第10讲　细胞的能量“货币”ATP 高中生物第一轮总复习

第10讲细胞的能量“货币”ATP课标内容解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。考点ATP的结构和功能1.ATP是一种高能磷酸化合物(1)ATP的中文名称腺苷三磷酸。①ATP的元素组成：C、H、O、N、P。②ATP结构简式：A—P～P～P。其中“A”代表腺苷，“P”代表磷酸基团，“～”代表一种特殊的化学键(这种化学键不稳定)。(2)ATP和ADP的结构(3)ATP的供能原理(4)ATP是一种高能磷酸化合物ATP水解的过程就是释放能量的过程，1molATP水解释放的能量高达30.54kJ，所以说ATP是一种高能磷酸化合物。提醒ATP并不是细胞内唯一的高能化合物，高能化合物在生物体内有很多种，如存在于各种生物体细胞内的UTP、GTP、CTP及动物体内的磷酸肌酸。因此，ATP并不是唯一的供应生命活动的直接供能物质。2.ATP和ADP的相互转化3.ATP的利用(1)ATP为主动运输供能的过程(以Ca2＋释放为例)(2)ATP——细胞内流通的能量“货币”①吸能反应：一般与ATP的水解反应相联系，由ATP水解提供能量。如蛋白质的合成。②放能反应：一般与ATP的合成相联系，释放的能量储存在ATP中。如细胞内有机物的氧化分解反应。4.ATP产生量与O2供给量的关系分析(1)ATP必须在有氧条件下合成。(2021·北京卷，1B)(×)提示无氧呼吸也可产生ATP。(2)线粒体、叶绿体和高尔基体都是合成ATP的场所。(2019·全国卷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·天津卷，2A)(×)提示淀粉水解不需要消耗ATP。eq\x(必修1P86“相关信息”)1.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：______________________________________________________________________________________________________________________________________。提示含有两个特殊化学键，远离鸟苷的特殊化学键容易水解断裂，释放能量。3.在某细胞培养液中加入32P标记的磷酸分子，短时间后分离出细胞中的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，分析该现象得到的结论是：___________________________________________________。提示①ATP中远离A的磷酸基团容易脱离；②该过程中ATP既有合成又有水解；③部分32P标记的ATP是重新合成的考向1结合ATP的结构和功能，考查结构与功能观1.(2024·广州市联考)如图是ATP的结构简式，图中①②表示一种特殊的化学键。下列相关叙述错误的是()A.②断裂后的产物可直接与Pi结合形成ATPB.①断裂后的产物可作为合成RNA的原料C.细胞中的高能磷酸化合物不止ATP一种D.ATP和ADP相互转化的能量供应机制体现了生物界的统一性答案A解析②断裂后的产物是ADP，ADP在有关酶的作用下，可以接受能量与一个游离的Pi结合形成ATP，A错误；①断裂后的产物是腺嘌呤核糖核苷酸，是构成RNA的基本组成单位之一，B正确；根据ATP的结构简式可以推测细胞中可能还会有GTP、CTP、UTP等高能磷酸化合物，C正确；ATP与ADP相互转化的能量供应机制，在所有生物的细胞内都是一样的，这体现了生物界的统一性，D正确。2.(2024·湖北荆州三校联考)生物体内的高能磷酸化合物有多种，它们在人体合成代谢中有一定差异，如表所示。下列相关叙述最为准确的是()高能磷酸化合物ATPGTPUTPCTP主要用途能量“货币”蛋白质合成糖原合成脂肪和磷脂的合成A.GTP脱去两个磷酸基团是DNA的合成的原料之一B.UTP除了用于糖原合成，还可作为转录的原料C.无光情况下，叶肉细胞内合成ATP的场所是线粒体D.在糖原、脂肪和磷脂的合成过程中，消耗的能量均不能来自ATP答案B解析GTP脱去两个磷酸基团后，可得到鸟嘌呤核糖核苷酸，是组成RNA的基本单位之一，A不符合题意；由表可知，UTP可用于糖原合成，其脱去两个磷酸基团后可得到尿嘧啶核糖核苷酸，可作为合成RNA的原料，因而可作为转录的原料，B符合题意；无光情况下，叶肉细胞不能进行光合作用，此时叶肉细胞只能通过细胞呼吸合成ATP，场所是线粒体和细胞质基质，C不符合题意；ATP作为能量“货币”，在糖原、脂肪和磷脂的合成过程中，消耗的能量可来自ATP，D不符合题意。考向2围绕ATP的转化和利用，考查物质与能量观3.(2024·广东深圳模拟)蛋白质的磷酸化与去磷酸化被比喻为一种“分子开关”，分子开关的机理如图所示。下列有关分子开关的说法，错误的是()A.剧烈运动过程中分子开关的频率远高于静息状态B.“分子开关”的磷酸化与去磷酸化过程属于可逆反应C.蛋白质的磷酸化是翻译后的修饰D.细胞膜上存在蛋白质的磷酸化与去磷酸化答案B解析剧烈运动过程中，细胞代谢加快，需要的有活性蛋白增多，推测分子开关频率更高，A正确；蛋白质的磷酸化和去磷酸化所需要的酶分别为蛋白激酶和蛋白磷酸酶，不属于可逆反应，B错误；蛋白质磷酸化使无活性蛋白转变为有活性蛋白，属于翻译后的修饰，C正确；细胞膜上行使主动运输功能的载体蛋白存在蛋白质的磷酸化和去磷酸化，D正确。4.(2024·湘豫名校联考)如图所示为ATP合成酶结构及其作用机制。H＋沿着线粒体内膜上ATP合成酶内部的通道流回线粒体基质，推动ATP的合成。某些减肥药物能够增加线粒体内膜对H＋的通透性，降低H＋膜内外浓度差。下列相关叙述正确的是()A.ATP合成酶还存在于叶绿体内膜和叶绿体类囊体薄膜B.图中合成ATP的能量来自H＋浓度差产生的势能C.图中产生的ATP可用于一切生命活动D.减肥药物会加快ATP的产生，有利于健康答案B解析线粒体内膜和叶绿体类囊体薄膜上都存在ATP合成酶，但叶绿体内膜上不存在ATP合成酶，A错误；由图可知，合成ATP的能量来自H＋浓度差产生的势能，B正确；光合作用暗反应阶段需要的ATP来自光反应阶段(叶绿体类囊体薄膜产生的)而非来自线粒体，C错误；减肥药物能够增加线粒体内膜对H＋的通透性，降低H＋膜内外的浓度差，减慢ATP的产生，不利于健康，D错误。(1)ATP的来源和去向小结(2)磷酸化和去磷酸化在相应的位置上，加上磷酸基团称为磷酸化，将磷酸基团去除称为去磷酸化。腺苷二磷酸加上磷酸基团发生在叶绿体内，称光合磷酸化；腺苷二磷酸加上磷酸基团发生在线粒体内，称氧化磷酸化。这两种磷酸化过程中，都伴随着能量向ATP的转移。若蛋白质分子加上磷酸基团，称蛋白质分子的磷酸化，已磷酸化的蛋白质分子去除磷酸基团，称蛋白质分子的去磷酸化。磷酸化和去磷酸化，一般指的是蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化。蛋白质分子的磷酸化过程，往往伴随着ATP水解，提供磷酸基团。1.(2022·浙江1月选考，3改编)下列关于腺苷三磷酸分子的叙述，正确的是()A.由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成B.分子中与磷酸基团相连接的化学键都是特殊的化学键C.在水解酶的作用下不断地合成和水解D.是细胞中吸能反应和放能反应的纽带答案D解析1分子的ATP是由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸基团组成，A错误；ATP分子的结构式可以简写成A—P～P～P，磷酸基团与磷酸基团相连接的化学键是一种特殊的化学键，而核糖与磷酸基团相连的化学键是普通磷酸键，B错误；ATP在水解酶的作用下水解，在合成酶的作用下ADP和磷酸吸收能量合成ATP，C错误；吸能反应一般与ATP的水解相联系，放能反应一般与ATP的合成相联系，故吸能反应和放能反应之间的纽带就是ATP，D正确。2.(2021·北京卷，1)ATP是细胞的能量“通货”，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ATP中含有腺嘌呤、核糖与磷酸基团，故元素组成为C、H、O、N、P，A正确；在无氧条件下，无氧呼吸过程释放的能量也能用于合成ATP，B错误；ATP合成过程中需要ATP合成酶的催化，C正确；ATP是生物体的直接能源物质，可直接为细胞提供能量，D正确。3.(2021·海南卷，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解析根据题意可知，该实验不能说明细胞内全部ADP都转化成ATP，A错误；腺苷由腺嘌呤和核糖构成，不含磷元素，无放射性，B正确；根据题意可知，放射性几乎只出现在ATP的末端磷酸基团，C错误；该实验不能说明转化主要发生在细胞核内，D错误。4.(2021·湖南卷，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解析根据题干可知，某些蛋白质在相关酶的作用下会发生磷酸化和去磷酸化，而发生了磷酸化和去磷酸化的蛋白质就可以参与细胞信号传递，能够体现蛋白质结构与功能相适应的特点，A正确；这些蛋白质特定磷酸化位点的氨基酸缺失，会导致这些蛋白质不能发生磷酸化和去磷酸化，不能参与细胞信号传递，B错误；由题图可知，在蛋白质磷酸化过程中，ATP为蛋白质提供磷酸基团，参与了细胞信号传递，C正确；蛋白质磷酸化和去磷酸化反应均属于酶促反应，受温度的影响，D正确。限时强化练(时间：20分钟)【对点强化】考点一ATP的结构和功能1.(2024·广东深圳市调研)脱氧核苷三磷酸(dNTP)和核苷三磷酸(NTP)参与核酸合成等多种生理过程，其结构如下图所示。下列叙述错误的是()A.当图中基团X为H时，则该物质可为RNA合成提供反应所需的原料和能量B.NTP、dNTP以及磷脂分子的元素组成都是C、H、O、N、PC.以α位带32P的dATP为原料，会使新合成的DNA分子被32P标记D.ATP的γ位磷酸基团使细胞中某些蛋白质分子磷酸化，导致这些分子空间结构发生变化答案A解析当图中基团X为H时，五碳糖是脱氧核糖，则该物质是dNTP，可为DNA合成提供反应所需的原料和能量，A错误；NTP、dNTP以及磷脂分子的元素组成相同，都是C、H、O、N、P，B正确；dATP脱去β和γ位的磷酸基团后是DNA的基本单位腺嘌呤脱氧核苷酸，故用32P标记dATP的α位的磷酸基团作为DNA合成的原料，可使DNA分子被标记，C正确；ATP在酶的作用下水解时，脱离下来的γ位磷酸基团与某些蛋白结合，使蛋白磷酸化，从而使其结构发生变化，活性也被改变，D正确。2.(2024·广东惠州期末)下图是萤火虫发光的原理，相关叙述正确的是()A.ATP水解供能时生成一个腺苷和三个磷酸B.荧光素酶的化学本质是蛋白质或RNAC.由于酶具有专一性，该过程中需要多种酶催化D.在试管中加入葡萄糖、荧光素和荧光素酶，可看到荧光答案C解析ATP水解供能时生成一个腺苷二磷酸和一个磷酸，A错误；荧光素酶的化学本质是蛋白质，B错误；由于酶具有专一性，该过程中涉及多步反应，需要多种酶催化，C正确；在试管中加入葡萄糖，并不会发生氧化分解，没有产生ATP，则看不到荧光，D错误。3.(2024·厦门市调研)细胞内的马达蛋白与囊泡结合，沿细胞骨架定向移动，其机理如图所示。下列叙述错误的是()A.细胞骨架由蛋白纤维组成，锚定并支撑着许多细胞器B.马达蛋白利用ATP水解所释放的能量驱动定向运动C.马达蛋白具有和囊泡发生特异性结合的结构域D.囊性纤维病与马达蛋白功能异常直接有关，影响了正常的离子转运答案D解析细胞骨架是蛋白质纤维交错连接的网络结构，在维持细胞形态、胞内运输、变形运动等方面发挥作用；故细胞骨架由蛋白纤维组成，锚定并支撑着许多细胞器，A正确；题图显示马达蛋白与囊泡结合沿着细胞骨架定向移动，该过程需要消耗能量，该能量由ATP水解提供，B正确；由题图可知马达蛋白与囊泡特定部位结合沿细胞骨架定向移动，故马达蛋白具有和囊泡发生特异性结合的结构域，C正确；囊性纤维病的直接原因是转运氯离子的跨膜蛋白结构异常，与马达蛋白无直接关系，D错误。4.(2024·长沙一中质检)KRAS基因是RAS致癌基因家族成员之一，编码的KRAS蛋白酶与肿瘤的生成、增殖、扩散等有关。KRAS蛋白酶结合鸟苷三磷酸(GTP)时为活化态，结合鸟苷二磷酸(GDP)时为失活态。鸟苷酸转换因子(GEFs)和GTP酶激活蛋白(GAPs)能调控上述两种状态的转换(见图)。下列相关叙述错误的是()A.GTP与磷脂、NADH、NADPH的化学元素组成相同B.GTP中含有三个磷酸基团，是细胞内的一种高能磷酸化合物C.GTP或GDP与KRAS蛋白酶结合后会改变其空间结构D.致癌因子能诱导KRAS基因发生定向突变引起癌症答案D解析GTP与磷脂、NADH、NADPH的化学元素组成均为C、H、O、N、P，A正确；GTP与ATP结构相似，其中含有三个磷酸基团，是细胞内的一种高能磷酸化合物，B正确；GTP或GDP与KRAS蛋白酶结合后会改变其空间结构，从而影响其活性，C正确；基因突变是不定向的，D错误。5.(2024·广东深圳调研)下列关于细胞内ATP、NADH、NADPH等活性分子的叙述，错误的是()A.ATP脱去两个磷酸基团后可参与RNA的合成B.ATP的合成通常与细胞内的放能反应偶联C.NADH和NADPH都是具有还原性的活性分子D.叶肉细胞可通过光合作用和呼吸作用合成NADPH答案D解析ATP的结构简式是A－P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，水解掉2个磷酸基团后则形成AMP即腺嘌呤核糖核苷酸，成为组成RNA的基本单位之一，A正确；ATP合成与细胞中的放能反应相联系，细胞放出能量储存于ATP中，B正确；叶绿体中的NADPH参与C3的还原，线粒体中的NADH与氧结合生成水，二者都具有还原性，C正确；NADH是呼吸作用产生的还原型辅酶Ⅰ，而NADPH是光合作用产生的还原型辅酶Ⅱ，是两种不同的物质，D错误。6.(2024·福建省福州市调研)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(机理如下图所示)。下列叙述错误的是()A.磷酸化的蛋白质做功，失去的能量主要用于再生ATPB.ATP推动蛋白质做功的过程，存在放能反应与吸能反应过程C.ATP水解过程中，末端磷酸基团具有较高的转移势能D.主动运输过程中，载体蛋白中的能量先增加后减少答案A解析ATP可将蛋白质磷酸化，磷酸化的蛋白质会改变形状做功，失去的能量并不能用于再生成ATP，A错误；ATP推动蛋白质做功过程中，ATP的水解是放能反应，蛋白质磷酸化过程是吸能反应，因此该过程存在吸能反应和放能反应，B正确；ATP水解过程中，ATP末端磷酸基团很容易有离开ATP而与其他分子结合的趋势，具有较高的转移势能，C正确；主动运输过程中，ATP可将载体蛋白磷酸化，磷酸化的蛋白质会改变形状，这是吸能反应，然后做功，失去能量，载体蛋白恢复原状，这是放能反应，因此主动运输过程中，载体蛋白中的能量先增加后减少，D正确。考点二ATP的转化和利用7.(2023·江苏连云港模拟，14)ATPIF1作为ATP合酶的抑制剂，对细胞ATP水平具有重要的调节作用，其作用原理如下图。下列相关说法错误的是()A.ATP中的磷酸基团带负电荷相互排斥，末端磷酸基团有较高的转移势能B.ATPIF1在细胞缺氧和交感神经兴奋时，可以加速葡萄糖分解从而促进细胞坏死C.肿瘤细胞中高表达ATPIF1，有利于肿瘤细胞获得细胞增殖所需要的大量原料D.过多的糖类和脂肪是产生胰岛素抵抗的重要原因，ATPIF1有望用于缓解这种病症答案B解析ATP由一个腺苷和三个磷酸基团组成，含有“～”特殊的化学键。由于两个相邻的磷酸基团都带有负电荷而相互排斥，使得这种化学键不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，即具有较高的转移势能，A正确；在交感神经兴奋时，ATPIF1活性受到抑制，葡萄糖分解过程减弱，B错误；肿瘤细胞中高表达ATPIF1，可以加速葡萄糖分解，有利于肿瘤细胞获得细胞增殖所需要的大量原料，C正确；ATPIF1可以加速葡萄糖分解，使得血糖降低，所以ATPIF1有望用于缓解过多的糖类和脂肪产生的胰岛素抵抗，D正确。8.(2024·江西金太阳联考)如图是生物体内ATP合成与分解示意图，下列叙述正确的是()A.能量1可以来自蛋白质水解为氨基酸的过程B.能量1可以来自丙酮酸的氧化分解C.能量2可以用于叶绿体中H2O的光解D.能量2可以用于光合作用中CO2的固定答案B解析能量1为合成ATP的能量，来自呼吸作用或光合作用，A错误；能量1可以来自丙酮酸的氧化分解，B正确；H2O的光解所需能量来自光能，C错误；能量2可以用于各种需能的生命活动，但是光合作用中CO2的固定不需要消耗能量，D错误。9.(2024·重庆一中质检)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，使结合位点转向膜的另一侧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。10.(2024·湖南衡阳八中质检)激酶一般是指催化高能供体分子(如ATP)上的磷酸基团转移至底物分子上的一类蛋白质，底物分子通过磷酸基团的转移获得能量而被激活，所以很多激酶需要从ATP中转移磷酸基团。葡萄糖激酶作用于葡萄糖分子，并改变其活性。下列相关叙述错误的是()A.葡萄糖激酶与其底物分子的组成元素不同B.葡萄糖激