高能磷酸化合物磷酸化合物在生物机体的能量转换过程中起着重要作用

一般将含有 20. 9 kJ/mol 以上能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物， 含有高能的键称为高能键。 高能键常以“～” 符号表示。

在生物化学中所说的“高能键” 和物理化学中的“高能键” 的含意是根本不同的。 物理化学中的高能键是指该键很稳定， 要使其断裂则需大量的能量。 而生物化学中的“高能键”

指的是随着水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的键， 此处高能键是不稳定的键， 如具有高的磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能的磷酸酐键或硫酸键。

一、 高能磷酸化合物的类型

在生物体内具有高能键的化合物是很多的， 根据键的特性， 可以分成几种类型。

1． 磷氧键型（－O～P） 属于这种键型的化合物很多， 又可分成几类：

（1） 焦磷酸化合物

（2） 烯醇式磷酸化合物

（3） 酰基磷酸化合物

2． 氮磷键型胍基磷酸化物属于此类。

3． 硫酯键型

4． 甲硫键型

上述高能化合物中含有磷酸基团的占绝大多数。 但是， 并不是所有的含有磷酸基团的化合物都属于高能磷酸键。 例如 6-磷酸葡萄糖， 3-磷酸甘油等化合物中的磷酯键， 水解时每1mol 只能释放出 4. 184～12. 552 kJ 能量， 因此属于低能磷酸键。

高能化合物具有重要的功能。 磷酸烯醇式丙酮酸、 1, 3-二磷酸甘油酸以及乙酰磷酸都有特定的代谢功能， 包括化学能的保存和转移， 磷酸肌酸及磷酸精氨酸为代谢能的储存形式。

磷酸肌酸在供给肌肉能量上特别重要， 储藏在其分子中的高能磷酸键（～P） 供给肌肉收缩所需要的 ATP。 当肌肉 ATP 浓度高时， 末端磷酸基团即转移到肌酸上产生磷酸肌酸。 当 ATP因肌肉运动而消耗时， ADP 浓度增高， 促进磷酸基团向相反方向转移， 即生成 ATP。 在一些无脊椎动物如虾蟹的肌肉中则以磷酸精氨酸作为能量的储藏形式：

二、 ATP 在能量转换中的作用

ATP 是高能磷酸化合物中的典型代表。 ATP 是由腺嘌呤、 核糖及三磷酸单位组成的核苷酸， ATP 的活化形式通常为 ATP 与 Mg2+（或 Mn2+） 的复合物。

ATP 这一高能化合物充当“能量的流通货币”， 作为能量的携带者或传递者， 其分子中有三个磷酸基团， 分别形成两个磷酸酐键和一个磷酸酯键， 磷酸酐键不稳定。 在生理 pH 下，ATP 约带 4 个空间距离很近的负电荷， 它们之间相互排斥， 使磷酸酐键易水解。 当 ATP 水解产生 ADP 及 Pi（正磷酸） 时或者当 ATP 水解产生 AMP 及 PPi（焦磷酸） 时， 即释出大量的自由能。 在这些反应中自由能变化约为－30. 54 kJ/mol：

而磷酸酯键水解时， 释放出的标准自由能则低得多， 仅为―14. 2 kJ/mol。

在生物体内 ATP 在提供能量及在能量转换中起着重要作用。 ATP 作为能量的即时供体，在传递能量方面起着转运站的作用。 它既接受代谢反应释放的能量， 又可供给代谢反应所需要的能量。 它是能量的携带者或传递者， 而不是化学能量的贮存库。 以高能磷酸形式贮存能量的物质称为“磷酸原”， 在无脊椎动物中是磷酸精氨酸； 在脊椎动物中是磷酸肌酸。 磷酸肌酸可以与 ATP 相互转化。 ATP 多时， 以磷酸肌酸的形式贮存能量； ATP 不足时， 磷酸肌酸转化为 ATP。 ATP 的水解放能反应可以和细胞内吸能的反应偶联起来， 从而推动吸能的反应进行， 以完成合成代谢、 肌肉收缩、 物质的吸收、 分泌、 运输等生理生化过程， 使 ATP 又转化为 ADP 及磷酸（见图 6-1）。

图 6-1 体内能量的转移、 贮存和利用
体内有些合成反应不一定都直接利用 ATP 供能， 而可以用其他三磷酸核苷。 如 UTP 用于多糖合成、 CTP 用于磷脂合成、 GTP 用于蛋白质合成等。 但物质氧化时释放的能量通常是必须先合成 ATP， 然后 ATP 可使 UDP、 CDP 或 GDP 生成相应的 UTP、 CTP 或 GTP， 而 ATP 又转化为 ADP。

此外， 在蛋白质、 核酸和脂肪酸的生物合成中， 许多反应是使 ATP 转化生成 AMP：

ATP、 AMP 及 ADP 可以互相转变， 腺苷酸激酶催化此反应：

总之 ATP-ADP 循环是生物系统中能量交换的基本形式。 自然界选择磷酸酐键的势能作为能量利用和产生的一种通用的“通货”， 有利于生物的进化。

下表列出某些磷酸化合物水解的标准自由能变化：

表 6-2 一些磷酸化合物水解的标准自由能变化

由表可见 ATP 处于中间位置， 它在细胞的酶促磷酸基团转移中起着“共同中间体” 的作用。 ATP 具有较高的磷酸基团转移势能（phosphategroup transfer potential）， 它倾向于将其磷酸基团转移给 ATP 以下的受体， 而 ADP 则能接受表中在 ADP 以上的高能化合物中的磷酸基团， 因此， ATP 在磷酸化合物中所处的位置具有重要意义。