高中生物第2节 细胞的能量“货币”ATP导学案

这是一份高中生物第2节 细胞的能量“货币”ATP导学案，共15页。学案主要包含了拓展应用等内容，欢迎下载使用。

1.简述ATP的化学组成和特点。
2．解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
素养达成
设疑激趣
“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤。”大家非常熟悉唐朝诗人杜牧这首情景交融的诗作《秋夕》。可是大家想过没有：
(1)萤火虫为什么要发光呢？
(2)萤火虫的发光需要能量吗？
(3)我们知道，糖类、脂肪和蛋白质中都储存着能量。这些物质能为萤火虫发光直接提供能量吗？
夯基提能·分层突破——互动·探究·智涂
探究点一 ATP是一种高能磷酸化合物
下图是ATP的组成，据图分析：
1．ATP的组成元素有哪些？含有几个磷酸基团？几个特殊的化学键？
2．ATP中的“A”、“T”和组成DNA中的“A”、“T”含义相同吗？
3．ATP彻底水解会得到哪些成分？
4．ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质？利用图示表示出其结构。
5．ATP和RNA在组成成分上有怎样的联系？
1.ATP的结构特点可用“一、二、三”来总结，即一个腺苷、二个特殊的化学键、三个磷酸基团。
2．几种化合物中“A”含义的区别
3．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.ATP的元素组成与结构
(1)组成图解
(2)结构图解
(3)ATP与RNA的关系：ATP脱掉两个磷酸基团后即为腺嘌呤核糖核苷酸，图示如下：，是组成RNA的基本单位之一。ATP彻底水解会得到腺嘌呤、核糖和磷酸。
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。
1．(合格考)ATP是腺嘌呤核苷酸的衍生物，如图是ATP的分子结构图，下列有关叙述错误的是( )
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
2．(等级考)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水解 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．①②③D．②③④
3．(等级考)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
探究点二 ATP与ADP的相互转化及ATP的利用
1.资料分析：一个成年人安静状态下，24h内有40kg的ATP水解。剧烈运动状态下，每分钟约有0.5kg的ATP分解释放能量，供运动所需。在正常人体中ATP和ADP的总量很少，且基本保持一定，大约为2mg～10mg。在人体安静状态时，肌肉内ATP所含的能量只能供肌肉收缩1～2s。
(1)从该资料可看出生物体内ATP有什么特点？
(2)ATP会不会出现供不应求的情况？
2．在活细胞中，下图中的循环过程永不停止地进行着。请运用所学知识，分析回答ATP与ADP循环中的有关问题：
(1)在绿色植物的叶肉细胞内，与①相应的生理活动有哪些？
(2)酶1和酶2分别起什么作用？二者相同吗？
(3)动物细胞中，能量E1的来源是什么？②中能量E2的去向有哪些？
3．有人说ATP与ADP相互转化的过程是个可逆反应。这种说法合适吗？通过下面的分析来解答：
(1)从反应条件上看：ATP的分解是一种________反应，催化该反应的酶Ⅰ属于________酶；而ATP的合成是一种________反应，催化该反应的酶Ⅱ属于________酶。由酶的专一性可知，上述反应的条件是________(相同、不相同)的。
(2)从ATP合成与分解的场所上看：ATP合成的场所有细胞质基质、________和__________；而ATP分解的场所有________(使主动运输消耗的能量)、________(DNA复制和RNA合成所消耗的能量)等，因此，其合成与分解的场所________________。
(3)从能量上看：ATP水解的能量是储存在________内的化学能，释放出来后供________利用，不能再由Pi和ADP形成ATP而储存；而合成ATP的能量主要是________中的化学能和________，因此，反应中的能量流向是________(可逆、不可逆)的。
综上所述，ATP和ADP相互转化的过程________(是、不是)可逆反应。
[特别提醒]
1．细胞中ATP的含量并不多：ATP是生命活动的直接能源物质，但它在细胞中的含量很少。ATP与ADP时刻不停地进行相互转化，这是细胞的能量供应机制。
2．ATP为生命活动提供的是化学能
ATP是细胞内的直接供能物质，但并非所有生命活动所需的能量都是由ATP提供的，如GTP、CTP、UTP等都是细胞内的直接供能物质。
3．生物体中与能量有关的物质
(1)直接能源物质——ATP。
(2)主要的能源物质——糖类。
(3)主要的储能物质——脂肪。
(4)植物特有的储能物质——淀粉。
(5)动物特有的储能物质——糖原。
(6)最终能量来源——太阳能。
1.ATP的转化及相关图示
(1)图示1：ATPeq \(,\s\up11(ATP水解酶),\s\d4(ATP合成酶))ADP＋Pi＋能量。
(2)图示2：
(3)ATP在生物体内含量很低，但是ATP与ADP在细胞内的转化十分迅速，从而使细胞内ATP的含量总是处于动态平衡中。
2．ATP与ADP的相互转化分析
综上所述，ATP和ADP相互转化的过程应判断为“物质是可逆的，能量是不可逆的”或解释为“物质是可以循环利用的，能量是不能循环的”。
3．ATP是能量的货币
ATP为细胞中绝大多数需要能量的生命活动直接提供能量。例如，在主动运输中，ATP水解后磷酸基团转移到载体上并使其活化，提高了载体的自由能水平，从而驱动载体主动运输特定物质，运输完成后释放磷酸基团(图a)，随后载体恢复原状。细胞内的化学反应有些是需要吸收能量的，吸能反应常常与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量，如蔗糖的合成(图b)。
ATP是生命活动的直接能源物质
在细胞内部，释放能量和消耗能量的过程通常在不同部位发生。ATP这样的载能分子，能够将能量从放能反应发生的部位转移到吸能反应发生的部位。绿色植物在光合作用过程中捕获光能，用于处于低能状态的CO2和H2O合成高能状态的有机物；有机物在生物的细胞呼吸过程中氧化分解，释放能量用于细胞的各项耗能活动：这些过程都离不开ATP与ADP的相互转化(如图)。
ATP是细胞中吸能反应与放能反应的纽带
由于ATP分子结构的独特性，细胞中绝大多数生命活动都是由ATP直接提供能量的。因此，ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。可以形象地把ATP比作细胞内流通的能量“货币”。正是由于细胞内具有ATP这种能量“货币”，细胞才能及时而持续地满足各项生命活动对能量的需求。
1．(合格考)有人把ATP比作细胞的能量“货币”，说明ATP是细胞生命活动的( )
A．直接能源物质B．储备能源物质
C．间接能源物质D．主要能源物质
2．(合格考)ATP在细胞内的含量及其生成速度分别为( )
A．很多、很快B．很少、很慢
C．很多、很慢D．很少、很快
3．(等级考)ATP(甲)是生命活动的直接能源物质，据图判断下列叙述正确的是( )
A．在主动运输过程中，乙的含量会明显增加
B．丙中不含磷酸键，是RNA基本组成单位之一
C．丁由腺嘌呤和核糖组成，而戊可用于甲的合成
D．甲→乙和乙→丙过程中，起催化作用的酶空间结构相同
4．(等级考)(不定项)ATP是一种非常重要的化合物，它是细胞的能量“货币”，其结构简式为A—P～P～P。ATP的水解可以为物质的主动运输供能，下图是ATP为主动运输供能的示意图。下列有关叙述错误的是( )
A．ATP中远离A的两个磷酸基团被水解后，剩余部分是组成DNA的一种基本单位
B．参与Ca2＋主动运输的载体蛋白是一种能催化ATP水解的酶
C．在运输Ca2＋的载体蛋白的作用下，ATP分子的末端磷酸基团脱离下来与载体蛋白结合，这一过程伴随能量的转移
D．由图可知，细胞中Ca2＋的跨膜运输是由ATP水解提供能量的主动运输，而ATP水解总是跟放能反应有关
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1.下列关于水稻细胞内ATP的叙述，错误的是( )
A．能与ADP相互转化
B．只能由细胞呼吸产生
C．可为物质跨膜运输提供能量
D．细胞核和细胞质中都有ATP的分布
2．下列关于生物体中ATP结构与功能的叙述，正确的是( )
A．ATP与ADP的转化始终处于动态平衡中
B．ATP是细胞中唯一的直接能源物质
C．ADP脱去一个磷酸基团，可作为DNA的组成单位
D．吸能反应总是与ATP水解的反应相联系
3.
如图①②代表物质M、N间的相互转化过程，则( )
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
4．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
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：
(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________；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__________________。
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问题探讨
1．提示：萤火虫发光的生物学意义主要是相互传递求偶信号，以便交尾、繁衍后代。
2．提示：有。萤火虫腹部后端细胞内的荧光素，是其特有的发光物质。
3．提示：有。萤火虫腹部细胞内一些有机物中储存的化学能，只有在转变成光能时，萤火虫才能发光。
练习与应用
一、概念检测
1．B 2.D 3.B 4.C
二、拓展应用
1．提示：吸能反应：如葡萄糖和果糖合成蔗糖的反应，需要消耗能量，是吸能反应，这一反应所需要的能量是由ATP水解为ADP时释放能量来提供的。
放能反应：如丙酮酸的氧化分解，能够释放能量，是放能反应，这一反应所释放的能量除以热能形式散失外，用于ADP转化为ATP的反应，储存在ATP中。
2．提示：在储存能量方面，ATP同葡萄糖相比具有以下两个特点：①ATP分子中含有的化学能比较少；②ATP分子中所含的是活跃的化学能，而葡萄糖分子中所含的是稳定的化学能。
3．提示：植物、动物、细菌和真菌等生物的细胞内都具有能量“货币”ATP，这可以从一个侧面说明生物界具有统一性，也反映种类繁多的生物有着共同的起源。
第2节 细胞的能量“货币”ATP
夯基提能·分层突破
探究点一
【师问导学】
1．ATP的组成元素为C、H、O、N、P。含有3个磷酸基团。2个特殊的化学键。
2．不同。ATP中的“A”指的是腺苷，包括腺嘌呤和核糖；“T”的含义是3。DNA中的“A”只是指腺嘌呤，“T”是指胸腺嘧啶。
3．ATP彻底水解会得到腺嘌呤、核糖和磷酸。
4．ATP去掉两个磷酸基团后形成的结构是腺嘌呤核糖核苷酸，图示如下：
5．ATP是构成RNA的基本单位之一。
【随堂检测】
1．解析：ATP的结构简式表示为A－P～P～P；ATP水解实际上是指ATP分子中特殊的化学键水解，主要是远离A的特殊的化学键的水解；许多吸能反应与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量；ATP水解时，远离A的特殊的化学键易断裂，即②处的化学键断裂，ATP转化为ADP。
答案：D
2．解析：由于是部分ATP的末端P已带上放射性标记，说明ATP中远离A的P容易水解，①正确；部分ATP的末端P已带上放射性标记，说明部分32P标记的ATP是重新合成的，②正确；由于题干中没有说明ATP供能的过程，所以不能说明ATP是细胞内的直接能源物质，③错误；ATP含量变化不大和部分ATP的末端P已带上放射性标记，说明该过程中ATP既有合成又有分解，④正确。
答案：B
3．解析：根据题意“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”说明葡萄糖不能直接提供能量；“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”说明ATP是直接能源物质。
答案：B
探究点二
【师问导学】
1．(1)消耗大，含量低，快速转化，不能长时间储存。
(2)不会。ATP和ADP可以时刻不停地发生相互转化。
2．(1)光合作用和细胞呼吸。
(2)酶1催化ATP的合成，是ATP合成酶；酶2催化ATP的水解，是ATP水解酶。二者不相同。
(3)来自于呼吸作用中糖类等有机物氧化分解释放的能量以及其他一些高能磷酸化合物的分解；转化为其他各种形式的能量，用于生物的各项生命活动。
3．(1)水解 水解 合成 合成 不相同
(2)线粒体 叶绿体 细胞膜 细胞核 不尽相同
(3)特殊的化学键 各项生命活动 有机物 光能 不可逆 不是
【随堂检测】
1．解析：ATP是细胞生命活动的直接能源物质。
答案：A
2．解析：ATP在细胞内含量很少，通过ATP与ADP迅速的相互转化提供稳定的供能环境。
答案：D
3．解析：图中甲为ATP，乙是ADP，生物体内的ATP和ADP含量非常少，但二者都处于动态平衡状态，所以主动运输过程中，乙的含量不会明显增加；丙是腺嘌呤核糖核苷酸，含有一个磷酸键；丁为腺苷，由腺嘌呤和核糖组成，而戊可用于甲的合成；催化甲→乙和乙→丙过程的酶不同，空间结构不同。
答案：C
4．解析：ATP中的“～“代表一种特殊的化学键，断开两个这种化学键，就形成了A—P，又叫AMP(腺嘌呤核糖核苷酸)，它是组成RNA的一种基本单位，A错误；如图所示，参与Ca2＋主动运输的载体蛋白是一种能催化ATP水解的酶，当膜内侧的Ca2＋与其相应位点结合时，酶活性就被激活了，B正确；在运输Ca2＋的载体蛋白的作用下，ATP分子的末端磷酸基团脱离下来与载体蛋白结合，这一过程伴随能量的转移，此过程就是载体蛋白的磷酸化，C正确；细胞中Ca2＋的跨膜运输是主动运输，需要ATP水解释放能量为其供能，而细胞内许多吸能反应与ATP水解的反应相联系，D错误。
答案：AD
高效课堂·实践运用
1．解析：在相关酶的催化作用下，ATP能与ADP相互转化，A正确；某些植物细胞ATP可以来自细胞呼吸或光合作用，B错误；ATP可为物质跨膜运输提供能量，C正确；细胞核和细胞质中都有ATP的分布，如物质的合成均需要消耗能量，D正确。
答案：B
2．解析：ATP与ADP的转化始终处于动态平衡中，A正确；ATP是细胞中主要的直接能源物质，B错误；ADP脱去一个磷酸基团，可作为RNA的组成单位，C错误；ATP不是细胞中唯一的直接能源物质，吸能反应不一定总是与ATP水解的反应相联系，D错误。
答案：A
3．解析：萤火虫体内的能量c主要来自呼吸作用，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，和过程①没有关系，C错误；M、N间的相互转化是生物界共有的能量供应机制，D正确。
答案：D
4．解析：由题干信息“驱动蛋白能催化ATP水解，还能与细胞骨架特异性结合”可推知，驱动蛋白能识别ATP分子和细胞骨架，A正确；由题意可知，细胞骨架是物质和细胞器运输的轨道，B正确；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，C正确；对细胞的正常生活来说，ATP与ADP的相互转化是处于动态平衡之中的，故代谢旺盛的细胞中ATP的水解速率等于合成速率，D错误。
答案：D
5．解析：(1)由图可知，ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵上，导致钠钾泵的空间结构变化，胞内Na＋被排出，此过程需要ATP提供能量，运输方式是主动运输。胞外的K＋结合上去，其结合能导致磷酸基团释放，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蛋白质，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催化ATP水解，为Na＋、K＋跨膜运输提供能量。
答案：(1)空间结构 Na＋ 主动运输 K＋ 磷酸基团
(2)蛋白质 催化ATP水解反应式
ATP→ADP＋Pi＋能量
能量＋Pi＋ADP→ATP
类型
水解反应
合成反应
条件
水解酶
合成酶
场所
活细胞内多种场所
细胞质基质、线粒体、叶绿体
能量转化
放能
吸能
能量来源
特殊的化学键
呼吸作用、光合作用
能量去向
用于各项生命活动
储存于ATP中
网
络
建
构
eq \a\vs4\al()
主
干
落
实
1.ATP的结构简式是A－P～P～P，其中“A”代表腺苷，“P”代表磷酸基团，“～”代表特殊的化学键。
2．一个ATP分子中有1个腺苷，3个磷酸基团，其中含有2个特殊的化学键。
3．ATP与ADP相互转化的反应式是ATP eq \(,\s\up11(酶Ⅰ),\s\d4(酶Ⅱ)) ADP＋Pi＋能量。
4．细胞内ATP与ADP的相互转化体现了生物界的统一性。
5．动物、人、真菌等合成ATP的途径是呼吸作用。
6．绿色植物合成ATP的途径是光合作用和呼吸作用。
7．ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。