Adénosine triphosphate

L'ATP est composé d'adénine, de ribose et de trois groupes phosphate formant un groupe triphosphate. Ces trois groupes phosphate sont désignés, depuis le ribose en allant vers l'extérieur, par les lettres grecques α (alpha), β (bêta) et γ (gamma). L'ATP est par conséquent étroitement apparenté à l'AMP, l'un des monomères de l'ARN, et au dAMP, l'un des monomères de l'ADN. L'ATP est très soluble dans l'eau. Il demeure relativement stable en solution aqueuse pour des pH compris entre 6,8 et 7,4, mais est rapidement hydrolysé à des pH plus acides ou plus basiques. Par conséquent, l'ATP se conserve le mieux sous forme de sel anhydre.

L'ATP est en revanche instable dès qu'il n'est plus dans une solution tampon à pH neutre. Il s'hydrolyse alors en ADP et phosphate. Cela provient du fait que les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau d'une part et l'ADP et le phosphate d'autre part sont plus fortes que les liaisons phosphoanhydride P–O–P unissant les groupes phosphate les uns aux autres dans la molécule d'ATP. Par conséquent, l'ATP tend à se dissocier presque entièrement en ADP et phosphate au bout d'un temps plus ou moins long lorsqu'il est en solution dans l'eau.

L'ATP en solution aqueuse à pH neutre est ionisé quatre fois, donnant l'anion ATP⁴⁻.

En solution aqueuse neutre, l'ATP dissous est ionisé quatre fois pour former l'anion ATP⁴⁻, avec une faible proportion d'ions ATP³⁻[11].

Comme l'ATP possède plusieurs groupes chargés négativement en solution neutre, il peut chélater des cations métalliques avec une forte affinité. La valeur molaire de la constante de liaison pour certains de ces cations métalliques courants vaut ainsi[12] :

• Mg²⁺ : 9 554 M^-1 ;
• Ca²⁺ : 3722 M^-1 ;
• Sr²⁺ : 1381 M^-1 ;
• Li⁺ : 25 M^-1 ;
• Na⁺ : 13 M^-1 ;
• K⁺ : 8 M^-1.

Ces interactions sont suffisamment fortes pour que l'essentiel de l'ATP⁴⁻ soit présent dans les cellules en complexe avec Mg²⁺[11] - [13].

Lorsqu'un système thermodynamique est loin de l'équilibre, il possède une enthalpie libre de réaction qui lui permet de fournir un travail, au sens thermodynamique. Les cellules vivantes maintiennent un rapport de concentrations entre l'ATP et ADP voisin de 5, ce qui est une dizaine d'ordres de grandeur supérieur au rapport de concentration qui s'établit à l'équilibre, où presque tout l'ATP est dissocié en ADP et phosphate. En raison de cet écart par rapport à l'équilibre, l'hydrolyse de l'ATP en ADP et phosphate libère une grande quantité d'énergie.

C'est l'hydrolyse des deux liaisons phosphoanhydride liant les groupes phosphate adjacents de l'ATP qui libère l'énergie de cette molécule. Pour cette raison, on qualifie souvent, par commodité mais abusivement, ces liaisons phosphoanhydride de liaisons riches en énergie[14]. Cette caractéristique est cependant trompeuse, car ces liaisons ne recèlent pas par elles-mêmes plus d'énergie que les autres, et leur rupture requiert un apport d'énergie d'activation comme pour la rupture de toute autre liaison ; ce n'est que leur environnement moléculaire qui fait que leur hydrolyse est exergonique[15], avec une variation d'enthalpie libre de réaction standard de −30,5 kJ mol⁻¹ (négative car de l'énergie est libérée au cours de la réaction) :

ATP + 2 H₂O → ADP + Pi + H₃O⁺ : Δ_rG°' = −30,5 kJ mol⁻¹.

Réciproquement, la réaction de phosphorylation de l'ADP en ATP est endergonique, avec une variation d'enthalpie libre standard de 30,5 kJ mol⁻¹ (positive car l'énergie est absorbée au cours de la réaction) :

ADP + Pi + H₃O⁺ → ATP + 2 H₂O : Δ_rG°' = 30,5 kJ mol⁻¹.

La réaction d'hydrolyse de l'ATP en AMP et pyrophosphate HP₂O₇³⁻ est davantage exergonique, avec une variation d'enthalpie libre standard de réaction de −45,6 kJ mol⁻¹ :

ATP + 2 H₂O → AMP + PPi + H₃O⁺ : Δ_rG°' = −45,6 kJ mol⁻¹.

L'ATP est consommé dans les cellules par les processus biochimiques et physiologiques qui requièrent de l'énergie, dits endergoniques, et continuellement régénéré par les processus qui libèrent de l'énergie, dits exergoniques. De cette façon, l'ATP permet de transférer de l'énergie entre des processus spatialement séparés. C'est la principale source d'énergie pour la grande majorité des fonctions cellulaires, telles que le métabolisme, les biosynthèses, le transport actif à travers les membranes biologiques, ou encore la motilité des cellules et la locomotion des organismes complexes (contraction musculaire).

L'ATP intervient également dans le maintien de la structure cellulaire ainsi que dans sa mobilité en facilitant l'assemblage et le désassemblage des éléments du cytosquelette. De la même manière, il fournit l'énergie de la contraction musculaire en catalysant le raccourcissement des filaments d'actine et de myosine, ce qui est un besoin essentiel des animaux, indispensable à leur locomotion et à leur respiration — tant du point de vue de la ventilation de leurs poumons que du fonctionnement de leur cœur, chargé de faire circuler leur sang oxygéné à travers tout l'organisme.

L'ATP participe aux mécanismes de signalisation cellulaire en étant reconnu par les récepteurs purinergiques (en), qui sont peut-être les récepteurs les plus abondants dans les tissus des mammifères[16]. Chez l'homme, ce rôle de signalisation cellulaire est important à la fois dans le système nerveux central et dans le système nerveux périphérique. Les récepteurs purinergiques P2 sont ainsi activés par libération d'ATP par les synapses, les axones et les cellules gliales[17]. Les récepteurs P2Y (en) sont par exemple des récepteurs couplés à la protéine G qui modulent le niveau intracellulaire de calcium et, parfois, celui d'AMP cyclique.

À l'intérieur des cellules, l'ATP est utilisé par les kinases comme sources de groupes phosphate pour réaliser les phosphorylations. La phosphorylation des protéines et des lipides membranaires sont des formes courantes de transduction de signal. On observe par exemple une activation de protéines par phosphorylations en cascade avec les MAP kinases[18]. L'ATP est également le substrat de l'adénylate cyclase, qui produit l'AMP cyclique, messager secondaire déclenchant la libération du calcium de ses points de stockage intracellulaires[19]. Cette forme de transduction de signal est particulièrement importante dans le fonctionnement du cerveau, bien qu'elle intervienne également dans une multitude d'autres processus cellulaires[20].

• 
  Conversion de l'ATP en AMP cyclique par l'adénylate cyclase.

Structures comparées de l'ATP (en haut) et du dATP (en bas).

Chez tous les êtres vivants connus, les désoxyribonucléotides constituant l'ADN sont produits par une ribonucléotide réductase (RNR) à partir des ribonucléotides correspondants[21]. Ces enzymes réduisent le résidu de ribose en désoxyribose à l'aide d'un groupe sulfhydryle –SH d'un résidu de cystéine qui forme un pont disulfure avec un autre résidu de cystéine au cours de la réaction[21]. Leur forme réduite est régénérée sous l'action de la thiorédoxine ou de la glutarédoxine.

La régulation des ribonucléotide réductases et des enzymes apparentées maintient l'équilibre dans la cellule entre désoxyribonucléotides et ribonucléotides les uns par rapport aux autres. Une concentration trop faible en désoxyribonucléotides inhibe la réparation de l'ADN ainsi que sa réplication, ce qui finit par tuer la cellule, tandis qu'un rapport anormal entre les concentrations des différents désoxyribonucléotides est mutagène en raison de l'accroissement de la probabilité d'incorporer une base nucléique erronée lors de la réplication de l'ADN par les ADN polymérases. La régulation ou les différences de spécificité des ribonucléotide réductases sont peut-être à l'origine de l'altération de cet équilibre au sein du pool de désoxyribonucléotides observée en situation de stress cellulaire telle que l'hypoxie[22].

Lors de la transcription de l'ADN en ARN ribosomique et en ARN messager, l'ATP est l'un des quatre nucléotides incorporés dans l'ARN par les ARN polymérases. L'énergie requise pour alimenter cette polymérisation provient de l'hydrolyse du groupe pyrophosphate de l'ATP[23]. Le processus est le même que celui de la biosynthèse de l'ADN hormis le fait que l'ATP est utilisé à la place de la désoxyadénosine triphosphate (dATP).

Le glucose est converti en pyruvate par une voie métabolique appelée glycolyse. La plupart des êtres vivants réalisent cette transformation dans le cytoplasme de leurs cellules, mais certains protozoaires, tels que ceux de la classe des kinétoplastidés, la réalisent dans un organite spécialisé appelé glycosome[27]. Deux molécules d'ATP sont produites pour chaque molécule de glucose oxydée par cette voie, au niveau de deux enzymes qui réalisent une phosphorylation au niveau du substrat : la phosphoglycérate kinase et la pyruvate kinase. Deux molécules de NADH sont également produites à partir de NAD⁺, qui peuvent être oxydées par la chaîne respiratoire et produire des molécules d'ATP supplémentaires. Le pyruvate produit à l'issue de la glycolyse est un substrat du cycle de Krebs.

Dans les mitochondries, le pyruvate est oxydé par le complexe pyruvate déshydrogénase pour former de l'acétyl-CoA. Cette dernière est oxydée en CO₂, NADH et FADH₂ par le cycle de Krebs, avec production également de GTP, qui est énergétiquement équivalement à l'ATP.

Le NADH et le FADH₂ cèdent leurs électrons à haut potentiel de transfert à la chaîne respiratoire, qui produit des molécules d'ATP supplémentaires par phosphorylation oxydative, à raison de 2 à 3 molécules d'ATP par molécule de NADH, et de 1 à 2 molécules d'ATP par FADH₂[25]. L'essentiel de l'ATP des cellules non photosynthétiques est produit de cette façon. Bien que le cycle de Krebs ne requière pas directement la présence d'oxygène O₂, il ne peut fonctionner sans celui-ci car c'est l'oxygène qui sert d'accepteur final d'électrons à la chaîne respiratoire, permettant la régénération du NAD⁺ et du FAD à partir du NADH et du FADH₂ produits par le cycle de Krebs : en l'absence d'oxygène, ce dernier cesse de fonctionner faute de NAD⁺ et de FAD.

La circulation des électrons à travers la chaîne respiratoire permet le pompage de protons hors de la matrice mitochondriale, ce qui génère un potentiel électrochimique de membrane à travers la membrane mitochondriale interne en raison du gradient de concentration de protons qui en découle. La dissipation de ce potentiel électrochimique de membrane par les ATP synthases fournit l'énergie nécessaire à la phosphorylation de l'ADP en ATP : on parle de couplage chimiosmotique entre la chaîne respiratoire et la phosphorylation de l'ADP. L'ATP synthase est une enzyme complexe qui possède un rotor moléculaire actionné par le reflux des protons depuis l'espace intermembranaire mitochondrial et qui transmet l'énergie de ces derniers jusqu'au niveau de la phosphorylation de l'ADP[28].

La régénération de l'ATP dans les mitochondries à partir du NADH produit dans le cytosol implique de faire traverser la membrane mitochondriale interne au NADH vers la matrice mitochondriale et au NAD⁺ dans l'autre sens. En effet, ces molécules ne peuvent traverser cette membrane par elles-mêmes, aussi ce sont leurs électrons à haut potentiel de transfert qui la traversent. Les eucaryotes utilisent essentiellement deux moyens pour cela : la navette malate-aspartate et, dans une moindre mesure, la navette du glycérol-3-phosphate.

• La navette malate-aspartate fait tout d'abord intervenir une malate déshydrogénase, qui réduit une molécule d'oxaloacétate cytosolique en malate. Ce dernier peut franchir la membrane mitochondriale interne en empruntant un antiport malate-α-cétoglutarate, et, parvenu dans la matrice mitochondriale, le malate est oxydé à nouveau en oxaloacétate par une l'isoforme mitochondriale de la malate déshydrogénase mitochondriale (mMDH), convertissant une molécule de NAD⁺ en NADH. L'oxaloacétate mitochondrial est converti en aspartate sous l'action d'une aspartate aminotransférase mitochondriale (mAST) par transfert d'un groupe amine du glutamate, ce dernier donnant alors de l'α-cétoglutarate. L'aspartate emprunte un antiport glutamate-aspartate pour franchir la membrane mitochondriale interne et rejoindre le cytosol, tandis que l'α-cétoglutarate fait de même à l'aide d'un antiport malate-α-cétoglutarate. L'aspartate cytosolique est converti en oxaloacétate par une aspartate aminotransférase cytosolique (cAST), qui produit également du glutamate à partir de l'α-cétoglutarate.
• La navette du glycérol-3-phosphate est moins répandue que la précédente mais ne nécessite pas de traverser la membrane mitochondriale interne, ce qui la rend plus rapide bien qu'elle conduise à générer moins d'ATP par molécule de NADH oxydée, de sorte qu'elle est utilisée préférentiellement par les cellules qui nécessitent de mobiliser rapidement de grandes quantités d'énergie, c'est-à-dire essentiellement les muscles et le cerveau. Une glycérol-3-phosphate déshydrogénase soluble (EC 1.1.1.8) convertit tout d'abord la dihydroxyacétone phosphate (DHAP) en glycérol-3-phosphate, ce qui régénère le NAD⁺ à partir du NADH. Une glycérol-3-phosphate déshydrogénase de la membrane mitochondriale interne (EC 1.1.5.3) décharge les électrons du glycérol-3-phosphate sur une molécule de FAD pour donner du FADH₂ et régénérer la DHAP ; le FADH₂ réduit à son tour une ubiquinone, dont les électrons rejoignent ensuite la chaîne respiratoire au niveau de la coenzyme Q-cytochrome c réductase (complexe III).

De manière semblable à ce qu'on observe pour le NAD⁺, l'ATP régénéré dans les mitochondries est essentiellement consommé dans le cytoplasme et dans le noyau, où se forme de l'ADP qui doit être phosphorylé en ATP à l'intérieur des mitochondries. Ces flux de matière impliquent de faire circuler l'ADP à travers la membrane mitochondriale interne depuis le cytosol vers la matrice mitochondriale, tandis que l'ATP régénéré dans les mitochondries traverse cette membrane dans le sens inverse pour être consommé dans le cytosol et dans le noyau. La membrane mitochondriale interne étant imperméable également à l'ADP et à l'ATP, ces molécules doivent emprunter des protéines membranaires intégrales appelées translocases ATP/ADP pour la traverser.

Chez les plantes, l'ATP est produit par photophosphorylation dans la membrane des thylakoïdes à l'intérieur des chloroplastes. Le principe est semblable à celui mis en œuvre dans le cadre de la phosphorylation oxydative[29], avec un couplage chimiosmotique de même nature, à la différence que l'énergie provient des photons captés par les pigments photosynthétiques et non de l'oxydation des glucides et des lipides. Une partie de cet ATP est consommé dans le chloroplaste pour produire des glucides à travers le cycle de Calvin.

Les stocks d'ATP de l'organisme ne dépassent pas quelques secondes de consommation. En principe, l'ATP est recyclée en permanence, et tout processus qui bloque sa régénération provoque rapidement la mort de l'organisme contaminé. En effet, en situation physiologique, nous produisons chaque jour l'équivalent de notre poids en ATP, et l'ATP produit est immédiattement consommé notamment pour maintenir l'activité de la pompe Na K ATPase. On comprend aisément que la diminution voir l'absence de production d'ATP soit rapidement néfaste, au vu de l'énorme quantité produite et nécessaire. C'est par exemple le cas de certains gaz de combat conçus à cet effet, ou de poisons, comme le cyanure, qui bloque la cytochrome c oxydase de la chaîne respiratoire dans les mitochondries, ou l'arsenic, qui remplace le phosphore et rend inutilisables les molécules phosphorées.

La créatine peut jouer le rôle d'accumulateur en stockant un groupe phosphate à haut potentiel de transfert depuis une molécule d'ATP, susceptible d'être transféré ultérieurement à une molécule d'ADP pour régénérer de l'ATP :

	+ ATP ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ADP +
Créatine		Phosphocréatine
Créatine kinase – EC 2.7.3.2

L'ATP en tant que tel ne peut être stocké dans les cellules, de sorte que l'énergie métabolique est stocké par exemple sous forme de lipides dans le tissu adipeux ou de glucides tels que le glycogène chez les animaux ou d'amidon chez les plantes.

L'hexokinase est directement inhibée par le produit de la réaction qu'elle catalyse, à savoir le glucose-6-phosphate, tandis que la pyruvate kinase est inhibée par l'ATP lui-même. Le principal point de régulation de la glycolyse est la phosphofructokinase (PFK), qui est inhibée allostériquement lorsque l'ATP est abondant mais est activée lorsque c'est l'AMP qui est abondant. L'inhibition de cette enzyme par l'ATP est inhabituelle dans la mesure où l'ATP est un substrat de la réaction qu'elle catalyse. La forme biologiquement active de cette enzyme est un tétramère qui existe dans deux conformations possibles, dont l'une seulement peut se lier au fructose-6-phosphate, qui est le second substrat de cette enzyme. La protéine possède deux sites de liaison à l'ATP : le site actif est accessible dans l'une et l'autre conformation, mais la liaison de l'ATP au site inhibiteur stabilise la conformation qui ne se lie que faiblement au fructose-6-phosphate. Un certain nombre d'autres petites molécules sont susceptibles de compenser l'effet inhibiteur de l'ATP et ainsi réactiver la phosphofructokinase ; c'est par exemple le cas de l'AMP cyclique, des ions ammonium, des ions phosphate, du fructose-1,6-bisphosphate et du fructose-2,6-bisphosphate.

Le cycle de Krebs est essentiellement régulé par la disponibilité de ses substrats clés, notamment le rapport entre la concentration en NAD⁺ et NADH, ainsi que les concentrations en calcium, phosphate, ATP, ADP et AMP. Le citrate est un inhibiteur de la citrate synthase agissant par rétroaction, ainsi qu'un inhibiteur de la phosphofructokinase, ce qui lie la régulation du cycle de Krebs à celle de la glycolyse.

La régulation de la phosphorylation oxydative repose essentiellement sur la cytochrome c oxydase, qui est régulée par la disponibilité de son substrat, à savoir le cytochrome c réduit. La quantité de cytochrome c réduit disponible dépend directement de la quantité des autres substrats :

¹⁄₂ NADH + cyt c_oxydé + ADP + Pi ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ¹⁄₂ NAD⁺ + cyt c_réduit + ATP,

d'où l'équation ci-dessous, déduite de cet équilibre :

${\displaystyle {\frac {[\mathrm {cyt~c_{reduit}} ]}{[\mathrm {cyt~c_{oxyde}} ]}}=\left({\frac {[\mathrm {NADH} ]}{[\mathrm {NAD} ]^{+}}}\right)^{\frac {1}{2}}\left({\frac {[\mathrm {ADP} ][\mathrm {P_{i}} ]}{[\mathrm {ATP} ]}}\right)K_{\mathrm {eq} }}$

Ainsi, un rapport de concentrations ^[NADH] ⁄ _[NAD⁺] élevé ou un rapport de concentrations ^[ADP][Pi] ⁄ _[ATP] élevé (membre de droite de cette égalité) impliquent un rapport de concentrations ^{[cyt c_réduit]} ⁄ _{[cyt coxydé]} élevé (membre de gauche), c'est-à-dire une concentration élevée en cytochrome c réduit, et une forte activité de la cytochrome c oxydase.

Un niveau de régulation supplémentaire est introduit par le taux de transport de l'ATP et du NADH entre la matrice mitochondriale et le cytosol[30].