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(共60张PPT)
第12讲
解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
1.ATP是一种高能磷酸化合物
(1)ATP分子的结构。
腺苷
特殊化学键
[思考] 假如将1个ATP分子彻底水解,其产物是什么
【提示】 1个ATP分子彻底水解形成1个核糖分子、1个腺嘌呤和3个磷酸基团。
(2)ATP的供能原理。
电荷
负
特殊
化学键
末端磷酸
基团
(3)ATP是一种高能磷酸化合物。
ATP水解的过程就是释放能量的过程,1 mol ATP水解释放的能量高达30.54 kJ,所以说ATP是一种高能磷酸化合物。
提醒　ATP并不是细胞内唯一的高能磷酸化合物,高能磷酸化合物在生物体内有很多种,如存在于各种生物体细胞内的UTP、GTP、CTP等。因此,ATP并不是唯一的生命活动的直接供能物质。
2.ATP和ADP的相互转化
细胞质基质、
线粒体、叶绿体
光能
特殊化学键
3.ATP的利用
(1)ATP利用的实例。
(2)ATP为主动运输供能的过程。
末端磷酸基团
空间结构
(3)分子的磷酸化及意义。
ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化,这些分子被磷酸化后,
发生变化,活性也被改变,因而可以参与特定的化学反应。
(4)ATP是细胞内流通的能量“货币”。
①吸能反应:一般与ATP的 反应相联系,由ATP水解提供能量。
②放能反应:一般与ATP的 相联系,释放的能量储存在ATP中。
空间结构
水解
合成
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P86正文)ATP含有3个特殊化学键,但是只有一个特殊化学键会发生断裂。(　　)
×
【提示】 ATP含有2个特殊的化学键,一般只有远离腺苷的特殊的化学键会发生断裂。
(2)(必修1 P86相关信息)ATP脱去两个磷酸基团后,可作为RNA分子的合成原料。(　　)
√
(3)(必修1 P87正文)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的含量也能达到动态平衡。
×
(4)(必修1 P87正文)植物细胞可以通过光合作用和细胞呼吸形成ATP,而动物细胞只能通过细胞呼吸形成ATP。(　　)
√
2.规范表达
(1)(必修1 P87图5-4拓展)ATP与ADP的相互转化 (填“是”或“不是”)一个可逆反应,原因是
。
(2)(必修1 P87正文拓展)将32P标记的磷酸注入活细胞内,随后迅速分离细胞内的ATP,发现细胞内的ATP含量不变,但ATP中末端磷酸基团已被 32P所标记。该实验的结论为
。
不是
虽然从物质方面来看是可逆的,但是从酶、进行的
场所、能量的来源等方面来看是不可逆的
ATP和ADP在细胞内快速相互转化,细胞内ATP维持
动态平衡
(3)(必修1 P88图5-7拓展)参与Ca2+主动运输的载体蛋白的功能是
。
(4)(必修1 P89楷体字拓展)萤火虫的发光机制是萤火虫尾部的发光细胞中的荧光素接受ATP提供的能量后被激活,生成的荧光素化腺苷酸(腺嘌呤核糖核苷酸简称腺苷酸)与氧气在荧光素酶的催化下反应形成发光物质虫荧光酰腺苷酸。若将α、β、γ位置分别被32P标记的ATP(A—Pα～Pβ～Pγ)注入不同的发光细胞内,只有注入α位置被标记的ATP的细胞,在形成的发光物质虫荧光酰腺苷酸中检测到放射性。由此推测发光细胞以这种方式利用ATP的生物学意义是
。
催化ATP水解、转运Ca2+
ATP水解成腺苷酸,不仅为发光物质的合成
提供能量,同时也提供原料
能力1　结合ATP的结构及其特点,考查理解能力
1.(2024·湖南怀化联考)如图是ATP的结构简式,图中①②表示一种特殊的化学键。下列相关叙述错误的是(　　)
[A] ②断裂后形成的是ADP
[B] ①断裂后的产物可作为合成DNA的原料
[C] 细胞中的高能磷酸化合物不止ATP一种
[D] ATP和ADP相互转化的能量供应机制体现了生物界的统一性
B
【解析】 ①断裂后的产物是腺嘌呤核糖核苷酸,是构成RNA的基本组成单位之一;细胞中还有GTP、CTP、UTP等高能磷酸化合物;ATP与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,这体现了生物界的统一性。
2.(2024·广东湛江模拟)NTP家族由ATP(腺苷三磷酸)、GTP(鸟苷三磷酸)、UTP(尿苷三磷酸)和CTP(胞苷三磷酸)构成。它们的结构只是碱基不同。如图是ATP的化学结构图,甲、乙表示物质,α~γ表示磷酸基团(Pi)的位置。下列叙述错误的是(　　)
[A] 物质甲和乙分别是腺嘌呤和核糖,物质甲和乙组成腺苷
[B] 许多吸能反应与ATP的水解反应相联系
[C] 1分子GTP彻底水解可得到3种小分子物质
[D] CTP中的胞苷由胞嘧啶和脱氧核糖构成
D
【解析】 ATP的结构式可简写成A—P~P~P,式中A代表腺苷,由腺嘌呤(甲)和核糖(乙)组成;ATP的水解反应是放能反应,与之相联系的是吸收能量的反应;1分子GTP彻底水解可得到鸟嘌呤(G)、核糖和磷酸;CTP中的胞苷由胞嘧啶和核糖构成。
归纳总结
ATP与核苷酸的关系
能力2　结合ATP与ADP相互转化模型,考查模型构建与分析能力
3.(2024·黑龙江大庆模拟)如图是生物体内ATP合成与分解示意图,下列叙述正确的是(　　)
[A] 能量1可以来自蛋白质水解为氨基酸的过程
[B] 能量1可以来自丙酮酸的氧化分解
[C] 能量2可以用于叶绿体中H2O的光解
[D] 能量2可以用于光合作用中CO2的固定
B
【解析】 能量1为合成ATP的能量,来自呼吸作用或光合作用;丙酮酸氧化分解发生在有氧呼吸过程中,故能量1可以来自丙酮酸的氧化分解;H2O的光解所需能量来自光能;能量2可以用于各种需能的生命活动,但是光合作用中CO2的固定不需要消耗能量。
4.(多选)(2024·山东日照一模)ATP水解释放的磷酸基团可以使蛋白质磷酸
化,进而参与细胞内各种化学反应,机理如图。下列分析正确的是(　 　)
[A] 酶1为蛋白质磷酸化过程提供化学反应的活化能
[B] 磷酸化的蛋白质会通过改变自身的空间构象做功
[C] ATP的水解和磷酸化的蛋白质做功均为放能反应
[D] 主动运输过程中载体蛋白中的能量先减少后增加
BC
【解析】 酶能降低化学反应的活化能,但不能提供活化能;主动运输是消耗能量的过程,载体蛋白中的能量先增加后减少。
归纳总结
细胞内ATP产生与消耗的生理过程及场所
考向一　从生命观念的角度考查ATP的结构与功能
1.(2024·全国甲卷,2)ATP可为代谢提供能量,也参与RNA的合成,ATP结构如图所示,图中~表示高能磷酸键,下列叙述错误的是(　　)
[A] ATP转化为ADP可为离子的主动运输提供能量
[B] 用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA
[C] β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键不能在细胞核中断裂
[D] 光合作用可将光能转化为化学能储存于β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键
研练真题·感悟高考
C
【解析】 ATP为直接能源物质,γ位磷酸基团脱离ATP形成ADP的过程释放能量,可为离子主动运输提供能量;ATP分子水解两个高能磷酸键后,得到RNA的基本单位之一——腺嘌呤核糖核苷酸,故用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA;ATP可在细胞核中发挥作用,如为rRNA合成提供能量,故β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键能在细胞核中断裂;光合作用的光反应阶段ADP与Pi发生反应形成ATP,此时光能转化为活跃的化学能储存于ATP的高能磷酸键中,故光合作用可将光能转化为化学能储存于β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键。
2.(2022·浙江1月选考,3改编)下列关于腺苷三磷酸分子的叙述,正确的是
(　　)
[A] 由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成
[B] 分子中与磷酸基团相连接的化学键都是特殊的化学键
[C] 在水解酶的作用下不断地合成和水解
[D] 是细胞中吸能反应和放能反应的纽带
D
【解析】 1分子的ATP是由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸基团组成;ATP分子的结构式可以简写成A—P~P~P,磷酸基团与磷酸基团相连接的化学键是一种特殊的化学键,而核糖与磷酸基团相连的化学键是普通磷酸键;ATP在水解酶的作用下水解,在合成酶的作用下ADP和磷酸吸收能量合成ATP;吸能反应一般与ATP的水解相联系,放能反应一般与ATP的合成相联系,故吸能反应和放能反应之间的纽带就是ATP。
考向二　从科学思维角度考查ATP的合成与利用
3.(2021·湖南卷,5)某些蛋白质在蛋白激酶和蛋白磷酸酶的作用下,可在特定氨基酸位点发生磷酸化和去磷酸化,参与细胞信号传递,如图所示。下列叙述错误的是(　　)
[A] 这些蛋白质磷酸化和去磷酸化过程体现了
蛋白质结构与功能相适应的观点
[B] 这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失,不影响细胞信号传递
[C] 作为能量“通货”的ATP能参与细胞信号传递
[D] 蛋白质磷酸化和去磷酸化反应受温度的影响
B
【解析】 蛋白质在磷酸化和去磷酸化过程中,通过构象改变发挥相应的功能,能够体现蛋白质结构与功能相适应的观点;这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失,会导致这些蛋白质不能发生磷酸化和去磷酸化,不能参与细胞信号传递;由题图可知,在蛋白质磷酸化过程中,ATP为蛋白质提供磷酸基团,参与了细胞信号传递;蛋白质磷酸化和去磷酸化反应均属于酶促反应,受温度的影响。
4.(2021·北京卷,1)ATP是细胞的能量“通货”,关于ATP的叙述错误的是(　　)
[A] 含有C、H、O、N、P
[B] 必须在有氧条件下合成
[C] 胞内合成需要酶的催化
[D] 可直接为细胞提供能量
B
【解析】 ATP中含有腺嘌呤、核糖与磷酸基团,故元素组成为C、H、O、N、P;在无氧条件下,无氧呼吸过程释放的能量也能用于合成ATP;ATP合成过程中需要ATP合成酶的催化;ATP是生物体的直接能源物质,可直接为细胞提供能量。
(时间:30分钟　满分:38分)
基础强化练
选择题:1~7题,每题2分。
1.(ATP的功能及利用|2024·永州模拟)下列有关ATP的叙述正确的是(　　)
[A] 淀粉水解成葡萄糖时伴随有ATP的生成
[B] 细胞中需要能量的活动都是由ATP直接提供
[C] ATP水解释放的能量可用于细胞内的吸能反应
[D] 人成熟的红细胞既不能合成酶,也不能产生ATP
C
【解析】 淀粉水解成葡萄糖时没有ATP的生成;ATP是直接能源物质,细胞中绝大多数需要能量的生命活动都由ATP直接提供,但也有少数由GTP、UTP等提供;ATP水解释放的能量可用于细胞内的吸能反应,如大分子物质的合成;人成熟的红细胞没有细胞核和细胞器,因此不能合成酶,但能通过无氧呼吸产生ATP。
2.(ATP的功能|2024·衡水模拟)在马拉松运动过程中,运动员所需的重要能源物质和直接能源物质分别是(　　)
[A] 糖类、脂质 [B] 糖原、ATP
[C] 糖类、ATP [D] ATP、糖原
C
【解析】 在马拉松运动过程中,运动员所需的重要能源物质是糖类,细胞中绝大多数生命活动需要的能量是由ATP直接提供的,而糖原和脂质都是储能物质。
3.(ATP的功能及利用|2024·湛江三模)驱动蛋白是一类体积微小,功能强大的ATP酶,能催化ATP水解,还能与细胞骨架特异性结合,并沿着骨架定向行走,将所携带的细胞器或大分子物质送到指定位置。驱动蛋白每行走一步需要消耗一个ATP分子。下列相关叙述错误的是(　　)
[A] 驱动蛋白“行走”所需要的ATP可直接来自细胞质基质
[B] 细胞骨架是物质和细胞器运输的轨道
[C] ATP的合成一般与细胞中的放能反应相联系
[D] 代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率远大于合成速率
D
【解析】 细胞呼吸中,葡萄糖氧化分解的第一阶段场所是细胞质基质,产物是NADH和丙酮酸,并利用释放的能量合成ATP,所以,ATP可直接来自细胞质基质;由题干“驱动蛋白……与细胞骨架特异性结合,并沿着骨架定向行走,将所携带的细胞器或大分子物质送到指定位置”,说明细胞骨架是物质和细胞器运输的轨道;ATP的合成一般与细胞中的放能反应相联系,释放的能量储存在ATP中;细胞代谢旺盛时,ATP的水解速率和ATP的合成速率都升高,两者处于动态平衡状态。
4.(ATP的结构简式及组成|2024·菏泽模拟)脱氧核苷三磷酸(dNTP)和核苷三磷酸(NTP)参与核酸合成等多种生理过程,其结构如图所示。下列叙述错误的是(　　)
[A] 当图中基团X为H时,则该物质可为RNA合成
提供反应所需的原料和能量
[B] NTP、dNTP以及磷脂分子的元素组成都是C、H、O、N、P
[C] 以α位带32P的dATP为原料,会使新合成的DNA分子被32P标记
[D] ATP的γ位磷酸基团使细胞中某些蛋白质分子磷酸化,导致这些分子空间结构发生变化
A
【解析】 当题图中基团X为H时,五碳糖是脱氧核糖,则该物质是dNTP,可为DNA合成提供反应所需的原料和能量;dATP脱去β和γ位的磷酸基团后是DNA的基本单位腺嘌呤脱氧核苷酸,故用32P标记dATP的α位的磷酸基团,并用此dATP作为DNA合成的原料,可使DNA分子被标记;ATP在酶的作用下水解时,脱离下来的γ位磷酸基团与某些蛋白质结合,使蛋白质磷酸化,从而使其结构发生变化,活性也被改变。
5.(ATP与主动运输|2024·沈阳模拟)ATP为Ca2+跨膜运输供能的过程如图所示,下列相关叙述错误的是(　　)
[A] 图中物质A既具有物质运输功能,又具有催化功能
[B] 载体蛋白磷酸化伴随着能量的转移,载体蛋白活性也被改变
[C] Ca2+与物质A结合后,最终导致物质A的空间结构发生变化,使结合位点转向膜的另一侧
[D] 加入蛋白质变性剂会提高Ca2+的跨膜运输速率
D
【解析】 由题图可知,Ca2+的跨膜运输过程需要载体和能量,载体的化学本质是蛋白质,故物质A为载体蛋白。若加入蛋白质变性剂,则载体蛋白的结构和功能会发生改变,Ca2+的跨膜运输速率将降低。
6.(ATP的功能及利用|2024·青岛模拟)蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化与其活性的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
[A] 伴随蛋白质磷酸化形成的ADP可进一步水解作为构建DNA分子的单体
[B] 蛋白质被磷酸化激活的过程中,周围环境中会积累ADP和磷酸分子
[C] 蛋白磷酸酶为蛋白质的去磷酸化过程提供化学反应的活化能
[D] Ca2+逆浓度梯度进入细胞需要蛋白激酶的作用,使载体蛋白的空间结构发生变化
D
【解析】 伴随蛋白质磷酸化形成的ADP可进一步水解形成腺嘌呤核糖核苷酸,是构建RNA分子的单体;蛋白质被磷酸化激活的过程中,ATP水解产生的磷酸分子转移到蛋白质上,由于ADP和ATP之间可迅速转化,所以ADP不会积累;酶通过降低化学反应的活化能提高化学反应速率,而不是为化学反应提供能量;Ca2+逆浓度梯度进入细胞需要能量和载体蛋白,因此需要蛋白激酶作用使ATP水解供能,同时无活性载体蛋白变成有活性载体蛋白,空间结构发生变化。
7.(ATP的结构及利用|2024·宜春月考)发光细菌能产生荧光素酶,使荧光素氧化生成氧化荧光素并发光,反应式为荧光素+O2+ATP→氧化荧光素+AMP+
PPi+光。下列有关说法错误的是(　　)
[A] 发光细菌细胞中的核酸含有2种五碳糖、5种碱基、8种核苷酸
[B] 发光细菌发光的化学反应属于放能反应,与ATP的水解相联系
[C] 发光细菌合成ATP和水解ATP时,可能均会消耗O2
[D] 当环境中存在抑制细胞呼吸的物质时,发光细菌的发光能力会降低
B
【解析】 发光细菌细胞中的核酸为DNA和RNA,因此含有2种五碳糖、
5种碱基、8种核苷酸;根据题干中发光细菌发光的化学反应式可知,该过程需要消耗ATP,属于吸能反应,与ATP的水解相联系;发光细菌可能进行耗氧的有氧呼吸并合成ATP,从发光反应式中可知,发光细菌中存在耗氧的ATP水解过程;当环境中存在抑制细胞呼吸的物质时,发光细菌中ATP的合成减少,发光过程受抑制,发光能力降低。
选择题:8~10题,每题4分。
8.(ATP的功能及利用|2024·菏泽一模)蛋白激酶A(PKA)的功能是将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化,改变了的蛋白质可以调节靶蛋白的活性。PKA有两个调节亚基和两个催化亚基,其活性受cAMP(腺苷酸环化酶催化ATP环化形成)调节(如图)。
能力提升练
下列说法正确的是(　　)
[A] 调节亚基和催化亚基均有结合cAMP的结构位点
[B] cAMP与催化亚基相应位点结合,导致亚基分离并释放出高活性催化
亚基
[C] 丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化的过程伴随着ATP的水解
[D] ATP是合成cAMP、DNA等物质的原料,也可作为生物的直接供能物质
C
【解析】 由题图可知,活化的调节亚基与非活化的催化亚基可在cAMP的作用下产生无活性的调节亚基和游离态、活化的催化亚基,说明调节亚基具有结合cAMP的结构位点,催化亚基不具有结合cAMP的结构位点;据题图可知,cAMP与调节亚基结合,使调节亚基和催化亚基分离;
由题可知,活化的PKA催化亚基可将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化,改变这些蛋白质的活性,ATP上的磷酸基团转移的过程即是ATP的水解过程;腺苷酸环化酶催化ATP环化形成cAMP,故ATP不仅是生物的直接供能物质,还是合成cAMP的原料,但ATP水解后形成的AMP(腺嘌呤核糖核苷酸)是合成RNA的原料。
9.(多选)(ATP与跨膜运输|2024·沧州联考)磷酸肌酸是一种分布在肌细胞中的高能化合物,训练有素的运动员肌细胞中的磷酸肌酸是ATP的10倍左右。剧烈运动时,
ATP的水解速率远大于合成速率,在细胞代谢中ATP、磷酸肌酸的关系如图所示。下列有关叙述错误的是(　　 )
[A] 过程①吸收某些营养物质的方式为主动运输
[B] 过程②细胞内代谢废物跨膜运输均需要消耗ATP
[C] 过程④动物和植物细胞产生磷酸肌酸的方式不同
[D] 磷酸肌酸可解决剧烈运动时ATP水解、合成速率不平衡问题
BC
【解析】 过程①是细胞吸收营养物质的过程,该过程中某些物质如氨基酸的吸收方式是主动运输;过程②细胞内有的代谢废物跨膜运输是被动运输,如二氧化碳的排出方式是自由扩散,不需要消耗ATP;由题可知磷酸肌酸是动物肌细胞中的高能化合物,在植物细胞中不能产生磷酸肌酸;据题图可知,磷酸肌酸在一定条件下可转化为ATP,故磷酸肌酸可解决剧烈运动时ATP水解、合成速率不平衡问题。
10.(多选)(ATP的组成及功能|2024·南昌模拟)ATP注射液主要用于脑出血后遗症、心功能不全、进行性肌萎缩等的辅助治疗。研究发现,ATP可以作为兴奋性神经递质与血管、内脏平滑肌细胞及神经细胞上的P2X受体结合。与自身合成的ATP相比,注射浓度远低于细胞内,几乎不能进入细胞。下列叙述错误的是(　 　)
[A] 1个ATP分子中含有1分子核糖、1分子腺苷和3分子磷酸基团
[B] 注射的ATP作为辅助治疗药物主要是利用了其信号分子的作用
[C] 肝细胞中的ATP主要通过有氧呼吸第三阶段在线粒体基质产生
[D] 注射的ATP与P2X受体结合,提供能量和信息后,可能被降解
ACD
【解析】 1个ATP分子中含有1分子核糖,1分子腺嘌呤和3分子磷酸基团;研究发现ATP可以作为兴奋性神经递质与血管、内脏平滑肌细胞及神经细胞上的P2X受体结合,所以注射的ATP作为辅助治疗药物主要是利用了其信号分子的作用;肝细胞中的ATP主要通过有氧呼吸第三阶段在线粒体内膜产生;由题意可知,注射的ATP浓度远低于细胞内,几乎不能进入细胞,因此不能提供能量。
11.(12分)(ATP的结构及功能|2024·沈阳模拟)在生物体内能量的转换和传递中,ATP是一种关键的物质,其分子结构简式如图1所示:
(1)从ATP的分子结构简式可知,去掉两个磷酸基团后的剩余部分是
　。
腺嘌呤核糖核苷酸
【解析】 (1)ATP分子去掉两个磷酸基团后的剩余部分是一分子磷酸、一分子核糖和一分子含氮碱基(腺嘌呤)组成的化合物,即腺嘌呤核糖核苷酸。
(2)人体骨骼肌细胞中,ATP的含量仅够剧烈运动时3 s内的能量供给。在校运动会上,某同学参加100 m短跑过程中,其肌细胞中ATP相对含量变化如图2所示,试回答由整个曲线来看,肌细胞中ATP的含量不会降为零,
说明 　 。
ATP的生成和分解是同时进行的
【解析】 (2)肌细胞中ATP的含量不会降为零,说明ATP的生成和分解是同时进行的,ATP和ADP在体内迅速转化。
(3)某同学进行一项实验,目的是观察ATP可使离体的、刚刚丧失收缩功能的新鲜骨骼肌产生收缩这一现象,说明ATP是肌肉收缩所需能量的直接来源。
①必须待离体肌肉自身的　　　　消耗完之后,才能进行实验。
ATP
【解析】 (3)①必须待离体肌肉自身的ATP消耗完之后,才能进行实验,排除原有ATP对实验结果的影响。
②在程序上,采取前后自身对照的方法,先滴加　 　　　　(填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”),观察　　　　　与否以后,再滴加　　　　(填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”)。
葡萄糖溶液
【解析】 ②在程序上,采取前后自身对照的方法,先滴加葡萄糖溶液,观察肌肉收缩与否以后,再滴加ATP溶液,目的是验证ATP才是直接能源物质。
肌肉收缩
ATP溶液
③如果将上述顺序颠倒一下,实验结果是否可靠 　　　　 　,原因是
　 　。
不可靠
【解析】 ③如果将上述顺序颠倒,实验结果不可靠,原因是如果外源ATP尚未耗尽,会出现滴加葡萄糖溶液肌肉也会收缩的现象,造成葡萄糖也被肌肉直接利用的假象。
如果外源ATP尚未耗尽,会出现滴加葡萄糖溶液肌肉也会收缩的现象,造成葡萄糖也被肌肉直接利用的假象第12讲　细胞的能量“货币”ATP
[课标要求]
　解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
考点　ATP的结构和功能
1.ATP是一种高能磷酸化合物
(1)ATP分子的结构。
[思考] 假如将1个ATP分子彻底水解,其产物是什么
【提示】 1个ATP分子彻底水解形成1个核糖分子、1个腺嘌呤和3个磷酸基团。
(2)ATP的供能原理。
(3)ATP是一种高能磷酸化合物。
ATP水解的过程就是释放能量的过程,1 mol ATP水解释放的能量高达30.54 kJ,所以说ATP是一种高能磷酸化合物。
提醒　ATP并不是细胞内唯一的高能磷酸化合物,高能磷酸化合物在生物体内有很多种,如存在于各种生物体细胞内的UTP、GTP、CTP等。因此,ATP并不是唯一的生命活动的直接供能物质。
2.ATP和ADP的相互转化
3.ATP的利用
(1)ATP利用的实例。
(2)ATP为主动运输供能的过程。
(3)分子的磷酸化及意义。
ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化,这些分子被磷酸化后,空间结构发生变化,活性也被改变,因而可以参与特定的化学反应。
(4)ATP是细胞内流通的能量“货币”。
①吸能反应:一般与ATP的水解反应相联系,由ATP水解提供能量。
②放能反应:一般与ATP的合成相联系,释放的能量储存在ATP中。
1.判断正误
(1)(必修1 P86正文)ATP含有3个特殊化学键,但是只有一个特殊化学键会发生断裂。(　　)
【答案】 ×
【提示】 ATP含有2个特殊的化学键,一般只有远离腺苷的特殊的化学键会发生断裂。
(2)(必修1 P86相关信息)ATP脱去两个磷酸基团后,可作为RNA分子的合成原料。(　　)
【答案】 √
(3)(必修1 P87正文)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的含量也能达到动态平衡。
(4)(必修1 P87正文)植物细胞可以通过光合作用和细胞呼吸形成ATP,而动物细胞只能通过细胞呼吸形成ATP。(　　)
【答案】 √
2.规范表达
(1)(必修1 P87图5-4拓展)ATP与ADP的相互转化不是(填“是”或“不是”)一个可逆反应,原因是虽然从物质方面来看是可逆的,但是从酶、进行的场所、能量的来源等方面来看是不可逆的。
(2)(必修1 P87正文拓展)将32P标记的磷酸注入活细胞内,随后迅速分离细胞内的ATP,发现细胞内的ATP含量不变,但ATP中末端磷酸基团已被 32P所标记。该实验的结论为ATP和ADP在细胞内快速相互转化,细胞内ATP维持动态平衡。
(3)(必修1 P88图5-7拓展)参与Ca2+主动运输的载体蛋白的功能是催化ATP水解、转运Ca2+。
(4)(必修1 P89楷体字拓展)萤火虫的发光机制是萤火虫尾部的发光细胞中的荧光素接受ATP提供的能量后被激活,生成的荧光素化腺苷酸(腺嘌呤核糖核苷酸简称腺苷酸)与氧气在荧光素酶的催化下反应形成发光物质虫荧光酰腺苷酸。若将α、β、γ位置分别被32P标记的ATP(A—Pα~Pβ~Pγ)注入不同的发光细胞内,只有注入α位置被标记的ATP的细胞,在形成的发光物质虫荧光酰腺苷酸中检测到放射性。由此推测发光细胞以这种方式利用ATP的生物学意义是ATP水解成腺苷酸,不仅为发光物质的合成提供能量,同时也提供原料。
能力1　结合ATP的结构及其特点,考查理解能力
1.(2024·湖南怀化联考)如图是ATP的结构简式,图中①②表示一种特殊的化学键。下列相关叙述错误的是(　　)
[A] ②断裂后形成的是ADP
[B] ①断裂后的产物可作为合成DNA的原料
[C] 细胞中的高能磷酸化合物不止ATP一种
[D] ATP和ADP相互转化的能量供应机制体现了生物界的统一性
【答案】 B
【解析】 ①断裂后的产物是腺嘌呤核糖核苷酸,是构成RNA的基本组成单位之一;细胞中还有GTP、CTP、UTP等高能磷酸化合物;ATP与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,这体现了生物界的统一性。
2.(2024·广东湛江模拟)NTP家族由ATP(腺苷三磷酸)、GTP(鸟苷三磷酸)、UTP(尿苷三磷酸)和CTP(胞苷三磷酸)构成。它们的结构只是碱基不同。如图是ATP的化学结构图,甲、乙表示物质,α~γ表示磷酸基团(Pi)的位置。下列叙述错误的是(　　)
[A] 物质甲和乙分别是腺嘌呤和核糖,物质甲和乙组成腺苷
[B] 许多吸能反应与ATP的水解反应相联系
[C] 1分子GTP彻底水解可得到3种小分子物质
[D] CTP中的胞苷由胞嘧啶和脱氧核糖构成
【答案】 D
【解析】 ATP的结构式可简写成A—P~P~P,式中A代表腺苷,由腺嘌呤(甲)和核糖(乙)组成;ATP的水解反应是放能反应,与之相联系的是吸收能量的反应;1分子GTP彻底水解可得到鸟嘌呤(G)、核糖和磷酸;CTP中的胞苷由胞嘧啶和核糖构成。
ATP与核苷酸的关系
能力2　结合ATP与ADP相互转化模型,考查模型构建与分析能力
3.(2024·黑龙江大庆模拟)如图是生物体内ATP合成与分解示意图,下列叙述正确的是(　　)
[A] 能量1可以来自蛋白质水解为氨基酸的过程
[B] 能量1可以来自丙酮酸的氧化分解
[C] 能量2可以用于叶绿体中H2O的光解
[D] 能量2可以用于光合作用中CO2的固定
【答案】 B
【解析】 能量1为合成ATP的能量,来自呼吸作用或光合作用;丙酮酸氧化分解发生在有氧呼吸过程中,故能量1可以来自丙酮酸的氧化分解;H2O的光解所需能量来自光能;能量2可以用于各种需能的生命活动,但是光合作用中CO2的固定不需要消耗能量。
4.(多选)(2024·山东日照一模)ATP水解释放的磷酸基团可以使蛋白质磷酸化,进而参与细胞内各种化学反应,机理如图。下列分析正确的是(　　)
[A] 酶1为蛋白质磷酸化过程提供化学反应的活化能
[B] 磷酸化的蛋白质会通过改变自身的空间构象做功
[C] ATP的水解和磷酸化的蛋白质做功均为放能反应
[D] 主动运输过程中载体蛋白中的能量先减少后增加
【答案】 BC
【解析】 酶能降低化学反应的活化能,但不能提供活化能;主动运输是消耗能量的过程,载体蛋白中的能量先增加后减少。
细胞内ATP产生与消耗的生理过程及场所
考向一　从生命观念的角度考查ATP的结构与功能
1.(2024·全国甲卷,2)ATP可为代谢提供能量,也参与RNA的合成,ATP结构如图所示,图中~表示高能磷酸键,下列叙述错误的是(　　)
[A] ATP转化为ADP可为离子的主动运输提供能量
[B] 用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA
[C] β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键不能在细胞核中断裂
[D] 光合作用可将光能转化为化学能储存于β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键
【答案】 C
【解析】 ATP为直接能源物质,γ位磷酸基团脱离ATP形成ADP的过程释放能量,可为离子主动运输提供能量;ATP分子水解两个高能磷酸键后,得到RNA的基本单位之一——腺嘌呤核糖核苷酸,故用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA;ATP可在细胞核中发挥作用,如为rRNA合成提供能量,故β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键能在细胞核中断裂;光合作用的光反应阶段ADP与Pi发生反应形成ATP,此时光能转化为活跃的化学能储存于ATP的高能磷酸键中,故光合作用可将光能转化为化学能储存于β和γ位磷酸基团之间的高能磷酸键。
2.(2022·浙江1月选考,3改编)下列关于腺苷三磷酸分子的叙述,正确的是(　　)
[A] 由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成
[B] 分子中与磷酸基团相连接的化学键都是特殊的化学键
[C] 在水解酶的作用下不断地合成和水解
[D] 是细胞中吸能反应和放能反应的纽带
【答案】 D
【解析】 1分子的ATP是由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸基团组成;ATP分子的结构式可以简写成A—P~P~P,磷酸基团与磷酸基团相连接的化学键是一种特殊的化学键,而核糖与磷酸基团相连的化学键是普通磷酸键;ATP在水解酶的作用下水解,在合成酶的作用下ADP和磷酸吸收能量合成ATP;吸能反应一般与ATP的水解相联系,放能反应一般与ATP的合成相联系,故吸能反应和放能反应之间的纽带就是ATP。
考向二　从科学思维角度考查ATP的合成与利用
3.(2021·湖南卷,5)某些蛋白质在蛋白激酶和蛋白磷酸酶的作用下,可在特定氨基酸位点发生磷酸化和去磷酸化,参与细胞信号传递,如图所示。下列叙述错误的是(　　)
[A] 这些蛋白质磷酸化和去磷酸化过程体现了蛋白质结构与功能相适应的观点
[B] 这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失,不影响细胞信号传递
[C] 作为能量“通货”的ATP能参与细胞信号传递
[D] 蛋白质磷酸化和去磷酸化反应受温度的影响
【答案】 B
【解析】 蛋白质在磷酸化和去磷酸化过程中,通过构象改变发挥相应的功能,能够体现蛋白质结构与功能相适应的观点;这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失,会导致这些蛋白质不能发生磷酸化和去磷酸化,不能参与细胞信号传递;由题图可知,在蛋白质磷酸化过程中,ATP为蛋白质提供磷酸基团,参与了细胞信号传递;蛋白质磷酸化和去磷酸化反应均属于酶促反应,受温度的影响。
4.(2021·北京卷,1)ATP是细胞的能量“通货”,关于ATP的叙述错误的是(　　)
[A] 含有C、H、O、N、P
[B] 必须在有氧条件下合成
[C] 胞内合成需要酶的催化
[D] 可直接为细胞提供能量
【答案】 B
【解析】 ATP中含有腺嘌呤、核糖与磷酸基团,故元素组成为C、H、O、N、P;在无氧条件下,无氧呼吸过程释放的能量也能用于合成ATP;ATP合成过程中需要ATP合成酶的催化;ATP是生物体的直接能源物质,可直接为细胞提供能量。
(时间:30分钟　满分:38分)
选择题:1~7题,每题2分。
1.(ATP的功能及利用|2024·永州模拟)下列有关ATP的叙述正确的是(　　)
[A] 淀粉水解成葡萄糖时伴随有ATP的生成
[B] 细胞中需要能量的活动都是由ATP直接提供
[C] ATP水解释放的能量可用于细胞内的吸能反应
[D] 人成熟的红细胞既不能合成酶,也不能产生ATP
【答案】 C
【解析】 淀粉水解成葡萄糖时没有ATP的生成;ATP是直接能源物质,细胞中绝大多数需要能量的生命活动都由ATP直接提供,但也有少数由GTP、UTP等提供;ATP水解释放的能量可用于细胞内的吸能反应,如大分子物质的合成;人成熟的红细胞没有细胞核和细胞器,因此不能合成酶,但能通过无氧呼吸产生ATP。
2.(ATP的功能|2024·衡水模拟)在马拉松运动过程中,运动员所需的重要能源物质和直接能源物质分别是(　　)
[A] 糖类、脂质 [B] 糖原、ATP
[C] 糖类、ATP [D] ATP、糖原
【答案】 C
【解析】 在马拉松运动过程中,运动员所需的重要能源物质是糖类,细胞中绝大多数生命活动需要的能量是由ATP直接提供的,而糖原和脂质都是储能物质。
3.(ATP的功能及利用|2024·湛江三模)驱动蛋白是一类体积微小,功能强大的ATP酶,能催化ATP水解,还能与细胞骨架特异性结合,并沿着骨架定向行走,将所携带的细胞器或大分子物质送到指定位置。驱动蛋白每行走一步需要消耗一个ATP分子。下列相关叙述错误的是(　　)
[A] 驱动蛋白“行走”所需要的ATP可直接来自细胞质基质
[B] 细胞骨架是物质和细胞器运输的轨道
[C] ATP的合成一般与细胞中的放能反应相联系
[D] 代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率远大于合成速率
【答案】 D
【解析】 细胞呼吸中,葡萄糖氧化分解的第一阶段场所是细胞质基质,产物是NADH和丙酮酸,并利用释放的能量合成ATP,所以,ATP可直接来自细胞质基质;由题干“驱动蛋白……与细胞骨架特异性结合,并沿着骨架定向行走,将所携带的细胞器或大分子物质送到指定位置”,说明细胞骨架是物质和细胞器运输的轨道;ATP的合成一般与细胞中的放能反应相联系,释放的能量储存在ATP中;细胞代谢旺盛时,ATP的水解速率和ATP的合成速率都升高,两者处于动态平衡状态。
4.(ATP的结构简式及组成|2024·菏泽模拟)脱氧核苷三磷酸(dNTP)和核苷三磷酸(NTP)参与核酸合成等多种生理过程,其结构如图所示。下列叙述错误的是(　　)
[A] 当图中基团X为H时,则该物质可为RNA合成提供反应所需的原料和能量
[B] NTP、dNTP以及磷脂分子的元素组成都是C、H、O、N、P
[C] 以α位带32P的dATP为原料,会使新合成的DNA分子被32P标记
[D] ATP的γ位磷酸基团使细胞中某些蛋白质分子磷酸化,导致这些分子空间结构发生变化
【答案】 A
【解析】 当题图中基团X为H时,五碳糖是脱氧核糖,则该物质是dNTP,可为DNA合成提供反应所需的原料和能量;dATP脱去β和γ位的磷酸基团后是DNA的基本单位腺嘌呤脱氧核苷酸,故用32P标记dATP的α位的磷酸基团,并用此dATP作为DNA合成的原料,可使DNA分子被标记;ATP在酶的作用下水解时,脱离下来的γ位磷酸基团与某些蛋白质结合,使蛋白质磷酸化,从而使其结构发生变化,活性也被改变。
5.(ATP与主动运输|2024·沈阳模拟)ATP为Ca2+跨膜运输供能的过程如图所示,下列相关叙述错误的是(　　)
[A] 图中物质A既具有物质运输功能,又具有催化功能
[B] 载体蛋白磷酸化伴随着能量的转移,载体蛋白活性也被改变
[C] Ca2+与物质A结合后,最终导致物质A的空间结构发生变化,使结合位点转向膜的另一侧
[D] 加入蛋白质变性剂会提高Ca2+的跨膜运输速率
【答案】 D
【解析】 由题图可知,Ca2+的跨膜运输过程需要载体和能量,载体的化学本质是蛋白质,故物质A为载体蛋白。若加入蛋白质变性剂,则载体蛋白的结构和功能会发生改变,Ca2+的跨膜运输速率将降低。
6.(ATP的功能及利用|2024·青岛模拟)蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化与其活性的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
[A] 伴随蛋白质磷酸化形成的ADP可进一步水解作为构建DNA分子的单体
[B] 蛋白质被磷酸化激活的过程中,周围环境中会积累ADP和磷酸分子
[C] 蛋白磷酸酶为蛋白质的去磷酸化过程提供化学反应的活化能
[D] Ca2+逆浓度梯度进入细胞需要蛋白激酶的作用,使载体蛋白的空间结构发生变化
【答案】 D
【解析】 伴随蛋白质磷酸化形成的ADP可进一步水解形成腺嘌呤核糖核苷酸,是构建RNA分子的单体;蛋白质被磷酸化激活的过程中,ATP水解产生的磷酸分子转移到蛋白质上,由于ADP和ATP之间可迅速转化,所以ADP不会积累;酶通过降低化学反应的活化能提高化学反应速率,而不是为化学反应提供能量;Ca2+逆浓度梯度进入细胞需要能量和载体蛋白,因此需要蛋白激酶作用使ATP水解供能,同时无活性载体蛋白变成有活性载体蛋白,空间结构发生变化。
7.(ATP的结构及利用|2024·宜春月考)发光细菌能产生荧光素酶,使荧光素氧化生成氧化荧光素并发光,反应式为荧光素+O2+ATP→氧化荧光素+AMP+PPi+光。下列有关说法错误的是(　　)
[A] 发光细菌细胞中的核酸含有2种五碳糖、5种碱基、8种核苷酸
[B] 发光细菌发光的化学反应属于放能反应,与ATP的水解相联系
[C] 发光细菌合成ATP和水解ATP时,可能均会消耗O2
[D] 当环境中存在抑制细胞呼吸的物质时,发光细菌的发光能力会降低
【答案】 B
【解析】 发光细菌细胞中的核酸为DNA和RNA,因此含有2种五碳糖、5种碱基、8种核苷酸;根据题干中发光细菌发光的化学反应式可知,该过程需要消耗ATP,属于吸能反应,与ATP的水解相联系;发光细菌可能进行耗氧的有氧呼吸并合成ATP,从发光反应式中可知,发光细菌中存在耗氧的ATP水解过程;当环境中存在抑制细胞呼吸的物质时,发光细菌中ATP的合成减少,发光过程受抑制,发光能力降低。
选择题:8~10题,每题4分。
8.(ATP的功能及利用|2024·菏泽一模)蛋白激酶A(PKA)的功能是将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化,改变了的蛋白质可以调节靶蛋白的活性。PKA有两个调节亚基和两个催化亚基,其活性受cAMP(腺苷酸环化酶催化ATP环化形成)调节(如图)。下列说法正确的是(　　)
[A] 调节亚基和催化亚基均有结合cAMP的结构位点
[B] cAMP与催化亚基相应位点结合,导致亚基分离并释放出高活性催化亚基
[C] 丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化的过程伴随着ATP的水解
[D] ATP是合成cAMP、DNA等物质的原料,也可作为生物的直接供能物质
【答案】 C
【解析】 由题图可知,活化的调节亚基与非活化的催化亚基可在cAMP的作用下产生无活性的调节亚基和游离态、活化的催化亚基,说明调节亚基具有结合cAMP的结构位点,催化亚基不具有结合cAMP的结构位点;据题图可知,cAMP与调节亚基结合,使调节亚基和催化亚基分离;由题可知,活化的PKA催化亚基可将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化,改变这些蛋白质的活性,ATP上的磷酸基团转移的过程即是ATP的水解过程;腺苷酸环化酶催化ATP环化形成cAMP,故ATP不仅是生物的直接供能物质,还是合成cAMP的原料,但ATP水解后形成的AMP(腺嘌呤核糖核苷酸)是合成RNA的原料。
9.(多选)(ATP与跨膜运输|2024·沧州联考)磷酸肌酸是一种分布在肌细胞中的高能化合物,训练有素的运动员肌细胞中的磷酸肌酸是ATP的10倍左右。剧烈运动时,ATP的水解速率远大于合成速率,在细胞代谢中ATP、磷酸肌酸的关系如图所示。下列有关叙述错误的是(　　)
[A] 过程①吸收某些营养物质的方式为主动运输
[B] 过程②细胞内代谢废物跨膜运输均需要消耗ATP
[C] 过程④动物和植物细胞产生磷酸肌酸的方式不同
[D] 磷酸肌酸可解决剧烈运动时ATP水解、合成速率不平衡问题
【答案】 BC
【解析】 过程①是细胞吸收营养物质的过程,该过程中某些物质如氨基酸的吸收方式是主动运输;过程②细胞内有的代谢废物跨膜运输是被动运输,如二氧化碳的排出方式是自由扩散,不需要消耗ATP;由题可知磷酸肌酸是动物肌细胞中的高能化合物,在植物细胞中不能产生磷酸肌酸;据题图可知,磷酸肌酸在一定条件下可转化为ATP,故磷酸肌酸可解决剧烈运动时ATP水解、合成速率不平衡问题。
10.(多选)(ATP的组成及功能|2024·南昌模拟)ATP注射液主要用于脑出血后遗症、心功能不全、进行性肌萎缩等的辅助治疗。研究发现,ATP可以作为兴奋性神经递质与血管、内脏平滑肌细胞及神经细胞上的P2X受体结合。与自身合成的ATP相比,注射浓度远低于细胞内,几乎不能进入细胞。下列叙述错误的是(　　)
[A] 1个ATP分子中含有1分子核糖、1分子腺苷和3分子磷酸基团
[B] 注射的ATP作为辅助治疗药物主要是利用了其信号分子的作用
[C] 肝细胞中的ATP主要通过有氧呼吸第三阶段在线粒体基质产生
[D] 注射的ATP与P2X受体结合,提供能量和信息后,可能被降解
【答案】 ACD
【解析】 1个ATP分子中含有1分子核糖,1分子腺嘌呤和3分子磷酸基团;研究发现ATP可以作为兴奋性神经递质与血管、内脏平滑肌细胞及神经细胞上的P2X受体结合,所以注射的ATP作为辅助治疗药物主要是利用了其信号分子的作用;肝细胞中的ATP主要通过有氧呼吸第三阶段在线粒体内膜产生;由题意可知,注射的ATP浓度远低于细胞内,几乎不能进入细胞,因此不能提供能量。
11.(12分)(ATP的结构及功能|2024·沈阳模拟)在生物体内能量的转换和传递中,ATP是一种关键的物质,其分子结构简式如图1所示:
(1)从ATP的分子结构简式可知,去掉两个磷酸基团后的剩余部分是　 。
(2)人体骨骼肌细胞中,ATP的含量仅够剧烈运动时3 s内的能量供给。在校运动会上,某同学参加100 m短跑过程中,其肌细胞中ATP相对含量变化如图2所示,试回答由整个曲线来看,肌细胞中ATP的含量不会降为零,说明 　 。
(3)某同学进行一项实验,目的是观察ATP可使离体的、刚刚丧失收缩功能的新鲜骨骼肌产生收缩这一现象,说明ATP是肌肉收缩所需能量的直接来源。
①必须待离体肌肉自身的　　　 　消耗完之后,才能进行实验。
②在程序上,采取前后自身对照的方法,先滴加　　　　　(填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”),观察　　　　　与否以后,再滴加　　　　(填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”)。
③如果将上述顺序颠倒一下,实验结果是否可靠 　　　　　,原因是　 　
。
【答案】 (除标注外,每空1分)
(1)腺嘌呤核糖核苷酸
(2)ATP的生成和分解是同时进行的(2分)
(3)①ATP　②葡萄糖溶液　肌肉收缩　ATP溶液　③不可靠　如果外源ATP尚未耗尽,会出现滴加葡萄糖溶液肌肉也会收缩的现象,造成葡萄糖也被肌肉直接利用的假象(4分)
【解析】 (1)ATP分子去掉两个磷酸基团后的剩余部分是一分子磷酸、一分子核糖和一分子含氮碱基(腺嘌呤)组成的化合物,即腺嘌呤核糖核苷酸。(2)肌细胞中ATP的含量不会降为零,说明ATP的生成和分解是同时进行的,ATP和ADP在体内迅速转化。(3)①必须待离体肌肉自身的ATP消耗完之后,才能进行实验,排除原有ATP对实验结果的影响。②在程序上,采取前后自身对照的方法,先滴加葡萄糖溶液,观察肌肉收缩与否以后,再滴加ATP溶液,目的是验证ATP才是直接能源物质。③如果将上述顺序颠倒,实验结果不可靠,原因是如果外源ATP尚未耗尽,会出现滴加葡萄糖溶液肌肉也会收缩的现象,造成葡萄糖也被肌肉直接利用的假象。
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