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第10讲　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 剖 析
知识1　ATP是一种高能磷酸化合物
1．ATP的中文名称：__腺苷三磷酸__。
2．ATP的元素组成：__C、H、O、N、P__。
3．ATP的结构简式：__A—P～P～P__。其中“A”代表__腺苷__，“P”代表__磷酸基团__，“～”代表__一种特殊的化学键__(苏教版为磷酐键，该键不稳定，断开时需耗能)。
4．ATP和ADP的结构
5．ATP是驱动细胞生命活动的__直接能源物质__。
? 解 疑 释 惑
(1)ATP与DNA、RNA结构简式中不同部位的“A”
① ②
③ ④
图示圆圈部分分别代表：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不等同于能量，ATP是与能量有关的一种__高能磷酸化合物__。
(3)ATP并不是细胞内唯一的直接供能物质，高能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；再比如DNA复制时，所需的dNTPs具有供能和提供原料的作用。
(4)ATP的其他作用
①ATP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，在内脏、中枢神经系统及外周神经系统等多个部位的细胞膜上发现了ATP受体。
②在胰岛素的分泌过程中，ATP/ADP的比值增加是一种信号，会导致ATP依赖的钾离子通道关闭，进而通过一系列过程引发胰岛素的分泌。
(5)拓展与联系
若将ATP中的核糖换成脱氧核糖，则为dATP；若将脱氧核糖上3′碳上的氧也脱去，则为ddATP(可用于DNA测序)。同样，把ATP中的碱基A换成G，则得到GTP，再如以上替换可得到dGTP、ddGTP。
知识2　ATP与ADP的相互转化
项目 ①ATP的合成 ②ATP的水解
反应式 ADP＋Pi＋能量ATP ATPADP＋Pi＋能量
所需酶 ATP合酶 ATP水解酶
能量 来源 __光能__(光合作用)、__化学能__(细胞呼吸) 储存在特殊的化学键(磷酐键)中的化学能
能量 去路 储存于形成的特殊的化学键(磷酐键) 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
? 解 疑 释 惑
(1)ATP水解时，其__末端的磷酸基团__脱离下来，挟能量与__其他分子结合__而使其他分子发生磷酸化，这个与其他分子结合的磷酸基团再脱离下来，就成为游离的磷酸分子(Pi)。
(2)ATP和ADP的相互转化__不是__(填“是”或“不是”)可逆反应。由上表可看出，在ATP和ADP的相互转化过程中，反应类型、反应所需酶以及能量的来源、去路和反应场所都不完全相同。
(3)ATP在细胞内含量较__少__，但ATP与ADP的转化非常迅速，两者处于动态平衡中，保证了能量及时供应。
知识3　ATP的利用
1．ATP为主动运输、发光发电、肌肉收缩、物质合成、大脑思考等生命活动提供__能量__。
2．吸能反应(如生物大分子的合成)一般与__ATP的水解__反应相联系，由ATP水解提供能量；放能反应(如能源物质的氧化分解)一般与__ATP的合成__相联系，释放的能量储存于ATP中。
3．ATP水解供能往往会发生__磷酸化__，伴随着能量的转移，如载体蛋白磷酸化，同时被磷酸化的蛋白质__空间结构__和活性会发生改变。
磷酸化与去磷酸化
磷酸化是一种常见的生物化学修饰过程，是指通过将磷酸基团与目标分子中的氨基酸残基结合，从而改变目标分子的结构和功能。
磷酸化是一种可逆的修饰过程，在相应的位置上加上磷酸基团称为磷酸化，将磷酸基团通过磷酸酶去除称为去磷酸化。腺苷二磷酸结合磷酸基团发生在叶绿体内，为光合磷酸化；腺苷二磷酸结合磷酸基团发生在线粒体内，为氧化磷酸化。这两种磷酸化过程中，都伴随着能量向ATP的转移。若蛋白质分子加上磷酸基团，称为蛋白质分子的磷酸化，已磷酸化的蛋白质分子去除磷酸基团，称为蛋白质分子的去磷酸化。
蛋白质分子的磷酸化过程，往往伴随着ATP水解以提供磷酸基团，在蛋白激酶的作用下完成。蛋白质分子的去磷酸化，在蛋白磷酸酶的作用下完成。如图所示。
通过磷酸化修饰，细胞可以快速响应外界刺激，并调节细胞内的生理过程，在细胞信号传导、基因表达调控、蛋白质功能调节等方面具有重要意义。
思辨小练
判断下列说法的正误：
(1)人体内ATP中的能量最终来自植物吸收的光能。(　√　)
(2)人成熟的红细胞无细胞核和众多的细胞器，因此不能合成ATP。(　×　)
(3)人剧烈运动时，细胞中ATP的含量会明显降低。(　×　)
(4)ATP脱去2个磷酸基团之后是组成DNA的基本单位。(　×　)
(5)腺苷由腺嘌呤和脱氧核糖组成。(　×　)
典 题 精 析
考向1　ATP的结构与功能
(2026·兴化开学考)如图是ATP分子结构示意图，①③④表示组成 ATP 的物质或基团，②表示化学键。下列叙述正确的是(　D　)
A．①是腺苷，④是构成 RNA 的基本单位之一
B．两个相邻的③均带正电荷而相互排斥，导致②不稳定
C．ATP在细胞中通常含量极少，代谢旺盛时，含量明显增多
D．②断裂，③可与载体蛋白结合使载体蛋白磷酸化，导致其空间结构发生变化
解析：①是腺嘌呤，④是腺苷，由腺嘌呤和核糖组成，而RNA的基本单位是核糖核苷酸，A错误；③为磷酸基团，两个相邻的③均带负电荷而相互排斥，导致特殊化学键②不稳定，B错误；ATP 在细胞中通常含量极少，代谢旺盛时，ATP与ADP的转化加快，但ATP的含量不会明显增多，C错误。
考向2　ATP与能量代谢
(2025·河北卷)ATP是一种能为生命活动供能的化合物，下列过程不消耗ATP的是(　D　)
A．肌肉的收缩　　　　
B．光合作用的暗反应
C．Ca2+载体蛋白的磷酸化　　　　
D．水的光解
解析：肌肉收缩通过肌球蛋白与肌动蛋白相互作用，需要ATP水解供能，A不符合题意；光合作用暗反应中C3的还原需要消耗ATP(来自光反应产生的ATP)，B不符合题意；ATP为主动运输供能时载体蛋白空间结构发生变化，Ca2+载体蛋白磷酸化需ATP水解提供磷酸基团和能量，C不符合题意；水的光解发生在光反应阶段，由光能驱动，不消耗ATP，反而生成ATP，D符合题意。
一、 单项选择题
1．(2025·浙江1月卷)ATP是细胞生命活动的直接能源物质。下列物质运输过程需要消耗ATP的是(　C　)
A．O2进入红细胞
B．组织细胞排出CO2
C．浆细胞分泌抗体
D．神经细胞内K＋顺浓度梯度外流
解析：O2进入红细胞、组织细胞排出CO2均属于自由扩散，不消耗能量；浆细胞分泌抗体属于胞吐，需要消耗能量；神经细胞内K＋顺浓度梯度外流属于协助扩散，不消耗能量。
2．(2025·无锡期末改编)下列关于酶和ATP的叙述，正确的是(　A　)
A．ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，但在细胞中含量不多
B．细胞中各类化学反应有序进行只与酶的种类和数量有关
C．线粒体和叶绿体的内膜上都含有催化ATP合成的酶
D．细胞代谢中酶和ATP发挥完作用后均迅速失去活性
解析：细胞中各类化学反应有序进行与酶的种类和数量有关，也与生物膜系统有关，B错误；线粒体内膜上含有催化ATP合成的酶，叶绿体内膜上不含催化ATP合成的酶，C错误；酶发挥作用后不会迅速失去活性，可以反复使用，D错误。
3．(2025·南通期初)如图表示ATP的结构，相关叙述正确的是(　A　)
A．ATP转化为ADP可为离子的主动运输提供能量
B．α和β位磷酸基团之间的化学键不能断裂
C．用γ位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA
D．细胞中ATP的合成速度快、含量高
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，A正确；α和β位磷酸基团之间的化学键断裂可形成AMP，其是构成RNA的基本单位之一，B错误；ATP分子水解两个特殊的化学键后，得到RNA的基本单位之一——腺嘌呤核糖核苷酸，γ和β位的磷酸基团脱离，故用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA，C错误；ATP在细胞中的含量低，但合成速度快，D错误。
4．下列有关细胞中酶与ATP的叙述，错误的是(　C　)
A．有些酶分子的组成元素与ATP相同
B．酶的合成离不开ATP，ATP的合成也离不开酶
C．动物小肠中消化蛋白质需要酶和ATP参与
D．线粒体和叶绿体既能合成酶，也能合成ATP
解析：消化道内食物的水解是不耗能的。
5．(2026·东台一中改编)下列关于ATP的说法，错误的是(　B　)
A．ATP中的能量可以来源于光能、化学能，也可以转化为光能和化学能
B．能合成酶的细胞都能合成ATP，能合成ATP的细胞都能合成酶
C．ATP与ADP相互转化的能量供应机制，在所有细胞中都一样，体现了生物界的统一性
D．ATP的末端磷酸基团具有较高的转移势能，可在脱离后与其他分子结合，从而使后者发生变化
解析：能合成酶的细胞(活细胞)通常能合成ATP，但能合成ATP的细胞，不一定能合成酶，如哺乳动物成熟红细胞，该细胞没有核糖体，不能合成蛋白质，B错误。
6．(2025·南京、盐城一模)活鱼宰杀后，鱼肉中的ATP会逐步降解并转化为肌苷酸(IMP)，IMP在酸性磷酸酶(ACP)等酶作用下降解为次黄嘌呤和核糖，过程如图所示。IMP具有鲜味特性而次黄嘌呤和核糖无鲜味。下列叙述正确的是(　D　)
ATP―→AMPIMP肌苷次黄嘌呤＋核糖
A．ATP、AMP中都含有腺苷和磷酸，都是RNA的基本单位
B．ATP在细胞中含量丰富，能持续为IMP的生成提供能量
C．腺苷脱氢酶、ACP、酶X都能为化学反应提供活化能
D．在IMP降解前有效抑制ACP的活性是鱼肉保持鲜味的思路
解析：ATP分子的结构可以简写成A—P～P～P，AMP分子的结构可以简写成A—P，ATP、AMP中都含有腺苷和磷酸基团，AMP是RNA的基本单位之一，但ATP不是，A错误；细胞内ATP含量很少，但是ATP与ADP之间的转化较为迅速，能满足细胞对能量的需求，B错误；酶能降低化学反应所需活化能，C错误；IMP在ACP等酶作用下降解为次黄嘌呤和核糖，IMP具有鲜味特性而次黄嘌呤和核糖无鲜味，故在IMP降解前有效抑制ACP的活性可使鱼肉保持鲜味，D正确。
7．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)。下列说法错误的是(　B　)
A．ATP推动细胞做功，存在吸能反应与放能反应过程
B．磷酸化的蛋白质做功，失去的能量主要用于再生ATP
C．ATP水解与磷酸化的蛋白质做功均属于放能反应
D．肌肉在收缩过程中，ATP中的化学能转化成了机械能
解析：ATP 推动细胞做功过程中，ATP 的水解是放能反应，蛋白质磷酸化过程是吸能反应，因此该过程存在吸能反应和放能反应，A正确；磷酸化的蛋白质做功时，失去的能量转化成了机械能，B错误；ATP 水解是放能反应，磷酸化的蛋白质做功也是放能反应，C正确；肌肉在收缩过程中，通过ATP水解导致蛋白质磷酸化，将ATP中的化学能转移到了蛋白质中，磷酸化的蛋白质做功过程中又将该部分能量转化为机械能，整个过程中 ATP 中储存的化学能最终转化成机械能，D正确。
8．ATP既可作为直接能源物质，又可作为神经递质发挥作用。下列叙述错误的是(　A　)
A．ATP既可以为DNA合成提供能量，又可以为其提供原料
B．ATP水解可以使蛋白质磷酸化，导致其空间结构发生改变
C．ATP作为信号分子需与特定部位的受体结合
D．ATP含量可以间接反映样品中微生物的数量
解析：ATP水解可为DNA合成提供能量(通过特殊的化学键断裂)，但DNA的原料是脱氧核苷酸，其组成中的磷酸基团并非直接来自ATP，而是普通磷酸，因此，ATP无法为DNA合成提供原料，A错误；ATP水解时，磷酸基团转移至蛋白质，使其磷酸化，导致空间结构改变，进而影响活性，B正确；ATP作为神经递质时，需与突触后膜上的特异性受体结合才能传递信号，C正确；活细胞中ATP含量相对稳定，微生物数量越多，ATP总量越高，因此可通过检测ATP含量间接反映微生物数量，D正确。
9．(2025·扬州期初)磷酸肌酸(C–P)是一种存在于肌细胞中的高能磷酸化合物，它和ATP在一定条件下可以相互转化。细胞在急需供能时，在酶的催化下，磷酸肌酸的磷酸基团转移到ADP分子上，余下部分为肌酸(C)，这样可以在短时间内维持细胞中ATP含量的相对稳定。下列叙述错误的是(　C　)
A．磷酸肌酸转移磷酸基团的过程是放能反应
B．磷酸肌酸是能量的一种储存形式，但不能直接为肌肉细胞供能
C．剧烈运动时，肌细胞中磷酸肌酸与肌酸含量的比值会有所升高
D．磷酸肌酸和肌酸的相互转化与ATP和ADP的相互转化相关联
解析：磷酸肌酸能在肌酸激酶催化下，将其磷酸基团转移至ADP分子上，生成ATP，故磷酸肌酸转移磷酸基团是放能反应，A 正确；磷酸肌酸可作为能量的存储形式，但不能直接为肌肉细胞供能，直接能源物质是ATP，B正确；剧烈运动时，消耗ATP加快，ADP转化为ATP的速率也加快，磷酸肌酸的磷酸基团转移到ADP分子上，产生肌酸，导致磷酸肌酸和肌酸含量的比值会有所下降，C错误；据题干可知，磷酸肌酸(C–P)＋ADP→ATP＋肌酸(C)，故磷酸肌酸和肌酸的相互转化与 ATP和ADP的相互转化相关联，D正确。
10．ATP荧光检测法是利用“荧光素酶—荧光素体系”快速检测ATP含量的方法，其基本原理如下图所示。下列说法错误的是(　C　)
荧光素＋ATP＋O2氧化荧光素＋①＋2Pi＋CO2＋光
A．①可直接作为合成RNA的原料
B．ATP荧光检测过程中ATP中的化学能转化为光能
C．萤火虫能发出荧光是由于细胞中储存着大量的ATP
D．荧光素酶可通过降低化学反应的活化能来加快反应速率
解析：①是ATP脱去两个Pi之后的产物，表示AMP，即腺嘌呤核糖核苷酸，可作为RNA的基本组成单位，A正确；结合题图分析可知，ATP荧光检测过程中，ATP在荧光素和氧气作用下，其中的化学能转化为光能，发出荧光，B正确；ATP在细胞中的含量较少，C错误；酶的作用机理是降低化学反应的活化能，进而加快反应速率，D正确。
二、 多项选择题
11．科研人员研究某种神经毒素(NTX)的作用机制时，发现其可特异性结合细胞膜上的ATP水解酶并使其活性丧失。进一步实验发现：①正常细胞中该酶水解 ATP 时伴随载体蛋白磷酸化；②NTX处理后的细胞，胞内ATP/ADP比值显著上升，但K＋跨膜运输速率下降。下列叙述错误的有(　ABD　)
A．ATP分子由腺嘌呤、脱氧核糖和磷酸基团构成
B．NTX通过破坏ATP的特殊化学键导致供能中断
C．该载体蛋白磷酸化后构象改变，可能协助K＋进行主动运输
D．实验结果表明，ATP的水解产物ADP是运输物质的直接能源
解析：ATP分子由腺嘌呤、核糖和磷酸基团构成，A错误；NTX使酶失活，不破坏ATP本身，ATP/ADP比值上升说明特殊化学键未被破坏，B错误；题干指出载体蛋白磷酸化与K＋运输相关，且NTX抑制ATP水解后K＋运输速率下降，说明磷酸化后的载体蛋白可能参与主动运输(如钠钾泵)，C正确；ATP是直接能源物质，其水解提供能量，D错误。
12．ATP合成的两种机制如图所示，图1所示的ATP是在跨膜H＋(质子)势能的推动下合成的。下列相关叙述正确的有(　AD　)
图1 图2
A．ATP中远离腺苷的磷酸基团具有较高的转移势能
B．两图中均发生了能量转移且能量的来源相同
C．若图1中膜的结构受到破坏，则ATP合成量增加
D．推测图2所示过程可发生在线粒体基质中
解析：图1中ATP合成的能量来自质子的电化学势能，图2中ATP合成的能量来自磷酸基团势能的转移，B错误；若膜的结构受到破坏，其对质子的通透性会发生改变，使质子无法建立电化学势能，导致ATP合成减少，甚至无法合成，C错误。
13．GTP与ATP的化学结构相似。G蛋白由Gα、Gβ和Gγ三个亚基组成，具有GTP水解酶活性。G蛋白可以在活性状态与非活性状态之间相互转化，如图所示，激动剂与G蛋白偶联受体(GPCR)结合后可引起G蛋白转化为活性状态。下列叙述错误的有(　ACD　)
A．GTP中含2个磷酸基团，G代表鸟嘌呤核糖核苷酸
B．细胞中的GTP也可能作为生命活动的直接能源物质
C．G蛋白由非活性状态转化为活性状态与去磷酸化有关
D．生物体内G蛋白的活性只受温度和pH变化的影响
解析：GTP中含3个磷酸基团，GTP中的G代表鸟苷，A错误；ATP是生物体内直接的能源物质，GTP与ATP的化学结构相似，细胞中的GTP也可能作为生命活动的直接能源物质，B正确；据题图分析，G蛋白由非活性状态转化为活性状态时，G蛋白上结合的GDP变为GTP，即发生磷酸化，C错误；据题意可知，G蛋白的活性还受激动剂的影响，D错误。

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