• Lực đẩy tĩnh điện: Các nhóm phosphate đều mang điện tích âm, do đó chúng đẩy lẫn nhau khi nằm gần nhau trong phân tử ATP. Sự sắp xếp này tạo ra một trạng thái không bền vững về mặt năng lượng. Khi liên kết bị phá vỡ, lực đẩy này giảm đi, làm cho hệ thống trở nên ổn định hơn và giải phóng năng lượng dư thừa ra môi trường.
• Sự ổn định của sản phẩm thủy phân: Quá trình thủy phân ATP tạo ra các sản phẩm (ví dụ: ADP và phosphate vô cơ) có độ ổn định năng lượng cao hơn so với chính ATP. Sự khác biệt về mức năng lượng giữa chất phản ứng và sản phẩm là năng lượng được giải phóng ra.
• Tính linh hoạt và dễ tách rời: Liên kết này được gọi là cao năng không phải vì nó bền vững và khó phá vỡ, mà ngược lại, nó rất dễ bị tách ra (thủy phân) khi cần, cho phép năng lượng được giải phóng một cách nhanh chóng và kịp thời để cung cấp cho các hoạt động của tế bào.

Trong sinh học và hóa học, liên kết giữa các nhóm phosphate trong phân tử ATP (Adenosine Triphosphate) được gọi là liên kết cao năng (high-energy bonds) không phải vì bản thân liên kết đó bền vững, mà vì lượng năng lượng được giải phóng ra khi bẻ gãy chúng là rất lớn.

Dưới đây là các lý do cụ thể lý giải cho tên gọi này:

Các nhóm phosphate (PO43−​) đều mang điện tích âm rất mạnh. Khi xếp chúng cạnh nhau trong một chuỗi, các điện tích âm này sẽ đẩy nhau quyết liệt. Để giữ chúng lại gần nhau, phân tử cần một lượng năng lượng lớn để "giam giữ" sự đẩy này. Khi liên kết bị bẻ gãy, áp lực đẩy nhau được giải tỏa, dẫn đến việc giải phóng năng lượng ra ngoài.

Getty Images

• ATP (Trạng thái cao năng): Do sức đẩy giữa các nhóm phosphate, liên kết này rất dễ bị đứt gãy dưới tác động của enzyme (thủy phân). Nó giống như một chiếc lò xo đang bị nén chặt.

• ADP + Pi (Trạng thái thấp năng): Sau khi liên kết bị bẻ gãy, các sản phẩm tạo ra ổn định hơn nhiều về mặt hóa học. Sự chênh lệch năng lượng giữa trạng thái "không ổn định" ban đầu và trạng thái "ổn định" lúc sau chính là lượng năng lượng cung cấp cho các hoạt động của tế bào.

Trong hóa học thông thường, bẻ gãy liên kết cần cung cấp năng lượng. Nhưng trong sinh học, người ta gọi là "liên kết cao năng" vì năng lượng tự do (G) giải phóng ra khi thủy phân là rất cao (khoảng 7,3 kcal/mol ở điều kiện tiêu chuẩn).

Shutterstock

Hãy tưởng tượng ATP như một cái bẫy chuột đang mở sẵn. Cái bẫy đang chứa đựng một nguồn "năng lượng nén" rất lớn (liên kết cao năng). Chỉ cần một cú chạm nhẹ (enzyme thủy phân), bẫy sập xuống, năng lượng được giải phóng để làm việc.