【精品】高中生物 (人教大纲版)第一册 第三章 生物的新陈代谢 2新陈代谢与ATP(备课资料)

备课资料
一、ATP
ATP也叫三磷酸腺苷、腺三磷。

ATP的分子结构复杂。

腺嘌呤与核糖结合成腺苷，再与3个相连的磷酸基团结合形成ATP。

ATP的两个磷酸基团之间（A—P～P～P即P与P之间）用“～”表示的化学键是高能磷酸键。

高能磷酸键水解时，释放出的能量是正常的化学键的2倍以上。

如，ATP末端磷酸基团水解时，释放出的能量是30.5kJ/mol，而6磷酸葡萄糖水解时，释放的能量只有13.8kJ/mol。

一般说来，水解时释放20.92kJ/mol以上能量的化合物就叫高能化合物。

显然，ATP是一种高能化合物。

在生物体内能量的转换和传递中，ATP 是一种关键的物质。

生物体的一切生命活动都离不开ATP。

ATP是生物体内直接供给可利用能量的物质，是细胞内能量转换的“中转站”。

实际上，ATP是细胞内能量释放、储存、转移和利用的中心物质。

二、ATP的生成
APT主要由ADP磷酸化所生成，少数情况下，可由AMP焦磷酸化而生成。

ADP＋Pi＋能量→ATP
AMP＋2 Pi＋能量→ATP
1．底物水平磷酸化底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。

即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。

X～○P＋ADP→APT＋X
式中X～○P代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物。

在糖的分解代谢中如3－磷酸甘油醛转变成1，3-二磷酸甘油酸，形成了高能磷酸化合物。

a-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酸时，也有高能化合物形成。

底物磷酸化形成高能化合物，其能量来源于伴随着底物的脱氢，分子内部能量的重新分布。

底物磷酸化也是捕获能量的一种方式，在发酵作用中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。

底物磷酸化和氧的存在与否无关。

2．电子传递体系磷酸化当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP，这一全过程称电子传递体系磷酸化。

电子传递体系磷酸化是生成ATP的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节。

人们发现这个过程正常进行时，只要有ADP与Pi存在，就有ATP生成。

电子传递过程和磷酸化作用相偶联的部位，根据实验证明，从NADH到分子氧的呼吸链中，有三处能使氧化还原过程释放的能量转化为ATP，而且这三个释放能量的部位都已弄清。

这三处也即是传递链上可被特异性抑制剂切断的地方。

NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：(E′0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2 V以上)
研究氧化磷酸化最常用的方法是测定线粒体或其制剂的P／O比值和电化学实验。

P／O 比值是指每消耗l摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。

根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接
测出ATP 生成量。

实验指明NADH 呼吸链的P ／O 值是3，即每消耗1摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP ，FADH 2呼吸链的P ／O 值是2，即消耗1摩尔氧原子可形成2摩尔ATP 。

从不同底物的氢所得到的P ／O 值不完全相同，故按不同底物参加呼吸链的P ／O 比值，可以推断氧化磷酸化的部位。

在呼吸链中各电子对标准氧化还原电位E ′0的不同，实质上也就是能级的不同。

自由能的变化可以从平衡常数计算，也可以由反应物与反应产物的氧化还原电位计算。

在实验的基础上，总结出电位差不同和自由能的关系可由以下公式计算：
能量(电池所做的功)＝电位差×电量
△G ＝－n F △E ， △G °′＝－n F △E ′0
△G 代表反应的自由能，n 为电子转移数，F 为Farady 常数23.062千卡／伏，△E ′0为电位差值。

△G °′以千卡／摩尔(kcal ／mol)计或千焦耳／摩尔(kJ ／m01)计。

利用上式，对于任何一对氧化还原反应都可由△E ′0方便地计算出△G °′。

例如 细胞色素a →2
1O 2 △G ′=-2×23.062×(0.816-0.29)
=-2×23.062×0.52=-23.9千卡／摩尔=一99.9千焦／摩尔
从△G °′的计算也可推断氧化磷酸化的偶联部位，并与P ／O 比值的结果一致。

每合成1摩尔ATP 需能7.3千卡，在NADH 呼吸链中三个部位所产生的自由能均超过此值(见下图)。

呼吸链、生物氧化与氧化磷酸化都是在线粒体内进行的。

线粒体的主要功能是氧化供能，相当于细胞的发电厂。

线粒体具有双层膜的结构，外膜的通透性较大，内膜有较严格的透过选择性，通常通过外膜与细胞浆进行物质交换。

已知道糖酵解作用是在胞浆中进行的，在真核生物中胞液中的NADH 不能通过正常的线粒体内膜，要使糖酵解所产生的NADH 进入呼吸链氧化生成ATP 必须通过较为复杂的过程，据现在了解，线粒体外的NADH 可将其所带之H 转交给某种能透过线粒体膜的化合物。

进入线粒体内后再氧化。

能完成这种穿梭任务的化合物有磷酸甘油与苹果酸等。

胞液中含有
α-磷酸甘油脱氢酶，可以将磷酸二羟丙酮还原为α-磷酸甘油，后者可以扩散到线粒体内，线粒体内则有另一种α-磷酸甘油脱氢酶，可以催化进入的α-磷酸甘油脱氢，形成FAD ·H 2，于是细胞液的NADH 便间接地形成了线粒体内的FAD ·H 2，后者通过呼吸链产生ATP 。

这种穿梭作用主要存在于肌肉、神经组织，所以葡萄糖在这些组织中彻底氧化所产生的ATP 比其他组织要少2个，即产生36个ATP 。

三、ATP中能量的利用
ATP中的能量可以直接转换成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。

这些能量形式主要有：
（1）机械能。

生物体内的细胞以及细胞内各种结构的运动都在做机械功，所消耗的就是机械能。

如纤毛和鞭毛的摆动、肌细胞的收缩、细胞分裂间期染色体的运动等，都是由ATP提供能量来完成的。

（2）化学能。

生物体内物质的合成需要化学能，小分子物质合成大分子物质时，必须有直接或间接的能量供应。

另外，物质在分解的开始阶段，也需要化学能来活化成能量较高的物质。

在生物体的物质代谢中，可以说到处都需要由ATP转换的化学能来做化学功。

（3）热能。

生物体内的热能，来源于有机物的氧化分解。

大部分的热能通过各种途径向外界环境散失，只有一小部分热能用于维持细胞或恒温动物的体温。

通常情况下，热能的形成往往是细胞能量转换和传递过程中的副产品。

（4）渗透能。

细胞的主动运输是逆浓度梯度进行的，物质过膜移动所做的功消耗了能量，这些能量叫做渗透能，渗透能也来自ATP。

（5）电能。

生物体内神经系统传导冲动和某些生物能够产生电流，所做的电功消耗的就是电能。

电能也是由ATP所提供的能量转换而成的。

（6）光能。

用于发光的能量仍然直接来源于ATP。

四、范例析与解
［例1］下列有关ATP叙述中正确的是( )
A.它的分子简式是A—P—P～P
B.所有植物细胞中的ATP都是由叶绿体产生的
C.它的分子简式是A—P～P～P
D.动物细胞中全部生理活动都离不开ATP
分析：ATP，全名三磷酸腺苷，其分子结构复杂，简式为A—P～P～P。

对于植物细胞而言，形成ATP的能量来自于光合作用和呼吸作用，所以ATP是由光合作用的场所——叶绿体和呼吸作用的场所——线粒体产生的。

动物细胞中的生理活动大多数离不开ATP，但并不是所有的生理活动都离不开ATP。

比如自由扩散这一生理活动，是从浓度高的一侧向浓度低的一侧进行物质运输，不需要载体，不需要能量，便可以离开ATP。

答案：C
［例2］在绵羊细胞中，当ATP浓度过高时，下列反应向何方进行( )
酶
ATP+肌酸 ADP+磷酸肌酸
A.向右进行
B.向左进行
C.既可向右，也可向左
D.不发生反应
分析：磷酸肌酸是含有高能磷酸键的又一种高能化合物，在动物肌细胞大量存在。

当有机物氧化分解释放大量能量时，ATP也大量形成。

但由于ATP在细胞内含量不多，ATP中的能量会释放出来形成磷酸肌酸暂时储存起来。

因此，磷酸肌酸实际上是ATP的后备军。

答案：A
［例3］生物体内既能贮存能量，又能为生命活动直接提供能量的物质是( )
A.葡萄糖
B.糖元
C.三磷酸腺苷
D.脂肪
答案：C
［例4］在绿色植物的生命活动中，能生成ATP的细胞结构有( )
A.叶绿体
B.线粒体
C.高尔基体
D.细胞质基质
答案：ABD
［例5］高等植物体内产生ATP的生理过程有( )
A.呼吸作用、渗透作用
B.呼吸作用、蒸腾作用
C.光合作用、主动运输
D.光合作用、呼吸作用
答案：D
［例6］下列生理过程中，不需要消耗ATP的是( )
A.核糖体上合成血红蛋白
B.在肺泡表面进行气体交换
C.小肠吸收氨基酸
D.神经冲动在中枢传导
答案：B。