主要内容
ATP和偶联反应
ATP结构,ATP水解至ADP,和反应组合。
介绍
一个细胞可以被认为是一个繁华的小镇。载体蛋白运输物质进出细胞,运动蛋白沿着微管的轨道运送货物,而代谢酶忙碌地分解并建造大分子。
即使它们单独不是能量有利的,只要有可以为他们提供动力的能量,这些过程也将继续愉快地进行下去(就像一个小镇上的生意一样,只要有钱流入,就会继续做下去)。然而,如果能量耗尽,反应就会逐渐停止,细胞也就会开始死亡。
能量不利的反应是由相连的能量有利的反应释放能量来“支付”它的开支 。通常,“支付” 反应涉及一个特定的小分子:三磷酸腺苷 (ATP)。
ATP结构和水解
三磷酸腺苷 ,或者说 ATP ,是一个相对简单的小分子。它可以被认为是细胞的主要 能源货币 ,就像钱是人类社会的主要经济货币一样。ATP 水解(分解)释放出的能量被用来为许多需要能量的细胞反应提供动力。
从结构上讲,ATP是一个带有一串三个磷酸盐基团的RNA核苷酸(nucleotide)。在分子的中心是一个五碳糖,核糖;它连接着氨基腺嘌呤和那一串三个磷酸基团。
这三个磷酸盐基团按距离核糖从近到远的顺序被标记为α、β和γ。 ATP 因为磷酸盐尾巴上三个相邻的负电荷而不稳定,从而“非常想”互相离得更远些。磷酸基团之间的键被称为 磷酸酐 键,你可能会听到它们被称为 “高能”键。
ATP的水解
为什么磷酸酐键被认为具有很高的能量?这句话的意思其实就是当其中一个键在 水解 (由水介导的分解) 反应中断开时会释放出相当大的能量。ATP 在以下反应中被水解为 ADP:
注: 就是代表一个无机磷酸盐基团 。
与大多数化学反应一样,ATP 与 ADP 的水解是可逆的。反向反应(也就是从 ADP 和 再生ATP的过程)是需要能量的。ATP 的再生很重要,因为细胞往往会很快地消耗完(水解)ATP 分子,并且依赖于不断产生的新ATP 。
你可以认为 ATP 和 ADP 有点像充电和未充电的充电电池形式(如上所示)。ATP就像带电的电池一样具有能量,可以用来为细胞反应提供动力。一旦能量用完,就必须先给没电的电池(ADP)充电,然后才能再次用它作为电源。ATP 再生反应正好与水解反应相反:
我们已经提到过,在 ATP 水解过程中会释放一大堆自由能,但我们说的到底是多少?在标准条件下(所有分子 浓度, 并且 ),将一摩尔 ATP 水解为 ADP和 所需要的 ∆G 是 ( ) 。这其实不赖,但是在非标准条件下,事情变得更加令人印象深刻:在活细胞里水解一摩尔ATP产生的 ∆G 几乎是在标准条件下的两倍,大约为 ( )。
反应耦合
ATP 水解释放的能量如何为细胞中的其他反应提供动力?在大多数情况下, 细胞使用一种叫做 反应耦合 的策略。在这种策略中,能量上有利的反应(如 ATP 水解)与能量上不利的(吸能的)反应直接连接起来。这种联系经常通过一个 共享中间体 来形成,这意味着一个反应的产物被 第二个反应“捡起来”并用作反应物。
当两个反应耦合在一起时,它们可以被组合在一起得到一个整体的反应,那么这个总反应 ΔG 将是单个反应的 ΔG 值的总和。只要整体的 ΔG 是负值,这两个反应都可以发生。如果与一个非常放热的反应(如 ATP 水解)配对起来,即使是一个非常吸能的反应也可能发生。例如,我们可以像下图一样将一对由共享中间体 B 耦合的概括的反应加起来 :
你可能会注意到中间体 B 并没有出现在整体的耦合反应中。这是因为它同时是一个产物和一个反应物,所以在反应加和的时候两个 B 相互抵消了。
反应耦合中的 ATP
当反应耦合涉及 ATP 时,共享的中间体通常是一个磷酸化的分子(被ATP 上的一个磷酸盐基团附着的分子)。让我们来看看从葡萄糖和果糖形成蔗糖(白砂糖)的过程 ,通过这个例子来看看这原理是怎么工作的。
案例研究:一起来做蔗糖吧!
蔗糖的形成需要能量的输入:它的 ΔG 大约是 (在标准条件下)。ATP 的水解在标准条件下的 ΔG 约 为 ,因此它可以释放足够的能量来“支付”蔗糖分子的合成:
ATP 水解中释放的能量是如何导入蔗糖分子的生产的?事实证明,这里其实发生了两个反应,而不仅仅是一个大反应,并且第一反应的产物作为第二反应物的反应物。
- 在第一个反应中,一个磷酸盐基团从 ATP 转移到葡萄糖,形成磷酸化葡萄糖中间体(葡萄糖-P)。这是一个能量上有利(能量释放)的反应,因为 ATP 是如此不稳定,也就是说它真的“希望”失去它的磷酸盐基团。
- 在第二个反应中, 葡萄糖-P中间体与果糖反应形成蔗糖。因为葡萄糖-P相对不稳定 (由于它附有的磷酸盐基团),这个反应也释放能量并且是自发的。
这个例子展示了涉及ATP的耦合反应如何通过磷酸化进行工作,将反应分解为通过一个磷酸化(带有磷酸盐基团的)中间体连接的两个能量有利的步骤。这一策略在细胞的许多代谢路径中使用,提供了一种利用ATP转换成ADP释放的能量来推动其他反应的方式。
细胞中反应耦合的不同类型
上面的例子说明了 ATP 水解如何与生物合成反应耦合的。然而,ATP 水解也可以与其他类型的细胞反应相耦合,比如将其他分子输送进入或离开细胞的蛋白质的形状变化。
案例研究:钠钾泵
在这个过程中,ATP把它的一个磷酸基团转移到泵蛋白上,产生ADP和一个磷酸化的泵作为“中间体”。磷酸化的泵以泵的原始构象(面向细胞内部)存在是不稳定的,所以它通过改变形状来变得更加稳定,从而向细胞外部打开,并向外部释放钠离子。当细胞外的钾离子结合到磷酸化的泵上时,它们会触发移除磷酸基团,让这个蛋白朝外的构型不再稳定。为了变得更加稳定,蛋白质接下来会变回原来的形状,在细胞内释放钾离子。
虽然这个例子涉及化学梯度和蛋白质转运体,但其基本原理与上面的蔗糖例子相似。通过形成一个不稳定的、磷酸化的中间体,ATP 水解和一个需要做功 (能量上不利) 的过程耦合,让这一过程通过一系列能量有利的步骤来发生。