ATPの合成と加水分解

アデノシン三リン酸（ATP）は細胞の中心的なエネルギー通貨であり、ADPと無機リン酸からの継続的な合成、およびADPへの加水分解は、エネルギーを放出するプロセスとエネルギーを必要とするプロセスを結びつけるサイクルを形成します。ATPの末端リン酸無水結合が加水分解される際に放出される自由エネルギーは、細胞がそのほとんどの活動を駆動するために利用するものです。

Definition

ATP合成はADPからアデノシン三リン酸へのリン酸化であり、ATP加水分解は末端リン酸無水結合がADPと無機リン酸に開裂することです。これら2つの結合したサイクルは、細胞プロセスを駆動する自由エネルギーを貯蔵し、放出します。

Scope

この項目では、ATP加水分解がなぜエネルギー的に有利なのか、ATPが合成される経路（基質レベルリン酸化と酸化的リン酸化）、ATPシンターゼの役割、およびATP-ADPサイクルが異化作用を生合成、輸送、機械的仕事にどのように結びつけるかを扱います。ATPを生化学における生体エネルギーのトピックとして扱い、臨床的なガイダンスとしては扱いません。

Core questions

• ATPの加水分解はなぜ利用可能な自由エネルギーを放出するのですか？
• ADPからATPはどのような経路で再生されますか？
• ATPシンターゼはどのようにプロトン勾配をATP形成に結合させるのですか？
• ATP-ADPサイクルはどのようにエネルギー供給とエネルギー需要を結びつけるのですか？

Key concepts

• 普遍的なエネルギー通貨としてのATP
• リン酸無水結合と加水分解の自由エネルギー
• 生成物としてのADPと無機リン酸
• 基質レベルリン酸化と酸化的リン酸化
• ATPシンターゼと回転触媒作用
• ATP-ADPサイクルと迅速な回転
• エネルギーチャージと代謝結合

Key theories

ATPシンターゼによる回転触媒作用

ATPシンターゼは、プロトンの流れが酵素の一部を回転させ、触媒部位のコンフォメーションを周期的に変化させる回転メカニズムを通じてATPを生成します。これにより、ADPとリン酸が結合し、ATPに凝縮され、放出されます。F1触媒ヘッドの高分解能構造は、この結合変化回転モデルを強力に支持しました。

Mechanisms

ATPは2つの末端リン酸無水結合に自由エネルギーを保持しています。これらがADPと無機リン酸（またはAMPとピロリン酸）に加水分解されることは熱力学的に有利であり、細胞はこの放出を、共有されるリン酸化中間体を介して、通常は不利な反応と結合させます。ATPは主に2つの経路で再生されます。1つは基質レベルリン酸化で、高エネルギー代謝中間体から直接リン酸が転移されます。もう1つは酸化的リン酸化で、ATPシンターゼがミトコンドリアのプロトン駆動力を使用します。ATPシンターゼは回転触媒作用によって機能します。プロトンの流れが回転を駆動し、触媒部位を周期的に変化させて基質を結合させ、ATPを形成し、放出します。ATPは生成されるとほぼ同時に消費されるため、定常状態のプールは小さく、何度もリサイクルされます。したがって、細胞のエネルギー需要を満たすのは、プールのサイズではなく、ATP-ADPサイクルの回転率です。

Clinical relevance

エネルギー需要が高く変動する組織は、迅速なATP再生に依存しており、ミトコンドリアの酸化的リン酸化の障害や酸素および燃料供給の中断など、ATP合成を阻害する状態は、急速なエネルギー不足と細胞損傷につながります。この項目は生化学を説明するものであり、個々の診断や治療の根拠となるものではありません。

History

フリッツ・リップマンによる20世紀半ばの高エネルギーリン酸結合の定式化は、ATPを細胞のエネルギー通貨として確立し、リン酸転移サイクルの概念を導入しました。その後、ピーター・ミッチェルの化学浸透説がプロトン勾配がATP合成を駆動する方法を説明し、ATPシンターゼの回転結合変化メカニズムは、ポール・ボイヤーに関連する研究を通じて詳細に解明され、ジョン・ウォーカーとその同僚によって構造的に確認されました。

Key figures

• Fritz Lipmann
• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker

Seminal works

• mitchell-1961
• abrahams-1994

Frequently asked questions

ATPはなぜ高エネルギー分子と表現されるのですか？

その末端リン酸無水結合は加水分解時にかなりの量の自由エネルギーを放出し、細胞はこれを結合させて、そうでなければ進行しない反応を駆動することができます。この用語は、結合自体の不安定性ではなく、この転移ポテンシャルを指します。

使用されたATPはどのように再生されますか？

ADPは主にミトコンドリアのATPシンターゼにおける酸化的リン酸化によって、またより少ない程度で解糖系やクエン酸回路などの経路における基質レベルリン酸化によって、ATPに再リン酸化されます。