ATP与ADP相互转化是可逆反应吗? - 中国生物教学网

ATP与ADP相互转化是可逆反应吗? - 中国生物教学网 ATP与ADP之间的转化是可逆反应吗? 广东省惠阳市高级中学 黎永红,516200, 湖北省十堰市郧西一中 张茂奎,442600, ATP作为细胞内的最主要的直接供能物质,通过与ADP间相互转化来贮存和释放能量来为细胞的各项生命活动提供能量。这在生物体内具有极为重要的意义，且本知识点在中学生物教学中占有比较重要的地位，故成为每年高考的重要考点，在各种高考复习资料中该知识点频频出现。 在高中生物教材(旧人教版必修第一册)第50页写道:科学研究表明～ATP分子中远离A的那个高能磷酸键～在一定条件下很容易水解～也很容易形成。水解时伴随有能量的释放～重新形成时伴随有能量的储存。在有关酶的催化作用下～ATP分子中远离A的那个高能磷酸键水解～远离A的那个磷酸基团脱离开～形成磷酸,Pi,～同时～贮存在这个高能磷酸键中的能量释放出来～三磷酸腺苷就转化成二磷酸腺苷,ADP,。在另一种酶的催化作用下～ADP可以接受能量～同时与一个磷酸结合～从而转化成ATP。ATP在细胞内的含量是很少的～但是～ATP与ADP在细胞内的转化是十分迅速的…… 其它的复习和教学参考资料比较多，以2005年《世纪金榜?学生用书》第35页写道: ATP与ADP之间的相互转化是真正意义上的可逆反应吗?(1)从反应条件分析:ATP的分解是一种水解反应,催化该反应的酶属水解酶;ATP的合成酶是一种合成反应,催化该反应的酶属于合成酶,从酶的专一性可知,两个方向的反应条件不同。,2,从能量分析:ATP水解释放的能量直接供给各项生命活动的需要～且能量来自于ATP中的高能磷酸键能～而合成ATP所需要的能量由来自于光合作用吸收的光能和细胞呼吸分解有机物释放的化学能～这部分能量因不能被直接利用～才转移给ADP和Pi储存在ATP中。ATP水解释放的能量不再用于合成ATP。,3,从ATP合成与分解的场所分析:ATP合成的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体～而ATP分解的场所较多～如细胞膜、细胞核等。因此其合成和分解场所不尽相同～且反应并不是同时进行的。综上所述～在生物体的反应应判断为“物质是可逆的～能量是不可逆的”～或解释为“物质是循环的～能量不是循环”～正因为ATP与ADP在活细胞中的一定条件下进行循环～才能使ATP不会因能量的消耗而用尽～从而保证了生命活动能及时得到能量而顺利进行。反应式可表示为: 此处的解释比较详细,看起来能够说明问题,可是上个世纪末的研究发现对此说法产生了动摇，笔者在网络上搜集了一些资料可以佐证。考虑到一般的中学师生对此的认识不足和教材更新的滞后，笔者在此做一简要说明。 1.ATP的合成和水解不是两种不同性质的酶，而是同一种酶。 自上个世纪50年代以来，许多科学家都在ATP酶的研究方面作出了巨大贡献，1997年的诺贝尔化学奖就是对三位化学家在此方面的成就给予了充分地肯定。现在已知的ATPase有三种类型，其中研究最多+的是F型(线粒体H-ATPase)，它有FF两部分组成，F部分分布于线粒体内膜脂质双层中，F部分突出0101在内膜的脂膜表面。线粒体内外膜的通透性不同，在线粒体内膜上发生的物质氧化分解所释放的能量要在线粒体内膜上转化成为ATP释放并转运出来，所以ATP主要是在线粒体内膜上合成的，其次在叶绿体和细胞质基质中也能合成。 1据目前报道，水溶性外周蛋白F位于内膜突出于基质内的部分，它由五种亚基(α，β，γ，δ,ε)组成，其中α，β亚基上有核苷酸结合位点且β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。于是有人把它 α亚基和三个β亚基相当于发动机的定子γ,亚基就相当于一个相比拟为一个最为理想的分子发动机，三个 。 对定子旋转的转子 2.ATP的合成与水解取决于ATPase的状态 日本的Yashida和Kinosita实验室用一种巧妙的方法观测到了它的水解运动, 结果观察到每水解一个ATP分子,γ亚基会转动120度;水解3个ATP分子, γ亚基就完成了一次圆周运动。F1F0-ATPase催化ATP分子的合成是靠双分子膜内外的质子浓度差驱动完成的, 而水解ATP分子的时候, F0部分又把质子运转回来,形成新的质子浓度差。至于质子是怎么经由;亚基和ab亚基通过膜的? 有研究表明;亚基中的Asp61 12+(肽链中第61位谷氨酸)是一个很重要的氨基酸,被认为是F上,的结合位点,它的质子化/去质子化循环可0+ 以转运,。剑桥大学的P.C.Jones等人通过NMR研究表明, Asp61羧基不在易受油脂双层脂酰基链影响的c圆柱体的表面上, 而是位于c单聚体中以“前对后挤压”方式形成的;亚基的质子禁锢点上，从而免受1212 了油脂双层的影响。而;亚基的载质子羧基则位于c单聚体上以“前对后挤压”方式形成的两个;亚基的12 质子(阳离子)禁锢点之间。载质子的Asp61被吸入亚基间并可被利用，这是因为经过可供选择的进、出口 通道的质子化和去质子化作用要求有受挤压的;亚单元形成的旋转通路，另外还需要与不同的,亚基渗透膜的螺旋线进行逐步结合。 其中，c单聚体环的旋转方向取决于质子是从膜的哪一侧通道进入。如果从12 膜的内侧通道进入, 那么从F的底部看,;亚基环是顺时针旋转的;当膜内外pH浓度差相反时, 环向相反012的方向旋转;因而可以说c单聚体环的旋转是靠跨膜的质子动力势推动的。科学家认为,; 亚基与γ 亚基是直接连在一起的,它们之间的连接丝毫没有减弱ATPase的旋转活性。 ATP在一定条件下会发生水解或合成，但其过程取决于线粒体酶的运行状态。1999年Dimroth实验室的研究结果显示，在没有能量增加时，ATP酶呈休眠状态，但此时催化钠离子的跨膜交换，起离子泵作用。至于ATP的合成或水解, 上世纪60年代初，Mitchell提出化学渗透学说，认为在ATP合成过程中，跨膜电化学质子梯度推动ATP合成酶合成ATP分子,而P.Boyer在1979年提出了ATP合成酶催化ATP合成与1水解的结合改变机理。Boyer实验室首先观察到失去能量供应的亚线粒体颗粒中，F蛋白的催化部位由于ATP分子的合成和水解的可逆反应，导致磷酸中的氧原子和水中的氧原子发生交换，因此可以认为即使无i能量输入也可以在酶上合成ATP分子;在ADP, P和ATP之间存在着平衡关系，能量输入主要用来驱使紧密结合的ATP分子得到释放。完整的ATP合成酶中亚基α和亚基β构象不对称，酶在能化状态，配位结合和化学修饰过程中都会发生构象改变，引起酶对底物结合的亲和性发生改变，如对ATP的结合由紧密到疏松;许多化合物只修饰ATP合成酶的一个位点即可导致酶活力全部或接近全部丧失;完整的ATP合11成酶或游离的F-ATPase都表现出结合的负协同性和催化的正协同性;不同物种的F-ATPase可能都有三个催化位点和三个非催化位点;大部分紧密结合的核苷酸都在非催化位点上。当酶位于完整的膜结构时，ii发生P??ATP 和ADP??ATP 的交换;线粒体中即使加入解联剂 ，虽然P??ATP交换受到抑制，i2i但P中的O和HO的O发生交换并未受到抑制;酶对ATP, ADP和P的亲和性依赖能量而改变;ATP合成速度依赖能量而改变;当只有某个位点结合核苷酸时，O的交换相当慢;动力学初速度研究表明有两18 个位点正协同参与ATP形成。其中整个循环的三部反应的每一步都涉及到ATP合成过程中有质子动力势i所驱动的构象改变，第一步，随着构象改变的出现, 疏松结合的ADP和P被转换成ATP;第二步，ATP的结合变得更加疏松;第二步以后就可能出现ATP的释放。由于构象改变是紧密相联的，这样在任何时候，酶三个催化位点的每一个位点都处在不同的构象状态，在某一时间只有一个位点处于紧密构象状态，在紧密状态下出现共价键的互变，每一次系统构象改变释放一个ATP，而每一个催化位点需要经过三次构象改变才形成一个ATP。在紧密构象状态下，即使由于缺少底物或能量输入而使反应循环不能向前推进，结合ii的和ADP和P也可以转换成ATP， 这种现象以及第二步的逆反应就可解释催化位点上结合的P的氧原子和水的氧原子在酶缺少能量供应时交换增加的原因。 具体ATP合成和水解过程如图3: 如图表示的是假设的可选择性位点和连接γ亚基旋转部分的接触性位点。(a)每个接触性位点进行三个状态(T，L，和O)的循环。ATP与O位点(开放并且是空位点)结合后，其位点由开放转变为紧密的且ATP占据的位点(T位点)。这种结合分开后，T位点转变成为L型位点(松散并且由ADP，Pi占据)，直到生成物脱离才恢复为O型状态。任何时候无论在O，T还是L的任一状态，三个接触性位点都是各自独立的。每一位点其状态协调性的开关导致一个ATP o分子的水解或者合成，并且γ,ε旋转子进行120的旋转。近来，T和L状态额外的信息根据新晶体结构的研究已经发现，但是为了合成或者水解ATP，伴随着 O相同120的旋转。(b)一个ATP分子水解或者合成的下一步，根据动力学和抑制子的研究展示了三个位点的机制。在开放位点上ATP的结合导致状态的变换，然后在关闭的位点结合物分离，之后从一个部分开放的位点完全开放并且释放出ADP后，Pi基释放出来。在(b)过程的每一步都会产生γ亚基旋转状态的下 O一步，即90的旋转(已经由Yasuda等观察到)被分成几步来完成。但是近来讨论三个接触性位点的两个是否能被假设为同时处于变换的状态。 综上所述,ATP与ADP之间的相互转化是一种可逆反应,因为: 1.ATP的合成与水解都是由ATPase完成的,而不是由不同的酶来催化的。只是在不同的条件下,所起的催化作用不同,在ATP水解时相当于水解酶，而在ATP合成时相当于合成酶。许多教学参考资料和教师都用此酶来阐述酶的专一性,看来是存在着知识局限性。 2.从发生的场所来看，细胞内各种膜结构上都含有一定数量的ATPase,这种酶不仅仅存在于线粒体和叶绿体上，也普遍存在于细胞的其它各种膜结构上，虽然在同种细胞中的ATPase在结构和组成上存在一定的差异，在功能上也有较大的不同，但是都是影响着细胞内的能量的流动和转化。且在细胞内的主要产能的细胞器线粒体和叶绿体中，虽然ATP的合成占有主要地位，但同样也发生ATP的水解，ATP的合成和水解是同时进行的。 3.虽然在发生过程中，在线粒体上发生的主要是ATP的合成过程，其能量来源是其内的物质氧化分解所释放。但所研究的成果表明，即使不提供能量，ATPase仍然合成ATP，同时也有ATP的水解，也就是说在一个平衡体系中，两个可逆反应是同时发生的。只不过是，能量是影响可逆反应的条件，改变可逆反应的平衡常数。提供能量增加可促进ATP的合成，反之，可促进ATP的水解。 建议:由于ATP与ADP的相互转化的确是可逆反应，但反应机理比较复杂，在高中生现有的知识水平和能力条件，所以请诸位老师和同学们在处理教材中可避重就轻，不宜对此问题进行过深的追究。所以，在新课标中，《必修1—分子与细胞》第5章《细胞里的能量供应和利用》就只谈到ATP、ATP与ADP的相互转化，而没有谈是否是另一种酶，更没有谈到是否是可逆反应是明智之举。 参考文献: 1.朱杰、孙润广，线粒体H+—ATPsea的结构和催化机制的研究，中国科技论文在线， 2.孙润广，F0F1—ATP酶的超分子结构和功能的研究，陕西师范大学学报(自然科学版)，1999(1): 70-75 3(张颖娱，ATP合成酶及其功能机制综述，分子生物物理学研究生评述2003，