3分で簡単「アデノシン三リン酸（ATP）」構造・生合成など生命活動を支えるエネルギー通貨を現役理系大学院生がわかりやすく解説！

ライター／Caori

国立理系大学院の博士課程に在籍している現役の大学院生。とっても身近な現象である生命現象をわかりやすく解説する「楽しくわかりやすい生物の授業」が目標。

アデノシン三リン酸（ATP）とは？

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筋肉を動かす、様々な物質を代謝する、DNAを複製する…私達が生きていくために体内で生じるすべての現象にはエネルギーを必要としますが、食事から摂取した栄養素が直接エネルギーとして使われるわけではありません。食事から摂取した糖や脂肪は細胞内で「生体のエネルギー通貨」と呼ばれる「アデノシン三リン酸（ATP）」に変換され、細胞内でエネルギーとして幅広く利用されています。動物も植物もバクテリアも、全ての生物がATPを利用しているため、地球上のほぼすべての生物に共通する基本的な生命現象のひとつです。

では、アデノシン三リン酸（ATP）とはどんな物質でしょうか。一言で言うと、アデノシン（adenosine）とリン酸（phosphoric acid）からなる化合物の名称です。リン酸分子が3つ結合しているため「3」を意味する接頭辞 tri- が加えられ、Adenosine TriPhosphate、頭文字をとってATP（エー・ティー・ピー）と呼ぶのが一般的です。

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ATPの構造とエネルギー

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まずはATPの構造から見ていきましょう。ATPはリボース、アデニン、リン酸の3つの構成要素からできています。リボースは糖の一種で炭素を5個もっている五単糖。アデニンはプリン骨格を持った核酸塩基のひとつです。このリボースとアデニンがN-グリコシド結合により結合したものが「アデノシン」。このアデノシンにリン酸エステル結合によりリン酸基が3つ結合したものが「アデノシン三リン酸（ATP）」です。

では、この構造のどこにエネルギーがあるのでしょうか？実は、この3つのリン酸基同士の結合（高エネルギーリン酸結合）部分にエネルギーが蓄えられています。リン酸無水結合はエネルギー的に不安定であり、加水分解反応や他の分子にリン酸基が転移する反応によって3つあるリン酸分子のうち1つが切り離される反応に伴い、蓄えられていたエネルギーが放出され、活動に必要なエネルギーが供給されるというわけです。

ATPの生合成

生命現象に非常に重要なエネルギー源であるATP。では、ATPは生体内のどこで何から作られているのでしょうか？

まず、ATPは細胞の中の細胞質にある「解糖系」とミトコンドリア内にある「クエン酸回路」「電子伝達系」この3つの経路でつくられています。そして、ATPの主な材料は、三大栄養素の「糖質」「脂質」「タンパク質」です。「解糖系」と「クエン酸回路」「電子伝達系」ではATPの代謝に違いがあるため、それぞれの場合のATPの代謝についての違いを確認していきましょう。

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解糖系とATP産生

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解糖系は「解」「糖」と書くように、糖質を分解してATPを作り出すための回路のこと。食事から摂取した糖質は、主にグルコースに分解されて細胞内に取り込まれますが、グルコースのままではエネルギーとして利用できないため、ATPへの変換が必要です。

細胞質に取り込まれたグルコースは、解糖系によって2つのATPとNADH、ピルビン酸に代謝されます。解糖系そのものには酸素は不要のため無酸素系とも呼ばれますが、酸素の有無によって最終生成物に違いがあるので要注意。酸素があればピルビン酸はミトコンドリアに取り込まれ、さらに大量のATPを産生しますが、酸素が不足していればピルビン酸は「乳酸」に変化します。

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クエン酸回路とATP産生

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前述したように、解糖系で作られたピルビン酸は、酸素が豊富な状況下ではミトコンドリアのマトリックスに取り込まれ、酵素によって脱炭酸化され「アセチルCoA」に変化します。後述しますが、この「アセチルCoA」は「脂質」や「タンパク質」の代謝でも重要な分子です。アセチルCoAは「クエン酸回路（TCAサイクル）」に取り込まれ、クエン酸回路内をいくつもの代謝を経て、1つのグルコースから2つのATP、8つのNADH（脱水素補酵素）や2つのFADH2（酸化還元反応の補因子）が合成され、次の代謝系である「電子伝達系」へと渡されます。

最初にATPの材料となるのは「糖質」「脂質」「タンパク質」だと述べました。解糖系は「糖質」を分解する経路。では「脂質」と「タンパク質」はどのようにATPに代謝されるのでしょうか？実は「アセチルCoA」は脂肪酸（脂質）や一部のアミノ酸（タンパク質）からも作られるんです。これでATPの主な材料である、三大栄養素の「糖質」「脂質」「タンパク質」がそろいました。

電子伝達系とATP産生

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「電子伝達系」はATP産生の最終段階の反応で、解糖系とクエン酸回路で生成されたNADHやFADH2を利用して多量のATPを作りだす反応です。NADHやFADH2は、脱水素化される過程で電子伝達系へ電子を供給し、膜の内側（pH8.0）と膜の外側（pH7.0）にプロトンに濃度差（プロトン濃度勾配）を生じさせ、この濃度差により膜外の水素イオンが膜内に戻るエネルギーを利用して、ATPを合成しています。

電子伝達系ではNADHからは3つのATPが、FADH2からは2つのATPは生じるので、1グルコースあたり34個のATPが生成され、解糖系、クエン酸回路でできた4つのATPと合わせると全部で38個のATPが発生する計算です。

ATPは生命現象を支えるエネルギー通貨

今回の記事では「アデノシン三リン酸（ATP）」について解説しました。様々な用途に利用できる共通エネルギーとして生み出された「ATP」は、私達の基本的な生命活動を維持しています。私達が食事を摂る、呼吸をして酸素を取り入れるのは「ATP」を作り出すためといっても過言ではありません。そしてこの「ATP」はヒトだけではなく、植物やバクテリアなどのほとんどの生物に共通した最も基本的な化学的エネルギー物質です。それくらい、ATPに蓄えられているエネルギーというのは、細胞にとって使い勝手のいいエネルギーの形といえます。

細胞の中で共通して使えて、エネルギーとして貯めたり、支払ったりすることができるため「ATPはエネルギー通貨である」と表現されているのです。