高三一轮教案生物（人教版）第三单元第10课时细胞的能量“货币”ATP

第10课时细胞的能量“货币”ATP课标要求解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。考情分析1.ATP与ADP的相互转化2024·全国甲·T22023·天津·T12022·江苏·T82021·北京·T12021·海南·T142.ATP的利用2024·河北·T·福建·T·湖南·T51．ATP是一种高能磷酸化合物2．ATP的合成和利用(1)ATP的合成(2)ATP的利用①ATP是细胞内的能量“货币”②ATP供能机制ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化，这些分子被磷酸化后，空间结构发生变化，活性也被改变，因而可以参与特定的化学反应。(1)ATP与ADP的相互转化不是一个可逆反应。分析原因：从物质方面来看是可逆的，从酶、进行的场所、能量的来源等方面来看是不可逆的。(2)人体内ATP的含量很少，但在剧烈运动时，人体内ATP的总含量并没有太大变化，原因是ATP与ADP时刻不停地发生相互转化，并且处于动态平衡之中。(3)ATP产生量与O2供给量之间的关系模型分析解读：(1)ATP转化为ADP可为离子的主动运输提供能量(2024·全国甲，2A)(√)(2)线粒体、叶绿体和高尔基体都是合成ATP的场所(2019·全国Ⅲ，1C)(×)提示高尔基体不能合成ATP。(3)唾液淀粉酶水解淀粉的过程需ATP水解提供能量(2019·天津，2A)(×)提示淀粉水解不需要消耗ATP。一、ATP结构辨析1．请写出图中标出的“A”的含义。①腺苷；②腺嘌呤；③腺嘌呤脱氧核苷酸；④腺嘌呤核糖核苷酸。2．科学家发现，一种化学结构与ATP相似的物质GTP(鸟苷三磷酸)也能为细胞的生命活动提供能量，请从化学结构的角度解释GTP也可以供能的原因：GTP含有两个特殊的化学键，远离鸟苷的那个特殊的化学键容易水解断裂，释放能量。[拓展延伸]如果将ATP中的A替换为G、U、C，分别为鸟苷三磷酸、尿苷三磷酸和胞苷三磷酸，一起组成NTP家族，其脱去核糖第二位C上的O原子后组成dNTP家族，均为高能化合物。二、ATP的合成和利用1．萤火虫发光需要ATP提供能量，其发光机制是尾部发光细胞中含有荧光素和荧光素酶，荧光素接受ATP提供的能量后就被激活，生成的荧光素化腺苷酸(腺嘌呤核糖核苷酸简称腺苷酸)与氧气在荧光素酶的催化下反应形成发光物质虫荧光酰腺苷酸。(1)将32P标记的磷酸注入活细胞内，随后迅速分离细胞内的ATP，发现细胞内的ATP含量不变，但ATP中末端磷酸基团已被32P所标记。该实验的结论为ATP和ADP在细胞内快速相互转化，细胞内ATP维持动态平衡。(2)将α、β、γ位置分别被32P标记的ATP(A－Pα～Pβ～Pγ)注入不同的发光细胞内，只有注入α位置被标记的ATP的细胞，在形成的发光物质虫荧光酰腺苷酸中检测到放射性。由此推测发光细胞以这种方式利用ATP的生物学意义是ATP水解成腺苷酸，不仅为发光物质的合成提供能量，同时也提供原料。2．研究者发现ATP在神经系统的信息传递中可以作为一种兴奋性的神经递质发挥作用，并且在内脏、中枢及外周神经系统等多个部位的细胞膜上发现了ATP受体，可见ATP还是一种能在细胞间传递信息的信号分子。考向一ATP的结构及其特点1．(2024·咸宁检测)如图所示为ATP的结构及ATP与ADP之间的相互转化过程，下列说法正确的是()A．图1中的a代表腺苷，A代表的是腺嘌呤B．某些载体蛋白可催化ATP水解C．ATP与ADP相互转化过程，虽不是可逆的，但物质和能量是可循环利用的D．酶1和酶2调节作用的机理是降低反应的活化能答案B解析图1中的a是由腺嘌呤(A)、核糖和磷酸组成的，代表腺嘌呤核糖核苷酸，A代表腺嘌呤，A错误；Ca2＋载体蛋白可发挥ATP水解酶的作用，B正确；ATP与ADP相互转化过程中物质是可以循环利用的，但能量不可循环利用，C错误；酶1和酶2作为催化剂，其作用是催化而非调节，D错误。2．(2024·南京市九中质量调研)将标记的32P注入活细胞内，随后迅速分离细胞内的ATP，测定其放射性，如图代表ATP的结构。下列叙述不正确的是()A．④和⑤之间化学键的形成过程总是与放能反应相关联B．①代表ATP中的“A”，ATP脱去④⑤成为腺嘌呤核糖核苷酸C．ATP中磷酸基团⑤很快就会被32P标记，但是ATP的含量基本不变D．细胞癌变后ATP末端磷酸基团被取代的速率加快答案B解析①代表腺嘌呤，而ATP中的“A”代表腺苷，B错误；ATP中远离腺苷的化学键容易断裂和生成，但是ATP的含量基本不变，故磷酸基团⑤很快就会被32P标记，C正确；细胞癌变后细胞代谢增强，ATP和ADP的转化加快，ATP末端磷酸基团被取代的速率加快，D正确。考向二ATP的合成和利用3．(2025·遵义联考)ATP可作为一种药物用于辅助治疗肌肉萎缩、脑出血后遗症、心肌炎等疾病。下列说法正确的是()A．ATP是生物体内所有耗能生命活动的直接能量来源B．ATP合成所需的能量来自光能或化学能C．ATP的水解过程往往伴随着蛋白质分子的去磷酸化D．ATP的水解产物可以作为合成DNA的原料答案B解析ATP是直接能源物质，细胞中绝大多数需要能量的生命活动都由ATP提供，但也有少数由GTP、UTP等提供，A错误；光合作用和呼吸作用都会产生ATP，ATP合成所需的能量来自光能或化学能，B正确；ATP的水解过程往往伴随着蛋白质分子的磷酸化，C错误；ATP的水解产物核糖核苷酸，可以作为合成RNA的原料，D错误。4．(2023·福建，14)肌细胞质基质中Ca2＋浓度升高将引起肌收缩，静息状态下，肌细胞质基质Ca2＋浓度极低，此时胞内Ca2＋主要存储于肌质网中(一种特殊的内质网)。肌质网膜上存在一种Ca2＋载体，能催化水解ATP实现Ca2＋逆浓度跨膜运输，该载体转运过程中的两个状态(E1和E2)如图所示。下列相关叙述错误的是()A．该载体对Ca2＋的转运过程利用了ATP水解所释放的能量B．E2中该载体通过构象变化向细胞质基质运输Ca2＋导致肌收缩C．若该载体数量不足或功能减弱可导致肌收缩的停止发生异常D．随着待转运Ca2＋浓度的增加，该载体的运输速率先增大后稳定答案B解析根据题干信息可知，该载体对Ca2＋的转运方式是主动运输，A正确；图示中载体的E1状态是载体蛋白的磷酸化，通过其空间结构改变完成Ca2＋的逆浓度梯度运输，E2是去磷酸化状态，恢复为可以重新结合Ca2＋的状态，因此这个主动运输过程是把Ca2＋向肌质网中运输，降低了肌细胞质基质中Ca2＋浓度，肌细胞由收缩恢复为舒张状态，B错误；肌质网膜上的Ca2＋载体数量不足或功能减弱，不利于肌质网回收Ca2＋，使肌细胞质基质中Ca2＋维持较高浓度，引起肌细胞持续收缩，C正确；主动运输中，在一定范围内随着待转运Ca2＋浓度的增加，该载体的运输速率增大，但受到载体数量的限制，达到最大速率后保持稳定，D正确。5．(2021·湖南，5)某些蛋白质在蛋白激酶和蛋白磷酸酶的作用下，可在特定氨基酸位点发生磷酸化和去磷酸化，参与细胞信号传递，如图所示。下列叙述错误的是()A．这些蛋白质磷酸化和去磷酸化过程体现了蛋白质结构与功能相适应的观点B．这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失，不影响细胞信号传递C．作为能量“货币”的ATP能参与细胞信号传递D．蛋白质磷酸化和去磷酸化反应受温度的影响答案B解析通过蛋白质磷酸化和去磷酸化改变蛋白质的空间结构，进而实现细胞信号的传递，体现了蛋白质结构与功能相适应的观点，A正确；如果这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失，将会使该位点无法磷酸化，进而影响细胞信号的传递，B错误；根据题干信息可知，进行细胞信息传递的蛋白质需要磷酸化才能起作用，而ATP为其提供了磷酸基团和能量，从而参与细胞信号传递，C正确；温度会影响蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性，进而影响蛋白质磷酸化和去磷酸化反应，D正确。调控蛋白质的活性方法之一——磷酸化和去磷酸化引发构象变化类型蛋白质的磷酸化蛋白质的去磷酸化概念在蛋白激酶催化下，将ATP末端的磷酸基团转移并结合到蛋白质特定位点的氨基酸残基上或者在信号作用下结合GTP的过程在蛋白磷酸酶的催化下，磷酸化的蛋白质上的磷酸基团脱落的过程图示过程意义磷酸化和去磷酸化是一种分子开关形式。一些蛋白质平时处于失活状态，必须被蛋白激酶磷酸化之后才可以发挥作用；而有些正好相反，这些蛋白质磷酸化时是失活的，必须经过蛋白磷酸酶去磷酸化才可以激活下列关于ATP的叙述正确的是()A．ATP是细胞中能量的唯一载体，也是能量的直接来源B．ATP结构简式可表示为A－P～P～PC．ATP中的“A”是腺苷，由腺嘌呤和脱氧核糖结合而成D．ATP中两个相邻的磷酸基团都带正电荷而相互排斥E．ATP末端的磷酸基团转移势能较高，导致远离A的化学键易断裂F．ATP水解两个特殊化学键后剩余部分可直接参与RNA、DNA的合成G．ATP水解脱离下来的磷酸分子可与某些蛋白质结合H．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I．肌肉细胞中ATP含量因大量消耗而明显降低J．ATP水解和ATP合成过程中，能量不同，所用酶不同，场所也不完全相同K．菠菜根尖细胞中能合成ATP的细胞器只有线粒体L．许多放能反应一般与ATP的合成相联系M．Ca2＋载体蛋白的磷酸化与ATP水解相联系N．ATP水解释放的磷酸基团能使蛋白质磷酸化，磷酸化后的蛋白质活性和结构保持不变答案BEJKLM解析细胞中能量的载体不止ATP一种(如还有糖类、脂肪等)，ATP是细胞中的直接能源物质，A错误；ATP中的“A”是腺苷，由腺嘌呤和核糖结合而成，C错误；ATP中两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥，D错误；ATP含有的五碳糖为核糖，ATP水解两个特殊化学键后剩余部分可直接参与RNA合成，不能参与DNA合成，F错误；ATP水解脱离下来的磷酸基团可与某些蛋白质结合，G错误；细胞内的ATP含量不多，消耗后可迅速产生，代谢旺盛的细胞内ATP与ADP转化速率快，代谢缓慢的细胞内ATP与ADP转化速率慢，H错误；肌肉细胞中ATP大量消耗同时也会产生，不会明显降低，处于动态平衡之中，I错误；合成ATP的生理过程有细胞呼吸和光合作用，菠菜根尖细胞中没有叶绿体，其中能合成ATP的细胞器只有线粒体，K正确；磷酸化后的蛋白质活性和结构都发生改变，N错误。课时精练选择题1～2题，每小题5分，3～15题，每小题6分，共88分。一、选择题1．(2024·黄冈期末)如图表示ATP分子的结构式，下列相关叙述正确的是()A．①与ATP中的“A”具有相同的含义B．病毒不需要ATP就可完成各项生命活动C．ATP脱去④的过程常与放能反应相联系D．ATP脱去③④后的产物可用于合成某些酶答案D解析①为腺嘌呤，ATP中的“A”为腺苷，由腺嘌呤和核糖构成，A错误；病毒没有细胞结构，需要寄生在活细胞中才能生存，各项生命活动的进行需要ATP，B错误；ATP脱去④的过程释放能量，因此常与吸能反应相联系，C错误；ATP脱去③④后的产物为腺嘌呤核糖核苷酸，是构成RNA的基本单位之一，而酶的化学本质是蛋白质或RNA，因此ATP脱去③④后的产物可用于合成某些酶，D正确。2．(2021·北京，1)ATP是细胞的能量“货币”，下列关于ATP的叙述错误的是()A．含有C、H、O、N、PB．必须在有氧条件下合成C．胞内合成需要酶的催化D．可直接为细胞提供能量答案B解析无氧呼吸过程中也能合成少量ATP，B错误。3．据测算，一个人在剧烈运动的状态下，每分钟约有0.5kg的ATP转化成ADP，释放能量，供运动所需。生成的ADP又可在一定条件下转化成ATP。下列相关叙述错误的是()A．ADP是比ATP稳定的化合物，其分子中不含特殊化学键B．正常生活的细胞中，ATP和ADP的相互转化处于动态平衡C．ATP和ADP相互转化的供能机制体现了生物界的统一性D．ADP转化成ATP的过程中，所需的能量可来自细胞呼吸答案A解析ADP分子中也含特殊化学键，A错误。4．下列关于ATP的叙述，正确的是()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ATPC．ATP水解形成ADP时释放能量和磷酸基团D．ATP分子中的2个特殊的化学键不易断裂水解答案C解析光合作用和细胞呼吸都可以产生ATP，A错误；ATP在细胞内含量少，易再生，ATP－ADP循环使得细胞不会储存大量的ATP，B错误；ATP分子中的2个特殊的化学键比较不稳定，易断裂水解，D错误。5．(2025·潜江调研)ATP为Ca2＋跨膜运输供能的过程如图所示，下列相关叙述错误的是()A．图中物质A既具有物质运输功能，又具有催化功能B．载体蛋白磷酸化伴随着能量的转移，载体蛋白活性也被改变C．Ca2＋与物质A结合后，最终导致物质A的空间结构发生变化D．加入蛋白质变性剂会提高Ca2＋的跨膜运输速率答案D解析由图可知，Ca2＋的跨膜运输过程需要载体和能量，载体的化学本质是蛋白质。若加入蛋白质变性剂，则载体蛋白的结构和功能会发生改变，Ca2＋的跨膜运输速率将降低，D错误。6．(2024·漳州一模)科学家培育出一种含转荧光素酶基因的“荧光树”，用荧光素浇灌后，“荧光树”能发光，原理如图。以下说法正确的是()ATPeq\o(→,\s\up7(水解),\s\do5(激活))荧光素eq\o(→,\s\up7(荧光素酶),\s\do5())发光A．荧光素酶和ATP为荧光素的发光反应提供了能量B．“荧光树”能持续发光与细胞内ATP的含量较高密切相关C．ATP彻底水解后可以得到三种小分子有机物D．荧光素发光反应前后，荧光素酶的结构相同答案D解析酶的作用是降低化学反应的活化能，不能提供能量，A错误；ATP在细胞内的含量较低且稳定，“荧光树”能持续发光依靠的是ATP和ADP之间的快速转化，B错误；ATP彻底水解后可以得到磷酸、核糖、腺嘌呤三种小分子物质，但磷酸不属于有机物，C错误。7．cAMP(环化一磷酸腺苷)是由ATP脱去两个磷酸基团后缩合环化而成的一种细胞内信号分子。下列有关叙述正确的是()A．cAMP与核酸的组成元素不同B．cAMP中的A与ATP中的A含义相同C．接收cAMP信号的受体为糖被D．ATP缩合形成cAMP的场所在核糖体答案B解析cAMP与核酸的组成元素都为C、H、O、N、P，A错误；cAMP中的A与ATP中的A均代表腺苷，B正确；糖被在细胞表面，cAMP为胞内信号分子，C错误；氨基酸脱水缩合的场所为核糖体，cAMP作为ATP转化而来的胞内信号分子，其形成过程通常发生在细胞质基质中，D错误。8．(2025·佛山15校联盟联考)Arf家族蛋白是分泌、内吞等过程的关键引发因子，Arf家族蛋白在与GDP结合的非活性状态和与GTP结合的活性状态之间循环(GTP和ATP的结构和性质相似，仅是碱基A被G替代)。活性状态的Arf家族蛋白能募集胞质蛋白进入囊泡，然后运输到特定的亚细胞位点。以下叙述正确的是()A．GDP是由鸟嘌呤、核糖和3个磷酸基团结合而成B．Arf由非活性状态转化为活性状态，其空间结构不会发生改变C．Arf由非活性状态转化为活性状态是一个吸能反应D．运输货物蛋白的囊泡可能来自核糖体、内质网或高尔基体答案C解析GTP中G表示鸟苷，P表示磷酸基团，其结构式是G－P～P～P，则GTP是由鸟嘌呤、核糖和3个磷酸基团结合而成，A错误；Arf由结合GDP的非活性状态转化为结合GTP的活性状态，其空间结构发生改变，该过程需要储存能量，属于吸能反应，B错误，C正确；核糖体是无膜结构细胞器，无法形成囊泡，运输货物蛋白的囊泡可能来自内质网或高尔基体，体现了膜的流动性，D错误。9．(2021·海南，14)研究人员将32P标记的磷酸注入活的离体肝细胞，1～2min后迅速分离得到细胞内的ATP。结果发现ATP的末端磷酸基团被32P标记，并测得ATP与注入的32P标记磷酸的放射性强度几乎一致。下列有关叙述正确的是()A．该实验表明，细胞内全部ADP都转化成ATPB．32P标记的ATP水解产生的腺苷没有放射性C．32P在ATP的3个磷酸基团中出现的概率相等D．ATP与ADP相互转化速度快，且转化主要发生在细胞核内答案B解析该实验不能说明细胞内全部ADP都转化成ATP，A错误；放射性几乎只出现在ATP的末端磷酸基团，C错误；该实验不能说明ATP与ADP的相互转化主要发生在细胞核内，D错误。10．(2024·日照模拟)根系吸收NOeq\o\al(－,3)依赖于根细胞膜上的载体蛋白(NRT1.1)，蛋白激酶CIPK23可引起NRT1.1第101位苏氨酸(T101)磷酸化，进而促进根细胞吸收NOeq\o\al(－,3)。不同浓度的NOeq\o\al(－,3)对根细胞吸收NOeq\o\al(－,3)的影响如图所示。下列分析正确的是()A．低浓度的NOeq\o\al(－,3)可引起CIPK23磷酸化，加速细胞吸收NOeq\o\al(－,3)B．NOeq\o\al(－,3)借助根细胞膜的NRT1.1以协助扩散的方式进入细胞内C．NRT1.1基因发生突变，若不影响T101位苏氨酸磷酸化，则不会影响NOeq\o\al(－,3)的吸收D．土壤盐碱化可能通过抑制CIPK23的活性影响根细胞吸收NOeq\o\al(－,3)答案D解析低浓度的NOeq\o\al(－,3)可引起NRT1.1的磷酸化，加速细胞吸收NOeq\o\al(－,3)，A错误；NRT1.1的磷酸化消耗ATP，说明NOeq\o\al(－,3)借助根细胞膜的NRT1.1以主动运输的方式进入细胞内，B错误；NRT1.1基因发生突变，即使不影响T101位苏氨酸磷酸化，但是可能影响NRT1.1的空间结构，会影响NOeq\o\al(－,3)的吸收，C错误。11．(2025·武汉检测)磷酸肌酸(C～P)是一种存在于肌肉和其他兴奋性组织(如脑和神经)中的高能磷酸化合物，它和ATP在一定条件下可以相互转化。细胞在急需供能时，在酶的催化下，磷酸肌酸的磷酸基团转移到ADP分子上，余下部分为肌酸(C)，这样可以在短时间内维持细胞中ATP含量的相对稳定。下列叙述错误的是()A．肌肉收缩时，ATP的含量保持相对稳定B．磷酸肌酸可作为能量的存储形式，但不能直接为肌肉细胞供能C．剧烈运动时，肌肉细胞中磷酸肌酸与肌酸含量的比值会有所升高D．细胞中的磷酸肌酸对于维持ATP含量的相对稳定具有重要作用答案C解析剧烈运动时，消耗ATP加快，ADP转化为ATP的速率也加快，磷酸肌酸的磷酸基团转移到ADP分子上，产生肌酸，导致磷酸肌酸与肌酸含量的比值下降，C错误。12．蛋白质磷酸化反应是指ATP末端的磷酸转移到底物蛋白质的特定氨基上所进行的化学反应。磷酸化的蛋白质活性改变后做功，从而参与细胞代谢，如图所示。下列说法错误的是()A．ATP末端磷酸基团脱落时伴随能量的转移B．磷酸化的蛋白质活性改变但并未变性C．ATP推动的细胞做功过程属于吸能反应D．蛋白质的磷酸化过程伴随ATP的水解，水解产物参与RNA的合成答案D解析由题图可知，蛋白质的磷酸化过程伴随ATP的水解，形成的产物之一是ADP，ADP还需要再脱掉一个磷酸基团才能参与RNA的合成，D错误。13．(2024·仙桃月考)蛋白激酶A(PKA)由两个调节亚基和两个催化亚基组成，其活性受cAMP(经腺苷酸环化酶催化ATP环化形成)调节，如图所示。活化的PKA催化亚基能将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化，改变这些蛋白质的活性。下列有关说法错误的是()A．调节亚基具有结合cAMP的结构域，催化亚基包含活性位点B．蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化的过程伴随着ATP的水解C．ATP不仅是生物的直接供能物质，还是合成cAMP、DNA等物质的原料D．cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基分离，释放出高活性的催化亚基答案C解析腺苷酸环化酶催化ATP环化形成cAMP，故ATP不仅是生物的直接供能物质，还是合成cAMP的原料，但ATP水解后形成的AMP(腺嘌呤核糖核苷酸)是合成RNA的原料之一，C错误。14．ATP注射液主要用于脑出血后遗症、心功能不全、进行性肌萎缩等的辅助治疗。研究发现，ATP可以作为兴奋性神经递质与血管、内脏平滑肌细胞及神经细胞上的P2X受体结合。与自身合成的ATP相比，注射浓度远低于细胞内，几乎不能进入细胞。下列叙述正确的是()A．1个ATP分子由1分子核糖、1分子腺苷和3分子磷酸基团组成B．注射的ATP作为辅助治疗药物主要是利用了其信号分子的作用C．肝细胞中的ATP主要通过有氧呼吸第三阶段在线粒体基质产生D．注射的ATP与P2X受体结合，提供能量和信息后，可能被降解答案B解析1个ATP分子由1分子核糖、1分子腺嘌呤和3分子磷酸基团组成，A错误；研究发现ATP可以作为兴奋性神经递质与血管、内脏平滑肌细胞及神经细胞上的P2X受体结合，所以注射的ATP作为辅助治疗药物主要是利用了其信号分子的作用，B正确；肝细胞中的ATP主要通过有氧呼吸第三阶段在线粒体内膜产生，C错误；由题意可知，注射的ATP几乎不能进入细胞，因此不能提供能量，D错误。15．(2024·泉州联考)GTP与ATP的化学结构相似。G蛋白由Gα、Gβ和Gγ三个亚基组成，具有