ATP水解后的能量到底是以什么形式进行利用和转化的?

在知乎上看到这么一个问题,觉得很有意思所以下班以后花了两个多小时回答了一下。看了看果壳好像没有同样的问题,就自问自答地转过来了,欢迎同行补充、讨论和订正

推荐  (1) | 3人关注关注
1个答案
38 0

CoHuBridge细胞生物学在读博士

2014-04-14 20:58

总的答案是:
ATP大多数时候不是“提供”能量,而是提供磷酸基和“释放”能量

----------------------------------------------具体回答的分割线----------------------------------------------

ATP在生物化学反应中其实不是

“水解释放能量-释放出的能量被其它分子吸收-吸收了其它能量的分子进行需要能量的化学反应”

这个过程进行的

磷酸基(通常记做一个带圈的P或者Pi)是一个很有意思的化学基团,它容易被从“母体”分子上水解下来变成一个磷酸根离子同时放出大量热量,而ATP上有3个串联的磷酸基,其中第2个和第3个磷酸基尤其容易被水解(机制复杂按下不表,反正知道磷酸基串联越多后面的越不稳定越容易被水解就行了)
ATP的第3个磷酸基因为很不稳定所以时不时会被转移到其它分子上去,产生一个ADP和一个被“磷酸化”了的分子。ATP为生物化学反应“提供”能量的机制,跟这个磷酸化过程关系非常密切
另外ATP的第1、第2个磷酸基之间的化学键在水解后会产生AMP和焦磷酸(记做PPi),焦磷酸则可以进一步水解成两个磷酸根离子并放热

1、磷酸化使分子稳定在其高能构象上
典型的例子是很多种酶的激活
对很多酶来说,刚被合成出来未经修饰的蛋白质是没有活性的,因为它自发地折叠成了势能最低的那种空间结构,这种结构无法与反应底物结合。通过磷酸化蛋白质上的某些氨基酸残基上的羟基(-OH),蛋白质局部的电荷分布和基团空间占位情况会发生变化,进而导致其空间结构变化成有活性的构象。这个磷酸化的激活过程导致蛋白质分子从势能最低的构象转变成势能不那么低的构象,所需的能量实质上是由ATP提供的——ATP的化学能通过磷酸化作用部分转移到了蛋白质分子上从而提高了这个蛋白质分子的势能
如果你要问为什么不让所有的蛋白质合成出来就有活性……一来有的空间结构势能确实太高蛋白质确实无法自然折叠成那样,二来具有“磷酸化激活-水解磷酸基失活”的酶就像装了开关一样,可以更容易地调节

2、焦磷酸(PPi)水解导致耗能反应不可逆
典型的例子是C4植物(如玉米)的碳固定过程里丙酮酸被磷酸化成磷酸烯醇式丙酮酸的过程
磷酸烯醇式丙酮酸本身是一个高能分子,用来作为跟CO2反应的前体。为了将化学能较低的丙酮酸变成化学能很高的磷酸烯醇式丙酮酸,催化这个反应的酶从环境里抓来一个磷酸根离子结合到丙酮酸上,同时水解一个ATP变成AMP+PPi,然后PPi再立刻被水解成两个磷酸根离子……
折腾了一大圈,一个低能分子从环境中吸收能量(热能)变成了一个高能分子,ATP则被水解并释放出热能“还给”环境

3、磷酸化提供后续反应所需的活性化学基团(或者保护不希望参与反应的化学基团)
典型的例子是光合作用中卡尔文循环里磷酸核酮糖磷酸化成为1,5-二磷酸核酮糖的步骤
磷酸核酮糖被进一步磷酸化后,1-碳上不再有羟基,确保2-碳羧化后形成的不稳定中间产物必然从2-碳和3-碳之间断裂,从而确保了反应的正确(当然这个磷酸基在后续的反应步骤里还发挥其它作用)
这个过程可以笼统地理解为ATP提供了能量用于保护某个化学基团,剩余的能量最终会在磷酸基水解的时候以热的形式释放出来

4、磷酸基维持了某些高能态分子的稳定性
例子又要举回去了,就是2里面提到的磷酸烯醇式丙酮酸
酮是可以在酮式R1-CO-R2和烯醇式R1'=COH-R2之间转化的,其中后者是不稳定的高能态,反应活性强但是不稳定。将烯醇式分子中的羟基磷酸化可以阻止烯醇式分子跌落回酮式并放热的自发过程,即ATP的化学能变成了磷酸烯醇式分子的化学能,用来推动下游反应,剩余能量也会在磷酸基水解时以热能的形式释放到环境里

以上就是ATP为生物“提供能量”的四种主要途径了


查看更多

添加回答

登录 后回答问题,你也可以用以下帐号直接登录

相关问答

关于我们 加入果壳 媒体报道 帮助中心 果壳活动 家长监控 免责声明 联系我们 移动版 移动应用

©果壳网    京ICP证100430号    京网文[2018] 6282-492号    新出发京零字东150005号     京公网安备11010502007133号

违法和不良信息举报邮箱:jubao@guokr.com    举报电话:18612934101    网上有害信息举报专区    儿童色情信息举报专区