高中生物 14 细胞的能量 - 细胞的能量货币ATP

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ATP的结构简式和特点

结构简式：ATP是三磷酸腺苷的英文缩写，其结构简式为A - P~P~P，其中“A”代表腺苷，由腺嘌呤和核糖组成；“P”代表磷酸基团；“~”代表特殊的化学键，称为高能磷酸键。

特点：ATP分子中远离腺苷的那个高能磷酸键很容易水解，也很容易重新形成。高能磷酸键水解时释放的能量多达30.54kJ/mol，所以说ATP是一种高能磷酸化合物。

ATP与ADP的相互转化

转化过程：ATP在有关酶的催化作用下，远离腺苷的高能磷酸键水解，生成ADP和磷酸，同时释放出大量能量；在另一种酶的作用下，ADP接受能量与一个磷酸结合，重新形成ATP。反应式如下：

ATP ⇌ ADP + Pi + 能量

转化特点：ATP与ADP的相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的。细胞内ATP与ADP相互转化的能量供应机制，是生物界的共性。

转化的意义：ATP与ADP的相互转化为细胞的生命活动提供了直接的能量来源，保证了细胞各项生命活动的能量需求。例如，肌肉收缩、物质的主动运输、生物电现象、细胞的生长分裂等都需要消耗ATP。

ATP的功能

直接能源物质：ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物，是细胞生命活动的直接能源物质。细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量的，如细胞的主动运输需要载体蛋白的协助以及ATP供能才能完成物质的逆浓度梯度运输。

能量的“通货”：ATP在细胞中的含量很少，但是ATP与ADP在细胞内的相互转化十分迅速，使得细胞内ATP的含量总是处于动态平衡之中，从而保证了细胞对能量的持续供应。因此，ATP被形象地比喻为细胞内流通的能量“通货”。

ATP的形成途径

光合作用：绿色植物通过光合作用，利用光能将ADP和Pi合成ATP，其场所是叶绿体的类囊体薄膜。光合作用产生的ATP用于暗反应中三碳化合物的还原，将活跃的化学能转化为稳定的化学能储存在有机物中。

细胞呼吸：细胞通过呼吸作用分解有机物，释放能量，将ADP和Pi合成ATP。细胞呼吸包括有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体，三个阶段都能产生ATP，其中第三阶段产生的ATP最多；无氧呼吸的场所是细胞质基质，只在第一阶段产生少量的ATP。细胞呼吸产生的ATP用于细胞的各项生命活动，如物质运输、肌肉收缩、神经传导等。

ATP在生命活动中的应用实例

肌肉收缩：肌肉细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白结合形成肌动-肌球蛋白复合物，当肌肉收缩时，需要ATP提供能量，使肌动蛋白和肌球蛋白发生相对滑动，从而引起肌肉收缩。如果ATP供应不足，肌肉就会出现疲劳现象。

物质跨膜运输：主动运输是逆浓度梯度进行的物质运输方式，需要载体蛋白的协助和ATP提供能量。例如，小肠上皮细胞吸收葡萄糖、氨基酸等营养物质，以及肾小管上皮细胞重吸收葡萄糖等过程，都需要消耗ATP。

生物电现象：神经细胞在静息状态下，细胞膜内外存在电位差，即静息电位，主要是由于钾离子外流形成的，而钾离子外流的动力来自于细胞膜内外的浓度差以及细胞膜上的钾离子通道蛋白，这个过程是被动运输，但神经细胞维持细胞膜内外离子浓度差需要消耗ATP；当神经细胞受到刺激时，细胞膜对钠离子的通透性增加，钠离子大量内流，形成动作电位，这个过程也是被动运输，但随后神经细胞要恢复到静息电位状态，需要通过钠钾泵将钠离子泵出细胞，钾离子泵入细胞，这是一个主动运输过程，需要消耗ATP。

ATP作为细胞的能量货币，在细胞的能量代谢中起着至关重要的作用，其结构、转化、功能以及形成途径等方面的知识，对于理解细胞的生命活动和能量供应机制具有重要意义。