高能磷酸键化合物
高能磷酸化合物
高能磷酸化合物是指水解时释放的能量在20.92kJ/mol以上的磷酸化合物。重要的有ATP和磷酸肌酸。磷酸肌酸主要存在于动物和人体细胞中，特别是骨骼肌细胞中，当由于能量大量消耗而使细胞中ATP含量过分减少时，磷酸肌酸就释放出所储存的能量，供ADP合成为ATP，这是动物体内ATP形成的一个途径。当肌细胞中的ATP浓度过高时，肌细胞中的ATP可将其中的高能磷酸键转移给肌酸，生成磷酸肌酸，其变化可表示为：
磷酸肌酸是能量的一种储存形式，但是不能直接被利用。对于动物和人来说，它在能量的释放、转移和利用之间起着缓冲作用，使细胞内ATP的含量保持相对的稳定。
一、能量形式和键能
在自然界中能量的形式多种多样，如光能、热能、电能、机械能和化学能等。在生命体系中，只有化学能可以被直接作为用来做功的能源，而其他形式的能量则是起激发生物体做功的作用。例如，它们可以分别激发动物的平衡感觉、视觉、温觉、痛觉和味觉等。提供给生物体做功的化学能，可以来自因水解等化学反应而造成生物分子化学键断裂产生的能量，也可以来自因离子浓度梯度变化而得到的能量。
对生物体来说，储藏在化学键中的能量是一种重要的自由能。所谓自由能，就是能够用来做功的能量。食物中的自由能有相当一部分是以热的形式散发出去，这些热不能再被用来做功。不管怎么说，所有形式的能量最终都要转化为热能，因此能量的测度通常采用热的单位，如千焦（kJ）、千卡（kcal）。生物分子中化学键能的大小与许多因素有关，其中主要的因素是被键连接在一起的原子间电负性差异。具有较小键能的键容易被破坏，即这种键本身较弱、较不稳定。在每一生物化学反应中都以ΔG0’表示特定的标准自由能变化，“+”号表示能量并未丧失而是储藏在产物中，“-”号表示能量从反应系统中释放出来。
二、磷酸化合物的生理意义：
在生物代谢中，有机营养素（葡萄糖、脂酸等）不断地氧化分解的提供自由能。而这能量的储存、转移和利用，主要凭借磷酸基实现。此为生物代谢过程中的一个基本的原理。在相应的酶催化下，凡是磷酸键的形成、或磷酸化作用总是吸能反应，多少总有自由能的储存（如葡萄糖转变为磷酸葡萄糖，葡萄糖的反应性就增强）；反之，磷酸键的分解或脱磷酸化作用总是放能反应，释放出自由能（如葡萄糖磷酸分解得出葡萄糖就比较安定）。凡是分子间通过脱磷酸化与磷酸化作用的联系，引起磷酸基的相互转移则同时伴有合成、分解和转变与机体内能量的储存、分布和利用有密切关系。
三、高能磷酸化合物：
1、高能磷酸化合物的定义
代谢过程中出现的磷酸化合物，尽管它们都是脱水形成的，但是将它们再水解时，释放的自由能有极大的差异。有些自由能的变化为-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、乙酰磷酸、肌酸磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸等磷酸化合物，每克分子水解时，自由能的变化为-7000到-12000cal。根据这些实验结果，生化上将后一类磷酸化合物称作高能磷酸化合物，前一类称低能磷酸化合物（以5000cal为界限）。
从化学结构上含高能磷酸键的化合物分为：1、磷酸酐，如焦磷酸，核苷酸；2、羧酸和磷酸合成的混合酸酐，如乙酰磷酸，1，3-二磷酸甘油酸，氨基酰-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。
2、生命体内最常见、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动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。生命体内的能量存储在化学键中，如糖类、脂肪和蛋白质中，但在生命活动过程中直接使用的能量是ATP，它通过磷酸化作用将储存在高能磷酸键中的能量释放出来，驱动相应的化学反应，产生各种生命活动，如肌肉的收缩，DNA的复制等。ATP的产生在细胞内主要通过细胞呼吸实现。ATP的结构如下图所示：
图1 ATP的结构
当pH=7.0时，因ATP和ADP的磷酸基团几乎完全解离而成为多电荷负离子形式：ATP4-和 ADP3-。在细胞内，因有大量Mg2+离子存在，而使ATP和ADP结合成为MgATP2-和MgADP-复合物形式。因此ATP参与生化反应多以ATP-Mg复合体的形式参与。
图2 MgATP2-和MgADP-复合物
在不同的磷酸化合物之间△G°′的大小并没有高能和低能的明显界限。从表1中可看出，△G°′值是逐步下降的。ATP所释放的自由能值正处在中间的位置。
表1中在ATP以上的任何一种磷酸化合物都倾向于将磷酸基团转移给在它以下的磷酸受体分子。而ATP则倾向于将其磷酸基团转移给在它以下的受体，表中清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基团转移的热力学趋势或转移势能的大小(一般用无方向的正值表示)。ATP末端磷酸基团水解时，其标准自由能变化为-7.3千卡/摩尔(-30.5千焦/摩尔)。因此它被称为生命活动中的“能量货币”。
2.1.2、ATP的结构特性与其自由能释放
ATP水解时释放出较高的标准自由能，和它的结构特点有直接关系。在它的结构中除酸酐键本身的特点外影响自由能释放的还有三个重要的因素：
其一是它的三个磷酸基团，使它在pH7.0时带有4个负电荷并在水解是形成三种产物，ADP3-，HPO42-和H+。在标准状态下，这三种产物的浓度都为1mol/L，而在pH7.0时的H+浓度只有10-7mol/L，根据质量作用定律，H+离子的低浓度即导致ATP4-向分解的方向进行，如下式所示：
其他磷酸化合物如6-磷酸葡萄糖在pH 7.0水解时，不产生额外的氢离子，因此也没有像ATP水解那样的推动力。
其二是ATP在 pH7.0时它所带的 4个电荷的作用，这4个负电荷在空间上相距很近，它们互相排斥，当ATP的末端磷酸基团脱下后，分子内相同电荷的斥力由于形成ADP3-和HPO42-而缓和。ADP3-和HPO42-再结合而形成ATP分子的可能性极小，因此促使ATP向水解的方向进行。
而6-磷酸葡萄糖水解后形成的葡萄糖分子没有电荷，葡萄糖和HPO42-互不排斥，因此比较易于再结合形成6-磷酸葡萄糖。
其三是ATP水解后所形成的产物ADP3-和HPO42-都是共振杂化物(resonance hybrids)，其中某些电子所处的位置和在ATP分子中相比，正是具有最小能量的构象形式，因此当ATP水解时产物ADP3-和HPO42-中的电子可降到最低能水平而促使ATP释放较多的自由能。
2.1.3、ATP系统的动态平衡
生活细胞在生命活动中无时无刻不需要能量供应，可以理解 ATP的消耗是可观的，ATP依靠ATPADP系统传递磷酸基团并提供能量，也靠它不断补充自己。细胞合成ATP的速度受细胞消耗ATP速度的调控，ADP的含量对ATP的合成速度起直接的调控作用。细胞内有一系列的调节系统，一方面提供细胞所需的ATP，另一方面使ATP仍能维持相对恒定的水平，这就是动态平衡。ATP以及其他许多物质在机体内的动态平衡，构成机体维持正常生命活动所需要的相对稳定的内环境。
2.2、磷酸肌酸
2.2.1、磷酸肌酸概述
磷酸肌酸又称肌酸磷酸，肌酸N-磷酸。肌肉或其他兴奋性组织（如脑和神经）中的一种高能磷酸化合物，是高能磷酸基的暂时贮存形式。它属于氮磷键型中的胍基高能磷酸化合物之一。是重要的磷酸原(phosphagen)，即磷酸贮存库式物质之一。磷酸肌酸是人体内自有的活性物质，是人体重要的能量供应源，为ATP补充能量,腺苷三磷酸(ATP)虽然在提供生物能方面起重要作用，但它并非是化学能的贮存库，仅仅是携带或传递者。每摩尔磷酸肌酸释放10.3千卡的自由能，比ATP释放的能量（每摩尔7.3千卡）多些。 起贮存能量作用的物质在脊椎动物或某些非脊椎动物中主要是依靠磷酸肌酸。在脊椎动物中，肌酸与ATP反应可逆地生成磷酸肌酸，这个反应是由肌酸激酶催化的。
图3 磷酸肌酸与肌酸
2.2、磷酸肌酸能量释放及与ATP的转换
ATP与ADP间的相互转换在生物体内并非单独发生，而常与另一对化合物的相互转换偶联。在这里，ATP与ADP间的相互转换与磷酸肌酸与肌酸的相互转换偶联，ATP与ADP间的相互转换还可以与磷酸精氨酸与精氨酸的相互转换偶联。
磷酸肌酸能在肌酸激酶的催化下，将其磷酸基转移到ADP分子中。当一些ATP用于肌肉收缩，就会产生ADP。这时，通过肌酸激酶的作用，磷酸肌酸很快供给ADP以磷酸基，从而恢复正常的ATP高水平。由于肌肉细胞的磷酸肌酸含量是其ATP含量的3～4倍，前者可贮存供短期活动用的、足够的磷酸基团。在活动后的恢复期中，积累的肌酸又可被ATP磷酸化，重新生成磷酸肌酸，这是同一个酶催化的相反的反应。因为细胞中没有其他合成和分解磷酸肌酸的代谢途径，此化合物很适合完成这种暂时贮存的功能。在许多无脊椎动物中，磷酸精氨酸代替磷酸肌酸为能的贮存形式。可用人的短跑为例说明磷酸肌酸的功能。肌肉中磷酸肌酸的含量为17微摩尔/克，全速短跑可消耗磷酸肌酸13微摩尔/克，故它仅可作为最初4秒钟的能量来源，但它可提供时间来调节糖酵解酶的活性，使肌肉通过酵解得到能量。
磷酸肌酸的水解所以伴随大量的自由能变动，认为与磷酸肌酸的形成相反，出现了较多的共振体，增高了共振能或共振稳定性。
2.3、其他高能磷酸化合物简介
除了上面介绍的两个最常见、最重要的高能磷酸化合物外，生命体内还存在着很多种类的高能磷酸化合物。
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）：参与糖酵解，是生物氧化过程中的重要中间产物。另外，C4植物在进行光和作用的时候，首先把CO2和PEP在PEP羧化酶的催化下，形成草酰乙酸，这样，大大提高了光和作用的效率。
α-甘油磷酸：，细胞借助于α-磷酸甘油与磷酸二羟丙酮之间的氧化还原转移还原当量，使线粒体外来自NADH的还原当量进入线粒体的呼吸链氧化，从而产生ATP。
图4 α-甘油磷酸穿梭机制
dNTP: dNTP即指的是常见的四种脱氧核糖核苷酸，包括dATP、dTTP、dCTP和dGTP。它们是合成DNA的材料。