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第2节　细胞的能量“货币”ATP
高中生物学　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．生命观念：通过构建ATP结构模型，阐述ATP的化学组成和结构特点，认同ATP的结构与功能相适应。
2．科学思维：通过对ATP和ADP相互转化进行模型构建，归纳概述ATP形成所需能量的主要来源及意义。
3．社会责任：理解ATP荧光检测仪可用于判断卫生状况的理论基础，并利用其解决生活中的实际问题。
二、情境导入
萤火虫尾部能发出荧光，肌肉收缩、神经传导等各项生命活动都需要消耗能量。细胞中的糖类、脂肪等有机物中所储存的能量，需要经过一系列转化，最终由ATP等直接能源物质来供应生命活动。那么，ATP为什么能充当细胞生命活动的直接能源物质？它与ADP又是怎样相互转化的？让我们一起走进细胞的能量“货币”——ATP。
三、自主预学
（一）知识梳理
一、ATP的结构与功能
1．中文名称：腺苷三磷酸。
2．ATP的结构
(1)结构简式：A—P～P～P。
(2)图示：
图1　ATP分子的结构简式示意图
3．结构特点
(1)不稳定：末端磷酸基团具有较高的转移势能。
(2)高能量：1 mol ATP水解释放30.54 kJ的能量。
4．功能：驱动细胞生命活动的直接能源物质。
二、ATP与ADP之间的相互转化
1．能量来源
图2　ATP与ADP相互转化中能量来源示意图
2．转化特点
(1)ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生，且处于动态平衡之中。
(2)ATP和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，体现了生物界的统一性。
3．ATP的利用
(1)ATP的利用
图3　ATP为细胞生命活动供能的示意图
(2)ATP为主动运输供能(以Ca2+的主动运输为例)
①载体蛋白的实质：一种能催化ATP水解的酶。
②磷酸化
a．物质变化：ATP分子的末端磷酸基团脱离下来与载体蛋白结合；
b．能量转移：载体蛋白磷酸化。
③物质运输
a．载体蛋白空间结构改变；
b．Ca2+的结合位点转向膜外侧，将Ca2+释放到膜外。
(3)ATP是细胞内能量流通的“货币”
①化学反应中的能量变化与ATP的关系
②能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。
（二）判断正误
(1)ATP是细胞内主要的能源物质。(×)
(2)ATP由1个腺嘌呤和3个磷酸基团构成。(×)
(3)ATP是高能磷酸化合物，含3个特殊的化学键，其中末端的磷酸基团具有较高的转移势能。(×)
(4)人在饥饿时，细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡。(×)
(5)根细胞产生ATP的生理过程为呼吸作用和光合作用。(×)
(6)吸能反应伴随着ATP的合成，放能反应伴随着ATP的水解。(×)
四、课堂探究
探究一　ATP是一种高能磷酸化合物
图4　ATP的分子结构示意图（探究导入）
[材料情境]资料1：ATP是生命活动的直接能源物质与其分子结构特点有关，ATP的结构如图所示。
图5　ATP分子结构示意图（资料1）
资料2：α、β和γ表示ATP上三个磷酸基团所处的位置(见上图)，某小组为探究ATP水解机制，实验设计及结果如下表所示。
组别 32P标记位置 加等量ATP水解酶后游离磷酸基团放射性
甲 α 无
乙 β 无
丙 γ 有
1．结合图示可知，ATP的组成元素有C、H、O、N、P，其含有3个磷酸基团，2个特殊的化学键。
2．ATP中的“A”指的是腺苷，包括腺嘌呤和核糖；“T”即tri，含义是三。DNA碱基中的“A”是指腺嘌呤，“T”是指胸腺嘧啶。ATP彻底水解会得到腺嘌呤、核糖、磷酸。
3．图中①②③④分别代表什么物质？
4．从资料2实验结果可知，ATP中哪一个化学键更容易断裂？
5．结合资料2写出ATP水解的反应式。
6．为什么说ATP是一种高能磷酸化合物(一般将水解时释放20.92 kJ/mol及以上能量的化合物叫作高能化合物)
1．ATP的元素组成与结构
(1)组成图解
图6　ATP的组成图解
(2)结构图解
图7　ATP的结构图解
2．ATP的结构与功能的相互关系
(1)ATP的结构特点保证了细胞内有一个相对稳定的能量供应库。ATP中远离腺苷的特殊的化学键容易水解和形成，可保证ATP数量的相对稳定和能量的持续供应。
(2)ATP在供能中处于核心地位，许多能源物质中的能量需转移到ATP中才能为生命活动供能。在生命活动中，ATP中的能量可转化为不同形式的能量。
对ATP认识的误区：(1)ATP是一种物质，不是能量，ATP中储存有大量的能量，所以不可将ATP与能量等同。(2)ATP脱去一个磷酸基团成为ADP，再脱去一个磷酸基团成为RNA的基本单位之一——腺嘌呤核糖核苷酸，简称AMP。
1．科学家发现小鼠的抑郁行为与星形胶质细胞释放ATP的多少有关。下列有关ATP的叙述，正确的是（　　）
图8　ATP分子结构示意图（对练1）
A．图中的A代表腺苷，b、c为特殊的化学键
B．a是构成DNA的基本单位之一
C．ATP是生物体内的储能物质
D．ATP中的“A”与构成RNA碱基中的“A”表示的不是同一种物质
2．ATP是腺嘌呤核糖核苷酸的衍生物，如图是ATP的分子结构图，下列有关叙述错误的是（　　）
图9　ATP的分子结构图（对练2）
A．ATP分子的结构简式可表示为A－P～P～P
B．ATP的水解，主要是指图中②处的水解
C．许多吸能反应与ATP水解的反应相联系
D．图中①处的化学键断裂，ATP转化为ADP
探究二　ATP与ADP的相互转化及ATP的利用
[材料情境]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。
项目 对照组含量/(10-5mol·g-1) 实验组含量/(10-5mol·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
1．对照组肌肉收缩后ATP含量不变(填“增加”“减少”或“不变”)，因为在肌酸激酶的作用下，可以合成ATP。
2．实验组中消耗的ATP量与产生的ADP量相等吗？请根据ATP的结构特点推测其可能的原因是什么？
3．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。
结论：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。
4．为什么在长期进化过程中，各种生物最终都选择了ATP作为直接能源物质？
5．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。
图10　能量通过ATP在吸能反应和放能反应之间流通的模型图
ATP与ADP相互转化过程的比较
图11　ATP与ADP相互转化过程示意图
反应 ATP→ADP＋Pi＋能量 ADP＋Pi＋能量→ATP
反应类型 水解反应 合成反应
酶的类型 水解酶 合成酶
场所 活细胞所有部位 线粒体、叶绿体、细胞质基质
能量来源 特殊化学键 有机物中的化学能、光能
能量去向 用于各项生命活动 储存于特殊的化学键中
有关ATP与ADP相互转化的两点提醒：(1)ATP在体内的含量很少，但ATP与ADP在细胞内的转化十分迅速，使细胞内ATP含量保持相对稳定。(2)ATP转化为ADP又称ATP的水解反应，这一过程需要酶的催化，同时也需要消耗水。
3．（2025·嘉兴五高月考）自然界中“电鱼”的发电器官能产生电，发电的过程需要消耗ATP。GTP（鸟苷三磷酸）和CTP（胞苷三磷酸）的作用与ATP类似，GTP参与细胞中线粒体的分裂过程；CTP参与甘油磷脂的合成过程。下列叙述正确的是（　　）
A．GTP、CTP和ATP都是组成DNA的基本单位
B．GTP、CTP和ATP的水解反应是一个放能反应
C．线粒体分裂和甘油磷脂的合成过程中需要能量，但不需要酶
D．许多吸能反应与ATP的合成相关联，能量暂时储存在ATP中
4．ATP的反应一般是亲核取代。ATP的三个磷酸每一个都对亲核攻击敏感，每个攻击位点产生不同类型的产物。如对γ磷酸基团的亲核攻击置换出ADP；对β磷酸基团的亲核攻击置换出AMP，并把焦磷酸酰基转移给攻击中的亲核试剂；对α磷酸基团的亲核攻击置换出PPi，并以腺苷酸基的形式转移出腺苷酸，如图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
图12　ATP三种磷酸基团亲核取代反应示意图
A．ATP因含有三个特殊的化学键具有较高能量而被称为高能磷酸化合物
B．图中基团转移时均产生一定的能量，一般与吸能反应相关联
C．对β位磷酸基团亲核攻击置换出的AMP，可用于合成RNA
D．ATP与ADP相互转化的能量供应机制体现了生物界的统一性
五、分层训练
课后分层练(十七)　细胞的能量“货币”ATP
（选择题每题5分，非选择题每题15分）
【基础巩固练】
考点一　ATP的结构和功能
1．如图表示ATP的结构模式图，下列叙述正确的是(　　)
图13　ATP的结构模式图（课后1）
A．ATP分子的结构可以简写成A—P—P～P
B．呼吸作用与②的形成相联系
C．③代表脱氧核糖，参与构成细胞内的DNA
D．④代表腺嘌呤，可存在于RNA中
2．实验研究表明，向经过连续收缩发生疲劳的离体肌肉上滴加葡萄糖溶液，肌肉不收缩；向同一条肌肉上滴加ATP溶液，静置一段时间后，肌肉能发生明显收缩。这表明（　　）
A．葡萄糖是能源物质
B．ATP是直接能源物质
C．葡萄糖是直接能源物质
D．ATP不是能源物质
考点二　ATP与ADP的转化
3．ATP与ADP的转化关系如图，其中①和②为反应过程，③表示某化学键，下列说法正确的是（　　）
图14　ATP与ADP的转化关系示意图（课后3）
A．过程①是合成反应
B．过程②的能量来源可以不同
C．过程①和②需要的是同一种酶
D．细胞内所有的吸能反应均由ATP供能
4．“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤。”诗人杜牧描绘的风景美如画。萤火虫发荧光的相关化学变化如图所示，下列有关叙述错误的是（　　）
图15　萤火虫发荧光的化学变化示意图（课后4）
A．催化荧光素氧化反应的酶与催化ATP水解的酶不是同一种酶
B．萤火虫尾部的发光细胞内含有大量的ATP，以保证其正常发光
C．萤火虫发荧光的过程实现了ATP中的化学能向光能的转化
D．荧光素被氧化发出荧光的过程为吸能反应，伴随着ATP的水解
5．钠钾泵位于动物细胞的细胞膜上，钠钾泵通过磷酸化和去磷酸化过程发生空间结构的变化，导致与Na＋、K＋的亲和力发生变化，具体过程如图所示。
图16　钠钾泵的工作机制示意图（课后5）
(1)ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸上，导致钠钾泵的__________变化，________被排出，其移出膜外的跨膜运输方式是__________；同时胞外的________结合上去，其结合能导致____________释放，恢复钠钾泵的空间结构，如此循环重复。
(2)钠钾泵的化学本质是________，据图推测钠钾泵在物质跨膜运输过程中的作用有：①协助Na＋、K＋跨膜运输；②__________，为Na＋、K＋跨膜运输提供能量。
【综合提升练】
6．ATP可将蛋白质磷酸化，磷酸化的蛋白质会改变形状做功，从而推动细胞内系列反应的进行，其机理如下图所示。下列分析错误的是（　　）
图17　ATP将蛋白质磷酸化的机理示意图（课后6）
A．磷酸化或去磷酸化可能改变蛋白质的空间结构
B．磷酸化的蛋白质做功，失去的能量用于合成ATP
C．主动运输过程中，载体蛋白中的分子势能先增加后减少
D．ATP水解后，与其他分子结合的磷酸基团再脱离下来，则形成游离的磷酸
7．如图①②代表物质M、N间的相互转化过程，则（　　）
图18　物质M与N的相互转化示意图（课后7）
A．萤火虫体内的能量c可来源于光能
B．吸能反应一般和物质M的合成相联系
C．能量d用于过程①时大部分以热能形式散失
D．M、N间的相互转化是生物界共有的能量供应机制
8．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．由活细胞产生的ATP合成酶在体外也具有催化活性
D．代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率远大于合成速率
9．腌制的腊肉往往含有大量的细菌，可利用“荧光素—荧光素酶生物发光法”对市场上腊肉中的细菌含量进行检测：
①将腊肉研磨后离心处理，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)荧光素接受细菌细胞中________提供的能量后被激活，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”)。
(2)“荧光素—荧光素酶生物发光法”中涉及的能量转化的形式是________能→______能。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图所示。若要节省荧光素酶的用量，可以使用____处理；高温和Hg2+处理后酶活性________(填“可以”或“不可以”)恢复；Hg2+处理后酶活性降低可能是因为________。
图19　不同条件处理后酶浓度与发光强度的关系曲线（课后9）
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）提示：ATP是细胞内的直接能源物质。
（2）提示：ATP由1个腺苷和3个磷酸基团构成。
（3）提示：ATP是高能磷酸化合物，含2个特殊的化学键。
（4）提示：人在饥饿时，细胞中ATP与ADP依然可以快速转化而达到动态平衡。
（5）提示：根细胞不能进行光合作用，产生ATP的生理过程为呼吸作用。
（6）提示：吸能反应伴随着ATP的水解，放能反应伴随着ATP的合成。
（二）课堂探究·探究一（ATP是一种高能磷酸化合物）
探究3　①腺苷；②腺嘌呤核糖核苷酸；③ADP；④ATP。
探究4　β位与γ位磷酸基团之间的化学键更容易断裂。
探究5　ATP→ADP＋Pi(磷酸)＋能量。
探究6　因为1 mol ATP水解释放的能量高达30.54 kJ。
对练1　D
解析：图中A代表腺嘌呤，A错误；a是组成RNA的基本单位之一，B错误；ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，不是储能物质，C错误；ATP中的“A”代表腺苷，RNA碱基中的“A”代表腺嘌呤，D正确。
对练2　D
解析：ATP的结构简式表示为A－P～P～P，A正确；ATP水解是指ATP分子中特殊的化学键水解，主要是远离A的特殊化学键，即②处的水解，ATP转化为ADP，B正确，D错误；许多吸能反应与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量，C正确。
（三）课堂探究·探究二（ATP与ADP的相互转化）
探究2　不相等。实验组用肌酸激酶阻断剂处理后，磷酸肌酸的磷酸基团不能转移到ADP分子中合成ATP，导致消耗的ATP量大于产生的ADP量。
探究4　ATP在细胞内含量少，可快速转化，能及时而持续地满足细胞各项生命活动对能量的需求。
对练3　B
解析：ATP、GTP、CTP分别是腺苷三磷酸、鸟苷三磷酸、胞苷三磷酸，它们脱去两个磷酸基团后剩下的结构才是组成RNA的基本单位，而不是组成DNA的基本单位，A错误。GTP、CTP和ATP的水解反应会释放能量，是放能反应，B正确。生化反应不仅需要能量，也需要酶，C错误。许多吸能反应与ATP的水解相关联，D错误。
对练4　A
解析：ATP只含有两个特殊的化学键，A错误；ATP水解一般与吸能反应有关，B正确；对β位磷酸基团亲核攻击置换出的AMP，可用于合成RNA，C正确；ATP与ADP相互转化的能量供应机制体现了生物界的统一性，D正确。
（四）课后分层练(十七)
1　B
解析：ATP分子的结构简式为A－P～P～P，A错误；呼吸作用是放能反应，与②的形成相联系，B正确；③代表核糖，C错误；④代表腺嘌呤，D错误。
2　B
解析：葡萄糖不能直接提供能量，而ATP能使肌肉收缩，说明ATP是直接能源物质，选B。
3　B
解析：过程①是ATP的水解反应，A错误。过程②的能量来源可以不同，B正确。过程①和②需要的酶不同，C错误。细胞内的吸能反应绝大多数由ATP直接供能，D错误。
4　B
解析：荧光素酶催化荧光素氧化反应，ATP水解酶催化ATP水解，两种酶不同，A正确；细胞中ATP含量少，但ADP与ATP转化非常迅速，B错误；荧光产生体现ATP中化学能转化为光能，C正确；荧光素被氧化需要ATP水解提供能量，为吸能反应，D正确。
5（1）　空间结构　Na＋　主动运输　K＋　磷酸基团
5（2）　蛋白质　催化ATP水解
6　B
解析：磷酸化或去磷酸化可能改变蛋白质空间结构，A正确；磷酸化的蛋白质做功，失去的能量用于推动细胞内系列反应，B错误；主动运输消耗能量，载体蛋白分子势能先增加后减少，C正确；ATP水解后磷酸基团再脱离下来形成游离磷酸，D正确。
7　D
解析：萤火虫体内的能量c来自呼吸作用，不能来源于光能，A错误；吸能反应消耗ATP，和物质M的水解相联系，B错误；能量d可用于各项生命活动，C错误；M、N相互转化是生物界共有的能量供应机制，D正确。
8　D
解析：驱动蛋白能识别ATP分子和细胞骨架，A正确；细胞骨架是运输轨道，B正确；ATP合成酶在体外也有催化活性，C正确；代谢旺盛细胞中ATP与ADP相互转化处于动态平衡，水解速率等于合成速率，D错误。
9（1）　ATP　正比
9（2）　化学　光　吸能反应
9（3）　Mg2+　不可以　Hg2+破坏了酶的空间结构

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