El trifosfat d'adenosina, àcid adenosinatrifosfòric, adenosinatrifosfat o adenosina-5'-trifosfat (ATP) és un nucleòtid multifuncional que té un paper important en la biologia cel·lular com a coenzim; ja que és considerat com “la moneda molecular” de transferència energètica intracel·lular. L'ATP transporta energia química a l'interior de les cèl·lules per al metabolisme. És una font d'energia produïda durant la fotosíntesi i la respiració cel·lular i és consumit per molts enzims en una multitud de processos cel·lulars, incloent-hi les reaccions de biosíntesi, motilitat i divisió cel·lular. L'ATP està fet d'adenosina difosfat (ADP) o adenosina monofosfat (AMP) i el seu ús en el metabolisme el converteix de nou en els seus precursors. L'ATP, de totes maneres, és reciclat a l'organisme.
L'ATP s'utilitza com a substrat en les rutes de transducció de senyals per cinases que fosforilen proteïnes i lípids, així com “adenilat ciclases”, que utilitzen ATP per produir la segona molècula d'AMP cíclic missatger.
La proporció entre ATP i AMP és utilitzada per la cèl·lula com una forma per saber la quantitat d'energia que li és accessible i per controlar les rutes metabòliques que produeixen i consumeixen ATP. A part del seu paper en el metabolisme energètic i en la senyalització, l'ATP també s'incorpora en els àcids nucleics a través de polimerases en el procés de replicació de l'ADN i en la transcripció.
L'estructura d'aquesta molècula consisteix en una base de purina (l'adenina) que està unida al carboni 1 d'una pentosa (la ribosa). Tres grups fosfats estan units al carboni 5' de la pentosa. És el fet d'afegir i treure aquests grups fosfats el que transforma l'ATP, l'ADP i l'AMP. Quan l'ATP s'utilitza en la síntesi d'ADN, la ribosa és el primer a convertir-se en desoxiribosa gràcies al ribonucleòtid reductasa.
L'ATP va ser descobert el 1929 per Karl Lohmann, però la seva vertadera estructura no va ser determinada fins uns anys més endavant. Es va proposar com la principal molècula de transferència energètica de la cèl·lula per Fritz Albert Lipmann el 1941. I es va sintetitzar artificialment per primera vegada per Alexander Todd el 1948. History of ATP research milestones from an ATP-related chemistry Nobel Prize site.
Propietats físiques i químiques L'ATP consisteix en una adenosina (composta per un anell d'adenina i un sucre (ribosa)) i en tres grups fosfats (trifosfat). Els grups fosforils; començant pel més proper a la ribosa, són anomenats: alfa (α), beta (ß) i gamma (γ) fosfats. L'ATP és altament soluble en aigua i és bastant estable en solucions que tenen un pH que oscil·la entre 6,8 i 7,4; però s'hidrolitza ràpidament a PH extrem. Com a conseqüència, l'ATP s'emmagatzema millor en forma de sal anhídrica. L'ATP és una molècula inestable en aigua sense tamponar, ja que aquesta hidrolitza l'ATP a ADP i fosfat. La raó és que la força de les unions entre els residus de fosfat en l'ATP són menys fortes que la força de les unions d'”hidratació” entre els seus productes (ADP i fosfat) i l'aigua. Així, si l'ATP i l'ADP es troben en equilibri en aigua, gairebé tot l'ATP serà convertit tard o d'hora en ADP.
Un sistema que es trobi lluny de l'equilibri conté energia lliure de Gibbs, i és capaç de fer treball. Les cèl·lules vives mantenen la proporció d'ATP i ADP en un punt de deu ordres de magnitud des de l'equilibri, amb concentracions d'ATP cent vegades més altes que la concentració d'ADP. Aquest desplaçament de l'equilibri vol dir que mitjançant la hidròlisi d'ATP a la cèl·lula s'aconsegueix una gran quantitat d'energia.
El contingut energètic d'una molècula aïllada d'ATP és una conseqüència de les unions anhídriques que connecten fosfats adjacents. Els anhídrids mostren una major reactivitat comparats amb els seus corresponents àcids. La raó és que les unions que constitueixen una mitat anhídrica són menys estables (per aquest motiu són més energètiques) que les unions que es poden formar a partir de substitucions nucleofíliques. En el cas de l'ATP, les unions formades a partir de la hidròlisi o de la fosforilació d'un residu de l'ATP, són menys energètiques que les unions fosforoanhídiques de l'ATP. A partir d'una hidròlsi d'ATP mediada per enzims o una fosforilació per ATP, aquesta energia pot ser aprofitada per un sistema viu per realitzar un treball. Qualsevol sistema inestable de molècules reactives potencials podria servir potencialment com una forma d'emmagatzemar energia lliure, si la cèl·lula mantingués la seva concentració lluny del punt d'equilibri de la reacció. Tot i això, com en el cas amb més molècules polimèriques, el trencament de l'ARN, ADN i ATP en monòmers simples és dirigit per dues consideracions; l'augment d'entropia i l'alliberament d'energia, tant si les concentracions són estàndards com si es tracta de les concentracions que podríem trobar dintre d'una cèl·lula.
La quantitat d'energia que podem obtenir a partir de la hidròlisi d'ATP es pot calcular mitjançant els canvis en l'energia en condicions no naturals (també anomenades estàndard) i després corregint cap a concentracions biològiques. El canvi net en forma de calor (entalpia) a temperatura i pressió estàndard en la descomposició de l'ATP en ADP hidratat i en fosfat hidratat inorgànic és -20.5 kJ/mol, amb un canvi d'energia lliure de 3.4 kJ/mol. L'energia alliberada pel trencament d'unitats tant del fosfat (Pi) o del pirofosfat (Ppi) d'ATP a estat estàndard d'1 M és:
ATP + H2O → ADP + Pi AGº= -30.5 KJ/mol (-7.3 kcal/mol)
ATP +H2O → AMP + PPi AGº= -45.6 KJ/mol (-10.9 kcal/mol)
Aquests valors es poden utilitzar per calcular el canvi energètic en condicions fisiològiques i la proporció cel·lular d'ATP/ADP. Aquests valors donats per l'entalpia lliure de Gibbs en aquesta reacció són dependents de diversos factors, incloent-hi en general la força iònica i la presència d'ions de metalls alcalinoterris com ara Mg2+ i el Ca2+. Sota condicions cel·lulars típiques, ΔG és aproximadament de -57 kJ/mol (-14 kcal/mol).
Ionització en sistemes biològics L'ATP té múltiples grups ionitzables amb diferents constants de dissociació d'àcids. En solucions neutres, l'ATP s'ionitza i existeix majoritàriament com ATP4-, amb una petita proporció d'ATP3-. Donat que l'ATP té molts grups carregats negativament en solucions neutres, pot formar complexos amb metalls d'elevada afinitat. La constant d'unió per diversos ions metàl·lics és (donada per mol): Mg2+ (9554), Na+(13), Ca2+ (3722), K+ (8), Sr2+ (1381) i Li+ (25). Degut a la força d'aquestes interaccions, l'ATP existeix en la cèl·lula sobre tot formant un complex amb el Mg2+.
Biosíntesi La concentració d'ATP dintre de la cèl·lula és típicament d'1-10 mM. L'ATP pot ser produït en reaccions redox utilitzant sucres simples i complexos (carbohidrats) o lípids com a font d'energia. Perquè l'ATP sigui sintetitzat a partir de combustibles complexos, primerament necessiten ser degradats fins a aconseguir els seus components bàsics. Els carbohidrats són hidrolitzats en sucres simples, com la glucosa i la fructosa. Els greixos (com ara els triacilglicèrids) són metabolitzats per donar àcids grassos i glicerol.
El procés global d'oxidar la glucosa per aconseguir diòxid de carboni es coneix com a respiració cel·lular i pot produir aproximadament 30 molècules d'ATP a partir d'una única molècula de glucosa. L'ATP pot ser produït per diferents processos cel·lulars; però les rutes principals utilitzades per generar energia en els organismes eucariotes són: la glucòlisi i el cicle de l'àcid cítric (o la fosforilació oxidativa), ambdós components de la respiració cel·lular; i la beta oxidació. La majoria de la producció d'ATP per eucariotes aerobis no fotosintètics es duu a terme en el mitocondri, que pot constituir aproximadament el 25% del volum total d'una cèl·lula típica.
Glucòlisi En la glucòlisi, la glucosa i el glicerol són metabolitzats cap a piruvat a través de la ruta glucolítica. En molts organismes, aquest procés es produeix en el citosol, però en alguns protozous (com ara els kinetoplàstids), això succeeix en orgànuls especialitzats anomenats glicosomes. La glicòlisi genera dues molècules d'ATP a partir de la fosforilació d'un substrat catalitzada per dos enzims: PGK i piruvat-cinasa. També es produeixen dues molècules de NADH, que poden ser oxidades a través de la via de la cadena de transport d'electrons i que, com a resultat, produeixen ATP addicional per l'ATP sintasa. El piruvat generat com un producte final de la glucòlisi és un substrat al cicle de Krebs.
Glucosa Als mitocondris, el piruvat és oxidat pel complex piruvat deshidrogenasa, per aconseguir acetil-CoA, que és oxidat completament cap a diòxid de carboni pel cicle de l'àcid cítric (també conegut com a cicle de Krebs). Cada “volta” del cicle de l'àcid cítric produeix dues molècules de diòxid de carboni, una molècula equivalent a l'ATP (la guanosina trifosfat (GTP) (per la fosforilació del nivell de substrat catalitzada pel succinil CoA sintetasa)), tres molècules d'un coenzim reduït anomenat NADH i una molècula d'un altre coenzim reduït anomenat FADH₂. Aquestes dues últimes molècules són reciclades cap als seus estats oxidats (NAD+ i FAD, respectivament) a través de la cadena de transport d'electrons, que genera més ATP per la fosforilació oxidativa. L'oxidació d'una molècula de NADH dona aproximadament de dues a tres molècules d'ATP, i l'oxidació d'un FADH₂ produeix entre una i dues molècules d'ATP. La majoria de l'ATP cel·lular és generat per aquest procés. Tot i que el cicle de l'àcid cítric no implica en si mateix l'oxigen molecular, es tracta d'un procés obligatòriament aerobi, ja que l'oxigen és necessari per reciclar el NADH i el FADH₂ reduïts per aconseguir els seus estats oxidats. En absència d'oxigen el cicle de l'àcid cítric aturaria la seva funció degut a la carència de NAD+ i FAD disponible. La generació d'ATP pel mitocondri a partir del NADH del citosol està lligada a la utilització de bombes de malat-aspartat (i també, tot i que en grau inferior, la utilització de bombes de glicerol-fosfat), ja que la membrana mitocondrial interna és impermeable al NADH i al NAD+. En comptes de transferir el NADH generat, un enzim anomenat malat deshidrogenasa converteix l'oxaloacetat en malat, i aquest és translocat cap a la matriu mitocondrial. Una altra reacció catalitzada pel malat-deshidrogenasa té lloc en la direcció oposada, produint oxaloacetat i NADH del nou malat transportat i del magatzem de NAD+ de l'interior del mitocondri. Una transaminasa converteix l'oxaloacetat en aspartat per transportar-lo enrere a través de la membrana i cap a l'espai intermembrana.
En la fosforilació oxidativa, el pas d'electrons des de NADH i FADH₂ a través de la cadena de transport d'electrons activa el bombament de protons fora de la matriu mitocondrial i cap a l'interior de l'espai intermembrana. Això crea una força motriu de protons que és l'efecte net d'un gradient de PH i un gradient de potencial elèctric a través de la membrana mitocondrial interna. El flux de protons sota aquest gradient de potencial (que és des de l'espai intermembrana fins a la matriu) proporciona la força motriu necessària per a la síntesi d'ATP per l'ATP sintasa. Aquest enzim conté una subunitat giradora que físicament rota amb relació a les porcions estàtiques de la proteïna durant la síntesi d'ATP.
La majoria de l'ATP sintetitzat als mitocondris serà utilitzat per a processos cel·lulars en el citosol; així doncs, haurà de ser exportat de la matriu mitocondrial (que és el lloc de síntesi). La membrana interna conté un “antiporter” anomenat ADP/ATP translocador, que és una proteïna integral de membrana utilitzada per intercanviar nou ATP sintetitzat a la matriu per ADP de l'espai intermembrana.