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ATP加水分解は、アデノシン三リン酸（ATP）の高エネルギーリン酸無水結合に蓄えられた化学エネルギーが、例えば筋肉内でこれらの結合を切断した後に、機械的エネルギーの形で仕事を生み出す異化反応プロセスです。生成物はアデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸（P i）です。ADPはさらに加水分解されて、エネルギー、アデノシン一リン酸（AMP）、および別の無機リン酸（P i）を生成します。[ 1 ] ATP加水分解は、食物や日光から得られたエネルギーと、筋肉の収縮、膜を横切る電気化学的勾配の確立、生命維持に必要な生合成プロセスなどの有用な仕事との間の最終的なリンクです。
無水物結合はしばしば「高エネルギー結合」と呼ばれます。PO結合は実際にはかなり強く（CN結合より約30 kJ/mol強い）[ 2 ] [ 3 ]、それ自体は特に簡単に切断できるものではありません。後述するように、ATPの加水分解によってエネルギーが放出されます。しかし、PO結合が切断されるときには、エネルギーの投入が必要です。新しい結合とより低エネルギーの無機リン酸の形成によってより多くのエネルギーが放出され、システム全体のエネルギーが低下してより安定になります。[ 1 ]
ATPのリン酸基の加水分解は特に発エルゴン反応である。これは、生成する無機リン酸分子イオンが複数の共鳴構造によって大きく安定化され、生成物（ADPとP i）のエネルギーが反応物（ATP）よりも低くなるためである。ATPの隣接する3つのリン酸基に付随する高い負電荷密度も分子を不安定化させ、エネルギーを高くする。加水分解はこれらの静電反発の一部を緩和し、酵素構造の立体構造変化を引き起こすことで、その過程で有用なエネルギーを放出する。
ヒトでは、ATPの加水分解によって放出されるエネルギーの約60%は、実際に起こっている反応の燃料となるのではなく、代謝熱を生成します。[ 4 ] ATP、ADP、無機リン酸の酸塩基特性により、ATPの加水分解は反応媒体のpHを低下させる効果があります。特定の条件下では、高レベルのATP加水分解が乳酸アシドーシスの一因となる可能性があります。
末端リン酸無水結合の加水分解は、非常に発エルゴン的なプロセスです。放出されるエネルギーの量は、特定の細胞内の条件に依存します。具体的には、放出されるエネルギーは、ATP、ADP、およびP iの濃度に依存します。これらの分子の濃度が平衡値からずれるにつれて、ギブズ自由エネルギー変化（Δ G ）の値はますます異なります。標準条件（ATP、ADP、およびP iの 濃度が1M、水濃度が55M）では、Δ Gの値は-28～-34 kJ/molです。[ 5 ] [ 6 ]
Δ G値の範囲が存在するのは、この反応がATP 分子を安定化させるMg 2+カチオンの濃度に依存しているためです。細胞環境も Δ G値の違いに寄与しており、ATP 加水分解は研究対象の細胞だけでなく、周囲の組織や細胞内の区画にも依存しています。したがって、Δ G値の変動は当然のことです。[ 6 ]
標準ギブズ自由エネルギー変化 Δ r G oと化学平衡の関係は興味深い。この関係は、Δ r G o = - RT ln( K ) という式で定義される。ここでKは平衡定数であり、平衡状態では反応商Qに等しい。この反応の標準 Δ Gの値は、前述のように -28 ～ -34 kJ/mol であるが、実験的に決定された関連分子の濃度は、反応が平衡状態ではないことを示している。[ 6 ]この事実を踏まえると、平衡定数Kと反応商Qを比較すると洞察が得られる。Kは標準条件下で起こる反応を考慮しているが、細胞環境では関連分子 (すなわち、ATP、ADP、および Pi ) の濃度は標準の 1 M とはかけ離れている。実際、濃度は mM で測定する方が適切であり、これは M より 3 桁小さい。[ 6 ]これらの非標準濃度を使用すると、計算されたQの値は1 よりはるかに小さくなります。ΔG = ΔrGo + RT ln( Q ) の式を使用して Q と ΔG を関連付けると、ΔrGoはATP加水分解のギブズ自由エネルギーの標準変化であり、 ΔGの大きさは標準値よりもはるかに大きいことがわかります。細胞の非標準条件は、実際にはより有利な反応をもたらします。[ 7 ]
ある研究では、ヒトの生体内でのΔG を決定するために、核磁気共鳴法を用いてATP、ADP、およびPiの濃度が測定されました。[ 6 ]安静時のヒト筋細胞では、ATP濃度は約4 mM、ADP濃度は約9 μMであることがわかりました。これらの値を上記の式に代入すると、ΔG = -64 kJ/molとなります。虚血後、筋肉が運動から回復しているとき、ATP濃度は1 mMと低く、ADP濃度は約7 μMです。したがって、絶対ΔGは-69 kJ/molと高くなります。[ 8 ]
Δ Gの標準値と Δ Gの実験値を比較すると、ヒトで測定された ATP の加水分解から放出されるエネルギーは、標準条件下で生成されるエネルギーのほぼ 2 倍であることがわかります。[ 6 ] [ 7 ]
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