第九节
“蓄水发电”合成ATP

原核生物需要能量来做各种工作，包括合成各种生物所需要的大分子，转运各种“货物”（例如把分子和离子从浓度低的地方转运到浓度高的地方），鞭毛的摆动等。为此，原核生物必须发展出供应各种生命活动所需能量的机制。在这里，原核生物又显现出它们的“聪明”来。它们不是为每种需要能量的活动都提供一种供能机制，而是发展出一种共同的机制来供应能量。就像家里的电灯、电话、计算机、电视机、音响设备、电饭锅、洗衣机、空调等都用电来供给能量一样，原核生物也用一种“高能化合物”来供应各种需要能量的活动。这样的“高能化合物”叫做三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，缩写为ATP）。由于ATP可以给各种生理过程提供能量，就像钱可以买到各种商品，所以ATP又被称为“能量通货”。

能量货币ATP分子

ATP本来就是合成RNA的核苷酸之一，也就是腺苷酸上面再多连两个磷酸分子。这也是最早期的生物是以RNA为核心的学说的另一个证据。腺苷分子上有三个磷酸根，所以叫三磷酸腺苷，其中的T来自tri-，意思是“三”（图2-21）。

图2-21 ATP、ADP、AMP和焦磷酸的分子结构及其相互关系

ATP分子上的三个磷酸根线性相连，其中最末端的那个磷酸和中间的磷酸根之间的化学键，中间的磷酸根和最里面的磷酸根之间的化学键都含有许多能量，叫做高能磷酸键（high Energy phosphate bond）。它们破裂（水解）时，都会释放出能量。ATP水解成ADP，ADP水解成AMP，或者ATP直接分解为AMP，都会释放出能量。例如每摩尔ATP水解成ADP和磷酸时可以释放出30.5千焦，相当于7.3千卡的能量，这些能量就可以供给各式各样需要能量的活动。在RNA的合成中，ATP被水解为AMP和焦磷酸（pyrophosphate，由两个磷酸分子彼此通过磷酸键相连而形成的分子，英文简称为PPi，见图2-21），水解释放出来的能量就被用来把AMP部分用于合成RNA分子，而焦磷酸则被释放到溶液中。

焦磷酸里面的磷酸键也是高能磷酸键。ATP中的两个高能磷酸键，其实也都是磷酸之间的化学键。把磷酸二氢钠加热，就可以得到焦磷酸，所以焦磷酸可以在自然条件下形成（例如含有磷酸的溶液在太阳下被晒干）。现在一些原核生物还能利用焦磷酸的能量，把氢离子或者钠离子从细胞膜的一边泵到另一边去，说明焦磷酸也许是更原始的供能分子。最早的原核生物也许不是从ATP，而是从焦磷酸中获得能量的。而且焦磷酸分子可以和两个ADP分子反应，生成两分子的ATP，说明焦磷酸和ATP属于同一个能量系统。

在生命的初期，核苷酸形成后，有可能从焦磷酸那里获得磷酸根，生成二磷酸或者三磷酸核苷酸，包括ATP以及类似的GTP、CTP和UTP。这四种三磷酸核苷就可以利用它们分子中高能磷酸键的能量，把其中的单磷酸核苷的部分组入RNA分子。除此以外，这些三磷酸核苷还能够给原核细胞其他的需能过程提供能量。例如CTP可以为磷脂的合成提供能量；GTP可以为蛋白质合成的起始步骤提供能量，UTP可以为糖原合成提供能量。但是ATP是用途最广的供能化合物。细胞里绝大多数需要能量的过程，都是由ATP提供能量的。更高级的生命形式也继承了原核生物的这个“发明”。地球上所有的生物，包括原核生物和真核生物，还有我们人类自己，都用ATP作为主要的能源分子。ATP既然能够提供能量，它自己的合成自然也需要能量。从上节的内容可见，地球上绝大多数生物都用葡萄糖作为主要的“燃料”分子，ATP合成的主要能源就是葡萄糖氧化所释放出来的能量。

葡萄糖如何合成ATP

原核生物合成ATP的过程是在ADP上面加一个磷酸根，所以这个过程又叫做ADP的“磷酸化”，简称磷酸化（phosphorylation）。ADP的磷酸化有两种机制，分别叫做底物水平的磷酸化（substrate level phosphorylation）和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。大肠杆菌在无氧条件下分解葡萄糖，生成ATP的机制是底物水平磷酸化的例子。大肠杆菌先在葡萄糖分子上加上两个磷酸根，把它分解为两个含3个碳原子的分子，每个分子上连有一个磷酸根。每个3碳分子再脱去氢原子和一个水分子，最后产生丙酮酸（pyruvate）。失去氢原子相当于分子的氧化程度增加，释放出来的能量使分子中磷酸键的能量增加，变成高能磷酸键。这个高能磷酸键就可以把磷酸根转移到ADP上，产生ATP。这是最简单最直接的合成ATP的方式。这种方式不需要氧，所以可以在无氧条件下进行，叫做糖酵解（glycolysis），是许多厌氧微生物合成ATP的机制。

如果葡萄糖的分解到此为止，丙酮酸还可以转化成为乳酸。乳酸菌就是以这种方式生活的。人的身体也继承了这个方式，在缺氧条件下也能够分解葡萄糖，合成ATP，同时产生乳酸。我们在剧烈运动后感到肌肉酸痛，就是肌肉产生乳酸的结果。由于乳酸还可以被继续“燃烧”，产生更多的能量，所以用这种方式“燃烧”葡萄糖是不彻底的，产生的ATP数量也少。产生ATP更有效的机制，还是将葡萄糖彻底氧化的氧化磷酸化机制。

在氧化磷酸化机制中，葡萄糖被彻底氧化，生成二氧化碳和水。“燃烧”释放出来的能量则被用来合成ATP。这个过程类似于火电厂中燃烧煤或天然气，生成二氧化碳和水，燃烧释放出来的能量则被用来发电。葡萄糖含有大量的碳和氢，也可以作为燃料来发电，只是经济上不合算。而在原核生物中，这种“燃烧”不是在锅炉中的高温下，而是通过酶的催化，在常温下进行的。释放出来的能量也不是产生火电厂中的高压蒸汽，而是类似水力发电站那样，在水库的大坝后面蓄水，然后用高水位的水流过大坝时来发电。这个“大坝”，就是我们在上一节中谈的细胞膜，这个“水”，就是氢离子。“发电机”就是ATP合成酶，发出的“电”就是高能化合物ATP。

这个机制听上去有点神奇，其实原核生物早就掌握这种“技术”了。原核生物首先用糖酵解机制把葡萄糖变成三碳化合物丙酮酸。如果要继续氧化丙酮酸，细胞就把丙酮酸变成含两个碳的“乙酰基”，再经过一个环状反应链（三羧酸循环，见下节）把乙酰基彻底分解为氢原子和二氧化碳。氢原子被脱氢酶（dehydrogenase）脱下来，二氧化碳则被当做废物被释放到细胞外。脱下来的氢原子被转移到烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，简称NAD⁺）分子上，形成NADH，NADH则可以为许多需要氢原子的反应提供氢原子。

NADH提供的氢原子，和三羧酸循环中的一个成员琥珀酸（succinate）分子提供的氢原子（通过琥珀酸脱氢酶）都可以与氧结合生成水，释放出能量。不过这些氢原子不是直接与氧结合，因为那样释放出来的能量只能够以热的形式散出，生物无法利用。要利用氢原子“燃烧”的能量，氢原子要先被分离成为氢离子和电子，氢离子被释放到溶液中，而电子沿着一条位于细胞膜上，由几个蛋白复合物组成的电子传递链（electron transfer chain）传递到氧分子上，与开始时释放的氢离子一起，形成最终产物水。因为这个电子传递链以氧为最终的电子受体，所以又叫做呼吸链（respiratory chain）。电子在呼吸链里传递的过程中，能量逐步降低，像人下楼梯。每下一梯释放出的能量可以把细胞质里面的氢离子“泵”到细胞膜的外面，就像从高处跳下到跷跷板一端的杂技演员可以把站在跷跷板另一端的演员弹起。这样，细胞膜外面氢离子的浓度就会大大超过细胞内的浓度，类似于水库蓄水。当这些氢离子通过细胞膜上的另一个膜蛋白质复合物——ATP合成酶（ATP synthase）流回细胞质时，氢离子就像水坝里面蓄的高位水，带动ATP合成酶把ADP和磷酸分子结合在一起，生成ATP（图2-22）。

图2-22 葡萄糖在原核生物中被氧化释放能量以合成ATP的机制。葡萄糖通过三羧酸循环变成氢原子和二氧化碳，这些氢原子被脱氢酶脱下来，转移给细胞膜内的脂溶性分子醌（Q），使醌还原为氢醌（QH2），氢醌再把氢原子中的电子传给细胞色素bc1复合物，通过中间分子（在不同的生物中不同）传给细胞色素氧化酶，再与氧结合生成水。原核生物利用能量的方式是多渠道的，电子传递链也可以有多条，本图是这些链共同部分的综合

这种机制也说明，细胞膜的完整性对于原核生物的ATP合成有多重要，也说明为什么细胞膜要尽量不让氢离子和其他离子通过，因为那等于是水坝漏水，把蓄积的能量白白浪费掉。有些化合物，例如二硝基甲苯，可以增加细胞膜对氢离子的通透性，让氢离子漏过细胞膜，减少ATP的合成，让氢离子蓄积的能量以热的形式散发掉。但是在人体内，这种氢离子的泄漏也有合理的时候。例如在身体发冷，需要热量的时候，除了用发抖这种方式强迫肌肉收缩产生热量外，棕色脂肪细胞里面的一种“去偶联蛋白质”还会让氢离子泄漏，让蓄积在氢离子梯度里面的能量以热的方式散出来，给人体补充热量。人到老年时怕冷，就和身体里的棕色脂肪减少有关。

在膜的两边建立氢离子的浓度梯度来蓄积能量，再用这些能量来合成ATP，是原核生物的又一大发明。除了厌氧菌，地球上所有的生物都用这种方式来大量合成ATP。原核生物还把这种机制扩大，直接利用这种跨膜氢离子梯度来做工。例如细菌鞭毛的摆动就是由氢离子流过细胞膜时直接驱动的，而不通过ATP。植物的光合作用产生ATP，用的也是这种蓄积跨膜氢离子浓度的机制（见本章第十二节光合作用）。人体每天要消耗大约60千克ATP，但是在每个时刻身体里面的ATP只有约50克。这意味着每天ATP要被分解和再合成，循环使用1000次以上。这些ATP中的绝大多数都是用氢离子“蓄水”的方式合成的。

其实不仅是氢离子，细胞外面高浓度的钠离子也是蓄能的一种方式，它可以带动一些分子（如葡萄糖）进入细胞。人的小肠吸收葡萄糖，利用的也是细胞膜外高浓度的钠离子。