高能磷酸鍵化合物生理意義

在生物代謝中，有機(jī)營(yíng)養(yǎng)素(葡萄糖、脂酸等)不斷地氧化分解的提供自由能。而這能量的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移和利用，主要憑借磷酸基實(shí)現(xiàn)。此為生物代謝過(guò)程中的一個(gè)基本的原理。在相應(yīng)的酶催化下，凡是磷酸鍵的形成、或磷酸化作用總是吸能反應(yīng)，多少總有自由能的儲(chǔ)存(如葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿崞咸烟?，葡萄糖的反?yīng)性就增強(qiáng));反之，磷酸鍵的分解或脫磷酸化作用總是放能反應(yīng)，釋放出自由能(如葡萄糖磷酸分解得出葡萄糖就比較安定)。凡是分子間通過(guò)脫磷酸化與磷酸化作用的聯(lián)系，引起磷酸基的相互轉(zhuǎn)移則同時(shí)伴有合成、分解和轉(zhuǎn)變與機(jī)體內(nèi)能量的儲(chǔ)存、分布和利用有密切關(guān)系。

在自然界中能量的形式多種多樣，如光能、熱能、電能、機(jī)械能和化學(xué)能等。在生命體系中，只有化學(xué)能可以被直接作為用來(lái)做功的能源，而其他形式的能量則是起激發(fā)生物體做功的作用。例如，它們可以分別激發(fā)動(dòng)物的平衡感覺(jué)、視覺(jué)、溫覺(jué)、痛覺(jué)和味覺(jué)等。提供給生物體做功的化學(xué)能，可以來(lái)自因水解等化學(xué)反應(yīng)而造成生物分子化學(xué)鍵斷裂產(chǎn)生的能量，也可以來(lái)自因離子濃度梯度變化而得到的能量。

對(duì)生物體來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)藏在化學(xué)鍵中的能量是一種重要的自由能。所謂自由能，就是能夠用來(lái)做功的能量。食物中的自由能有相當(dāng)一部分是以熱的形式散發(fā)出去，這些熱不能再被用來(lái)做功。不管怎么說(shuō)，所有形式的能量最終都要轉(zhuǎn)化為熱能，因此能量的測(cè)度通常采用熱的單位，如千焦(kJ)、千卡(kcal)。生物分子中化學(xué)鍵能的大小與許多因素有關(guān)，其中主要的因素是被鍵連接在一起的原子間電負(fù)性差異。具有較小鍵能的鍵容易被破壞，即這種鍵本身較弱、較不穩(wěn)定。在每一生物化學(xué)反應(yīng)中都以ΔG0'表示特定的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化，"+"號(hào)表示能量并未喪失而是儲(chǔ)藏在產(chǎn)物中，"-"號(hào)表示能量從反應(yīng)系統(tǒng)中釋放出來(lái)。

高能磷酸化合物是指水解時(shí)釋放的能量在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動(dòng)物和人體細(xì)胞中，特別是骨骼肌細(xì)胞中，當(dāng)由于能量大量消耗而使細(xì)胞中ATP含量過(guò)分減少時(shí)，磷酸肌酸就釋放出所儲(chǔ)存的能量，供ADP合成為ATP，這是動(dòng)物體內(nèi)ATP形成的一個(gè)途徑。當(dāng)肌細(xì)胞中的ATP濃度過(guò)高時(shí)，肌細(xì)胞中的ATP可將其中的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給肌酸，生成磷酸肌酸，其變化可表示為:

磷酸肌酸是能量的一種儲(chǔ)存形式，但是不能直接被利用。對(duì)于動(dòng)物和人來(lái)說(shuō)，它在能量的釋放、轉(zhuǎn)移和利用之間起著緩沖作用，使細(xì)胞內(nèi)ATP的含量保持相對(duì)的穩(wěn)定。

代謝過(guò)程中出現(xiàn)的磷酸化合物，盡管它們都是脫水形成的，但是將它們?cè)偎鈺r(shí)，釋放的自由能有極大的差異。有些自由能的變化為-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，每克分子水解時(shí)，自由能的變化為-7000到-12000cal。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，生化上將后一類磷酸化合物稱作高能磷酸化合物，前一類稱低能磷酸化合物(以5000cal為界限)。

從化學(xué)結(jié)構(gòu)上含高能磷酸鍵的化合物分為: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。

2.1、ATP

2.1.1、ATP概述

ATP在一切生物的生命活動(dòng)中都起著重要作用，在細(xì)胞的細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體中都有ATP存在。生命體內(nèi)的能量存儲(chǔ)在化學(xué)鍵中，如糖類、脂肪和蛋白質(zhì)中，但在生命活動(dòng)過(guò)程中直接使用的能量是ATP，它通過(guò)磷酸化作用將儲(chǔ)存在高能磷酸鍵中的能量釋放出來(lái)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生各種生命活動(dòng)，如肌肉的收縮，DNA的復(fù)制等。ATP的產(chǎn)生在細(xì)胞內(nèi)主要通過(guò)細(xì)胞呼吸實(shí)現(xiàn)。ATP的結(jié)構(gòu)如下圖所示:

圖1 ATP的結(jié)構(gòu)

當(dāng)pH=7.0時(shí)，因ATP和ADP的磷酸基團(tuán)幾乎完全解離而成為多電荷負(fù)離子形式:ATP4-和 ADP3-。在細(xì)胞內(nèi)，因有大量Mg2+離子存在，而使ATP和ADP結(jié)合成為MgATP2-和MgADP-復(fù)合物形式。因此ATP參與生化反應(yīng)多以ATP-Mg復(fù)合體的形式參與。

圖2 MgATP2-和MgADP-復(fù)合物

在不同的磷酸化合物之間△G°′的大小并沒(méi)有高能和低能的明顯界限。從表1中可看出，△G°′值是逐步下降的。ATP所釋放的自由能值正處在中間的位置。

表1中在ATP以上的任何一種磷酸化合物都傾向于將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給在它以下的磷酸受體分子。而ATP則傾向于將其磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給在它以下的受體，表中清晰表明了不同磷酸化合物其磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的熱力學(xué)趨勢(shì)或轉(zhuǎn)移勢(shì)能的大小(一般用無(wú)方向的正值表示)。ATP末端磷酸基團(tuán)水解時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)自由能變化為-7.3千卡/摩爾(-30.5千焦/摩爾)。因此它被稱為生命活動(dòng)中的"能量貨幣"。

2.1.2、ATP的結(jié)構(gòu)特性與其自由能釋放

ATP水解時(shí)釋放出較高的標(biāo)準(zhǔn)自由能，和它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有直接關(guān)系。在它的結(jié)構(gòu)中除酸酐鍵本身的特點(diǎn)外影響自由能釋放的還有三個(gè)重要的因素:

其一是它的三個(gè)磷酸基團(tuán)，使它在pH7.0時(shí)帶有4個(gè)負(fù)電荷并在水解是形成三種產(chǎn)物，ADP3-，HPO42-和H+。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，這三種產(chǎn)物的濃度都為1mol/L，而在pH7.0時(shí)的H+濃度只有10-7mol/L，根據(jù)質(zhì)量作用定律，H+離子的低濃度即導(dǎo)致ATP4-向分解的方向進(jìn)行，如下式所示:

其他磷酸化合物如6-磷酸葡萄糖在pH 7.0水解時(shí)，不產(chǎn)生額外的氫離子，因此也沒(méi)有像ATP水解那樣的推動(dòng)力。

其二是ATP在 pH7.0時(shí)它所帶的 4個(gè)電荷的作用，這4個(gè)負(fù)電荷在空間上相距很近，它們互相排斥，當(dāng)ATP的末端磷酸基團(tuán)脫下后，分子內(nèi)相同電荷的斥力由于形成ADP3-和HPO42-而緩和。ADP3-和HPO42-再結(jié)合而形成ATP分子的可能性極小，因此促使ATP向水解的方向進(jìn)行。

而6-磷酸葡萄糖水解后形成的葡萄糖分子沒(méi)有電荷，葡萄糖和HPO42-互不排斥，因此比較易于再結(jié)合形成6-磷酸葡萄糖。

其三是ATP水解后所形成的產(chǎn)物ADP3-和HPO42-都是共振雜化物(resonance hybrids)，其中某些電子所處的位置和在ATP分子中相比，正是具有最小能量的構(gòu)象形式，因此當(dāng)ATP水解時(shí)產(chǎn)物ADP3-和HPO42-中的電子可降到最低能水平而促使ATP釋放較多的自由能。

2.1.3、ATP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡

生活細(xì)胞在生命活動(dòng)中無(wú)時(shí)無(wú)刻不需要能量供應(yīng)，可以理解 ATP的消耗是可觀的，ATP依靠ATPADP系統(tǒng)傳遞磷酸基團(tuán)并提供能量，也靠它不斷補(bǔ)充自己。細(xì)胞合成ATP的速度受細(xì)胞消耗ATP速度的調(diào)控，ADP的含量對(duì)ATP的合成速度起直接的調(diào)控作用。細(xì)胞內(nèi)有一系列的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一方面提供細(xì)胞所需的ATP，另一方面使ATP仍能維持相對(duì)恒定的水平，這就是動(dòng)態(tài)平衡。ATP以及其他許多物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡，構(gòu)成機(jī)體維持正常生命活動(dòng)所需要的相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。

2.2、磷酸肌酸

2.2.1、磷酸肌酸概述

磷酸肌酸又稱肌酸磷酸，肌酸N-磷酸。肌肉或其他興奮性組織(如腦和神經(jīng))中的一種高能磷酸化合物，是高能磷酸基的暫時(shí)貯存形式。它屬于氮磷鍵型中的胍基高能磷酸化合物之一。是重要的磷酸原(phosphagen)，即磷酸貯存庫(kù)式物質(zhì)之一。磷酸肌酸是人體內(nèi)自有的活性物質(zhì)，是人體重要的能量供應(yīng)源，為ATP補(bǔ)充能量,腺苷三磷酸(ATP)雖然在提供生物能方面起重要作用，但它并非是化學(xué)能的貯存庫(kù)，僅僅是攜帶或傳遞者。每摩爾磷酸肌酸釋放10.3千卡的自由能，比ATP釋放的能量(每摩爾7.3千卡)多些。 起貯存能量作用的物質(zhì)在脊椎動(dòng)物或某些非脊椎動(dòng)物中主要是依靠磷酸肌酸。在脊椎動(dòng)物中，肌酸與ATP反應(yīng)可逆地生成磷酸肌酸，這個(gè)反應(yīng)是由肌酸激酶催化的。

圖3 磷酸肌酸與肌酸

2.2、磷酸肌酸能量釋放及與ATP的轉(zhuǎn)換

ATP與ADP間的相互轉(zhuǎn)換在生物體內(nèi)并非單獨(dú)發(fā)生，而常與另一對(duì)化合物的相互轉(zhuǎn)換偶聯(lián)。在這里，ATP與ADP間的相互轉(zhuǎn)換與磷酸肌酸與肌酸的相互轉(zhuǎn)換偶聯(lián)，ATP與ADP間的相互轉(zhuǎn)換還可以與磷酸精氨酸與精氨酸的相互轉(zhuǎn)換偶聯(lián)。

磷酸肌酸能在肌酸激酶的催化下，將其磷酸基轉(zhuǎn)移到ADP分子中。當(dāng)一些ATP用于肌肉收縮，就會(huì)產(chǎn)生ADP。這時(shí)，通過(guò)肌酸激酶的作用，磷酸肌酸很快供給ADP以磷酸基，從而恢復(fù)正常的ATP高水平。由于肌肉細(xì)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(dòng)用的、足夠的磷酸基團(tuán)。在活動(dòng)后的恢復(fù)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(gè)酶催化的相反的反應(yīng)。因?yàn)榧?xì)胞中沒(méi)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(shí)貯存的功能。在許多無(wú)脊椎動(dòng)物中，磷酸精氨酸代替磷酸肌酸為能的貯存形式?？捎萌说亩膛転槔f(shuō)明磷酸肌酸的功能。肌肉中磷酸肌酸的含量為17微摩爾/克，全速短跑可消耗磷酸肌酸13微摩爾/克，故它僅可作為最初4秒鐘的能量來(lái)源，但它可提供時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)糖酵解酶的活性，使肌肉通過(guò)酵解得到能量。

磷酸肌酸的水解所以伴隨大量的自由能變動(dòng)，認(rèn)為與磷酸肌酸的形成相反，出現(xiàn)了較多的共振體，增高了共振能或共振穩(wěn)定性。

2.3、其他高能磷酸化合物簡(jiǎn)介

除了上面介紹的兩個(gè)最常見、最重要的高能磷酸化合物外，生命體內(nèi)還存在著很多種類的高能磷酸化合物。

磷酸烯醇式丙酮酸(PEP):參與糖酵解，是生物氧化過(guò)程中的重要中間產(chǎn)物。另外，C4植物在進(jìn)行光合作用的時(shí)候，首先把CO2和PEP在PEP羧化酶的催化下，形成草酰乙酸，這樣，大大提高了光合作用的效率。

α-甘油磷酸:，細(xì)胞借助于α-磷酸甘油與磷酸二羥丙酮之間的氧化還原轉(zhuǎn)移還原當(dāng)量，使線粒體外來(lái)自NADH的還原當(dāng)量進(jìn)入線粒體的呼吸鏈氧化，從而產(chǎn)生ATP。

圖4 α-甘油磷酸穿梭機(jī)制

dNTP: dNTP即指的是常見的四種脫氧核糖核苷酸，包括dATP、dTTP、dCTP和dGTP。它們是合成DNA的材料。

生命體內(nèi)最常見、最重要的高能磷酸化合物--ATP【三磷酸腺苷】(Adenosine triphosphate)

在生物化學(xué)中，三磷酸腺苷是一種核苷酸，作為細(xì)胞內(nèi)能量傳遞的"分子通貨"，儲(chǔ)存和傳遞化學(xué)能。ATP在核酸合成中也具有重要作用。

ATP是三磷酸腺苷的英文名稱縮寫。ATP分子的結(jié)構(gòu)是可以簡(jiǎn)寫成A-P~P~P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基團(tuán)，~代表一種特殊的化學(xué)鍵，叫做高能磷酸鍵，高能磷酸鍵斷裂時(shí)，大量的能量會(huì)釋放出來(lái)。ATP可以水解，這實(shí)際上是指ATP分子中高能磷酸鍵的水解。高能磷酸鍵水解時(shí)釋放的能量多達(dá)30.54kJ/mol，所以說(shuō)ATP是細(xì)胞內(nèi)一種高能磷酸化合物。

ATP由腺苷和三個(gè)磷酸基所組成，分子式C10H16N5O13P3，化學(xué)簡(jiǎn)式C10H8N4O2NH2(OH)2(PO3H)3H，分子量507.184。三個(gè)磷酸基團(tuán)從腺苷開始被編為α、β和γ磷酸基。ATP的化學(xué)名稱為5'-三磷酸-9-β-D-呋喃核糖基腺嘌呤，或者5'-三磷酸-9-β-D-呋喃核糖基-6-氨基嘌呤。

ATP的立體結(jié)構(gòu)ATP可通過(guò)多種細(xì)胞途徑產(chǎn)生，最典型的如在線粒體中通過(guò)氧化磷酸化由ATP合成酶合成，或者在植物的葉綠體中通過(guò)光合作用合成。ATP合成的主要能源為葡萄糖和脂肪酸。每分子葡萄糖先在胞液中產(chǎn)生2分子丙酮酸同時(shí)產(chǎn)生2分子ATP，最終在線粒體中通過(guò)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生最多36分子ATP。

人體中ATP的總量只有大約0.1摩爾。人體細(xì)胞每天的能量需要水解200-300摩爾的ATP，這意味著每個(gè)ATP分子每天要被重復(fù)利用2000-3000次。ATP不能被儲(chǔ)存，因?yàn)锳TP的合成后必須在短時(shí)間內(nèi)被消耗.

無(wú)氧代謝劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，體內(nèi)處于暫時(shí)缺氧狀態(tài)，

在缺氧狀態(tài)下體內(nèi)能源物質(zhì)的代謝過(guò)程，稱為無(wú)氧代謝。它包括以下兩個(gè)供能系統(tǒng)。

①非乳酸能(ATP-CP)系統(tǒng)-一般可維持10秒肌肉活動(dòng)

無(wú)氧代謝

②乳酸能系統(tǒng)-一般可維持1~3分的肌肉活動(dòng)

非乳酸能(ATP-CP)系統(tǒng)和乳酸能系統(tǒng)是從事短時(shí)間、

劇烈運(yùn)動(dòng)肌肉供能的主要方式。ATP釋放能量供肌肉收縮的時(shí)間僅為1~3秒，

要靠CP分解提供能量，但肌肉中CP的含量也只能夠供ATP合成后

分解的能量維持6~8秒肌肉收縮的時(shí)間。因此，

進(jìn)行10秒以內(nèi)的快速活動(dòng)主要靠ATP-CP系統(tǒng)供給肌肉收縮時(shí)的能量。

乳酸能系統(tǒng)是持續(xù)進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉內(nèi)的肌糖元在缺氧狀態(tài)下進(jìn)行酵解，

經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)，最終在體內(nèi)產(chǎn)生乳酸，同時(shí)釋放能量供肌肉收縮。

這一代謝過(guò)程，可供1~3分左右肌肉收縮的時(shí)間。

禽用機(jī)理

【作用與用途】1.用于肉雞、肉鴨、豬、肉牛、肉羊、魚、蝦等肉質(zhì)動(dòng)物的增肥、促生長(zhǎng);2.用于因疾病導(dǎo)致的動(dòng)物飲水、采食量下降，快速補(bǔ)充機(jī)體能量水平;3.使用本品能促使動(dòng)物發(fā)病后快速恢復(fù)健康;4.適用于動(dòng)物因疾病、藥物、毒素等各種致病因素引起的肝臟損傷、腎臟損傷、腸粘膜損傷、輸卵管損傷后的修復(fù)。