第5章細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用高中生物必修1分子與細(xì)胞第2節(jié)細(xì)胞的能量“貨幣”ATP一、ATP是一種高能磷酸化合物1.名稱ATP的名稱為腺苷三磷酸。2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式ATP的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為A—P~P~P。其中A代表腺苷,P代表磷酸基團(tuán),~代表一種特殊的化學(xué)鍵。3.ATP的特點(diǎn)(1)ATP是一種高能磷酸化合物:1molATP水解釋放的能量高達(dá)30.54kJ。(2)化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定:由于兩個(gè)相鄰的磷酸基團(tuán)都帶負(fù)電荷而相互排斥,使得末端磷酸基團(tuán)具有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能。4.功能ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)。微判斷1基于ATP的結(jié)構(gòu)和功能,判斷下列表述是否正確。1.ATP含有三個(gè)磷酸基團(tuán)、一個(gè)脫氧核糖、一個(gè)腺嘌呤。()2.ATP脫掉兩個(gè)磷酸基團(tuán)后就是ADP。()3.ATP是一種物質(zhì),不是能量,能量?jī)?chǔ)存在ATP中。()4.ATP的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是A—P~P~P,其中的A代表腺嘌呤。()××√×微訓(xùn)練1一個(gè)ATP中,含有腺苷、磷酸基團(tuán)和特殊的化學(xué)鍵的數(shù)目依次是(

)A.1個(gè)、3個(gè)、2個(gè)B.1個(gè)、3個(gè)、1個(gè)C.2個(gè)、3個(gè)、2個(gè)D.2個(gè)、2個(gè)、1個(gè)答案:A解析:ATP

的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是

A—P~P~P。據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知,一個(gè)ATP中含有1個(gè)腺苷、3個(gè)磷酸基團(tuán)和2個(gè)特殊的化學(xué)鍵。二、ATP與ADP可以相互轉(zhuǎn)化1.相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)式ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的反應(yīng)式為ATP ADP+Pi+能量。2.相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)(1)ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化是時(shí)刻不停地發(fā)生并且處于動(dòng)態(tài)平衡之中的。(2)ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的能量供應(yīng)機(jī)制,在所有生物的細(xì)胞內(nèi)都是一樣的,這體現(xiàn)了生物界的統(tǒng)一性。3.ATP合成的能量來(lái)源與去路

微判斷2基于對(duì)ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí),判斷下列表述是否正確。1.ATP能夠及時(shí)轉(zhuǎn)化成ADP,這有效地保證了細(xì)胞內(nèi)能量的供應(yīng)。()2.ATP在細(xì)胞內(nèi)含量并不高,活細(xì)胞都能產(chǎn)生ATP,也都會(huì)消耗ATP。()√√3.人在饑餓時(shí),細(xì)胞中ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化難以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。()4.植物的根尖細(xì)胞中能合成ATP的細(xì)胞器有線粒體、葉綠體等。()5.ATP的水解與合成均需要酶的催化,但催化這兩個(gè)過(guò)程的酶種類不同。()××√微訓(xùn)練2生物體內(nèi)進(jìn)行生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)、重要能源物質(zhì)和最終能量來(lái)源依次是(

)A.太陽(yáng)能、糖類、ATPB.ATP、糖類、脂肪C.ATP、脂肪、太陽(yáng)能D.ATP、糖類、太陽(yáng)能答案:D三、ATP的利用1.ATP的利用舉例2.ATP為主動(dòng)運(yùn)輸供能的過(guò)程(以Ca2+的主動(dòng)運(yùn)輸為例)(1)參與Ca2+主動(dòng)運(yùn)輸?shù)妮d體蛋白是一種能催化ATP水解的酶。(2)當(dāng)膜內(nèi)側(cè)的Ca2+與其相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合時(shí),其酶活性被激活→ATP水解→脫離下來(lái)的末端磷酸基團(tuán)與載體蛋白結(jié)合→載體蛋白磷酸化導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化→Ca2+的結(jié)合位點(diǎn)轉(zhuǎn)向膜外側(cè)→將Ca2+釋放到膜外。3.ATP是細(xì)胞內(nèi)流通的能量“貨幣”(1)化學(xué)反應(yīng)中的能量變化與ATP的關(guān)系。①放能反應(yīng):一般與ATP的合成相聯(lián)系。②吸能反應(yīng):一般與ATP的水解相聯(lián)系。(2)能量通過(guò)ATP分子在吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)之間流通。微判斷3基于ATP的利用,判斷下列表述是否正確。1.人在安靜狀態(tài)下不消耗ATP。()2.ATP水解釋放的能量可用于細(xì)胞內(nèi)的吸能反應(yīng)。()×√微訓(xùn)練3ATP能直接給細(xì)胞的生命活動(dòng)提供能量。下列生命活動(dòng)不需要消耗ATP的是(

)A.肌細(xì)胞收縮 B.螢火蟲發(fā)光C.甘油進(jìn)入細(xì)胞 D.大腦思考答案:C解析:甘油通過(guò)自由擴(kuò)散的方式進(jìn)入細(xì)胞,不需要消耗能量。一

ATP的結(jié)構(gòu)和功能問(wèn)題探究ATP是生物細(xì)胞通過(guò)代謝產(chǎn)生的一種供能物質(zhì),其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下圖所示:(1)ATP的組成元素有哪些?圖中①②③代表的結(jié)構(gòu)分別是什么?提示:C、H、O、N、P。腺嘌呤、核糖、磷酸基團(tuán)。(2)ATP中的“A”和DNA中的堿基“A”含義相同嗎?請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明。提示:不同。ATP中的“A”指的是腺苷,包括腺嘌呤和核糖;DNA中的“A”指腺嘌呤。(3)ATP分子去掉2個(gè)磷酸基團(tuán)后剩余的部分是什么物質(zhì)?該物質(zhì)與RNA有怎樣的聯(lián)系?利用圖示表示出該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。提示:ATP去掉2個(gè)磷酸基團(tuán)后剩余的部分是腺嘌呤核糖核苷酸,是構(gòu)成RNA的基本單位之一,圖示如下:(4)ATP不穩(wěn)定,容易釋放能量,原因是什么?如何理解它是一種高能磷酸化合物?提示:ATP不穩(wěn)定是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中兩個(gè)相鄰的磷酸基團(tuán)都帶負(fù)電荷而相互排斥,具有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能。1

mol

ATP水解釋放的能量高達(dá)30.54

kJ。歸納總結(jié)1.ATP的元素組成與結(jié)構(gòu)2.ATP與核苷酸的關(guān)系

3.ATP的結(jié)構(gòu)與功能的相互關(guān)系(1)ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了細(xì)胞內(nèi)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的能量供應(yīng)庫(kù)。ATP分子末端的磷酸基團(tuán)容易脫離和重新形成,可保證ATP數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定和能量的持續(xù)供應(yīng)。(2)ATP在供能中處于核心地位,許多能源物質(zhì)中的能量需轉(zhuǎn)移到ATP中才能為生命活動(dòng)供能。4.生物體內(nèi)的能源物質(zhì)總結(jié)(1)能源物質(zhì):糖類、脂肪、蛋白質(zhì)、ATP。(2)主要能源物質(zhì):糖類。(3)儲(chǔ)能物質(zhì):脂肪、淀粉(植物細(xì)胞)、糖原(動(dòng)物細(xì)胞)。(4)重要儲(chǔ)能物質(zhì):脂肪。(5)直接能源物質(zhì):ATP。(6)最終能量來(lái)源:太陽(yáng)能。典例剖析【例1】

下圖為ATP分子結(jié)構(gòu)式。下列相關(guān)敘述正確的是(

)A.圖中五碳糖為脫氧核糖B.ATP的組成元素有C、H、O、N、PC.1個(gè)ATP分子由1個(gè)腺嘌呤和3個(gè)磷酸基團(tuán)組成D.靠近腺苷的磷酸基團(tuán)有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能答案:B解析:圖中五碳糖為核糖,A項(xiàng)錯(cuò)誤。1個(gè)ATP分子由1個(gè)腺嘌呤、3個(gè)磷酸基團(tuán)和1個(gè)核糖組成,C項(xiàng)錯(cuò)誤。ATP中遠(yuǎn)離腺苷的磷酸基團(tuán)有較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能,D項(xiàng)錯(cuò)誤。學(xué)以致用1.當(dāng)其他條件均滿足時(shí),20個(gè)腺苷和90個(gè)磷酸分子最多可以組成的ATP數(shù)量和ATP分子中所含的特殊的化學(xué)鍵的數(shù)量分別是(

)A.20個(gè)和30個(gè) B.20個(gè)和40個(gè)C.40個(gè)和40個(gè) D.30個(gè)和60個(gè)答案:B解析:1個(gè)ATP分子中含有1個(gè)腺苷、3個(gè)磷酸基團(tuán)、2個(gè)特殊的化學(xué)鍵,所以當(dāng)其他條件均滿足時(shí),20個(gè)腺苷和90個(gè)磷酸分子最多能組成20個(gè)ATP,共含有20×2=40(個(gè))特殊的化學(xué)鍵。二

ATP與ADP可以相互轉(zhuǎn)化問(wèn)題探究1.在活細(xì)胞中,下圖中的相互轉(zhuǎn)化時(shí)刻不停地發(fā)生。請(qǐng)運(yùn)用所學(xué)知識(shí),分析并回答下列有關(guān)問(wèn)題。(1)A1和A2分別起什么作用?二者相同嗎?提示:A1催化ATP的合成,是ATP合成酶;A2催化ATP的水解,是ATP水解酶。二者不相同。(2)動(dòng)物細(xì)胞中,能量E1的來(lái)源是什么?能量E2的作用是什么?提示:呼吸作用中糖類等有機(jī)物氧化分解釋放的能量。為生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)提供能量。(3)你認(rèn)為ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程是可逆的嗎?請(qǐng)說(shuō)明理由。提示:不是。ATP轉(zhuǎn)化成ADP和ADP轉(zhuǎn)化為ATP時(shí)所需要的酶是不同的,反應(yīng)場(chǎng)所也不完全相同,在該轉(zhuǎn)化過(guò)程中物質(zhì)可重復(fù)利用,但能量不可逆。(4)ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量是很少的,如成年人細(xì)胞內(nèi)ADP和ATP的總量?jī)H為2~10mg,而生物體進(jìn)行生命活動(dòng)往往需要消耗大量的能量。請(qǐng)分析生物體是如何解決這一矛盾的。提示:ATP與ADP在細(xì)胞內(nèi)的相互轉(zhuǎn)化時(shí)刻不停地發(fā)生且處于動(dòng)態(tài)平衡之中,因此,能滿足生命活動(dòng)對(duì)能量的需求。2.下圖中Ca2+的運(yùn)輸屬于哪種物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式?此過(guò)程中載體蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么變化?提示:Ca2+的運(yùn)輸過(guò)程需要載體蛋白的協(xié)助,同時(shí)消耗了ATP水解釋放的能量,因此屬于主動(dòng)運(yùn)輸。此過(guò)程中,ATP分子的末端磷酸基團(tuán)脫離下來(lái),挾能量與載體蛋白結(jié)合,使載體蛋白磷酸化,進(jìn)而導(dǎo)致載體蛋白的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使Ca2+的結(jié)合位點(diǎn)轉(zhuǎn)向膜外側(cè),將Ca2+釋放到膜外。歸納總結(jié)1.ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化示意圖2.與ATP有關(guān)的分析(1)在ADP轉(zhuǎn)化成ATP的過(guò)程中,所需要的能量主要來(lái)自呼吸作用。對(duì)于綠色植物來(lái)說(shuō),還可以來(lái)自光能。呼吸作用中釋放的能量一部分儲(chǔ)存在ATP中,另一部分以熱能的形式散失。(2)細(xì)胞內(nèi)的各種吸能反應(yīng)與ATP水解反應(yīng)相聯(lián)系,所以ATP是直接能源物質(zhì)。(3)ATP在生物體內(nèi)的含量很低,但是ATP與ADP在細(xì)胞內(nèi)的相互轉(zhuǎn)化十分迅速,從而使細(xì)胞內(nèi)ATP的含量總是處于動(dòng)態(tài)平衡中。3.ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化不是可逆反應(yīng)

比較項(xiàng)目ATP的水解ATP的合成能量變化釋放能量吸收能量能量來(lái)源特殊化學(xué)鍵斷裂后,末端磷酸基團(tuán)挾能量與其他分子結(jié)合呼吸作用、光合作用能量去向用于各項(xiàng)生命活動(dòng)儲(chǔ)存于ATP中4.ATP的供能機(jī)理ATP水解釋放的磷酸基團(tuán)使蛋白質(zhì)等分子磷酸化,導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,活性也被改變,因而可以參與特定的化學(xué)反應(yīng)。典例剖析【例2】一般人的骨骼肌細(xì)胞含有維持2~5s劇烈收縮時(shí)所需的足夠ATP。在ATP發(fā)生水解時(shí),額外ATP的生成是非常重要的;否則,ATP/ADP的值會(huì)偏離正常值,此時(shí),肌肉細(xì)胞中儲(chǔ)存有一定的磷酸肌酸(CrP),CrP的磷酸轉(zhuǎn)移能力比ATP高,可用于產(chǎn)生ATP。典型的骨骼肌細(xì)胞儲(chǔ)存有充足的磷酸肌酸以維持高水平ATP濃度大約15s,所以瞬時(shí)或持久的肌肉收縮都需要形成額外的ATP。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(

)A.ATP在細(xì)胞內(nèi)的含量少,ADP與ATP的轉(zhuǎn)化卻非常迅速,從而保證了細(xì)胞中的所有生命活動(dòng)均由ATP直接供能B.人體持續(xù)30s劇烈運(yùn)動(dòng)需要消耗大量ATP,這些ATP合成時(shí)所需的能量主要來(lái)源于磷酸肌酸的轉(zhuǎn)移和有機(jī)物的氧化分解C.舉重或短跑等劇烈運(yùn)動(dòng)中,細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP的值會(huì)明顯下降D.骨骼肌細(xì)胞進(jìn)行最大收縮時(shí),ATP的水解速率與其在靜止時(shí)的水解速率基本相同B解析:舉重或短跑等劇烈運(yùn)動(dòng)中,細(xì)胞內(nèi)需要消耗更多的ATP,ADP與ATP的轉(zhuǎn)化速率加快,ATP/ADP的值基本不變。骨骼肌進(jìn)行最大收縮時(shí),需要消耗大量ATP,ATP的水解速率大于其在靜止時(shí)的水解速率。學(xué)以致用2.下圖為細(xì)胞中ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化的示意圖,下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(

)A.過(guò)程①所需能量來(lái)自光能或有機(jī)物分解釋放的能量B.能量通過(guò)ATP分子在吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)之間流通C.活細(xì)胞中ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化速率會(huì)受到溫度和pH的影響D.吸能反應(yīng)一般與①過(guò)程相聯(lián)系,放能反應(yīng)一般與②過(guò)程相聯(lián)系D解析:吸能反應(yīng)一般與②過(guò)程ATP的水解相聯(lián)系,由ATP水解提供能量;放能反應(yīng)一般與①過(guò)程ATP的合成相聯(lián)系,釋放的能量?jī)?chǔ)存在ATP中。1.下列有關(guān)ATP的敘述,正確的是(

)A.線粒體是藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞合成ATP的主要場(chǎng)所B.T表示胸腺嘧啶,因而ATP的結(jié)構(gòu)與核苷酸很相似C.劇烈運(yùn)動(dòng)后體內(nèi)ATP的含量不會(huì)明顯下降D.小麥根尖分生區(qū)細(xì)胞通過(guò)光合作用和呼吸作用合成ATP答案:C解析:藍(lán)細(xì)菌是原核生物,無(wú)線粒體。ATP分子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為A—P~P~P,其中的A代表腺苷,由核糖和腺嘌呤組成,P代表磷酸基團(tuán),~代表一種特殊的化學(xué)鍵,T表示三個(gè)(磷酸基團(tuán))。小麥根尖分生區(qū)細(xì)胞無(wú)葉綠體,不能進(jìn)行光合作用。2.下圖中①②代表物質(zhì)M與N的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程,則下列說(shuō)法正確的是(

)A.螢火蟲