基本介紹
- 中文名：高能磷酸鍵化合物
- 外文名：高能磷酸鍵化合物
- 能量：在20.92kJ/mol以上
- 主要存在：於動物和人體細胞
基本定義,形式和鍵能,生理意義,化合物介紹,
基本定義
高能磷酸化合物是指水解時釋放的能量在20.92kJ/mol以上的磷酸化合物。重要的有ATP和磷酸肌酸。磷酸肌酸主要存在於動物和人體細胞中，特別是骨骼肌細胞中，當由於能量大量消耗而使細胞中ATP含量過分減少時，磷酸肌酸就釋放出所儲存的能量，供ADP合成為ATP，這是動物體內ATP形成的一個途徑。當肌細胞中的ATP濃度過高時，肌細胞中的ATP可將其中的高能磷酸鍵轉移給肌酸，生成磷酸肌酸，其變化可表示為：
磷酸肌酸是能量的一種儲存形式，但是不能直接被利用。對於動物和人來說，它在能量的釋放、轉移和利用之間起著緩衝作用，使細胞內ATP的含量保持相對的穩定。
形式和鍵能
在自然界中能量的形式多種多樣，如光能、熱能、電能、機械能和化學能等。在生命體系中，只有化學能可以被直接作為用來做功的能源，而其他形式的能量則是起激發生物體做功的作用。例如，它們可以分別激發動物的平衡感覺、視覺、溫覺、痛覺和味覺等。提供給生物體做功的化學能，可以來自因水解等化學反應而造成生物分子化學鍵斷裂產生的能量，也可以來自因離子濃度梯度變化而得到的能量。
對生物體來說，儲藏在化學鍵中的能量是一種重要的自由能。所謂自由能，就是能夠用來做功的能量。食物中的自由能有相當一部分是以熱的形式散發出去，這些熱不能再被用來做功。不管怎么說，所有形式的能量最終都要轉化為熱能，因此能量的測度通常採用熱的單位，如千焦（kJ）、千卡（kcal）。生物分子中化學鍵能的大小與許多因素有關，其中主要的因素是被鍵連線在一起的原子間電負性差異。具有較小鍵能的鍵容易被破壞，即這種鍵本身較弱、較不穩定。在每一生物化學反應中都以ΔG0’表示特定的標準自由能變化，“+”號表示能量並未喪失而是儲藏在產物中，“-”號表示能量從反應系統中釋放出來。
生理意義
在生物代謝中，有機營養素（葡萄糖、脂酸等）不斷地氧化分解的提供自由能。而這能量的儲存、轉移和利用，主要憑藉磷酸基實現。此為生物代謝過程中的一個基本的原理。在相應的酶催化下，凡是磷酸鍵的形成、或磷酸化作用總是吸能反應，多少總有自由能的儲存（如葡萄糖轉變為磷酸葡萄糖，葡萄糖的反應性就增強）；反之，磷酸鍵的分解或脫磷酸化作用總是放能反應，釋放出自由能（如葡萄糖磷酸分解得出葡萄糖就比較安定）。凡是分子間通過脫磷酸化與磷酸化作用的聯繫，引起磷酸基的相互轉移則同時伴有合成、分解和轉變與機體內能量的儲存、分布和利用有密切關係。
化合物介紹
高能磷酸化合物的定義
代謝過程中出現的磷酸化合物，儘管它們都是脫水形成的，但是將它們再水解時，釋放的自由能有極大的差異。有些自由能的變化為-2000到-3000cal，如6-磷酸葡萄糖、3-磷酸甘油、腺核苷酸等；另有一些如焦磷酸、乙醯磷酸、肌酸磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸等磷酸化合物，每克分子水解時，自由能的變化為-7000到-12000cal。根據這些實驗結果，生化上將後一類磷酸化合物稱作高能磷酸化合物，前一類稱低能磷酸化合物（以5000cal為界限）。
從化學結構上含高能磷酸鍵的化合物分為：1、磷酸酐，如焦磷酸，核苷酸；2、羧酸和磷酸合成的混合酸酐，如乙醯磷酸，1，3-二磷酸甘油酸，氨基醯-AMP；3、烯醇磷酸，如磷酸烯醇式丙酮酸；4、磷氨酸衍生物（R-NH-PO3H2），如磷酸肌酸。
生命體內最常見、最重要的高能磷酸化合物
2.1、ATP
2.1.1、ATP概述
ATP在一切生物的生命活動中都起著重要作用，在細胞的細胞核、細胞質和線粒體中都有ATP存在。生命體內的能量存儲在化學鍵中，如糖類、脂肪和蛋白質中，但在生命活動過程中直接使用的能量是ATP，它通過磷酸化作用將儲存在高能磷酸鍵中的能量釋放出來，驅動相應的化學反應，產生各種生命活動，如肌肉的收縮，DNA的複製等。ATP的產生在細胞內主要通過細胞呼吸實現。ATP的結構如下圖所示：
圖1 ATP的結構
當pH=7.0時，因ATP和ADP的磷酸基團幾乎完全解離而成為多電荷負離子形式：ATP4-和 ADP3-。在細胞內，因有大量Mg2+離子存在，而使ATP和ADP結合成為MgATP2-和MgADP-複合物形式。因此ATP參與生化反應多以ATP-Mg複合體的形式參與。
圖2 MgATP2-和MgADP-複合物
在不同的磷酸化合物之間△G°′的大小並沒有高能和低能的明顯界限。從表1中可看出，△G°′值是逐步下降的。ATP所釋放的自由能值正處在中間的位置。
表1中在ATP以上的任何一種磷酸化合物都傾向於將磷酸基團轉移給在它以下的磷酸受體分子。而ATP則傾向於將其磷酸基團轉移給在它以下的受體，表中清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基團轉移的熱力學趨勢或轉移勢能的大小(一般用無方向的正值表示)。ATP末端磷酸基團水解時，其標準自由能變化為-7.3千卡/摩爾(-30.5千焦/摩爾)。因此它被稱為生命活動中的“能量貨幣”。
2.1.2、ATP的結構特性與其自由能釋放
ATP水解時釋放出較高的標準自由能，和它的結構特點有直接關係。在它的結構中除酸酐鍵本身的特點外影響自由能釋放的還有三個重要的因素：
其一是它的三個磷酸基團，使它在pH7.0時帶有4個負電荷並在水解是形成三種產物，ADP3-，HPO42-和H+。在標準狀態下，這三種產物的濃度都為1mol/L，而在pH7.0時的H+濃度只有10-7mol/L，根據質量作用定律，H+離子的低濃度即導致ATP4-向分解的方向進行，如下式所示：
其他磷酸化合物如6-磷酸葡萄糖在pH 7.0水解時，不產生額外的氫離子，因此也沒有像ATP水解那樣的推動力。
其二是ATP在 pH7.0時它所帶的 4個電荷的作用，這4個負電荷在空間上相距很近，它們互相排斥，當ATP的末端磷酸基團脫下後，分子內相同電荷的斥力由於形成ADP3-和HPO42-而緩和。ADP3-和HPO42-再結合而形成ATP分子的可能性極小，因此促使ATP向水解的方向進行。
而6-磷酸葡萄糖水解後形成的葡萄糖分子沒有電荷，葡萄糖和HPO42-互不排斥，因此比較易於再結合形成6-磷酸葡萄糖。
其三是ATP水解後所形成的產物ADP3-和HPO42-都是共振雜化物(resonance hybrids)，其中某些電子所處的位置和在ATP分子中相比，正是具有最小能量的構象形式，因此當ATP水解時產物ADP3-和HPO42-中的電子可降到最低能水平而促使ATP釋放較多的自由能。
2.1.3、ATP系統的動態平衡
生活細胞在生命活動中無時無刻不需要能量供應，可以理解 ATP的消耗是可觀的，ATP依靠ATPADP系統傳遞磷酸基團並提供能量，也靠它不斷補充自己。細胞合成ATP的速度受細胞消耗ATP速度的調控，ADP的含量對ATP的合成速度起直接的調控作用。細胞內有一系列的調節系統，一方面提供細胞所需的ATP，另一方面使ATP仍能維持相對恆定的水平，這就是動態平衡。ATP以及其他許多物質在機體內的動態平衡，構成機體維持正常生命活動所需要的相對穩定的內環境。
2.2、磷酸肌酸
2.2.1、磷酸肌酸概述
磷酸肌酸又稱肌酸磷酸，肌酸N-磷酸。肌肉或其他興奮性組織（如腦和神經）中的一種高能磷酸化合物，是高能磷酸基的暫時貯存形式。它屬於氮磷鍵型中的胍基高能磷酸化合物之一。是重要的磷酸原(phosphagen)，即磷酸貯存庫式物質之一。磷酸肌酸是人體內自有的活性物質，是人體重要的能量供應源，為ATP補充能量,腺苷三磷酸(ATP)雖然在提供生物能方面起重要作用，但它並非是化學能的貯存庫，僅僅是攜帶或傳遞者。每摩爾磷酸肌酸釋放10.3千卡的自由能，比ATP釋放的能量（每摩爾7.3千卡）多些。 起貯存能量作用的物質在脊椎動物或某些非脊椎動物中主要是依靠磷酸肌酸。在脊椎動物中，肌酸與ATP反應可逆地生成磷酸肌酸，這個反應是由肌酸激酶催化的。
圖3 磷酸肌酸與肌酸
2.2、磷酸肌酸能量釋放及與ATP的轉換
ATP與ADP間的相互轉換在生物體內並非單獨發生，而常與另一對化合物的相互轉換偶聯。在這裡，ATP與ADP間的相互轉換與磷酸肌酸與肌酸的相互轉換偶聯，ATP與ADP間的相互轉換還可以與磷酸精氨酸與精氨酸的相互轉換偶聯。
磷酸肌酸能在肌酸激酶的催化下，將其磷酸基轉移到ADP分子中。當一些ATP用於肌肉收縮，就會產生ADP。這時，通過肌酸激酶的作用，磷酸肌酸很快供給ADP以磷酸基，從而恢復正常的ATP高水平。由於肌肉細胞的磷酸肌酸含量是其ATP含量的3～4倍，前者可貯存供短期活動用的、足夠的磷酸基團。在活動後的恢復期中，積累的肌酸又可被ATP磷酸化，重新生成磷酸肌酸，這是同一個酶催化的相反的反應。因為細胞中沒有其他合成和分解磷酸肌酸的代謝途徑，此化合物很適合完成這種暫時貯存的功能。在許多無脊椎動物中，磷酸精氨酸代替磷酸肌酸為能的貯存形式。可用人的短跑為例說明磷酸肌酸的功能。肌肉中磷酸肌酸的含量為17微摩爾/克，全速短跑可消耗磷酸肌酸13微摩爾/克，故它僅可作為最初4秒鐘的能量來源，但它可提供時間來調節糖酵解酶的活性，使肌肉通過酵解得到能量。
磷酸肌酸的水解所以伴隨大量的自由能變動，認為與磷酸肌酸的形成相反，出現了較多的共振體，增高了共振能或共振穩定性。
2.3、其他高能磷酸化合物簡介
除了上面介紹的兩個最常見、最重要的高能磷酸化合物外，生命體內還存在著很多種類的高能磷酸化合物。
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）：參與糖酵解，是生物氧化過程中的重要中間產物。另外，C4植物在進行光合作用的時候，首先把CO2和PEP在PEP羧化酶的催化下，形成草醯乙酸，這樣，大大提高了光合作用的效率。
α-甘油磷酸：，細胞藉助於α-磷酸甘油與磷酸二羥丙酮之間的氧化還原轉移還原當量，使線粒體外來自NADH的還原當量進入線粒體的呼吸鏈氧化，從而產生ATP。
圖4 α-甘油磷酸太空梭制
dNTP: dNTP即指的是常見的四種脫氧核糖核苷酸，包括dATP、dTTP、dCTP和dGTP。它們是合成DNA的材料。
