下列何種代謝物其磷酸根，只經人體細胞一個代謝反應後，就可直接製造出 ATP？

本題觀念：

本題的核心觀念為受質階層磷酸化 (Substrate-Level Phosphorylation)。 這是一種在細胞代謝中，將高能受質分子上的磷酸根直接轉移給 ADP (或 GDP) 以生成 ATP (或 GTP) 的過程。這類反應不需要經過電子傳遞鏈與 ATP 合成酶，是糖解作用 (Glycolysis) 和檸檬酸循環 (TCA cycle) 中產生能量的重要機制。

選項分析

• A. 甘油磷酸 (Glycerol-3-phosphate)：

  • 錯誤。甘油-3-磷酸主要參與脂肪合成或透過甘油-3-磷酸穿梭 (Glycerol-3-phosphate shuttle) 進入粒線體代謝。
  • 在代謝反應中，它通常被氧化為二羥基丙酮磷酸 (DHAP)，此過程生成 NADH 或 FADH₂，但不會直接將磷酸根轉移給 ADP 生成 ATP。相反地，甘油激酶 (Glycerol kinase) 反而需要消耗 ATP 來將甘油磷酸化。

• B. 6-磷酸葡萄糖酸內酯 (6-phosphogluconolactone)：

  • 錯誤。這是五碳醣磷酸路徑 (Pentose Phosphate Pathway, PPP) 的中間產物。
  • 它是由葡萄糖-6-磷酸 (G6P) 經脫氫酶反應生成 (產生 NADPH)，隨後被水解酶 (Lactonase) 水解為 6-磷酸葡萄糖酸 (6-Phosphogluconate)。此步驟是水解反應，不涉及 ATP 的生成。

• C. 果糖1,6-雙磷酸 (Fructose 1,6-bisphosphate)：

  • 錯誤。這是糖解作用中重要的中間產物。
  • 在糖解作用中，它會被醛縮酶 (Aldolase) 切割成兩個三碳醣：二羥基丙酮磷酸 (DHAP) 和甘油醛-3-磷酸 (G3P)。這個裂解反應不會產生 ATP。

• D. 1,3-雙磷酸甘油酸 (1,3-bisphosphoglycerate, 1,3-BPG)：

  • 正確。1,3-BPG 是糖解作用中的高能中間產物，其結構中含有一個高能的醯基磷酸鍵 (Mixed anhydride bond / Acyl phosphate bond)。
  • 在磷酸甘油酸激酶 (Phosphoglycerate kinase) 的催化下，1,3-BPG 上的一號碳磷酸根會直接轉移給 ADP，生成 ATP 和 3-磷酸甘油酸 (3-Phosphoglycerate)。
  • 反應式：$1,3\text{-BPG} + \text{ADP} \rightleftharpoons 3\text{-Phosphoglycerate} + \text{ATP}$。

答案解析

題目要求找出「只經一個代謝反應」就能「直接製造出 ATP」的代謝物，即尋找能進行受質階層磷酸化的高能分子。 在人體主要代謝路徑中，1,3-雙磷酸甘油酸 (1,3-BPG) 具有極高的磷酸基團轉移位能 ($\Delta G'^\circ \approx -49.3 \text{ kJ/mol}$)，足以驅動 ADP 磷酸化生成 ATP ($\Delta G'^\circ \approx +30.5 \text{ kJ/mol}$)。因此，選項 D 為正確答案。

核心知識點

考生應熟記人體細胞中能透過受質階層磷酸化 (Substrate-Level Phosphorylation) 直接產生 ATP/GTP 的關鍵高能分子：

1. 1,3-雙磷酸甘油酸 (1,3-bisphosphoglycerate)：

   • 路徑：糖解作用 (Glycolysis)
   • 酵素：Phosphoglycerate kinase
   • 產物：3-Phosphoglycerate + ATP

2. 磷酸烯醇丙酮酸 (Phosphoenolpyruvate, PEP)：

   • 路徑：糖解作用 (Glycolysis)
   • 酵素：Pyruvate kinase
   • 產物：Pyruvate + ATP
   • 備註：PEP 是體內含有最高能量磷酸鍵的分子之一。

3. 蘇醯輔酶 A (Succinyl-CoA)：

   • 路徑：檸檬酸循環 (TCA cycle)
   • 酵素：Succinyl-CoA synthetase
   • 產物：Succinate + GTP (可轉換為 ATP)
   • 備註：這是 TCA cycle 中唯一直接產生高能磷酸鍵的步驟。

4. 磷酸肌酸 (Creatine Phosphate)：

   • 路徑：肌肉能量代謝
   • 酵素：Creatine kinase
   • 產物：Creatine + ATP

參考資料

1. Substrate-level phosphorylation. Wikipedia. 連結
2. 12.5: ATP Production - Chemistry LibreTexts. 連結