化学键断裂要耗能，为什么生物教材上写 ATP 高能磷酸键断裂会释放大量能量？

2022.7.16 更新

评论区不少朋友问 ATP 释放的能量如何被利用。主要的利用方式是磷酸化，即 ATP 分解释放出的磷酸基团不是直接变成磷酸，而是与蛋白质分子结合，把蛋白质磷酸化。被磷酸化的蛋白质的构象发生变化，磷酸基团就像一把钥匙，启动（或停止）蛋白质的功能，从而调控生命功能。磷酸基团也可以与多糖或其他分子结合，改变它们的化学性质，调解生命活动。

先插个题外话，能问出这样的问题，说明真的是用心在学习了，能把化学中学习到的基本规律应用到生物当中，这种随时应用所学知识的习惯非常有成为学霸的潜力。生命现象中处处体现着大量的基本物理和化学规律。

这个矛盾或疑惑是因为生物课本介绍这个知识时省略掉了很重要的信息。ATP 的高能磷酸键断裂其实并不是简单的一个 ATP 分子分解生成一个 ADP 和一个 Pi 的分解反应，而是 ATP 分子与水分子发生的水解反应，反应的具体方程式如下：(稍后用电脑补图（图已补）)

该反应中，ATP 分子的高能磷酸键 O~P 断裂，水分子 H-OH 的 O-H 键断裂。H 与 ADP 末端的 O 成键，得到 ADP，OH 与 Pi 的 P 原子成键，得到 Pi。

这个反应中，断裂高能磷酸键 O~P 只需要很少的能量，新生成的 P-O 键可释放非常大量的能量。断裂水中的 H-O 键和新生成 ADP 中的 O-H 的键能相差不大。因此该反应可以释放大量能量。

课本中所说的“高能磷酸键存储大量能量”，其实是因为高能磷酸键极容易水解，水解反应可以释放出大量能量，其本身的键能非常低，易新生成键能非常高的物质。

把本身键能比较低，发生化学反应后可释放大量能量的化学物质叫作“存储大量能量”的叫法，是一种在学术研究和生产中习惯通用的简略叫法，但是对初学者需要详细解释。

石油、天然气、煤油等化石也叫作储存了大量能量，是因为它们的主要成分是碳氢化合物。碳氢化合物与氧气燃烧生成水和二氧化碳时，断裂的碳氢键和碳碳键的键能总和，要远小于生成的氢氧键和碳氧双键的键能总和，所以燃烧释放大量能量。

后记，评论区有朋友反映老师会讲，如果老师的水平合格的话，的确应该把这里讲清楚，但是很多老师可能忘记了或者没有注意到，或者虽然讲了但是恰好没听到，另外还有很多同学主要考自学。因此这个题目要暴露出现行教材很多知识的原理和逻辑讲得不够透彻、清楚、明白的问题，学生如果没有足够优秀的老师，想要主要依靠课本和练习册自学，将会极其困难。

为了让想要自主学习的同学们可以不需要花钱或撞运气依靠优秀的师资力量，能够更加方便有效地理解清楚课本里的知识和概念，我利用业余时间在知乎专栏上分享了高中数理化生的讲义，力求把知识的原理和逻辑讲得通俗易懂、透彻明白，也没有白费自己高中时同时搞数理化生四门竞赛以及在清华基科班继续认真学习数理化生的兴趣。文章和公号里也附了文档的 PDF 下载，直接用网盘下载就行。

大致安排我：第 1 季通俗、透彻、全面地讲解基本概念（数学和化学已经完成，物理和数学还有两章就更完），第 2 季结合基本概念用正统的思路和方法易操作可复制地解决 90%的题目（数学和化学已完成，接下来开始物理和生物），第 3 季是简单学科思想和一些经典且常用的思路的原理和使用方法（还没计划清楚）

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