基本组成单位之一D．g键断裂时，末端磷酰基挟有较高的转移势能3．（2021·高一课时练习）如下图是ATP中化学键逐级水解的过程图。有关叙述正确的是（）ATP①②③A．①代表的物质是ADP，③是腺嘌呤核糖核苷酸B．ATP是细胞内含量少的间接能源物质C．在最适温度和pH条件下，最适合酶的保存D．一个ATP彻底水解产物中含有核糖4．（2021·高一课时练习）下图为ATP与ADP相互转化的关系式，下列相关叙述错误的是（）A．ATP中有两个高能磷酸键，A代表腺嘌呤B．人体细胞中①过程一般与细胞呼吸相联系C．②过程能直接为萤火虫发光提供能量D．图示的能量供应机制是生物界的共性5．（2022秋·高一课时练习）ATP为生物体内生命活动直接供能，但在细胞内含量很少。下列相关叙述，正确的是（）A．每分子ATP含有3个高能磷酸键，但只有远离腺苷的高能磷酸键容易断裂B．生物体都能产生ATP，也都能消耗ATPC．酶的合成需要ATP供能，但酶促反应并非都需要消耗ATPD．人进入寒冷的环境时，ATP会大量减少6．（2022秋·高一课时练习）下列有关ATP说法错误的是（）A．ATP分子中特殊的化学键全部断裂后形成的产物中，有些是组成某些酶的基本单位B．细胞内ATP与ADP相互转化的供能机制是生物界的共性C．人剧烈运动时，为满足能量需求，肌细胞中ATP合成速率将明显大于其水解速率D．ATP是细胞中连接C3还原和蛋白质合成等吸能反应的纽带7．（2021·高一课时练习）“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤。天阶夜色凉如水，坐看牵牛织女星。”让我们重温唐代诗人杜牧这情景交融的诗句。萤火虫发光的相关化学变化如图所示，下列有关叙述错误的是

（）A．催化荧光素氧化反应的酶与催化ATP水解的酶不是同一种酶B．萤火虫腹部后端（发光器官）细胞内含有大量的ATP，以保证其正常发光C．萤火虫发光的过程实现了ATP中的化学能向光能的转化D．荧光素发荧光过程伴随着ATP的水解8．（2021·高一课时练习）细胞呼吸释放大量能量以维持生物体的生命活动，下列关于能量利用的叙述，不正确的是（）A．糖类是细胞中的主要能源物质，ATP是细胞中的直接能源物质B．ATP中的化学能可转化为机械能、电能、光能等C．细胞呼吸释放的能量大部分储存在ATP中供给各种生命活动D．主动运输、细胞的分裂和生长等都伴随ATP水解放能的过程9．（2021秋·高一课时练习）钙泵是哺乳动物细胞中广泛分布的一种离子泵(载体蛋白)，也称Ca2＋—ATP酶，它能催化质膜内侧的ATP水解，释放出能量，驱动细胞内的Ca2＋泵出细胞。下列相关叙述错误的是（

）A．钙泵属于ATP水解酶B．Ca2＋通过钙泵转运出细胞的方式属于主动运输C．ATP水解释放的磷酸基团可能会使钙泵的空间结构发生变化D．加入蛋白质变性剂会提高钙泵运输Ca2＋的速率10．（2021秋·高一课时练习）ATP在细胞内能够释放能量，从其结构上看是由于（

）①腺嘌呤核苷很容易释放能量②第二个磷酸基团很容易从ATP上脱离③第三个磷酸基团很容易从ATP上脱离，使ATP转变为ADP④ADP可以迅速与磷酸结合，吸收能量形成ATPA．① B．② C．③ D．④11．（2022秋·高一课时练习）ATP是细胞的能量“货币”，如图所示为ATP的分子结构，a、b、c表示相应的结构，①、②表示化学键。下列相关叙述错误的是（

）A．ATP并不是细胞中所有需要能量的生命活动的唯一直接供能物质B．图中①②对应的磷酐键都断裂后形成的产物是构成RNA的基本单位之一C．GTP与ATP结构相似，GTP含有的糖为核糖，其中的“G”叫鸟苷D．ATP水解产生的能量用于满足各项生命活动，如蔗糖的水解12．（2021·高一课时练习）如图为ADP与ATP的相互转化关系图，则相关说法错误的是（

）A．ATP与ADP的转化是物质可逆、能量不可逆的过程B．ATP中含两个磷酐键，ADP中不含磷酐键C．反应①和反应②分别需ATP合酶、ATP酶催化D．反应①所需能量主要来自光合作用吸收的光能及细胞呼吸释放的化学能13．（2021·高一课时练习）科学家研究发现，向刚刚失去收缩功能的离体肌肉上滴葡萄糖溶液，肌肉不收缩;向同一条肌肉上滴ATP溶液，肌肉很快就发生明显的收缩。这说明（

）A．葡萄糖是能源物质 B．ATP就是能量C．葡萄糖是直接能源物质 D．ATP是直接能源物质14．（2021·高一课时练习）如下图为细胞内ATP与ADP相互转化的能量供应机制，下列叙述错误的是（）A．ATP脱去2个磷酸基团后形成的物质是腺嘌呤核糖核苷酸B．植物叶肉细胞内过程①所需能量来自光合作用或呼吸作用C．活细胞中ATP与ADP相互转化速率会受到温度和pH的影响D．ATP分解为ADP是储存能量的过程15．（2022秋·高一课时练习）人体细胞进行正常的生命活动，每天需要水解200~300摩尔ATP，但人体细胞中ATP的总量只有约0．1摩尔。下列有关ATP的叙述错误的是（）A．ATP是由1个腺苷与3个磷酸基团组成B．ATP水解成ADP释放的能量来自远离腺苷的特殊化学键C．ATP释放能量往往与某些放能反应相关联D．ATP和ADP的相互转化保证了机体对能量的需求16．（2022秋·高一课时练习）如图中甲表示ATP，乙、丙、丁、戊表示相关物质，下列有关叙述不正确的是（）A．细胞内甲和乙相互转化的能量供应机制，是生物界的统一性B．乙→甲过程中，动植物的能量来源不完全相同C．丙中含有一个磷酸基团，是RNA的基本组成单位之一D．丁由腺苷和核糖组成，而戊可用于甲的合成二、多选题17．（2022秋·高一课时练习）科学家从牛的胰脏中分离出一种多肽链（Ub），如果靶蛋白被贴上Ub标签，会发生如图所示的过程。下列有关叙述正确的是（

）A．ATP的结构简式是A—P～P～PB．①过程会释放能量C．催化ATP水解的酶降低了反应的活化能D．催化过程①和②的酶具有相同的氨基酸序列三、非选择题18．（2021·高一课时练习）ATP既是神经细胞的能量“通货”，也可作为神经细胞之间信息传递的一种信号分子。一些神经细胞不仅能释放典型的神经递质（神经细胞之间传递信号的物质），还能释放ATP，两者均能引起受体细胞的膜电位变化。据此请回答下列问题：(1)人体神经细胞中的ATP主要来自_________（生理过程）。研究发现，正常成年人安静状态下24小时有40kgATP发生转化，而细胞内ADP、ATP的浓度仅为2～10mmoL/L，为满足能量需要，人体解决这一矛盾的合理途径是_________。(2)为了研究X物质对动物细胞的影响，某研究小组用不同浓度的X物质将细胞处理24小时，然后测量各组细胞内ATP的浓度和细胞死亡的百分率，经过多次实验后，所得数据如下表所示：实验组编号X物质的浓度/（μg·mL-1）细胞内ATP的浓度/（nmoL·mL-1）细胞死亡的百分率A0801%B2702%C45010%D82025%E16570%F32195%①该实验的因变量是_________。②实验数据表明，该实验的因变量之间有何联系？_________。③若用混有浓度为2μg·mL-1的X物质的饲料饲喂大鼠，其小肠的消化和吸收功能受到抑制的主要原因是_________。19．（2021·高一课时练习）如图表示ATP水解产生ADP的过程。请回答下列问题：(1)图中A表示____________，P代表____________，ATP如果脱去两个磷酸基团后可作为________(物质)基本结构单位中的一种。(2)图中①为____________；图中②为________。(3)图示过程中未标出的另一种反应物是________，催化该过程的酶与催化ATP再生时的酶________(填“是”或“不是”)同一种酶。【基础知识】一、ATP的结构1.ATP是一种高能化合物ATP是腺苷三磷酸的英文名称缩写。ATP分子的结构可以简写成A—P〜P〜P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，〜代表一种特殊的化学键。由于末端的磷酸基团具有较高的转移势能，当ATP在酶的作用下水解时，脱离下来的末端磷酸基团挟能量与其他分子结合，从而使后者发生变化。如下图所示：2.ATP与核苷酸的关系①元素组成：ATP是由C、H、O、N、P五种元素组成的，与核酸的元素组成是相同的。②AMP是RNA的基本组成单位之一。3.ATP结构和功能的关系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。由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因，ATP的化学性质不稳定，末端磷酸基团具有较高的转移势能。1molATP水解释放的能量高达30.54KJ，所以ATP是一种高能磷酸化合物。ATP并不是细胞内唯一的高能磷酸化合物，高能磷酸化合物在生物体内有很多种，如存在于细胞内的UTP、GTP、CTP及动物体内的磷酸肌酸。二、ATP和ADP的相互转化ATP与ADP相互转化的意义对细胞的正常生活来说，这种相互转化，是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中。保证细胞的能量供应。能量来源或去路Pi的去路或来源绿色植物用于合成ATP的能量来自光能和来自呼吸作用释放的能量，动物、人、真菌和大多数细菌呼吸作用释放的能量。与许多放能反应相联系。转移给其他分子或成为游离的磷酸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。与许多放能反应相联系。细胞内的磷酸（Pi）1.ATP的合成合成ATP的能量来源于各种生物的呼吸作用，绿色植物的光合作用。真核细胞合成ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。2.ATP的利用ATP的利用发生在生物体的一切蓄能部位，ATP水解释放的能量用于各项生命活动1.ATP水解释放的能量可用于大脑思考、生物发电、主动运输、物质合成、肌肉收缩等。ATP水解释放的能量使蛋白质分子磷酸化，蛋白质空间结构发生变化，活性改变，从而参与各种化学反应。2.吸能反应一般与ATP的水解相联系，需要ATP水解酶的催化，同时也消耗水；放能反应一般与ATP的合成相联系。3.ATP合成和ATP利用不是可逆反应。ATP和ADP相互转化时，反应所需要的酶、能量的来源和去路、反应的场所不同，因此两者的相互转化不是可逆的。4、ATP与ADP相互转化的特点①ATP是一种不稳定的化合物，在细胞内的含量很少。②ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生，且处于动态平衡之中。例如：剧烈运动时候，需能较多，转化较快；安静状态下，需能较少，转化减慢。③ATP和ADP相互转化的能量供应机制，在所有的细胞内都是一样的，体现了生物界的统一性。【考点剖析】考点一、ATP的结构例1．ATP的结构和生理作用1.如图为ATP分子的结构式，ATP分子的结构简式可以表示为A-P～P～P。下列说法错误的是（）A.吸能反应与放能反应常与⑤的断裂与形成相关联B.ATP中的A对应结构式中的①和②，表示腺苷C.③④⑤中都含有一定化学能，肌肉做功恢复原状属于放能反应D.叶肉细胞中产生的ATP只能用于碳反应【答案】D【解析】ATP是吸能反应和放能反应联系的纽带，伴随着远端高能磷酸键的形成和断裂，可为细胞内放能反应与吸能反应进行储能和放能，A正确；ATP中的A由腺嘌呤和核糖组成，表示腺苷，B正确；ATP中的普通化学键和高能磷酸键都有一定的能量，高能磷酸键所含的能量多。肌肉做功恢复原状要放出能量，肌肉收缩要吸收能量，C正确；叶肉细胞中光合作用和细胞呼吸都能产生ATP，只有叶绿体中光反应产生的ATP才全部用于碳反应，D错误。ATP的化学结构（1）腺嘌呤含C、H、O、N，核糖含C、H、O，磷酸基团含H、O、P，故ATP元素组成为C、H、O、N、P五种元素。（2）ATP的中文名称叫三磷酸腺苷，一分子ATP由一个腺苷（一分子腺嘌呤，一分子核糖），三个磷酸基团组成。（3）ATP的分子结构简式为A—P～P～P，特殊化学键键只存在于磷酸基与磷酸基之间，腺苷与磷酸基之间为普通化学键。考点二：ATP和ADP的相互转换例2．如图是ATP和ADP相互转化的过程，下列叙述不正确的是（）A．图中D代表ADP，T代表ATP，E代表能量 B．反应式中，物质可逆，能量不可逆 C．ATP中的“A”与RNA中的碱基A含义相同 D．ATP中的能量较活跃，易于释放【答案】C【解析】根据以上分析已知，图中D代表ADP，T代表ATP，E代表能量，A正确；该反应式是ATP与ATP的相互转化，其中物质是可逆的，而能量是不可逆的，B正确；ATP中的“A”代表腺苷，而RNA中的碱基A代表腺嘌呤，C错误；ATP是直接能源物质，其中高能磷酸键中含有的能量较为活跃，很容易释放，D正确。【特别提醒】ATP和ADP的相互转化①ATP在生物体内含量少，但转化十分迅速，从而使细胞中的ATP与ADP的转化总是处于一种动态平衡中。②ATP与ADP的相互转化过程中，物质可重复利用，但能量不可循环利用，它们不是可逆反应。③ATP转化为ADP又称“ATP的水解反应”，这一过程需要酶的催化，同时也消耗水。④ATP不等同于能量：ATP是一种高能磷酸化合物，是一种与能量有关的物质，不能将二者等同起来。⑤生命活动需要消耗大量能量，但细胞中ATP含量很少。由于ADP、Pi等可重复利用，只要提供能量(光能或化学能)，生物体就可不断合成ATP，满足生物体的需要。⑥吸能反应一般与ATP的水解反应相联系，由ATP水解提供能量；放能反应一般与ATP的合成相联系，释放的能量储存在ATP中。考点三：不同物质结构中“A”的含义例3．在下列六种化合物的化学组成中，“○”中所对应的含义最接近的是A．①和②

B．①和③C．③和④

D．⑤和⑥【答案】D【解析】图中“○”的含义分别是：①表示腺嘌呤核糖核苷酸、②表示碱基腺嘌呤、③表示腺嘌呤脱氧核苷酸、④表示腺嘌呤核糖核苷酸、⑤表示腺苷、⑥表示腺苷。“○”中所对应的含义最接近的是①和④、⑤和⑥。归纳总结①四个图中的共同点是化学元素组成相同，均为C、H、O、N、P，且都含有一个腺嘌呤含氮碱基。②四个图中“A”的含义是不同的：ATP中的“A”为腺苷，DNA中的“A”为腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，RNA中的“A”为腺嘌呤核糖核苷酸，而核苷酸中的“A”仅为含氮碱基腺嘌呤。③在A—P～P～P中去掉后面两个磷酸基，余下的部分“A—P”即为组成RNA的四种基本单位之一：腺嘌呤核糖核苷酸。【过关检测】1．（2022·浙江·高考真题）下列关于腺苷三磷酸分子的叙述，正确的是（

）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2．（2021·海南·高考真题）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ATPB．32P标记的ATP水解产生的腺苷没有放射性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3．（2021·天津·高考真题）富营养化水体中，藻类是吸收磷元素的主要生物，下列说法正确的是（

）A．磷是组成藻类细胞的微量元素B．磷是构成藻类生物膜的必要元素C．藻类的ATP和淀粉都是含磷化合物D．生态系统的磷循环在水生生物群落内完成4．（2021·北京·高考真题）ATP是细胞的能量“通货”，关于ATP的叙述错误的是（）A．含有C、H、O、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5．（2021·湖南·高考真题）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“通货”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6.如图①②代表物质M、N间的相互转化过程，则()A．萤火虫体内的能量c可来源于光能B．吸能反应一般和物质M的合成相联系C．能量d用于过程①时大部分以热能形式散失D．M、N间的相互转化是生物界共有的能量供应机制7.下列有关酶和ATP的叙述，错误的是（）A．酶具有催化作用的原因是酶能为反应过程供能B．氨基酸脱水缩合的过程能使ADP含量增加C．高温、强酸强碱会破坏淀粉酶的空间结构导致失活D．ATP分子由腺嘌呤、核糖和磷酸组成8．磷酸肌酸是一种高能磷酸化合物，它能在肌酸激酶的催化下将自身的磷酸基团转移到ADP分子中来合成ATP（A—P～P～P）。研究者对蛙的肌肉组织进行短暂电刺激，检测对照组和实验组（肌肉组织用肌酸激酶阻断剂处理）肌肉收缩前后ATP和ADP的含量，结果如下表所示，根据实验结果，下列有关分析正确的是（）磷酸腺苷对照组/（10-6mol·g-1）实验组/（10-6mol·g-1）收缩前收缩后收缩前收缩后ATP1．301．301．300．75ADP0．600．600．600．95A．对照组中的肌肉组织细胞中无ATP和ADP的相互转化B．实验组中的肌肉组织细胞中有ATP分解但无ATP合成C．对照组中的磷酸肌酸可以维持ATP含量的相对稳定D．实验组数据表明部分生命活动利用了靠近A的磷酸键9.在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞的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，该现象不能说明()A．ATP中远离A的磷酸基团容易脱离B．部分32P标记的ATP是重新合成的C．ATP是细胞内的直接能源物质D．该过程中ATP既有合成又有分解10.下图表示生物体内发生的两个化学反应,请判断下列相关说法中正确的是()A.ATP分子水解时,图中所示的化学键③④最易断裂B.图中酶1和酶2的化学本质相同,但是二者的种类不同C.细胞中的吸能反应一般与ATP的合成反应相联系D.ATP与ADP间相互转化的能量供应机制只发生在真核细胞内二、非选择题11.下图是三磷酸腺苷的分子结构。请据图回答下列问题：（1）每1分子的ATP是由__________________组成的。ATP中的A表示____________。图中方框中的物质名称是____________。ATP的分子结构简式可以