細胞的能量“通貨”

賈綺蕓

摘要：ATP是生命直接能源物質，是一種高能磷酸化合物，在光合作用、呼吸作用等具體能量的轉化過程中有著不可忽視的作用，在所有生物的能量代謝中占著舉足輕重的地位。

關鍵詞：能源物質;轉化;利用

細胞的能量“通貨”——ATP是人教版高中生物必修一《分子與細胞》的第五章《細胞的能量供應和利用》第二節的教學內容，主要介紹了ATP的結構特點以及ATP與ADP兩者的轉化關系，并重點解釋了ATP在能量代謝中的作用。是學生在已經弄懂了細胞的分子和結構組成、酶的本質和特性的基礎上來學習的。該節知識點在《細胞能量供應和利用》一章中的承上啟下作用非常明顯，ATP是生命直接能源物質，是一種高能磷酸化合物，在光合作用、呼吸作用等具體能量的轉化過程中有著不可忽視的作用，在所有生物的能量代謝中占著舉足輕重的地位。

一、ATP是直接的能源物質

杜牧的詩句“銀燭秋光冷畫屏，輕羅小扇撲流螢。天階夜色涼如水，坐看牽牛織女星”真實地再現了螢火蟲尾部發光的現象。想知道螢火蟲為什么會發光的嗎？那是因為螢火蟲有一個專門管理發光的細胞，這個細胞里含有兩種物質，分別是熒光素和熒光素酶，熒光素首先被熒光素酶激活，然后與螢火蟲呼吸進來的氧氣發生氧化反應，產生氧化熒光素，一閃一閃的美麗熒光就出現在我們眼前了。螢火蟲發光需要能量。糖類是生物體進行生命活動的主要能源物質。脂肪是生物體內貯存能量的物質。糖類、脂肪、蛋白質是生物體內的能源物質。那么糖類、脂肪、蛋白質中的能量能不能在螢火蟲發光過程中起直接作用呢？讓我們通過實驗來驗證一下吧。

首先，我們抓取幾只螢火蟲，把它們尾部的發光細胞割取下來，分別裝入A、B兩個試管中，我們可以看到，兩個試管都會發出時隱時現的熒光。等待熒光消失后，在兩個試管中分別加入ATP溶液和葡萄糖溶液，我們可以看到加入ATP溶液的試管發出熒光，而加入葡萄糖溶液的試管沒有變化。

通過這個實驗我們可以提出問題，為什么加入葡萄糖溶液的試管不發光，而加入ATP溶液的試管會發出熒光呢？

原來是因為葡萄糖內中的能源物質只有先轉移到ATP中才能被生命活動應用。而ATP是可以直接參與到生命活動中去的。由此可見，ATP在能量代謝中具有不可替代的作用。

二、ATP的分子結構組成

ATP是三磷酸腺苷的英文名稱縮寫符號。三磷酸腺苷在生物化學中是一種核苷酸，是細胞內儲存和傳遞能量的“通貨”。在核酸合成中ATP也具有重要作用。ATP分子的結構簡式用A-P～P～P來表示，其中A表示腺苷，P表示磷酸基團，“-”表示共價鍵，～表示的是一種高能磷酸鍵。

ATP擁有3個磷酸基團、2個高能磷酸鍵、1個共價鍵，是存在于細胞內的一種高能磷酸化合物。高能磷酸鍵斷裂時，會釋放出來大量的能量。ATP的水解，實際上就是指ATP分子中高能磷酸鍵的水解，在一定條件下最多可以斷裂兩個高能磷酸鍵。ATP中儲藏有大量不穩定的高能磷酸鍵，高能磷酸鍵水解時釋放的能量能夠達到30.54KJ/Mol，ATP是生物體內唯一可以釋放能量的化合物。所以說，ATP是流動的能量“通貨”。

三、ATP與ADP的相互轉化

ATP是如何水解釋放出大量能量？

ATP是高能化合物并且處于不穩定狀態，經過酶的催化作用，處于最外面的高能磷酸鍵斷裂，釋放出大量的能量，同時還生成了ADP（二磷酸腺苷）和游離的磷酸基團Pi。二磷酸腺苷ADP在酶的催化作用下，接受了能量，與一個游離的磷酸基團Pi結合，合成ATP。ATP作為一種高能化合物，其能量與某些高能化合物如（磷酸肌酸）相比要低一些，因此可以在不需要外部供應的情況下將磷酸肌酸的能量轉移給ATP。如果用口袋里的錢來比喻與“通貨”的關系，葡萄糖分子中的能量就好比是一張張的百元大鈔，ATP就是小面額的錢幣，日常生活中使用更加方便，但是隨著日常開銷使用零錢會越來越少，為了正常的開銷就必須不斷散開大面額的錢幣用來補足，這樣我們就能理解物質分解時釋放的能量可以被用來合成ATP，就可以更形象地理解“通貨”的含義了。

ATP在細胞中的含量非常少，但是它能在細胞體內迅速轉換，始終保持一種動態平衡，來實現生物體的能量代謝。這種通過ATP不斷地分解、合成釋放能量，來實現生命活動的過程就稱為ATP循環。細胞內既有吸能反應，又有放能反應。ATP的合成是吸能反應，ATP的水解即為放能反應，ATP分子通過不斷吸能與放能循環，產生大量的能量提供給生命活動。ATP是保證細胞生命活動的直接能源物質，因此，我們可以形象地把它比喻成細胞的能量“通貨”。

四、ATP的利用

糖類、脂肪、蛋白質都是細胞內儲存能量的物質，生命活動消耗能源物質按照糖類—脂肪—蛋白質的順序進行。通常情況下生命活動利用的能源物質是糖類，通過分解糖類中的能量釋放傳遞給ATP，轉化為活躍的化學能，這時才能被各種生命活動所利用，才從根本上解決能量的轉化過程。ATP釋放的能量轉化成其他能量的形式主要有：機械能（如肌肉收縮）、電能（如電鰻放電、大腦思考）、滲透能（如吸收和分泌）、化學能（如蛋白質的合成）、熱能（如維持體溫）、光能（如螢火蟲發光）。

細胞中的ATP含量是極少的，而我們細胞中含有的葡萄糖、脂肪又不能被細胞直接利用，只有通過轉移給ATP，通過ATP水解釋放出能量才能參與生命的活動，他們之間的轉化是迅速平衡的，就像運動員劉翔在奔跑中大量地消耗ATP，而他細胞中所含的糖類和脂肪類迅速地轉移到ATP中進行水解釋放大量的能量，為他能夠在運動場上奔跑輸送能量。

ATP直接為生物體的生命活動提供能量，直接參與生命體能量的轉換，在能量傳遞過程中，它承擔著最直接的作用。所以ATP是名副其實的能量轉換“中轉站”，是細胞的能量“通貨”。

參考文獻：

[1]人教版高中生物必修一“分子與細胞”.人民教育出版社，20072（第二版）.

[2]教育部基礎教育司組織編寫.走進新課程[M].北京：北京師范大學出版社，2002.