摘要：通过对高能磷酸化合物结构的分析和高能磷酸化合物水解释热的例证，说明ATP和ADP的能量来源是水解释热，而不存在所谓的“高能磷酸键”，并对高中理科的课程建设和课程实施提出建设性的建议。
关键词：高能磷酸键；高能磷酸化合物；ATP；ADP；水解
文章编号：1005－6629(2009)01－0074－03中图分类号：G633.8文献标识码：B
一次高中生物公开课“细胞的能量‘通货’――ATP”的课堂中听到上课教师说：“高能磷酸键中储存着很高的能量，高能磷酸键断裂时，就会释放出大量的能量”。一听似乎不对劲，借来教材看看，还真的是这么一回事，“ATP是三磷酸腺苷的英文缩写符号，ATP的结构式可以简写成：A―P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，～代表一种特殊的化学键，叫做高能磷酸键，ATP分子中大量的能量就储存在高能磷酸键中。ATP可以水解，这实际上是指ATP分子中高能磷酸键的水解。高能磷酸键水解时释放的能量多达30.54kJ・mol-1，所以说ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物[1]。”在此“高能磷酸键断裂释放能量”或是“高能磷酸键水解释放能量”的概念产生了混淆。
1 对“高能磷酸键断裂释能”的质疑
1.1 “断键释能”违背了化学键的一般认识
在高中化学甚至大学化学中，认为化学反应过程实质上就是旧的化学键断裂、新的化学键形成的过程，且化学键断裂需要吸收能量，化学键形成则会放出能量。同时，还通俗地将“打断1摩尔化学键所需要的能量”[2]定义为键能。倘若以“化学键断裂释能”来分析“H―H→・H+・H”这一过程，则有“△H0”，就可以得出一个可怕的结论“恒温恒压条件下，H―H→・H+・H一定能自发进行”。
1.2 “化学键储能”违背了物质与能量的基本关系
“高能磷酸键断裂释能”的认识基础是“高能磷酸键中储存着很高的能量”，即“化学键中储存着能量”，这与物质和能量的基本关系――“物质之中蕴含能量”是矛盾的。若以“化学键中储存着能量”来分析“H―H→・H+・H”这一过程，则同样可以得出这样一个结论“物质中蕴含的能量是降低的”，即1个H2分子的能量比2个H原子的能量高，这与事实也是不相符的。
2 对“高能磷酸键水解释能”的评析
2.1高能磷酸化合物中有没有高能磷酸键
根据ATP的结构（图1）可知， ATP实际上就是由腺嘌呤、核糖与3分子磷酸缩合而成的游离核苷酸，磷酸与磷酸间以磷酸酐键相连，ATP水解时(磷酸酐键断裂)释放的能量高达30.54 kJ・mol-1，而一般的磷酸酯水解时(磷酸酯键断裂)释放的能量只有8~12kJ・mol-1。高能磷酸化合物是指水解时释放的能量在20.92kJ・mol-1以上的磷酸化合物，显然ATP也是高能磷酸化合物。生物学上同时也将这种磷酸酐键称为“高能磷酸键”，显然这样的提法是不够确切的。
首先，一种化合物水解时释放能量的多少取决于该化合物整个分子的结构，以及反应物能量与产物能量的差异，而不是由哪个特殊化学键的破坏所致。其次，无论简单磷酸盐或复杂磷酸盐的基本结构单元是磷氧四面体，即这些P―O键之间并无本质区别，因此也不可能存在所谓的“高能磷酸键”。第三，从高能磷酸化合物的定义可以看出，高能磷酸化合物是以每摩尔化合物水解释放的能量多少来判断的，而不是根据是否存在“高能磷酸键”来定义的，可见，“高能磷酸键”也是子虚乌有。但为了叙述及解释问题方便，高能磷酸键的概念至今仍被生物界采用。
2.2高能磷酸化合物水解释能的例证
要弄清楚ATP水解是否释放能量，可以从三磷酸的水解入手，因为三磷酸的水解与ATP的水解在旧化学键的断裂和新化学键的形成具有很大的相似性。同理，ADP的水解可以焦磷酸的水解进行类比(图2)。
正磷酸在强热条件下发生脱水作用，依次生成焦磷酸(H4P2O7)、三磷酸(H5P3O10)和偏磷酸[(HPO3)n](图3)。根据反应条件可以推测，这些反应均应为吸热反应，且生成三磷酸需要吸收更多的能量。
焦磷酸、三磷酸和偏磷酸均易溶于水，且在溶液中水解逐渐转变为正磷酸。根据部分物质的标准摩尔生成焓（表1）可以进行焦磷酸水解生成正磷酸的反应焓计算，得到 “H4P2O7(l)+H2O(l)=2H3PO4(l)；△rHm =-25.9kJ・mol-1”。由此可知，焦磷酸水解放热且放出的高达25.9kJ・mol-1, 大于20.92kJ・mol-1(高能磷酸化合物的判据)，因此焦磷酸也属于高能磷酸化合物。
焦磷酸的水解类似ADP的水解，因此生物教材中也认为ADP中存在1个“高能磷酸键”。三磷酸水解应该释放出比焦磷酸水解更多的能量，这与ATP水解释放比ADP水解更多的能量是相符的。因此，ATP或ADP的能量来源是水解释能，而非“高能磷酸键”断键释能，P―O键的断裂只是水解的方式。
2.3 对“水解”及其热效应的评析
水解在化学学科中是一个比较广泛的概念，有盐类水解、卤代烃水解、酯水解、糖水解、蛋白质水解等。在高中化学中，盐类水解要比其他水解反应具有更高的特殊地位，成为独立的“节”，而其他水解反应往往是物质化学性质中的一项。因此，学生甚至教师也自觉地将盐类水解的地位升高，甚至认为盐类水解的结论可以应用于其他水解反应，把ATP和ADP的水解释热理解为“特殊的水解”或“水解的特例”，这都是不科学的。
盐类水解实质上就是盐电离出的某些离子促进了水的电离。水的电离H2OH++OH-是吸热过程，因此盐类水解应该也是一个吸热过程。但也有人认为CaC2(s)+2H2O(l) =Ca(OH)2(s)+CH≡CH(g)；Mg3N2(s)+6H2O(l)=3Mg(OH)2(s)+2NH3(g)； Na2O2(s)+2H2O(l) = 2Na+(aq) + 2OH-(aq) + H2O2(aq) (△rHm =-49.03kJ・mol-1) 等反应也类似于盐类水解，且用这些放热事实来说明存在放热的盐类水解，这种认识也是不全面的。从反应形式分析，上述反应属于盐类水解，但没有处理好部分与整体之间的关系。现以Na2CO3溶于水为例进行具体的过程分析：
Na2CO3(s)→2Na+(aq)+CO32-(aq)；
△rHm =-26.7kJ・mol-1
CO32-(aq)+H2O(l)→HCO3-(aq)+OH-(aq)；
△rHm = 40.986kJ・mol-1
HCO3-(aq)+H2O(l)→H2CO3(aq)+OH-(aq)；
△rHm =48.176kJ・mol-1
H2CO3(aq)→H2O(l)+CO2(aq)；
△rHm =0.02kJ・mol-1
CO2(aq)→CO2(g)；△rHm=20.291kJ・mol-1
可见，这一过程可分为溶解、水解、形成产物等3个阶段，由于水解程度较小，则水解和形成产物的焓变不能起到决定性的作用，真正占主导地位的则是溶解焓，因此决不能一叶障目，以偏概全。
卤代烃的水解既有吸热的（如CH3I(l)+H2O(l)→CH3OH(l)+H+(aq)+I-(aq)； △rHm =3.84kJ・mol-1）也有放热的（如CH3CH2Br(l)+H2O(l)→CH3CH2OH(l)+H+(aq)+Br-(aq)；△rHm =-23.32kJ・mol-1）。低级酯的水解一般为吸热，且其热效应随碳原子数的增多而逐渐降低，如：
CH3COOCH3(l)+H2O(l)→CH3COOH(l)+CH3OH(l)；△rHm = 8.03kJ・mol-1
CH3COOCH2CH3(l)+H2O(l)→CH3COOH(l)
+CH3CH2OH(l)；△rHm =2.93kJ・mol-1
CH3CH2COOCH2CH3(l)+H2O(l)→CH3CH2COOH(l)+CH3CH2OH(l)；△rHm = 0.13kJ・mol-1
由此可见，各类水解的焓变要因具体情况而异，不能一概而论。犹如对化合反应（或分解反应）的也不能一概地认为是放热反应（或吸热反应）。水解只是化学反应的形式，反应的焓变应则是化学反应的本质（物质变化和能量变化）之一，形式岂能决定本质。
3结论与启示
综上所述，可以得出如下结论：①不同类型的水解反应的放热吸热效应不同。盐类水解是水的电离平衡的正向移动一种过程，因此是吸热的。②ATP和ADP的水解反应是放热反应，P―O键断裂是水解的方式，不存在所谓的“高能磷酸键”。③由于腺苷基团对磷酸基团的影响随磷酸基团数目的增加、链的增长而减弱，因此ATP首先水解成ADP，ADP可继续水解成AMP。
ATP释能问题是生物学科的重要内容，但它又牵涉物理学科的能量问题和化学学科的水解反应及化学键理论，可见科学的发展有逐渐走向融合的趋势。因此，只有在教学研究中强化学科间的相互交流和交叉研究，在教材建设中注重整体推进，才能保证在教学实践中的协调统一。
参考文献：
[1]人民教育出版社课程教材研究所生物课程教材研究开发中心. 普通高中课程标准实验教科书生物1(必修)分子与细胞（第2版）， 北京：人民教育出版社，2007：88.
[2]《化学专业基础知识总汇》编写组.化学专业基础知识总汇，杭州：杭州大学出版社，1991：70.
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