高中浙科版 (2019)第三章 细胞的代谢第一节 ATP是细胞内的“能量通货”教学设计

第一节　ATP是细胞内的“能量通货”

一、小资料　萤火虫的荧光是怎样形成的

1．荧光发出的意义

萤火虫以荧光作为求偶的信号，吸引异性个体前来交尾。不同种类的萤火虫所发出的荧光有不同的特点。

2．荧光的形成

萤火虫的腹部后端具有发光细胞，细胞内含有一种称为荧光素的发光物质。荧光素在接受ATP中的能量时可以被激活，与氧发生化学反应形成氧化荧光素，而荧光则是这些化学反应的副产物。

二、ATP是细胞生命活动的直接能源

1．ATP的作用实验

(1)实验过程

有学者利用刚刚失去收缩功能的离体肌肉进行实验：在肌肉上滴加葡萄糖溶液后观察肌肉反应，肌肉没有收缩；然后，在同一块肌肉上滴加ATP溶液，肌肉很快发生了明显的收缩。

(2)实验说明

作为能源物质的葡萄糖不能直接被肌肉利用，而ATP可以。

(3)ATP的能量转化特点

在细胞中，ATP转化率非常高，在它形成1 min内就被消耗掉了。

(4)ATP的功能

研究发现，只有ATP不断生成，生命活动才能发生。因此，ATP是生命活动的直接能源。

2．ATP的分子结构特点

ATP是由1个核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成的。核糖是一种五碳糖(C5H10O5)，腺嘌呤是一种含氮碱基。核糖与腺嘌呤结合成的基团称腺苷。腺苷与3个磷酸基团组成腺苷三磷酸。3个磷酸基团中的一个磷酸基团连接在糖分子上，其余2个则相继连接在前一个磷酸基团上。连接2个磷酸基团之间的磷酸键稳定性较差，水解时可以释放出大量的能量，被称为高能磷酸键，以“～”表示。

三、细胞内ATP与ADP保持动态平衡

1．ATP的分布与含量

在活细胞中，ATP广泛分布在细胞核、线粒体、叶绿体、细胞溶胶等结构中，但含量很低。

2．ATP的水解与能量的去向

ATP在细胞中易于水解。1个ATP分子含有2个高能磷酸键，在酶的作用下，远离腺苷的那个高能磷酸键水解，形成腺苷二磷酸(ADP)，释放出1个磷酸，同时释放能量。ATP水解时释放出的能量可以被细胞利用，如肌肉收缩、神经细胞活动以及细胞中许多其他消耗能量的活动。

3．ATP的形成

ATP在细胞中易于再生。在另一种酶的作用下，ADP和1个磷酸结合重新形成ATP，在这个过程中吸收的能量以高能磷酸键的形式储存起来。

4．ATP的合成和水解与吸能反应和放能反应的联系

通过ATP的合成和水解，使放能反应所释放的能量用于吸能反应，此过程被称为ATP－ADP循环。细胞中ATP－ADP循环速度很快，细胞内ATP的含量能够维持在相对稳定的水平。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．荧光和ATP这种化学物质中的能量形式是一样的。 (　　)

2．ATP是细胞中主要能源物质。 (　　)

3．ATP可以作为生命活动的直接能源与其分子结构特点有关。  (　　)

4．ATP含有三个磷酸基团、三个高能磷酸键。 (　　)

5．ATP是细胞中普遍使用的能量载体，在细胞内能量转换和利用中起着关键作用。  (　　)

提示：1.×　荧光是光能的形式，ATP这种化学物质中的能量是化学能。

2．×　糖类是生命活动的主要能源物质。

3．√

4．×　ATP含有三个磷酸基团、二个高能磷酸键。

5．√

　ATP的化学组成和结构特点

1．某实验小组将萤火虫发光器取下后，干燥研磨成粉末后，等量放入三支试管中，加入少量水混合后，试管中出现淡黄色荧光，15 min后荧光消失。再向试管中分别加入葡萄糖、油脂和ATP，观察是否出现荧光，实验过程如下图所示，下列叙述错误的是

(1)向试管中加入少量水的目的是什么？

提示：向试管中加入少量水的目的是消耗自身的ATP。

(2)若加入的物质X是葡萄糖或油脂，则试管中不会出现荧光，说明了什么？

提示：葡萄糖或油脂，二者不是直接能源物质。

(3)该实验能证明什么？

提示：该实验能证明ATP可直接为生命活动提供能量。

2．ATP的结构

3．ATP结构中的数量关系

(1)ATP分子中有两个高能磷酸键，其中远离A的那个高能磷酸键容易断裂，释放能量。

(2)腺苷和磷酸基团数量关系为：1∶3。

合作探究：据图分析ATP的结构和特点

(1)说出ATP的元素组成。

提示：C、H、O、N、P。

(2)图示a处应为“—H”还是“—OH”？

提示：图示a处应为“—OH”，因为该五碳糖为“核糖”。

(3)若1分子ATP完全水解，可得到的物质有哪些？

提示：1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸。

(4)ATP中的“A”、“T”与组成DNA分子的“A”、“T”的含义有哪些不同？

提示：ATP中“A”、“T”分别代表腺苷、3个；DNA中“A”、“T”分别代表腺嘌呤、胸腺嘧啶。

1．如图为ATP的分子结构图，A、B、C表示相应的结构， ①、 ②表示化学键。下列叙述正确的是(　　)

A．A表示腺嘌呤，B表示腺苷

B．化学键①与化学键②的稳定性相同

C．化学键②的形成所需的能量都来自化学能

D．化学键②中能量的释放往往与吸能反应相关联

D　[根据以上分析已知，图中A表示腺苷，B表示—磷酸腺苷，A错误；根据以上分析已知，化学键①比化学键②的稳定性高，B错误；化学键②的形成所需的能量都来自化学能或光能，C错误；化学键②中能量的释放用于各项需要能量的生命活动，因此往往与吸能反应相关联，D正确。]

2．下列关于ATP的叙述，错误的是(　　)

A．ATP是细胞中的“能量通货”

B．ATP在细胞中容易再生

C．ATP分子含有3个高能磷酸键

D．ATP分子中的A代表腺苷

C　[ATP是细胞中生命活动所需能量的直接来源，是细胞中的“能量通货”，A正确；在细胞中，ATP和ADP的相互转化是时刻进行的，B正确；ATP的结构简式为A－P～P～P，ATP分子含有2个高能磷酸键，C错误；ATP分子中的A是腺苷，D正确。]

3．下列有关ATP结构与功能的叙述中，正确的是(　　)

A．ATP中含有C、H、O、N、P元素

B．ATP分子脱去两个磷酸基团后的剩余部分成为DNA的基本组成单位中的一种

C．ATP中的第三个磷酸基团和第二个磷酸基团很容易从ATP脱离释放能量

D．ATP分子中所有化学键都储存着大量的能量，所以被称为高能磷酸化合物

A　[ATP中含有C、H、O、N、P元素，故A正确；ATP分子脱去两个磷酸基团后，剩余部分是腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本组成单位之一，故B错误；ATP中的第三个磷酸基团容易从ATP脱离，释放能量，第二个磷酸基团不容易脱离，故C错误；ATP中含有两个高能磷酸键和一个普通化学键，故D错误。]

有关ATP的“三点警示”

(1)书写ATP结构简式时避免两种错误。

错误1：A－P－P～P。

错误2：A～P～P～P。

(2)ATP≠能量。

ATP是直接能源物质，水解可释放能量，能量有多种存在形式，如机械能、化学能、电能、光能等。

(3)每个ATP分子中只含有2个高能磷酸键(～)，其中只有远离腺苷的高能磷酸键易断裂或形成。

　ATP与ADP的相互转化

合作探究：分析 ATP和ADP相互转化示意图及ADP转化成ATP时所需能量的主要来源示意图，回答下列问题：

1．说出ATP合成所需的酶和能量来源。

提示：①所需的酶：合成酶；②能量来源：动物细胞合成ATP时能量来源：细胞呼吸，植物细胞合成ATP时能量来源：细胞呼吸和光合作用。

2．说出ATP水解所需的酶和能量来源。

提示：①所需的酶：水解酶；②ATP水解时释放的能量来源和能量去向：能量来源是远离A的高能磷酸键，能量去向是为各项生命活动提供能量。

3．ATP与ADP的相互转化过程中物质和能量是否可以循环利用？

提示：物质：可以。ADP、Pi和H2O是可以循环利用的；能量：不可以。ATP水解转化成ADP时释放的能量供各种生命活动利用，不能再重复利用。

1.右图表示ATP－ADP的循环图解。下列叙述正确的(　　)

A．①属于放能反应，在细胞内与其他吸能反应密切联系

B．溶酶体中蛋白质水解为氨基酸需要②过程提供能量

C．人在饥饿时，细胞内的过程①和②也能达到平衡

D．各种生物均能独立完成ATP－ADP的循环

C　[据图分析，①是合成ATP的过程，属于吸能反应，在细胞内与其他放能反应密切联系，A错误；溶酶体中蛋白质水解为氨基酸不需要消耗能量，B错误；虽然细胞中的ATP含量很少，但是转化非常迅速，因此人在饥饿时，细胞内的过程①和②也能达到平衡，C正确；病毒没有细胞结构，必须寄生于活细胞中才能生存和繁殖，因此病毒不能独立完成ATP－ADP的循环，D错误。]

2．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脱离　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．①②③ D．②③④

B　[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，说明ATP中远离腺苷的磷酸基团容易脱离，也容易与ADP结合，32P标记的ATP是新合成的，该过程中ATP既有合成又有分解，该现象不能说明生命活动与ATP的关系，不能说明ATP是细胞内的直接能源物质。①②④正确，③错误。]

3．ATP是细胞中的能量通货，下列叙述正确的是(　　)

A．肌肉收缩时，ATP的水解能使肌肉中的能量增加

B．氨基酸合成蛋白质的反应存在 ATP－ADP 循环

C．ATP 中的腺苷由脱氧核糖与腺嘌呤结合而成

D．人体内成熟的红细胞中没有线粒体，不能产生ATP

A　[ATP是生命活动的直接能源物质，可为肌肉收缩提供能量，A正确；氨基酸合成蛋白质需要消耗ATP中的能量，故存在ATP到ADP的转化，B错误；ATP 中的腺苷由核糖与腺嘌呤结合而成的，C错误；人体内成熟的红细胞中没有线粒体，其可以通过厌氧呼吸产生ATP，D错误。]

[课堂小结]

1．ATP是细胞生命活动的直接能源物质，其分子简式是(　　)

A．A－P～P～P　 B．A－P－P

C．A－P～P D．A－P～P ～P

A　[ATP是细胞生命活动的直接能源物质，其含有1个腺苷、3个磷酸基团和2个高能磷酸键，因此ATP的分子简式是A－P～P～P，故选A。]

2．当其他条件均可满足时，20个腺苷和90个磷酸最多可以组成的ATP个数和ATP分子中所含的高能磷酸键个数是(　　)

A．20个和30个 B．20个和40个

C．40个和40个 D．30个和60个

B　[一个ATP分子中含一个腺苷和三个磷酸基团，20个腺苷和90个磷酸最多可以组成20个ATP，这20个ATP分子中所含的高能磷酸键个数是20×2＝40。综上分析，ACD错误，B正确。]

3．对人体细胞内关于ATP的描述，正确的是(　　)

A．ATP主要在线粒体中生成

B．它含有三个高能磷酸键

C．ATP～ADP相互转变时物质和能量转变都是可逆

D．细胞内储存有大量ATP，供各项生命活动需要

A　[线粒体中可以完成需氧呼吸第二、三阶段，因此ATP主要在线粒体中生成，A正确；ATP含有两个高能磷酸键，B错误；ATP～ADP相互转变时，物质可逆，能量不可逆，C错误；ATP在细胞内含量很少，通过转化为ADP释放能量，供各项生命活动需要，D错误。]

4．如图是ATP和ADP相互转化的过程，下列叙述不正确的是(　　)

A．图中“D”代表ADP，“T”代表ATP，“E”代表能量

B．原核细胞中也可以发生ATP和ADP的相互转化过程

C．ATP中的“A”与RNA中的碱基A含义相同

D．ATP中的能量可以转化为光能和化学能

C　[由图可知，“D”代表ADP，“T”代表ATP，“E”代表能量，A正确；ATP和ADP的相互转化过程是自然界所有细胞生物的共性，所以原核细胞中也可发生该过程，B正确；ATP中的“A”的含义是腺苷，即腺嘌呤与核糖结合而成的基团，而RNA中的碱基A含义为腺嘌呤，二者含义不相同，C错误；ATP中的能量可以在不同生理活动中转化为不同的能量形式，如在萤火虫发光部位可以转化为光能，在有机物的合成中可以转化为稳定的化学能等，D正确。]

5．如图表示ATP水解产生ADP过程。请回答下面的问题：

(1)图中A表示__________，P代表__________。ATP脱去两个磷酸基团后可作为__________________物质基本结构单位中的一种。图中①代表________________。

(2)图中②易于断裂，释放的能量用于____________。

(3)图示过程中未标出的另一种反应物是________________，催化该过程的酶与催化ATP再生时的酶________________(填“是”或“不是”)同一种酶。

解析：(1) 图中A表示腺苷，P代表磷酸基团。ATP脱去两个磷酸基团后的物质为腺嘌呤核糖核苷酸。腺嘌呤核糖核苷酸是组成RNA的基本单位之一。图中①代表高能磷酸键。(2) 图中②为远离腺苷的高能磷酸键，易于断裂，释放的能量用于生物体各项生命活动。(3) 图示表示ATP水解产生ADP过程，需要水参与，因此图中未标出的另一种反应物是水(H2O)。酶具有专一性，所以催化该过程(ATP水解)的酶与催化ATP再生时的酶不是同一种酶。

答案：(1)腺苷　磷酸基团　RNA　高能磷酸键　(2)生物体各项生命活动　(3)水(或H2O)　不是