从宏观现象到微观机制 —— ATP能否进出细胞呢？

    这让我想起本科阶段听闻一些学者对于“蛙腓肠肌收缩实验”与“萤火虫发光器体外实验”不能用于证实“ATP是主要能源物质”的评述。

↑萤火虫发光器体外实验

    大意是肌肉的收缩主要靠肌肉细胞胞内肌球蛋白的ATP酶活性消耗ATP，萤火虫发光靠发光器细胞胞内位于过氧化物酶体的荧光素酶消耗利用ATP（过氧化物酶体膜含有将细胞质基质中的ATP运输到过氧化物酶体内的转运蛋白）但如果从外界供应ATP，ATP是无法进入细胞的。

    在实验中出现相应实验现象的原因：胞外的ATP以及由它降解而成的ADP、AMP和腺苷可以作为信号分子，通过与膜上的嘌呤能受体（purinergic receptor)结合再进一步起作用。Eg:哺乳动物中胞外的ATP 通过与特定的P2受体结合，激活嘌呤能信号通路，参与许多生理和病理过程，它们包括凝血、炎症或败血症发生等过程。

    问题的提出：细胞内产生 ATP 的场所有线粒体、叶绿体等，但消耗ATP的生化反应则发生在很多细胞器内。ATP是如何跨膜运输到相应位置发挥作用的？以下是关于ATP进出细胞的详细阐述：

1. ATP进入细胞的方式

原核生物：某些寄生的细菌、衣原体和立克次体需要从宿主细胞获得ATP，涉及到宿主细胞细胞质基质中的ATP通过寄生细菌细胞膜上的ATP-ADP交换体进入寄生细菌的胞内。

真核生物：绝大多数生物的细胞无同款运输蛋白，是无法把胞外的ATP运输到胞内的。对于这些生物来说，ATP只有降解成腺苷以后才能在膜上的核苷运输蛋白的帮助下被跨膜转运到胞内。

2. ATP可以运输到胞外

真核细胞，ATP 释放主要有两种不同的机制：①通道介导的释放；②囊泡介导的释放。

①通道运输：ATP 可以通过几种不同的嘌呤能信号外排途径出细胞。已发现动植物都能通过阴离子通道ABC转运体等几种跨膜运输方式出细胞膜。

②胞吐：以动物细胞胞吐释放 ATP 作为神经递质为例。需要一类叫小泡核苷酸转运蛋白（vesicular nucleotide transporter，VNUT）介导的运输，将胞内的ATP先输送到小囊泡内。囊泡中积累的 ATP 在细胞受刺激时通过胞吐作用排出，并与靶细胞表面的嘌呤受体结合，然后触发细胞内信号传递。

ATP 如何跨线粒体膜线粒体是产生 ATP 的主要场所，是细胞的“动力车间”。这样一定存在着一种机制保证线粒体内的 ATP 能及时运输到线粒体外。

20 世纪 60 年代研究发现，线粒体内膜上有核基因编码的专门运输 ATP 和 ADP 的转运体蛋白（ADP/ATP carriers，AAC）。AAC 在线粒体内膜上分布非常丰富，有 2 种 构 象 状 态 。当处于2种构象的交换状态时，其结合 ATP 和ADP 的位点分别暴露于线粒体基质侧和细胞质基质侧时，ATP 或 ADP 才能结合上去，从而实现ATP 出线粒体和 ADP 进线粒体。其转运过程如下：

叶绿体在光合作用过程中能产生大量 ATP， 用于暗反应或者叶绿体内其他耗能的代谢过程。然而，在无光或光合作用产生 ATP 不足的条件下，叶绿体却依赖于外部能量供应用于蛋白质等物质合成。

叶绿体内膜上所有转运蛋白的运输作用都是靠浓度梯度转运的，这一点与线粒体有很大不同。核苷酸转运体（nucleotide translocator，NTT） 是存在于所有类型质体上的一种转运体。NTT 负责将 ATP 转运进质体，同时将 ADP和Pi转出到细胞质基质。

内质网：人们从拟南芥中鉴定出了第一个内质网腺苷酸转运蛋白（endoplasmic reticulum-adenine nucleotide transporter1,ER-ANT1）。该蛋白同样催化ATP/ADP 的交换，从而向内质网腔提供ATP。

高尔基体：由于发现了酵母细胞和哺乳动物细胞的高尔基体能大量摄取 ATP 和核苷酸糖的有力证据，故人们推测在植物高尔基体膜上也一定存在着类似的 ATP跨膜机制.

过氧化物酶体：在过氧化物酶体膜上有一种名为过氧化物酶体腺嘌呤核苷酸载体（peroxisomal adenine nucleotide carrier，PNC）的蛋白载体，负责将 ATP 运输进过氧化物酶体内，以交换 ADP 或 AMP。

后记：ATP 的能量货币功能及细胞内各种物质代谢之间错综复杂的联系，使得 ATP 能在众多细胞器之间进行跨膜运输。由于细胞生命现象的复杂性，人们尚未能完全揭示 ATP 的各种跨膜运输方式的具体机制，众多与之相关问题都有待进一步研究。

ATP具有多重身份：是能源物质、是信号分子（Eg:神经递质）、还是…ATP可以在胞内作为一些重要分子合成的原料（如第二信使cAMP),还可以作为胞内多种限速酶的别构激活剂（如糖酵解的1,6-二磷酸果糖磷酸酶）或抑制剂（磷酸果糖激酶1）调节相关酶的活性。

文献来源：[1]冯国庆.有关ATP跨膜运输的介绍[J].生物学通报,2022,57(10):56-59.