当前课程知识点：现代生物学导论 > 第四讲 能量和代谢 > 4.3 ATP的工作原理 > 4.3 ATP的工作原理
在这一小节中呢，我们讨论ATP这个分子在细胞代谢中的重要性
我们在第二章中讲到官能团的时候，介绍过磷酸基团
这是一个简单的有机磷酸分子
对于细胞来说，有一个更加重要的有机磷酸
ATP，即三磷酸腺苷，需要在这里讨论
ATP是由一个有机分子腺苷和三个磷酸基团组成的
在ATP分子中，三个磷酸是彼此相邻的
如果ATP和水反应，则其中一个磷酸可以脱离ATP
形成无机的磷酸分子，我们经常用Pi来表示
失去了一个磷酸，ATP变成了ADP，即二磷酸腺苷
尽管我们有时候说ATP储存能量
更准确地应该认作ATP储存了和水反应的潜力
ATP分子中三个磷酸相连
磷酸之间的化学键可以用被压缩的弹簧来做个比方
那么因为这一个压缩的弹簧储存了能量
所以化学键中呢它是有势能的
如果释放出一个磷酸，也释放了一部分能量
一个细胞可以做以下三种工作
第一个是化学工作，即推动很多吸能反应的发生
第二个呢是运输工作，即控制细胞膜内外物质的进出
第三个呢是机械工作，即肌肉细胞的收缩，细胞分裂时染色体的移动等
细胞能充分利用能量来源做功
一个重要的特征是能量耦合，即用放能反应驱动吸能反应
ATP就是细胞中参与能量耦合的主要物质
大多数时候ATP作为能量来源的中间物质
ATP的结构我们已经知道了
ATP中磷酸之间的化学键可以被水解打破
当加入一个水分子后，最末端的磷酸键断裂，释放出无机磷酸
因为水解反应释放能量
ATP中的磷酸键经常被认为是高能键，其实呢这个说法有误
磷酸键本身不是强化学键
而是ATP和水这两个反应物比产物ADP和无机磷酸的能量要高
ATP水解过程中释放的能量是从系统中的自由能降低而来的
而不是从磷酸键来的
ATP对于细胞来说非常重要
因为ATP在失去磷酸基团时所释放的能量
一般要大于大多数其他分子所能提供的
ATP中3个磷酸都带负电荷，相互排斥
造成ATP分子的不稳定
下面，我们就来看看细胞中的蛋白质
是如何利用ATP水解中的能量来工作的
如果一个吸能反应所需的自由能小于ATP水解的能量
这两个反应就能耦合，即耦合的总反应是放能的
能量耦合经常需要磷酸化
即从ATP分子上转移一个磷酸基团到反应物上
反应物分子和磷酸基团通过共价键连接，所以叫做磷酸化的中间物
这个磷酸化的中间物是耦合吸能和放能反应的关键
因为它比非磷酸化时更有反应活性
比如，在谷氨酸形成谷氨酰胺的反应中
自由能增加，反应无法自发进行
实际上在细胞中发生的反应是，谷氨酰胺的生成是分为2步
第一步呢是谷氨酸加上磷酸基团
然后氨替代磷酸基团，生成谷氨酰胺
在这个耦合反应中，总的自由能降低，所以反应可以自发进行
那么ATP又是如何驱动细胞内的运输和机械运动呢
在这两种情况下，ATP水解导致蛋白的构型发生了变化
从而改变其和其他分子的结合能力
比如图中的负责跨膜运输的蛋白，磷酸基团直接和跨膜蛋白结合
导致其构型变化，协助物质通过
细胞内的很多机械运动都涉及动力蛋白在细胞骨架上的运动
ATP首先以非共价键的方式和动力蛋白结合
然后ATP水解释放出ADP和无机磷酸
动力蛋白改变构型，从而改变和细胞骨架的结合
导致动力蛋白在细胞骨架上的移动
一个活着的生物体的正常代谢需要很多的ATP
ATP的不断产生是通过给ADP添加磷酸基团来实现的
ADP磷酸化的自由能是从分解反应中来的
这种无机磷酸和能量往返运送就叫做ATP的循环
这个循环总是和细胞内的吸能和放能反应耦合的
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
