第九節(jié)
“蓄水發(fā)電”合成ATP

原核生物需要能量來做各種工作，包括合成各種生物所需要的大分子，轉(zhuǎn)運(yùn)各種“貨物”（例如把分子和離子從濃度低的地方轉(zhuǎn)運(yùn)到濃度高的地方），鞭毛的擺動(dòng)等。為此，原核生物必須發(fā)展出供應(yīng)各種生命活動(dòng)所需能量的機(jī)制。在這里，原核生物又顯現(xiàn)出它們的“聰明”來。它們不是為每種需要能量的活動(dòng)都提供一種供能機(jī)制，而是發(fā)展出一種共同的機(jī)制來供應(yīng)能量。就像家里的電燈、電話、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、音響設(shè)備、電飯鍋、洗衣機(jī)、空調(diào)等都用電來供給能量一樣，原核生物也用一種“高能化合物”來供應(yīng)各種需要能量的活動(dòng)。這樣的“高能化合物”叫做三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，縮寫為ATP）。由于ATP可以給各種生理過程提供能量，就像錢可以買到各種商品，所以ATP又被稱為“能量通貨”。

能量貨幣ATP分子

ATP本來就是合成RNA的核苷酸之一，也就是腺苷酸上面再多連兩個(gè)磷酸分子。這也是最早期的生物是以RNA為核心的學(xué)說的另一個(gè)證據(jù)。腺苷分子上有三個(gè)磷酸根，所以叫三磷酸腺苷，其中的T來自tri-，意思是“三”（圖2-21）。

ATP分子上的三個(gè)磷酸根線性相連，其中最末端的那個(gè)磷酸和中間的磷酸根之間的化學(xué)鍵，中間的磷酸根和最里面的磷酸根之間的化學(xué)鍵都含有許多能量，叫做高能磷酸鍵（high Energy phosphate bond）。它們破裂（水解）時(shí)，都會(huì)釋放出能量。ATP水解成ADP，ADP水解成AMP，或者ATP直接分解為AMP，都會(huì)釋放出能量。例如每摩爾ATP水解成ADP和磷酸時(shí)可以釋放出30.5千焦，相當(dāng)于7.3千卡的能量，這些能量就可以供給各式各樣需要能量的活動(dòng)。在RNA的合成中，ATP被水解為AMP和焦磷酸（pyrophosphate，由兩個(gè)磷酸分子彼此通過磷酸鍵相連而形成的分子，英文簡(jiǎn)稱為PPi，見圖2-21），水解釋放出來的能量就被用來把AMP部分用于合成RNA分子，而焦磷酸則被釋放到溶液中。

焦磷酸里面的磷酸鍵也是高能磷酸鍵。ATP中的兩個(gè)高能磷酸鍵，其實(shí)也都是磷酸之間的化學(xué)鍵。把磷酸二氫鈉加熱，就可以得到焦磷酸，所以焦磷酸可以在自然條件下形成（例如含有磷酸的溶液在太陽下被曬干）。現(xiàn)在一些原核生物還能利用焦磷酸的能量，把氫離子或者鈉離子從細(xì)胞膜的一邊泵到另一邊去，說明焦磷酸也許是更原始的供能分子。最早的原核生物也許不是從ATP，而是從焦磷酸中獲得能量的。而且焦磷酸分子可以和兩個(gè)ADP分子反應(yīng)，生成兩分子的ATP，說明焦磷酸和ATP屬于同一個(gè)能量系統(tǒng)。

在生命的初期，核苷酸形成后，有可能從焦磷酸那里獲得磷酸根，生成二磷酸或者三磷酸核苷酸，包括ATP以及類似的GTP、CTP和UTP。這四種三磷酸核苷就可以利用它們分子中高能磷酸鍵的能量，把其中的單磷酸核苷的部分組入RNA分子。除此以外，這些三磷酸核苷還能夠給原核細(xì)胞其他的需能過程提供能量。例如CTP可以為磷脂的合成提供能量；GTP可以為蛋白質(zhì)合成的起始步驟提供能量，UTP可以為糖原合成提供能量。但是ATP是用途最廣的供能化合物。細(xì)胞里絕大多數(shù)需要能量的過程，都是由ATP提供能量的。更高級(jí)的生命形式也繼承了原核生物的這個(gè)“發(fā)明”。地球上所有的生物，包括原核生物和真核生物，還有我們?nèi)祟愖约海加肁TP作為主要的能源分子。ATP既然能夠提供能量，它自己的合成自然也需要能量。從上節(jié)的內(nèi)容可見，地球上絕大多數(shù)生物都用葡萄糖作為主要的“燃料”分子，ATP合成的主要能源就是葡萄糖氧化所釋放出來的能量。

葡萄糖如何合成ATP

原核生物合成ATP的過程是在ADP上面加一個(gè)磷酸根，所以這個(gè)過程又叫做ADP的“磷酸化”，簡(jiǎn)稱磷酸化（phosphorylation）。ADP的磷酸化有兩種機(jī)制，分別叫做底物水平的磷酸化（substrate level phosphorylation）和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。大腸桿菌在無氧條件下分解葡萄糖，生成ATP的機(jī)制是底物水平磷酸化的例子。大腸桿菌先在葡萄糖分子上加上兩個(gè)磷酸根，把它分解為兩個(gè)含3個(gè)碳原子的分子，每個(gè)分子上連有一個(gè)磷酸根。每個(gè)3碳分子再脫去氫原子和一個(gè)水分子，最后產(chǎn)生丙酮酸（pyruvate）。失去氫原子相當(dāng)于分子的氧化程度增加，釋放出來的能量使分子中磷酸鍵的能量增加，變成高能磷酸鍵。這個(gè)高能磷酸鍵就可以把磷酸根轉(zhuǎn)移到ADP上，產(chǎn)生ATP。這是最簡(jiǎn)單最直接的合成ATP的方式。這種方式不需要氧，所以可以在無氧條件下進(jìn)行，叫做糖酵解（glycolysis），是許多厭氧微生物合成ATP的機(jī)制。

如果葡萄糖的分解到此為止，丙酮酸還可以轉(zhuǎn)化成為乳酸。乳酸菌就是以這種方式生活的。人的身體也繼承了這個(gè)方式，在缺氧條件下也能夠分解葡萄糖，合成ATP，同時(shí)產(chǎn)生乳酸。我們?cè)趧×疫\(yùn)動(dòng)后感到肌肉酸痛，就是肌肉產(chǎn)生乳酸的結(jié)果。由于乳酸還可以被繼續(xù)“燃燒”，產(chǎn)生更多的能量，所以用這種方式“燃燒”葡萄糖是不徹底的，產(chǎn)生的ATP數(shù)量也少。產(chǎn)生ATP更有效的機(jī)制，還是將葡萄糖徹底氧化的氧化磷酸化機(jī)制。

在氧化磷酸化機(jī)制中，葡萄糖被徹底氧化，生成二氧化碳和水。“燃燒”釋放出來的能量則被用來合成ATP。這個(gè)過程類似于火電廠中燃燒煤或天然氣，生成二氧化碳和水，燃燒釋放出來的能量則被用來發(fā)電。葡萄糖含有大量的碳和氫，也可以作為燃料來發(fā)電，只是經(jīng)濟(jì)上不合算。而在原核生物中，這種“燃燒”不是在鍋爐中的高溫下，而是通過酶的催化，在常溫下進(jìn)行的。釋放出來的能量也不是產(chǎn)生火電廠中的高壓蒸汽，而是類似水力發(fā)電站那樣，在水庫(kù)的大壩后面蓄水，然后用高水位的水流過大壩時(shí)來發(fā)電。這個(gè)“大壩”，就是我們?cè)谏弦还?jié)中談的細(xì)胞膜，這個(gè)“水”，就是氫離子。“發(fā)電機(jī)”就是ATP合成酶，發(fā)出的“電”就是高能化合物ATP。

這個(gè)機(jī)制聽上去有點(diǎn)神奇，其實(shí)原核生物早就掌握這種“技術(shù)”了。原核生物首先用糖酵解機(jī)制把葡萄糖變成三碳化合物丙酮酸。如果要繼續(xù)氧化丙酮酸，細(xì)胞就把丙酮酸變成含兩個(gè)碳的“乙酰基”，再經(jīng)過一個(gè)環(huán)狀反應(yīng)鏈（三羧酸循環(huán)，見下節(jié)）把乙酰基徹底分解為氫原子和二氧化碳。氫原子被脫氫酶（dehydrogenase）脫下來，二氧化碳則被當(dāng)做廢物被釋放到細(xì)胞外。脫下來的氫原子被轉(zhuǎn)移到煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，簡(jiǎn)稱NAD⁺）分子上，形成NADH，NADH則可以為許多需要?dú)湓拥姆磻?yīng)提供氫原子。

NADH提供的氫原子，和三羧酸循環(huán)中的一個(gè)成員琥珀酸（succinate）分子提供的氫原子（通過琥珀酸脫氫酶）都可以與氧結(jié)合生成水，釋放出能量。不過這些氫原子不是直接與氧結(jié)合，因?yàn)槟菢俞尫懦鰜淼哪芰恐荒軌蛞詿岬男问缴⒊觯餆o法利用。要利用氫原子“燃燒”的能量，氫原子要先被分離成為氫離子和電子，氫離子被釋放到溶液中，而電子沿著一條位于細(xì)胞膜上，由幾個(gè)蛋白復(fù)合物組成的電子傳遞鏈（electron transfer chain）傳遞到氧分子上，與開始時(shí)釋放的氫離子一起，形成最終產(chǎn)物水。因?yàn)檫@個(gè)電子傳遞鏈以氧為最終的電子受體，所以又叫做呼吸鏈（respiratory chain）。電子在呼吸鏈里傳遞的過程中，能量逐步降低，像人下樓梯。每下一梯釋放出的能量可以把細(xì)胞質(zhì)里面的氫離子“泵”到細(xì)胞膜的外面，就像從高處跳下到蹺蹺板一端的雜技演員可以把站在蹺蹺板另一端的演員彈起。這樣，細(xì)胞膜外面氫離子的濃度就會(huì)大大超過細(xì)胞內(nèi)的濃度，類似于水庫(kù)蓄水。當(dāng)這些氫離子通過細(xì)胞膜上的另一個(gè)膜蛋白質(zhì)復(fù)合物——ATP合成酶（ATP synthase）流回細(xì)胞質(zhì)時(shí)，氫離子就像水壩里面蓄的高位水，帶動(dòng)ATP合成酶把ADP和磷酸分子結(jié)合在一起，生成ATP（圖2-22）。

這種機(jī)制也說明，細(xì)胞膜的完整性對(duì)于原核生物的ATP合成有多重要，也說明為什么細(xì)胞膜要盡量不讓氫離子和其他離子通過，因?yàn)槟堑扔谑撬畨温┧研罘e的能量白白浪費(fèi)掉。有些化合物，例如二硝基甲苯，可以增加細(xì)胞膜對(duì)氫離子的通透性，讓氫離子漏過細(xì)胞膜，減少ATP的合成，讓氫離子蓄積的能量以熱的形式散發(fā)掉。但是在人體內(nèi)，這種氫離子的泄漏也有合理的時(shí)候。例如在身體發(fā)冷，需要熱量的時(shí)候，除了用發(fā)抖這種方式強(qiáng)迫肌肉收縮產(chǎn)生熱量外，棕色脂肪細(xì)胞里面的一種“去偶聯(lián)蛋白質(zhì)”還會(huì)讓氫離子泄漏，讓蓄積在氫離子梯度里面的能量以熱的方式散出來，給人體補(bǔ)充熱量。人到老年時(shí)怕冷，就和身體里的棕色脂肪減少有關(guān)。

在膜的兩邊建立氫離子的濃度梯度來蓄積能量，再用這些能量來合成ATP，是原核生物的又一大發(fā)明。除了厭氧菌，地球上所有的生物都用這種方式來大量合成ATP。原核生物還把這種機(jī)制擴(kuò)大，直接利用這種跨膜氫離子梯度來做工。例如細(xì)菌鞭毛的擺動(dòng)就是由氫離子流過細(xì)胞膜時(shí)直接驅(qū)動(dòng)的，而不通過ATP。植物的光合作用產(chǎn)生ATP，用的也是這種蓄積跨膜氫離子濃度的機(jī)制（見本章第十二節(jié)光合作用）。人體每天要消耗大約60千克ATP，但是在每個(gè)時(shí)刻身體里面的ATP只有約50克。這意味著每天ATP要被分解和再合成，循環(huán)使用1000次以上。這些ATP中的絕大多數(shù)都是用氫離子“蓄水”的方式合成的。

其實(shí)不僅是氫離子，細(xì)胞外面高濃度的鈉離子也是蓄能的一種方式，它可以帶動(dòng)一些分子（如葡萄糖）進(jìn)入細(xì)胞。人的小腸吸收葡萄糖，利用的也是細(xì)胞膜外高濃度的鈉離子。