1、第2节 细胞的能量“货币”ATP 概念认知自主学习一、ATP是一种高能磷酸化合物 1.中文名称:_。2.作用:ATP是驱动细胞生命活动的_能源物质。3.结构简式:_【点拨】(1)腺苷=腺嘌呤+核糖,腺苷+磷酸基团=腺嘌呤核糖核苷酸(腺苷酸)。(2)ATP水解时,最末端的磷酸基团最容易脱离,另外两个也可以脱离。腺苷三磷酸 直接 A-PPP 二、ATP和ADP可以相互转化 1.转化过程:(1)图中字母A、B代表的物质分别是_、_。(2)能量1的来源的生理过程:绿色植物:_。动物、人、真菌和大多数细菌:_。(3)写出ATP合成的反应式:_。磷酸 ADP 光合作用和呼吸作用 呼吸作用 ADP+Pi+能
2、量 ATP 2.转化特点:(1)ATP和ADP的相互转化_地发生,且处于_之中。(2)ATP和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,体现了 生物界的_。【点拨】ATP与ADP之间的转化不是可逆反应,物质可逆能量不可逆。时刻不停 动态平衡 统一性 三、ATP的利用 1.ATP的利用:大脑思考、主动运输、耗能反应等。2.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_相联系。吸能反应:一般与ATP的_相联系。(2)能量通过_分子在吸能反应和放能反应之间流通。合成 水解 ATP【警示】ATP水解释放的能量用于细胞和生物体的绝大
3、多数生命活动,但ATP不 是唯一的直接供能物质。【质疑批判】某同学学习了ATP的结构和功能的知识后,归纳总结了下列说法:ATP中含有C、H、O、N、P元素。一个ATP分子中含有三个磷酸基团和三个特殊的化学键。ATP是驱动生命活动的直接能源物质,因此生物体内的含量很大。人体细胞合成ATP的能量来源于细胞呼吸作用产生的能量。你的判断:正确的结论有_。【思维激活】一个成年人在剧烈运动时1分钟消耗ATP为0.5 kg,静止状态时一天消耗ATP约 40 kg。某同学认为人体内ATP含量一定会很高,你认为他的说法正确吗?提示:不正确,人体内ATP含量不高,ATP和ADP不停地发生相互转化,ATP水解时,很
4、快伴随着ATP的合成,二者处于动态平衡。【教材开发】P89概念检测 研究发现ATP是一种高能磷酸化合物,含有较高的转移势能,因此可以为生命活动直接提供能量。(1)一分子ATP彻底水解,会产生哪些成分?提示:磷酸、腺嘌呤、核糖。(2)联系所学知识推测绿色植物细胞中合成ATP的结构有哪些细胞器。提示:线粒体、叶绿体。能力形成合作探究学习任务一:ATP的结构与功能【情境探究】【探究活动】(科学思维归纳与概括)1.ATP的结构:(1)元素组成:C、H、O、N、P(2)结构组成:一个腺苷,两个特殊化学键,三个磷酸基团。探讨:从结构与功能观角度分析:ATP分子的结构是怎样保证ATP数量的相对稳定和能量的持
5、续供应?提示:ATP中末端磷酸基团容易水解和形成。2.ATP的利用:探讨:ATP水解释放的能量用于各项生命活动,那么能否用于合成ATP?提示:不可以,合成ATP的能量来源于光能和呼吸作用释放的能量。生理过程能量转化物质合成化学能化学能肌肉收缩化学能机械能主动运输化学能机械能生物发光化学能光能【易错陷阱】ATP与能量的关系的两个误区(1)误认为ATP是唯一的直接供能物质。ATP为生物体生命活动直接提供能量,但不是唯一的直接能源物质,如UTP参与糖原的合成和糖醛酸代谢,GTP参与糖异生和蛋白质合成,CTP参与磷脂的合成。(2)ATP能量,ATP是一种高能磷酸化合物,储存大量能量。【知识拓展】生物体
6、内的高能磷酸化合物 1.高能磷酸化合物:指水解时释放的能量在20.92 kJ/mol以上的磷酸化合物。2.种类:机体内有许多磷酸化合物,如ATP,1,3二磷酸甘油酸,氨甲酰磷酸,磷酸烯醇式丙酮酸,磷酸肌酸,磷酸精氨酸等。它们的特殊化学键断裂时,可释放出大量的自由能,这类化合物称为高能磷酸化合物。ATP是这类化合物的典型代表。3.磷酸肌酸:主要存在于动物和人体细胞中,特别是骨骼肌细胞中,当由于能量大量消耗而使细胞中ATP含量过分减少时,磷酸肌酸就释放出所储存的能量,供ADP合成为ATP,这是动物体内ATP形成的一个途径。当肌细胞中的ATP浓度过高时,肌细胞中的ATP可将其中的特殊化学键转移给肌酸
7、,生成磷酸肌酸。【素养案例】(2020山东合格考)如图为ATP的结构示意图,其中甲、乙和丙表示构成ATP的小分子物质,a、b表示某种化学键。下列叙述错误的是()A.甲表示磷酸基团 B.乙表示脱氧核糖 C.丙表示腺嘌呤 D.a、b表示特殊的化学键【思维流程】【解析】选B。图示为ATP的结构,甲为磷酸基团,乙为核糖,丙为腺嘌呤,a、b为特殊的化学键,易断裂释放能量。【题后反思】ATP的一、二、三个【典题加练】1.当其他条件均可满足时,20个腺苷和90个磷酸分子最多可以组成的ATP个数和ATP分子中所含的特殊的化学键个数分别是()A.20和30 B.20和40 C.40和40 D.30和60【解析】
8、选B。1个ATP分子中含有1个腺苷、3个磷酸基团、2个特殊的化学键,所以20个腺苷和90个磷酸分子最多能组成20个ATP,共含有202=40(个)特殊的化学键。2.ATP是腺嘌呤核苷的衍生物,如图是ATP的分子结构图,下列叙述错误的是()A.ATP分子的结构简式可表示为APPP B.生命活动所需要的能量主要来自 C.ATP分子中含有脱氧核糖 D.图中虚线部分代表的是腺苷【解析】选C。ATP分子的结构简式可表示为APPP,A正确;图中都是一种特殊的化学键,但通常是末端的化学键断裂释放能量供生命活动需要,B正确;ATP分子中含有的糖是核糖,C错误;图中虚线部分的名称是腺苷,D正确。学习任务二:AT
9、P与ADP的相互转化【情境探究】ATP是新陈代谢的能量基础,人体内约有50.7 g ATP,只能维持剧烈运动0.3秒,虽然ATP的含量很少,但ATP在细胞中易于再生,所以ATP可以提供源源不断的能源。思考:人体内的ADP转化成 ATP过程需要的能量来自_ _的 能量,对于绿色植物来说,也 可以来自_。呼 吸作用分解有机物时释放 光能【探究活动】(科学思维模型与建模)1.ATP与ADP转化图解:ATP合成场所是叶绿体、线粒体和细胞质基质。探讨:结合图示分析,ATP与ADP的转化是不是可逆反应?为什么?提示:不是,因为反应条件、场所、能量和酶等均不相同。2.ATP为主动运输供能:探讨:(1)运载C
10、a2+的载体蛋白具有什么功能?提示:运输、催化作用。(2)载体蛋白磷酸化的原因和结果是什么?提示:ATP释放的磷酸基团与载体蛋白结合,使载体蛋白空间结构发生改变,Ca2+释放到膜外。【素养案例】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_ _。【素养案例】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
11、如图所示。请据图回答:(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。_ _。【思维流程】【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
12、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 【题后反思】ATP的分解与合成 项目 ATP分解 ATP合成 反应式 ATPADP+Pi+能量 能量+Pi+ADPATP 类型 水解反应 合成反应 条件 水解酶 合成酶 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 储能 能量来源
13、 一种特殊的化学键 呼吸作用、光合作用、化能合成作用 能量去向 用于各项生命活动 储存于ATP中【典题加练】1.如图代表物质M、N间的相互转化过程,则下列叙述正确的是()A.萤火虫体内的能量c可来源于光能 B.吸能反应一般和M的合成相联系 C.能量d用于过程时大部分以热能的形式散失 D.M、N间的相互转化是生物界共有的能量供应机制【解析】选D。据图示可知,M、N分别为ATP和ADP,为ATP的合成过程,为ATP的水解过程。能量c为合成ATP的能量,萤火虫体内的能量c只能来源于呼吸作用释放的化学能,A错误;吸能反应一般和M的水解相联系,B错误;能量d用于各种生命活动,不用于过程,C错误;ATP和
14、ADP间的相互转化是生物界共有的能量供应机制,D正确。2.如图为 ATP 和 ADP 相互转化的示意图,对这一过程的叙述错误的是()ATPADP+Pi+能量 A.存在着能量的释放和储存 B.保证了生命活动顺利进行 C.持续不断地在生物活细胞中进行 D.合成 ATP 的能量都来自细胞呼吸【解析】选D。ATP水解释放能量,ATP的合成储存能量,A正确;ATP的相互转化保证了细胞生命活动对能量的需求,B正确;ATP与ADP相互转化是时刻不停地进行的,使ATP与ADP的含量处于动态平衡之中,C正确;合成ATP的能量可以来自呼吸作用,也可以来自光能或化学能,D错误。学情诊断课堂测评1.(水平1概念检测)
15、ATP是细胞生命活动的直接能源物质,从结构与功能的观点分析下列关于ATP的叙述,合理的是_。ATP是细菌、真菌、动植物等生物可流通的能量“货币”ATP的能量主要储存在腺苷和磷酸之间的化学键中 ATP的水解与合成实际上是ATP中特殊的化学键的断裂和形成 人体内合成ATP的场所只有线粒体 ATP在动植物体内含量很少,但是转化速度很快【解析】选。ATP是能量细胞的能量“货币”,正确;ATP的能量主要储存在磷酸之间的特殊的化学键中,错误;ATP的水解与合成实际上是ATP中特殊的化学键的断裂和形成,正确;人体内合成ATP的场所有线粒体和细胞质基质,错误;ATP在动植物体内含量很少,但是转化速度很快,维持
16、体内ATP的含量相对稳定,正确。2.(水平1)(教材“问题探讨”改编)晋书车胤传有“映雪囊萤”的典故,记载了东晋时期名臣车胤日夜苦读,将萤火虫聚集起来照明读书的故事。萤火虫尾部可发光,为发光直接供能的物质是()A.淀粉 B.脂肪 C.ATP D.蛋白质【解析】选C。淀粉是植物细胞的储能物质,脂肪是动植物细胞共有的储能物 质,蛋白质是生命活动的承担者,一般不作能源物质。细胞中的直接能源物质是ATP,ATP中的化学能可以转变成光能、电能等。故萤火虫尾部可发光,为发光直接供能的物质是ATP,故选C。3.(水平1)(教材“概念检测”改编)如图表示ATP的结构,其中表示特殊化学键的是()A.B.C.D.
17、【解析】选A。特殊化学键位于磷酸基团之间,图中位置表示特殊化学键。4.(水平2)研究发现有些无线粒体的寄生虫可从其宿主中“偷”ATP,下列叙述正确的是()A.宿主细胞中含有大量ATP B.ATP水解不需要酶的催化作用 C.寄生虫无线粒体不能合成ATP D.“偷”来的ATP可直接用于生命活动【解析】选D。宿主细胞中含有的ATP并不多,A错误;ATP水解需要酶的催化作 用,B错误;寄生虫无线粒体,可通过无氧呼吸合成ATP,C错误;ATP作为直接能源物质,可直接用于生命活动,D正确。5.(水平2)ATP的结构示意图如下,表示组成ATP的物质或基团,表示化学键。下列叙述正确的是()A.物质表示鸟嘌呤
18、B.化学键断裂的化学反应属于吸能反应 C.在ATPADP循环中可重复利用 D.若化学键断裂,则左边的化合物是ADP【解析】选C。据图可知,为腺嘌呤,A错误;为特殊的化学键,其水解断裂会释放能量,属于放能反应,B错误;在ATP与ADP的循环中,物质都是可逆的,只是能量不可逆,所以是可以重复利用的,C正确;若特殊的化学键断裂,ATP水解后只剩下腺嘌呤、核糖和1分子磷酸基团组成,该化合物称为腺嘌呤核糖核苷酸(AMP),D错误。6.(水平1、2)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)ATP的中文名称是_。图中的物质M、N分别是_、_。(2)物质甲和乙都是_。人、动植物细
19、胞和细菌细胞中,由ADP转化为ATP所需的能量都可来自_(生理过程)。(3)细胞内进行过程均需要酶的催化。这两个过程所需要的酶_(填“相同”或“不同”)。原因是_ _。【解析】(1)ATP的中文名称是腺苷三磷酸。图中的物质M、N分别是腺嘌呤、核糖。(2)物质甲和乙都是磷酸。人、动植物细胞和细菌细胞中,由ADP转化为ATP所需的能量都可来自呼吸作用。(3)细胞内进行过程均需要酶的催化。这两个过程所需要的酶不相同。原因是酶具有专一性,这两个过程属于不同类型的化学反应。答案:(1)腺苷三磷酸 腺嘌呤 核糖(2)磷酸 呼吸作用(3)不同 酶具有专一性,这两个过程属于不同类型的化学反应 【能力挑战题组】
20、1.在下列几种化合物的化学组成中,“”中所对应的含义最接近的是()A.和 B.和 C.和 D.和【解析】选D。根据题意知“”中所对应的含义分别为:腺嘌呤核糖核苷酸,腺嘌呤,DNA分子上的腺嘌呤脱氧核苷酸,RNA分子上的腺嘌呤核糖核苷酸,腺苷,腺苷。故和、和“”中对应的含义最接近。2.下列有关 ATP 和 ADP 转化的叙述,错误的是()ATPADP+Pi+能量 ADP+Pi+能量ATP A.反应过程分别与细胞的吸能和放能反应相联系 B.所有生物体内的过程所需要的能量都来自呼吸作用 C.和在活细胞中永无休止地循环进行,保证了生命活动的顺利进行 D.反应中的“能量”一般不能用于推动反应的进行【解析
21、】选B。反应释放的能量用于吸能反应,反应吸收的能量来自放能反应,A正确;绿色植物体内的过程所需要的能量可以来自光合作用,B错误;和在活细胞中永无休止地循环为生命活动提供能量,C正确;反应中的“能量”用于绝大多数生命活动,一般不能用于推动反应的进行,D正确。3.科学家从牛胰脏中分离出一种多肽分子(Ub)。研究发现:Ub在细胞自我监测和去除某些“不适用蛋白质”(即靶蛋白)的机制中扮演着重要角色。如果某个蛋白质被贴上Ub这个标签,就会被运送到细胞内的蛋白酶体处水解掉,过程如图所示。请回答问题:(1)完成、过程所利用的ATP主要由_(生理作用)提供,除需ATP提供能量外,图示过程的顺利进行还需要_。A
22、TP的形成所需能量来自_。(2)根据“节省能量的原则”,上述过程产生的氨基酸将最大限度地被细胞再用于_。3.科学家从牛胰脏中分离出一种多肽分子(Ub)。研究发现:Ub在细胞自我监测和去除某些“不适用蛋白质”(即靶蛋白)的机制中扮演着重要角色。如果某个蛋白质被贴上Ub这个标签,就会被运送到细胞内的蛋白酶体处水解掉,过程如图所示。请回答问题:(3)图中AMP表示一磷酸腺苷,其分子结构简式可表示为_。(4)与Ub作用相似的细胞器是_ _,牛胰脏产生的胰岛素通过_排出细胞,胰岛素排出过程所需能量直接来自_水解。3.科学家从牛胰脏中分离出一种多肽分子(Ub)。研究发现:Ub在细胞自我监测和去除某些“不适
23、用蛋白质”(即靶蛋白)的机制中扮演着重要角色。如果某个蛋白质被贴上Ub这个标签,就会被运送到细胞内的蛋白酶体处水解掉,过程如图所示。请回答问题:(5)细胞核内需要ATP,因为细胞核的生命活动需要能量,例如DNA复制需要能量,该反应属于_(填“吸能”或“放能”)反应。【解析】(1)动物细胞中ATP的来源是通过细胞呼吸产生的,所以完成、过程所利用的ATP主要由细胞呼吸提供,由图可知,该过程除需ATP提供能量外,还需要酶的催化。ATP的形成所需能量来自糖类等有机物的氧化分解释放。(2)氨基酸是合成蛋白质的原料。根据“节省能量的原则”,图示过程产生的氨基酸将最大限度地被细胞再用于蛋白质合成。(3)AM
24、P表示一磷酸腺苷,是由ATP脱去两分子磷酸形成的,AMP的分子结构简式为A-P。(4)Ub在细胞自我监测和去除某些“不适用蛋白质”的机制中扮演着重要角色,与Ub作用相似的细胞器是溶酶体,牛胰脏产生的胰岛素属于蛋白质,是大分子物质,需要通过胞吐排出细胞,胰岛素排出过程所需能量直接来自ATP水解。(5)ATP是生命活动的直接能源物质,细胞核内需要ATP,因为细胞核的生命活动需要能量,例如DNA复制均需要ATP水解提供能量,该反应属于吸能反应。答案:(1)细胞呼吸 酶 糖类等有机物的氧化分解(2)蛋白质合成(3)A-P(4)溶酶体 胞吐 ATP (5)吸能 素养发展创新应用素材 ATP与信号传递 研
25、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 请分析回答:(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在传递信号过程中,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
26、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210 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APPP。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1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
27、)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)APPP 线粒体(2)腺苷(3)典型神经递质(4)ATP与ADP相互迅速转化【拓展阅读】ATP与癌症 智能生物药物成为治疗癌症等难以攻克疾病的首选,其中ATP控制的药物递送系统通常用靶向ATP的适体作为“生物闸门”来实现药物的按需快速释放。近些年,一系列的材料已经证明在细胞内高含量ATP条件下可以释放治疗药物。探究:(1)文中“一系列的材料”可以是蛋白质纳米管,可用来包裹、保护药物,根据ATP、蛋白质的结构和功能推测ATP在药物释放中所起的作用。提示:ATP水解释放的能量可使蛋白质纳米管结构发生改变,从而释放药物。(2)ATP控制的药物递送系统是否实现了药物的定向运输?提示:没有,只是实现了药物的按需释放。
