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12页。

一、ATP是一种高能磷酸化合物
1．中文名称：腺苷三磷酸。
2．结构简式：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。
3．特点
(1)ATP不稳定的原因：由于ATP中两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因，使得特殊的化学键不稳定，末端磷酸基团具有较高的转移势能。
(2)ATP水解的过程就是释放能量的过程，1 ml ATP水解释放的能量高达30.54 kJ，所以说ATP是一种高能磷酸化合物。
4．功能：ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
5．ATP的供能机理：ATP在酶的作用下水解时，脱离下来的末端磷酸基团挟能量与其他分子结合，从而使后者发生变化。
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个特殊化学键，其中末端的磷酸基团具有较高的转移势能( )
答案 (1)× (2)× (3)×
解析 (1)ATP是细胞内的直接能源物质。
(2)ATP由1个腺苷和3个磷酸基团构成。
(3)ATP是高能磷酸化合物，含2个特殊化学键。
任务一：分析ATP的结构及特点
1．辨析ATP中的A代表腺嘌呤吗？
资料1 如图为ATP结构式：
(1)图中①②③的结构分别代表什么？
提示 ①：腺嘌呤；②：核糖；③：磷酸基团。
(2)腺苷是由图中哪些结构组成的？
提示 ①②。
2．辨析ATP中的两个特殊化学键都断裂吗？
资料2 α、β和γ表示ATP上三个磷酸基团所处的位置(A－Pα～Pβ～Pγ)，现有甲、乙两组ATP溶液，甲组用32P标记ATP的β位的磷酸基团，乙组用32P标记ATP的γ位的磷酸基团，然后分别加入等量的ATP水解酶，短时间后迅速分离溶液中游离的磷酸基团，结果发现只有乙组中游离的磷酸基团带有放射性。
(1)从实验结果可知ATP中哪一个化学键更容易断裂？为什么？
提示 β位与γ位磷酸基团之间的化学键更容易断裂。因为ATP中两个相邻的磷酸基团带有负电荷而相互排斥，使得这种化学键不稳定，末端的磷酸基团具有较高的转移势能。
(2)写出ATP水解的反应式。
提示 ATPeq \(――→,\s\up7(酶))ADP＋Pi(磷酸)＋能量。
(3)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/ml及以上能量的化合物叫作高能化合物)?
提示 因为1 ml ATP水解释放的能量高达30.54 kJ。
(4)ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质？
提示 腺嘌呤核糖核苷酸。
1．下列图示能正确表示ATP的是( )
A.
B.
C.
D.
答案 A
解析 ATP的分子结构式可以简写成A—P～P～P，其中A代表腺苷，由腺嘌呤和核糖组成，P代表磷酸基团，正确的连接方式为A项。
2．下列关于ATP分子的叙述，正确的是( )
A．A表示腺嘌呤，P表示磷酸基团
B．ATP分子中含有C、H、O、N、P五种元素
C．1 ml ATP水解，释放出30.54 kJ的能量来自两个特殊化学键的断裂
D．T表示胸腺嘧啶，因而ATP的结构与核苷酸很相似
答案 B
解析 ATP分子的结构简式为A—P～P～P，其中的A代表腺苷，由核糖和腺嘌呤组成，P代表磷酸基团，～代表一种特殊的化学键，T表示三个(磷酸基团)，可见，ATP分子中含有C、H、O、N、P五种元素，A、D错误，B正确；1 ml ATP水解释放出30.54 kJ的能量来自远离“腺苷”的那个特殊化学键的断裂，C错误。
二、ATP与ADP之间的相互转化及ATP的利用
1．ATP与ADP之间的相互转化
(1)相互转化的过程及能量来源图解
(2)ATP与ADP转化的特点
①ATP与ADP的这种相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的。
②ATP与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，这体现了生物界的统一性。
2．ATP的利用
(1)ATP的利用
(2)ATP为主动运输供能的机理
①参与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，其酶活性就被激活了。
②在载体蛋白这种酶的作用下，ATP分子的末端磷酸基团脱离下来与载体蛋白结合，这一过程伴随着能量的转移，这就是载体蛋白的磷酸化。
③载体蛋白磷酸化导致其空间结构发生变化，使Ca2＋的结合位点转向膜外侧，将Ca2＋释放到膜外。
(3)ATP是细胞内流通的能量“货币”
①吸能反应一般与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量。
②放能反应一般与ATP的合成相联系，释放的能量储存在ATP中。
③能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通。
判断正误
(1)吸能反应伴随着ATP的合成，放能反应伴随着ATP的水解( )
(2)人在饥饿时，细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡( )
(3)载体蛋白磷酸化不会使其空间结构发生变化( )
答案 (1)× (2)× (3)×
解析 (1)吸能反应伴随着ATP的水解，放能反应伴随着ATP的合成。
(2)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。
(3)ATP水解释放的磷酸基团可使细胞膜上的载体蛋白磷酸化导致其空间结构发生变化。
任务二：ATP与ADP之间的相互转化
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40 kg；在剧烈运动的状态下，每分钟约有0.5 kg的ATP转化为ADP。成人体内ATP总量约2～10 mg，在安静状态下，肌肉内ATP含量只能供肌肉收缩1～2 s。ATP含量很少，但需求量很大，ATP如何持续供能？请据资料回答下列问题：
资料 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。
(1)为什么对照组ATP和ADP含量没有变化，实验组ATP含量减少，ADP含量上升？
提示 肌肉收缩会消耗ATP生成ADP，对照组中由于存在肌酸激酶，所以ADP在酶的作用下可以重新生成ATP，而实验组由于缺乏肌酸激酶，ADP不能生成ATP，所以对照组ATP和ADP含量没有变化，实验组ATP含量减少，ADP含量上升。
(2)请写出ATP合成的反应式。
提示 ADP＋Pi＋能量eq \(――→,\s\up7(酶))ATP。
2．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。
3．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。
3．下列有关ATP的叙述，不正确的是( )
A．ATP的合成一般与放能反应相联系
B．ATP中的能量可以来源于光能、化学能
C．细胞内各种吸能反应一般需要消耗ATP
D．“能量”就是指ATP，ATP就是“能量”
答案 D
4.如图是细胞内ATP与ADP相互转化的示意图，请据图回答下列问题：
(1)在人体内，图示左侧的能量来自________作用，右侧的能量用于____________(举一例)。
(2)在绿色植物体内，图示左侧的能量来自__________________________________________
作用和________作用。
(3)从图中可知，在适宜的温度和酶的作用下，ADP转变成ATP时还需要的条件是__________。将ADP转化为ATP的图示改写成反应式的形式：__________________________________。
(4)经测定，正常成年人静止状态下24 h将有40 kg ATP发生转化，而细胞内ADP、ATP的总量仅为2～10 mml/L，为满足能量需要，生物体内解决这一矛盾的合理途径是________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)呼吸 大脑思考 (2)呼吸 光合 (3)能量和Pi ADP＋能量＋Pieq \(――→,\s\up7(酶))ATP
(4)ATP和ADP的这种相互转化时刻不停地发生且处于动态平衡之中
解析 (1)在人体内，图示左侧的能量用来合成ATP，来自呼吸作用释放的能量，右侧的能量是ATP水解释放的能量，用于细胞中耗能的生命活动，如大脑思考、主动运输等。(4)细胞内ADP、ATP的总量很少，为满足细胞的能量需要，ATP和ADP的相互转化在细胞内时刻不停地发生且处于动态平衡之中。
题组一 ATP是一种高能磷酸化合物
1．(2023·四川达州高一期末)《晋书·车胤传》记载了东晋时期名臣车胤日夜苦读，将萤火虫聚集起来照明读书的故事。萤火虫尾部可发光，为发光直接供能的物质是( )
A．淀粉 B．ATP
C．葡萄糖 D．蛋白质
答案 B
2．如图是ATP的分子结构式，下列叙述错误的是( )
A．ATP中含有C、H、O、N、P五种元素
B．图中虚线框中部分代表腺苷
C．ATP分子中①处断裂后形成了ADP
D．ATP水解释放的能量可直接用于各项生命活动
答案 C
解析 ATP分子中②的断裂与形成是其与ADP相互转化的基础，C错误。
3．(2023·内蒙古包头高一期末)ATP上三个磷酸基团所处的位置可以用α、β、γ表示(A－Pα～Pβ～Pγ)。蛋白激酶能将ATP上的一个磷酸基团转移到载体蛋白的特定位置，同时产生ADP。若用32P验证蛋白激酶的上述功能，32P应位于ATP的位置是( )
A．α位 B．β位
C．γ位 D．β位和γ位
答案 C
解析 ATP水解释放能量断裂的是末端的那个特殊的化学键，ATP中远离腺苷的化学键断裂后可产生ADP，故蛋白激酶可以催化ATP最末端的磷酸基团转移到载体蛋白的特定位置，同时产生ADP，则带有32P的磷酸基团应在ATP的γ位上。
题组二 ATP与ADP的相互转化
4．如图是生物体内ATP和ADP相互转化表达式，下列相关叙述正确的是( )
A．反应需要的酶1和酶2是同一种酶
B．ATP与ADP相互转化处于动态平衡
C．该反应物质与能量变化都是可逆的
D．ATP释放的能量主要用于再合成ATP
答案 B
解析 此过程物质变化是可逆的，而能量变化是不可逆的，C错误；ATP释放的能量直接用于其他各项生命活动，而ATP合成的能量来自光能和有机物中的化学能，D错误。
5．(2023·山东济南市章丘四中高一期末)如图为ATP与ADP的相互转化，下列叙述正确的是( )
A．ATP经酶水解后的产物是合成DNA的原料之一
B．ATP水解形成ADP时释放能量和磷酸基团
C．ATP与ADP间相互转化的能量供应机制只发生在真核细胞内
D．ATP与ADP的相互转化使得细胞可以大量储存ATP
答案 B
解析 ATP经酶水解后的产物可以是腺嘌呤核糖核苷酸，是合成RNA的原料之一，A错误； ATP与ADP间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，C错误；ATP在细胞中的量很少，不能大量存在，D错误。
6．下列有关ATP的叙述，错误的是( )
A．细胞内ATP的含量很少，但消耗量很大
B．ATP与ADP相互转化过程中所需酶的种类相同
C．ATP和ADP迅速相互转化保证了机体对能量的需求
D．人体细胞内形成ATP的主要生理过程是呼吸作用
答案 B
解析 ATP与ADP相互转化过程中所需要的酶不同，分别为ATP合成酶和ATP水解酶，B错误。
题组三 ATP的利用
7．当细胞膜内侧的Ca2＋与其在细胞膜上的载体蛋白(钙泵)结合时，该载体蛋白可以催化ATP分子末端的磷酸基团转移到载体蛋白上，使载体蛋白磷酸化，将Ca2＋释放到膜外。下列叙述错误的是( )
A．磷酸化后的载体蛋白空间结构发生改变
B．钙泵体现了蛋白质具有运输和催化功能
C．参与Ca2＋运输的载体蛋白可以重复使用多次
D．加入蛋白质变性剂会提高细胞对Ca2＋运输的速率
答案 D
解析 钙泵这种蛋白质，具有运输Ca2＋的载体功能，又有催化ATP分子末端的磷酸基团转移(水解ATP)的功能，B正确；加入蛋白质变性剂会使钙泵变性失活，降低细胞对Ca2＋运输的速率，D错误。
8．下列关于吸能反应和放能反应的说法，错误的是( )
A．ATP是细胞中吸能反应和放能反应的纽带
B．所有细胞中最重要的放能反应是糖的氧化
C．所有植物细胞中最重要的吸能反应是光合作用
D．肌肉收缩是吸能反应，肌肉做功是放能反应
答案 C
解析 放能反应一般与ATP的合成相联系，吸能反应一般与ATP的水解相联系，可见，ATP是细胞中吸能反应和放能反应的纽带，A正确；所有细胞均可通过呼吸作用将糖氧化分解，在此过程中，储存在糖中的能量被释放出来，即所有细胞最重要的放能反应是糖的氧化，B正确；并不是所有的植物细胞都能进行光合作用，因此光合作用不是所有植物细胞中最重要的吸能反应，C错误；肌肉收缩过程中需消耗能量，属于吸能反应，肌肉做功时失去能量恢复原状，属于放能反应，D正确。
9．(2023·江苏淮安高一期末)ATP、GTP、CTP和UTP是细胞内的高能磷酸化合物，彻底水解能产生腺嘌呤的是( )
A．ATP B．GTP
C．CTP D．UTP
答案 A
解析 ATP彻底水解产物为腺嘌呤、核糖和磷酸，A符合题意；GTP彻底水解产物为鸟嘌呤、核糖和磷酸，B不符合题意；CTP彻底水解产物为胞嘧啶、核糖和磷酸，C不符合题意；UTP彻底水解产物为尿嘧啶、核糖和磷酸，D不符合题意。
10．下列生理过程伴随着形状改变，其中不一定需要ATP供能的是( )
A．在胰岛素分泌过程中细胞膜的形状发生改变
B．在篮球比赛等运动过程中骨骼肌发生收缩
C．载体蛋白协助运输葡萄糖过程中形状发生改变
D．植物细胞在KNO3溶液中发生质壁分离及复原
答案 C
解析 胰岛素分泌到细胞外的过程属于胞吐，需要ATP供能，A不符合题意；在篮球比赛等运动过程中，骨骼肌的收缩需要消耗ATP，B不符合题意；载体蛋白运输葡萄糖时可能不需要ATP，如葡萄糖通过协助扩散进入哺乳动物成熟的红细胞；也可能需要ATP，如葡萄糖通过主动运输进入小肠上皮细胞，C符合题意；植物细胞会通过主动运输吸收K＋和NOeq \\al(－,3)，需要ATP供能，当细胞液浓度增大后，会吸水而自动复原，D不符合题意。
11．(2023·山东济南章丘区高一期末)“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤”，萤火虫尾部发光器的发光机理如图所示。下列相关叙述正确的是( )
A．萤火虫尾部的发光细胞产生的荧光素酶在生物体外没有催化活性，不能被使用
B．荧光素接受ATP供能后被激活，O2不足时，可以由葡萄糖直接供能
C．萤火虫发光需要荧光素酶和ATP的参与，这两者都具有高效性和专一性
D．ATP和ADP相互转化的机制在所有生物的细胞内都一样，体现了生物界的统一性
答案 D
解析 在适宜条件下，荧光素酶可以在体外发挥催化作用，A错误；葡萄糖氧化分解释放能量生成的ATP才能用于各项生命活动，B错误；ATP不具有专一性，C错误。
12．(2023·山东淄博第四中学高一期末)磷酸肌酸是主要存在于肌肉细胞中的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分子中合成ATP。下列相关说法不正确的是( )
A．磷酸肌酸转移磷酸基团是放能反应
B．ATP合成不一定需要游离的磷酸
C．肌肉细胞中磷酸肌酸和ATP含量都比较高，都能为肌肉运动直接供能
D．磷酸肌酸这种转移机制对维持细胞中ATP的含量相对稳定有重要意义
答案 C
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，据此推测磷酸肌酸转移磷酸基团时释放能量，用于合成ATP，且ATP合成不一定需要游离的磷酸，A、B正确；ATP能为肌肉运动直接供能，磷酸肌酸不能，细胞中ATP含量低，但人体消耗多，主要是依赖于ATP与ADP之间的快速转化，C错误。
13．蛋白质的磷酸化在信号传递过程中起着重要作用，而很多转化过程都需要 ATP 的参与，蛋白质磷酸化后，空间结构发生了变化，活性也发生了变化，进而使 Ca2＋释放到膜外。蛋白质磷酸化和去磷酸化的过程如图所示。下列相关叙述错误的是( )
A．蛋白质磷酸化的过程会消耗 ATP，使 ATP 的含量明显下降
B．蛋白质磷酸化和去磷酸化的过程体现了蛋白质结构与功能相适应的观点
C．蛋白质的磷酸化和去磷酸化不属于可逆反应
D．蛋白质的磷酸化属于吸能反应，其能量来自 ATP 中活跃的化学能
答案 A
解析 蛋白质磷酸化的过程会消耗 ATP，同时细胞内也有ATP合成，细胞内ATP含量基本不变，A错误；据题图可知，蛋白质的磷酸化过程要用蛋白激酶而去磷酸化过程要用蛋白磷酸酶，所以蛋白质的磷酸化和去磷酸化不属于可逆反应，C正确；据题图可知，蛋白质磷酸化过程伴随ATP的水解，ATP水解释放能量，故该过程属于吸能反应，能量来自 ATP 中活跃的化学能，D正确。
14.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_______________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)写出细胞新陈代谢放能反应中ADP与ATP之间的转化关系式：_______________________，
在吸能反应中ADP与ATP之间的转化关系式：______________________________________。
答案 (1)肌肉收缩等各项生命活动 (2)呼吸作用 (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 (4)ADP＋Pi＋能量eq \(――→,\s\up7(酶))ATP ATPeq \(――→,\s\up7(酶))ADP＋Pi＋能量
15．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”中涉及的能量转换的形式是______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_______________________。
答案 (1)ATP 正比 (2)化学 光 吸能反应 (3)Mg2＋ 不可以 Hg2＋破坏了酶的空间结构
解析 (1)ATP是生命活动所需能量的直接来源。荧光素接受ATP提供的能量，在荧光素酶的催化下，形成氧化荧光素并且发出荧光，其发光强度与ATP的含量成正比，所以根据发光强度可以计算出生物组织中ATP的含量。(2)“荧光素—荧光素酶生物发光法”中涉及的能量转换是化学能转变为光能；放能反应一般与ATP的合成相联系，吸能反应一般与ATP的水解相联系。(3)分析曲线图可知，用Mg2＋处理后，在较低荧光素酶浓度的条件下就能达到较高的发光强度，因此使用Mg2＋处理，能够节省荧光素酶的用量。高温和Hg2＋处理后酶活性不可以恢复。Hg2＋处理后酶活性降低可能是因为Hg2＋破坏了酶的空间结构。腺苷磷酸
对照组/(10－5 ml·g－1)
实验组/(10－5 ml·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
反应
ATPeq \(――→,\s\up7(酶))ADP＋Pi＋能量
ADP＋Pi＋能量eq \(――→,\s\up7(酶))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、细胞质基质等
能量来源
特殊化学键中的化学能
有机物中的化学能、光能
能量去向
用于各项生命活动
储存于特殊化学键中