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第5章 细胞的能量和供应
第2节
细胞的能量“货币”ATP
1
1
依据ATP的分子简式说出ATP的化学组成和特点(重点)。
2
根据ATP与ADP的相互转化解释ATP在细胞生命活动中的作用(难点)。
一边阅读，一边完成学案上的表格
活动1
探究：驱动细胞生命活动的直接能源物质
资料1 1929年，费斯克和罗曼分别在肌肉中发现了一种焦磷酸盐和腺苷酸相联系的化合物。1934年，罗曼进一步确定这种物质为腺苷三磷酸(ATP)。同年，恩格尔哈特注意到肌肉收缩需要ATP。然而细胞中的主要能源物质是葡萄糖。
你是否思考过直接给肌肉收缩提供能量的物质是什么呢？
葡萄糖或ATP
速度，
属于执着于每个0.01秒的人。
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活动1
探究：驱动细胞生命活动的直接能源物质
资料2 制作青蛙坐骨神经－腓肠肌标本(编号A、B)放入任氏液中，不断施加刺激，然后对两块肌肉标本分别加入适量的葡萄糖和ATP溶液，立即用电极刺激坐骨神经观察肌肉收缩的情况。结果发现：A组肌肉不收缩，B组肌肉收缩明显。
第二问
向青蛙坐骨神经-腓肠肌标本（编号A、B）加入能源物质之前，为什么要不断刺激坐骨神经？
第一问
本实验的自变量如何控制？因变量如何检测？
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活动1
探究：驱动细胞生命活动的直接能源物质
对两块肌肉标本分别加入等量的葡萄糖和ATP溶液；因变量是检测肌肉是否收缩。
腓肠肌的持续收缩使细胞内储存的能源物质消耗殆尽，排除自身能量的干扰。
第三问
从实验结果可以得出什么结论？
为肌肉收缩直接提供能量的物质不是葡萄糖，而是ATP。
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活动2
辨析ATP中的A代表腺嘌呤吗？
资料3 下图为ATP结构式：
(1)图中①②③的结构分别代表什么？
　
(2)腺苷是由图中哪些结构组成的？
①-腺嘌呤；②-核糖；③-磷酸基团
①②
①腺嘌呤
②核糖
腺苷
三个磷酸基团
③
思考以下问题：
ATP的结构及特点
磷酸基团
A—P～P～P
A :
P :
～:
—:
腺苷
磷酸基团
普通的化学键
特殊的化学键
模型图
结构简式
ATP结构式
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活动3
辨析ATP中的两个特殊化学键都断裂吗？
资料4 α、β和γ表示ATP上三个磷酸基团所处的位置(A－Pα～Pβ～Pγ)，现有甲、乙两组ATP溶液，甲组用32P标记ATP的β位的磷酸基团，乙组用32P标记ATP的γ位的磷酸基团，然后分别加入等量的ATP水解酶，短时间后迅速分离溶液中游离的磷酸基团，结果发现只有乙组中游离的磷酸基团带有放射性。
α 位 β位 γ位
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活动3
辨析ATP中的两个特殊化学键都断裂吗？
第一问
从实验结果ATP中哪一个化学键更容易断裂？为什么？
ATP中两个相邻的磷酸基团带有负电荷而相互排斥，使得这种化学键不稳定，末端的磷酸基团具有较高的转移势能。
ADP相互排斥的磷酸基团减少，势能降低
磷酸基团携带转移的“势能”与其他分子结合
β位与γ位磷酸基团之间的化学键更容易断裂。
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活动3
辨析ATP中的两个特殊化学键都断裂吗？
第三问
为什么说ATP是一种高能磷酸化合物？（一般将水解时释放20.92kJ/mol及以上能量的化合物叫做高能化合物）。
第二问
因为1molATP水解释放的能量高达30.54kJ。
写出ATP水解的反应式
第四问
若ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质？
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活动3
辨析ATP中的两个特殊化学键都断裂吗？
腺嘌呤核糖核苷酸
腺苷一磷酸 AMP
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的基本组成单位之一。
(3)ATP的结构组成可以用“1、2、3”来总结，“1”表示1个腺苷，“2”表示两个特殊的化学键，“3”表示3个磷酸基团。
2．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。
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目标一
ATP与ADP之间的相互转化及ATP的利用
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活动4
ATP含量很少，但需求量很大，ATP如何持续供能？
资料5 磷酸肌酸是一种高能磷酸化合物，它能在肌酸激酶的催化下将自身的磷酸基团转移到ADP分子中来合成ATP。研究者对蛙的肌肉组织进行短暂电刺激，检测对照组和实验组(肌肉组织用肌酸激酶阻断剂处理)肌肉收缩前后ATP和ADP的含量，结果如下表所示。
腺苷磷酸 对照组/(10－5 mol·g－1) 实验组/(10－5 mol·g－1) 收缩前 收缩后 收缩前 收缩后
ATP 1.30 1.30 1.30 0.75
ADP 0.60 0.60 0.60 0.95
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活动4
ATP含量很少，但需求量很大，ATP如何持续供能？
第一问
为什么对照组ATP和ADP含量没有变化，实验组ATP含量减少，ADP含量上升？
肌肉收缩会消耗ATP生成ADP，对照组中由于存在肌酸激酶，所以ADP在酶的作用下可以重新生成ATP，而实验组由于缺乏肌酸激酶，ADP不能生成ATP，所以对照组ATP和ADP含量没有变化，实验组ATP含量减少，ADP含量上升。
第二问
请写出ATP合成的反应式。
ADP+ Pi+能量 ATP
合成酶
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活动5
在ADP转化成ATP时所需能量的来自哪里？
资料6 催化ATP合成的酶主要分布在线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上。ADP接受细胞呼吸中有机物氧化分解释放的能量或光合作用中捕获的光能，与游离的Pi结合，重新合成ATP。
能量
ATP
ADP
Pi
光合作用
呼吸作用
肌肉收缩
根据上述材料，请完善ATP与ADP相互转化的模型图。
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活动6
ATP和ADP的相互转化是否是可逆反应？
请完善下表并得出结论。
水解酶
合成酶
特殊化学键中的化学能
有机物中的化学能、光能
用于各项生命活动
储存于特殊化学键中
物质是可逆的，能量是不可逆的，酶也不相同，因此ATP和ADP的相互转化不是可逆反应。
结论：
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活动7
ATP的利用---ATP为肌肉收缩供能
两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等
ATP中特殊化学键不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，即具有较高的转移势能。
ATP在酶的作用下水解时，脱离下来的末端磷酸基团挟能量与其他分子结合，从而使后者发生变化
活动7
ATP的利用—ATP为Ca2+的主动运输供能
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活动7
ATP的利用
请完善能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通的模型图。
商品生产
商品消费
货 币
吸能
水解
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活动8
质疑
（1）ATP只能作为能源物质吗？
（2）有其他的直接能源物质吗？
资料9 如果将ATP中的碱基A替换为G、U、C，分别为鸟苷三磷酸、尿苷三磷酸和胞苷三磷酸，一起组成NTP家族，其脱去核糖第二位C上的O原子组成dNTP家族，均为高能化合物。
资料8 20世纪50年代，研究者发现ATP在神经系统的信息传递中可以作为一种兴奋性的神经递质发挥作用，并且在内脏、中枢及外周神经系统等多个部位的细胞质膜上发现了ATP受体，可见ATP还是一种能在细胞间传递信息的信号分子。
ATP是一种能源物质，也是能在细胞间传递信息的信号分子。
结论：
结论：
除了ATP外，鸟苷三磷酸GTP、尿苷三磷酸UTP和胞苷三磷酸CTP，也可以直接供能。
1．ATP和ADP的相互转化不可逆
(1)ATP与ADP的相互转化
①ATP合成：需要酶的催化，由动物的呼吸作用和植物的光合作用与呼吸作用提供能量。
②ATP水解：需要酶的催化，连接末端磷酸基团的那个特殊化学键水解释放能量，释放的能量用于各项生命活动。
③两者转化时，物质可逆，能量不可逆。
(2)ATP的利用特点
①ATP是生物体内的直接能源物质。
②虽然在生物体内含量少，但是ATP与ADP的相互转化十分迅速。
2．ATP与ADP的相互转化具有普遍性
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。
1.(2022·广东清远高一期末)《晋书·车胤传》记载了东晋时期名臣车胤日夜苦读，将萤火虫聚集起来照明读书的故事。萤火虫尾部可发光，为发光直接供能的物质的结构如图所示。下列说法错误的是
A.ATP是细胞内直接的能源物质
B.ATP是腺苷三磷酸的英文名称缩写
C.ATP供能时，②和④会发生断裂
D.ATP中的字母A指的是①所示的结构
解析　ATP转化为ADP时，②(特殊化学键)会发生断裂，④(特殊化学键)不会断裂，C错误。
√
2. ATP是腺嘌呤核苷的衍生物，下列有关叙述错误的是
A.一分子的ATP中含有的腺苷、磷酸基团和特殊化学键数目依次是1、3、2
B.ATP中的两个特殊化学键储存的能量基本相同，但稳定性不同
C.ATP分子中含有C、H、O、N、P五种元素
D.ATP脱掉两个磷酸基团后为腺嘌呤脱氧核苷酸
解析　ATP中两个磷酸基团被水解掉后所得的物质是AMP腺嘌呤核糖核苷酸，是合成RNA分子的单体之一。
√
3.将标记的32P注入活细胞内，随后迅速分离细胞内的ATP，测定其放射性，下图代表ATP的结构。下列叙述错误的是
A.在饥饿时，细胞内产生ADP的速率远
　大于产生ATP的速率
B.④和⑤之间化学键的形成过程总是与
　放能反应相关联
C.ATP中磷酸基团⑤很快就会被32P标记，
　但是ATP的含量基本不变
D.剧烈运动时，肌肉细胞ATP末端磷酸基团被取代的速率加快
√
解析　ATP与ADP的相互转化十分迅速，两者的含量处于动态平衡中，产生ATP的速率迅速增加的同时产生ADP的速率也是迅速增加的，保证了细胞内稳定的供能环境。
4.蛋白质的磷酸化与去磷酸化被比喻为一种分子开关，分子开关的机理如下图所示，形成有活性的蛋白质是一个磷酸化的过程，即“开”的过程，形成无活性的蛋白是一个去磷酸化的过程，即“关”的过程。下列有关分子开关的说法错误的是
A.细胞代谢产生的ATP可以用于分子开关
　中蛋白质的磷酸化过程
B.分子开关可能是通过改变蛋白质的空间
　结构来实现“开”和“关”的
C.蛋白质去磷酸化过程是一个放能反应的过程，释放的能量有一部分可用于合成ATP
D.蛋白质的磷酸化和去磷酸化不属于可逆反应
√
解析　蛋白质磷酸化过程是一个吸能反应，与ATP的水解相联系，蛋白质去磷酸化过程释放的能量不能用于合成ATP，只能为ATP的合成提供Pi。

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