【预备知识】
- ATP是最广泛使用的活化载体分子 #16
核酸 (DNA 和 RNA)、蛋白质和多糖等生物大分子由亚基（或单体）通过脱水缩合反应连接在一起形成，该反应过程中，一个水分子的组分（OH 加上 H）从两个反应物中被移除。因此，所有这三类聚合物的逆反应——分解——都是通过酶催化地加入水（水解）发生的。这种水解反应在能量上是有利的，而生物合成反应则需要能量输入（参见图 2–9）。
核酸 (DNA 和 RNA)、蛋白质和多糖都是通过重复地将一个单体加到生长链的一端而产生的聚合物。这三类大分子的合成反应概述在图 2–41 中。如图所示，每种情况下的缩合步骤都依赖于核苷三磷酸水解提供的能量。然而，除了核酸之外，最终的产物分子中并没有留下磷酸基团。那么，释放 ATP 水解能量的反应是如何与聚合物合成偶联的呢？
对于每种类型的大分子，都存在一个酶催化的途径。在缩合反应中将被移除的 −OH 基团，首先通过与第二个分子形成高能键而被活化。然而，将 ATP 水解与蛋白质和多糖合成连接起来的实际机制比用于谷氨酰胺合成的机制要复杂，因为需要不止一个高能中间体来生成在缩合步骤中被断裂的最终高能键。
每种活化载体驱动生物合成反应的能力都有其限度。ATP 水解成 ADP 和磷酸的 ΔG 取决于所有反应物的浓度，但在细胞的通常条件下，其值介于 −46 到 −54 kJ/mole 之间。原则上，只要有合适的反应路径，这个水解反应可以驱动一个 ΔG 约为 +40 kJ/mole 的不利反应。然而，对于某些生物合成反应，即使是 −50 kJ/mole 也不能提供足够的驱动力。
在这些情况下，ATP 水解的路径可以被改变，使其首先产生 AMP 和焦磷酸 (pyrophosphate)，然后焦磷酸本身会在随后的步骤中被水解。整个过程总共可提供约 −100 kJ/mole 的自由能变化。以这种方式驱动的一种重要的生物合成反应是核酸（多核苷酸）由核苷三磷酸合成的过程。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 2–43 多核苷酸（RNA 或 DNA）的合成是一个多步骤过程，由 ATP 水解驱动。在第一步中，一个核苷一磷酸（一个核苷酸）通过依次转移来自两个 ATP 分子的末端磷酸基团而被活化。形成的高能中间体——一个核苷三磷酸——以游离形式存在于溶液中，直到它与 RNA 或 DNA 链的生长末端发生反应，导致焦磷酸释放。随后，焦磷酸水解成无机磷酸是一个高度有利的过程，这有助于将总反应推向多核苷酸合成的方向。
产生大分子的重复缩合反应可以按两种方式定向，它们的不同在于驱动聚合的高能键的位置。在所谓的聚合物末端活化（polymer-end activation）中，缩合反应所需的反应键由生长中的聚合物末端携带，因此每次添加一个单体时都必须再生该键。在这种情况下，每个单体都带来将在序列中用于添加下一个单体所需的反应键。而在直接单体活化（direct-monomer activation）中，每个单体携带的反应键会立即用于自身的添加。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 2–44 形成生物聚合物的重复脱水缩合反应采用了两种活性中间体定向方式。图中比较了用于聚合物合成的聚合物末端活化机制及其替代方案——直接单体活化机制。如图所示，这两种机制被用于产生不同类型的生物大分子。
DNA、RNA 和一些简单多糖的合成是通过直接单体活化发生的，而蛋白质的合成则是通过聚合物末端活化过程发生的。
