第2節細胞的能量“貨幣”ATP概念認知·自主學習一、ATP是一種高能磷酸化合物:___________。2.作用:ATP是驅動細胞生命活動的_____能源物質。3.結構簡式:__________【點撥】(1)腺苷=腺嘌呤+核糖,腺苷+磷酸基團=腺嘌呤核糖核苷酸(腺苷酸)。(2)ATP水解時,最末端的磷酸基團最容易脫離,另外兩個也可以脫離。腺苷三磷酸直接A-P～P～P二、ATP和ADP可以相互轉化1.轉化過程:(1)圖中字母A、B代表的物質分別是_____、____。(2)能量1的來源的生理過程:①綠色植物:___________________。②動物、人、真菌和大多數細菌:_________。(3)寫出ATP合成的反應式:___________________。磷酸ADP光合作用和呼吸作用呼吸作用ADP+Pi+能量ATP2.轉化特點:(1)ATP和ADP的相互轉化_________地發生,且處于_________之中。(2)ATP和ADP相互轉化的能量供應機制在所有生物的細胞內都是一樣的,體現了生物界的_______。【點撥】ATP與ADP之間的轉化不是可逆反應,物質可逆能量不可逆。時刻不停動態平衡統一性三、ATP的利用1.ATP的利用:大腦思考、主動運輸、耗能反應等。2.ATP是細胞內流通的能量“貨幣”:(1)化學反應中的能量變化與ATP的關系。①放能反應:一般與ATP的_____相聯系。②吸能反應:一般與ATP的_____相聯系。(2)能量通過____分子在吸能反應和放能反應之間流通。合成水解ATP【警示】ATP水解釋放的能量用于細胞和生物體的絕大多數生命活動,但ATP不是唯一的直接供能物質。【質疑批判】某同學學習了ATP的結構和功能的知識后,歸納總結了下列說法:①ATP中含有C、H、O、N、P元素。②一個ATP分子中含有三個磷酸基團和三個特殊的化學鍵。③ATP是驅動生命活動的直接能源物質,因此生物體內的含量很大。④人體細胞合成ATP的能量來源于細胞呼吸作用產生的能量。你的判斷:正確的結論有_____。①④【思維激活】一個成年人在劇烈運動時1分鐘消耗ATP為0.5kg,靜止狀態時一天消耗ATP約40kg。某同學認為人體內ATP含量一定會很高,你認為他的說法正確嗎?提示:不正確,人體內ATP含量不高,ATP和ADP不停地發生相互轉化,ATP水解時,很快伴隨著ATP的合成,二者處于動態平衡。【教材開發】——P89[概念檢測]研究發現ATP是一種高能磷酸化合物,含有較高的轉移勢能,因此可以為生命活動直接提供能量。(1)一分子ATP徹底水解,會產生哪些成分?提示:磷酸、腺嘌呤、核糖。(2)聯系所學知識推測綠色植物細胞中合成ATP的結構有哪些細胞器。提示:線粒體、葉綠體。能力形成·合作探究學習任務一:ATP的結構與功能【情境探究】【探究活動】(科學思維——歸納與概括)1.ATP的結構:(1)元素組成:C、H、O、N、P(2)結構組成:一個腺苷,兩個特殊化學鍵,三個磷酸基團。探討:從結構與功能觀角度分析:ATP分子的結構是怎樣保證ATP數量的相對穩定和能量的持續供應?提示:ATP中末端磷酸基團容易水解和形成。2.ATP的利用:探討:ATP水解釋放的能量用于各項生命活動,那么能否用于合成ATP?提示:不可以,合成ATP的能量來源于光能和呼吸作用釋放的能量。生理過程能量轉化物質合成化學能→化學能肌肉收縮化學能→機械能主動運輸化學能→機械能生物發光化學能→光能【易錯陷阱】ATP與能量的關系的兩個誤區(1)誤認為ATP是唯一的直接供能物質。ATP為生物體生命活動直接提供能量,但不是唯一的直接能源物質,如UTP參與糖原的合成和糖醛酸代謝,GTP參與糖異生和蛋白質合成,CTP參與磷脂的合成。(2)ATP≠能量,ATP是一種高能磷酸化合物,儲存大量能量。【知識拓展】生物體內的高能磷酸化合物1.高能磷酸化合物:指水解時釋放的能量在20.92kJ/mol以上的磷酸化合物。2.種類:機體內有許多磷酸化合物,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。它們的特殊化學鍵斷裂時,可釋放出大量的自由能,這類化合物稱為高能磷酸化合物。ATP是這類化合物的典型代表。3.磷酸肌酸:主要存在于動物和人體細胞中,特別是骨骼肌細胞中,當由于能量大量消耗而使細胞中ATP含量過分減少時,磷酸肌酸就釋放出所儲存的能量,供ADP合成為ATP,這是動物體內ATP形成的一個途徑。當肌細胞中的ATP濃度過高時,肌細胞中的ATP可將其中的特殊化學鍵轉移給肌酸,生成磷酸肌酸。【素養案例】(2020·山東合格考)如圖為ATP的結構示意圖,其中甲、乙和丙表示構成ATP的小分子物質,a、b表示某種化學鍵。下列敘述錯誤的是 ()D.a、b表示特殊的化學鍵【思維流程】【解析】選B。圖示為ATP的結構,甲為磷酸基團,乙為核糖,丙為腺嘌呤,a、b為特殊的化學鍵,易斷裂釋放能量。【題后反思】ATP的一、二、三個【典題加練】1.當其他條件均可滿足時,20個腺苷和90個磷酸分子最多可以組成的ATP個數和ATP分子中所含的特殊的化學鍵個數分別是 ()A.20和30 C.40和40 【解析】選B。1個ATP分子中含有1個腺苷、3個磷酸基團、2個特殊的化學鍵,所以20個腺苷和90個磷酸分子最多能組成20個ATP,共含有20×2=40(個)特殊的化學鍵。2.ATP是腺嘌呤核苷的衍生物,如圖是ATP的分子結構圖,下列敘述錯誤的是()A.ATP分子的結構簡式可表示為A—P～P～PB.生命活動所需要的能量主要來自②【解析】選C。ATP分子的結構簡式可表示為A—P～P～P,A正確;圖中①②都是一種特殊的化學鍵,但通常是末端的化學鍵斷裂釋放能量供生命活動需要,B正確;ATP分子中含有的糖是核糖,C錯誤;圖中虛線部分的名稱是腺苷,D正確。學習任務二:ATP與ADP的相互轉化【情境探究】ATP是新陳代謝的能量基礎,人體內約有50.7gATP,只能維持劇烈運動0.3秒,雖然ATP的含量很少,但ATP在細胞中易于再生,所以ATP可以提供源源不斷的能源。思考:人體內的ADP轉化成ATP過程需要的能量來自__________________________的能量,對于綠色植物來說,也可以來自_____。呼吸作用分解有機物時釋放光能【探究活動】(科學思維——模型與建模)1.ATP與ADP轉化圖解:ATP合成場所是葉綠體、線粒體和細胞質基質。探討:結合圖示分析,ATP與ADP的轉化是不是可逆反應?為什么?提示:不是,因為反應條件、場所、能量和酶等均不相同。2.ATP為主動運輸供能:探討:(1)運載Ca2+的載體蛋白具有什么功能?提示:運輸、催化作用。(2)載體蛋白磷酸化的原因和結果是什么?提示:ATP釋放的磷酸基團與載體蛋白結合,使載體蛋白空間結構發生改變,Ca2+釋放到膜外。【素養案例】ATP合成酶是一種功能復雜的蛋白質,與生物膜結合后能催化ATP的合成,其作用機理如圖所示。請據圖回答:(1)ATP在細胞內的作用是_____________;分析此圖可知H+跨越該膜的運輸方式是____________________。

(2)在真核細胞中,該酶主要分布于__________________________________(填細胞器名稱)。推測好氧型細菌細胞的________(填細胞結構名稱)存在該酶,理由是______________________________。

【素養案例】ATP合成酶是一種功能復雜的蛋白質,與生物膜結合后能催化ATP的合成,其作用機理如圖所示。請據圖回答:(3)科學家發現,一種化學結構與ATP相似的物質——GTP(鳥苷三磷酸)也具有與ATP相似的生理功能,請從化學結構的角度解釋GTP也具有相似功能的原因。____________________________________________________________________________________________________________________________________________。

【思維流程】【解析】(1)ATP在細胞內的作用是生命活動的直接能源物質;H+跨越該膜是從高濃度到低濃度且需要載體蛋白,不需要能量,所以該運輸方式為協助擴散。(2)在真核細胞中,光合作用和呼吸作用會釋放大量能量,所以該酶主要分布于線粒體、葉綠體;推測好氧型細菌細胞的細胞膜也存在該酶,因為該酶與生物膜結合后能催化ATP的合成,而好氧型細菌的膜結構只有細胞膜。(3)科學家發現,一種化學結構與ATP相似的物質——GTP(鳥苷三磷酸)也具有與ATP相似的生理功能,這是因為含有兩個特殊的化學鍵,遠離鳥苷的特殊的化學鍵容易水解斷裂,釋放能量。答案:(1)生命活動的直接能源物質協助擴散(2)線粒體、葉綠體細胞膜該酶與生物膜結合后能催化ATP的合成,而好氧型細菌的膜結構只有細胞膜(3)含有兩個特殊的化學鍵,遠離鳥苷的特殊的化學鍵容易水解斷裂,釋放能量

【題后反思】ATP的分解與合成項目ATP分解ATP合成反應式ATP→ADP+Pi+能量能量+Pi+ADP→ATP類型水解反應合成反應條件水解酶合成酶場所活細胞內多種場所細胞質基質、線粒體、葉綠體能量轉化放能儲能能量來源一種特殊的化學鍵呼吸作用、光合作用、化能合成作用能量去向用于各項生命活動儲存于ATP中【典題加練】1.如圖①②代表物質M、N間的相互轉化過程,則下列敘述正確的是()C.能量d用于過程①時大部分以熱能的形式散失D.M、N間的相互轉化是生物界共有的能量供應機制【解析】選D。據圖示可知,M、N分別為ATP和ADP,①為ATP的合成過程,②為ATP的水解過程。能量c為合成ATP的能量,螢火蟲體內的能量c只能來源于呼吸作用釋放的化學能,A錯誤;吸能反應一般和M的水解相聯系,B錯誤;能量d用于各種生命活動,不用于過程①,C錯誤;ATP和ADP間的相互轉化是生物界共有的能量供應機制,D正確。【解析】選D。ATP水解釋放能量,ATP的合成儲存能量,A正確;ATP的相互轉化保證了細胞生命活動對能量的需求,B正確;ATP與ADP相互轉化是時刻不停地進行的,使ATP與ADP的含量處于動態平衡之中,C正確;合成ATP的能量可以來自呼吸作用,也可以來自光能或化學能,D錯誤。ATP的結構能量用于各項生命活動光能（光合作用）化學能（細胞呼吸）葉綠體細胞質基質和線粒體元素組成結構簡式特點C、H、O、N、P不穩定、能量高ATP-ADP轉化ATP的功能ATPADP合成水解合成場所直接為生命活動提供能量決定結構與功能觀A-P～P～P學情診斷·課堂測評1.(水平1·概念檢測)ATP是細胞生命活動的直接能源物質,從結構與功能的觀點分析下列關于ATP的敘述,合理的是______________。

①ATP是細菌、真菌、動植物等生物可流通的能量“貨幣”②ATP的能量主要儲存在腺苷和磷酸之間的化學鍵中③ATP的水解與合成實際上是ATP中特殊的化學鍵的斷裂和形成④人體內合成ATP的場所只有線粒體⑤ATP在動植物體內含量很少,但是轉化速度很快【解析】選①③⑤。ATP是能量細胞的能量“貨幣”,①正確;ATP的能量主要儲存在磷酸之間的特殊的化學鍵中,②錯誤;ATP的水解與合成實際上是ATP中特殊的化學鍵的斷裂和形成,③正確;人體內合成ATP的場所有線粒體和細胞質基質,④錯誤;ATP在動植物體內含量很少,但是轉化速度很快,維持體內ATP的含量相對穩定,⑤正確。2.(水平1)(教材“問題探討”改編)《晉書·車胤傳》有“映雪囊螢”的典故,記載了東晉時期名臣車胤日夜苦讀,將螢火蟲聚集起來照明讀書的故事。螢火蟲尾部可發光,為發光直接供能的物質是 ()【解析】選C。淀粉是植物細胞的儲能物質,脂肪是動植物細胞共有的儲能物質,蛋白質是生命活動的承擔者,一般不作能源物質。細胞中的直接能源物質是ATP,ATP中的化學能可以轉變成光能、電能等。故螢火蟲尾部可發光,為發光直接供能的物質是ATP,故選C。3.(水平1)(教材“概念檢測”改編)如圖表示ATP的結構,其中表示特殊化學鍵的是 ()A.①②B.①③C.②③D.③④【解析】選A。特殊化學鍵位于磷酸基團之間,圖中①②位置表示特殊化學鍵。4.(水平2)研究發現有些無線粒體的寄生蟲可從其宿主中“偷”ATP,下列敘述正確的是 ()D.“偷”來的ATP可直接用于生命活動【解析】選D。宿主細胞中含有的ATP并不多,A錯誤;ATP水解需要酶的催化作用,B錯誤;寄生蟲無線粒體,可通過無氧呼吸合成ATP,C錯誤;ATP作為直接能源物質,可直接用于生命活動,D正確。5.(水平2)ATP的結構示意圖如下,①③表示組成ATP的物質或基團,②④表示化學鍵。下列敘述正確的是 ()A.物質①表示鳥嘌呤B.化學鍵②斷裂的化學反應屬于吸能反應C.在ATP—ADP循環中③可重復利用D.若化學鍵④斷裂,則左邊的化合物是ADP【解析】選C。據圖可知,①為腺嘌呤,A錯誤;②為特殊的化學鍵,其水解斷裂會釋放能量,屬于放能反應,B錯誤;在ATP與ADP的循環中,物質都是可逆的,只是能量不可逆,所以③是可以重復利用的,C正確;若④特殊的化學鍵斷裂,ATP水解后只剩下腺嘌呤、核糖和1分子磷酸基團組成,該化合物稱為腺嘌呤核糖核苷酸(AMP),D錯誤。6.(水平1、2)如圖是細胞內ATP與ADP相互轉化的示意圖。請據圖回答下列問題:(1)ATP的中文名稱是________。圖中的物質M、N分別是________、________。

(2)物質甲和乙都是________。人、動植物細胞和細菌細胞中,由ADP轉化為ATP所需的能量都可來自____________(生理過程)。

(3)細胞內進行過程①②均需要酶的催化。這兩個過程所需要的酶________(填“相同”或“不同”)。原因是________________________________________。

【解析】(1)ATP的中文名稱是腺苷三磷酸。圖中的物質M、N分別是腺嘌呤、核糖。(2)物質甲和乙都是磷酸。人、動植物細胞和細菌細胞中,由ADP轉化為ATP所需的能量都可來自呼吸作用。(3)細胞內進行過程①②均需要酶的催化。這兩個過程所需要的酶不相同。原因是酶具有專一性,這兩個過程屬于不同類型的化學反應。答案:(1)腺苷三磷酸腺嘌呤核糖(2)磷酸呼吸作用(3)不同酶具有專一性,這兩個過程屬于不同類型的化學反應

【能力挑戰題組】1.在下列幾種化合物的化學組成中,“○”中所對應的含義最接近的是()A.①和②B.④和⑧C.③和④ D.⑤和⑥【解析】選D。根據題意知“○”中所對應的含義分別為:①腺嘌呤核糖核苷酸,②腺嘌呤,③DNA分子上的腺嘌呤脫氧核苷酸,④RNA分子上的腺嘌呤核糖核苷酸,⑤腺苷,⑥腺苷。故①和④、⑤和⑥“○”中對應的含義最接近。【解析】選B。①反應釋放的能量用于吸能反應,②反應吸收的能量來自放能反應,A正確;綠色植物體內的②過程所需要的能量可以來自光合作用,B錯誤;①和②在活細胞中永無休止地循環為生命活動提供能量,C正確;①反應中的“能量”用于絕大多數生命活動,一般不能用于推動②反應的進行,D正確。3.科學家從牛胰臟中分離出一種多肽分子(Ub)。研究發現:Ub在細胞自我監測和去除某些“不適用蛋白質”(即靶蛋白)的機制中扮演著重要角色。如果某個蛋白質被貼上Ub這個標簽,就會被運送到細胞內的蛋白酶體處水解掉,過程如圖所示。請回答問題:(1)完成①、②過程所利用的ATP主要由_______________(生理作用)提供,除需ATP提供能量外,圖示過程的順利進行還需要________________。ATP的形成所需能量來自____________。(2)根據“節省能量的原則”,上述過程產生的氨基酸將最大限度地被細胞再用于_______________________。3.科學家從牛胰臟中分離出一種多肽分子(Ub)。研究發現:Ub在細胞自我監測和去除某些“不適用蛋白質”(即靶蛋白)的機制中扮演著重要角色。如果某個蛋白質被貼上Ub這個標簽,就會被運送到細胞內的蛋白酶體處水解掉,過程如圖所示。請回答問題:(3)圖中AMP表示一磷酸腺苷,其分子結構簡式可表示為______________。(4)與Ub作用相似的細胞器是____________,牛胰臟產生的胰島素通過________排出細胞,胰島素排出過程所需能量直接來自________水解。3.科學家從牛胰臟中分離出一種多肽分子(Ub)。研究發現:Ub在細胞自我監測和去除某些“不適用蛋白質”(即靶蛋白)的機制中扮演著重要角色。如果某個蛋白質被貼上Ub這個標簽,就會被運送到細胞內的蛋白酶體處水解掉,過程如圖所示。請回答問題:(5)細胞核內需要ATP,因為細胞核的生命活動需要能量,例如DNA復制需要能量,該反應屬于____________(填“吸能”或“放能”)反應。【解析】(1)動物細胞中ATP的來源是通過細胞呼吸產生的,所以完成①、②過程所利用的ATP主要由細胞呼吸提供,由圖可知,該過程除需ATP提供能量外,還需要酶的催化。ATP的形成所需能量來自糖類等有機物的氧化分解釋放。(2)氨基酸是合成蛋白質的原料。根據“節省能量的原則”,圖示過程產生的氨基酸將最大限度地被細胞再用于蛋白質合成。(3)AMP表示一磷酸腺苷,是由ATP脫去兩分子磷酸形成的,AMP的分子結構簡式為A-P。(4)Ub在細胞自我監測和去除某些“不適用蛋白質”的機制中扮演著重要角色,與Ub作用相似的細胞器是溶酶體,牛胰臟產生的胰島素屬于蛋白質,是大分子物質,需要通過胞吐排出細胞,胰島素排出過程所需能量直接來自ATP水解。(5)ATP是生命活動的直接能源物質,細胞核內需要ATP,因為細胞核的生命活動需要能量,例如DNA復制均需要ATP水解提供能量,該反應屬于吸能反應。答案:(1)細胞呼吸酶糖類等有機物的氧化分解(2)蛋白質合成(3)A-P(4)溶酶體胞吐ATP(5)吸能

素養發展·創新應用素材ATP與信號傳遞研究證實ATP既是“能量通貨”,也可作為神經細胞間信息傳遞中的一種信號分子,ATP水解為ADP時產生的磷酸分子與細胞膜上的P2X受體結合,ADP水解為AMP時產生的磷酸分子與P2Y受體結合,AMP可以與P1受體結合,其作用機理如圖所示。探究請分析回答:(1)ATP的結構簡式是______________________,神經細胞中的ATP主要來自________(細胞器)。