酵素は生物におけるエネルギー産生に寄与する。アデノシン三リン酸（ATP）は化学エネルギーの主要な貯蔵形態である。ATPは、生体活動を駆動するためにエネルギーを放出し得る「帯電した電池」に相当する。酵素は、エネルギーを適切な化学形態へ変換し、ATP分子として貯蔵する役割を担う。これらの酵素の多くはATP合成酵素（ATP synthase）と総称され、あらゆる生命体に存在し、細胞で最も一般的に利用される「エネルギー通貨」であるエネルギー貯蔵分子ATPを直接生成することにより、全ての細胞活動を支えている。ATPは、栄養素の酸化に伴い、アデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸（P_i）から酵素反応により生成され、この過程は酸化的リン酸化と呼ばれる。

ADPとP_iからATPを合成する反応は熱力学的に不利であり、通常は逆方向に進行する。正方向の反応を駆動するため、ATP合成酵素は細胞呼吸の過程で、真核生物ではミトコンドリア膜、細菌では細胞膜を挟んだプロトン濃度差に起因する電気化学的勾配を利用してATP合成を行う。一方、植物における光合成時のATP産生は、チラコイド膜を介してチラコイド内腔に形成されるプロトン勾配を利用し、プロトンが葉緑体ストロマへ流入することで達成される。

図1．ATP合成酵素が触媒する全体反応。

ATP合成酵素の構造

ATP合成酵素はF₀およびF₁の2つの主要サブユニットから構成され、回転モーター機構によりATP産生を行う。真核生物ではミトコンドリア膜、原核生物では細胞膜、植物では葉緑体のチラコイド膜に埋め込まれている部分はF₀と呼ばれ、膜を横断して流れるH⁺（プロトン）によって駆動されるモーターである。ミトコンドリア内部、葉緑体ストロマ、または原核細胞内に位置する部分はF₁-ATPaseと呼ばれ、ATP生成に用いられる別のモーターである。F₀領域はDNAをほどくDNAヘリカーゼに類似し、F₁-ATPase領域は、一部の細菌において鞭毛の運動を駆動するH⁺モーターに類似する。F₁には中央ステムおよびローターが存在し、その回転によりADPとP_iがATPへ変換される。これら2つの部分は、異なる機能を有する独立した構造として存在していたものが最終的にATP合成酵素として進化し、プロトン流に応答して両コンポーネントが回転し、その回転エネルギーがATP合成に共役される。ATP合成酵素は回転サブユニットを有することから、分子機械として広く受け入れられている。

ATP合成酵素の機能

ATP合成酵素は古くから存在するタンパク質ファミリーであり、基本的に同一の構造と機能を維持しつつ、生命の全ての界にわたり高度に保存されている。ATP合成酵素は主として、プロトン流に由来するエネルギーを利用してADPのリン酸化を駆動し、あらゆる細胞プロセスで利用されるATPを産生する分子エンジンとして機能する。ATP合成酵素1分子あたり、毎秒約100分子のATPを産生し得る。植物・動物・真菌などミトコンドリアを有する真核生物では、ATP産生のために多数のATP合成酵素が存在し、ATP合成酵素はミトコンドリア内膜に局在し、F₁部分はミトコンドリアマトリックス側へ突出している。植物の葉緑体にもATP合成酵素が存在し、太陽光および二酸化炭素を利用する過程でATPを合成する。ミトコンドリアを持たない原核生物（主に細菌および古細菌）では、細胞膜において同様の細胞呼吸様式によりATPが産生される。生理的条件下の好気性細菌では、ATP合成酵素は一般に、電子伝達系により生成されるプロトン駆動力をエネルギー源として利用し、ATPを合成する方向（逆方向）に作動する。電子伝達系を持たない発酵細菌では、多量のATPを消費して膜貫通型のプロトン勾配を形成し、ATP合成酵素が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、鞭毛運動の駆動や栄養素の細胞内輸送に利用される。この機構の結果として、細胞内が酸性化した状況においてATP合成酵素が細胞内pHの上昇をもたらし得ると考えられている。