ATP（アデノシン三リン酸）：構造、機能、加水分解 - 生物学 - 2025

ATP（アデノシン三リン酸）は、高エネルギーアデニンの環によって形成される結合、リボース三リン酸基を有する有機分子です。一連の細胞プロセスを効率的に機能させるために必要なエネルギーを輸送するため、代謝において基本的な役割を果たします。

その形成と使用が容易に行われ、エネルギーを必要とする化学反応に対して迅速に「支払う」ことができるため、「エネルギー通貨」という用語で広く知られています。

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肉眼で見える分子は小さくて単純ですが、結合にかなりの量のエネルギーを蓄えます。リン酸基は負の電荷を帯びており、一定の反発力があるため、不安定な結合になりやすく、壊れやすい。

ATPの加水分解は、水の存在による分子の分解です。このプロセスにより、閉じ込められたエネルギーが放出されます。

ATPには2つの主要なソースがあります。基質レベルのリン酸化と酸化的リン酸化です。後者は最も重要であり、細胞で最も使用されます。

酸化的リン酸化は、ミトコンドリアでのFADH ₂とNADH + H ⁺の酸化を結合し、基質レベルでのリン酸化は、解糖やトリカルボン酸サイクルなどの経路で、電子輸送鎖の外で発生します。

この分子は、タンパク質合成から運動まで、細胞内で発生するほとんどのプロセスに必要なエネルギーを提供する役割を果たします。さらに、膜を通過する分子の移動を可能にし、細胞シグナル伝達に作用します。

構造

ATPは、その名前が示すように、3つのリン酸を持つヌクレオチドです。その特定の構造、特に2つのピロリン酸塩結合により、エネルギーが豊富な化合物になります。次の要素で構成されています。

-窒素ベースのアデニン。窒素塩基は、構造内に1つ以上の窒素を含む環状化合物です。また、核酸、DNA、RNAのコンポーネントとしても見つかります。

-リボースは分子の中心にあります。炭素数が5でペントース型の糖です。その化学式はC ₅ H ₁₀ O ₅です。リボースの炭素1がアデニン環に付いています。

-3つのリン酸基。最後の2つは「高エネルギー結合」であり、グラフィック構造では傾斜記号：〜で表されます。リン酸基は、生物系において最も重要なものの1つです。3つのグループは、最も近いものから最も遠いものへと、アルファ、ベータ、ガンマと呼ばれます。

このリンクは非常に不安定であるため、身体の生理学的状態が必要とする場合、すばやく簡単に、そして自然に分割されます。これは、3つのリン酸基の負の電荷が常に互いに離れようとするために発生します。

特徴

ATPは、事実上すべての生物のエネルギー代謝に不可欠な役割を果たしています。このため、わずか数分で継続的に使用および補充できるため、エネルギー通貨と呼ばれることがよくあります。

直接または間接的に、ATPはリン酸塩ドナーとして機能するだけでなく、何百ものプロセスにエネルギーを提供します。

一般に、ATPは細胞内で発生するプロセスでシグナル伝達分子として機能し、DNAおよびRNAの成分を合成する必要があり、他の生体分子の合成には、とりわけ、膜。

ATPの使用は、主なカテゴリに分類できます。生体膜を通過する分子の輸送、さまざまな化合物の合成、そして最後に、機械的作業です。

ATPの機能は非常に広範囲です。さらに、それはすべてに名前を付けることは不可能であるほど多くの反応に関与しています。したがって、3つの具体的な例について説明し、前述の3つの用途のそれぞれを例示します。

膜を通過するナトリウムとカリウムの輸送のためのエネルギー供給

セルは、特定の濃度を維持する必要がある非常に動的な環境です。ほとんどの分子は、ランダムにまたは偶然に細胞に入りません。分子または物質が入るためには、その特定のトランスポーターによって入る必要があります。

トランスポーターは、細胞の「ゲートキーパー」として機能し、物質の流れを制御する膜貫通タンパク質です。したがって、膜は半透過性です。特定の化合物の侵入を許可し、他の化合物の侵入を許可しません。

最もよく知られている輸送手段の1つは、ナトリウムカリウムポンプです。イオンの動きはそれらの濃度に対して発生し、この動きを実行する唯一の方法はATPの形でシステムにエネルギーを導入することであるため、このメカニズムは能動輸送として分類されます。

セル内で形成されたATPの3分の1は、ポンプをアクティブに保つために使用されると推定されています。ナトリウムイオンは常にセルから排出され、カリウムイオンは逆方向に排出されます。

論理的には、ATPの使用はナトリウムとカリウムの輸送に限定されません。他のイオン、たとえばカルシウム、マグネシウムなどがあり、このエネルギー通貨を入力する必要があります。

タンパク質合成への参加

タンパク質分子はアミノ酸で構成され、ペプチド結合でつながっています。それらを形成するには、4つの高エネルギー結合の破壊が必要です。言い換えれば、平均的な長さのタンパク質を形成するには、かなりの数のATP分子が加水分解されなければならない。

タンパク質合成はリボソームと呼ばれる構造で起こります。これらは、メッセンジャーRNAが持つコードを解釈して、ATP依存プロセスであるアミノ酸配列に変換することができます。

最もアクティブな細胞では、タンパク質合成により、この重要な研究で合成されたATPの75％までを誘導できます。

一方、細胞はタンパク質を合成するだけでなく、脂質やコレステロールなどの必須物質も必要とし、そのためにはATP結合に含まれるエネルギーが必要です。

移動のためのエネルギーを提供する

機械的作業は、ATPの最も重要な機能の1つです。たとえば、私たちの体が筋線維の収縮を実行できるようにするには、大量のエネルギーを利用できることが必要です。

筋肉では、タンパク質を再編成して収縮させる能力により、化学エネルギーを機械エネルギーに変換できます。これらの構造の長さは変更され、短縮されます。これにより、動きの生成につながる緊張が生まれます。

他の生物では、ATPの存在のおかげで細胞の動きも起こります。たとえば、特定の単細胞生物の移動を可能にする繊毛と鞭毛の動きは、ATPの使用を通じて発生します。

別の特定の動きは、細胞端での仮足の突出を含むアメーバの動きです。白血球や線維芽細胞など、いくつかの種類の細胞がこの運動メカニズムを使用しています。

生殖細胞の場合、胚の効果的な発生には運動が不可欠です。胚細胞は、その起源の場所から特定の構造を生み出さなければならない領域まで、重要な距離を移動します。

加水分解

ATPの加水分解は、水の存在による分子の分解を伴う反応です。反応は次のように表されます。

ATP +水⇋ADP + P _i +エネルギー。ここで、用語P _iは無機リン酸基を指し、ADPはアデノシン二リン酸である。反応は可逆的であることに注意してください。

ATPの加水分解は、莫大な量のエネルギーの放出を伴う現象です。ピロリン酸結合のいずれかが切断されると、1モルあたり7 kcalが放出されます。具体的には、ATPからADPへは7.3、ATPからのアデノシン一リン酸（AMP）の生成は8.2になります。これは、ATP 1モルあたり12,000カロリーに相当します。

なぜこのエネルギーの放出が起こるのですか？

加水分解生成物は、最初の化合物、つまりATPよりもはるかに安定しているためです。

ADPまたはAMPの形成を引き起こすためにピロリン酸塩結合で発生する加水分解だけが、かなりの量のエネルギーの生成につながることは言及されるべきです。

分子内の他の結合の加水分解は、大量のエネルギーを持つ無機ピロリン酸塩の加水分解を除いて、それほど多くのエネルギーを提供しません。

これらのプロセスの多くは分解経路の初期段階と化合物の生合成の両方で機能するためにエネルギーを必要とするため、これらの反応からのエネルギーの放出は細胞内の代謝反応を実行するために使用されます。 。

例えば、グルコース代謝では、最初のステップは分子のリン酸化を含みます。次のステップでは、新しいATPが生成され、正味純利益が得られます。

エネルギーの観点から、1,3-ビスホスホグリセリン酸、カルバミルリン酸、クレアチニンリン酸およびホスホエノールピルビン酸を含む、ATPよりも放出エネルギーが大きい他の分子があります。

ATPの取得

ATPは、酸化的リン酸化と基質レベルでのリン酸化の2つの経路で取得できます。前者は酸素を必要としますが、後者は必要としません。形成されたATPの約95％はミトコンドリアで発生します。

酸化的リン酸化

酸化的リン酸化には、2相栄養酸化プロセスが含まれます。ビタミンに由来する還元型補酵素NADHおよびFADH _2を取得します。

これらの分子の削減には、栄養素からの水素の使用が必要です。脂肪では、補酵素の生成は、ペプチドや炭水化物と比較して、それらが構造内に持つ膨大な量の水素のおかげで顕著です。

コエンザイム生成にはいくつかの経路がありますが、最も重要な経路はクレブス回路です。その後、還元された補酵素は、電子を酸素に移動させるミトコンドリアにある呼吸鎖に集中します。

電子輸送チェーンは、プロトン（H +）を外部に送り出す一連の膜結合タンパク質で構成されています（画像を参照）。これらのプロトンは、ATPの合成に関与する別のタンパク質、ATPシンターゼを介して膜に入り、再び膜を通過します。

つまり、補酵素を減らす必要があり、より多くのADPと酸素が水とATPを生成します。

出典：Wikimedia CommonsのBustamante Yess著

基質レベルのリン酸化

基質レベルでのリン酸化は、上記のメカニズムほど重要ではありません。また、酸素分子を必要としないため、発酵と関連していることがよくあります。この方法は、非常に高速ですが、エネルギーをほとんど抽出しませんが、酸化プロセスと比較すると、約15分の1になります。

私たちの体では、発酵プロセスは筋肉レベルで起こります。この組織は酸素がなくても機能できるため、グルコース分子が乳酸に分解される可能性があります（たとえば、徹底的なスポーツ活動をしている場合）。

発酵では、最終製品はまだ抽出可能なエネルギーポテンシャルを持っています。筋肉での発酵の場合、乳酸の炭素は、最初の分子であるグルコースと同じレベルの還元です。

したがって、エネルギー生成は、1,3-ビスホスホグリレートおよびホスホエノールピルベートを含む高エネルギー結合を有する分子の形成によって発生します。

例えば、解糖において、これらの化合物の加水分解は、ATP分子の産生に関連しているため、「基質レベルで」という用語が使用されます。

ATPサイクル

ATPは保存されません。それは、使用と合成の継続的なサイクルにあります。これにより、形成されたATPとその加水分解生成物であるADPのバランスがとられます。

出典：Wikimedia CommonsのMuessig著

その他のエネルギー分子

ATPは、細胞代謝に存在するヌクレオシド二リン酸で構成される唯一の分子ではありません。それらはATPほど一般的ではありませんが、同等のエネルギー挙動を持つATPに類似した構造を持つ多くの分子があります。

最も有名な例は、GTP、グアノシン三リン酸です。これは、よく知られているクレブス回路と糖新生経路で使用されています。CTP、TTP、UTPはあまり使用されていません。

参考文献

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