浙科版高中生物必修1分子与细胞第三章细胞的代谢学案

第三章　细胞的代谢

第一节　ATP是细胞内的“能量通货”

1.ATP是细胞生命活动的直接能源

(1)ATP的中文名称:腺苷三磷酸。

(2)ATP中的能量形式:化学能。

(3)ATP的结构

①表示磷酸基团;②表示高能磷酸键;③表示核糖;④表示腺嘌呤;③与④组成的结构为腺苷。

2.细胞内ATP与ADP保持动态平衡

(1)ATP的含量:很低。

(2)ATP在细胞中易于水解

①过程:在酶的作用下,远离腺苷的高能磷酸键水解,形成ADP,释放 1个磷酸,同时释放能量。

②作用:为肌肉收缩、神经细胞活动以及细胞中的其他耗能活动提供能量。

(3)ATP在细胞中易于再生

①过程:在另一种酶的作用下,1个ADP和1个磷酸结合重新形成ATP,同时吸收能量。

②作用:吸收的能量以高能磷酸键的形式储存起来,为其他耗能反应供能。

(4)ATP-ADP循环

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的过程。

概念一　ATP是细胞生命活动的直接能源

[概念情境]

某病人脑出血后导致右侧肢体瘫痪,为了使患者尽快恢复其右肢能力,医生除正常治疗外还开了ATP制剂进行辅助治疗。请思考下列问题。

(1)尝试解释ATP可以用于辅助治疗的原因。

提示:ATP能提供能量,改善患者机体的新陈代谢状况,达到辅助治疗疾病的作用。

(2)正常生物体内的ATP,如何发挥作用?

提示:正常生物体内的ATP水解时可将其中储存的能量释放出来,供给各项生命活动利用。

ATP的结构

[典例1] ATP有细胞中的“能量通货”之称,为生命活动直接提供能量。图示为ATP的结构,下列叙述正确的是(　D　)

A.①表示腺苷

B.②是DNA基本单位的组成成分

C.③断裂释放的能量最多

D.④是高能磷酸键

解析:①表示腺嘌呤,腺嘌呤+核糖=腺苷;②是核糖,是RNA基本单位的组成成分;③是普通磷酸键,断裂释放的能量较少;④是高能磷酸键。

ATP的结构

(1)结构图示及描述

(2)结构特点:远离腺苷的高能磷酸键很容易水解和重新合成,ATP分子中大量的能量储存在高能磷酸键中。

ATP的功能

[典例2] 研究证实ATP是细胞的“能量通货”。为了研究X物质对动物细胞的影响,某研究小组用不同浓度的X物质将细胞处理24h,然后测量各组细胞内ATP的浓度和细胞死亡的百分率,经过多次实验后,所得数据如表所示:

 (1)该实验的因变量是 

　。 

(2)实验数据表明,该实验的因变量之间有何联系?　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)若用混有浓度为2 ng·mL-1的X物质的饲料饲喂大鼠,其小肠的消化和吸收功能受到抑制的主要原因是                            

　。 

解析:(1)该实验中,自变量是X物质的浓度,因变量是细胞内ATP的浓度和细胞死亡的百分率。(2)由实验数据可知,细胞内ATP的浓度下降,能量供应减少,使细胞死亡的百分率增加。(3)若用混有浓度为 2 ng·mL-1 的X物质的饲料饲喂大鼠,其小肠的消化和吸收功能受到抑制的主要原因是X物质阻碍消化酶的合成和分泌,影响消化;阻碍小肠上皮细胞对营养物质的吸收。

答案:(1)细胞内ATP的浓度和细胞死亡的百分率

(2)细胞内ATP浓度下降,能量供应减少,细胞死亡的百分率增加

(3)X物质阻碍消化酶的合成和分泌,影响消化;阻碍小肠上皮细胞对营养物质的吸收

概念二　细胞内ATP与ADP保持动态平衡

[概念情境]

ATP在细胞内的含量是很少的,如成年人细胞内ADP和ATP的总量仅为2～10 mg,而一个正常成年人在静卧状态下24 h将有约40 kg的ATP发生转化。为满足能量需要,分析生物体是如何解决这一矛盾的。

提示:ATP与ADP在细胞内的相互转化是十分迅速的,且物质可以重复利用,因此,能满足生命活动对能量的需要。

ATP-ADP循环

[典例]

如图表示ATP-ADP的循环图解。下列叙述正确的(　C　)

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

解析:①属于吸能反应;蛋白质水解属于酶促反应,不需要②ATP水解提供能量;正常情况下,人在不同状态时ATP与ADP循环均处于动态的平衡中;病毒不能进行ATP-ADP循环。

ATP和ADP之间的联系

(1)ATP的合成与水解(即ATP-ADP循环)

(2)ATP与ADP之间转化的生理意义

①ATP在细胞内的含量很少,但在细胞内的转化十分迅速,使得细胞内ATP的含量总是处在动态平衡之中,从而确保生物体的生命活动能及时得到能量的供应,保证新陈代谢顺利进行。

②ATP水解释放的能量是生物体维持生命活动所需能量的直接来源。如细胞分裂、根对无机盐离子的吸收、物质的合成、肌肉收缩、腺体分泌、神经传导和生物电等生命活动所需能量都来自ATP的水解。

回答以下与ATP结构和功能有关的问题。

某同学进行一项实验,目的是观察ATP可使离体的、刚刚丧失收缩功能的新鲜骨骼肌产生收缩这一现象,说明ATP是肌肉收缩所需能量的直接来源。

(1)实验中,必须待离体肌肉自身的ATP消耗完之后,才能进行实验。

(2)在程序上,采取自身前后对照的方法:先滴加葡萄糖溶液(填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”),观察肌肉收缩与否以后,再滴加ATP溶液(填“葡萄糖溶液”或“ATP溶液”)。

(3)如果将上述顺序颠倒一下,实验结果是否可靠?不可靠。原因是如果肌肉自身ATP尚未耗尽,会出现滴加葡萄糖溶液肌肉也会收缩的现象,造成葡萄糖也能被肌肉直接利用的假象。

解析:(1)为了防止离体肌肉自身ATP的干扰,实验中,必须待离体肌肉自身的ATP消耗完之后,才能进行实验。

(2)在程序上,采取自身前后对照的方法:先滴加葡萄糖溶液,观察肌肉是否收缩以后,再滴加ATP溶液,该实验中不能先滴加ATP溶液后滴加葡萄糖溶液,否则无法确定葡萄糖溶液是否能直接供能。

(3)如果将上述顺序颠倒一下,实验结果不可靠,原因是如果肌肉自身ATP尚未耗尽,会出现滴加葡萄糖溶液肌肉也会收缩的现象,造成葡萄糖也能被肌肉直接利用的假象。

1.ATP是细胞中重要的高能磷酸化合物。下列有关叙述错误的是(　A　)

A.ATP中的A由腺嘌呤和脱氧核糖组成

B.ATP中含有2个高能磷酸键

C.ATP水解所释放的能量可用于肌肉收缩

D.ATP在细胞中易于再生,是细胞中普遍使用的能量载体

解析:ATP中的A(腺苷)由腺嘌呤和核糖组成。

2.(2018·浙江4月学考)ATP是细胞中的“能量通货”。下列叙述正确的是(　C　)

A.ATP中的能量均来自细胞呼吸释放的能量

B.ATP-ADP循环使得细胞储存了大量的ATP

C.ATP水解形成ADP时释放能量和磷酸基团

D.ATP分子中的2个高能磷酸键不易断裂水解

解析:ATP中的能量可以来自太阳能或有机物中的化学能;ATP在细胞内的含量少,但转化速度很快;ATP水解时形成ADP,释放一个磷酸基团,同时释放能量;ATP分子中远离腺苷的高能磷酸键不稳定,易水解释放能量。

3.下列关于人体中ATP—ADP循环的说法中,错误的是(　D　)

A.图中过程Ⅰ消耗水,过程Ⅱ产生水

B.图中过程Ⅰ与过程Ⅱ反应迅速,称为ATP-ADP循环

C.图中过程Ⅰ为水解过程,释放的能量可用于肌肉收缩

D.图中过程Ⅱ的能量来自细胞呼吸和光合作用

解析:图中过程Ⅰ为ATP的水解过程,消耗水,过程Ⅱ为ATP的合成过程,产生水;图中过程Ⅰ与过程Ⅱ反应迅速,是ATP与ADP的相互转化,持续为生命活动提供能量,称为ATP-ADP循环;图中过程Ⅰ为ATP水解过程,人体内ATP水解释放的能量用于各种生命活动,如肌肉收缩等;人体细胞中无叶绿体,不能进行光合作用。

4.某生物学习小组以萤火虫发光器粉末为材料进行实验,实验过程及现象如图。下列说法错误的是(　A　)

A.15 min后荧光消失,试管中ADP含量达到最低

B.该实验能说明ATP是直接能源物质

C.甲物质可能是一种抑制剂

D.ATP的水解需要水参与反应

解析:15 min后荧光消失,说明ATP消耗完,故此时试管中ADP含量达到最大;该实验中加入ATP后发光,加入葡萄糖后不发光,能说明ATP是直接能源物质;据题干信息可知,加入甲物质,萤火虫发光器粉末不再发荧光,说明该物质可能是一种抑制剂(如ATP水解抑制剂);ATP的水解需要水参与反应。

5.下列有关细胞中能量代谢某些过程的叙述中,正确的是(　D　)

A.ATP由腺嘌呤、脱氧核糖、磷酸基团构成

B.放能反应所释放的能量绝大多数用于①过程

C.腺苷二磷酸是细胞吸能反应和放能反应的纽带

D.光合作用是绿色植物细胞中最重要的吸能反应

解析:ATP是由腺嘌呤、核糖和磷酸基团组成的;放能反应所释放的能量大多以热能的形式散失;腺苷三磷酸是细胞吸能反应和放能反应的纽带;光合作用是绿色植物细胞中最重要的吸能反应。

概念理解练

1.ATP分子简式和18个ATP所具有的高能磷酸键数目分别是(　D　)

A.A—P—P～P和18个

B.A～P～P～P和56个

C.A～P～P和36个

D.A—P～P～P和36个

解析:ATP又叫腺苷三磷酸,简称为ATP,其分子简式是 A—P～P～P。1个ATP具有2个高能磷酸键,则18个ATP具有36个高能磷酸键。

2.人体和动物体进行各项生命活动所需要的能量直接来自(　C　)

A.太阳能供给 B.脂肪分解释放

C.ATP水解释放 D.糖类分解释放

解析:生物体生命活动的直接能源物质是ATP,主要能源物质是糖类,主要储能物质是油脂,能量的最终来源是太阳能。

3.ATP生物发光技术是利用ATP与荧光素—荧光素酶复合物发生反应,测定产生的光强度来反映ATP的含量。因为微生物细胞中ATP的含量是相对稳定的,所以该法常被用于检测食品中细菌、霉菌等微生物总数。下列叙述错误的是(　C　)

A.一个ATP分子中有两个高能磷酸键

B.ATP水解时释放的能量使荧光素发光

C.测得的荧光强度和存活微生物数量成反比

D.检测的ATP来自微生物的生理活动

解析:ATP的结构简式是A—P～P～P,一个ATP分子中有两个高能磷酸键;由题干信息“利用ATP与荧光素—荧光素酶复合物发生反应,测定产生的光强度来反映ATP的含量”,可推测ATP水解时释放的能量,可以使荧光素在荧光素酶的作用下发光;由于微生物细胞中ATP的含量是相对稳定的,故测得的荧光强度和存活微生物数量成正比;检测的ATP来自微生物细胞内的呼吸作用。

4.细胞内ATP与ADP相互转化的过程中(　C　)

A.速率是稳定不变的 B.都有水产生

C.催化反应的酶不同 D.能量可循环利用

解析:ATP与ADP的相互转化在不同细胞中速率不同;ATP合成过程有水产生,ATP水解过程有水参与;催化二者转化反应的酶不同;ATP与ADP相互转化过程中能量的来源和去向是不同的。

5.ATP是细胞中的“能量通货”,下列叙述正确的是(　A　)

A.肌肉收缩时,ATP能使肌肉中的能量增加

B.氨基酸合成蛋白质的反应存在ATPADP循环

C.ATP中的腺苷由脱氧核糖与腺嘌呤结合而成

D.ATP分子中含有两个稳定性相同的高能磷酸键

解析:肌肉收缩属于吸能反应,ATP水解释放能量;氨基酸合成蛋白质是吸能反应,存在ATP水解,不存在 ATPADP 循环;ATP中的腺苷由核糖和腺嘌呤结合而成;ATP分子中的两个高能磷酸键稳定性不同,远离腺苷的高能磷酸键更容易断裂。

6.下列关于ATP与ADP相互转化的叙述正确的是(　C　)

A.物质和能量的变化是可逆的

B.物质和能量的变化均不可逆

C.物质变化可逆,能量变化不可逆

D.物质变化不可逆,能量变化可逆

解析:在ATP合成与分解过程中,能量不可逆;ADP和Pi是合成ATP的原料,也是ATP分解的产物,故物质变化是可逆的。

7.如图表示的是ATP和ADP之间的转化,据图可以确定(　D　)

A.A为ADP,B为ATP

B.能量1和能量2来源相同

C.酶1和酶2是同一种酶

D.X1和X2是同一种物质

解析:A为ATP,B为ADP;能量1来源于高能磷酸键的水解,能量2来源于光能或化学能,两者的来源是不同的;酶1和酶2一个是ATP合成酶,一个是ATP水解酶;X1和X2都是磷酸基团,即为同一种物质。

8.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。下列叙述正确的是(　B　)

A.过程①是合成反应

B.反应②的能量来源可以不同

C.③表示高能磷酸键

D.抑制反应①有利于ATP合成

解析:过程①是ATP的水解反应;反应②的能量可以来自光合作用或细胞呼吸;③表示普通磷酸键;ATP和ADP的转化处于动态平衡中,抑制反应①ATP的水解不利于ATP合成。

9.据图判断,下列叙述错误的是(　D　)

A.催化甲→ATP过程所需酶与酶1不同

B.乙不含高能磷酸键,是RNA基本单位之一

C.丙为腺苷,丁可用于某些脂质合成

D.ATP为生命活动供能需经过图示整个过程

解析:ATP的合成过程,所需酶为ATP合成酶,与酶1(ATP水解酶)不同;乙为AMP,即腺嘌呤核糖核苷酸,不含高能磷酸键,是RNA基本组成单位之一;丙物质为腺苷,丁为磷酸,可用于磷脂的合成;ATP为生命活动供能过程为ATP的水解过程,即ATP到甲的过程。

10.如图为腺苷三磷酸的一种表示方法,请据图回答下列问题。

(1)腺苷三磷酸又叫　　       　　(英文缩写),图中的“～”表示的是　　　　　　　。 

(2)三个ATP含有　　　　个高能磷酸键;如果一个ATP脱去两个磷酸基团,形成AMP,AMP是　　　　的基本组成单位之一。 

(3)植物合成ATP的途径有　                          。

动物肌肉收缩的能量来源是　                           。

解析:(1)腺苷三磷酸英文简称为ATP,结构简式为 A—P～P～P,其中“—”表示普通磷酸键,“～”表示高能磷酸键。(2)三个ATP中含有6个高能磷酸键,若是一个ATP脱去两个磷酸基团,形成AMP,AMP(腺嘌呤核糖核苷酸)是RNA的基本组成单位之一。(3)植物合成ATP的途径有光合作用和细胞呼吸,动物肌肉收缩的能量来源是ATP水解释放的能量。

答案:(1)ATP　高能磷酸键　(2)6　RNA  (3)光合作用和细胞呼吸　ATP水解释放的能量

素养提升练

11.ATP的结构示意图如下,①③表示组成ATP的物质或基团,②④表示化学键。下列有关叙述正确的是(　C　)

A.①表示鸟嘌呤

B.化学键②水解的化学反应属于吸能反应

C.在ATPADP循环中③可重复利用

D.若化学键④断裂,则左边的化合物是ADP

解析:图中①表示腺嘌呤;②表示高能磷酸键;化学键②断裂的化学反应属于放能反应;③表示磷酸基团,在ATPADP循环中③可重复利用;若化学键④断裂,则左边的化合物是AMP即腺嘌呤核糖核苷酸,是RNA的基本单位之一。

12.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(　B　)

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既有合成又有水解

A.①②③④ B.①②④

C.①②③    D.②③④

解析:由于是部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记,说明ATP中远离A的磷酸基团容易脱离,形成ADP,①正确;部分ATP的末端磷酸基团已带上放射性标记,说明这部分被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的末端磷酸基团已带上放射性标记,说明该过程中ATP既有合成又有水解,④正确。

13.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(机理如图所示)。下列说法不正确的是(　B　)

A.ATP推动细胞做功,存在吸能反应与放能反应过程

B.磷酸化的蛋白质做功,失去的能量主要用于再生ATP

C.ATP水解与磷酸化的蛋白质做功均属于放能反应

D.肌肉在收缩过程中,肌肉中的能量先增加后减少

解析:分析图示,ATP推动细胞做功,首先需ATP水解释放能量,这是一种放能反应,能量用于蛋白质的磷酸化(吸能反应),磷酸化的蛋白质通过做功释放能量,这是一种放能反应,通过两者的结合推动细胞做功;磷酸化的蛋白质做功失去能量是一种放能反应,所释放的能量主要以热能形式散失;通过上述作用机理可推知,肌肉收缩过程中,ATP先使肌肉中的能量增加,改变形状,这是吸能反应,然后肌肉做功,失去能量,恢复原状,这是放能反应。

14.如图为ATP的结构和ATP与ADP相互转化的关系式。下列说法错误的是(　A　)

A.图1中的A代表腺苷,b、c为高能磷酸键

B.图2中反应向右进行时,图1中的c键断裂并释放能量

C.ATP与ADP快速转化依赖于酶的催化作用

D.图1方框部分a内的元素组成有C、H、O、N、P

解析:图1中的A代表腺嘌呤,b、c为高能磷酸键;图2中反应向右进行时,ATP水解释放能量,图1中的c键断裂。

15.科研人员为验证“蛙的腓肠肌收缩所需的直接能源物质是ATP,而不是葡萄糖”,设计了以下实验装置。

实验步骤:

(1)剥取蛙的腓肠肌,制备如图所示的两套实验装置,编号为甲、乙。

(2)　                            。

(3)向装置甲的腓肠肌上滴加适量的适宜浓度的葡萄糖溶液,　     。

立即对坐骨神经施加适宜强度的电刺激。

实验结果:                                        

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

实验结论:蛙的腓肠肌收缩所需的直接能源物质是ATP,而不是葡萄糖。

问题分析:若甲、乙两组实验结果相同,可能的原因是            

                                               　。 

解析:依据实验目的可知本实验的自变量是滴加葡萄糖还是ATP。为消除腓肠肌原有ATP对实验结果的影响,应先连续刺激腓肠肌直至不再发生反应(原有ATP消耗完),然后甲组滴加适量的适宜浓度的葡萄糖溶液,乙组滴加等量的适宜浓度ATP溶液,通过观察腓肠肌的收缩状况,从而得出结论。

答案:(2)连续刺激腓肠肌,直至不再发生反应

(3)向装置乙的腓肠肌上滴加等量的适宜浓度的ATP溶液

甲组腓肠肌不收缩,指针不偏转;乙组腓肠肌收缩,指针偏转

滴加溶液前腓肠肌细胞内存有一定量的ATP,或滴加溶液较长时间后,才对坐骨神经施加电刺激