L'adénosine triphosphate ou ATP est la "monnaie" énergétique ou le porteur de la cellule. Lorsque les cellules ont besoin d'un apport d'énergie, elles utilisent l'ATP.

Une molécule de nucléotide ATP est constituée d'un sucre à cinq carbones, de la base azotée adénine et de trois groupes phosphate. (Ne pas confondre l'ATP avec les nucléotides de l'ADN et de l'ARN, bien qu'ils présentent des similitudes structurelles). Les liaisons qui relient le phosphate ont un contenu énergétique élevé, et l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi (Adénosine Diphosphate + Pyrophosphate) est utilisée pour effectuer un travail cellulaire, tel que la contraction d'un muscle ou le pompage d'un soluté à travers une membrane cellulaire en transport actif. Les cellules utilisent l'ATP en couplant la réaction exergonique de l'hydrolyse de l'ATP avec les réactions endergoniques, l'ATP donnant son groupe phosphate à une autre molécule via un processus appelé phosphorylation. La molécule phosphorylée est à un état d'énergie plus élevé et est moins stable que sa forme non phosphorylée et de l'énergie libre est libérée dans les substrats pour effectuer un travail au cours de ce processus. La phosphorylation est un exemple de transfert d'énergie entre molécules.

Même les réactions exergoniques, qui libèrent de l'énergie, nécessitent une petite quantité d'énergie d'activation pour pouvoir se dérouler. Cependant, il faut considérer les réactions endergoniques, qui nécessitent un apport d'énergie beaucoup plus important, car leurs produits ont plus d'énergie libre que leurs réactifs. À l'intérieur de la cellule, d'où vient l'énergie nécessaire pour alimenter de telles réactions ? La réponse se trouve dans une molécule fournissant de l'énergie appelée adénosine triphosphate, ou ATP. L'ATP est une petite molécule relativement simple, mais à l'intérieur de certaines de ses liaisons, elle contient le potentiel d'une explosion rapide d'énergie qui peut être exploitée pour effectuer un travail cellulaire. Cette molécule peut être considérée comme la principale monnaie d'énergie des cellules, de la même manière que l'argent est la monnaie que les gens échangent pour les choses dont ils ont besoin. L'ATP est utilisé pour alimenter la majorité des réactions cellulaires nécessitant de l'énergie.

L'ATP est la monnaie d'énergie primaire de la cellule. Elle possède un squelette d'adénosine auquel sont attachés trois groupes de phosphate.

Comme son nom l'indique, l'adénosine triphosphate est composée d'adénosine liée à trois groupes de phosphate. L'adénosine est un nucléoside composé de la base azotée adénine et d'un sucre à cinq carbones, le ribose. Les trois groupes phosphate, par ordre de proximité ou d'éloignement du sucre ribose, sont marqués alpha, bêta et gamma. Ensemble, ces groupes chimiques constituent une centrale énergétique. Cependant, toutes les liaisons au sein de cette molécule n'existent pas dans un état énergétique particulièrement élevé. Les deux liaisons qui lient les phosphates sont des liaisons de même énergie (liaisons phosphoanhydrides) qui, lorsqu'elles sont rompues, libèrent suffisamment d'énergie pour alimenter toute une série de réactions et de processus cellulaires. Ces liaisons à haute énergie sont les liaisons entre les deuxième et troisième groupes de phosphate (ou bêta et gamma) et entre les premier et deuxième groupes de phosphate. La raison pour laquelle ces liaisons sont considérées comme "à haute énergie" est que les produits de cette rupture de liaison - l'adénosine diphosphate (ADP) et un groupe phosphate inorganique (Pi) - ont une énergie libre considérablement plus faible que les réactifs : ATP et une molécule d'eau. Comme cette réaction a lieu avec l'utilisation d'une molécule d'eau, elle est considérée comme une réaction d'hydrolyse. En d'autres termes, l'ATP est hydrolysé en ADP dans la réaction suivante :

ATP + H₂ O → ADP + P_i + énergie libre

Comme la plupart des réactions chimiques, l'hydrolyse de l'ATP en ADP est réversible. La réaction inverse régénère l'ATP à partir de l'ADP + Pi. En effet, les cellules dépendent de la régénération de l'ATP tout comme les personnes dépendent de la régénération de l'argent dépensé par le biais d'une sorte de revenu. Comme l'hydrolyse de l'ATP libère de l'énergie, la régénération de l'ATP doit nécessiter un apport d'énergie gratuite. La formation de l'ATP est exprimée dans cette équation :

ADP + P_i + énergie libre → ATP + H₂ O

Deux questions importantes demeurent en ce qui concerne l'utilisation de l'ATP comme source d'énergie. Quelle est la quantité exacte d'énergie libre libérée par l'hydrolyse de l'ATP et comment cette énergie libre est-elle utilisée pour le travail cellulaire ? Le calcul ∆G pour l'hydrolyse d'une mole d'ATP en ADP et Pi est de -7,3 kcal/mole (-30,5 kJ/mol). Comme ce calcul est vrai dans des conditions normales, on s'attendrait à ce qu'une valeur différente existe dans des conditions cellulaires. En fait, la valeur ∆G pour l'hydrolyse d'une mole d'ATP dans une cellule vivante est presque le double de la valeur dans des conditions standard : -14 kcal/mol (-57 kJ/mol).

L'ATP est une molécule très instable. À moins d'être utilisée rapidement pour effectuer un travail, l'ATP se dissocie spontanément en ADP + Pi, et l'énergie libre libérée au cours de ce processus est perdue sous forme de chaleur. La deuxième question posée ci-dessus, à savoir comment l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP est utilisée pour effectuer un travail à l'intérieur de la cellule, dépend d'une stratégie appelée couplage énergétique. Les cellules couplent la réaction exergonique de l'hydrolyse de l'ATP avec les réactions endergoniques, ce qui leur permet de continuer. Un exemple de couplage d'énergie utilisant l'ATP implique une pompe ionique transmembranaire qui est extrêmement importante pour le fonctionnement cellulaire. Cette pompe sodium-potassium (pompe Na+/K+) fait sortir le sodium de la cellule et faire entrer le potassium dans la cellule. Un pourcentage important de l'ATP d'une cellule est utilisé pour alimenter cette pompe, car les processus cellulaires font entrer une grande quantité de sodium dans la cellule et sortir du potassium de la cellule. La pompe travaille constamment pour stabiliser les concentrations cellulaires de sodium et de potassium. Pour que la pompe puisse effectuer un cycle (exportation de trois ions Na+ et importation de deux ions K+), une molécule d'ATP doit être hydrolysée. Lorsque l'ATP est hydrolysé, son phosphate gamma ne s'envole pas simplement, mais est en fait transféré sur la protéine de la pompe. Ce processus de liaison d'un groupe phosphate à une molécule est appelé phosphorylation. Comme dans la plupart des cas d'hydrolyse de l'ATP, un phosphate de l'ATP est transféré sur une autre molécule. À l'état phosphorylé, la pompe Na+/K+ a plus d'énergie libre et est déclenchée pour subir un changement de conformation. Ce changement lui permet de libérer du Na+ à l'extérieur de la cellule. Il se lie ensuite au K+ extracellulaire, ce qui, par un autre changement de conformation, provoque le détachement du phosphate de la pompe. Cette libération de phosphate déclenche la libération du K+ à l'intérieur de la cellule. Essentiellement, l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP est couplée à l'énergie nécessaire pour alimenter la pompe et transporter les ions Na+ et K+. L'ATP effectue un travail cellulaire en utilisant cette forme de base de couplage d'énergie par phosphorylation.

La pompe sodium-potassium est un exemple de couplage énergétique. L'énergie dérivée de l'hydrolyse exergonique de l'ATP est utilisée pour pomper les ions sodium et potassium à travers la membrane cellulaire.

Souvent, au cours des réactions métaboliques cellulaires, telles que la synthèse et la dégradation des nutriments, certaines molécules doivent être légèrement modifiées dans leur conformation pour devenir des substrats pour l'étape suivante de la série de réactions. C'est le cas par exemple lors des toutes premières étapes de la respiration cellulaire, lorsqu'une molécule du sucre glucose est décomposée dans le processus de glycolyse. Dans la première étape de ce processus, l'ATP est nécessaire pour la phosphorylation du glucose, créant un intermédiaire à haute énergie mais instable. Cette réaction de phosphorylation entraîne un changement de conformation qui permet à la molécule de glucose phosphorylée d'être convertie en fructose de sucre phosphorylé. Le fructose est un intermédiaire nécessaire à la progression de la glycolyse. Ici, la réaction exergonique de l'hydrolyse de l'ATP est couplée à la réaction endergonique de conversion du glucose en un intermédiaire phosphorylé dans la voie. Une fois de plus, l'énergie libérée par la rupture d'une liaison phosphate au sein de l'ATP a été utilisée pour la phosphorylation d'une autre molécule, créant un intermédiaire instable et alimentant un important changement conformationnel.

L'ATP est la principale molécule fournissant de l'énergie aux cellules vivantes. L'ATP est composé d'un nucléotide, d'un sucre à cinq carbones et de trois groupes de phosphate. Les liaisons qui relient les phosphates (liaisons phosphoanhydrides) ont un contenu énergétique élevé. L'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi est utilisée pour effectuer le travail cellulaire. Les cellules utilisent l'ATP pour effectuer leur travail en couplant la réaction exergonique de l'hydrolyse de l'ATP avec les réactions endergoniques. L'ATP donne son groupe phosphate à une autre molécule via un processus appelé phosphorylation. La molécule phosphorylée est à un état énergétique plus élevé et est moins stable que sa forme non phosphorylée, et cette énergie supplémentaire provenant de l'addition du phosphate permet à la molécule de subir sa réaction endergonique.

D'après ATP: Adenosine Triphosphate