高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第2节 细胞的能量“货币”ATP优质导学案及答案

ATP结构及转化详解

一、ATP的结构与功能

1. ATP的结构以及特点

（1）

问题探讨：ATP的组成元素有哪几种？和哪种生物大分子的元素组成相同？

提示：C、H、O、N、P，和核酸的元素组成相同。

易错点拨：ATP、DNA、RNA中A代表的含义：

（2）ATP的结构简式：A—P～P～P

注意：ATP中的“—”为普通化学键、“～”为高能磷酸键，两者都含有能量，后者含有的能量多。

（3）结构特点：ATP中的高能磷酸键不稳定，末端的磷酸基团具有较高的转移势能，在ATP酶的作用下，远离腺苷的高能磷酸键易水解，释放出其中的能量。

2. ATP的功能

驱动细胞生命活动的直接能源物质，用于主动运输、物质合成、大脑思考、肌肉收缩等。

二、ATP与ADP的相互转化

1. ATP的水解：需要水解酶的参与。

2. ATP的合成：需要ATP合成酶的参与。

问题探讨：ATP与ADP的相互转化是可逆的吗？分析原因。

提示：ATP的水解及合成两个过程是不可逆的。

（1）反应条件不同，ATP水解需要水解酶，而ATP合成需要合成酶；

（2）反应中能量来源和去向不同，ATP水解中释放的能量来自ATP高能磷酸键断裂，然后用于各种生命活动，如主动运输等，而ATP 合成中需要的能量来自光合作用中捕获的光能或者呼吸作用中有机物释放的化学能，在形成ATP时储存在高能磷酸键中；

（3）反应场所不同，ATP水解发生在生物的任何活的体细胞中，而ATP合成主要发生在植物的叶绿体、动物的线粒体及细胞质基质中。

由以上分析可知，ATP与ADP的相互转化，并非简单的可逆反应：从物质方面来看是可逆的，从酶、进行的场所、能量方面来看是不可逆的。

3. ATP在生物体内的存在特点

ATP是活细胞内一种特殊的能量载体，在细胞内的含量很少，但是，ATP与ADP在细胞内的相互转化十分迅速，并且， ATP的消耗与再生的速度是相对平衡的，使ATP与ADP的含量总处于动态平衡中，这对于构成细胞内稳定的供能环境具有十分重要的意义，并且这种供能机制在所有细胞都是一样的，体现了生物界的统一性。简单记忆：ATP与ADP的转化快，含量低，且含量相对稳定。

三、ATP产生量与O2供给量的关系图分析

图中A点表示在无氧条件下，细胞可通过无氧呼吸分解有机物，产生少量ATP；

AB段表示随着氧气供给量的增加，有氧呼吸明显增强，ATP的产生量逐渐增多；

BC段表示氧气供给量超过一定范围后，ATP的产生量不再增加，此时的限制因素可能是酶、ADP、磷酸等。

问题探讨：若用上图模式表示哺乳动物成熟红细胞中ATP产生量与O2供给量关系，应如何绘制？

提示：哺乳动物成熟的红细胞只能进行无氧呼吸，ATP的产生量与氧气浓度无关。

如图：

四、不同能源物质的比较

细胞内的能源物质：糖类、脂肪、蛋白质；主要的能源物质：糖类；最好的储能物质：脂肪；

最终能源来源：光能或太阳能；直接能源物质：ATP。

记忆技巧：糖类、脂肪等有机物中的能量很多，但不能被细胞直接利用，相当于“存折”，稳定的化学能只有转化成ATP中活跃的化学能，相当于“现金”，才能被细胞直接利用。因此，ATP就是能直接为细胞提供能量的“货币”，即直接的能量来源。

例题1  如图是ATP中磷酸键逐级水解的过程图。据下图判断，有关叙述正确的是（　　）

A. 甲为ADP，大肠杆菌体内ATP→甲过程发生在线粒体中

B. 催化ATP→甲过程的酶1与酶2、酶3相同，且具有高效性

C. 酶1、酶2和酶3催化的反应均伴有能量释放，且乙→丙释放的能量最少

D. 物质丙是构成RNA的基本组成物质之一，其中含有的五碳糖为核糖

答案：C

解析：本题主要考查ATP的水解过程，难度中等。图中甲为ADP，大肠杆菌是原核生物，细胞中没有线粒体，A错误；酶具有专一性，酶2和酶3分别是催化甲→乙和乙→丙的酶，催化ATP→甲过程的是另一种酶，它们不相同，但都有高效性，B错误；ATP水解的物质丙为腺苷（由腺嘌呤和核糖组成），物质乙为腺嘌呤核糖核苷酸，物质乙是构成RNA的基本组成物质之一，D错误。

例题2  下面是生物界中能量通货——ATP的“循环”示意图。相关叙述正确的是（　　）

A. 组成图中“M”和“N”的元素与动植物体内重要储能物质的组成元素相同

B. 图中①过程消耗的能量1可来自光能，②过程释放的能量2可转化成光能

C. 图中“能量2”能为葡萄糖进入人成熟的红细胞直接提供能量

D. 代谢旺盛的细胞内ATP含量较多，代谢缓慢的细胞内ADP含量较多

答案：B

解析：本题主要考查ATP与ADP的相互转化，难度较大。图中“M”指的是腺嘌呤，“N”指的是核糖，前者含有氮元素，脂肪是动植物体内的重要储能物质，不含氮元素，A错误；葡萄糖进入人成熟的红细胞的跨膜运输方式为协助扩散，而协助扩散不消耗能量，C错误；ATP含量在细胞内处于动态平衡状态，代谢旺盛和代谢缓慢的细胞内ATP与ADP之间“循环”的快慢有差别，而不是含量方面有差别，D错误。

（答题时间：30分钟）

1. 下列有关ATP概念的叙述正确的是（　　）

①ATP是生物体内主要的储存能量的物质

②ATP的能量主要储存在腺苷和磷酸基团之间的化学键中

③ATP水解一般指ATP分子中高能磷酸键的水解

④ATP在细胞内的含量很少，但转化速度很快   

⑤ATP只能在线粒体中生成

⑥ATP是可流通的“能量货币”

A. ①②④ B. ③④⑥ C. ③⑤⑥ D. ③④⑤

2. ATP是细胞生命活动的直接能源物质。下列关于ATP的叙述，正确的是（    ）

A. A代表腺嘌呤和脱氧核糖结合成的部分

B. T表示一个ATP分子中有三个高能磷酸键

C. 合成ATP的场所一定不能进行ATP的水解

D. 所有细胞都有ATP与ADP相互转化的能量供应机制

3. 一般情况下，生物体的主要能源物质、直接能源物质、储备能源物质及最终能源依次是（　  ）

A. 太阳能、糖类、脂肪、蛋白质 B. ATP、糖类、脂肪、太阳能

C. 糖类、ATP、脂肪、太阳能 D. 糖类、ATP、淀粉、太阳能

4. ATP是细胞的能量“通货”。下列关于ATP的说法中，正确的是（    ）

A. 细胞中的吸能反应一般与ATP的合成相联系

B. 1个ATP分子由1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成

C. ATP在植物、动物和微生物体内的来源均相同

D. ATP水解所产生的能量来自ATP中高能磷酸键断裂所释放的能量

5. 图中甲代表ATP，下列有关叙述正确的是（　　）

A. 在主动运输过程中，乙的含量会明显减少

B. 甲→乙和乙→丙过程中，其催化作用的酶空间结构相同

C. 丙是RNA基本组成单位之一，其中不含磷酸基团

D. 丁由腺嘌呤和核糖组成，而戊可用于甲的合成

6. 在下列几种化合物的化学组成中，“○”中所对应的含义最接近的是（    ）

A. ①和②                   B. ①和③

C. ③和④                   D. ⑤和⑥

7. 萤火虫有发光细胞，在发光细胞中有萤光素和荧光素酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消耗ATP，并与氧气发生反应而发光。该过程中ATP中水解释放的能量有95%的转变为光能，下列有关ATP的叙述中正确的是（    ）

A. 在含有荧光素和荧光素酶的溶液中加入葡萄糖也可发光

B. ATP是由腺嘌呤磷酸等单体组成的高分子化合物

C. ATP水解释放的能量可用于细胞内各种吸能反应

D. 人在饥饿时，细胞中ATP和ADP的含量难以达到动态平衡

8. 生物体内能量代谢中ATP的合成和利用过程如图所示。以下说法正确的是（    ）

A. 动植物都在不断地进行呼吸作用，从而为①过程不断提供能量

B. ①过程和②过程的进行是不断在进行的，因此二者构成可逆反应

C. c表示吸收的能量，包括光能、热能、机械能、化学能等

D. d表示释放的能量，说明ATP的水解往往与放能反应相联系

9. 如图为ATP与ADP相互转化的图解，请据图回答：

（1）图中①为___________，②应为___________。

（2）ATP分子的结构简式是___________，能量储存在。

（3）写出ATP与ADP相互转化的反应式：___________。

（4）对于动物和人来说，ADP转变成ATP时，所需的能量主要来自___________；对于绿色植物来说，ADP转变成ATP时，所需能量主要来自___________和___________。

10. ATP是细胞内生命活动的直接能源物质，回答下列问题：

（1）ATP的合成一般与________反应相关联，生物体对ATP的需求较大，细胞内ATP的含量________（填“较多”或“较少”），能满足生物体对ATP的需求的主要原因是_____________。

（2）植物叶肉细胞内合成ATP的场所有____________________________________。

（3）利用“荧光素—荧光素酶生物发光法”对市场中腊肉含细菌多少进行检测，步骤如下：

第一步：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；

第二步：记录发光强度并计算ATP含量；

第三步：测算出细菌数量。

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。

②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”）。

③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________________。

1. B  解析：本题考查ATP的结构、结构特点、形成、功能等知识，难度较大。生物体内主要的贮能物质是脂肪，①错误；ATP的能量主要储存在磷酸基团和磷酸基团之间的高能磷酸键中，②错误；ATP的高能磷酸键含有大量能量，ATP水解一般指高能磷酸键的水解，③正确；ATP在细胞内含量很少，但ATP与ADP之间的转化十分迅速，④正确；ATP可在线粒体、叶绿体和细胞质基质中生成，⑤错误；ATP是细胞中直接能源物质，有“能量货币”之称，⑥正确；故正确的有③④⑥，B正确。

2. D  解析：本题考查ATP的结构和ATP、ADP的相互转化，难度中等。ATP中的“A”代表腺苷，是腺嘌呤和核糖结合成的部分，A错误；T表示一个ATP分子中有三个磷酸基团，B错误；合成ATP的场所也能进行ATP的水解，C错误；细胞中ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生并且处于动态平衡之中，ATP与ADP相互转化的能量供应机制是生物界的共性，D正确。

3. C  解析：本题考查不同能源物质的区分，难度中等。主要的能源物质是糖类，A错误；ATP不是主要的能源物质，B错误；一般情况下，生物体的糖类是主要能源物质、ATP是直接能源物质、脂肪是储备能源物质及最终能源是绿色植物固定的太阳能，C正确；淀粉不是最好储备能源的物质，D错误。

4. D  解析：本题考查ATP的结构、来源以及吸能反应与ATP的关系，难度中等。细胞中的吸能反应一般与ATP的水解相联系，A错误；1个ATP分子由1个腺苷和3个磷酸基团组成，B错误；ATP在植物中的来源是呼吸作用和光合作用，而动物和微生物体内的来源于呼吸作用，C错误；ATP 的结构简式是 A-P～P～P，～代表高能磷酸键，ATP水解所产生的能量来自ATP中高能磷酸键断裂所释放的能量，D正确。

5. D  解析：本题考查ATP的水解，难度中等。甲是ATP，乙是ADP，丙为腺嘌呤核糖核苷酸。在主动运输过程中，ATP水解为ADP和Pi，贮存在远离腺苷的高能磷酸键中的能量被释放出来，用于主动运输，但因细胞中ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生并且处于动态平衡之中，因此乙的含量不会明显变化，A错误；甲→乙和乙→丙过程，是在不同酶的催化下完成的，因此催化这两种过程的酶的空间结构不同，B错误；丙是RNA基本组成单位之一，其中含有磷酸基团，C错误；丁是腺苷，由腺嘌呤和核糖组成，戊为磷酸，可用于甲的合成，D正确。

6. D  解析：本题考查ATP与核酸结构的比较，难度中等。根据题意知，“○”中所对应的含义分别为：①一磷酸腺苷AMP，②腺嘌呤，③DNA分子上的腺嘌呤脱氧核苷酸，④RNA分子上的腺嘌呤核糖核苷酸，⑤腺苷，⑥腺苷，D正确。

7. C  解析：本题考查ATP的结构、利用、转化等知识，难度中等。荧光素在荧光素酶的作用下消耗的是ATP，葡萄糖中的能量不能直接被利用，A错误；ATP 是由磷酸、核糖和腺嘌呤组成的小分子化合物，但含有能量多，为高能磷酸化合物，B错误；ATP水解释放的能量可用于细胞内的吸能反应，C正确；人在饥饿时，细胞中ATP与ADP的含量仍然保持动态平衡，D错误。

8. A  解析：本题考查ATP的合成和利用，难度中等。动植物的呼吸作用可以为①合成ATP提供能量，A正确；①合成ATP和②水解ATP不可逆，B错误；c表示吸收的能量，包括光能、化学能，不包括热能，C错误；ATP的水解常伴随着吸能反应，D错误。

9.（1）ATP释放的能量ATP合成吸收的能量（2）A﹣P～P～P各个化学键中

（3）ATPADP+P2+能量（4） 呼吸作用呼吸作用光合作用

解析：本题考查ATP的结构简式、ATP与ADP的相互转化、ATP的合成，难度中等。

（1）分析题图可知，①是ATP水解过程中释放的能量，②是ATP合成过程中吸收的能量。

（2）ATP的结构简式是A-P～P～P。ATP分子大量的化学能储存在高能磷酸键（～）中，部分能量在其他的化学键中。

（3）ATP和ADP的相互转化反应式：。

（4）动物细胞ATP合成的能量来源是呼吸作用，植物细胞ATP合成的能量来源是光合作用和呼吸作用。

10. （1）放能  较少  ATP与ADP的转化速率较快 

（2）细胞质基质、线粒体和叶绿体

（3）①ATP  ②正比  ③大致相同且相对稳定

解析：本题考查ATP与ADP的转化、与ATP相关的实验设计，难度较大。

（1）ATP的合成一般与放能反应相关联，如呼吸作用释放能量，同时合成ATP；ATP在生物体内的含量很少，但可以通过与ADP相互转化，满足机体生命活动的需要。

（2）植物叶肉细胞既能进行光合作用，又能进行呼吸作用，故合成ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体。

（3）ATP是直接能源物质，可激活荧光素；ATP含量越多，被激活的荧光素越多，发光越强，即发光强度与ATP含量成正比；每个细菌的代谢强度基本相同，所产生的ATP含量也大致相同且相对稳定。