與ATP有關的認識誤區解讀

重慶 趙德強

ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質，與ATP相關的知識涉及結構、變化、與化學學科的交叉等，在相關內容的認識上，常存在一些疑難問題，對這些疑難問題師生也常存在一些認識誤區，現筆者對一些錯誤認識進行分析。

1.誤認為生物的所有生理活動都是由ATP直接供能的

從低等的單細胞生物到高等的人類，能量的釋放、轉移和利用都是以ATP為中心的，這在一定程度上體現了生物的共性以及生物進化過程的延續性。ATP可以把分解代謝的放能反應與合成代謝的吸能反應偶聯在一起。許多生理活動所需要的能量都與ATP有關。2019版人教版教材必修1《分子與細胞》第88頁提到：“細胞中絕大多數需要能量的生命活動都是由ATP直接提供能量的，如大腦思考、電鰩發電和物質的主動運輸都需要消耗ATP。”從此表述也可以看出，并不是細胞中所有需要能量的生命活動都由ATP直接提供的，也有例外。

【例1】生物都有共同的祖先，下列各項不能作為支持這一論點的證據的是( )

A.所有生物共用一套遺傳密碼

B.所有生物都由ATP直接供能

C.各種生物的細胞具有基本相同的結構

D.所有生物的生命活動都是靠能量驅動的

【答案】D

此題是2019版人教版教材必修2《遺傳與進化》第104頁“練習與應用”中的第3題，選項B所描述的“所有生物都由ATP直接供能”是正確的，但這并不是說所有生物都只由ATP直接供能。不由ATP直接供能的例子有：從DNA合成RNA的過程中，伴隨著ATP、GTP、CTP、UTP特殊化學鍵的水解；多糖的合成代謝中用到的是尿苷三磷酸(UTP)；磷脂的合成過程中用到的是胞苷三磷酸(CTP)；蛋白質的合成過程中用到的是鳥苷三磷酸(GTP)；在RNA翻譯后的修飾過程中，都是由GTP供能的；在光合作用暗反應過程中，C3的還原是由ATP和NADPH直接供能的。因此，認為“生物的所有生命活動都由ATP直接供能”是錯誤的。

從能量的來源看：當反應由左向右進行時，為能量的利用過程，即ATP水解釋放能量，可直接供給生命活動的能量需要。而當反應由右向左進行時，為能量的轉移過程，所需要的能量對于動物和人來說，來自細胞內呼吸作用分解糖類等有機物釋放的能量；而對于綠色植物來說，ADP轉化成ATP時所需要的能量，除了來自呼吸作用以外，還來自光合作用吸收并轉化的光能，因此反應中的能量來源是不同的。

從反應所需酶的種類看：ATP的分解是一種水解反應，所需的酶應該為水解酶，而ATP的形成是一種合成反應，催化該反應的酶應屬合成酶。

從反應的場所看：ATP的合成與分解的場所是不同的。例如，能合成ATP的場所主要有細胞質基質、線粒體和葉綠體。而能分解ATP的場所比較多，一般情況下，哪里的生理活動需要能量，哪里就會有ATP的水解。

因此，ATP的合成與分解并不是同時進行的。所以教師在解釋這個問題時，可解釋為物質是循環的，才會使ATP不會因消耗而枯竭，而能量是不循環的，主要依靠呼吸作用分解有機物等生理活動源源不斷地供能，只有這樣才能保證生命活動順利進行。

3.誤認為細胞中ATP含量很多

常有人誤認為細胞中ATP含量很多，且在劇烈運動、饑餓或代謝旺盛時ATP分解量大于ATP合成量或ATP合成量大于ATP分解量。其實在細胞中ATP含量很少，人體內約有50.7 g ATP，只能維持劇烈運動0.3秒，但生命活動需要消耗大量能量，其能量供應依賴于ATP與ADP間的快速轉化，轉化過程中，由于ADP、Pi等可重復利用，只要提供光能、化學能等能量，生物體就可以不斷合成ATP以滿足生命活動的需要。ATP與ADP的轉化速率隨細胞代謝狀況的不同而不同，但二者總處于動態平衡中，不能說成ATP的合成量大于分解量，也不能說成ATP的分解量大于合成量。也可以從另一個角度分析，ATP并不像體內的脂肪一樣，是可以用來存儲能量的物質，而是用于滿足生命活動所需要的主要能源物質，細胞本身現成的ATP是很少的，但在生命活動旺盛的細胞中，ATP合成得快，分解得也快，從而滿足了生物體生命活動的需要。

人教版教材中關于“高能磷酸鍵”的表述是一個不斷修正變化的過程：2004版人教版教材中關于高能磷酸鍵的表述是“ATP分子的結構式可以簡寫成A—P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基團，～代表一種特殊的化學鍵，叫做高能磷酸鍵，ATP分子中大量的能量就儲存在高能磷酸鍵中”；2007版人教版教材將“ATP分子中大量的能量就儲存在高能磷酸鍵中”修正為“高能磷酸鍵斷裂時，大量的能量會釋放出來”；2019版人教版教材刪除了“高能磷酸鍵”的說法，調整了有關敘述“由于兩個相鄰的磷酸基團都帶負電荷而相互排斥等原因，使得這種化學鍵不穩定，末端磷酸基團有一種離開ATP而與其他分子結合的趨勢，也就是具有較高的轉移勢能。當ATP在酶的作用下水解時﹐脫離下來的末端磷酸基團挾能量與其他分子結合，從而使后者發生變化。”可見，教材的變化愈加科學，2019版人教版教材修正了ATP水解時能量的來源。

在物質發生化學反應時，反應物化學鍵斷裂的過程需要吸收能量，且生成物化學鍵的形成也是要釋放能量的。從圖1的ATP水解過程可以看出：ATP外側的P—O鍵和水中的H—O鍵發生斷裂，都是需要吸收能量的，同時，形成ADP中的O—H鍵和磷酸中的P—O鍵，都要釋放能量。總體來看，ATP水解時釋放的能量大于吸收的能量，這樣ATP水解的過程在總體上就是釋放能量的過程，1 mol ATP水解釋放的能量高達30.54 kJ。

圖1

5.誤認為光反應產生的ATP只能用于暗反應糖類的合成

光反應產生的ATP不是只能用于暗反應合成糖類。光反應的場所是葉綠體的類囊體薄膜，暗反應的場所是葉綠體基質，ATP可以由葉綠體的類囊體薄膜轉移到葉綠體基質中供暗反應合成糖類，但是，從生命觀念的物質與能量觀可理解，既然ATP這種物質在葉綠體中，那么葉綠體中只要是需要消耗ATP的生理過程，都是可以利用ATP的，與ATP的來源無關。葉綠體本身是半自主復制的細胞器，可自主進行DNA的復制及部分蛋白質的合成，在幼嫩葉綠體中，其光合色素含量還不夠多，其DNA的復制和部分蛋白質的合成所需要的ATP也可來源于呼吸作用，而當葉綠體充分成熟后，其光反應可產生較多的ATP，這時，DNA的復制和部分蛋白質的合成所需要的ATP也可來自光反應。因此，光反應產生的ATP除用于暗反應合成糖類外，還可用于合成蛋白質，也可用于暗反應外的其他生理過程。

2019版人教版教材必修1《分子與細胞》第103頁中提到：“二是在有關酶的催化作用下，提供能量促使ADP與Pi反應形成ATP。這樣，光能就轉化為儲存在ATP中的化學能。這些ATP將參與第二個階段合成有機物的化學反應”，教材所指的是光反應產生的ATP可以參與暗反應，而不是指ATP只能參與暗反應糖類的合成。

高考試題也佐證了ATP是能量“通貨”，并不是光反應產生的ATP只能用于暗反應糖類的合成。

【例2】(2016年，江蘇卷，第32題節選)(3)葉綠體中光反應產生的能量既用于固定CO2，也參與葉綠體中生物大分子________的合成。

【答案】核酸、蛋白質

【例3】(2018年，江蘇卷，第29題節選)圖2為某植物葉肉細胞中有關甲、乙兩種細胞器的部分物質及能量代謝途徑示意圖(NADPH指[H])，請回答下列問題：

圖2

(3)甲輸出的三碳糖在氧氣充足的條件下，可被氧化為________后進入乙，繼而在乙的________(填場所)徹底氧化分解成CO2；甲中過多的還原能可通過物質轉化，在細胞質中合成NADPH，NADPH中的能量最終可在乙的________(填場所)轉移到ATP中。

(4)乙產生的ATP被甲利用時，可參與的代謝過程包括________(填序號)。

①C3的還原 ②內外物質運輸

③H2O裂解釋放O2④酶的合成

【答案】(3)丙酮酸 基質中 內膜上 (4)①②④

從例3的圖示信息和試題設問所給的答案信息還可以看出：ATP是能量“通貨”，線粒體產生的ATP也可供葉綠體利用。

6.誤認為離體后的ATP不能供能

ATP這種能源物質并不是只在細胞內發揮作用，離開生物體的ATP也是能發揮作用的。有人做過如下實驗：用小刀將數十只螢火蟲的發光器割下，干燥后研磨成粉末，取三等份分別裝入三支試管，各加入少量水使之混合，置于黑暗處，可見試管內有淡黃色熒光出現，一段時間后熒光消失。接著，在三支試管中分別加入等量的蒸餾水、葡萄糖溶液和ATP溶液，之后，仍在黑暗處進行觀察，發現只有滴加了ATP溶液的試管中出現了熒光。實驗螢火蟲的發光器中存在少量的ATP，與蒸餾水混合后，在酶的作用下發生水解，釋放的能量轉化成光能，因此出現熒光。由于離體的發光器不能進一步合成ATP，所以當ATP消耗完后，熒光也隨之消失。加入葡萄糖溶液的試管不會出現熒光現象，加入ATP溶液的試管會出現熒光，則說明葡萄糖雖然是生物體的重要能源物質，但它所含的化學能不能直接用于生命活動，ATP才是生命活動的直接能源物質。本實驗證明了ATP是生物的直接能源物質，且離體后也能供能。

對ATP部分知識產生認識誤區，有的源于對教材內容的多元解讀、錯誤解讀，有的源于對概念的變化沒有及時更新，有的源于習慣流行的錯誤，也有的源于知識背景的差異等等，但只要教師查閱權威資料，用求真求實的治學態度，一定會消除認識誤區。