Энергия и АТФ

Свободная энергия и сопряжение реакций

Многие реакции в клетках протекают благодаря сопряжению с расщеплением АТФ, при котором высвобождается энергия ¹.

Изменение свободной энергии, ΔG = ΔG°′ + RT ln Q, равно нулю в состоянии равновесия и возрастает по абсолютной величине по мере того, как концентрации отклоняются от равновесных ¹. Работу АТФазы обеспечивает избыток свободной энергии гидролиза АТФ над энергией, необходимой этому ферменту; у кальциевого насоса SERCA в сердечной мышце этот избыток наименьший ².

АТФ в клетке

В клетке при гидролизе АТФ высвобождается примерно в 1,5–1,8 раза больше энергии, чем в стандартных условиях ¹.

Если концентрация каждого участника реакции равна 1 M, величина ΔG°′ лежит в пределах от −28 до −34 kJ/mol в зависимости от содержания Mg2+ ¹. При внутриклеточных концентрациях, намного меньших 1 M, ΔG составляет около −50 kJ/mol; для мышц спортсменов в период восстановления после нагрузки рассчитано значение около −70 kJ/mol ¹.

Суточный оборот АТФ

Сердце и головной мозг содержат мало АТФ, но ежедневно синтезируют его килограммами ²³.

Сердце взрослого человека содержит около 0,6 g АТФ, а за сутки потребляет около 6 kg ². В головном мозге около 2 g АТФ; по данным магнитно-резонансной спектроскопии ³¹P, окислительный синтез АТФ в нём составляет 7–8 kg в сутки ³. Для организма в целом в базе данных BioNumbers указано около 60 kg в сутки — количество, равное массе тела; это значение получено по потреблению кислорода в предположении, что окисление одной молекулы глюкозы даёт 36 молекул АТФ ⁴.

НАД+, ФАД и НАДФ+

Клетки переносят электроны с питательных веществ на небольшие молекулы, которые образуются из витаминов группы B — ниацина и рибофлавина ⁵⁶.

НАД+ принимает два электрона и один протон; относительно окисленный НАД участвует в катаболизме, а относительно восстановленный НАДФ — в биосинтезе ¹. Сукцинатдегидрогеназа (комплекс II) ковалентно связывает ФАД с остатком гистидина и переносит электроны с сукцината на убихинон ⁷. Окисление алкоголя в печени повышает отношение НАДН/НАД+, что стимулирует синтез жирных кислот ⁸.

Протондвижущая сила

В митохондриях за счёт переноса электронов на кислород протоны перекачиваются через внутреннюю мембрану; проходя обратно в матрикс, они приводят во вращение ротор АТФ-синтазы — фермента, который синтезирует АТФ ⁹⁷.

Перенос электронов по дыхательной цепиВнутренняя мембрана митохондрий; цитохром c — в межмембранном пространстве

НАДН
Комплекс I, НАДН:убихинон-оксидоредуктазаФМН, Железосерные кластерыНа 1 НАДН из матрикса выходят 4 H+; комплекс II также восстанавливает убихинон
Убихинол
Комплекс III, цитохром-bc1-комплекс2 гема b, Железосерный кластер Риске [2Fe-2S], Гем c1Q-цикл: на 1 убихинол 4 H+ выходят наружу, 2 H+ поглощаются из матрикса
Восстановленный цитохром c
Комплекс IV, цитохром-c-оксидазаO2, CuA, Гем a, Гем a3 и CuBНа 2 электрона: 2 H+ выкачиваются наружу; 2 H+ матрикса и ½ O2 образуют H2O
Вода

Мембранный потенциал митохондрий составляет около 160 mV; каждая единица разности pH добавляет к протондвижущей силе около 60 mV ¹. У быка и человека c-кольцо АТФ-синтазы состоит из восьми субъединиц, поэтому за каждый оборот кольца переносятся восемь протонов и синтезируются три молекулы АТФ ⁹⁷. Принято считать, что при окислении одной молекулы НАДН из матрикса выкачиваются десять протонов, а при окислении сукцината — шесть; с учётом ещё одного протона, который расходуется на транспорт каждой молекулы АТФ, расчётные коэффициенты P/O составляют 2,7 и 1,6, а измеренные — 2,5 и 1,5 ⁹.

Креатинфосфат

Мышцы содержат небольшой запас креатинфосфата (фосфокреатина), за счёт которого АТФ ресинтезируется в одну стадию ¹⁰.

Креатинкиназа катализирует реакцию MgАДФ + фосфокреатин + H+ ⇌ MgАТФ + креатин, которая протекает вблизи равновесия; константа равновесия составляет 100 при pH 7,0 и концентрации Mg2+ 1 mM ¹⁰². Фосфокреатина в сердце лишь вдвое, а в скелетных мышцах вчетверо больше, чем АТФ; этого запаса хватает, чтобы поддерживать уровень АТФ в течение нескольких секунд ¹⁰.

Расход энергии органами

В покое значительную часть энергии организма расходуют несколько небольших органов ¹¹³.

По массам органов, определённым методом МРТ, и удельным скоростям обмена по Элиа был предсказан расход энергии в покое, который у 131 здорового взрослого, по данным калориметрии, в среднем составил 1575 kcal в сутки ¹¹.

Орган или ткань	Средняя масса, kg	Скорость обмена в покое, kcal/kg/day ¹¹
Сердце	0,31	440
Почки	0,29	440
Головной мозг	1,33	240
Печень	1,39	200
Скелетные мышцы	26,3	13
Жировая ткань	19,4	4,5
Прочие ткани	24,7	12

Нерешённые вопросы

Значение креатинкиназного челнока, переносящего энергию от митохондрий к АТФазам, остаётся спорным: в одном обзоре утверждается, что через него поступает 85% энергии, которую сердце получает путём окислительного фосфорилирования ², а в другом отмечено, что у мышей, лишённых креатинкиназы, изменения весьма незначительны ¹⁰. Ещё в одном обзоре для здорового взрослого указано 50 kg АТФ в сутки, но не приведены ни метод расчёта, ни источник ¹². По некоторым данным, метформин ингибирует комплекс I лишь в миллимолярных концентрациях, тогда как при приёме 2 g в сутки его концентрация в плазме составляет 50–100 µM ¹³.

Источники

Справочное издание
Milo R, Phillips R. Cell Biology by the Numbers Garland Science, 2015.
doi:10.1201/9780429258770
Финансирование и результат
Финансирование
not stated
Результат
Textbook, online edition read 2026-10-21 at book.bionumbers.org. ATP is often called the energy currency of the cell; hundreds of cellular reactions are coupled to its hydrolysis, with the membrane potential and reducing power the two other dominant energy sources. Each electron transfer of respiration must be thermodynamically favourable on its own for respiration to proceed. Figure 1 derives the free energy under physiological concentrations from the standard value as ΔG′ = ΔG′° + RT ln Q′. The absolute free-energy change of ATP hydrolysis is greater the farther concentrations lie from equilibrium, where it is zero; the standard value varies from -28 to -34 kJ/mol depending on the Mg2+ concentration; with millimolar ATP, ADP and phosphate it is about 50 kJ/mol under physiological conditions; the highest value, about -70 kJ/mol, was calculated for human muscle of athletes recovering after exertion; in cells ATP is worth about twice as much as under standard conditions. Glycolysis couples the oxidation of glucose to the reduction of NAD+ to NADH; NAD+/NADH transfers two electrons and one proton; NAD+/NADH serves catabolic and NADP+/NADPH anabolic reactions; NAD is relatively oxidised and NADP relatively reduced. Individual transfers of the electron transport chain are not energetic enough to make ATP but are enough to pump a proton. The mitochondrial membrane potential is roughly 160 mV, and each pH unit of difference adds 60 mV to the proton-motive force.
Независимое
Lygate CA. Maintaining energy provision in the heart: the creatine kinase system in ischaemia–reperfusion injury and chronic heart failure Clinical Science, 2024.
doi:10.1042/CS20230616 PubMed 38639724
Финансирование и результат
Финансирование
The work in the author's laboratory is funded by British Heart Foundation Programme [grant number RG/18/12/34040].
Результат
Narrative review. The adult human heart contains about 0.6 g of ATP, sufficient for about 20 beats, yet requires 6 kg of ATP per day, a turnover of the entire ATP pool every 10 s. The difference between the free energy of ATP hydrolysis in the cell and the free energy required by a given ATPase is the energy reserve driving that reaction; the SERCA pump has the lowest reserve. Creatine kinase operates near equilibrium. 95% of cardiomyocyte energy production is by oxidative phosphorylation, and 85% of this is delivered via the creatine kinase shuttle (citing Guzun et al. 2014).
Независимое
Zhu XH, Lu M, Chen W. Quantitative imaging of brain energy metabolisms and neuroenergetics using in vivo X-nuclear 2H, 17O and 31P MRS at ultra-high field Journal of Magnetic Resonance, 2018.
doi:10.1016/j.jmr.2018.05.005 PubMed 29866434
Финансирование и результат
Финансирование
The work as reviewed in this article was partly supported by NIH grants of R01 NS057560, NS070839 and MH111413, R24 MH106049, P41 EB015894, P30 NS5076408; the W.M. Keck Foundation.
Результат
Review. The human brain makes up 2% of body weight; a resting adult brain accounts for roughly 20% of the body's oxygen and glucose consumption. Brain ATP is about 3 mM, about 2 g in a 1.4 kg brain, while the oxidative ATP synthesis rate through F1F0-ATPase is 8 to 9 µmol/g/min in the human brain, measured by in vivo 31P magnetization transfer, which translates into 7 to 8 kg of ATP synthesised by the human brain in a day.
Справочное издание
Milo R, Jorgensen P, Moran U, Weber G, Springer M. BioNumbers—the database of key numbers in molecular and cell biology Nucleic Acids Research, 2010.
doi:10.1093/nar/gkp889 PubMed 19854939
Финансирование и результат
Финансирование
Systems Biology Department at Harvard Medical School, and Weizmann Institute of Science, Israel, to BioNumbers. Funding for open access charge: Personal research funds of corresponding author.
Результат
Curated database in which every number is taken from a cited literature source. Entry BNID 105606, read 2026-10-21: daily turnover of ATP in humans, 1 body weight a day, or about 60 kg. Its method, quoted from Buono and Kolkhorst (Advances in Physiology Education 2001), takes C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP, so that 0.136 kg of ATP is resynthesised per litre of O2 consumed, and states that an average college student consumes 400 to 500 litres of O2 a day; the entry adds that Törnroth-Horsefield and Neutze (2008) give one body weight a day.
Регуляторное
EFSA Panel on Dietetic Products, Nutrition and Allergies (NDA). Scientific Opinion on Dietary Reference Values for niacin EFSA Journal, 2014.
doi:10.2903/j.efsa.2014.3759
Финансирование и результат
Финансирование
European Food Safety Authority, on request from the European Commission (question EFSA-Q-2011-01218).
Результат
Niacin (nicotinic acid and nicotinamide) is the precursor of the coenzymes NAD and NADP; many dehydrogenases use NAD or NADP or both, and NAD also takes part in non-redox ADP-ribose transfer reactions. About 60 mg of tryptophan yields 1 mg of niacin. Long-term inadequate intake of tryptophan and niacin can lead to pellagra, with photosensitive dermatitis, tongue and mouth soreness, vomiting, diarrhoea, depression and dementia; untreated pellagra results in death from multiorgan failure.
Регуляторное
EFSA Panel on Dietetic Products, Nutrition and Allergies (NDA), Turck D, Bresson JL, Burlingame B, Dean T, Fairweather-Tait S, et al. Dietary Reference Values for riboflavin EFSA Journal, 2017.
doi:10.2903/j.efsa.2017.4919 PubMed 32625611
Финансирование и результат
Финансирование
European Food Safety Authority, on request from the European Commission (question EFSA-Q-2011-01222).
Результат
Riboflavin is the integral part of the coenzymes FAD and FMN, cofactors of flavoprotein enzymes; flavokinase phosphorylates free riboflavin to FMN, which FAD synthetase converts to FAD. Glutathione reductase uses FAD, methylenetetrahydrofolate reductase (MTHFR) requires FAD, and pyridoxamine phosphate oxidase is FMN-dependent. Signs of riboflavin deficiency (ariboflavinosis) are unspecific: sore throat, hyperaemia and oedema of the pharyngeal and oral mucous membranes, cheilosis, glossitis, seborrhoeic dermatitis, angular stomatitis and normochromic normocytic anaemia.
Справочное издание
UniProt Consortium. UniProt: the Universal Protein Knowledgebase in 2025 Nucleic Acids Research, 2025.
doi:10.1093/nar/gkae1010 PubMed 39552041
Финансирование и результат
Финансирование
National Human Genome Research Institute (NHGRI) [HG002273]; Office of the Director, NIH OD [U24HG007822]; National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID); National Institute on Aging (NIA); National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) [R35GM141873]; National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (NIDDK); National Eye Institute (NEI); National Cancer Institute (NCI); National Heart, Lung, and Blood Institute (NHLBI); Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) [BB/T015608/1]; National Science Foundation's Directorate for Biological Sciences [BB/X002179/1]; Open Targets; Horizon 2020 - Research and Innovation Framework Programme [825575]; State Secretariat for Education, Research and Innovation (SERI); European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Australia. Funding for open access charge: National Institutes of Health.
Результат
Reviewed human UniProtKB entries, release 2026_03, read through rest.uniprot.org on 2026-10-21. NAMPT (P43490) condenses nicotinamide with 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate to nicotinamide mononucleotide, the rate-limiting step of mammalian NAD biosynthesis, and NMNAT1 (Q9HAN9) forms NAD+ from nicotinamide mononucleotide and ATP. RFK (Q969G6) phosphorylates riboflavin (vitamin B2) to FMN, the rate-limiting step of FAD synthesis, and FLAD1 (Q8NFF5) adenylates FMN to FAD. SDHA (P31040), the flavoprotein of succinate dehydrogenase (complex II), binds FAD through tele-8alpha-FAD histidine 99 and transfers electrons from succinate to ubiquinone. NDUFV1 (P49821) of complex I accepts electrons from NADH on FMN and passes them along iron-sulfur clusters to ubiquinone; complex I reaction: ubiquinone + NADH + 5 H+(in) = ubiquinol + NAD+ + 4 H+(out). In the Q cycle of complex III, which contains the two haem b groups of MT-CYB (P00156), the [2Fe-2S] cluster of UQCRFS1 (P47985) and the covalent haem c of CYC1 (P08574), 2 protons are consumed from the matrix, 4 are released into the intermembrane space and 2 electrons pass to cytochrome c. CYCS (P99999), in the intermembrane space, carries electrons from cytochrome c1 to cytochrome oxidase. In complex IV, electrons pass through CuA of MT-CO2 (P00403) and haem a of MT-CO1 (P00395) to the haem a3-CuB centre; 4 Fe(II)-cytochrome c + O2 + 8 H+(in) = 4 Fe(III)-cytochrome c + 2 H2O + 4 H+(out). The respiratory chain creates an electrochemical gradient over the inner membrane that drives the ATP synthase, which couples ATP synthesis by rotation of its central stalk to proton translocation (ATP5F1B, P06576); its c-ring consists of eight c subunits (ATP5MC1, P05496).
Независимое
Teschke R. Alcoholic liver disease: alcohol metabolism, cascade of molecular mechanisms, cellular targets, and clinical aspects Biomedicines, 2018.
doi:10.3390/biomedicines6040106 PubMed 30424581
Финансирование и результат
Финансирование
There was no funding of this article.
Результат
Narrative review. In the liver, ADH (cytosol, NAD+), the microsomal ethanol-oxidizing system with CYP2E1 (endoplasmic reticulum, NADPH and O2) and catalase (peroxisomes, H2O2) oxidise ethanol to acetaldehyde; ADH and MEOS, but not catalase, are relevant in vivo. Km for ethanol: ADH 0.5 to 2.0 mM (animal studies), MEOS 7 to 11 mM, catalase 0.6 to 10 mM. MEOS is induced by chronic alcohol consumption through increased CYP2E1 synthesis. Mitochondrial ALDH oxidises acetaldehyde to acetate, which is released into the blood and oxidised in extrahepatic tissues; ADH and ALDH both generate NADH. The raised NADH/NAD+ ratio stimulates hepatic fatty acid synthesis and alpha-glycerophosphate supply, and acetaldehyde impairs mitochondrial fatty acid oxidation.
Независимое
Watt IN, Montgomery MG, Runswick MJ, Leslie AG, Walker JE. Bioenergetic cost of making an adenosine triphosphate molecule in animal mitochondria Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010.
doi:10.1073/pnas.1011099107 PubMed 20847295
Финансирование и результат
Финансирование
This work was funded by the Medical Research Council.
Результат
In the 3.5 Å crystal structure of the bovine F1-c-ring complex (PDB 2xnd), the c-ring has eight c subunits, so eight protons are translocated per 360° rotation, which produces three ATP: 2.7 protons per ATP. c-Subunit sequences are identical in almost all vertebrates. For each two electrons transferred to oxygen from NADH or succinate, ten or six protons are thought to be pumped out of the matrix; ADP/ATP exchange and phosphate-proton symport add one proton, a cost of 3.7 protons per ATP supplied to the cytoplasm, predicting P/O ratios of 2.7 and 1.6, close to experimental values of 2.5 and 1.5. The proton-motive force generated by respiration drives ATP synthesis.
Независимое
Glancy B, Balaban RS. Energy metabolism design of the striated muscle cell Physiological Reviews, 2021.
doi:10.1152/physrev.00040.2020 PubMed 33733879
Финансирование и результат
Финансирование
This work was supported by funding from the Division of Intramural Research of the National Heart, Lung, and Blood Institute and the Intramural Research Program of the National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Disease.
Результат
Narrative review. Creatine kinase catalyses MgADP + PCr + H+ = MgATP + Cr (Keq 100 at 1 mM Mg2+, pH 7.0) and is believed to operate near equilibrium in heart and skeletal muscle. The PCr pool serves as a short-term buffer for ATP, of small capacity because PCr exceeds ATP only twofold in heart and fourfold in muscle; creatine kinase can transiently maintain ATP using PCr for a few seconds. Bessman and co-workers proposed a creatine kinase shuttle carrying high-energy phosphate from mitochondria to myofibrils; many have questioned it, creatine kinase knockout mice show very modest changes, and the authors conclude the shuttle has a potentially secondary role.
Независимое
Wang Z, Ying Z, Bosy-Westphal A, Zhang J, Schautz B, Later W, et al. Specific metabolic rates of major organs and tissues across adulthood: evaluation by mechanistic model of resting energy expenditure The American Journal of Clinical Nutrition, 2010.
doi:10.3945/ajcn.2010.29885 PubMed 20962155
Финансирование и результат
Участники
131
Финансирование
Supported by National Institutes of Health grant DK081633 and German Research Foundation grant DFG Mu 714/8-3.
Результат
Elia's specific resting metabolic rates in kcal per kg per day: liver 200, brain 240, heart and kidneys 440, skeletal muscle 13, adipose tissue 4.5, residual mass 12. Mean masses by MRI in all 131 subjects: liver 1.39 kg, brain 1.33, heart 0.31, kidneys 0.29, skeletal muscle 26.3, adipose tissue 19.4, residual mass 24.7; measured resting energy expenditure 1575 ± 241 kcal/d against 1588 ± 234 predicted from Elia's values (paired t test P = 0.068). They lay within the 95% CIs in adults aged 21 to 50 years but overestimated by 3% in those over 50, for whom age-adjusted values were liver 194, brain 233, heart and kidneys 426, skeletal muscle 12.6, adipose tissue 4.4 and residual mass 11.6. The authors conclude that the general applicability of Elia's values was validated across adulthood.
Финансирование не установлено
Kühlbrandt W. Structure and function of mitochondrial membrane protein complexes BMC Biology, 2015.
doi:10.1186/s12915-015-0201-x PubMed 26515107
Финансирование и результат
Финансирование
not stated
Результат
Review. States, without a reference or a method, that ATP is produced in the human body at 50 kg per day in a healthy adult and considerably more in a long-distance runner. The article has acknowledgements but no funding or competing-interests statement.
Независимое
Petersen MC, Vatner DF, Shulman GI. Regulation of hepatic glucose metabolism in health and disease Nature Reviews Endocrinology, 2017.
doi:10.1038/nrendo.2017.80 PubMed 28731034
Финансирование и результат
Финансирование
M.C.P. acknowledges grant support from the US National Institutes of Health (NIH; grants F30 DK-104596 and T32 GM-007205). D.F.V. acknowledges grant support from the NIH (grant K23 DK-102874). G.I.S. acknowledges grant support from the NIH (grants R01 DK40936, R01 DK113984 and P30 DK045735).
Результат
Narrative review. Glucagon receptor (GCGR) activation raises cAMP and activates PKA, which inhibits L-type pyruvate kinase, phosphorylates PFK-2/FBPase-2 to favour its phosphatase activity and lower fructose 2,6-bisphosphate, an allosteric inhibitor of FBPase-1 (printed as fructose-2,6-bisphosphatase 1), phosphorylates and inactivates glycogen synthase, and activates phosphorylase kinase, which phosphorylates glycogen phosphorylase at Ser15; PKA also activates the CREB-CBP-CRTC2 complex for gluconeogenic gene transcription. FOXO proteins with PGC1-alpha raise PCK1 and G6PC expression and are excluded from the nucleus after AKT phosphorylation. Glucose enters hepatocytes by facilitated diffusion through GLUT2; glucose allosterically inhibits glycogen phosphorylase; glucose 6-phosphate is the key allosteric activator of GYS2. In overnight-fasted humans under somatostatin, hyperinsulinaemia was required to stimulate hepatic glycogen synthesis and hyperglycaemia to suppress glycogenolysis. Hepatic glucose production and storage are dysregulated in type 1 and type 2 diabetes mellitus, and this imbalance contributes to hyperglycaemia in the fasted and postprandial states. Metformin is used as first-line therapy for type 2 diabetes and acts primarily through the suppression of hepatic gluconeogenesis, by a molecular mechanism that remains under investigation. Several lines of evidence cast doubt on the necessity of AMPK: metformin continues to inhibit glucose production in Ampk-knockout primary mouse hepatocytes and improves glucose tolerance in Ampk-knockout mice to a similar extent as in wild-type mice. Inhibition of mitochondrial complex I is observed only at suprapharmacological, millimolar concentrations, in contrast to the clinically relevant plasma concentration range of 50 to 100 µM in patients who take 2 g of metformin daily. Metformin non-competitively inhibits mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase in isolated hepatocytes with a clinically relevant Ki of about 50 µM, which predicts impaired gluconeogenesis only from the redox-dependent substrates lactate and glycerol and not from pyruvate, alanine or dihydroxyacetone phosphate; the importance of the glycerol-3-phosphate shuttle in gluconeogenesis in the human liver is unclear, so studies in humans are required.

Обновлено 2026-10-21