与ATP有关的认识误区解读

重庆 赵德强

ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质，与ATP相关的知识涉及结构、变化、与化学学科的交叉等，在相关内容的认识上，常存在一些疑难问题，对这些疑难问题师生也常存在一些认识误区，现笔者对一些错误认识进行分析。

1.误认为生物的所有生理活动都是由ATP直接供能的

从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、转移和利用都是以ATP为中心的，这在一定程度上体现了生物的共性以及生物进化过程的延续性。ATP可以把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起。许多生理活动所需要的能量都与ATP有关。2019版人教版教材必修1《分子与细胞》第88页提到：“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，如大脑思考、电鳐发电和物质的主动运输都需要消耗ATP。”从此表述也可以看出，并不是细胞中所有需要能量的生命活动都由ATP直接提供的，也有例外。

【例1】生物都有共同的祖先，下列各项不能作为支持这一论点的证据的是( )

A.所有生物共用一套遗传密码

B.所有生物都由ATP直接供能

C.各种生物的细胞具有基本相同的结构

D.所有生物的生命活动都是靠能量驱动的

【答案】D

此题是2019版人教版教材必修2《遗传与进化》第104页“练习与应用”中的第3题，选项B所描述的“所有生物都由ATP直接供能”是正确的，但这并不是说所有生物都只由ATP直接供能。不由ATP直接供能的例子有：从DNA合成RNA的过程中，伴随着ATP、GTP、CTP、UTP特殊化学键的水解；多糖的合成代谢中用到的是尿苷三磷酸(UTP)；磷脂的合成过程中用到的是胞苷三磷酸(CTP)；蛋白质的合成过程中用到的是鸟苷三磷酸(GTP)；在RNA翻译后的修饰过程中，都是由GTP供能的；在光合作用暗反应过程中，C3的还原是由ATP和NADPH直接供能的。因此，认为“生物的所有生命活动都由ATP直接供能”是错误的。

从能量的来源看：当反应由左向右进行时，为能量的利用过程，即ATP水解释放能量，可直接供给生命活动的能量需要。而当反应由右向左进行时，为能量的转移过程，所需要的能量对于动物和人来说，来自细胞内呼吸作用分解糖类等有机物释放的能量；而对于绿色植物来说，ADP转化成ATP时所需要的能量，除了来自呼吸作用以外，还来自光合作用吸收并转化的光能，因此反应中的能量来源是不同的。

从反应所需酶的种类看：ATP的分解是一种水解反应，所需的酶应该为水解酶，而ATP的形成是一种合成反应，催化该反应的酶应属合成酶。

从反应的场所看：ATP的合成与分解的场所是不同的。例如，能合成ATP的场所主要有细胞质基质、线粒体和叶绿体。而能分解ATP的场所比较多，一般情况下，哪里的生理活动需要能量，哪里就会有ATP的水解。

因此，ATP的合成与分解并不是同时进行的。所以教师在解释这个问题时，可解释为物质是循环的，才会使ATP不会因消耗而枯竭，而能量是不循环的，主要依靠呼吸作用分解有机物等生理活动源源不断地供能，只有这样才能保证生命活动顺利进行。

3.误认为细胞中ATP含量很多

常有人误认为细胞中ATP含量很多，且在剧烈运动、饥饿或代谢旺盛时ATP分解量大于ATP合成量或ATP合成量大于ATP分解量。其实在细胞中ATP含量很少，人体内约有50.7 g ATP，只能维持剧烈运动0.3秒，但生命活动需要消耗大量能量，其能量供应依赖于ATP与ADP间的快速转化，转化过程中，由于ADP、Pi等可重复利用，只要提供光能、化学能等能量，生物体就可以不断合成ATP以满足生命活动的需要。ATP与ADP的转化速率随细胞代谢状况的不同而不同，但二者总处于动态平衡中，不能说成ATP的合成量大于分解量，也不能说成ATP的分解量大于合成量。也可以从另一个角度分析，ATP并不像体内的脂肪一样，是可以用来存储能量的物质，而是用于满足生命活动所需要的主要能源物质，细胞本身现成的ATP是很少的，但在生命活动旺盛的细胞中，ATP合成得快，分解得也快，从而满足了生物体生命活动的需要。

人教版教材中关于“高能磷酸键”的表述是一个不断修正变化的过程：2004版人教版教材中关于高能磷酸键的表述是“ATP分子的结构式可以简写成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，叫做高能磷酸键，ATP分子中大量的能量就储存在高能磷酸键中”；2007版人教版教材将“ATP分子中大量的能量就储存在高能磷酸键中”修正为“高能磷酸键断裂时，大量的能量会释放出来”；2019版人教版教材删除了“高能磷酸键”的说法，调整了有关叙述“由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因，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，也就是具有较高的转移势能。当ATP在酶的作用下水解时﹐脱离下来的末端磷酸基团挟能量与其他分子结合，从而使后者发生变化。”可见，教材的变化愈加科学，2019版人教版教材修正了ATP水解时能量的来源。

在物质发生化学反应时，反应物化学键断裂的过程需要吸收能量，且生成物化学键的形成也是要释放能量的。从图1的ATP水解过程可以看出：ATP外侧的P—O键和水中的H—O键发生断裂，都是需要吸收能量的，同时，形成ADP中的O—H键和磷酸中的P—O键，都要释放能量。总体来看，ATP水解时释放的能量大于吸收的能量，这样ATP水解的过程在总体上就是释放能量的过程，1 mol ATP水解释放的能量高达30.54 kJ。

图1

5.误认为光反应产生的ATP只能用于暗反应糖类的合成

光反应产生的ATP不是只能用于暗反应合成糖类。光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜，暗反应的场所是叶绿体基质，ATP可以由叶绿体的类囊体薄膜转移到叶绿体基质中供暗反应合成糖类，但是，从生命观念的物质与能量观可理解，既然ATP这种物质在叶绿体中，那么叶绿体中只要是需要消耗ATP的生理过程，都是可以利用ATP的，与ATP的来源无关。叶绿体本身是半自主复制的细胞器，可自主进行DNA的复制及部分蛋白质的合成，在幼嫩叶绿体中，其光合色素含量还不够多，其DNA的复制和部分蛋白质的合成所需要的ATP也可来源于呼吸作用，而当叶绿体充分成熟后，其光反应可产生较多的ATP，这时，DNA的复制和部分蛋白质的合成所需要的ATP也可来自光反应。因此，光反应产生的ATP除用于暗反应合成糖类外，还可用于合成蛋白质，也可用于暗反应外的其他生理过程。

2019版人教版教材必修1《分子与细胞》第103页中提到：“二是在有关酶的催化作用下，提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。这样，光能就转化为储存在ATP中的化学能。这些ATP将参与第二个阶段合成有机物的化学反应”，教材所指的是光反应产生的ATP可以参与暗反应，而不是指ATP只能参与暗反应糖类的合成。

高考试题也佐证了ATP是能量“通货”，并不是光反应产生的ATP只能用于暗反应糖类的合成。

【例2】(2016年，江苏卷，第32题节选)(3)叶绿体中光反应产生的能量既用于固定CO2，也参与叶绿体中生物大分子________的合成。

【答案】核酸、蛋白质

【例3】(2018年，江苏卷，第29题节选)图2为某植物叶肉细胞中有关甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图(NADPH指[H])，请回答下列问题：

图2

(3)甲输出的三碳糖在氧气充足的条件下，可被氧化为________后进入乙，继而在乙的________(填场所)彻底氧化分解成CO2；甲中过多的还原能可通过物质转化，在细胞质中合成NADPH，NADPH中的能量最终可在乙的________(填场所)转移到ATP中。

(4)乙产生的ATP被甲利用时，可参与的代谢过程包括________(填序号)。

①C3的还原 ②内外物质运输

③H2O裂解释放O2④酶的合成

【答案】(3)丙酮酸 基质中 内膜上 (4)①②④

从例3的图示信息和试题设问所给的答案信息还可以看出：ATP是能量“通货”，线粒体产生的ATP也可供叶绿体利用。

6.误认为离体后的ATP不能供能

ATP这种能源物质并不是只在细胞内发挥作用，离开生物体的ATP也是能发挥作用的。有人做过如下实验：用小刀将数十只萤火虫的发光器割下，干燥后研磨成粉末，取三等份分别装入三支试管，各加入少量水使之混合，置于黑暗处，可见试管内有淡黄色荧光出现，一段时间后荧光消失。接着，在三支试管中分别加入等量的蒸馏水、葡萄糖溶液和ATP溶液，之后，仍在黑暗处进行观察，发现只有滴加了ATP溶液的试管中出现了荧光。实验萤火虫的发光器中存在少量的ATP，与蒸馏水混合后，在酶的作用下发生水解，释放的能量转化成光能，因此出现荧光。由于离体的发光器不能进一步合成ATP，所以当ATP消耗完后，荧光也随之消失。加入葡萄糖溶液的试管不会出现荧光现象，加入ATP溶液的试管会出现荧光，则说明葡萄糖虽然是生物体的重要能源物质，但它所含的化学能不能直接用于生命活动，ATP才是生命活动的直接能源物质。本实验证明了ATP是生物的直接能源物质，且离体后也能供能。

对ATP部分知识产生认识误区，有的源于对教材内容的多元解读、错误解读，有的源于对概念的变化没有及时更新，有的源于习惯流行的错误，也有的源于知识背景的差异等等，但只要教师查阅权威资料，用求真求实的治学态度，一定会消除认识误区。