酵素は生物にエネルギーを生成することができます。アデノシン三リン酸（Adenosine triphosphate、略してATP）は、化学エネルギーの主な貯蔵形態です。ATPは充電されたバッテリーのようなもので、生物活動にエネルギーを供給するためにエネルギーを放出できます。酵素はエネルギーを適切な化学形態に変換し、ATP分子に蓄える変圧器の役割を果たします。これらの酵素のほとんどはATPシンターゼ（ATP synthases）と呼ばれ、すべての生命体に存在し、エネルギー貯蔵分子であるATPを直接生成することで、すべての細胞活動を支えています。ATPは、酵素が栄養素、アデノシン二リン酸（ADP）、および無機リン酸（P_i）を酸化する過程（酸化的リン酸化）によって形成されます。

ADPとP_iからATPを合成することは、エネルギー的に支持されておらず、通常は逆方向に進行します。順方向の反応を駆動するために、ATPシンターゼは、真核生物ではミトコンドリア膜、細菌では原形質膜を隔てたプロトン濃度の差によって生じる電気化学的勾配を利用して、細胞呼吸中にATP合成を行います。一方、植物の光合成におけるATPの生成は、チラコイド膜を通じてチラコイド腔に存在するプロトン勾配を利用し、クロロプラストのストロマへとプロトンを移動させることで達成されます。

図1. ATPシンターゼによって触媒される全体の反応。

ATPシンターゼの構造

ATPシンターゼは、F₀とF₁という2つの主要なサブユニットからなり、回転モーター機構を通じてATP生成を完了します。真核生物のミトコンドリア膜、原核生物の原形質膜、または植物のクロロプラストのチラコイド膜に埋め込まれている部分はF₀と呼ばれ、H⁺イオンが膜を横断して流れることで駆動されるモーターです。ミトコンドリア内部、クロロプラストのストロマ、または原核細胞内にある部分はF₁-ATPaseと呼ばれ、ATPを生成するための別のモーターです。F₀領域はDNAをほどくDNAヘリカーゼに似ており、F₁-ATPase領域は一部の細菌の鞭毛を動かすH⁺モーターに似ていて、中心軸とローターを持ち、その回転によってADPとPiをATPに変換できます。これら2つの部分は、異なる機能を持つ2つの独立した構造として進化し、最終的にATPシンターゼとなり、両構成要素がプロトンの流れに応じて回転し、この回転エネルギーがATP合成に結合されます。ATPシンターゼは、その回転サブユニットにより分子機械として認識されています。

ATPシンターゼの機能

ATPシンターゼは、基本的に同じ構造と機能を保ち、すべての生物界で高度に保存されている古代のタンパク質ファミリーです。ATPシンターゼは主に、プロトンの流れから得られるエネルギーを利用してADPのリン酸化を促進し、すべての細胞プロセスで利用されるATPを生成する分子エンジンとして機能します。ATPシンターゼ1分子あたり毎秒約100分子のATPを生成することができます。ミトコンドリアを持つ真核生物（植物、動物、菌類など）は、ATPを生成するために大量のATPシンターゼを持ち、ATPシンターゼはミトコンドリア内膜に位置し、F₁部分はミトコンドリアマトリックスに突き出ています。植物のクロロプラストも、太陽光と二酸化炭素からATPを合成するためにATPシンターゼを含みます。ミトコンドリアを持たない原核生物（主に細菌と古細菌）は、原形質膜で同様の細胞呼吸によってATPを生成します。好気性細菌では、生理的条件下でATPシンターゼは通常逆方向に動作し、電子伝達系によって生じるプロトン駆動力をエネルギー源としてATPを生成します。電子伝達系を持たない発酵細菌は、大量のATPを利用して膜を横断するプロトン勾配を作り出すことができ、ATPシンターゼはプロトンを排出することで嫌気的にプロトン駆動力を生成し、鞭毛の運動や栄養素の細胞内への輸送にエネルギーを供給します。この仕組みの結果、ATPシンターゼは細胞内が酸性化した状況下で細胞内pHの上昇をもたらす可能性があると考えられています。