資源簡介

第2節 細胞的能量“貨幣”ATP
【學習目標】
1．通過螢火蟲發光器實驗分析，發展科學探究能力。
2．通過ATP結構及特點的分析，進一步形成結構功能觀。
3．通過理解ATP與ADP的迅速轉化并處于動態平衡的過程，初步形成穩態與平衡觀。
【課前學習】
一、ATP是一種高能磷酸化合物
1.ATP是________的英文名稱縮寫，ATP分子結構可以用簡式________表示。結構簡式中的A代表_______，P代表__________，“～”代表__________。
2.1 mol ATP水解時釋放的能量高達30.54KJ，所以說ATP是一種__________化合物。
二、ATP與ADP可以相互轉化
1.ATP分子在有關酶的催化下，遠離腺苷的_______很容易水解而脫離開來，釋放出能量，并產生_______兩種產物。同時，在有關酶的催化下，_______接受能量，并結合一個游離的_______，重新形成ATP。
2.ATP形成時的能量來源，在動物、人、真菌和大多數細菌體內均來自細胞進行________時有機物分解所釋放的能量，在綠色植物體內還可來自_________。ATP水解后釋放的能量去向是用于各種______________。
三、ATP的利用
1.ATP水解釋放的能量可用于大腦思考、生物發電、主動運輸、物質合成、肌肉收縮等。ATP水解釋放的能量使蛋白質分子_______，蛋白質______發生變化，活性改變，從而參與各種化學反應。
2.吸能反應一般與___________相聯系，需要ATP水解酶的催化，同時也消耗_______；放能反應一般與___________相聯系。
參考答案：一、1.三磷酸腺苷 A-P～P～P 腺苷 磷酸基團 一種特殊的化學鍵 2.高能磷酸
二、1.特殊化學鍵 ADP和Pi ADP Pi 2.呼吸作用 光能 生命活動
三、1. 磷酸化 空間結構 2. ATP的水解 水 ATP的合成
【課上學習】
任務一：實驗分析：關于螢火蟲發光器的實驗設計
為什么研磨成粉末的發光器還可以發光呢？
2．為什么要向四支試管分別加入等量的蒸餾水、葡萄糖等溶液？
3．實驗結果說明什么？
任務二：認識ATP的結構
1．標出圖中的①~④各代表什么？
2．寫出ATP的結構簡式__________。
3．說出ATP三個字母各自代表的含義A_____T____P______
4．1mol ATP水解能夠釋放能量30．54kJ，而生物學上一般將水解時能夠釋放20．92kJ/mol能量的化合物都叫做高能化合物，所以ATP是一種________化合物。
5．ATP的結構特點：________，容易______生成_________，并釋放______。
任務三：理解ATP的利用
ATP作為細胞的直接能源物質，細胞中絕大多數需要能量的生命活動都是由ATP直接提供能量的，如_______、_______、_______、_______等。ATP供能的常見方式是ATP水解釋放的磷酸基團使蛋白質等分子_______，此過程是獲能過程。
任務四：理解ATP的合成
1．資料分析
①研究顯示，一個成年人一天在靜止狀態下所消耗的ATP約有40kg；在劇烈運動的狀態下，每分鐘約有0．5kg的ATP轉化成ADP。
②成人體內ATP總量約2~10mg，人體安靜狀態下，肌肉內ATP含量只能供肌肉收縮1~2s。
③每個細胞每秒鐘可合成約1000 萬個ATP 且同時有等量 ATP 被水解。
問題：
由①和②可以看出ATP__________和_______的矛盾。由③解釋ATP雖然含量少但可以持續供能的原因___________________________________。
2．問題：細胞為什么不直接利用葡萄糖等有機物中的能量，而是要將能量轉移至ATP中再利用？___________________________________________________________
3．合成ATP的能量來源有__________和____________過程。
【學習任務五】請將ATP與ADP的轉化概念圖補充完整
【課后練習】
一、單選題
1．下列關于酶的敘述中正確的是（ ）
A．酶是活細胞產生的 B．酶的本質是蛋白質
C．具有專一性、高效性，酶促反應與外界條件無關 D．酶只有在生物體內才起作用
2．下列關于細胞內ATP的敘述中，正確的是（ ）
A．ATP分子中含有腺嘌呤脫氧核苷酸
B．每個ATP分子含有2個磷酸基團，3個特殊化學鍵
C．ATP在細胞中不斷被分解，同時也在不斷形成
D．ATP與ADP的相互轉化的過程中伴隨著能量釋放
3．ATP是細胞中的能量通貨，下列敘述正確的是（　　）
A．ATP中的A代表腺苷，P代表磷酸基團
B．合成ATP的能量都由細胞呼吸提供
C．細胞內的吸能反應與ATP合成反應相聯系
D．細胞代謝旺盛時，ADP大量轉化為ATP
4．關于酶與ATP的敘述，正確的是（　　）
A．人體成熟的紅細胞能合成大量的酶
B．酶的形成需要消耗ATP，ATP的形成需要酶的催化
C．酶與ATP均具有高效性與專一性
D．ATP含有核糖，而酶均不含核糖
5．ATP是細胞生命活動的直接能源物質，下面關于ATP的敘述，錯誤的是（　　）
A．細胞質和細胞核中都有ATP的分布
B．細胞中的ATP不穩定容易水解
C．細胞中ATP分子的含量很高
D．正常細胞中ATP與ADP的比值相對穩定
6．關于元素和化合物敘述錯誤的是（　　）
A．ATP、DNA、RNA都含有腺苷，組成元素都有C、H、O、N、P
B．不論鮮重還是干重，細胞中C、H、O、N的含量位于前列
C．鎂元素與綠色植物中的糖類等有機物的合成有關
D．性激素、細胞膜、脂肪共有的化學元素只有C、H、O
7．下列關于反應“ATP ADP+Pi+能量”的敘述。錯誤的是（ ）
A．上述反應存在著能量的釋放和儲存 B．合成ATP所需能量只來自細胞呼吸
C．這一反應在活細胞中無休止地進行 D．這一過程保證了生命活動的能量供應
8．ATP是一種高能磷酸化合物，其中最容易脫離下來，挾能量與其他分子結合的是（ ）
A．腺苷 B．末端的磷酸基團
C．緊鄰腺苷的磷酸基團 D．中間的磷酸基團
9．圖是ATP的結構示意圖，其中①、②、③表示化學鍵。下列敘述正確的是（ ）
A．肌肉收縮時，①和③斷裂釋放能量可使肌肉能量減少，形狀改變
B．ATP結構中的脫氧核糖連著三個磷酸基團
C．ATP中的A表示堿基腺嘌呤
D．②和③都斷裂后所形成的產物中有RNA的基本組成單位
10．驅動蛋白能催化ATP水解，還能與細胞骨架特異性結合，并沿骨架定向行走，將攜帶的細胞器或大分子物質送到指定位置。驅動蛋白每行走一步需要消耗一個ATP分子。下列敘述錯誤的是（ ）
A．驅動蛋白能識別ATP分子和細胞骨架
B．細胞骨架是物質和細胞器運輸的軌道
C．代謝旺盛的細胞中ATP的水解速率遠大于合成速率
D．由活細胞產生的ATP合成酶在體外也具有催化活性
二、非選擇題
11．據圖分析回答下列問題：
(1)圖1曲線表示物質A生成物質P的化學反應，在無催化條件和有酶催化條件下的能量變化過程。無催化劑時，該反應所需的活化能可用圖中__________（填字母）來表示。酶所降低的活化能可用圖中__________（填字母）來表示。如果將酶催化改為無機催化劑催化該反應，則b在縱軸上將__________（填“上移”或“下移”）。
(2)目前為止發現的酶絕大多數化學本質為__________，其合成場所是__________，少數酶的化學本質可為__________。
(3)圖2是ATP與ADP之間的相互轉化圖。其中M表示__________（填中文名稱），其結構簡式為__________，X1和X2表示__________，能量1的去向為__________。
(4)細胞呼吸過程與圖2中__________（填“酶1”或“酶2”）所催化的化學反應相聯系。
12．細胞的生命活動離不開酶和ATP的參與。ATP合成酶是催化ADP和Pi合成ATP的酶，ATP合成酶的結構如圖1所示；圖2表示在一塊含有淀粉的瓊脂塊的四個圓形位置，分別用不同方法處理。請回答下列有關問題：
（1）由圖1可知，ATP合成酶催化ATP合成的能量來自膜兩側______。從功能角度分析，ATP合成酶廣泛分布于真核細胞的細胞質基質以及________（填膜結構）上。
（2）科學家發現，一種化學結構與ATP相似的物質GTP（三磷酸鳥苷）也能為細胞的生命活動提供能量，請從化學結構的角度解釋GTP也可以供能的原因是_________。
（3）將圖2所示方法處理后的含有淀粉的瓊脂塊，放入37℃恒溫箱中保溫處理24小時后，用等量碘液滴在四個圓形位置，觀察到的現象是有______個藍色斑塊，由該實驗說明酶的特點有______________________。
（4）同無機催化劑相比酶具有高效性的原因是________________________。
參考答案：
1．A 酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，A正確；酶的本質是蛋白質或RNA，酶不都是蛋白質，B錯誤；酶作為生物催化劑，具有專一性、高效性，酶促反應需要適宜的溫度和pH，C錯誤；在適宜的條件下，酶在生物體外也能起催化作用，不只在生物體內起作用，D錯誤。
2．C ATP的結構簡式是A-P～P～P，去掉兩個磷酸集團后，剩余的A-P為腺嘌呤核糖核苷酸，A錯誤；每個ATP分子含有3個磷酸基團，2個特殊化學鍵，B錯誤；細胞內的ATP含量不多，消耗后可迅速合成，C正確；在ATP與ADP的相互轉化中，伴隨有能量的貯存和釋放，D錯誤。
3．A ATP中的A代表腺苷，P代表磷酸基團，A正確；細胞呼吸和光合作用光反應階段都可以產生ATP，B錯誤；ATP合成反應需要消耗能量，因此應該與放能反應相聯系，C錯誤；ATP和ADP在細胞中含量較少，一直處于動態平衡狀態，不存在大量轉化的情況，D錯誤。
4．B 人體成熟的紅細胞由于沒有細胞核和細胞器，故不能產生酶，但能產生ATP，A錯誤；酶的化學本質為蛋白質或RNA，都是由單體聚合而成，在由單體聚合成大分子的過程中需要ATP水解供能，ATP形成過程中需要ATP合成酶參與，B正確；酶具有高效性與專一性，ATP不具有專一性，C錯誤；ATP的結構中A指腺苷，由腺嘌呤和核糖構成；少數酶的化學本質是RNA，也含有核糖，D錯誤。
5．C ATP是生命活動的直接能源物質，在細胞質和細胞核中都有ATP的分布，A正確；細胞中的ATP不穩定，遠離腺苷的磷酸基團容易水解，生成ADP和Pi，B正確；細胞中ATP分子的含量少，但和ADP轉化速度快，C錯誤；正常細胞中ATP與ADP的比值相對穩定，D正確。
6．A 腺苷是腺嘌呤與核糖結合而成，DNA中含有的是脫氧核糖，A錯誤；由分析可知，不論鮮重還是干重，細胞中C、H、O、N的含量位于前列，B正確；鎂參與葉綠素的合成，葉綠素與綠色植物中的光合作用有機物合成有關，C正確；性激素、脂肪的組成元素為C、H、O，因而性激素、細胞膜、脂肪共有的化學元素只有C、H、O，D正確；故選A。
7．B 反應向右進行時ATP水解釋放能量，向左進行時ATP合成儲存能量，故上述反應存在著能量的釋放和儲存，A正確；綠色植物光合作用的光反應過程中也能產生ATP，B錯誤；圖示過程為ADP與ATP的相互轉化，該過程保證了細胞內ATP的相對穩定，保證了生命活動的能量供應，活細胞每時每刻都在進行這一反應，C、D正確。
8．B ATP水解時，最容易脫離下來的是末端（遠離腺苷）的磷酸基團，而不是腺苷，A錯誤；ATP水解時，最容易脫離下來的是末端的磷酸基團，該磷酸基團能挾能量與其他分子結合，B正確；ATP水解時，最容易脫離下來的是末端（遠離腺苷）的磷酸基團，而不是緊鄰腺苷的磷酸基團，C錯誤；ATP水解時，最容易脫離下來的是末端（遠離腺苷）的磷酸基團，而不是中間的磷酸基團，D錯誤。
9．D 肌肉收縮時需消耗能量，ATP水解釋放能量，即③斷裂釋放能量，可使肌肉中的能量增加，形狀改變，A錯誤；ATP結構中五碳糖為核糖，B錯誤；ATP中的A表示腺苷，由腺嘌呤和核糖組成，C錯誤；②和③都斷裂后所形成的產物中有腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本組成單位，D正確。
10．C 由題意知：驅動蛋白能催化ATP水解，還能與細胞骨架特異性結合，說明驅動蛋白能識別ATP分子和細胞骨架，A正確；由題干“驅動蛋白與細胞骨架特異性結合，并沿著骨架定向行走，將所攜帶的細胞器或大分子物質送到指定位置”，說明細胞骨架是物質和細胞器運輸的軌道，B正確；細胞代謝旺盛時，ATP的水解速率和ATP的合成速率都升高，但兩者處于平衡狀態，C錯誤；只要條件適宜，由活細胞產生的ATP合成酶在體外也具有催化活性，D正確。
11．【答案】(1) ac ab 上移 (2) 蛋白質 核糖體 RNA
(3) 腺苷三磷酸 A–P~P~P 磷酸（Pi） 供給各項生命活動 (4)酶2
【解析】(1)酶通過降低化學反應的活化能加快化學反應的速率，在圖1中，無催化劑時，該反應所需的活化能是ac段；酶所降低的活化能可以用ab段的能量值來表示；與酶相比，無機催化劑降低活化能的作用相對弱些，因此b在縱軸上將上移。(2)酶絕大多數化學本質為蛋白質，其合成場所是核糖體，少數酶的化學本質可為RNA。(3)通過圖2 ATP與ADP之間的相互轉化圖可知，其中M表示腺苷三磷酸，其結構簡式為A–P~P~P。X1和X2表示磷酸（Pi）；能量1供給各項生命活動。(4)細胞呼吸釋放能量，合成ATP，故細胞呼吸過程與圖2中酶2所催化的化學反應相聯系。
12．【答案】 H+的濃度差 線粒體內膜、葉綠體類囊體薄膜 含有兩個高能磷酸鍵，遠離鳥苷的高能磷酸鍵容易水解斷裂，釋放能量 3 專一性、需要適宜的溫度和pH 酶降低活化能的作用更顯著
【解析】（1）由題圖和題意可知，ATP合成需要的能量是由膜內外H+的濃度差提供的。在真核細胞中合成ATP的場所有線粒體、葉綠體、細胞質基質，在線粒體內膜上進行的有氧呼吸第三階段會產生大量ATP，在葉綠體類囊體薄膜上進行的光反應能將光能轉變成ATP的活躍的化學能，故含有ATP合成酶的生物膜有線粒體內膜、葉綠體類囊體薄膜。（2）由于GTP（三磷酸鳥苷）含有兩個特殊的化學鍵，遠離鳥苷的特殊的化學鍵容易水解斷裂，其化學結構與ATP相似的物質，故GTP也能為細胞的生命活動提供能量。（3）1處由于唾液淀粉酶在酸性條件下失活，淀粉不被分解，因此遇碘液變藍；2處唾液淀粉酶在高溫條件下變性失活，淀粉不被分解，因此遇碘液變藍；3處麥芽糖酶不能水解淀粉，也會變藍；4處唾液中唾液淀粉酶會將淀粉水解，加碘液不變藍，故共有3個藍色斑塊，據分析可知，由該實驗說明酶的特點有：專一性、需要適宜的溫度和pH值。（4）酶同無機催化劑相比具有高效性的原因是酶降低活化能的作用更顯著。

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