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第一节　ATP是细胞内的“能量通货”
解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。 从物质与能量视角，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化。(生命观念、科学思维)
一、小资料　萤火虫的荧光是怎样形成的
1．荧光发出的意义
萤火虫以荧光作为求偶的信号，吸引异性个体前来交尾。不同种类的萤火虫所发出的荧光有不同的特点。
2．荧光的形成
萤火虫的腹部后端具有发光细胞，细胞内含有一种称为荧光素的发光物质。荧光素在接受ATP中的能量时可以被激活，与氧发生化学反应形成氧化荧光素，而荧光则是这些化学反应的副产物。
二、ATP是细胞生命活动的直接能源
1．ATP的作用实验
(1)实验过程
有学者利用刚刚失去收缩功能的离体肌肉进行实验：在肌肉上滴加葡萄糖溶液后观察肌肉反应，肌肉没有收缩；然后，在同一块肌肉上滴加ATP溶液，肌肉很快发生了明显的收缩。
(2)实验说明
作为能源物质的葡萄糖不能直接被肌肉利用，而ATP可以。
(3)ATP的能量转化特点
在细胞中，ATP转化率非常高，在它形成1 min内就被消耗掉了。
(4)ATP的功能
研究发现，只有ATP不断生成，生命活动才能发生。因此，ATP是生命活动的直接能源。
2．ATP的分子结构特点
ATP是由1个核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成的。核糖是一种五碳糖(C5H10O5)，腺嘌呤是一种含氮碱基。核糖与腺嘌呤结合成的基团称腺苷。腺苷与3个磷酸基团组成腺苷三磷酸。3个磷酸基团中的一个磷酸基团连接在糖分子上，其余2个则相继连接在前一个磷酸基团上。连接2个磷酸基团之间的磷酸键稳定性较差，水解时可以释放出大量的能量，被称为高能磷酸键，以“～”表示。
三、细胞内ATP与ADP保持动态平衡
1．ATP的分布与含量
在活细胞中，ATP广泛分布在细胞核、线粒体、叶绿体、细胞溶胶等结构中，但含量很低。
2．ATP的水解与能量的去向
ATP在细胞中易于水解。1个ATP分子含有2个高能磷酸键，在酶的作用下，远离腺苷的那个高能磷酸键水解，形成腺苷二磷酸(ADP)，释放出1个磷酸，同时释放能量。ATP水解时释放出的能量可以被细胞利用，如肌肉收缩、神经细胞活动以及细胞中许多其他消耗能量的活动。
3．ATP的形成
ATP在细胞中易于再生。在另一种酶的作用下，ADP和1个磷酸结合重新形成ATP，在这个过程中吸收的能量以高能磷酸键的形式储存起来。
4．ATP的合成和水解与吸能反应和放能反应的联系
通过ATP的合成和水解，使放能反应所释放的能量用于吸能反应，此过程被称为ATP-ADP循环。细胞中ATP-ADP循环速度很快，细胞内ATP的含量能够维持在相对稳定的水平。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．荧光和ATP这种化学物质中的能量形式是一样的。 (　　)
2．ATP是细胞中的主要能源物质。 (　　)
3．ATP可以作为生命活动的直接能源与其分子结构特点有关。 (　　)
4．ATP含有三个磷酸基团、三个高能磷酸键。 (　　)
5．ATP是细胞中普遍使用的能量载体，在细胞内能量转换和利用中起着关键作用。 (　　)
提示：1．×　荧光是光能的形式，ATP这种化学物质中的能量是化学能。
2．×　糖类是生命活动的主要能源物质。
3．√
4．×　ATP含有三个磷酸基团、两个高能磷酸键。
5．√
　ATP的化学组成和结构特点
1．ATP的结构
2．ATP结构中的数量关系
(1)ATP分子中有两个高能磷酸键，其中远离A的那个高能磷酸键容易断裂，释放能量。
(2)腺苷和磷酸基团数量关系为：1∶3。
1．某实验小组将萤火虫发光器取下后，干燥研磨成粉末后，等量放入三支试管中，加入少量水混合后，试管中出现淡黄色荧光，15 min后荧光消失。再向试管中分别加入葡萄糖、油脂和ATP，观察是否出现荧光，实验过程如下图所示。
(1)向试管中加入少量水的目的是什么？
提示：向试管中加入少量水的目的是消耗自身的ATP。
(2)若加入的物质X是葡萄糖或油脂，则试管中不会出现荧光，说明了什么？
提示：葡萄糖或油脂，二者不是直接能源物质。
(3)该实验能证明什么？
提示：该实验能证明ATP可直接为生命活动提供能量。
2．据图分析ATP的结构和特点
(1)图示a处应为“—H”还是“—OH”？
提示：图示a处应为“—OH”，因为该五碳糖为“核糖”。
(2)若1分子ATP完全水解，可得到的物质有哪些？
提示：1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸基团。
(3)ATP中的“A”与组成DNA分子的“A”的含义有哪些不同？
提示：ATP中“A”代表腺苷；DNA中“A”代表腺嘌呤。
1．如图为ATP的分子结构图，A、B、C表示相应的结构，①、②表示化学键。下列叙述正确的是(　　)
A．A表示腺嘌呤，B表示腺苷
B．化学键①与化学键②的稳定性相同
C．化学键②的形成所需的能量都来自化学能
D．化学键②中能量的释放往往与吸能反应相关联
D　[根据题图可知，图中A表示腺苷，B表示腺苷一磷酸，A错误；根据题图分析可知，化学键①比化学键②的稳定性高，B错误；化学键②的形成所需的能量来自化学能或光能，C错误；化学键②中能量的释放用于各项需要能量的生命活动，因此往往与吸能反应相关联，D正确。]
2．下列关于ATP的叙述，错误的是(　　)
A．ATP是细胞中的“能量通货”
B．ATP在细胞中容易再生
C．ATP分子含有3个高能磷酸键
D．ATP分子中的A代表腺苷
C　[ATP是细胞中生命活动所需能量的直接来源，是细胞中的“能量通货”，A正确；在细胞中，ATP和ADP的相互转化是时刻进行的，B正确；ATP的结构简式为A－P～P～P，ATP分子含有2个高能磷酸键，C错误；ATP分子中的A是腺苷，D正确。]
3．下列有关ATP结构与功能的叙述中，正确的是(　　)
A．ATP中含有C、H、O、N、P元素
B．ATP分子脱去两个磷酸基团后的剩余部分成为DNA的基本组成单位中的一种
C．ATP中的第三个磷酸基团和第二个磷酸基团很容易从ATP脱离释放能量
D．ATP分子中所有化学键都储存着大量的能量，所以被称为高能磷酸化合物
A　[ATP中含有C、H、O、N、P元素，故A正确；ATP分子脱去两个磷酸基团后，剩余部分是腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本组成单位之一，故B错误；ATP中的第三个磷酸基团容易从ATP脱离，释放能量，第二个磷酸基团不容易脱离，故C错误；ATP中含有两个高能磷酸键和一个普通磷酸键，故D错误。]
　有关ATP的“三点警示”
(1)书写ATP结构简式时避免两种错误。
错误1：A－P－P～P。
错误2：A～P～P～P。
(2)ATP≠能量。
ATP是直接能源物质，水解可释放能量，能量有多种存在形式，如机械能、化学能、电能、光能等。
(3)每个ATP分子中只含有2个高能磷酸键(～)，其中只有远离腺苷的高能磷酸键易断裂或形成。
　ATP与ADP的相互转化
ATP的合成 ATP的水解
反应式 ADP＋Pi＋能量ATP ATPADP＋Pi＋能量
所需酶 ATP合成酶 ATP水解酶
能量来源 光能(光合作用)，化学能(细胞呼吸) 储存于高能磷酸键中的能量
能量去路 储存于形成的高能磷酸键中 用于各项生命活动
反应场所 细胞溶胶、线粒体、叶绿体 生物体的需能部位
分析ATP和ADP相互转化示意图，回答下列问题：
1．试阐述放能反应、吸能反应与ATP的关系。
提示：放能反应释放的能量用于ATP合成，ATP水解产生的能量用于各种吸能反应。
2．ATP与ADP的相互转化过程中物质和能量是否可以循环利用？
提示：物质：可以。ADP、Pi和H2O是可以循环利用的；能量：不可以。ATP水解转化成ADP时释放的能量供各种生命活动利用，不能再重复利用。
3．机体如何解决能量需求高与ATP含量低间的矛盾？
提示：ATP-ADP循环的快速进行。
1．下图为ATP与ADP相互转化的示意图，下列有关叙述不正确的是(　　)
A．ATP与ADP的相互转化是可逆反应
B．在B→C的反应中，产生的E2来源于远离腺苷的高能磷酸键断裂后产生的能量
C．若图中Pi代表磷酸，则B为ATP，C为ADP
D．ATP结构简式中的A是腺苷
A　[ATP与ADP的相互转化不是可逆反应，ATP转化为ADP需要ATP水解酶，ADP转化为ATP需要ATP合成酶，除了酶不同，两个反应的场所、能量的来源和去向都不同，A错误；B→C是ATP水解，产生的能量来源于远离腺苷的高能磷酸键断裂后的转移势能，B正确；若图中Pi代表磷酸，则B为ATP，C为ADP，C正确；ATP结构简式中的A是腺苷，由腺嘌呤和核糖结合而成，D正确。]
2．在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞中的ATP，发现其含量变化不大，但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记，该现象能够说明的是(　　)
①ATP中远离腺苷的磷酸基团容易脱离　②32P标记的ATP是新合成的　③ATP是细胞内的直接能源物质　④该过程中ATP既有合成又有分解
A．①②③④　　 B．①②④
C．①②③ D．②③④
B　[在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞中的ATP，发现其含量变化不大，但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记，说明ATP中远离腺苷的磷酸基团容易脱离，也容易与ADP结合，32P标记的ATP是新合成的，该过程中ATP既有合成又有分解，该现象不能说明生命活动与ATP的关系，不能说明ATP是细胞内的直接能源物质。①②④正确，③错误。]
3．ATP是细胞中的能量通货，下列叙述正确的是(　　)
A．肌肉收缩时，ATP的水解能使肌肉中的能量增加
B．氨基酸合成蛋白质的反应存在ATP-ADP循环
C．ATP中的腺苷由脱氧核糖与腺嘌呤结合而成
D．人体内成熟的红细胞中没有线粒体，不能产生ATP
A　[ATP是生命活动的直接能源物质，可为肌肉收缩提供能量，A正确；氨基酸合成蛋白质需要消耗ATP中的能量，故存在ATP到ADP的转化，但不存在ADP到ATP的转化，B错误；ATP中的腺苷是由核糖与腺嘌呤结合而成的，C错误；人体内成熟的红细胞中没有线粒体，其可以通过厌氧呼吸产生ATP，D错误。]
治疗癌症等难以攻克疾病的生物药物中ATP控制的药物递送系统通常用靶向ATP的适体作为“生物闸门”来实现药物的按需快速释放。近些年，一系列的材料已经证明在细胞内高含量ATP条件下可以释放治疗药物。
通过材料分析可知，一些材料已经证明在细胞内高含量ATP条件下，由ATP控制的药物传递系统可通过靶向ATP的适体快速释放治疗药物，由此形成科学思维的学科素养。
(1)文中“一系列的材料”可以是蛋白质纳米管，可用来包裹、保护药物，根据ATP、蛋白质的结构和功能推测ATP在药物释放中所起的作用。(科学思维)
提示：ATP水解释放的能量可使蛋白质纳米管结构发生改变，从而释放药物。
(2)ATP控制的药物递送系统是否实现了药物的定向运输？(科学思维)
提示：没有。只是实现了药物的按需释放。
[课堂小结]
1．在细胞中，ATP转化率非常高，只有ATP不断生成，生命活动才能发生。ATP是生命活动的直接能源。
2．ATP是由1个核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成的。核糖与腺嘌呤结合成的基团称腺苷。腺苷与3个磷酸基团组成腺苷三磷酸。连接2个磷酸基团之间的磷酸键稳定性较差，水解时可以释放出大量的能量，被称为高能磷酸键。
3．在活细胞中，ATP广泛分布在细胞核、线粒体、叶绿体、细胞溶胶等结构中，但含量很低。
4．ATP在细胞中易于水解。1个ATP分子含有2个高能磷酸键，在酶的作用下，远离腺苷的那个高能磷酸键水解，形成腺苷二磷酸(ADP)，释放出1个磷酸，同时释放能量。ATP水解时释放出的能量可以被细胞利用，如肌肉收缩、神经细胞活动以及细胞中许多其他消耗能量的活动。
5．ATP在细胞中易于再生。在另一种酶的作用下，ADP和1个磷酸结合重新形成ATP，在这个过程中吸收的能量以高能磷酸键的形式储存起来。
6．通过ATP的合成和水解，使放能反应所释放的能量用于吸能反应，此过程被称为ATP-ADP循环。细胞中ATP-ADP循环速度很快，细胞内ATP的含量能够维持在相对稳定的水平。
1．ATP是细胞生命活动的直接能源物质，其分子简式是(　　)
A．A－P～P～P B．A－P－P
C．A－P～P D．A～P～P～P
A　[ATP是细胞生命活动的直接能源物质，其含有1个腺苷、3个磷酸基团和2个高能磷酸键，因此ATP的分子简式是A－P～P～P，故选A。]
2．当其他条件均可满足时，20个腺苷和90个磷酸最多可以组成的ATP个数和ATP分子中所含的高能磷酸键个数是(　　)
A．20个和30个 B．20个和40个
C．40个和40个 D．30个和60个
B　[一个ATP分子中含一个腺苷和三个磷酸基团，20个腺苷和90个磷酸最多可以组成20个ATP，这20个ATP分子中所含的高能磷酸键个数是20×2＝40。综上分析，ACD错误，B正确。]
3．下图为ATP的结构示意图，①③表示组成ATP的物质或基团，②④表示化学键。下列叙述错误的是(　　)
A．①为腺苷，即ATP中的“A”
B．化学键②易于水解，可发生在线粒体中
C．在ATP-ADP循环中③，可重复利用
D．ATP在生物体内储存量少
A　[①为腺嘌呤，而ATP中的“A”指的是腺苷，A错误；化学键②是远离腺苷的高能磷酸键，易于水解，释放的能量用于吸能反应，而线粒体内存在吸能反应，B正确；③是磷酸基团，在ATP-ADP循环中可重复利用，C正确；ATP在生物体内储存量很少，可通过ATP和ADP之间快速的转化来满足机体对能量的需求，D正确。]
4．如图是ATP和ADP相互转化的过程，下列叙述不正确的是(　　)
A．图中“D”代表ADP，“T”代表ATP，“E”代表能量
B．原核细胞中也可以发生ATP和ADP的相互转化过程
C．ATP中的“A”与RNA中的碱基A含义相同
D．ATP中的能量可以转化为光能和化学能
C　[由图可知，“D”代表ADP，“T”代表ATP，“E”代表能量，A正确；ATP和ADP的相互转化过程是自然界所有细胞生物的共性，所以原核细胞中也可发生该过程，B正确；ATP中的“A”的含义是腺苷，即腺嘌呤与核糖结合而成的基团，而RNA中的碱基A的含义为腺嘌呤，二者含义不相同，C错误；ATP中的能量可以在不同生理活动中转化为不同的能量形式，如在萤火虫发光部位可以转化为光能，在有机物的合成中可以转化为稳定的化学能等，D正确。]
5．如图表示ATP水解产生ADP的过程。请回答下面的问题。
(1)图中A表示__________，P代表__________。ATP脱去两个磷酸基团后可作为__________________物质基本结构单位中的一种。图中①代表________________。
(2)图中②易于断裂，释放的能量用于__________。
(3)图示过程中未标出的另一种反应物是________________，催化该过程的酶与催化ATP再生时的酶________________(填“是”或“不是”)同一种酶。
解析：(1)图中A表示腺苷，P代表磷酸基团。ATP脱去两个磷酸基团后的物质为腺嘌呤核糖核苷酸。腺嘌呤核糖核苷酸是组成RNA的基本单位之一。图中①代表高能磷酸键。(2)图中②为远离腺苷的高能磷酸键，易于断裂，释放的能量用于生物体各项生命活动。(3)图示表示ATP水解产生ADP过程，需要水参与，因此图中未标出的另一种反应物是水(H2O)。酶具有专一性，所以催化该过程(ATP水解)的酶与催化ATP再生时的酶不是同一种酶。
答案：(1)腺苷　磷酸基团　RNA　高能磷酸键　(2)生物体各项生命活动　(3)水(或H2O)　不是
课时分层作业(10)　ATP是细胞内的“能量通货”
题组一　ATP的结构特点与功能
1．如图表示ATP的结构，其中表示高能磷酸键的是(　　)
A．①②　　　B．①③　　　C．②③　　　D．③④
A　[图中①和②表示高能磷酸键，③是普通磷酸键，④是腺苷中的化学键。]
2．下列有关ATP的说法正确的是(　　)
A．ATP是RNA合成过程中的直接能源物质之一
B．ATP的两个高能磷酸键中只有远离A的能水解
C．A表示腺嘌呤，P表示磷酸
D．ATP与ADP中所含元素种类不同
A　[ATP是RNA合成过程中的直接能源物质之一，A正确；ATP中存在两个高能磷酸键，远离A的那一个更容易断裂，释放出其中的能量，B错误；根据以上分析可知，A表示腺苷，P表示磷酸，C错误；ATP与ADP中所含元素种类相同，都含有C、H、O、N、P元素，D错误。]
3．下列关于ATP的描述正确的是(　　)
A．一个ATP分子中含有三个高能磷酸键
B．动物体内主要的储能物质是ATP
C．ATP是直接能源物质
D．线粒体是合成ATP的唯一场所
C　[一个ATP分子中含有两个高能磷酸键，A错误；动物体内主要的储能物质是脂肪，而ATP是直接能源物质，B错误、C正确；合成ATP的场所有线粒体、叶绿体和细胞溶胶，D错误。]
4．ATP是细胞内的直接能源物质，其分子结构简式为A—①P～②P～③P(①～③表示化学键)。下列关于ATP的叙述正确的是(　　)
A．化学键①～③断裂后释放的能量相等
B．化学键③最易断裂并释放大量能量
C．ATP在生命活动旺盛的细胞中含量多
D．只有化学键③是高能磷酸键
B　[①是普通磷酸键，③是高能磷酸键，③所含能量比①多，A错误；③是远离腺苷的高能磷酸键，最容易发生断裂，B正确；ATP在身体中的含量少，但和ADP的转化速度很快，C错误；图中②和③都是高能磷酸键，D错误。]
题组二　ATP与ADP的动态平衡
5．ADP转变为ATP还需要(　　)
A．Pi、酶、腺苷、能量 B．Pi、能量
C．能量、腺苷、酶 D．Pi、能量、酶
D　[ADP含有两个磷酸基团，ATP含有三个磷酸基团，ADP转变为ATP需要Pi、放能反应释放的能量和酶的催化，故选D。]
6．如图表示ATP-ADP的循环图解。下列叙述正确的是(　　)
A．①属于放能反应，在细胞内与其他吸能反应密切联系
B．ATP分子由1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成，3个磷酸基团通过高能磷酸键相连
C．人在饥饿时，细胞内的过程①和②也能达到动态平衡
D．各种生物均能独立完成ATP-ADP的循环
C　[①属于吸收能量的反应， A错误；ATP分子由1个核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成， B错误；ATP在细胞内含量很低，且ATP-ADP间的相互转化很快，因此人在饥饿时，细胞内的过程①和②也能达到动态平衡，C正确；病毒没有细胞结构，不能独立完成ATP-ADP的循环，D错误。]
7．细胞代谢与ATP密切相关，丹麦生物学家斯科因研究ATP合成酶而获得诺贝尔奖，下列说法正确的是(　　)
A．由活细胞产生的ATP合成酶在体外不具有催化活性
B．ATP合成酶催化反应的最适温度与其保存温度相同
C．ATP脱去两个磷酸基团后可作为合成RNA的原料
D．代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率大于合成速率
C　[酶活性的发挥需要适宜的条件，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，A错误；ATP合成酶催化反应的最适温度为37 ℃左右，而其保存温度却在低温(0～4 ℃)条件下保存，B错误；ATP去掉后面2个磷酸基团后为腺嘌呤核糖核苷酸，可作为RNA的单体之一，C正确；代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率依然等于合成速率，只不过都加快而已，D错误。]
8．下列有关细胞与能量的叙述，正确的是(　　)
A．ATP水解产生的能量用于细胞中的吸能反应
B．ATP中大量的能量储存在腺苷和磷酸基团中
C．放能反应增强时ATP只进行合成而不能水解
D．ATP-ADP循环使细胞内物质和能量得以循环利用
A　[ATP水解产生的能量用于细胞中的吸能反应，A正确；ATP中大量的能量储存在高能磷酸键中，腺苷和磷酸基团之间为普通磷酸键，B错误；放能反应增强时ATP合成增加，但也有ATP的水解，C错误；能量不能循环利用，D错误。]
9．分析ATP与ADP相互转化示意图，下列有关说法正确的是(　　)
A．若图中Pi代表磷酸，则B为ADP，C为ATP
B．在B→C的反应中，产生的E2来源于高能磷酸键的断裂释放出的能量
C．E1不是物质，对于人、动物、真菌、植物和细菌来说，E1来自细胞呼吸
D．C→B与B→C都可以伴随着放能反应和吸能反应
B　[分析题图可知，图中Pi代表磷酸，B为ATP，C为ADP，故A错误；B→C过程为ATP的水解过程，释放的能量来源于高能磷酸键的断裂，故B正确；E1是合成ATP所需要的能量，对于植物来说，能量来自细胞呼吸和光能，故C错误；ATP与ADP的相互转化过程中，ATP的合成伴随着放能反应，ATP的水解伴随着吸能反应，故D错误。]
10．下图是ATP的分子结构，请据图回答下列问题。
(1)ATP的分子简式为_____________________________________________。
(2)图中虚线部分的名称是________________。
(3)写出ATP与ADP相互转变的反应式：______________________________；该反应进行的场所是________。
(4)在生物体内，ATP水解释放的能量的去向是__________________________
___________________________________________________________________。
解析：(1)ATP的分子简式为A－P～P～P。(2)虚线部分的组成为含氮碱基和五碳糖，故为腺苷。(3)ATP与ADP在酶的作用下不断的转化循环，ATPADP＋Pi＋能量，在细胞中ATP与ADP不断转化为代谢提供能量，故反应场所为细胞。(4)生物体内ATP水解释放的能量直接用于各项生命活动。
答案：(1)A－P～P～P　(2)腺苷　(3)ATPADP＋Pi＋能量　细胞内　(4)直接用于各项生命活动
11．人的骨骼肌细胞中ATP的含量只能维持剧烈运动3 s以内的能量供应。某运动员参加短跑比赛过程中，肌肉细胞中ATP的相对含量随时间的变化如图所示。请根据图回答下列问题。
(1)a→b的变化过程，ATP被水解，释放的能量用于________________。
(2)b→c过程中，ATP含量增加，说明________________加强，释放更多的能量，供ADP合成ATP，补充消耗的ATP。
(3)从整个曲线看，肌细胞中ATP的含量不会降为零，说明____________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
解析：(1)由图可知，a→b段ATP含量减少，ATP被水解，释放大量的能量用于肌肉的收缩等生命活动，来维持剧烈运动。
(2)b→c段ATP含量上升，是由于细胞呼吸的加强，释放了更多的能量，供ADP合成ATP，补充消耗的ATP。
(3)从整个曲线看，肌细胞中ATP的含量不会降为零，说明虽然ATP在细胞内含量少，但与ADP之间的相互转化却十分迅速，使细胞内的ATP的含量总是处于动态平衡之中，使生物体内部的供能环境相对稳定，保证各项生命活动的正常进行。
答案：(1)肌肉收缩等生命活动　(2)细胞呼吸　 (3)ATP在细胞内含量虽少，但与ADP之间的相互转化却十分迅速，使细胞内的ATP的含量总是处于动态平衡之中，构成生物体内部的稳定供能环境
12．ATP是细胞的能量“通货”，细胞内还有与ATP结构类似的GTP、CTP和UTP等高能磷酸化合物，但ATP用途较为广泛。下列有关叙述中，错误的是(　　)
A．ATP分子能在细胞膜上某些蛋白质的催化下水解
B．CTP中高能磷酸键全部水解后的产物能作为合成DNA分子的原料
C．GTP的合成常伴随放能反应，而吸能反应不一定伴随GTP的水解
D．UTP分子中含有3个磷酸基团、2个高能磷酸键
B　[ATP分子能在细胞膜上某些蛋白质的催化下水解，如钠钾泵可催化ATP水解，A正确；根据题意可知，CTP与ATP的结构类似，因此CTP中高能磷酸键全部水解后的产物为胞嘧啶核糖核苷酸，是合成RNA的原料，而合成DNA的原料是脱氧核糖核苷酸，B错误；GTP的合成常伴随放能反应，而吸能反应不一定伴随GTP的水解，也可能是ATP、CTP等的水解，C正确；UTP是尿苷三磷酸的英文缩写，且UTP与ATP的结构类似，故UTP分子中含有3个磷酸基团、2个高能磷酸键，D正确。]
13．某种物质的结构简式为A—Pα～Pβ～Pγ，下列有关该物质的叙述正确的是(　　)
A．该物质含有三个高能磷酸键，都能为生命活动提供能量
B．该物质的β、γ位磷酸基团被水解后，剩余部分是组成RNA的一个基本单位
C．该物质的能量储存在高能磷酸键中，A—P间的化学键没有能量
D．该物质的γ位磷酸基团脱离，释放的能量可用于叶绿体中水的分解
B　[ATP含有2个高能磷酸键，只有末端的高能磷酸键能为生命活动提供能量，A错误；ATP的β、γ位磷酸基团脱离，剩余部分是腺嘌呤核糖核苷酸，是组成RNA的一个基本单位，B正确；A—P间的化学键含有能量，只是高能磷酸键中的能量更多，C错误；叶绿体中水的分解需要的是光能，D错误。]
14．驱动蛋白能催化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．ATP的水解一般与细胞中的吸能反应相联系
D．代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率远大于合成速率
D　[由题意可知，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；ATP水解释放的能量可提供给细胞中的吸能反应，ATP的水解一般与细胞中的吸能反应相联系，C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，D错误。]
15．生物体内的高能磷酸化合物有多种，它们的用途有一定差异，如表所示。下列相关叙述，最为准确的是(　　)
高能磷酸 化合物　 ATP GTP UTP CTP
主要用途 能量 “通货” 蛋白质 合成　 糖原合成 脂肪和磷 脂的合成
A．无光情况下，叶肉细胞内合成ATP的场所有线粒体和叶绿体
B．在糖原、脂肪和磷脂的合成过程中，消耗的能量均不能来自ATP
C．UTP分子中所有高能磷酸键断裂后，可得到尿嘧啶脱氧核苷酸
D．葡萄糖和果糖反应生成蔗糖的过程中，可由ATP直接供能
D　[叶绿体内能产生ATP，但必须要有光照，无光情况下，叶肉细胞内合成ATP的场所只有线粒体和细胞溶胶，A错误；ATP是细胞内能量“通货”，也就是说蛋白质、糖原、脂肪和磷脂的合成也可由ATP直接供能，B错误；脱氧核苷酸中没有尿嘧啶脱氧核苷酸，C错误；ATP是直接能源物质，蔗糖等物质的合成可由ATP直接供能，D正确。]
易错点　不能根据实验的目的与结果作出科学的分析
16．利用“荧光素—荧光素酶生物发光法”可以对食品中细菌的含量进行检测：
①将待测样品研磨后离心处理，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)“荧光素—荧光素酶生物发光法”中涉及的能量转换是________________；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。
其中经________________(填“高浓度盐溶液”“Hg2+”或“高温”)处理后的酶活性可以恢复，Hg2+处理后酶活性降低可能是因为________________。若要节省荧光素酶的用量，可以使用______处理。
解析：(1)ATP是生命活动的直接能源物质，因此荧光素接受ATP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。ATP数量越多，提供能量越多，发光强度越大。每个细菌细胞中ATP含量大致相同且相对稳定，故可以根据ATP含量进而测算出细菌数量。(2)“荧光素—荧光素酶生物发光法”中涉及的能量转换是ATP中高能磷酸键中储存的活跃化学能转化形成光能。ATP水解可为生命活动提供能量，生物细胞中ATP的水解一般与吸能反应相联系。(3)比较曲线中“高浓度盐溶液”“Hg2+”或“高温”对酶处理的曲线可知，其中经高浓度盐溶液处理后的酶活性可以恢复。Hg2+处理后会破坏荧光素酶(蛋白质)空间结构，导致酶活性降低。据图分析，用Mg2+处理荧光素酶后，在较低荧光素酶浓度下就能达到较高发光强度，所以若要节省荧光素酶的用量，可以使用Mg2+处理。
答案：(1)ATP　正比　大致相同且相对稳定　(2)(ATP中活跃的)化学能→光能　吸能反应　(3)高浓度盐溶液　破坏了酶的空间结构　Mg2+
6/18第一节　ATP是细胞内的“能量通货”
解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。 从物质与能量视角，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化。(生命观念、科学思维)
一、小资料　萤火虫的荧光是怎样形成的
1．荧光发出的意义
萤火虫以荧光作为________的信号，吸引异性个体前来交尾。不同种类的萤火虫所发出的荧光有不同的特点。
2．荧光的形成
萤火虫的腹部后端具有________，细胞内含有一种称为荧光素的发光物质。荧光素在接受__________中的能量时可以被激活，与________发生化学反应形成氧化荧光素，而荧光则是这些化学反应的副产物。
二、ATP是细胞生命活动的直接能源
1．ATP的作用实验
(1)实验过程
有学者利用刚刚失去收缩功能的离体肌肉进行实验：在肌肉上滴加葡萄糖溶液后观察肌肉反应，肌肉没有收缩；然后，在同一块肌肉上滴加ATP溶液，肌肉很快发生了明显的收缩。
(2)实验说明
作为能源物质的________不能直接被肌肉利用，而________。
(3)ATP的能量转化特点
在细胞中，ATP转化率________，在它形成1 min内就被消耗掉了。
(4)ATP的功能
研究发现，只有ATP不断生成，生命活动才能发生。因此，ATP是生命活动的________。
2．ATP的分子结构特点
ATP是由1个核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成的。核糖是一种______(C5H10O5)，腺嘌呤是一种________。__________结合成的基团称腺苷。腺苷与3个磷酸基团组成________。3个磷酸基团中的一个磷酸基团连接在糖分子上，其余2个则相继连接在前一个磷酸基团上。连接2个磷酸基团之间的磷酸键______________，水解时可以释放出__________，被称为__________，以“～”表示。
三、细胞内ATP与ADP保持动态平衡
1．ATP的分布与含量
在活细胞中，ATP广泛分布在________、线粒体、________、________等结构中，但含量________。
2．ATP的水解与能量的去向
ATP在细胞中易于水解。1个ATP分子含有________个高能磷酸键，在酶的作用下，________的那个高能磷酸键水解，形成腺苷二磷酸(ADP)，释放出1个磷酸，同时释放能量。ATP水解时释放出的能量可以__________，如肌肉收缩、神经细胞活动以及细胞中许多其他消耗能量的活动。
3．ATP的形成
ATP在细胞中易于再生。在________的作用下，ADP和1个磷酸结合重新形成ATP，在这个过程中吸收的能量以________的形式储存起来。
4．ATP的合成和水解与吸能反应和放能反应的联系
通过ATP的合成和水解，使________反应所释放的能量用于________反应，此过程被称为ATP-ADP循环。细胞中ATP-ADP循环速度很快，细胞内ATP的含量能够维持在____________。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．荧光和ATP这种化学物质中的能量形式是一样的。 (　　)
2．ATP是细胞中的主要能源物质。 (　　)
3．ATP可以作为生命活动的直接能源与其分子结构特点有关。 (　　)
4．ATP含有三个磷酸基团、三个高能磷酸键。 (　　)
5．ATP是细胞中普遍使用的能量载体，在细胞内能量转换和利用中起着关键作用。 (　　)
　ATP的化学组成和结构特点
1．ATP的结构
2．ATP结构中的数量关系
(1)ATP分子中有两个高能磷酸键，其中远离A的那个高能磷酸键容易断裂，释放能量。
(2)腺苷和磷酸基团数量关系为：1∶3。
1．某实验小组将萤火虫发光器取下后，干燥研磨成粉末后，等量放入三支试管中，加入少量水混合后，试管中出现淡黄色荧光，15 min后荧光消失。再向试管中分别加入葡萄糖、油脂和ATP，观察是否出现荧光，实验过程如下图所示。
(1)向试管中加入少量水的目的是什么？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(2)若加入的物质X是葡萄糖或油脂，则试管中不会出现荧光，说明了什么？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(3)该实验能证明什么？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2．据图分析ATP的结构和特点
(1)图示a处应为“—H”还是“—OH”？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(2)若1分子ATP完全水解，可得到的物质有哪些？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(3)ATP中的“A”与组成DNA分子的“A”的含义有哪些不同？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1．如图为ATP的分子结构图，A、B、C表示相应的结构，①、②表示化学键。下列叙述正确的是(　　)
A．A表示腺嘌呤，B表示腺苷
B．化学键①与化学键②的稳定性相同
C．化学键②的形成所需的能量都来自化学能
D．化学键②中能量的释放往往与吸能反应相关联
2．下列关于ATP的叙述，错误的是(　　)
A．ATP是细胞中的“能量通货”
B．ATP在细胞中容易再生
C．ATP分子含有3个高能磷酸键
D．ATP分子中的A代表腺苷
3．下列有关ATP结构与功能的叙述中，正确的是(　　)
A．ATP中含有C、H、O、N、P元素
B．ATP分子脱去两个磷酸基团后的剩余部分成为DNA的基本组成单位中的一种
C．ATP中的第三个磷酸基团和第二个磷酸基团很容易从ATP脱离释放能量
D．ATP分子中所有化学键都储存着大量的能量，所以被称为高能磷酸化合物
　有关ATP的“三点警示”
(1)书写ATP结构简式时避免两种错误。
错误1：A－P－P～P。
错误2：A～P～P～P。
(2)ATP≠能量。
ATP是直接能源物质，水解可释放能量，能量有多种存在形式，如机械能、化学能、电能、光能等。
(3)每个ATP分子中只含有2个高能磷酸键(～)，其中只有远离腺苷的高能磷酸键易断裂或形成。
　ATP与ADP的相互转化
ATP的合成 ATP的水解
反应式 ADP＋Pi＋能量ATP ATPADP＋Pi＋能量
所需酶 ATP合成酶 ATP水解酶
能量 来源 光能(光合作用)，化学能(细胞呼吸) 储存于高能磷酸键中的能量
能量 去路 储存于形成的高能磷酸键中 用于各项生命活动
反应 场所 细胞溶胶、线粒体、叶绿体 生物体的需能部位
分析ATP和ADP相互转化示意图，回答下列问题：
1．试阐述放能反应、吸能反应与ATP的关系。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2．ATP与ADP的相互转化过程中物质和能量是否可以循环利用？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
3．机体如何解决能量需求高与ATP含量低间的矛盾？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1．下图为ATP与ADP相互转化的示意图，下列有关叙述不正确的是(　　)
A．ATP与ADP的相互转化是可逆反应
B．在B→C的反应中，产生的E2来源于远离腺苷的高能磷酸键断裂后产生的能量
C．若图中Pi代表磷酸，则B为ATP，C为ADP
D．ATP结构简式中的A是腺苷
2．在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间内分离出细胞中的ATP，发现其含量变化不大，但部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记，该现象能够说明的是(　　)
①ATP中远离腺苷的磷酸基团容易脱离
②32P标记的ATP是新合成的
③ATP是细胞内的直接能源物质
④该过程中ATP既有合成又有分解
A．①②③④　　 B．①②④
C．①②③ D．②③④
3．ATP是细胞中的能量通货，下列叙述正确的是(　　)
A．肌肉收缩时，ATP的水解能使肌肉中的能量增加
B．氨基酸合成蛋白质的反应存在ATP-ADP循环
C．ATP中的腺苷由脱氧核糖与腺嘌呤结合而成
D．人体内成熟的红细胞中没有线粒体，不能产生ATP
治疗癌症等难以攻克疾病的生物药物中ATP控制的药物递送系统通常用靶向ATP的适体作为“生物闸门”来实现药物的按需快速释放。近些年，一系列的材料已经证明在细胞内高含量ATP条件下可以释放治疗药物。
通过材料分析可知，一些材料已经证明在细胞内高含量ATP条件下，由ATP控制的药物传递系统可通过靶向ATP的适体快速释放治疗药物，由此形成科学思维的学科素养。
(1)文中“一系列的材料”可以是蛋白质纳米管，可用来包裹、保护药物，根据ATP、蛋白质的结构和功能推测ATP在药物释放中所起的作用。(科学思维)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(2)ATP控制的药物递送系统是否实现了药物的定向运输？(科学思维)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
[课堂小结]
1．在细胞中，ATP转化率非常高，只有ATP不断生成，生命活动才能发生。ATP是生命活动的直接能源。
2．ATP是由1个核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成的。核糖与腺嘌呤结合成的基团称腺苷。腺苷与3个磷酸基团组成腺苷三磷酸。连接2个磷酸基团之间的磷酸键稳定性较差，水解时可以释放出大量的能量，被称为高能磷酸键。
3．在活细胞中，ATP广泛分布在细胞核、线粒体、叶绿体、细胞溶胶等结构中，但含量很低。
4．ATP在细胞中易于水解。1个ATP分子含有2个高能磷酸键，在酶的作用下，远离腺苷的那个高能磷酸键水解，形成腺苷二磷酸(ADP)，释放出1个磷酸，同时释放能量。ATP水解时释放出的能量可以被细胞利用，如肌肉收缩、神经细胞活动以及细胞中许多其他消耗能量的活动。
5．ATP在细胞中易于再生。在另一种酶的作用下，ADP和1个磷酸结合重新形成ATP，在这个过程中吸收的能量以高能磷酸键的形式储存起来。
6．通过ATP的合成和水解，使放能反应所释放的能量用于吸能反应，此过程被称为ATP-ADP循环。细胞中ATP-ADP循环速度很快，细胞内ATP的含量能够维持在相对稳定的水平。
1．ATP是细胞生命活动的直接能源物质，其分子简式是(　　)
A．A－P～P～P　 B．A－P－P
C．A－P～P D．A～P～P～P
2．当其他条件均可满足时，20个腺苷和90个磷酸最多可以组成的ATP个数和ATP分子中所含的高能磷酸键个数是(　　)
A．20个和30个 B．20个和40个
C．40个和40个 D．30个和60个
3．下图为ATP的结构示意图，①③表示组成ATP的物质或基团，②④表示化学键。下列叙述错误的是(　　)
A．①为腺苷，即ATP中的“A”
B．化学键②易于水解，可发生在线粒体中
C．在ATP-ADP循环中，③可重复利用
D．ATP在生物体内储存量少
4．如图是ATP和ADP相互转化的过程，下列叙述不正确的是(　　)
A．图中“D”代表ADP，“T”代表ATP，“E”代表能量
B．原核细胞中也可以发生ATP和ADP的相互转化过程
C．ATP中的“A”与RNA中的碱基A含义相同
D．ATP中的能量可以转化为光能和化学能
5．如图表示ATP水解产生ADP的过程。请回答下面的问题。
(1)图中A表示__________，P代表____________。ATP脱去两个磷酸基团后可作为__________________物质基本结构单位中的一种。图中①代表________________。
(2)图中②易于断裂，释放的能量用于____________。
(3)图示过程中未标出的另一种反应物是________________，催化该过程的酶与催化ATP再生时的酶________________(填“是”或“不是”)同一种酶。
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