互动科普

ATP合酶是世界上最小的“马达”，只有10纳米（10万分之1毫米）那么大，分布在所有的人体细胞中，时刻不停地在勤奋工作着。

ATP合酶将食物中所含的巨大能量“化整为零”，转化成其他酶便于利用的能量来源——ATP（腺苷三磷酸）。形象地说，ATP就像能用于各种机械的电池，例如，当酶用于结合分子时，往往要利用ATP。

ATP上有3个相连的磷酸根，当1个磷酸根断裂后，就能释放出能量。在酶的催化作用下，ATP失去1个磷酸，转化为ADP（腺苷二磷酸）。不过，ADP可以在ATP合酶的作用下，再次与磷酸结合，又变回ATP。如果把ATP比喻为“充满电的电池”的话，那么，ADP就是“电量减少的电池”，ATP合酶则是“充电器”。

ATP是由ADP与磷酸合成的。首先，NADH脱氢酶复合物、细胞色素bc1复合物、细胞色素氧化酶复合物将大量氢离子“搬运”到线粒体的内膜与外膜之间，使得这里的氢离子浓度增大。

图：把氢离子聚集在线粒体的内膜与外膜之间

葡萄糖等部分食物分子在细胞内最终被分解为NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）分子。上述3种酶都是利用NADH的能量，将氢离子转移到线粒体的内膜与外膜之间。这样一来，内膜与外膜之间的氢离子浓度变高。如果内膜上有孔的话，氢离子就会自发地流向浓度低的地方。如果把离子比喻为水的话，那么，这3种酶就是“水泵”，它们把水从低处抽到高处，使其随时都可以流下来。

这些氢离子要穿过线粒体内膜上的ATP合酶，流回浓度较低的内侧。ATP合酶则利用氢离子回流所产生的能量推动马达旋转，其原理与水流推动水轮机旋转一样。ADP和磷酸进入酶下部的“转子”与“定子”之间的空隙，与露在间隙的活性部位结合，发生化学反应，生成ATP。

水力发电时，常常利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期间再放水至下水库进行发电，这种发电方式称为抽水蓄能发电。ATP合酶则完全“模仿”了抽水蓄能发电的方法，源源不断地向细胞提供着能源。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）