【生物科教學尋疑團隊工作坊】能量分子(ATP及NADPH)

【生物科教學尋疑團隊工作坊】能量分子(ATP及NADPH)
國立新竹高級中學生物科陳慕璇老師/長庚大學生命醫學系周成功教授責任編輯

2010/11/05 第2次研習活動–學科內容整理4
主題：光合作用光反應

「能」指的是做功的能力，自然界中容易觀察到的有「光能」，「電能」，「熱能」，而生物細胞最常利用的則是「化學能」。當需要做功時，細胞就把化學鍵中蓄積的能量釋放出來。ATP是細胞內許多「放能」反應和「需能」反應之間的共同中間物，細胞利用ATP來儲存「放能」反應所釋放的能量，同時提供給「需能」反應所需要的能量。所以ATP是生物最常利用能量流通的分子。但ATP並非唯一能擔任這類角色的物質，在生物體內也會利用會蓄積電子能量的分子如NADPH、FADH₂來作能量流通之用。

ATP
ATP的P與P之間以共價鍵結合，一個ATP分子內具有4個負電，且負電間距離又近，故彼此相斥，可以想像若是要將ADP加上磷酸，應該要消耗很多的能量，此能以化學能的形式儲存在ATP分子內。當帶有高能量的ATP，P與P之間的鍵結被打斷時，就變成帶有低能量的ADP和磷酸，於是ATP和ADP的能量差就被釋放出來，一莫耳(mol)的ATP水解所釋放的能量為7.3千卡。

一般常說打斷高能磷酸鍵可釋放出很高的能量，放出的能量即可供應細胞作功，此種說法其實並不精確，因為化學反應中，要打斷鍵結是需要耗能的(鍵能是指氣體狀態打斷化學鍵所需的能量)，但因為ATP分解是在水溶液中發生，ATP水解後所產生的ADP與Pi會和水結合放出能量。因此整體還是一個放能的反應。

NADPH
在葉綠體內，光反應中電子傳遞鏈的最後一個步驟，是利用ferredoxin-NADP⁺ reductase酵素將NADP⁺還原成NADPH，產生的NADPH接下來，在光合作用的暗反應(卡爾文循環)中，擔任生物體內化學反應的還原劑。NADPH是NADP⁺的還原態，兩者皆是核苷酸類輔酶，NADP⁺得到帶著電子的氫後，即成為NADPH。

在某些合成作用(anabolic reactions)中，如脂質和核苷酸合成時，NADPH是還原劑，同時也能提供電子。下圖是NADP⁺的化學結構圖，

從下圖nicotinamide的改變，圖左變為圖右時，可清楚解釋NADP⁺如何還原成NADPH。右圖除了多一個氫外，N處的正電也消失，所以反應似乎只得到了一個氫和一個電子，但因為氫自身也帶了一個電子，

故NADP⁺還原為NADPH的淨反應式應為：
NADP⁺ + 2e^– + H⁺ → NADPH

然而電子在生物體內並不會獨自移動，為了解釋另一個電子的由來，故通常反應式會寫為：
NADP⁺ + 2e^– + 2H⁺ → NADPH + H⁺