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第5章 细胞的能量供应和利用
第5章 细胞的能量供应和利用
细胞的能量“通货”——ATP
[拓宽教材]
1．(必修1 P88“相关信息”改编)下图所示6种化合物的化学组成中，“○”中所对应的含义相同的是( )
A．①和② B．①和③
C．③和④ D．⑤和⑥
解析：选D。据图分析可知，“○”中所对应的含义分别为：①二磷酸腺苷(ADP)；②腺嘌呤；③DNA分子上的腺嘌呤脱氧核苷酸；④RNA分子上的腺嘌呤核糖核苷酸；⑤腺苷；⑥腺苷。故含义相同的为⑤和⑥。
2．(必修1 P90“思考与讨论”改编)如果把糖类和脂肪比作大额支票，ATP则相当于现金。分析回答下列问题：
(1)这种比喻________(填“有”或“无”)道理。
(2)原因是_________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：(1)有 (2)糖类和脂肪分子中能量很多而且很稳定，不能被细胞直接利用；这些稳定的化学能只有转化成ATP分子中活跃的化学能，才能被细胞直接利用
[精练好题]
3．当条件满足时，20个腺苷和60个磷酸最多可以组成的ATP和ATP分子中所含的高能磷酸键的个数分别是( )
A．20个，30个 B．20个，40个
C．40个，40个 D．40个，60个
解析：选B。1个ATP分子中含有1个腺苷、3个磷酸基团、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．(2019·河北黄骅中学高一月考)如图，ATP分子中哪个(些)键的水解会释放大量的能量( )
A．a B．b
C．c D．d
解析：选A。ATP化学性质不稳定，水解时远离腺苷的高能磷酸键易断裂，释放大量的能量，供给各项生命活动利用，故选A。
5．(2019·临沂高一期末)绿叶海蜗牛可将食物中海藻的叶绿体保留下来吸收到自身细胞中利用，其一生进食一次后就可仅靠阳光饱食终日。下列有关绿叶海蜗牛细胞中ATP的叙述，错误的是( )
A．ATP合成所需要的能量全部来自光能
B．ATP和ADP中都含有高能磷酸键和腺苷
C．ATP的合成与分解所需酶的种类不同
D．黑暗中ATP的合成一般与放能反应相联系
解析：选A。绿叶海蜗牛细胞中的ATP可来自光合作用和细胞呼吸，A错误；ATP的结构简式为A—P～P～P，含有两个高能磷酸键，断裂一个高能磷酸键可形成ADP和Pi，ADP含一个高能磷酸键，ATP中的A为腺苷，由一分子腺嘌呤和一分子核糖组成，B正确；ATP的合成需要ATP合成酶催化，ATP的分解需要ATP水解酶催化，C正确；黑暗中通过细胞呼吸合成ATP，即ATP的合成一般与放能反应相联系，D正确。
6．(2019·安徽芜湖高一期末)太阳光能转化成电鳗发出的电能，需要经过的主要生理过程的正确顺序是( )
A．光合作用、消化作用、主动运输、呼吸作用、ATP水解
B．光合作用、呼吸作用、消化作用、主动运输、ATP水解
C．呼吸作用、ATP水解、光合作用、主动运输、消化作用
D．主动运输、消化作用、ATP水解、有氧呼吸、光合作用
答案：A
7．(2019·哈六中高一检测)经研究证实ATP是细胞的能量“通货”。请分析回答下列问题：
(1)ATP分子的结构简式是____________，中文名称：______________。研究发现，正常成年人安静状态下24 h 有40 kg ATP发生转化，而细胞内ADP、ATP的浓度仅为2～10 mmol/L，为满足能量需要，人体解决这一矛盾的合理途径是_____________________(写出方程式，标明条件)。
(2)ATP在有关酶的作用下，3个磷酸基团逐个脱离下来，最后剩下的是________。
(3)用小刀将数十只萤火虫的发光器割下，干燥后研成粉末状，取两等份分别装入两只小玻璃管中，各加入少量的水，使之混合，可以观察到玻璃管中发出淡黄色荧光。约过15 min荧光消失，如图所示。这时再将ATP溶液加入其中一只玻璃管中，将葡萄糖溶液加入另一只玻璃管中，发现加ATP溶液的玻璃管中发出荧光，而加葡萄糖溶液的管中不发荧光。
上述对照实验说明：
①萤火虫发光是将________能转变成________能的过程。
②这一过程所需的能量由__________提供。
③__________不是生命活动的直接能源。
答案：(1) A—P～P～P 三磷酸腺苷 ADP＋Pi＋能量ATP
(2)腺苷 (3)①化学 光 ②ATP ③葡萄糖
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细胞的能量“通货”——ATP
1．ATP中含有的化学元素与下面哪种物质含有的化学元素种类相同( )
A．纤维素 B．核酸
C．脂肪 D．蛋白质
解析：选B。ATP中含有C、H、O、N、P 五种元素，纤维素和脂肪只含有C、H、O 三种元素，蛋白质含有C、H、O、N等。
2．下图表示ATP的结构，其中表示高能磷酸键的是( )
A．①② B．①③
C．②③ D．③④
解析：选A。高能磷酸键位于磷酸基团之间，图中①②位置表示高能磷酸键。
3．如果测得一个高能磷酸键的化学能是8P，那么，一个ATP分子中的磷酸键所含的化学能应该是( )
A．8P B．16P
C．大于16P小于24P D．24P
解析：选C。ATP中含有1个普通磷酸键和2个高能磷酸键，所以ATP分子中磷酸键所含的化学能多于2个高能磷酸键的化学能(16P)，小于3个高能磷酸键的化学能(24P)。
4．在国际田联公布的最新一期男子田径运动员排名中，卡塔尔短跑天才哈恩罗在男子400米单项中排名世界第一，而我国百米飞人苏炳添排名男子100米世界第三。下列四项中，哪项能正确表示比赛时其肌细胞中ATP的变化(纵轴表示细胞中的ATP含量，横轴表示时间)( )
解析：选B。比赛时首先要消耗ATP，但体内ATP含量很少，其能量供应有限，所以有减少趋势，利用后可由ADP迅速转化，随着ATP的再生，其含量又会进一步增加，故变化趋势为先降低，后升高，B正确。
5．ATP是腺嘌呤核苷的衍生物，如图是ATP的分子结构图，下列有关叙述错误的是( )
A．ATP分子的结构简式可表示为A—P～P～P
B．ATP的水解，主要是指图中②处的水解
C．图中虚线部分的名称是腺苷
D．图中①处的化学键断裂，ATP转化为ADP
解析：选D。ATP的结构简式表示为A—P～P～P；ATP水解实际上是指ATP分子中高能磷酸键的水解，主要是远离A的高能磷酸键的水解；腺苷是由腺嘌呤和核糖连接而成的，图中虚线部分为腺苷；ATP水解时，远离A的高能磷酸键易断裂，即②处的化学键断裂，ATP转化为ADP。
6．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，但是两者的种类不同
C．细胞中的吸能反应一般与ATP的合成相联系
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
解析：选B。ATP是生命活动的直接能源物质，ATP水解时，远离A的高能磷酸键④最易断裂。图中酶1为ATP水解酶，酶2为ATP合成酶，两者种类不同，但化学本质均为蛋白质。细胞中的吸能反应所需的能量由ATP水解提供，而放能反应则与ATP的合成相联系。细胞内ATP与ADP间相互转化的能量供应机制是生物界的共性之一，也存在于原核细胞中。
7．(2019·沈阳高一期末)下列关于ATP分子的叙述，正确的是( )
A．A表示的是腺嘌呤
B．ATP分子中含有C、H、O、N、P 5种元素
C．T表示胸腺嘧啶，因而ATP的结构与核苷酸很相似
D．1 mol ATP水解，能释放出30.54 kJ的能量，这些能量储存在2个高能磷酸键中
解析：选B。根据ATP分子的结构简式可知，A表示的是腺苷，由腺嘌呤和核糖组成，A错误；ATP分子中含有C、H、O、N、P 5种元素，B正确；T表示的不是胸腺嘧啶而是数字三，C错误；ATP分子中有2个高能磷酸键，远离腺苷的那个易断裂、易形成，故ATP水解时释放出的能量应是储存在1个高能磷酸键中的能量，D错误。
8．某同学对细胞内的葡萄糖、脂肪、ATP进行了如下总结，你认为不合理的是( )
A．葡萄糖是生物体主要的能源物质
B．ATP分子中含有的化学能比葡萄糖的多
C．脂肪的氧化分解能生成ATP，脂肪的合成需消耗ATP
D．ATP在细胞内含量很少，但细胞内ATP和ADP之间的转化很迅速
答案：B
9．下列生命活动中不需要ATP提供能量的是( )
A．叶肉细胞合成的糖运输到果实
B．吞噬细胞吞噬病原体的过程
C．淀粉酶催化淀粉水解为葡萄糖
D．细胞中由氨基酸合成新的肽链
解析：选C。在适宜的温度、pH条件下，淀粉酶催化淀粉水解，此过程释放能量，不需要ATP提供能量。
10．(2019·杭州高一检测)下列过程中能使细胞内ADP的含量增加的是( )
A．水分子进入根毛细胞
B．肺泡中的氧气进入血液
C．肠道中的甘油进入小肠绒毛上皮细胞
D．胰腺细胞分泌胰岛素
解析：选D。细胞内ADP的含量增加，说明细胞内正在进行ATP的水解反应，释放能量供生命活动所需。水分子、氧气和甘油出入细胞的方式都属于自由扩散，不需要消耗能量，胰腺细胞分泌胰岛素属于细胞合成并分泌蛋白质的过程，整个过程需要消耗能量。
11．某书法家脑溢血后导致右侧肢体偏瘫，为改善患者的新陈代谢，尽快恢复其右手书写能力，在治疗时可用下列哪种方法辅助治疗( )
A．静脉滴注葡萄糖溶液
B．口服钙片
C．服用多种维生素液
D．肌肉注射ATP制剂
解析：选D。ATP是人体生命活动的直接能源物质。在生活中，常作为一种药品，有提供能量和改善患者新陈代谢状况的作用，常用于辅助治疗肌肉萎缩、心肌炎等疾病。
12．(2019·江西景德镇一中高一期中)科学家用含不同浓度NaF的水溶液喂养小白鼠，一段时间后，培养并测量小白鼠红细胞代谢产热量及细胞内的ATP浓度，分别获得产热量曲线和细胞内的ATP浓度数据如下。下列分析错误的是( )
NaF浓度(10－4g/mL) ATP浓度(10－4 mol/L)
A组 0 2.97
B组 50 2.73
C组 150 1.40
A．该实验的测量指标是细胞产热量和细胞内的ATP浓度
B．高浓度的NaF组产热量峰值和ATP浓度均低于对照组
C．NaF对细胞代谢产生ATP有抑制作用
D．该实验采用了空白对照和相互对照
解析：选B。综合分析表格与曲线可知，该实验测定了用含不同浓度NaF的水溶液喂养的小白鼠红细胞代谢产热曲线及细胞内的ATP浓度，A正确；该实验的对照组是A组，B组产热量峰值和ATP浓度均低于A组，C组产热量峰值高于A组而ATP浓度低于A组，B错误；表格中的数据显示，随着NaF增加，ATP的生成量逐渐降低，说明NaF对细胞代谢产生ATP有抑制作用，C正确；实验中A组未做处理，作为空白对照，B组与C组处理的NaF浓度分别是50×10－4 g/mL和150×10－4 g/mL，二者互为对照，D正确。
13．分析ATP与ADP相互转化的示意图(如图所示)，回答下列问题：
(1)图中Pi代表无机磷酸，则B为________，C为________。
(2)E1的来源是____________________________________________________________，E2的来源是________________________。
(3)人体肌肉细胞的收缩与图中________过程有关。
解析：(1)在ATP和ADP的相互转化过程中，ATP水解产生Pi，合成则需要Pi，通过分析示意图可判断出B为ATP，C为ADP。(2)光能或生物化学反应释放的能量可用于形成ATP。ATP水解时，其末端的高能磷酸键断裂释放能量。(3)肌肉收缩是耗能过程，由ATP直接供能，与图中B→C这一过程有关。
答案：(1)ATP ADP
(2)光能或生物化学反应释放的能量 ATP中高能磷酸键断裂释放出的能量
(3)B→C
14．(2019·北京东城区高一期末)ATP作为细胞中的直接能源物质为细胞生命活动直接提供能量。为了研究ATP合成过程中的能量转换机制，科学家利用提纯的大豆磷脂、某种细菌膜蛋白(Ⅰ)和牛细胞中的ATP合成酶(Ⅱ)构建了ATP体外合成体系，如图所示。请回答问题：
(1)ATP在供能时，远离A的________断裂，将能量释放出来。
(2)科学家利用人工体系进行了相关实验，如下表。
组别 人工体系 H＋通过Ⅰ的转运 H＋通过Ⅱ的转运 ATP
大豆磷脂构成的囊泡 Ⅰ Ⅱ
1 ＋ ＋ ＋ 有 有 产生
2 ＋ － ＋ 无 无 不产生
3 ＋ ＋ － 有 无 不产生
注：“＋”“－”分别表示人工体系中组分的“有”“无”。
①比较第1组和第2组的结果可知，Ⅰ可以转运H＋进入囊泡。进一步研究发现，第1组囊泡内pH比囊泡外低1.8，说明囊泡内的H＋浓度________囊泡外。
②比较第1组和第3组的结果可知，伴随图中的____________的过程，ADP和Pi合成ATP。
(3)结合图与实验分析，说明人工体系产生ATP的能量转换过程是光能→__________→ATP中的化学能。
答案：(1)高能磷酸键 (2)①高于(大于) ②H＋通过Ⅱ向囊泡外转运
(3)H＋电化学势能(H＋浓度梯度势能)
15．(2019·河北冀州中学高一期中)地下黑作坊用病死猪肉腌制的腊肉往往含有大量的细菌，可利用“荧光素—荧光素酶生物发光法”对市场中腊肉含细菌多少进行检测：①将腊肉研磨后离心处理，取一定量上清液放入分光光度计(测定发光强度的仪器)反应室内，加入适量的荧光素和荧光素酶，在适宜条件下进行反应；②记录发光强度并计算ATP含量；③测算出细菌数量。分析并回答下列问题：
(1)荧光素接受________提供的能量后就被激活，在荧光素酶的作用下形成氧化荧光素并且发出荧光。根据发光强度可以计算出生物组织中ATP的含量，原因是发光强度与ATP含量成________(填“正比”或“反比”)；根据ATP含量进而测算出细菌数量的依据是：每个细菌细胞中ATP含量____________________。
(2)生物细胞中ATP的水解一般与________(填“吸能反应”或“放能反应”)相联系。
(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如下图所示。其中高浓度盐溶液经稀释后酶活性可以恢复，高温和Hg2＋处理后酶活性不可恢复。
若要节省荧光素酶的用量，可以使用________处理；Hg2＋处理后酶活性降低可能是因为
________________________________________________________________________。
答案：(1)ATP 正比 大致相同且相对稳定 (2)吸能反应 (3)Mg＋ Hg2＋破坏了酶的空间结构
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