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第2节 细胞的能量“货币”ATP
【学习目标】
1．通过萤火虫发光器实验分析，发展科学探究能力。
2．通过ATP结构及特点的分析，进一步形成结构功能观。
3．通过理解ATP与ADP的迅速转化并处于动态平衡的过程，初步形成稳态与平衡观。
【课前学习】
一、ATP是一种高能磷酸化合物
1.ATP是________的英文名称缩写，ATP分子结构可以用简式________表示。结构简式中的A代表_______，P代表__________，“～”代表__________。
2.1 mol ATP水解时释放的能量高达30.54KJ，所以说ATP是一种__________化合物。
二、ATP与ADP可以相互转化
1.ATP分子在有关酶的催化下，远离腺苷的_______很容易水解而脱离开来，释放出能量，并产生_______两种产物。同时，在有关酶的催化下，_______接受能量，并结合一个游离的_______，重新形成ATP。
2.ATP形成时的能量来源，在动物、人、真菌和大多数细菌体内均来自细胞进行________时有机物分解所释放的能量，在绿色植物体内还可来自_________。ATP水解后释放的能量去向是用于各种______________。
三、ATP的利用
1.ATP水解释放的能量可用于大脑思考、生物发电、主动运输、物质合成、肌肉收缩等。ATP水解释放的能量使蛋白质分子_______，蛋白质______发生变化，活性改变，从而参与各种化学反应。
2.吸能反应一般与___________相联系，需要ATP水解酶的催化，同时也消耗_______；放能反应一般与___________相联系。
参考答案：一、1.三磷酸腺苷 A-P～P～P 腺苷 磷酸基团 一种特殊的化学键 2.高能磷酸
二、1.特殊化学键 ADP和Pi ADP Pi 2.呼吸作用 光能 生命活动
三、1. 磷酸化 空间结构 2. ATP的水解 水 ATP的合成
【课上学习】
任务一：实验分析：关于萤火虫发光器的实验设计
为什么研磨成粉末的发光器还可以发光呢？
2．为什么要向四支试管分别加入等量的蒸馏水、葡萄糖等溶液？
3．实验结果说明什么？
任务二：认识ATP的结构
1．标出图中的①~④各代表什么？
2．写出ATP的结构简式__________。
3．说出ATP三个字母各自代表的含义A_____T____P______
4．1mol ATP水解能够释放能量30．54kJ，而生物学上一般将水解时能够释放20．92kJ/mol能量的化合物都叫做高能化合物，所以ATP是一种________化合物。
5．ATP的结构特点：________，容易______生成_________，并释放______。
任务三：理解ATP的利用
ATP作为细胞的直接能源物质，细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量的，如_______、_______、_______、_______等。ATP供能的常见方式是ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子_______，此过程是获能过程。
任务四：理解ATP的合成
1．资料分析
①研究显示，一个成年人一天在静止状态下所消耗的ATP约有40kg；在剧烈运动的状态下，每分钟约有0．5kg的ATP转化成ADP。
②成人体内ATP总量约2~10mg，人体安静状态下，肌肉内ATP含量只能供肌肉收缩1~2s。
③每个细胞每秒钟可合成约1000 万个ATP 且同时有等量 ATP 被水解。
问题：
由①和②可以看出ATP__________和_______的矛盾。由③解释ATP虽然含量少但可以持续供能的原因___________________________________。
2．问题：细胞为什么不直接利用葡萄糖等有机物中的能量，而是要将能量转移至ATP中再利用？___________________________________________________________
3．合成ATP的能量来源有__________和____________过程。
【学习任务五】请将ATP与ADP的转化概念图补充完整
【课后练习】
一、单选题
1．下列关于酶的叙述中正确的是（ ）
A．酶是活细胞产生的 B．酶的本质是蛋白质
C．具有专一性、高效性，酶促反应与外界条件无关 D．酶只有在生物体内才起作用
2．下列关于细胞内ATP的叙述中，正确的是（ ）
A．ATP分子中含有腺嘌呤脱氧核苷酸
B．每个ATP分子含有2个磷酸基团，3个特殊化学键
C．ATP在细胞中不断被分解，同时也在不断形成
D．ATP与ADP的相互转化的过程中伴随着能量释放
3．ATP是细胞中的能量通货，下列叙述正确的是（　　）
A．ATP中的A代表腺苷，P代表磷酸基团
B．合成ATP的能量都由细胞呼吸提供
C．细胞内的吸能反应与ATP合成反应相联系
D．细胞代谢旺盛时，ADP大量转化为ATP
4．关于酶与ATP的叙述，正确的是（　　）
A．人体成熟的红细胞能合成大量的酶
B．酶的形成需要消耗ATP，ATP的形成需要酶的催化
C．酶与ATP均具有高效性与专一性
D．ATP含有核糖，而酶均不含核糖
5．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（　　）
A．细胞质和细胞核中都有ATP的分布
B．细胞中的ATP不稳定容易水解
C．细胞中ATP分子的含量很高
D．正常细胞中ATP与ADP的比值相对稳定
6．关于元素和化合物叙述错误的是（　　）
A．ATP、DNA、RNA都含有腺苷，组成元素都有C、H、O、N、P
B．不论鲜重还是干重，细胞中C、H、O、N的含量位于前列
C．镁元素与绿色植物中的糖类等有机物的合成有关
D．性激素、细胞膜、脂肪共有的化学元素只有C、H、O
7．下列关于反应“ATP ADP+Pi+能量”的叙述。错误的是（ ）
A．上述反应存在着能量的释放和储存 B．合成ATP所需能量只来自细胞呼吸
C．这一反应在活细胞中无休止地进行 D．这一过程保证了生命活动的能量供应
8．ATP是一种高能磷酸化合物，其中最容易脱离下来，挟能量与其他分子结合的是（ ）
A．腺苷 B．末端的磷酸基团
C．紧邻腺苷的磷酸基团 D．中间的磷酸基团
9．图是ATP的结构示意图，其中①、②、③表示化学键。下列叙述正确的是（ ）
A．肌肉收缩时，①和③断裂释放能量可使肌肉能量减少，形状改变
B．ATP结构中的脱氧核糖连着三个磷酸基团
C．ATP中的A表示碱基腺嘌呤
D．②和③都断裂后所形成的产物中有RNA的基本组成单位
10．驱动蛋白能催化ATP水解，还能与细胞骨架特异性结合，并沿骨架定向行走，将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。下列叙述错误的是（ ）
A．驱动蛋白能识别ATP分子和细胞骨架
B．细胞骨架是物质和细胞器运输的轨道
C．代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率远大于合成速率
D．由活细胞产生的ATP合成酶在体外也具有催化活性
二、非选择题
11．据图分析回答下列问题：
(1)图1曲线表示物质A生成物质P的化学反应，在无催化条件和有酶催化条件下的能量变化过程。无催化剂时，该反应所需的活化能可用图中__________（填字母）来表示。酶所降低的活化能可用图中__________（填字母）来表示。如果将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b在纵轴上将__________（填“上移”或“下移”）。
(2)目前为止发现的酶绝大多数化学本质为__________，其合成场所是__________，少数酶的化学本质可为__________。
(3)图2是ATP与ADP之间的相互转化图。其中M表示__________（填中文名称），其结构简式为__________，X1和X2表示__________，能量1的去向为__________。
(4)细胞呼吸过程与图2中__________（填“酶1”或“酶2”）所催化的化学反应相联系。
12．细胞的生命活动离不开酶和ATP的参与。ATP合成酶是催化ADP和Pi合成ATP的酶，ATP合成酶的结构如图1所示；图2表示在一块含有淀粉的琼脂块的四个圆形位置，分别用不同方法处理。请回答下列有关问题：
（1）由图1可知，ATP合成酶催化ATP合成的能量来自膜两侧______。从功能角度分析，ATP合成酶广泛分布于真核细胞的细胞质基质以及________（填膜结构）上。
（2）科学家发现，一种化学结构与ATP相似的物质GTP（三磷酸鸟苷）也能为细胞的生命活动提供能量，请从化学结构的角度解释GTP也可以供能的原因是_________。
（3）将图2所示方法处理后的含有淀粉的琼脂块，放入37℃恒温箱中保温处理24小时后，用等量碘液滴在四个圆形位置，观察到的现象是有______个蓝色斑块，由该实验说明酶的特点有______________________。
（4）同无机催化剂相比酶具有高效性的原因是________________________。
参考答案：
1．A 酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，A正确；酶的本质是蛋白质或RNA，酶不都是蛋白质，B错误；酶作为生物催化剂，具有专一性、高效性，酶促反应需要适宜的温度和pH，C错误；在适宜的条件下，酶在生物体外也能起催化作用，不只在生物体内起作用，D错误。
2．C ATP的结构简式是A-P～P～P，去掉两个磷酸集团后，剩余的A-P为腺嘌呤核糖核苷酸，A错误；每个ATP分子含有3个磷酸基团，2个特殊化学键，B错误；细胞内的ATP含量不多，消耗后可迅速合成，C正确；在ATP与ADP的相互转化中，伴随有能量的贮存和释放，D错误。
3．A ATP中的A代表腺苷，P代表磷酸基团，A正确；细胞呼吸和光合作用光反应阶段都可以产生ATP，B错误；ATP合成反应需要消耗能量，因此应该与放能反应相联系，C错误；ATP和ADP在细胞中含量较少，一直处于动态平衡状态，不存在大量转化的情况，D错误。
4．B 人体成熟的红细胞由于没有细胞核和细胞器，故不能产生酶，但能产生ATP，A错误；酶的化学本质为蛋白质或RNA，都是由单体聚合而成，在由单体聚合成大分子的过程中需要ATP水解供能，ATP形成过程中需要ATP合成酶参与，B正确；酶具有高效性与专一性，ATP不具有专一性，C错误；ATP的结构中A指腺苷，由腺嘌呤和核糖构成；少数酶的化学本质是RNA，也含有核糖，D错误。
5．C ATP是生命活动的直接能源物质，在细胞质和细胞核中都有ATP的分布，A正确；细胞中的ATP不稳定，远离腺苷的磷酸基团容易水解，生成ADP和Pi，B正确；细胞中ATP分子的含量少，但和ADP转化速度快，C错误；正常细胞中ATP与ADP的比值相对稳定，D正确。
6．A 腺苷是腺嘌呤与核糖结合而成，DNA中含有的是脱氧核糖，A错误；由分析可知，不论鲜重还是干重，细胞中C、H、O、N的含量位于前列，B正确；镁参与叶绿素的合成，叶绿素与绿色植物中的光合作用有机物合成有关，C正确；性激素、脂肪的组成元素为C、H、O，因而性激素、细胞膜、脂肪共有的化学元素只有C、H、O，D正确；故选A。
7．B 反应向右进行时ATP水解释放能量，向左进行时ATP合成储存能量，故上述反应存在着能量的释放和储存，A正确；绿色植物光合作用的光反应过程中也能产生ATP，B错误；图示过程为ADP与ATP的相互转化，该过程保证了细胞内ATP的相对稳定，保证了生命活动的能量供应，活细胞每时每刻都在进行这一反应，C、D正确。
8．B ATP水解时，最容易脱离下来的是末端（远离腺苷）的磷酸基团，而不是腺苷，A错误；ATP水解时，最容易脱离下来的是末端的磷酸基团，该磷酸基团能挟能量与其他分子结合，B正确；ATP水解时，最容易脱离下来的是末端（远离腺苷）的磷酸基团，而不是紧邻腺苷的磷酸基团，C错误；ATP水解时，最容易脱离下来的是末端（远离腺苷）的磷酸基团，而不是中间的磷酸基团，D错误。
9．D 肌肉收缩时需消耗能量，ATP水解释放能量，即③断裂释放能量，可使肌肉中的能量增加，形状改变，A错误；ATP结构中五碳糖为核糖，B错误；ATP中的A表示腺苷，由腺嘌呤和核糖组成，C错误；②和③都断裂后所形成的产物中有腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本组成单位，D正确。
10．C 由题意知：驱动蛋白能催化ATP水解，还能与细胞骨架特异性结合，说明驱动蛋白能识别ATP分子和细胞骨架，A正确；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，B正确；细胞代谢旺盛时，ATP的水解速率和ATP的合成速率都升高，但两者处于平衡状态，C错误；只要条件适宜，由活细胞产生的ATP合成酶在体外也具有催化活性，D正确。
11．【答案】(1) ac ab 上移 (2) 蛋白质 核糖体 RNA
(3) 腺苷三磷酸 A–P~P~P 磷酸（Pi） 供给各项生命活动 (4)酶2
【解析】(1)酶通过降低化学反应的活化能加快化学反应的速率，在图1中，无催化剂时，该反应所需的活化能是ac段；酶所降低的活化能可以用ab段的能量值来表示；与酶相比，无机催化剂降低活化能的作用相对弱些，因此b在纵轴上将上移。(2)酶绝大多数化学本质为蛋白质，其合成场所是核糖体，少数酶的化学本质可为RNA。(3)通过图2 ATP与ADP之间的相互转化图可知，其中M表示腺苷三磷酸，其结构简式为A–P~P~P。X1和X2表示磷酸（Pi）；能量1供给各项生命活动。(4)细胞呼吸释放能量，合成ATP，故细胞呼吸过程与图2中酶2所催化的化学反应相联系。
12．【答案】 H+的浓度差 线粒体内膜、叶绿体类囊体薄膜 含有两个高能磷酸键，远离鸟苷的高能磷酸键容易水解断裂，释放能量 3 专一性、需要适宜的温度和pH 酶降低活化能的作用更显著
【解析】（1）由题图和题意可知，ATP合成需要的能量是由膜内外H+的浓度差提供的。在真核细胞中合成ATP的场所有线粒体、叶绿体、细胞质基质，在线粒体内膜上进行的有氧呼吸第三阶段会产生大量ATP，在叶绿体类囊体薄膜上进行的光反应能将光能转变成ATP的活跃的化学能，故含有ATP合成酶的生物膜有线粒体内膜、叶绿体类囊体薄膜。（2）由于GTP（三磷酸鸟苷）含有两个特殊的化学键，远离鸟苷的特殊的化学键容易水解断裂，其化学结构与ATP相似的物质，故GTP也能为细胞的生命活动提供能量。（3）1处由于唾液淀粉酶在酸性条件下失活，淀粉不被分解，因此遇碘液变蓝；2处唾液淀粉酶在高温条件下变性失活，淀粉不被分解，因此遇碘液变蓝；3处麦芽糖酶不能水解淀粉，也会变蓝；4处唾液中唾液淀粉酶会将淀粉水解，加碘液不变蓝，故共有3个蓝色斑块，据分析可知，由该实验说明酶的特点有：专一性、需要适宜的温度和pH值。（4）酶同无机催化剂相比具有高效性的原因是酶降低活化能的作用更显著。

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