生物的新陈代谢与ATP

1．理解障碍的突破

(1)用“结构与功能相统一的观点”理解ATP是新陈代谢所需能量的直接来源。

首先，从分子水平上来看，新陈代谢是细胞中所有有序化学变化的总称。那么，在新陈代谢中的一系列的物质变化，必定伴随着能量的转化。生命系统必须依靠物质和能量来维持，能量的获取、储存、释放、利用和散失，伴随着全部生命活动。从整个生态系统上来看，能量在生态系统中流动的过程，总能源来自于光能，由绿色植物的光合作用，把光能以化学能的形式储存在糖类、脂肪等有机物中。植物可以通过细胞呼吸分解体内的有机物而获取生命活动所需的能量，动物则以摄食植物(直接或间接的)而获取富含能量的有机物，又通过动物自身的细胞呼吸分解有机物而获取生命活动所需的能量。绿色植物不可能把光能直接用于有机物的合成，光能只有转化成一种活跃的化学能，才能被绿色植物利用。植物和动物通过呼吸作用分解有机物释放出的能量，除了一部分以热能的形式散失或维持体温外，其余的都要转化成一种活跃的化学能，才能用于各项生命活动。由于生物体内新陈代谢功能的需要，不论是植物、动物和人，其体内都必须有一种活跃的、随时可以储藏或利用的化学能，即必然有一种物质作为这种活跃化学能的载体。而ATP(三磷酸腺苷)结构中(如下图)，远离A的高能磷酸键即容易形成又容易断裂，形成时可以储存这种活跃化学能；断裂时，可以将活跃的化学能释放用于生命活动的各个方面。因此，ATP是新陈代谢所需能量的直接来源。

(2)联系化学知识，用“层析综合法”理解ATP与ADP的相互转化及其意义。

①从生化反应角度分析理解ATP是腺嘌呤核苷的衍生物，可以看成是含三个磷酸基的腺嘌呤核苷酸，其结构如上图，ATP的结构简式可写成A—P～P～P。对于所有的细胞来说，几乎都是用ATP作为直接能源的，凡是不能单独由酶催化的化学反应，几乎都要由ATP供应能量，使化学反应能够进行。在ATP与ADP的转化中，ATP既可储能，又可作为生命活动的直接能源。在ATP的第二个和第三个磷酸基之间的高能磷酸键对于细胞中能量的捕获，贮存和释放都是很重要的。第三个磷酸基位于末端，能够很快地移走，于是ATP转变成ADP，如果加上第三个磷酸基，ADP又变成ATP，在这些变化中，能量的转变是很重要的。把Pi束缚在ADP上形成ATP，需要能量，在这个反应中能量被捕获而且贮存起来。从ATP移走一个Pi，释放能量，ATP就变成ADP。所有这些变化都需要酶参加才能进行，这样的过程在活细胞中永无止境地循环着。

②从代谢角度分析理解。

ATP与ADP的相互转化如下：

A．从物质代谢上看，上述反应中的物质是可逆的。但ATP与ADP的转化过程是不可逆的。我们可以从以下几个方面分析一下。

B．从反应条件上看：ATP的分解是一种水解反应，催化该反应的酶属水解酶；而ATP的合成是一种合成反应，催化该反应的酶属合成酶，酶具有专一性，因此反应条件不同。

C．从反应场所和时间上看： ATP合成的场所是细胞质基质、线粒体和叶绿体，而ATP合成与分解的场所较多，因此其合成与分解的场所不尽相同。很显然上述反应并不是同时进行的。

D．从能量代谢上看，上述反应的能量是不可逆的。因为ATP水解释放的能量是储存在高能磷酸键内的化学能，并且被代谢所消耗掉，这个能量是不能再反过来用于合成ATP，而合成ATP的能量主要有化学能和太阳的光能，因此能量来源也不同。

综上所述，ATP与ADP相互转变的反应过程并不是完全可逆的。但是我们不能单纯的利用化学上的观点来判断该反应是否可逆，因为ATP与ADP在活细胞中永无止境地循环着。该反应能够明确的表示二者在一定条件下的循环过程，所以该过程使ATP不会因能量的不断消耗而用尽，从而保证了生命活动的顺利进行。

从以上分析不难看出，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”。各种形式的能量转换都是以ATP为中心环节的。生物体内由于有各种酶作为生物催化剂，同时又有细胞中生物膜系统的存在。因此，ATP中的能量可以直接转换成其他各种形式的能量，用于各种生命活动。这些能量形式主要有：机械能，如肌肉收缩，细胞分裂期间染色体的运动等；电能，如神经传导和生物电等；化学能，如物质的合成时能量的供应；还有渗透能、热能、光能等。细胞内ATP的含量是很少的，但ATP的含量是相对稳定的。因为生物体内的各细胞就是以ATP与ADP十分迅速的相互转化的方式及时储存能量和释放能量，它总是处在不停顿的动态平衡之中，不但可以源源不断地为生命活动提供能量，而且还可避免能量的浪费，这也是生命系统的稳态性实现的条件之一。

2．解题障碍的突破

(1)用“系统化”和“具体化(对号入座)法”解能量代谢的问题。

首先构建知识网络，必须抓住能量变化这根主线，理清每个基础知识点和基本内容，把所学内容有机地与人类的生产实践、日常生活相结合。按以下方法构建知识体系：

①把握知识的纵向衔接，使知识连成线。

②注意知识的横向联系，使知识连成面。这样使知识更加系统化、立体化。丰富知识的内涵，扩大知识的外延，对有关能源问题进行归类，使其汇成一张完整的知识网络，归纳如下图。

其次，解题时，对具体问题进行归类于知识系统中进行对号入座，以便理解当前问题，从问题中找出与已有知识的相同之处，将知识具体化。

[例1]ADP转变为ATP需要

A．Pi、酶、腺苷和能量     

B．Pi、能量           

C．能量、腺苷和酶       

D．Pi、能量和酶

解析：用“系统化”和“具体化(对号入座)法”解。如上图所示，ATP与ADP相互转变的反应式与能量代谢有密切关系，应该熟练掌握。ADP转变成ATP的过程中，需要能量，从物质上看需要磷酸(Pi)，由于生物体内的各种反应都需要生物催化剂——酶来参加，所以在这个转变过程中，需要能量、酶和Pi。

答案：D

点评：此题的常见错误是选B，这是没有考虑生物体内的各种化学反应都需要酶来参加才能进行，这在其他各种反应式中都应引起注意，是在写各种反应式中最常见的错误之一。

(2)用“直接判断法”解。

[例2]下列哪项生物体的生命活动所需的不是直接来源于ATP的水解

A．淀粉的水解           

B．细胞的分裂          

C．细胞的生长           

D．细胞吸收K^＋ 

解析：用“直接判断法”解。生物体进行各项生命活动的直接能源物质是ATP，生物体的各项生命活动所需的能量都来自ATP的水解，需要消耗能量的生命活动常见的有细胞分裂、细胞的生长、矿质元素的吸收、肌肉的收缩、新物质的合成等。淀粉的水解只需在淀粉酶的作用下就可以完成，不需要消耗ATP。

答案：A

点评：生物体内的各种生命活动所需的能量都要依靠ATP来转换，所以通常把ATP喻为细胞内流通着的“能量货币”，正是由于ATP的存在才能使生命活动及时地得到能量供应，新陈代谢才能顺利进行。