三磷酸腺苷（ATP）是一种核苷酸，是活细胞中化学能量的主要载体之一。通过与其分解相偶联的反应，ATP为生物合成、物质运输和运动提供支持。它将代谢中释放能量的过程与需要能量的活动联系起来，因此被广泛称为细胞的“能量货币”。ATP也是合成RNA所用的基本原料，因此其生物学意义并不限于能量传递。(ncbi.nlm.nih.gov)
化学结构
ATP由含氮碱基腺嘌呤、五碳糖核糖和三个磷酸基团组成。腺嘌呤与核糖结合形成腺苷；磷酸链连接在核糖的5′位碳原子上。从最靠近核糖的基团开始，三个磷酸基团依次称为α、β和γ磷酸基团。核糖与α磷酸基团之间通过磷酸酯键连接，而相邻磷酸基团之间的两处连接则是磷酸酐键。(ncbi.nlm.nih.gov)
移除末端磷酸基团会生成二磷酸腺苷（ADP）；以焦磷酸的形式移除两个磷酸基团则会生成一磷酸腺苷（AMP）。在细胞内的条件下，ATP的磷酸基团带有负电荷。在许多酶催化反应中，ATP与镁离子结合形成复合物，镁离子与磷酸基团中的氧原子配位，帮助底物以适当的位置和取向参与反应。因此，实际参与反应的底物往往是镁–ATP复合物，而不是未形成复合物的ATP。(ncbi.nlm.nih.gov)
水解与自由能
一种常见的消耗ATP的反应是水解，用简化的生物化学反应式表示如下：
ATP + H₂O → ADP + Pᵢ
其中，Pᵢ表示无机磷酸。该反应的吉布斯自由能变化为负值。在常规生物化学标准条件下，其标准转化自由能变化约为−30.5千焦耳每摩尔。在细胞内，实际数值取决于ATP、ADP和磷酸的浓度，通常比这一标准值更负。因此，ATP所能提供的可用能量并不是一个与周围环境无关的固定值。(ncbi.nlm.nih.gov)
ATP的磷酸基团之间的连接常被称为“高能键”，但这一说法描述的是整体反应在自由能变化上的有利性，并不意味着这是一种仅在断裂时就会释放能量的特殊化学键。断开化学键需要能量；反应之所以在能量上总体有利，是因为反应物完整地转化成了能量状态更有利的产物。酶能够调控反应途径和速率，但不会改变反应本身的自由能差。(ncbi.nlm.nih.gov)
另一些反应则将ATP转化为AMP和焦磷酸。焦磷酸随后的水解有助于推动这些反应向前进行。细胞通过反应偶联来利用这些转化：消耗ATP的过程与原本不利的过程共用中间产物，或在同一套分子机器中进行。仅仅在附近通过ATP水解释放热量，并不能实现等效的偶联。(ncbi.nlm.nih.gov)
ATP的生成
细胞不断利用ADP和无机磷酸再生ATP。在底物水平磷酸化中，磷酸基团从代谢中间产物直接转移到ADP上。这种反应发生在分解葡萄糖的糖酵解过程中，也发生在与柠檬酸循环相关的一个步骤中。糖酵解能够产生ATP，而不直接需要分子氧。(ncbi.nlm.nih.gov)
在有氧细胞呼吸中，大量ATP通过氧化磷酸化形成。电子沿膜上的呼吸链传递，建立起电化学梯度。在真核细胞的线粒体中，这一梯度存在于内膜两侧。ATP合酶将质子顺着这一梯度流动的过程与ATP的形成相偶联。其旋转机制把电化学能转化为催化位点的变化，使这些位点能够结合底物并释放ATP。(ncbi.nlm.nih.gov)
在光合作用中，光驱动的电子传递也会建立梯度，为ATP合酶提供动力。在植物的叶绿体中，这一过程发生在类囊体膜两侧。光依赖反应产生的ATP为后续生物合成反应，包括碳固定，提供能量。因此，呼吸作用和光合作用运用了相近的膜能量转换原理，尽管两者的初始能量来源不同。(ncbi.nlm.nih.gov)
细胞做功与生物合成
ATP通过活化底物，使原本不利的生物合成步骤得以进行，从而支持细胞完成化学功。例如，氨基酸在连接到转运RNA之前，需要先经过依赖ATP的活化，为其随后被掺入蛋白质做好准备。ATP并不是蛋白质合成中唯一携带能量的核苷酸：GTP也为翻译（生物学）的重要步骤提供动力。(ncbi.nlm.nih.gov)
依赖ATP的转运酶能够逆着电化学梯度，将物质运过细胞膜。钠钾ATP酶就是一个研究充分的例子。ATP的消耗还通过分子马达驱动机械过程，包括肌肉收缩和细胞内运动。这些活动依赖于核苷酸结合、水解、产物释放和蛋白质构象变化之间相互协调的循环。(nobelprize.org)
ATP在转录（生物学）过程中充当活化的前体。RNA聚合酶将ATP的一磷酸腺苷部分掺入不断延长的RNA链，同时释放焦磷酸。因此，ATP既为RNA合成提供原料，也提供化学驱动力。直接用于脱氧核糖核酸合成的相应含腺嘌呤前体是三磷酸脱氧腺苷，即dATP，其中含有的是脱氧核糖，而不是核糖。(ncbi.nlm.nih.gov)
细胞外信号传递
ATP也在细胞外充当信号分子。它能够与P2X受体结合，这类受体是由ATP门控的离子通道。结构研究揭示了ATP在细胞外位点结合后如何引发构象变化，使通道打开，从而允许阳离子跨膜通过。这种由受体介导的作用不同于ATP在细胞内的功能：此时ATP作为配体触发响应，而不是作为被水解的燃料来直接为通道提供动力。(nature.com)