АТФ является крайне нестабильной молекулой. Если АТФ не используется быстро для выполнения работы, он самопроизвольно диссоциирует на АДФ и неорганический фосфат (P_i), а свободная энергия, выделяющаяся в ходе этого процесса, теряется в виде тепла. Энергия, высвобождаемая при гидролизе АТФ, используется для выполнения работы внутри клетки и зависит от стратегии, называемой энергетической связью. Клетки связывают эксергонную реакцию гидролиза АТФ с эндергонными реакциями, что позволяет им протекать.

Одним из примеров энергетической связи с использованием АТФ является трансмембранный ионный насос, который чрезвычайно важен для клеточной функции. Этот натрий-калийный насос (насос Na⁺/K⁺) выводит натрий из клетки и калий в клетку. Большой процент АТФ клетки расходуется на питание этого насоса, потому что клеточные процессы регулярно импортируют большое количество натрия в клетку и экспортируют большое количество калия из клетки. Насос постоянно работает на стабилизацию клеточных концентраций натрия и калия. Для того, чтобы насос проработал один цикл (экспортируя три иона Na⁺ и импортируя два иона K⁺), одна молекула АТФ должна быть гидролизована. Когда АТФ гидролизуется, его гамма-фосфат передается белку насоса.

Этот процесс связывания фосфатной группы с молекулой называется фосфорилированием. Как и в большинстве случаев гидролиза АТФ, фосфат из АТФ переносится на другую молекулу. В фосфорилированном состоянии насос Na⁺/K⁺ имеет больше свободной энергии и подвергается конформационным изменениям. Это изменение позволяет ему высвобождать Na⁺ наружу клетки. Затем он связывается с внеклеточным K⁺, который, посредством другого конформационного изменения, заставляет фосфат отделяться от насоса. Это высвобождение фосфата приводит к тому, что K⁺ высвобождается внутрь клетки. По сути, энергия, высвобождаемая в результате гидролиза АТФ, сочетается с энергией, необходимой для питания насоса и транспортировки ионов Na⁺ и K⁺. АТФ выполняет клеточную работу с использованием этой основной формы энергетической связи посредством фосфорилирования.

Часто во время клеточных метаболических реакций, таких как синтез и расщепление питательных веществ, определенные молекулы должны незначительно изменить свою конформацию, чтобы стать субстратами для следующего этапа в серии реакций. Одним из примеров является гликолиз, самые первые шаги клеточного дыхания. На этом первом этапе АТФ необходим для фосфорилирования глюкозы, создавая высокоэнергетический, но нестабильный промежуточный продукт. Эта реакция фосфорилирования приводит к конформационному изменению, которое позволяет фосфорилированной молекуле глюкозы превращаться в фосфорилированный сахар фруктозу. Фруктоза является необходимым промежуточным продуктом для продвижения гликолиза вперед. В этом случае эксергонная реакция гидролиза АТФ в сочетании с эндергонной реакцией фосфорилирования глюкозы представляет собой промежуточный этап в этом пути. И снова энергия, высвобождаемая при разрыве фосфатной связи в АТФ, была использована для фосфорилирования другой молекулы, создавая нестабильный промежуточный продукт и вызывая важные конформационные изменения.

Этот текст адаптирован из Openstax, Biology 2e, Section 6.4:ATP: Аденозинтрифосфат