第2课时 ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质
[学习目标] 1.简述ATP的化学组成和特点。2.阐述ATP与ADP之间的相互转化。3.阐明ATP在细胞生命活动中的作用。
一、ATP的结构
1.ATP的名称与简式
2.ATP的特点
(1)由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,使得磷酐键容易断裂。ATP分子末端的磷酐键断裂后,ATP转化为ADP(腺苷二磷酸)和游离的Pi(HP)。
(2)ATP是通过基团转移而不是简单的水解提供能量的,ATP转移的基团是一个磷酰基(—P)。
(3)ATP在细胞内的含量很低,但转化十分迅速。
二、ATP和ADP可以相互转化及ATP的功能
1.ATP与ADP的相互转化
(1)ATP的合成反应。
①反应式:ADP+Pi+能量1ATP。
②图中“能量1”为光合作用、细胞呼吸产生的能量。
(2)ATP的水解反应。
①反应式:ATPADP+Pi+能量2。
②图中“能量2”为通过磷酰基转移提供的能量。
2.ATP的功能
(1)ATP是细胞内绝大多数生命活动能够直接利用的能源物质,可以直接为生物体的大多数需能反应提供能量,如生长、发育、运动和生殖。
(2)ATP是驱动细胞中各种生命活动的通用能量货币。淀粉、糖原、脂肪和蛋白质等有机物氧化分解释放的能量虽然不能直接用于生命活动,但可以用于ADP转化为ATP的反应并储存在ATP中,再通过ATP转化为ADP的反应满足生物体生命活动对能量的需求。
判断正误
(1)ATP由腺苷、核糖和三分子磷酸组成。( )
【答案】 ×
【提示】 ATP由腺苷和三分子磷酸组成,腺苷是由腺嘌呤和核糖结合而成。
(2)ATP含有3个磷酐键,但是只有一个磷酐键会发生断裂。( )
【答案】 ×
【提示】 ATP含有2个磷酐键,一般只有远离A的磷酐键会发生断裂。
(3)人在饥饿时,细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡。( )
【答案】 ×
【提示】 人在饥饿时,细胞中ATP与ADP依然可以快速转换而达到动态平衡。
(4)在生物体的活细胞内ATP与ADP的转化只能单向进行。( )
【答案】 ×
【提示】 在生物体的活细胞内ATP与ADP的转化是双向的。
(5)ATP是生命活动的直接能源物质,但它在细胞中的含量很少。( )
【答案】 √
任务一 分析ATP的结构
下图为ATP的分子结构式,请回答下列问题。
(1)图中①②③的结构分别是什么
【提示】 腺嘌呤、核糖、磷酸基团。
(2)腺苷是由图中哪些结构组成的(写序号)
【提示】 ①②。
(3)ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质 它与核酸有何关系
【提示】 腺嘌呤核糖核苷酸。是RNA的基本组成单位之一。
(4)若ATP完全水解,会得到哪些成分
【提示】 腺嘌呤、核糖、磷酸。
(5)为什么ATP中远离A端的磷酐键容易断裂
【提示】 由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,使得远离A端的磷酐键容易断裂。
核心归纳
1.ATP与核苷酸的关系
(1)由结构图示可知,ATP的组成元素有C、H、O、N、P,这与核酸的元素组成是相同的。
(2)由结构图示可看出,ATP的结构特点可概括为“一、二、三”,即一个腺嘌呤核苷、两个磷酐键、三个磷酸基团。
(3)ATP水解后脱下两个Pi就形成AMP,AMP是RNA的基本组成单位之一。
2.不同化合物中“A”的辨析
化合物 结构简式 “A”含义 共同点
ATP 腺苷(由腺嘌呤和核糖组成) 所有 “A”都 含有腺 嘌呤
DNA 腺嘌呤脱氧核苷酸
RNA 腺嘌呤核糖核苷酸
核苷酸 腺嘌呤
典型例题
1.(2025·扬州月考)ATP是细胞的能量“通货”。下列关于ATP的叙述,错误的是( )
[A]ATP分子含有磷酸基团
[B]ATP的名称为腺苷三磷酸
[C]ATP中的T代表胸腺嘧啶
[D]ATP中远离A的磷酐键易断裂
【答案】 C
【解析】 ATP的结构简式是A-P ~ P ~ P,其中的T代表三。
2.(2025·苏州月考)下图所示为ATP的结构,相关叙述错误的是( )
[A]图中五碳糖为核糖,A为腺苷
[B]“β”和“γ”位之间的磷酐键断裂后形成ADP和Pi
[C]“α”和“β”位之间的磷酐键断裂后可形成RNA的基本单位
[D]ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质
【答案】 A
【解析】 题图中五碳糖为核糖,A为腺嘌呤;“α”和“β”位之间的磷酐键断裂后可形成腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)和两个Pi。
任务二 分析ATP与ADP之间的相互转化及ATP的利用
在活细胞中,下图中的循环过程永不停止地进行着。
(1)在人体细胞和绿色植物的叶肉细胞内,与①相对应的生理活动有哪些 ②中的能量去向是什么
【提示】 人体细胞的呼吸作用、绿色植物的叶肉细胞的光合作用和呼吸作用。②中的能量用于生物的各项生命活动。
(2)A1和A2分别起什么作用 二者相同吗
【提示】 A1和A2都起催化作用。A1催化ATP的合成,是ATP合酶;A2催化ATP的水解,是ATP水解酶,二者不相同。
(3)ATP与ADP相互转化的过程是否为可逆反应 为什么
【提示】 不是。反应类型、条件、酶等不同,物质可逆,能量不可逆。
核心归纳
ATP与ADP的相互转化比较
项目 ATP的合成 ATP的水解
反应式 ADP+Pi+能量ATP ATPADP+Pi+能量
所需酶 ATP合酶 ATP水解酶
能量 变化 吸收能量 释放能量
能量 来源 光合作用、细胞呼吸等生物化学反应中产生的能量 末端磷酐键断裂,通过基团(—P)转移提供能量
能量 去路 形成末端的磷酐键 用于生长、发育、运动和生殖等许多生命活动
反应 场所 细胞质基质、线粒体、叶绿体 生物体的需能部位
典型例题
3.(2025·南京期末)下图表示ATP与ADP相互转化的过程。下列叙述正确的是( )
[A]ATP只分布在细胞质中
[B]过程①中的能量可来自光能
[C]过程②往往与许多放能反应相联系
[D]人体剧烈运动时过程②的速度大于过程①的速度
【答案】 B
【解析】 细胞需要能量的部位均有ATP分布,细胞核中也有ATP;过程①为ATP的合成,所需要的能量可来自光合作用中色素分子所吸收的光能,也可来自呼吸作用中有机物氧化分解所释放的化学能;过程②是ATP水解,释放能量,往往与吸能反应相联系;细胞中ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生并且处于动态平衡之中,人体剧烈运动时过程②(ATP水解)与过程①(ATP合成)速度处于动态平衡。
4.(2025·南通期中)“蓝眼泪”是生存在海中的夜光藻等微生物受到海浪拍击时,发出的蓝色荧光,这一过程与ATP密切相关,以下相关说法错误的是( )
[A]夜光藻细胞内ATP合成快,含量多
[B]夜光藻可通过细胞呼吸释放的能量合成ATP
[C]夜光藻细胞内ATP/ADP的比值是相对稳定的
[D]夜光藻发出荧光的过程由ATP直接供能
【答案】 A
【解析】 正常生活的细胞中ATP与ADP的相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中,ATP在细胞内的含量很少。
随堂检测
1.(2024·盐城期末)在植物、动物、细菌和真菌的细胞内,都是以ATP作为细胞的能量“货币”。下列相关叙述错误的是( )
[A]ATP的元素组成是C、H、O、N、P
[B]ATP与ADP的相互转化是生物界的共性
[C]ATP和ADP的相互转化保证了机体对能量的需求
[D]为各项生命活动供能时同时水解掉所有的磷酸基团
【答案】 D
【解析】 ATP为各项生命活动供能时需水解掉远离腺苷的那个磷酸基团,生成ADP。
2.(2025·扬州月考)GTP具有与ATP类似的结构,二者的差异只是碱基不同。下列有关GTP的叙述,错误的是( )
[A]GTP分子中含有两个磷酐键
[B]GTP分子的结构简式可以写成G-P ~ P ~ P
[C]GTP中G是鸟嘌呤
[D]GTP含有的五碳糖是核糖
【答案】 C
【解析】 GTP分子中的G代表鸟苷,由碱基(鸟嘌呤)和五碳糖(核糖)组成。
3.(2025·连云港期中)cAMP(环化腺苷一磷酸)是由ATP脱去两个磷酸基团后环化而成的一种细胞内的信号分子,其结构组成如下图所示。下列分析错误的是( )
[A]cAMP中不含有磷酐键
[B]虚线框中的成分和ATP中的“A”是同一物质
[C]未环化的AMP可作为RNA的基本组成单位
[D]ATP在形成cAMP的过程中,初期会释放能量
【答案】 B
【解析】 ATP结构简式为A-P ~ P ~ P,其中 ~ 代表磷酐键,cAMP是由ATP脱去两个磷酸基团后环化而成的,因此cAMP中不含有磷酐键;虚线框中的成分是腺嘌呤,ATP中的“A”是腺苷;未环化的AMP是腺嘌呤核糖核苷酸,可作为RNA的基本组成单位;ATP在形成cAMP的过程中,初期会断裂磷酐键,释放能量。
4.(2024·常州期中)酶和ATP是细胞生命活动中重要的化合物,下列相关叙述正确的是( )
[A]ATP的化学组成中含有核糖,而酶不可能含有核糖
[B]两者既能在细胞内发挥作用,又能在细胞外发挥作用
[C]红细胞没有核糖体,不能合成酶和ATP
[D]酶制剂需要在最适温度、最适pH条件下保存
【答案】 B
【解析】 ATP中的“A”为腺苷,是由一分子腺嘌呤和一分子核糖组成的,大多数酶的化学本质为蛋白质,少数酶的化学本质为RNA,RNA中含有核糖;酶和ATP都可以在细胞内、外发挥作用;哺乳动物成熟红细胞中没有核糖体,不能合成酶,不是所有红细胞没有核糖体,且哺乳动物成熟红细胞可通过无氧呼吸合成ATP;低温可以抑制酶的活性,但不会破坏酶的空间结构,酶应在低温条件下保存。
5.短跑运动员在比赛中,其骨骼肌细胞中ATP的含量仅够剧烈运动时3 s以内的能量供给,该过程肌细胞中ATP的相对含量随时间的变化如右图所示。下列叙述正确的是( )
[A]一个ATP分子由一个核糖核苷酸与三个磷酸基团组成
[B]短跑运动员在短跑时所需要的能量主要是由ATP直接提供的
[C]a→b过程ATP的含量下降,可能是因为肌细胞中没有ATP的合成
[D]b→c过程ATP的含量增加,说明细胞内有大量的ADP可以利用
【答案】 B
【解析】 一个ATP分子由一个腺苷与三个磷酸基团组成,或者由一个腺嘌呤核糖核苷酸与两个磷酸基团组成;ATP是运动时的直接能源物质;图中 a→b的变化过程中ATP的含量下降,可能是由于肌肉收缩等生命活动需要消耗的能量多,ATP被大量水解,其合成速率小于水解速率;细胞内ATP和ADP的含量都很少。
6.(多选)(2024·盐城期末)在人体细胞内同时存在以下两个过程,下列关于①过程和②过程中能量的叙述,错误的有( )
ATPADP+Pi+能量
[A]①过程和②过程的能量均来自糖类等有机物的氧化分解
[B]①过程和②过程的能量均供人体各项生命活动直接利用
[C]①过程的能量供人体各项生命活动利用,②过程的能量主要来自糖类等有机物的氧化分解
[D]①过程的能量来自糖类等有机物的氧化分解,②过程的能量供人体各项生命活动直接利用
【答案】 ABD
【解析】 ①为ATP的水解过程,能量来自磷酐键的断裂;②为ATP的合成过程,消耗能量,不能供给人体各项生命活动直接利用;①过程为ATP的水解过程,能量供给人体各项生命活动利用,②过程为ATP的合成过程,能量来自糖类等有机物的氧化分解。
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,如大脑思考、电鳐发电和物质的主动运输都需要消耗ATP。下图是ATP为主动运输供能示意图。
(1)由甲→乙过程中,ATP转化为ADP,磷酸基团的去向及作用是什么
【提示】 ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质分子磷酸化,蛋白质分子被磷酸化后,空间结构发生变化,活性也被改变,从而参与主动运输。
(2)从Ca2+的转运过程看,Ca2+的载体蛋白有什么作用
【提示】 一是运输作用,结合Ca2+进行跨膜运输;二是催化作用,能催化ATP水解。
课时作业
(时间:30分钟 分值:47分)
第1~8题每题3分,第9~10题每题6分,共计36分。
基础对点练
知识点1 ATP的结构和特点
1.下列与RNA的组成元素完全相同的物质是( )
[A]ATP [B]脱氧核糖
[C]叶绿素 [D]脂肪
【答案】 A
【解析】 ATP的组成元素:C、H、O、N、P,与RNA组成元素完全相同;脱氧核糖和脂肪的组成元素是C、H、O,与RNA组成元素不完全相同;叶绿素组成元素:C、H、O、N、Mg,与RNA组成元素不完全相同。
2.在下列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③ [C]③和④ [D]⑤和⑥
【答案】 D
【解析】 “”代表的含义分别是①腺嘌呤核糖核苷酸;②腺嘌呤;③腺嘌呤脱氧核苷酸;④腺嘌呤核糖核苷酸;⑤和⑥均为腺苷。
3.(2024·南通期中)研究人员在进行动物细胞离体培养时,向培养液中滴加了32P标记的磷酸,短时间内就能检测到细胞内32P标记的ATP。ATP的结构式如下图所示,相关叙述错误的是( )
[A]①②可构成腺苷,即ATP结构简式中的A
[B]①②③可构成RNA的基本组成单位
[C]短时间内检测到的32P在⑤中,说明ATP含量变化大
[D]④⑤都带负电,相互排斥导致它们之间的化学键不稳定
【答案】 C
【解析】 ①腺嘌呤和②核糖可以构成腺苷,即ATP结构简式中的A;①腺嘌呤、②核糖和③磷酸基团可以构成腺嘌呤核糖核苷酸,这是RNA的基本组成单位之一;短时间内检测到的32P在⑤(离腺苷最远的磷酸基团)中,说明ADP与Pi结合生成ATP的速率很快,这并不能说明ATP含量变化大,因为ATP在生物体内的含量是相对稳定的;④和⑤为两个相邻的磷酸基团,由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,它们之间形成的化学键不稳定。
知识点2 ATP和ADP的相互转化
4.(2025·盐城月考)下图为ATP转化为ADP的示意图,图中X代表( )
[A]H2O [B]H+ [C]腺苷 [D]能量
【答案】 D
【解析】 ATP水解除了生成ADP和Pi外,还有能量的释放,故题图中的X代表能量。
5.(2025·广州期末)ATP是细胞内流通的能量货币,其合成和水解与多种生理过程有关。下列叙述错误的是( )
[A]ATP分子中含有三个磷酸基团
[B]合成ATP的能量都来自呼吸作用
[C]催化ATP水解和ATP合成过程的酶不是同一种
[D]正常活细胞中ATP和ADP的比值保持相对稳定
【答案】 B
【解析】 并非所有合成ATP的能量都来自呼吸作用,也可来自光合作用等生物化学反应。
6.(2025·镇江月考)高强度的运动需先经腺苷三磷酸—磷酸肌酸系统供能,该系统仅能持续供能约15 s。ATP和磷酸肌酸的能量转换关系如右图所示。下列说法正确的是( )
[A]剧烈运动时,细胞内ATP/ADP的值会明显下降
[B]磷酸肌酸和ATP都是细胞内的直接能源物质
[C]磷酸肌酸去磷酸化反应属于吸能反应
[D]运动员在400米短跑时消耗的能量主要来自磷酸肌酸和葡萄糖
【答案】 D
【解析】 剧烈运动时,在磷酸肌酸的作用下,细胞内ATP/ADP的值不会明显下降,处于相对稳定的状态;ATP是细胞内的直接能源物质,而磷酸肌酸不是,其中的能量要转移到ATP中才能被利用;磷酸肌酸去磷酸化反应要释放能量,属于放能反应;结合题干“高强度的运动需先经腺苷三磷酸—磷酸肌酸系统供能,该系统仅能持续供能约15 s”,可知运动员在400米短跑时消耗大量的ATP,这些ATP合成时所需的能量主要来自磷酸肌酸的转移和葡萄糖的氧化分解。
知识点3 ATP的功能
7.(2025·无锡期末)细菌活细胞中含有恒量的ATP,利用“荧光素酶—荧光素体系”可快速检测食品的细菌数量。部分原理如下图所示。
荧光素+ATP+O2氧化荧光素+AMP+PPi+H2O+荧光
下列说法错误的是( )
[A]ATP中的A加一个磷酸基团后可构成RNA的基本单位
[B]因为细菌中有恒量的ATP,所以可通过荧光强度来检测细菌数量
[C]ATP与ADP之间的相互转化机制体现了生物界的统一性
[D]ATP是直接的能源物质,在细胞内含量很多
【答案】 D
【解析】 ATP中的A表示腺苷,A加一个磷酸基团后可构成RNA的基本单位;因为细菌中有恒量的ATP,所以可通过荧光强度来检测细菌数量,检测时待检样品中的荧光强度与细菌数量呈正相关;ATP与ADP之间的相互转化机制体现了生物界的统一性;ATP是直接的能源物质,但在细胞内含量不多。
8.蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化与其活性的关系如下图所示。下列叙述正确的是( )
[A]蛋白质的磷酸化和去磷酸化不属于可逆反应
[B]蛋白质接受磷酸基团被激活,短时间内环境中会有ADP和磷酸分子的积累
[C]蛋白质去磷酸化后与双缩脲试剂不再发生颜色变化
[D]ATP中的A由腺嘌呤和脱氧核糖构成,含有可转移的磷酸基团
【答案】 A
【解析】 根据题图可知,蛋白质的磷酸化和去磷酸化中能量是不可逆的、酶的种类不同,因此属于不可逆反应;分析题图可知,蛋白质被磷酸化激活的过程中,蛋白质需要连接一个磷酸分子,所以短时间内周围环境中会有ADP的积累,不会有磷酸分子的积累;蛋白质去磷酸化后,肽键并没有断裂,能与双缩脲试剂发生颜色变化;ATP中的A由腺嘌呤和核糖构成,ATP中含有可转移的磷酸基团。
综合提升练
9.(多选)(2025·南通月考)ATP注射液主要用于心功能不全、脑出血等后遗症的辅助治疗。研究发现ATP可以作为信号分子与中枢及外周神经系统、内脏等多处细胞质膜上的受体结合。与自身合成的ATP相比,注射ATP浓度远低于细胞内,几乎不能进入细胞。下列叙述正确的有( )
[A]一个ATP分子中含有一分子核糖、一分子腺嘌呤和三分子磷酸基团
[B]注射ATP的主要目的是为心、脑细胞内的化学反应提供能量
[C]注射ATP作为辅助治疗药物主要利用了其作为信号分子的作用
[D]组成神经细胞中的DNA、RNA和ATP的化学元素都只有5种
【答案】 ACD
【解析】 一个ATP分子含有三个磷酸基团以及一个腺苷分子(包括一分子核糖和一分子腺嘌呤);由题可知ATP注射液几乎不能进入细胞,因此无法为心、脑细胞内化学反应提供能量;由题中信息“ATP可以作为信号分子与中枢及外周神经系统、内脏等多处细胞质膜上的受体结合”可知,注射ATP作为辅助治疗药物主要利用了其作为信号分子的作用;组成神经细胞中的DNA、RNA和ATP的化学元素都是C、H、O、N、P,只有5种。
10.(多选)腺苷酸激酶(AK)是生物体内普遍存在的一种单体酶,广泛存在于微生物、植物和动物体内,在维持细胞能量平衡中起重要作用。AK存在于线粒体内外膜间隙,可耐100 ℃高温而不失活,AK催化如下的反应:MgATP2-+AMP2-→MgADP-+ADP3-。下列叙述错误的有( )
[A]AK能专一性地将ATP分子末端的磷酸基团转移至AMP上形成ADP
[B]AK经胰蛋白酶处理会失活,它能直接为ADP的合成提供能量
[C]AK的热稳定性与其分子的特定空间结构有密不可分的关系
[D]AMP转化为ADP破坏了ATP与ADP相互转化的能量供应机制
【答案】 BD
【解析】 酶具有专一性,据反应式“MgATP2-+AMP2-→MgADP-+ADP3-”可知AK能专一性地将ATP分子末端的磷酸基团转移至AMP上形成ADP;AK是一种酶,其作用是催化,不能为反应提供能量;据题干信息可知,AK可以耐 100 ℃高温而不失活,其化学本质为蛋白质,蛋白质的特性与其空间结构密不可分;据题干信息可知,AK在维持细胞能量平衡中起重要作用,故AK催化AMP转化为ADP的过程没有破坏ATP与ADP相互转化的能量供应机制。
11.(11分)(2025·连云港期末)萤火虫尾部发光细胞中含有荧光素(C20H12O5,多环化有机分子)和荧光素酶,发光原理可用如下反应式来表示,ATP为荧光素的激发直接供能,根据发光强度可以计算出生物组织中ATP的含量。请回答下列相关问题。
荧光素+ATP+O2氧化荧光素+AMP(一磷酸腺苷)+PPi+H2O+荧光
(1)ATP的结构简式为 ,其中的A代表 ,由于相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,使得磷酐键容易断裂,ATP通过 (填基团名称)转移提供能量。细胞内ATP的含量很低,但由于ATP和 处于不断地高速转化过程中,可及时且持续地为生命活动提供能量。
(2)荧光素酶的化学本质是 ,其基本单位是 ,与AMP相比共有的元素有 。
(3)研究人员用不同条件处理荧光素酶后,测定酶浓度与发光强度的关系,结果如图2所示。分析可知,影响荧光素酶活性的因素主要有 (至少写出两点)。高温处理后发光强度极弱,可能的原因是 。
【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)AP ~ P ~ P 腺苷 磷酰基(磷酸基团) ADP
(2)蛋白质 氨基酸 C、H、O、N
(3)温度、(无机盐或金属或盐)离子、渗透压(2分) 高温破坏了酶的空间结构(或高温使酶失活)(2分)
【解析】 (1)ATP分子包含一个腺苷,3个磷酸基团,结构式可以简写成A-P ~ P ~ P,A代表腺苷。ATP通过磷酰基(磷酸基团)转移提供能量。细胞内ATP的含量很低,但由于ATP和ADP处于不断地高速转化过程中,可及时且持续地为生命活动提供能量。
(2)荧光素酶的化学本质是蛋白质,蛋白质的基本单位是氨基酸,蛋白质与AMP相比共有的元素有C、H、O、N。
(3)据题图可知,不同的温度、(无机盐或金属或盐)离子和渗透压酶的活性都不同,说明温度、(无机盐或金属或盐)离子、渗透压都能影响荧光素酶活性。高温破坏了酶的空间结构(或高温使酶失活),所以高温处理后发光强度极弱。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)第2课时 ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质
课时作业
(时间:30分钟 分值:47分)
第1~8题每题3分,第9~10题每题6分,共计36分。
基础对点练
知识点1 ATP的结构和特点
1.下列与RNA的组成元素完全相同的物质是( )
[A]ATP [B]脱氧核糖
[C]叶绿素 [D]脂肪
【答案】 A
【解析】 ATP的组成元素:C、H、O、N、P,与RNA组成元素完全相同;脱氧核糖和脂肪的组成元素是C、H、O,与RNA组成元素不完全相同;叶绿素组成元素:C、H、O、N、Mg,与RNA组成元素不完全相同。
2.在下列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③ [C]③和④ [D]⑤和⑥
【答案】 D
【解析】 “”代表的含义分别是①腺嘌呤核糖核苷酸;②腺嘌呤;③腺嘌呤脱氧核苷酸;④腺嘌呤核糖核苷酸;⑤和⑥均为腺苷。
3.(2024·南通期中)研究人员在进行动物细胞离体培养时,向培养液中滴加了32P标记的磷酸,短时间内就能检测到细胞内32P标记的ATP。ATP的结构式如下图所示,相关叙述错误的是( )
[A]①②可构成腺苷,即ATP结构简式中的A
[B]①②③可构成RNA的基本组成单位
[C]短时间内检测到的32P在⑤中,说明ATP含量变化大
[D]④⑤都带负电,相互排斥导致它们之间的化学键不稳定
【答案】 C
【解析】 ①腺嘌呤和②核糖可以构成腺苷,即ATP结构简式中的A;①腺嘌呤、②核糖和③磷酸基团可以构成腺嘌呤核糖核苷酸,这是RNA的基本组成单位之一;短时间内检测到的32P在⑤(离腺苷最远的磷酸基团)中,说明ADP与Pi结合生成ATP的速率很快,这并不能说明ATP含量变化大,因为ATP在生物体内的含量是相对稳定的;④和⑤为两个相邻的磷酸基团,由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,它们之间形成的化学键不稳定。
知识点2 ATP和ADP的相互转化
4.(2025·盐城月考)下图为ATP转化为ADP的示意图,图中X代表( )
[A]H2O [B]H+ [C]腺苷 [D]能量
【答案】 D
【解析】 ATP水解除了生成ADP和Pi外,还有能量的释放,故题图中的X代表能量。
5.(2025·广州期末)ATP是细胞内流通的能量货币,其合成和水解与多种生理过程有关。下列叙述错误的是( )
[A]ATP分子中含有三个磷酸基团
[B]合成ATP的能量都来自呼吸作用
[C]催化ATP水解和ATP合成过程的酶不是同一种
[D]正常活细胞中ATP和ADP的比值保持相对稳定
【答案】 B
【解析】 并非所有合成ATP的能量都来自呼吸作用,也可来自光合作用等生物化学反应。
6.(2025·镇江月考)高强度的运动需先经腺苷三磷酸—磷酸肌酸系统供能,该系统仅能持续供能约15 s。ATP和磷酸肌酸的能量转换关系如右图所示。下列说法正确的是( )
[A]剧烈运动时,细胞内ATP/ADP的值会明显下降
[B]磷酸肌酸和ATP都是细胞内的直接能源物质
[C]磷酸肌酸去磷酸化反应属于吸能反应
[D]运动员在400米短跑时消耗的能量主要来自磷酸肌酸和葡萄糖
【答案】 D
【解析】 剧烈运动时,在磷酸肌酸的作用下,细胞内ATP/ADP的值不会明显下降,处于相对稳定的状态;ATP是细胞内的直接能源物质,而磷酸肌酸不是,其中的能量要转移到ATP中才能被利用;磷酸肌酸去磷酸化反应要释放能量,属于放能反应;结合题干“高强度的运动需先经腺苷三磷酸—磷酸肌酸系统供能,该系统仅能持续供能约15 s”,可知运动员在400米短跑时消耗大量的ATP,这些ATP合成时所需的能量主要来自磷酸肌酸的转移和葡萄糖的氧化分解。
知识点3 ATP的功能
7.(2025·无锡期末)细菌活细胞中含有恒量的ATP,利用“荧光素酶—荧光素体系”可快速检测食品的细菌数量。部分原理如下图所示。
荧光素+ATP+O2氧化荧光素+AMP+PPi+H2O+荧光
下列说法错误的是( )
[A]ATP中的A加一个磷酸基团后可构成RNA的基本单位
[B]因为细菌中有恒量的ATP,所以可通过荧光强度来检测细菌数量
[C]ATP与ADP之间的相互转化机制体现了生物界的统一性
[D]ATP是直接的能源物质,在细胞内含量很多
【答案】 D
【解析】 ATP中的A表示腺苷,A加一个磷酸基团后可构成RNA的基本单位;因为细菌中有恒量的ATP,所以可通过荧光强度来检测细菌数量,检测时待检样品中的荧光强度与细菌数量呈正相关;ATP与ADP之间的相互转化机制体现了生物界的统一性;ATP是直接的能源物质,但在细胞内含量不多。
8.蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化与其活性的关系如下图所示。下列叙述正确的是( )
[A]蛋白质的磷酸化和去磷酸化不属于可逆反应
[B]蛋白质接受磷酸基团被激活,短时间内环境中会有ADP和磷酸分子的积累
[C]蛋白质去磷酸化后与双缩脲试剂不再发生颜色变化
[D]ATP中的A由腺嘌呤和脱氧核糖构成,含有可转移的磷酸基团
【答案】 A
【解析】 根据题图可知,蛋白质的磷酸化和去磷酸化中能量是不可逆的、酶的种类不同,因此属于不可逆反应;分析题图可知,蛋白质被磷酸化激活的过程中,蛋白质需要连接一个磷酸分子,所以短时间内周围环境中会有ADP的积累,不会有磷酸分子的积累;蛋白质去磷酸化后,肽键并没有断裂,能与双缩脲试剂发生颜色变化;ATP中的A由腺嘌呤和核糖构成,ATP中含有可转移的磷酸基团。
综合提升练
9.(多选)(2025·南通月考)ATP注射液主要用于心功能不全、脑出血等后遗症的辅助治疗。研究发现ATP可以作为信号分子与中枢及外周神经系统、内脏等多处细胞质膜上的受体结合。与自身合成的ATP相比,注射ATP浓度远低于细胞内,几乎不能进入细胞。下列叙述正确的有( )
[A]一个ATP分子中含有一分子核糖、一分子腺嘌呤和三分子磷酸基团
[B]注射ATP的主要目的是为心、脑细胞内的化学反应提供能量
[C]注射ATP作为辅助治疗药物主要利用了其作为信号分子的作用
[D]组成神经细胞中的DNA、RNA和ATP的化学元素都只有5种
【答案】 ACD
【解析】 一个ATP分子含有三个磷酸基团以及一个腺苷分子(包括一分子核糖和一分子腺嘌呤);由题可知ATP注射液几乎不能进入细胞,因此无法为心、脑细胞内化学反应提供能量;由题中信息“ATP可以作为信号分子与中枢及外周神经系统、内脏等多处细胞质膜上的受体结合”可知,注射ATP作为辅助治疗药物主要利用了其作为信号分子的作用;组成神经细胞中的DNA、RNA和ATP的化学元素都是C、H、O、N、P,只有5种。
10.(多选)腺苷酸激酶(AK)是生物体内普遍存在的一种单体酶,广泛存在于微生物、植物和动物体内,在维持细胞能量平衡中起重要作用。AK存在于线粒体内外膜间隙,可耐100 ℃高温而不失活,AK催化如下的反应:MgATP2-+AMP2-→MgADP-+ADP3-。下列叙述错误的有( )
[A]AK能专一性地将ATP分子末端的磷酸基团转移至AMP上形成ADP
[B]AK经胰蛋白酶处理会失活,它能直接为ADP的合成提供能量
[C]AK的热稳定性与其分子的特定空间结构有密不可分的关系
[D]AMP转化为ADP破坏了ATP与ADP相互转化的能量供应机制
【答案】 BD
【解析】 酶具有专一性,据反应式“MgATP2-+AMP2-→MgADP-+ADP3-”可知AK能专一性地将ATP分子末端的磷酸基团转移至AMP上形成ADP;AK是一种酶,其作用是催化,不能为反应提供能量;据题干信息可知,AK可以耐 100 ℃高温而不失活,其化学本质为蛋白质,蛋白质的特性与其空间结构密不可分;据题干信息可知,AK在维持细胞能量平衡中起重要作用,故AK催化AMP转化为ADP的过程没有破坏ATP与ADP相互转化的能量供应机制。
11.(11分)(2025·连云港期末)萤火虫尾部发光细胞中含有荧光素(C20H12O5,多环化有机分子)和荧光素酶,发光原理可用如下反应式来表示,ATP为荧光素的激发直接供能,根据发光强度可以计算出生物组织中ATP的含量。请回答下列相关问题。
荧光素+ATP+O2氧化荧光素+AMP(一磷酸腺苷)+PPi+H2O+荧光
(1)ATP的结构简式为 ,其中的A代表 ,由于相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,使得磷酐键容易断裂,ATP通过 (填基团名称)转移提供能量。细胞内ATP的含量很低,但由于ATP和 处于不断地高速转化过程中,可及时且持续地为生命活动提供能量。
(2)荧光素酶的化学本质是 ,其基本单位是 ,与AMP相比共有的元素有 。
(3)研究人员用不同条件处理荧光素酶后,测定酶浓度与发光强度的关系,结果如图2所示。分析可知,影响荧光素酶活性的因素主要有 (至少写出两点)。高温处理后发光强度极弱,可能的原因是 。
【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)AP ~ P ~ P 腺苷 磷酰基(磷酸基团) ADP
(2)蛋白质 氨基酸 C、H、O、N
(3)温度、(无机盐或金属或盐)离子、渗透压(2分) 高温破坏了酶的空间结构(或高温使酶失活)(2分)
【解析】 (1)ATP分子包含一个腺苷,3个磷酸基团,结构式可以简写成A-P ~ P ~ P,A代表腺苷。ATP通过磷酰基(磷酸基团)转移提供能量。细胞内ATP的含量很低,但由于ATP和ADP处于不断地高速转化过程中,可及时且持续地为生命活动提供能量。
(2)荧光素酶的化学本质是蛋白质,蛋白质的基本单位是氨基酸,蛋白质与AMP相比共有的元素有C、H、O、N。
(3)据题图可知,不同的温度、(无机盐或金属或盐)离子和渗透压酶的活性都不同,说明温度、(无机盐或金属或盐)离子、渗透压都能影响荧光素酶活性。高温破坏了酶的空间结构(或高温使酶失活),所以高温处理后发光强度极弱。
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第2课时 ATP是驱动细胞
生命活动的直接能源物质
1.简述ATP的化学组成和特点。2.阐述ATP与ADP之间的相互转化。
3.阐明ATP在细胞生命活动中的作用。
一、ATP的结构
1.ATP的名称与简式
腺苷三磷酸
A-P~P~P
腺嘌呤核苷
磷酸基团
磷酐键
2.ATP的特点
末端
ADP
Pi
基团转移
磷酰基
(3)ATP在细胞内的含量 ,但转化十分迅速。
很低
二、ATP和ADP可以相互转化及ATP的功能
1.ATP与ADP的相互转化
ADP+Pi
(1)ATP的合成反应。
ATP
②图中“能量1”为 产生的能量。
光合作用、细胞呼吸
(2)ATP的水解反应。
ATP
ADP+Pi
②图中“能量2”为通过 转移提供的能量。
磷酰基
2.ATP的功能
(1)ATP是细胞内绝大多数生命活动能够 的能源物质,可以直接为生物体的大多数 反应提供能量,如生长、发育、运动和生殖。
(2)ATP是驱动细胞中各种生命活动的通用 。淀粉、糖原、脂肪和蛋白质等有机物氧化分解释放的能量虽然不能直接用于生命活动,但可以用于 转化为ATP的反应并储存在ATP中,再通过ATP转化为ADP的反应满足生物体生命活动对能量的需求。
直接利用
需能
能量货币
ADP
判断正误
(1)ATP由腺苷、核糖和三分子磷酸组成。( )
【提示】 ATP由腺苷和三分子磷酸组成,腺苷是由腺嘌呤和核糖结合而成。
×
(2)ATP含有3个磷酐键,但是只有一个磷酐键会发生断裂。( )
×
【提示】 ATP含有2个磷酐键,一般只有远离A的磷酐键会发生断裂。
(3)人在饥饿时,细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡。( )
×
【提示】 人在饥饿时,细胞中ATP与ADP依然可以快速转换而达到动态
平衡。
(4)在生物体的活细胞内ATP与ADP的转化只能单向进行。( )
【提示】 在生物体的活细胞内ATP与ADP的转化是双向的。
×
(5)ATP是生命活动的直接能源物质,但它在细胞中的含量很少。( )
√
任务一 分析ATP的结构
下图为ATP的分子结构式,请回答下列问题。
(1)图中①②③的结构分别是什么
【提示】 腺嘌呤、核糖、磷酸基团。
(2)腺苷是由图中哪些结构组成的(写序号)
【提示】 ①②。
(3)ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质 它与核酸有何关系
【提示】 腺嘌呤核糖核苷酸。是RNA的基本组成单位之一。
(4)若ATP完全水解,会得到哪些成分
【提示】 腺嘌呤、核糖、磷酸。
(5)为什么ATP中远离A端的磷酐键容易断裂
【提示】 由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,使得远离A端的磷酐键容易断裂。
「核心归纳」
1.ATP与核苷酸的关系
(1)由结构图示可知,ATP的组成元素有C、H、O、N、P,这与核酸的元素组成是相同的。
(2)由结构图示可看出,ATP的结构特点可概括为“一、二、三”,即一个腺嘌呤核苷、两个磷酐键、三个磷酸基团。
(3)ATP水解后脱下两个Pi就形成AMP,AMP是RNA的基本组成单位之一。
2.不同化合物中“A”的辨析
化合物 结构简式 “A”含义 共同点
ATP 腺苷(由腺嘌呤和核糖组成) 所有
“A”都
含有腺
嘌呤
DNA 腺嘌呤脱氧核苷酸
RNA 腺嘌呤核糖核苷酸
核苷酸 腺嘌呤
「典型例题」
1.(2025·扬州月考)ATP是细胞的能量“通货”。下列关于ATP的叙述,错误的是( )
[A]ATP分子含有磷酸基团
[B]ATP的名称为腺苷三磷酸
[C]ATP中的T代表胸腺嘧啶
[D]ATP中远离A的磷酐键易断裂
C
【解析】 ATP的结构简式是A-P ~ P ~ P,其中的T代表三。
2.(2025·苏州月考)下图所示为ATP的结构,相关叙述错误的是( )
[A]图中五碳糖为核糖,A为腺苷
[B]“β”和“γ”位之间的磷酐键断裂后形成ADP和Pi
[C]“α”和“β”位之间的磷酐键断裂后可形成RNA的基本单位
[D]ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质
A
【解析】 题图中五碳糖为核糖,A为腺嘌呤;“α”和“β”位之间的磷酐键断裂后可形成腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)和两个Pi。
任务二 分析ATP与ADP之间的相互转化及ATP的利用
在活细胞中,下图中的循环过程永不停止地进行着。
(1)在人体细胞和绿色植物的叶肉细胞内,与①相对应的生理活动有哪些 ②中的能量去向是什么
【提示】 人体细胞的呼吸作用、绿色植物的叶肉细胞的光合作用和呼吸作用。②中的能量用于生物的各项生命活动。
(2)A1和A2分别起什么作用 二者相同吗
【提示】 A1和A2都起催化作用。A1催化ATP的合成,是ATP合酶;A2催化ATP的水解,是ATP水解酶,二者不相同。
(3)ATP与ADP相互转化的过程是否为可逆反应 为什么
【提示】 不是。反应类型、条件、酶等不同,物质可逆,能量不可逆。
「核心归纳」
ATP与ADP的相互转化比较
「典型例题」
3.(2025·南京期末)下图表示ATP与ADP相互转化的过程。下列叙述正确的是( )
[A]ATP只分布在细胞质中
[B]过程①中的能量可来自光能
[C]过程②往往与许多放能反应相联系
[D]人体剧烈运动时过程②的速度大于过程①的速度
B
【解析】 细胞需要能量的部位均有ATP分布,细胞核中也有ATP;过程①为ATP的合成,所需要的能量可来自光合作用中色素分子所吸收的光能,也可来自呼吸作用中有机物氧化分解所释放的化学能;过程②是ATP水
解,释放能量,往往与吸能反应相联系;细胞中ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生并且处于动态平衡之中,人体剧烈运动时过程②(ATP水解)与过程①(ATP合成)速度处于动态平衡。
4.(2025·南通期中)“蓝眼泪”是生存在海中的夜光藻等微生物受到海浪拍击时,发出的蓝色荧光,这一过程与ATP密切相关,以下相关说法错误的是
( )
[A]夜光藻细胞内ATP合成快,含量多
[B]夜光藻可通过细胞呼吸释放的能量合成ATP
[C]夜光藻细胞内ATP/ADP的比值是相对稳定的
[D]夜光藻发出荧光的过程由ATP直接供能
A
【解析】 正常生活的细胞中ATP与ADP的相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中,ATP在细胞内的含量很少。
思维导图
随堂检测
1.(2024·盐城期末)在植物、动物、细菌和真菌的细胞内,都是以ATP作为细胞的能量“货币”。下列相关叙述错误的是( )
[A]ATP的元素组成是C、H、O、N、P
[B]ATP与ADP的相互转化是生物界的共性
[C]ATP和ADP的相互转化保证了机体对能量的需求
[D]为各项生命活动供能时同时水解掉所有的磷酸基团
D
【解析】 ATP为各项生命活动供能时需水解掉远离腺苷的那个磷酸基团,生成ADP。
2.(2025·扬州月考)GTP具有与ATP类似的结构,二者的差异只是碱基不同。下列有关GTP的叙述,错误的是( )
[A]GTP分子中含有两个磷酐键
[B]GTP分子的结构简式可以写成G-P ~ P ~ P
[C]GTP中G是鸟嘌呤
[D]GTP含有的五碳糖是核糖
C
【解析】 GTP分子中的G代表鸟苷,由碱基(鸟嘌呤)和五碳糖(核糖)组成。
3.(2025·连云港期中)cAMP(环化腺苷一磷酸)是由ATP脱去两个磷酸基团后环化而成的一种细胞内的信号分子,其结构组成如下图所示。下列分析错误的是( )
[A]cAMP中不含有磷酐键
[B]虚线框中的成分和ATP中的“A”是同一物质
[C]未环化的AMP可作为RNA的基本组成单位
[D]ATP在形成cAMP的过程中,初期会释放能量
B
【解析】 ATP结构简式为A-P ~ P ~ P,其中 ~ 代表磷酐键,cAMP是由ATP脱去两个磷酸基团后环化而成的,因此cAMP中不含有磷酐键;虚线框中的成分是腺嘌呤,ATP中的“A”是腺苷;未环化的AMP是腺嘌呤核糖核苷酸,可作为RNA的基本组成单位;ATP在形成cAMP的过程中,初期会断裂磷酐键,释放能量。
4.(2024·常州期中)酶和ATP是细胞生命活动中重要的化合物,下列相关叙述正确的是( )
[A]ATP的化学组成中含有核糖,而酶不可能含有核糖
[B]两者既能在细胞内发挥作用,又能在细胞外发挥作用
[C]红细胞没有核糖体,不能合成酶和ATP
[D]酶制剂需要在最适温度、最适pH条件下保存
B
【解析】 ATP中的“A”为腺苷,是由一分子腺嘌呤和一分子核糖组成的,大多数酶的化学本质为蛋白质,少数酶的化学本质为RNA,RNA中含有核糖;酶和ATP都可以在细胞内、外发挥作用;哺乳动物成熟红细胞中没有核糖体,不能合成酶,不是所有红细胞没有核糖体,且哺乳动物成熟红细胞可通过无氧呼吸合成ATP;低温可以抑制酶的活性,但不会破坏酶的空间结构,酶应在低温条件下保存。
5.短跑运动员在比赛中,其骨骼肌细胞中ATP的含量仅够剧烈运动时3 s以内的能量供给,该过程肌细胞中ATP的相对含量随时间的变化如右图所示。下列叙述正确的是( )
[A]一个ATP分子由一个核糖核苷酸与三个磷酸基团组成
[B]短跑运动员在短跑时所需要的能量主要是由ATP直接提供的
[C]a→b过程ATP的含量下降,可能是因为肌细胞中没有ATP的合成
[D]b→c过程ATP的含量增加,说明细胞内有大量的ADP可以利用
B
【解析】 一个ATP分子由一个腺苷与三个磷酸基团组成,或者由一个腺嘌呤核糖核苷酸与两个磷酸基团组成;ATP是运动时的直接能源物质;图中 a→b的变化过程中ATP的含量下降,可能是由于肌肉收缩等生命活动需要消耗的能量多,ATP被大量水解,其合成速率小于水解速率;细胞内ATP和ADP的含量都很少。
6.(多选)(2024·盐城期末)在人体细胞内同时存在以下两个过程,下列关于①过程和②过程中能量的叙述,错误的有( )
[A]①过程和②过程的能量均来自糖类等有机物的氧化分解
[B]①过程和②过程的能量均供人体各项生命活动直接利用
[C]①过程的能量供人体各项生命活动利用,②过程的能量主要来自糖类等有机物的氧化分解
[D]①过程的能量来自糖类等有机物的氧化分解,②过程的能量供人体各项生命活动直接利用
ABD
【解析】 ①为ATP的水解过程,能量来自磷酐键的断裂;②为ATP的合成过程,消耗能量,不能供给人体各项生命活动直接利用;①过程为ATP的水解过程,能量供给人体各项生命活动利用,②过程为ATP的合成过程,能量来自糖类等有机物的氧化分解。
联系实际 迁移应用
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,如大脑思考、电鳐发电和物质的主动运输都需要消耗ATP。下图是ATP为主动运输供能示意图。
(1)由甲→乙过程中,ATP转化为ADP,磷酸基团的去向及作用是什么
【提示】 ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质分子磷酸化,蛋白质分子被磷酸化后,空间结构发生变化,活性也被改变,从而参与主动运输。
(2)从Ca2+的转运过程看,Ca2+的载体蛋白有什么作用
【提示】 一是运输作用,结合Ca2+进行跨膜运输;二是催化作用,能催化ATP水解。
