O ATP é uma molécula altamente instável. A menos que seja usado rapidamente para realizar o trabalho, o ATP se dissocia espontaneamente em ADP e fosfato inorgânico (P_i), e a energia livre liberada durante esse processo é perdida como calor. A energia liberada pela hidrólise do ATP é usada para realizar o trabalho dentro da célula e depende de uma estratégia chamada acoplamento de energia. As células acoplam a reação exergônica da hidrólise do ATP com reações endergônicas, permitindo que prossigam.

Um exemplo de acoplamento de energia usando ATP envolve uma bomba de íons transmembrana que é extremamente importante para a função celular. Esta bomba de sódio-potássio (bomba de Na⁺/K⁺) expulsa o sódio da célula e o potássio para dentro da célula. Uma grande porcentagem do ATP de uma célula é gasta alimentando essa bomba porque os processos celulares importam regularmente grandes quantidades de sódio para a célula e exportam grandes quantidades de potássio para fora da célula. A bomba trabalha constantemente para estabilizar as concentrações celulares de sódio e potássio. Para que a bomba gire um ciclo (exportando três íons Na⁺ e importando dois íons K⁺), uma molécula de ATP deve ser hidrolisada. Quando o ATP é hidrolisado, seu fosfato gama é transferido para a proteína da bomba.

Esse processo de ligação de um grupo fosfato a uma molécula é denominado fosforilação. Como na maioria dos casos de hidrólise de ATP, um fosfato do ATP é transferido para outra molécula. Em um estado fosforilado, a bomba de Na⁺/K⁺ tem mais energia livre e é acionada para sofrer uma mudança conformacional. Essa mudança permite que ele libere Na⁺ para fora da célula. Em seguida, ele se liga ao K⁺ extracelular, que, por meio de outra mudança conformacional, faz com que o fosfato se desprenda da bomba. Essa liberação de fosfato faz com que o K⁺ seja liberado para o interior da célula. Essencialmente, a energia liberada da hidrólise do ATP é acoplada à energia necessária para alimentar a bomba e transportar íons Na⁺ e K⁺. O ATP realiza o trabalho celular usando essa forma básica de acoplamento de energia por meio da fosforilação.

Freqüentemente, durante as reações metabólicas celulares, como síntese e quebra de nutrientes, certas moléculas devem se alterar ligeiramente em sua conformação para se tornarem substratos para a próxima etapa da série de reações. Um exemplo é durante a glicólise, os primeiros passos da respiração celular. Nesta primeira etapa, o ATP é necessário para fosforilar a glicose, criando um intermediário de alta energia, mas instável. Essa reação de fosforilação alimenta uma mudança conformacional que permite que a molécula de glicose fosforilada se converta na frutose do açúcar fosforilado. A frutose é um intermediário necessário para que a glicólise avance. Aqui, a reação exergônica da hidrólise de ATP, acoplada à reação endergônica de fosforilação da glicose, constitui uma etapa intermediária na via. Mais uma vez, a energia liberada pela quebra de uma ligação fosfato dentro do ATP foi usada para fosforilar outra molécula, criando um intermediário instável e alimentando uma importante mudança conformacional.

Este texto foi adaptado de Openstax, Biology 2e, Section 6.4:ATP: Adenosine Triphosphate