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生物学高考备考教案
第三章 细胞代谢
课时2 ATP的结构和功能
教师尊享·命题分析
课标要求 核心考点 五年考情 核心素养对接
解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质 ATP的结构和功能 2022：浙江1月T3； 2021：北京T1、海南T14； 2020：北京T1、全国卷Ⅲ ； 2019：天津T2； 2018：浙江4月T10 1.生命观念——结构与功能观：ATP的结构与功能相适应；物质与能量观:ATP是一种能源物质,能够为生命活动提供能量。 2.科学思维——比较与归纳:比较ATP与RNA之间的关系、ATP和ADP之间的相互转化关系
命题分析预测 1.高考对ATP相关知识的考查多以选择题的形式呈现，且往往与物质跨膜运输、酶、光合作用、呼吸作用的内容进行综合考查，着重考查考生的分析判断能力。 2.预计2024年高考仍将延续这种考查模式,也不排除以实验为背景考查考生对ATP的理解和对相关知识的运用，且会渗透对科学思维、科学探究及社会责任等生物学科核心素养的考查
知识导图 教材读薄
教材帮 读透教材 融会贯通
知识整合 教材读厚
1.ATP的结构
[必修1 P86“相关信息”]
图中标出的“ ”的含义：①腺苷；②腺嘌呤；③腺嘌呤脱氧核苷酸；④腺嘌呤核糖核苷酸。
2.ATP与ADP的相互转化
项目 ATP的合成 ATP的分解
反应式
所需酶 ATP合成酶 ATP水解酶
反应类型 吸能反应 放能反应
能量来源 光能 （光合作用）、 化学能 （主要是细胞呼吸） 储存在 ATP 中的能量
能量去路 储存于形成的特殊化学键中 用于各项生命活动
反应场所 细胞质基质、线粒体、叶绿体 生物体的需能部位
[必修1 P87图5-5]ATP与ADP的相互转化，从物质方面来看是可逆的，但从酶、进行场所、能量来源等方面看是不可逆的。
3.ATP的利用和合成
4.肌细胞中ATP产生速率与 供给量之间的关系
（1）上图中当横轴表示呼吸作用强度时，ATP产生速率的变化曲线应该从原点开始。
（2）哺乳动物成熟的红细胞中，ATP的产生速率与 供给量无关。
知识活用 教材读活
情境应用
1. 唐代诗人杜牧有首诗为“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤。天阶夜色凉如水，卧看牵牛织女星。”其中的流萤是指飞舞的萤火虫，萤火虫尾部发光的原理是什么？
提示 萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶，在ATP提供能量的前提下，荧光素酶可催化荧光素转化为能发出荧光的氧化荧光素。
2. 人体内ATP的含量很少，但在剧烈运动时，每分钟约有 的ATP转化为ADP释放能量，以供运动之需，但人体内ATP总含量并没有太大变化，请分析原因。
提示 ATP与ADP时刻不停地发生快速相互转化，处于动态平衡之中。
3. 在植物、动物、细菌和真菌的细胞内，都是以ATP作为能量“货币”的，由此说明了生物界具有统一性，也说明种类繁多的生物有着共同的起源。
深度思考
1. 为什么在细胞能量代谢过程中，需要ATP充当“能量货币”，而不能由糖类直接供能？
提示 （1）ATP中储存的能量是各种生命活动可以“通用”的直接能量，可通过ATP的合成与水解将放能反应产生的能量“转变”为活跃的化学能，“转移”到吸能反应中，供生命活动需要。（2）糖类所含的化学能为稳定的化学能，生命活动无法直接利用。（3）糖类水解过程缓慢，而ATP和ADP的相互转化非常迅速。
2. ATP转化为ADP后，脱离下来的磷酸基团的去向有哪些？
提示 （1）转移给其他分子，例如使蛋白质等分子磷酸化，改变其空间结构和活性；（2）形成游离的磷酸（以 表示）。
基础自测
1. 1个ATP分子由1个腺嘌呤和3个磷酸基团构成。( × )
2. 代谢旺盛的细胞内ATP的含量很高。( × )
3. ATP水解释放的能量可用于细胞内的放能反应。( × )
4. ATP脱去两个磷酸基团后,可作为RNA分子的合成原料。( √ )
5. 无氧条件下，光合作用是叶肉细胞产生ATP的唯一来源。( × )
6. ATP与ADP间相互转化的能量供应机制只发生在真核细胞内。( × )
7. [2021北京，T1C]（ATP）胞内合成需要酶的催化。( √ )
8. [2018浙江4月，T10A]ATP中能量均来自细胞呼吸释放的能量。( × )
教师尊享·思维提升
构建模型理解细胞中重要化合物之间的区别和联系
高考帮 研透高考 明确方向
命题点1 ATP的结构和特点分析
1. [2021海南]研究人员将 标记的磷酸注入活的离体肝细胞， 后迅速分离得到细胞内的ATP。结果发现ATP的末端磷酸基团被 标记，并测得ATP与注入的 标记磷酸的放射性强度几乎一致。下列有关叙述正确的是( B )
A. 该实验表明，细胞内全部ADP都转化成ATP
B. 标记的ATP水解产生的腺苷没有放射性
C. 在ATP的3个磷酸基团中出现的概率相等
D. ATP与ADP相互转化速度快，且转化主要发生在细胞核内
[解析]该实验只能说明被 标记的磷酸中的磷可以进入ATP，不能说明细胞内全部ADP都转化成了ATP，A错误；腺苷不含 ,所以腺苷没有放射性，B正确；远离腺苷的磷酸基团易水解、易合成，C错误；ATP与ADP之间的相互转化主要发生在细胞质中，D错误。
命题拓展
[设问拓展型]题干信息不变，下列叙述正确的是( B )
A. 若是在 后分离细胞内的ATP，测定其放射性强度与 后测得的肯定相同
B. 标记的ATP彻底水解的产物中的有机物都没有放射性
C. 可用 标记细胞中任一种核苷酸，进而研究其遗传物质的复制
D. 细胞中放能反应增强时，游离的 标记的磷酸会短时间增加
[解析]细胞中的ATP和ADP不断发生相互转化，ADP与有放射性和无放射性的磷酸基团随机结合，故无法保证两个时间段内ATP的放射性相同，A错误；ATP彻底水解的产物是腺嘌呤、核糖、磷酸，放射性在磷酸上，不在腺嘌呤和核糖上，B正确；只有标记脱氧核苷酸才能对其遗传物质 DNA的复制进行相关研究，C错误；放能反应与ATP的合成相联系，这时游离的 标记的磷酸会参与ATP的合成而短时间减少，D错误。
命题点2 ATP与ADP的相互转化与利用分析
2. [2021湖南]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( B )
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
[解析]由题图可知，某些蛋白质在特定氨基酸位点发生磷酸化后变为近似于方形的结构，可作为信号分子参与细胞信号传递，去磷酸化后蛋白质又可以重新恢复椭圆形结构，该过程体现了蛋白质结构与功能相适应的观点，A正确；磷酸化和去磷酸化发生在特定氨基酸位点上，该位点的氨基酸一旦缺失，将会使蛋白质的空间结构发生变化进而影响细胞信号传递，B错误；由图可知，蛋白质在发生磷酸化的过程中需要ATP水解供能，C正确；蛋白质磷酸化和去磷酸化反应都是由酶催化的，酶活性受温度的影响，D正确。
教师尊享·备课题组
1. [2021北京]ATP是细胞的能量“通货”，关于ATP的叙述错误的是( B )
A. 含有 、 、 、 、 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
[解析]ATP由 、 、 、 、 五种元素组成，A正确；细胞在无氧条件下进行无氧呼吸也能合成ATP,B错误；细胞内合成ATP需要ATP合成酶的催化，C正确；ATP是细胞内的直接能源物质，D正确。
2. [2019天津]下列过程需ATP水解提供能量的是( B )
A. 唾液淀粉酶水解淀粉 B. 生长素的极性运输
C. 光反应阶段中水在光下分解 D. 乳酸菌无氧呼吸的第二阶段
[解析]唾液淀粉酶水解淀粉是在消化道中进行的，不需要消耗ATP水解释放的能量，A错误；生长素的极性运输是细胞的主动运输，需要消耗ATP水解释放的能量，B正确；光反应阶段中水在光下分解产生 和氧气，不需要消耗ATP水解释放的能量，C错误；乳酸菌无氧呼吸的第二阶段是丙酮酸在酶的催化作用下转化成乳酸，此过程既不产生ATP，也不消耗ATP，D错误。
3. [2018浙江4月]ATP是细胞中的能量通货。下列叙述正确的是( C )
A. ATP中的能量均来自细胞呼吸释放的能量
B. ATP—ADP循环使得细胞储存了大量的ATP
C. ATP水解形成ADP时释放能量和磷酸基团
D. ATP分子中的2个高能磷酸键不易断裂水解
[解析]光合作用的光反应阶段和细胞呼吸均可以产生ATP，A错误。对细胞的正常生活来说，ATP与ADP的相互转化时刻不停地发生并且处于动态平衡之中，ATP—ADP循环不会使得细胞储存大量的ATP，B错误。ATP水解形成ADP和磷酸基团，同时释放能量，C正确。ATP中的2个高能磷酸键比较不稳定，易断裂水解，D错误。
作业帮 练透好题 精准分层
基础过关
一、选择题
1. [2023宁波检测]ATP是细胞生命活动的直接能源物质，下面关于ATP的叙述，错误的是( B )
A. 细胞质和细胞核中都有ATP的分布
B. ATP合成所需的能量由磷酸提供
C. ATP可以水解为ADP和磷酸
D. 正常细胞中ATP与ADP的比值相对稳定
[解析]细胞质中细胞质基质、线粒体和叶绿体内可以产生ATP，细胞核中的生命活动需要消耗ATP，所以细胞质和细胞核中都有ATP分布，A正确；ATP可以在光合作用中合成，能量来自光能，还可以在呼吸作用中合成，能量来自有机物中稳定的化学能，不能由磷酸提供，B错误；ATP中远离腺苷的特殊化学键容易断裂，可以水解为ADP和磷酸，C正确；正常细胞中ATP合成和分解速率基本相等，所以ATP与ADP的比值相对稳定，D正确。
2. [2022广州一模] 家族由 ATP（三磷酸腺苷）、 （三磷酸鸟苷）、 （三磷酸尿苷）和 （三磷酸胞苷）构成。它们的结构只是碱基不同，均为高能磷酸化合物。下列叙述错误的是( D )
A. 许多吸能反应与 ATP的水解反应相联系
B. 彻底水解可得到3种小分子物质
C. 可为细胞中某些生命活动提供能量
D. 中的胞苷（C）由胞嘧啶和脱氧核糖构成
[解析]ATP能为生命活动直接提供能量，因此ATP的水解常与细胞内的吸能反应相联系，A正确； 彻底水解可得到磷酸、核糖、鸟嘌呤，共有3种小分子物质，B正确； 为高能磷酸化合物，故 也可为细胞中某些生命活动提供能量，C正确； 中的胞苷（C）由胞嘧啶和核糖构成，D错误。
3. 如图为ATP分子的结构简式，ATP分子的结构简写式为 。下列说法错误的是( D )
A. 吸能反应和放能反应常与⑤的断裂和形成相关联
B. ATP结构简写式中的A对应图中的①和②，表示腺苷
C. ④⑤中都含有一定的化学能
D. 叶肉细胞中产生的ATP只能用于暗反应
[解析]ATP是联系吸能反应和放能反应的纽带，伴随着远离腺苷的特殊的化学键⑤的断裂和形成，A正确；ATP结构简写式中的 由腺嘌呤①和核糖②组成，表示腺苷，B正确；ATP中特殊的化学键④⑤中都有一定的化学能，C正确；叶肉细胞中光合作用和细胞呼吸都能产生ATP，只有叶绿体中光反应阶段产生的ATP才主要用于暗反应阶段，D错误。
4. [2023湖北名校第一次联考]ATP是细胞的能量“货币”，ATP合酶与ATP酶在ATP与ADP的相互转化中起着重要的作用，下列说法正确的是( C )
A. 能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应间循环
B. 细胞呼吸过程中葡萄糖等有机物中的化学能转变为热能和ATP
C. ATP合酶与ATP酶的合成需要ATP提供能量
D. 无氧条件下，丙酮酸转变为酒精的过程中伴随有ATP的合成
[解析]在 循环中，ATP水解释放的能量是储存在特殊的化学键内的化学能，被各项生命活动所利用；合成ATP的能量主要来自有机物分解释放的化学能和光合作用吸收的太阳能，能量是不可逆的，不能循环利用，A错误。细胞呼吸过程中葡萄糖等有机物中的化学能转变为热能、ATP中的化学能以及丙酮酸中的化学能，B错误。ATP合酶与ATP酶本质属于蛋白质，在细胞内合成蛋白质需要ATP提供能量，C正确。无氧条件下，丙酮酸转变为酒精的过程属于无氧呼吸第二阶段，不产生ATP，D错误。
5. [2023石家庄模拟]生命活动的顺利进行与 循环有关，该循环如图所示，下列有关叙述正确的是( C )
A. 能量守恒定律说明能量①就是能量②
B. ATP中含有三个特殊化学键，连接三个磷酸基团
C. 能量②来自ATP的水解，用于细胞内耗能的生命活动
D. ATP和ADP在细胞中含量很高以满足生命活动的需求
[解析]能量①来自光能和有机物氧化分解释放的化学能，能量②来自ATP中较高的转移势能，即能量①和能量②不同，A错误；ATP中含有两个特殊化学键，B错误；能量②来自ATP的水解，用于细胞内耗能的生命活动，C正确；ATP和ADP在细胞中含量很少，但可通过快速转化来满足机体对能量的需求，D错误。
6. [2022漳州七校联考]每个细菌内的ATP含量基本相同。可利用如图所示原理来检测样品中细菌的数量。下列相关叙述错误的是( B )
A. 检测前需要破坏细胞膜以释放ATP
B. 检测试剂中应含有荧光素酶和ATP
C. ATP水解释放的能量部分转化成光能
D. 荧光强度与样品中细菌数量呈正相关
[解析]据题意可知，荧光素在荧光素酶、ATP等物质的参与下，通过化学反应发出荧光。已知每个细菌内的ATP含量基本相同，故可根据检测的荧光强度来推测细菌的数量。ATP是细胞的直接能源物质，存在于细胞内，故检测前需要破坏细胞膜以释放ATP，A正确；检测试剂中应含有荧光素酶和荧光素等，而ATP应全部来自待检测样品中的细菌，B错误；由反应原理可知，在荧光素酶的催化作用下，ATP水解释放能量使荧光素与 反应发出荧光，ATP水解释放的能量部分转化成光能，C正确；据题意可知，每个细菌内的ATP含量基本相同，则测得的荧光强度与样品中细菌数量呈正相关，D正确。
7. [2022盐城检测]ATP可将蛋白质磷酸化，磷酸化的蛋白质会改变形状做功，从而推动细胞内一系列反应的进行（机理如图所示）。下列叙述错误的是( A )
A. 磷酸化的蛋白质做功，失去的能量主要用于再生ATP
B. ATP推动蛋白质做功的过程，存在放能反应与吸能反应过程
C. ATP水解过程中，末端磷酸基团具有较高的转移势能
D. 主动运输过程中，载体蛋白中的能量先增加后减少
[解析]磷酸化的蛋白质做功，失去的能量主要用于恢复其形状，A错误；由题图可知，ATP推动蛋白质做功的过程中，存在ATP与ADP的转化，即存在放能和吸能反应过程，B正确；ATP水解时，末端磷酸基团易分离，具有较高的转移势能，C正确；主动运输过程中，蛋白质磷酸化利用ATP，恢复形状后能量减少，D正确。
二、非选择题
8. [10分]细胞作为一个基本的生命系统，只有不断输入能量，才能维持生命活动的有序性。在生物体内能量的转换和传递中，ATP是一种关键的物质。
（1） ATP去掉两个磷酸基团后的剩余部分的中文全称是腺嘌呤核糖核苷酸。
[解析]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） 在校运动会上，某同学参加 短跑过程中，其肌细胞中ATP相对含量变化如图所示，请回答下列问题：
Ⅰ. 由整个曲线来看，肌细胞中ATP的含量不会降为零，说明ATP的合成和水解是同时进行的。
[解析]ATP是直接能源物质，在剧烈运动时会用于肌肉收缩等生命活动，ATP在细胞内含量少，但可与ADP快速相互转化。
Ⅱ. 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，证明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ATP耗尽之后，才能进行实验。
②在实验方案上，采取自身前后对照的方法，先滴加葡萄糖溶液（填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”），观察肌肉收缩是否发生，再滴加ATP溶液（填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”）。
③如果将上述顺序颠倒一下，则实验结果不可靠（填“可靠”或“不可靠”），请解释其原因：如果滴加的外源ATP尚未耗尽，滴加葡萄糖溶液，肌肉也会出现收缩。
[解析]由于实验的目的是证明ATP是肌肉收缩所需能量的直接来源，所以实验时应以是否提供ATP为自变量，实验前必须要耗尽肌肉自身的ATP，同时要注意实验步骤的先后顺序，否则会影响实验结果的准确性。
能力提升
9. [2023贵阳模拟]研究人员用 标记 （脱氧三磷酸腺苷）进行相关研究,用 、 和 表示 三个磷酸基团所处的位置，表示为 。下列叙述错误的是( B )
A. 与ATP相比， 分子中特殊的化学物质是脱氧核糖
B. 细胞中组成 、RNA和DNA的元素不完全相同
C. 具有特殊化学键，可为细胞的某些反应提供能量
D. 可用被 标记的 标记DNA分子
[解析]ATP中的五碳糖是核糖， 中的五碳糖是脱氧核糖，因此与ATP相比, 分子中特殊的化学物质是脱氧核糖，A正确；组成 、RNA和DNA的元素均是 、 、 、 、 ，B错误； 中含有2个特殊化学键，其水解可为细胞的某些反应提供能量，C正确； 去掉2个特殊化学键，即脱去 、 位的磷酸基团后，剩余部分是构成DNA的基本单位之一，因此将 的 位磷酸基团标记为 可用于标记DNA分子，D正确。
10. [2023合肥调研]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，结果如表所示。根据实验结果，下列有关分析正确的是( C )
磷酸腺苷 对照组 实验组
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
A. 对照组中的肌肉组织细胞中无ATP和ADP的相互转化
B. 实验组中的肌肉组织细胞中有ATP分解但无ATP合成
C. 对照组中的磷酸肌酸可以维持ATP含量的相对稳定
D. 实验组数据表明部分生命活动利用了靠近 的化学键
[解析]肌肉收缩需要ATP提供能量，对照组肌肉收缩前后ATP和ADP含量没有变化，但有ATP和ADP的相互转化，A错误；实验组肌肉收缩后ATP含量下降，说明有ATP的水解，但根据数据无法判断有无ATP的合成，B错误；磷酸肌酸在肌酸激酶的催化下能将自身的磷酸基团转移到ADP 分子中来合成ATP，故对照组中的磷酸肌酸可以维持ATP含量的相对稳定，C正确；实验组数据中没有 的含量变化，故不能表明部分生命活动利用了靠近 的化学键，D错误。
11. [2023济宁检测]腺苷酸转运蛋白 位于线粒体内膜上，其表面有ATP和ADP的结合位点。在正常状态下， 作为一个反向转运载体把ADP转运到线粒体基质，把ATP从线粒体基质中运出。而在肿瘤细胞中， 转运ADP和ATP的方向相反。研究发现苍术苷可降低 与ADP的亲和力。下列分析错误的是( D )
A. 在转运ATP和ADP时空间结构会发生改变
B. 肿瘤患者体内细胞质基质和线粒体中合成的ATP均可通过 转运
C. 与正常细胞相比，肿瘤细胞的有氧呼吸受到抑制
D. 苍术苷不会对细胞有氧呼吸的第二个阶段造成影响
[解析] 是腺苷酸转运蛋白，当它与ATP或ADP结合后，其空间结构会发生改变，A正确；肿瘤患者体内正常细胞中的 可以将ATP从线粒体基质运到细胞质基质，而肿瘤细胞中转运的方向相反，即由细胞质基质到线粒体基质，B正确；肿瘤细胞中， 能够将线粒体基质中的ADP运出，使有氧呼吸的第二个阶段受到抑制，C正确；苍术苷可降低 与ADP的亲和力，使正常细胞的有氧呼吸的第二个阶段所需要的ADP的量不足，进而影响在细胞质基质中进行的有氧呼吸的第二个阶段，D错误。
12. [2023青岛调研]钙泵（载体蛋白,又称 酶）能驱动细胞质中的 泵出细胞或泵入细胞内的钙库（内质网等储存 的细胞器）,以维持细胞质基质内低浓度的 。当机体接受刺激产生的兴奋传到肌细胞时， 会从钙库中借助通道蛋白释放出来，引起肌肉收缩。下列相关说法错误的是( A )
A. 钙泵磷酸化需要细胞质基质中的ATP酶催化
B. 泵出细胞或泵入内质网腔内的过程属于主动运输
C. 从肌细胞钙库中借助通道蛋白释放到细胞质基质不消耗ATP
D. 能够引起肌肉收缩，说明无机盐具有维持细胞生命活动的作用
[解析]钙泵既是载体蛋白，又是一种能催化ATP水解的酶，可催化ATP水解释放出磷酸基团，磷酸基团与钙泵结合，使钙泵磷酸化，A错误；据题干信息可知，细胞质基质中的钙离子浓度较低，故 泵出细胞或泵入内质网腔是逆浓度梯度进行的，方式为主动运输，B正确；肌细胞钙库中钙离子浓度高于细胞质基质， 从肌细胞钙库中借助通道蛋白释放到细胞质基质是顺浓度梯度进行的，方式为协助扩散，不需要消耗ATP，C正确； 能够引起肌肉收缩，说明无机盐具有维持细胞生命活动的作用，D正确。

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