唐代大詩人杜牧在《秋夕》中這樣寫道:“銀燭秋光冷畫屏,輕羅小扇撲流螢。”在這卷靜謐裊娜的秋夕圖中,一只只閃爍的流螢仿佛一顆顆璀璨的明星點亮了整幅畫卷。而這流螢之光其能量便直接來自于ATP,ATP也形象地被喻為細胞內流通的能量“通貨”??梢哉f,ATP在機體的各種生命活動中扮演著重要的角色。但我在日常教學中發(fā)現(xiàn),仍有不少學生對其認識不清,現(xiàn)將其常見疑惑部分簡單剖析歸納如下。
1.ATP的結構與核酸有何聯(lián)系?
我們通過觀察上圖ATP的結構可以發(fā)現(xiàn),如果ATP脫去2個磷酸基團,就成了腺嘌呤核糖核苷酸(即RNA的基本組成單位之一),由此二者之間的聯(lián)系一目了然。
2.如何理解ATP與ADP之間的相互轉化?催化ATP水解。而ATP的形成是一種合成反應,催化該反應的酶是ATP合成酶,這種酶主要存在于線粒體的內膜、葉綠體的類囊體膜和細菌的質膜上ATP酶復合體??梢姡珹TP分解與合成所需要的酶不同,也就是其反應條件不同。
?。?)從反應場所上分析,因為細胞進行正常生命活動需要一定的能量,其中絕大多數(shù)能量都是由ATP直接提供的。所以,ATP的水解可以在細胞內任何需要能量的地方進行。例如,在細胞膜上進行主動運輸消耗能量;在細胞核內DNA復制和RNA合成需要能量,等等。而ATP合成的場所只有三處:一是在細胞質的基質中,細胞呼吸第一階段形成ATP;二是在線粒體內,細胞有氧呼吸第二、三階段形成ATP;三是在葉綠體的類囊體薄膜上,光合作用的光反應階段可以形成ATP。因此,ATP合成與分解所需要的場所不完全相同。(3)從能量角度上分析,ATP水解釋放的能量是儲存在高能磷酸鍵中的化學能,這部分能量主要用于維持細胞分裂,根吸收礦質元素和肌肉的收縮等各項生命活動,卻不能用來合成ATP。ATP合成需要的能量,對于動物來說,都來自于細胞呼吸中分解有機物釋放的化學能;而對于綠色植物來說,還可來自于光合作用吸收的光能。顯然,ATP合成需要的能量和其分解釋放的能量來源是不同的。
綜上所述,ATP與ADP之間轉化所需要的酶、反應場所和能量來源等都不相同,因而它們之間轉化是在不同生理條件下的兩個過程,不能簡單地看做是一個可逆反應。
3.光合作用產生的ATP能為各項生命活動直接供能嗎?
光反應的同化,也就是說只能被光合作用過程自身所消耗,而不能用于神經傳導興奮時的離子轉運、腺體的分泌活動、細胞的分裂、腎小管的重吸收、肌肉收縮等其他各項生命活動。
4.ATP與磷酸肌酸(可用C—P代表)有何關系?
我們先認識一下磷酸肌酸的結構(見右圖)。從圖中可見磷酸肌酸也是一種高能磷酸化合物。其常見于肌肉或其他興奮性組織(如腦和神經)中,是高能磷酸基的暫時貯存形式。磷酸肌酸水解時,每摩爾化合物釋放10.3千卡的自由能,比ATP釋放的能量(每摩爾7.3千卡)多些。
當動物和人體細胞由于能量大量消耗而使細胞內的ATP含量過分減少時,通過肌酸激酶的作用,磷酸肌酸很快將磷酸基團連同能量一起轉移給ADP,從而生成ATP和肌酸(可用C代表)以恢復正常的ATP高水平。由于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。在活動后的恢復期中,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逆反應。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。二者的轉化關系可表示為:
ATP+磷酸肌酸(C—P+肌酸(C)
5.ATP是生物體所有生命活動的唯一直接能源物質嗎?
事實上除ATP外,生物體各項生命活動的直接能源物質還可以是GTP(鳥苷三磷酸)、CTP(胞苷三磷酸)、UTP(尿苷三磷酸)、TTP(胸苷三磷酸)。教材只是提及ATP是生物體內能量的直接來源,但不能理解為ATP是唯一的能量直接來源,我個人比較認同:ATP只是生物體內能量的主要直接來源。
6.人體骨骼肌運動時,能量如何供應?ATP與整個過程有何聯(lián)系?
ATP是肌肉收縮時的直接能源物質,但ATP在肌肉中的含量很低,當肌肉劇烈運動時,供能時間只能維持1—3秒,之后的能量供應就要依賴于ATP的再生,即需要其它物質轉化合成ATP來直接供能。大致說來,人體能量的供應可分為三個供能系統(tǒng)。
①ATP—磷酸肌酸系統(tǒng)(ATP-CP):ATP-CP供能系統(tǒng)單獨供能的話,大概能維持6—8秒的時間,不需要氧氣,也不產生乳酸,時間比較短的劇烈運動如舉重、投擲等一般就是這個系統(tǒng)供能的。
?、谌樗嵯到y(tǒng)(無氧酵解系統(tǒng)):乳酸系統(tǒng)是糖原或葡萄糖在細胞內無氧分解生成乳酸的過程中,再合成生成ATP的能量系統(tǒng)。如果單獨供能的話,大概能持續(xù)33秒的時間。其最終產物是乳酸,所以稱乳酸供能系統(tǒng)。該系統(tǒng)是1min以內要求高功率輸出的運動的物質基礎,如200m跑、100m游泳,等等。
?、塾醒跸到y(tǒng)(有氧呼吸系統(tǒng)):有氧氧化系統(tǒng)是糖、脂肪、蛋白質等有機物在細胞內徹底氧化生成二氧化碳和水的過程中,再合成ATP的能量系統(tǒng)。其產物當然就是二氧化碳、水和ATP了。三者與骨骼肌運動的關系如下。
根據(jù)機體的供氧情況,糖的氧化分解有兩種方式:
?、佼斞豕渥銜r,來自糖(或脂肪)的有氧氧化。
?、诋斞豕蛔銜r,即來自糖的酵解,生成乳酸。乳酸在最后供氧充足時,一部分繼續(xù)氧化,釋放的能量使其余部分再合成肝糖元。所以肌肉收縮的最終能量來自物質(糖、脂肪)的有氧氧化。
運動時,人體以何種方式供能,取決于需氧量和攝氧量的相互關系,當攝氧量能滿足需要時,肌體即以有氧代謝供能,當攝氧量不能滿足需氧量時,其不足部分即依靠無氧氧化供能。這樣將造成體內的氧虧負,稱為氧債。運動時的需氧量取決于運動強度,強度越大,需氧量越大,無氧代謝供能的比例也越大。