細胞のエネルギー通貨 · ATPLab

ホタルの光はどこから来るのか

ホタルの腹部の先にある発光器には、ルシフェリンとルシフェラーゼが含まれている。発光器をすりつぶして水を加えると、抽出液は暗いところで淡い黄緑色に光り、約 15 分で光は消える。

光が消えたら、試験管に蒸留水、グルコース溶液、ATP 溶液をそれぞれ加える。どれが再び光るだろうか。試験管を先に煮沸してから ATP を加えると、どうなるだろうか。

右側で ATP 溶液の濃度、水浴の温度、pH を変えて、光の明るさと色を観察できる。

ATP の構造

ATP はアデノシン三リン酸の英語名の略称で、構造は A–P~P~P と簡単に書ける。A はアデノシン（アデニン + リボース）、P はリン酸基、~ は特別な化学結合を表す。

となり合うリン酸基はどれも負の電荷をもって反発し合うので、この結合は不安定で、末端のリン酸基は高い転移ポテンシャルをもつ。ATP が加水分解されると末端のリン酸基が外れ、エネルギーが放出される。

ATP からさらにリン酸基を 1 つ加水分解したものが AMP——アデニンリボヌクレオチドで、RNA を構成する基本単位の 1 つである。画面をドラッグすると分子を回転できる。

ATP と ADP の相互変換

細胞内の ATP の量はわずかだが、ATP と ADP は絶えず相互に変換され、動的平衡にある。

吸エルゴン反応はふつう ATP の加水分解と結びついている。画面中央は Ca²⁺ の能動輸送にはたらく輸送体タンパク質で、ATP の加水分解を触媒する酵素でもある。ATP 末端のリン酸基が輸送体に移り（リン酸化）、輸送体の立体構造が変わって Ca²⁺ を膜の外へ放出する。

発エルゴン反応はふつう ATP の合成と結びついている。左側は細胞呼吸を表す。動物、ヒト、菌類、ほとんどの細菌は ATP 合成のエネルギーを細胞呼吸から得ており、緑色植物は光合成からも得る。

ATP 合成酵素

好気呼吸でつくられる ATP の大部分はミトコンドリア内膜で合成される。細胞呼吸は H⁺ を内膜の外側へくみ出し、H⁺ の濃度差をつくる。H⁺ は濃度差にしたがって ATP 合成酵素を通ってマトリックスへ戻り、そのローターを回す。

ローターが 120° 回るごとに、上の β サブユニットが ATP を 1 個放出する。1 回転で H⁺ が 8 個流れ、ATP が 3 個できる。葉緑体のチラコイド膜にも ATP 合成酵素がある。

濃度差を小さくしたり、H⁺ を直接漏らす脱共役剤を加えたりして、ローターがどうなるか見てみよう。

確認テスト

4 つの課題をふり返り、下の選択問題に答えよう。