第2节 细胞的能量“通货”——ATP
学习目标
核心素养
1．简述ATP的化学组成和特点。(重点)
2．写出ATP的分子简式。
3．解释ATP在能量代谢中的作用。(重点)
1．通过对ATP的结构和作用学习，形成结构与功能相适应及物质与能量的生命观念。
2．通过对ATP的合成和利用的学习，养成归纳与概括的科学思维方式。
一、ATP分子中具有高能磷酸键
1．中文名称：三磷酸腺苷。
2．结构简式：A－P～P～P
符号含义
3．特点
(1)ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物，含有2个高能磷酸键，储存大量能量。
(2)ATP的化学性质不稳定，在有关酶的催化作用下，远离A的高能磷酸键易水解，释放出大量能量。
二、ATP和ADP可以相互转化
1．过程
(1)释放能量：ATPADP＋Pi＋能量。
(2)储存能量：ADP＋Pi＋能量ATP。
2．能量的来源及去路
3．原因及特点
(1)原因：ATP分子中远离A的那个高能磷酸键很容易水解。
(2)特点：时刻不停地发生并且处于动态平衡之中。
三、ATP的利用
1．列举利用ATP的实例
2．ATP是细胞内流通的能量“通货”
(1)化学反应中的能量变化与ATP的关系。
放能反应：一般与ATP的合成相联系。
吸能反应：一般与ATP的水解相联系。
(2)能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间循环流通。
1．ATP是高能磷酸化合物，含有三个高能磷酸键。 ( )
2．1个ATP分子中含有1个腺嘌呤和3个磷酸基团。 ( )
3．ATP水解时，两个高能磷酸键都断裂，生成ADP和Pi。 ( )
4．ATP和ADP的相互转化与吸能反应和放能反应联系在一起的。 ( )
5．ATP与ADP的相互转化时刻不停地发生并且处在动态平衡之中，且是生物界的共性。 ( )
提示：1．× ATP中含有两个高能磷酸键。
2．× 1个ATP分子中含有1个腺苷和3个磷酸基团。
3．× ATP水解时，远离A的高能磷酸键断裂。
4．√ 5.√
ATP的结构和功能
[问题探究]
1．根据ATP结构式思考下列问题：
(1)图中①、②、③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？
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？
提示：腺嘌呤核糖核苷酸。
(4)若ATP完全水解，会得到哪些成分？
提示：腺嘌呤、核糖、磷酸。
2．ATP中的“A”与碱基中的“A”是同一种物质吗？
提示：不是。在ATP中，“A”代表腺苷(腺嘌呤＋核糖)；在碱基中，“A”代表腺嘌呤。
[归纳总结]
1．ATP的分子组成(如图)
(1)元素组成：ATP是由C、H、O、N、P五种元素组成的，这与核酸的元素组成是相同的。
(2)AMP是RNA的基本组成单位。
(3)ATP的结构组成可以用“1、2、3”来总结，1表示1个腺苷，2表示两个高能磷酸键，3表示3个磷酸基团。
2．ATP的结构与功能的相互关系
(1)ATP的结构特点保证了细胞内有一个相对稳定的能量供应库。ATP中远离腺苷的高能磷酸键容易水解和形成，可保证ATP数量的相对稳定和能量的持续供应。
(2)ATP在供能中处于核心地位，许多能源物质中的能量需转移到ATP中才能为生命活动供能。在生命活动中，ATP中的能量可转化为不同形式的能量。
3．生物体内的能源物质总结
(1)能源物质：糖类、脂肪、蛋白质、ATP。
(2)主要能源物质：糖类。
(3)储能物质：脂肪、淀粉(植物细胞)、糖原(动物细胞)。
(4)主要储能物质：脂肪。
(5)直接能源物质：ATP。
(6)最终能量来源：太阳能。
1．下列关于细胞的能量“通货”——ATP的叙述，正确的是( )
A．ATP中的“T”代表胸腺嘧啶核苷酸
B．ATP中远离“A”的高能磷酸键易水解
C．ATP的结构简式可表示为A—P—P—P
D．细胞中ATP的含量少，化学性质十分稳定
B [ATP中的“T”代表三个；ATP的结构简式为A—P～P～P。细胞中ATP的含量少，化学性质活跃。]
2．如图表示ATP的结构，下列相关说法正确的是( )
A．b键断裂后形成ADP和Pi
B．图中的3表示ATP中的字母A
C．由1、2、3各一分子形成的物质是组成DNA的基本单位
D．a键断裂释放的能量可以直接用于生命活动
D [选项A，a键断裂后形成ADP和Pi。选项B，ATP中的字母A表示腺苷，而题图中的3表示腺嘌呤。选项C，由1、2、3各一分子形成的是腺嘌呤核糖核苷酸，它是组成RNA的基本单位。选项D，ATP是生命活动所需能量的直接来源，a键断裂所释放的能量可以直接用于生命活动。]
ATP与ADP的相互转化及利用
[问题探究]
1．ATP在细胞内的含量是很少的，如成年人细胞内ADP和ATP的总量仅为2～10 mg，而一个正常成年人在静止状态下24 h将有40 kg的ATP发生转化。为满足能量需要，分析生物体是如何解决这一矛盾的？
提示：ATP与ADP在细胞内的相互转化是十分迅速的，且物质可以重复利用，因此，能满足生命活动对能量的需要。
2．ATP与ADP相互转化的过程是否是可逆反应？(从反应条件、能量来源和去向、反应进行的场所分析)
提示：不是。ATP合成的场所是细胞质基质、线粒体及叶绿体，能量来源是化学能或光能；ATP水解的场所是各种需能部位，能量来源于高能磷酸键。
3．ATP与ADP相互转化过程中有没有物质可循环利用？举例说明。
提示：有，例如磷酸、水等。
[归纳总结]
1．相互转化的原因
2．相互转化的过程
(1)图示
(2)分析
①光合作用和呼吸作用等放能反应与ATP的合成相联系，呼吸作用中释放的能量一部分储存在ATP中，另一部分以热能的形式散失。
②主动运输等吸能反应与ATP的水解相联系，所以ATP是直接能源物质。
3．ATP与ADP间的相互转化过程不可逆
反应式
ATPADP＋Pi＋能量
能量＋Pi＋ADPATP
类型
水解反应
合成反应
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——与吸能反应相联系
储能——与放能反应相联系
能量来源
高能磷酸键
有机物和光能
能量去向
用于各项生命活动
储存于ATP中
综上所述，ATP和ADP相互转化的过程应判断为“物质是可逆的，能量是不可逆的”或解释为“物质是可以循环利用的，能量是不能循环的”。
4．意义
ATP与ADP的相互转化，保证了机体能量的需要。细胞内ATP与ADP相互转化的能量供应机制，是生物界的共性。
1．下图为细胞中ATP与ADP相互转化示意图，有关叙述错误的是( )
A．在一个活细胞中，时刻进行着过程①和②
B．过程①和②也可以发生在同一个细胞器内
C．过程①中需要的能量不是过程②释放的
D．维持人体体温的热能主要来自过程②中的能量
D [ATP为直接能源物质，在一个活细胞中，时刻进行着ATP与ADP的转化过程；ATP的合成与水解也可以发生在同一个细胞器内，如叶绿体；过程①为ATP的合成过程，需要的能量来自呼吸作用或光合作用；维持人体体温的热能主要来自呼吸作用释放的能量。]
2．对“”的叙述中，正确的是( )
A．①过程和②过程所需的酶都是一样的
B．①过程的能量供各项生命活动利用，②过程的能量来自糖类等有机物的氧化分解
C．①过程和②过程时刻发生，处于动态平衡之中
D．ATP中的能量可来源于光能、热能，也可以转化为光能、热能
C [①过程为水解酶催化的水解反应，释放的能量可供各项生命活动利用，②过程为合成酶催化的合成反应，能量来源于呼吸作用中糖类等有机物的氧化分解，在绿色植物中还可来源于光合作用吸收并转化的光能，故A、B项错误。生物体内ATP的水解与合成时刻发生，处于动态平衡之中，C项正确。ATP中的活跃化学能可来源于光能，但不能来源于热能；ATP中的活跃化学能可以转变为光能、热能、机械能、电能等多种形式的能量，D项错误。]
[课堂小结]
知识网络构建
核心语句背诵
1．ATP的结构简式是A—P～P～P，其中“A”表示腺苷，“P”代表磷酸基团，“～”代表高能磷酸键。
2．ATP与ADP相互转化的反应式是ATP ADP＋Pi＋能量。
3．细胞内ATP与ADP的相互转化是生物界的共性。
4．合成ATP的途径包括光合作用和呼吸作用。
5．ATP是生命活动的直接能源物质。
1．一分子ATP中，含有腺苷、磷酸基团和高能磷酸键的数目依次是( )
A．1、2、2 B．2、3、2
C．1、3、2 D．1、3、3
[答案] C
2．海洋中的鱼有发光现象，其光能由( )
A．电能转变而来
B．ATP转化成ADP时释放的化学能转变而来
C．热能转变而来
D．有机物进行氧化分解释放的机械能转变而来
B [生物各项生命活动所需要的直接能源来自于ATP的水解释放。]
3．萤火虫尾部发光，是荧光素接受了ATP中的能量后，将化学能转化成光能所致，此化学能来自A①－P②～P③～P中的哪些磷酸键( )
A．①② B．②③
C．① D．③
D [ATP的化学性质不稳定，在有关酶的作用下，ATP中远离腺苷的那个高能磷酸键很容易水解，且水解时能释放出大量的能量供给生命活动利用。在萤火虫体内，给荧光素提供能量的是远离腺嘌呤核苷的那个高能磷酸键。]
4．ADP转化为ATP需要( )
A．Pi、酶、腺苷和能量 B．Pi、能量
C．能量、腺苷和酶 D．Pi、能量和酶
[答案] D
5．在活细胞中，下列循环过程永不停止地进行着，请运用所学的知识，分析完成M和N循环中的有关问题：
(1)作为生物体生命活动的直接能源物质是________，其分子结构简式为_________________________，在②过程中，由于________________键断裂而释放出能量。
(2)在绿色植物体内与①相应的生理活动是在细胞内的细胞质基质、________和________中进行的。
(3)A1和A2具有________作用，在图中它们的作用分别是________________。
(4)在呼吸作用中，应该进行________过程，能量来自_________。
(5)根吸收无机盐离子过程中，应该进行________过程，能量用于________________。
[解析] (1)由图中物质转化关系可知，M是ATP，N是ADP。ATP是生命活动的直接能源物质，ATP水解时远离A的那个高能磷酸键易断裂。ATP的水解和合成分别是由水解酶和合成酶催化。(2)反应①过程是细胞合成ATP的过程，在绿色植物细胞内合成ATP的主要部位是细胞质基质、线粒体和叶绿体。(3)反应①和②过程中的酶不同，①为合成酶，②为水解酶，在ATP与ADP的相互转化过程中起催化作用。(4)呼吸作用过程中应该进行的是①过程(即ATP的合成)，所需能量来自有机物的分解释放的能量。(5)根细胞吸收无机盐离子的方式是主动运输。主动运输需消耗代谢所产生的能量，故应进行②过程。
[答案] (1)M A—P～P～P 远离A的高能磷酸 (2)线粒体 叶绿体 (3)催化 催化ATP的合成和水解
(4)① 糖类等有机物分解释放的能量
(5)② 主动运输
课件47张PPT。第5章 细胞的能量供应和利用第2节 细胞的能量“通货”——ATP三磷酸腺苷A－P～P～P腺苷核糖磷酸基团高能磷酸键高能磷酸键远离AADPATP呼吸作用 光合作用 ADP远离A的那个高能磷酸键动态平衡主动运输 思考 吸能 ATP的合成ATP的水解ATP分子ATP的结构和功能 ATP与ADP的相互转化及利用 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十六) 细胞的能量“通货”——ATP
(建议用时：35分钟)
[合格基础练]
1．对人体细胞内关于ATP的描述，正确的是( )
A．ATP主要在线粒体生成
B．它含有3个高能磷酸键
C．是生物的主要能源物质
D．细胞内储存大量的ATP，以供生理活动需要
A [线粒体是有氧呼吸的主要场所。]
2．下列关于ATP的叙述，正确的是( )
A．三磷酸腺苷可简写为A～P～P—P
B．ATP被称为高能磷酸化合物的原因是所有化学键都储存大量能量
C．ATP中的大量能量都储存在腺苷和磷酸基团中
D．ATP中的大量能量储存在高能磷酸键中
D [三磷酸腺苷的结构简式为A—P～P～P；ATP分子中的高能磷酸键储存着大量的能量。]
3．当其他条件均可满足时，20个腺苷和60个磷酸最多可以组成的ATP个数和ATP分子中所含的高能磷酸键个数分别是( )
A．20个和30个 B．20个和40个
C．40个和40个 D．40个和60个
B [一个ATP分子中含有1个腺苷、3个磷酸、2个高能磷酸键。20个腺苷，对应60个磷酸，即只能形成20个ATP分子，共含有40个高能磷酸键。]
4．下列关于ATP分子的叙述错误的是( )
A．ATP中含有一个核糖和一个含氮碱基
B．ATP脱去所有高能磷酸键后就是ADP
C．ATP中的两个高能磷酸键储存有大量能量
D．ATP断裂了所有高能磷酸键后可作为合成核糖核酸的基本原料
B [ATP由一分子腺苷和3分子磷酸基团组成，一分子腺苷包括一分子核糖和一分子腺嘌呤。当ATP脱去所有高能磷酸键后就是AMP，AMP为腺嘌呤核糖核苷酸，可作为合成核糖核酸的基本原料。]
5．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现象。这种现象说明了( )
A．葡萄糖是生物体生命活动的能源物质
B．ATP是生物体生命活动的能源物质
C．葡萄糖是生物体生命活动的直接能源物质
D．ATP是生物体生命活动的直接能源物质
D [题干所述现象表明葡萄糖不能直接供给生命活动能量而ATP可以，说明ATP是生物体生命活动的直接能源物质。]
6．生物体内进行生命活动的直接能源物质、主要能源物质和最终能源依次是( )
A．太阳能、糖类、ATP B．ATP、糖类、脂肪
C．ATP、脂肪、太阳能 D．ATP、糖类、太阳能
D [生物体内生命活动的直接能源物质是ATP，主要能源物质是糖类，最终的能源物质是太阳能。]
7．下列关于ATP的叙述不正确的是( )
A．动物细胞中合成ATP所需的能量来自糖类等能源物质中的化学能
B．植物细胞中合成ATP所需的能量全部来自光反应固定的太阳能
C．温度的突然变化会影响ATP与ADP相互转化的速率
D．细胞呼吸过程产生的ATP是供应细胞生命活动的直接能源
B [植物细胞中合成ATP所需的能量来自于光合作用和呼吸作用。]
8.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
D [萤火虫体内的能量c主要来自呼吸作用，不能来源于光能，A错误；吸能反应消耗ATP，和物质N的合成相联系，B错误；能量d用于各种生命活动，和过程①没有关系，C错误；M、N间的相互转化是生物界共有的能量供应机制，D正确。]
9．下列有关ATP的叙述，不正确的是( )
A．绿色植物体内合成的ATP可来自光合作用、呼吸作用
B．ATP转化成ADP的过程中需要酶的参与
C．ATP的组成中与脂肪酶相同的元素只有C、H、O
D．正常细胞中ATP与ADP之间的转化处于动态平衡
C [绿色植物细胞既能进行光合作用，又能进行呼吸作用，合成的ATP来自光合作用和呼吸作用，A项正确；ATP转化成ADP的过程中需要ATP水解酶的参与，B项正确；ATP的组成元素是C、H、O、N、P，脂肪酶的化学本质是蛋白质，主要组成元素是C、H、O、N，所以二者的组成中相同的元素是C、H、O、N，C项错误；正常细胞中ATP与ADP之间的转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的，D项正确。]
10．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。
(2)ATP中的A表示____________。
(3)图中方框中的物质名称是____________。
(4)ATP的分子结构简式可以写成____________。
(5)把萤火虫的尾部组织取下，过一段时间荧光就消失了。如果滴一滴ATP溶液，荧光将恢复，这说明萤火虫发出荧光所需能量是____________转化的，可以用反应式____________________表示。
[解析] ATP中的A是由腺嘌呤和核糖构成的腺苷，即图中方框所示。ATP是生物体生命活动的直接能源物质，萤火虫发出的荧光以及肌肉收缩所需能量直接由ATP提供。
[答案] (1)1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸 (2)腺苷 (3)腺苷 (4)A—P～P～P (5)ATP中的化学能 ATPADP＋Pi＋能量
11．如图是有关ADP转化成ATP时所需能量的主要来源示意图，据图回答下列问题：
(1)1分子ATP中含有________个高能磷酸键。
(2)图中的a、b代表的生理过程分别是______、______。
(3)若动物和人产生的能量可以用于c，则c指________。
(4)在动物肌细胞中，进行②反应时，释放的能量来自
______________________________________________________。
(5)①②反应进行时所需要的酶________(填“相同”或“不同”)，原因是___________________________。
(6)进行①反应时能量用于________，进行②反应时能量用于________________，由此可见在ATP与ADP的相互转化中能量是________，物质是________。
[解析] (1)每个ATP分子中三个磷酸基团之间形成了2个高能磷酸键。(2)图中a表示动植物都能进行的产能过程即呼吸作用，绿色植物还能通过光合作用产能，所以b为光合作用。(3)c过程是指ATP水解产生的能量，它用于各项生命活动。(4)动物肌细胞中，②过程产生的能量来自于ATP中远离腺苷的高能磷酸键的断裂。(5)反应①②中酶是不同的，因为它是两个不同的反应且酶具专一性，而且其作用的场所不同。(6)①反应为ATP的合成反应，其能量储存在ATP中。②反应为ATP的水解反应，释放的能量用于生物体的各项生命活动。在ATP与ADP的相互转化中，物质是可逆的，但能量不可逆。
[答案] (1)2 (2)呼吸作用 光合作用 (3)生命活动 (4)远离腺苷的高能磷酸键中的化学能 (5)不同 ①和②是两个不同的反应，而酶具有专一性 (6)合成ATP 各项生命活动 不可逆的 可逆的
12．下图表示ATP水解产生ADP的过程，请回答下面的问题：
(1)ATP脱去2个磷酸基团后可作为__________(物质)的基本组成单位中的一种。
(2)图中①为__________，其中蕴藏着__________。
(3)图中②为________________________的过程，其作用是____________。
(4)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。
[解析] 根据ATP的结构简式可知，①是高能磷酸键，ATP去掉2个磷酸基团后就是腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA基本组成单位的一种。高能磷酸键的水解为生命活动提供能量。在ATP形成ADP过程中需要水参与，ADP形成ATP时有水产生。
[答案] (1)RNA (2)高能磷酸键 大量化学能
(3)高能磷酸键水解释放能量 为生命活动提供能量
(4)水 不是
[等级过关练]
13．在某细胞培养液中加入用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
C [短期内分离出细胞的ATP，部分末端磷酸基团已带上放射性标记，说明有新的ATP形成，但含量变化不大，说明ATP有分解，短期内既存在ATP的合成，也存在ATP的分解，其原因是ATP中远离A的磷酸基团容易脱落和结合。本实验不能证明ATP是细胞中的直接能源物质。]
14．下列有关ATP结构简图的叙述，正确的是( )
A．图中的A代表腺苷，b、c为高能磷酸键
B．a是组成DNA的基本单位之一
C．ATP是生物体内的储能物质
D．“ATP”中的“A”与RNA中的碱基“A”表示的不是同一种物质
D [图中A代表的是腺嘌呤；a是组成RNA的基本单位之一；ATP是生命活动的直接能源物质，不是储能物质；“ATP”中的“A”代表腺苷，RNA中的碱基“A”代表腺嘌呤。]
15．下列有关ATP的叙述，错误的是( )
A．ATP和ADP的相互转化保证了机体对能量的需求
B．图中两次ATP的水解，后者能量可用于各项生命活动
C．图中两次合成ATP，前者能量来源于光能
D．ATP由3个磷酸基团和1个腺嘌呤构成
D [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，保证了机体对能量的需求，A项正确；图中两次ATP的水解，前者能量储存在有机物中，后者能量可用于各项生命活动，B项正确；图中两次合成ATP，前者ATP的合成是通过光合作用，所需能量来源于光能，C项正确；ATP由3个磷酸基团和1个腺嘌呤核苷(由腺嘌呤和核糖结合而成)构成，D项错误。]
16．科学家在研究钠通过细胞膜的运输方式时，做了下述实验：先向枪乌贼神经纤维里注入微量的放射性同位素24Na，不久检测到神经纤维周围溶液中存在24Na。如果在神经纤维膜外溶液中先后加入某药物和ATP，测得神经纤维周围溶液中24Na的量变化如图所示，则：
(1)据图可知，加入某药物后，溶液中24Na的量________；而加入ATP后，溶液中24Na的量________________。
(2)由此可见，神经纤维排出24Na需要消耗________，通过细胞膜的方式是______________________。
(3)某药物的作用机理是__________________________。
(4)若将图中纵坐标改为“细胞中24Na的量”，请画出相应的曲线以表示细胞中24Na量的变化(注入神经纤维中24Na的总量为2)。
[解析] 分析曲线可知，纵坐标表示溶液中24Na的含量变化。由题干信息可知，向枪乌贼的神经纤维内注入24Na后，能在溶液中检测到24Na，说明神经纤维向外排放24Na，且加入某药物后，24Na停止排放，再加入ATP，24Na又恢复向外排放，一方面说明了24Na通过细胞膜需要消耗ATP，为主动运输，另一方面也可推断出某药物通过抑制ATP的合成从而阻断了24Na的外流。
[答案] (1)不变 增加 (2)ATP 主动运输 (3)抑制了ATP的合成(或阻碍了细胞呼吸)
(4)如下图
