아데노신 삼인산

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아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP)은, 아데노신(adenosine)의 골격에 3개(tri)의 인산기(phosphate)가 화학적으로 결합되어 있는 물질이다. 아데노신(adenosine)은 아데닌(adenine)이 리보스(ribose)의 일부에 글리코사이드 결합(glycosidic bond)에 의해 이어져 있는 뉴클레오사이드(nucleoside)이다. ¹⁾²⁾

아데노신 삼인산(ATP)의 화학 구조()

아데노신 삼인산은 에너지원으로서의 주요 역할과, 능동 이동/세포 신호/세포 구조 정비/근육 수축/데옥시리보핵산(DNA) 및 리보핵산(RNA) 중합 관여 등의 기타 역할을 수행한다.^3)4)5)6)

아데노신 삼인산은 생명체의 주된 에너지원으로서, 고에너지의 인산 결합이 깨어져 아데노신 이인산(adenosine diphosphate, ADP)을 만드는 과정에서 약 7.3 kcal/mol의 에너지를 방출한다. 아데노신 삼인산은, 구조적으로 음전하(-1가) 4개가 반발을 극복하고 좁은 공간에 몰려있어서, 불안정한 고에너지 화합물 구조를 가지고 있다. 따라서 인산기가 하나 떨어지게되면 반발력이 줄어들고, 에너지가 발생한다. 이때 생성되는 에너지는 특정 물질의 수송이나 생체 내 신진 대사에 사용된다. 이러한 이유로 아데노신 삼인산은 '세포의 에너지 화폐'라고도 불린다. 이는 마치 은행에 돈을 저금하는 것과 비교될 수 있다. 지방질이 장기 저축이라면, 아데노신 삼인산은 수시로 쉽게 꺼내 쓸 수 있는 현찰(currency)이라고 생각할 수 있다.

동물은 음식으로부터 얻은 에너지를 아데노신 삼인산으로 저장하며, 식물은 아데노신 삼인산 분자의 광합성 과정에서 빛으로부터 얻은 에너지를 저장한다. 아데노신 삼인산은 ATP-ADP 순환체계(cycle)를 통해 순환하며, 이러한 과정을 통해 생명체 내 에너지 전달 및 순환이 일어난다.

ATP-ADP 순환체계()

아데노신 삼인산은 단백질(protein) 및 지질(lipid)과 같은 고분자의 수송에 중요한 역할을 한다. 또한, 세포 내 이입(endocytosis) 및 세포 외 방출(exocytosis)과 관련하여 수용체(receptor) 활성화 등 신호 전달에도 깊게 관여한다. 단백질의 활성화(activation)에 있어, 단백질 카이네이스(protein kinase)는 아데노신 삼인산에서 인산화기 하나를 떼어내어 단백질 내 수산화기(hydroxyl group)에 부착함으로써 단백질의 활성을 조절한다. 단백질 카이네이스에 의해 인산화기가 부착될수 있는 단백질의 아미노산(amino acid)은 세린(serine, Ser), 트레오닌(threonine, Thr), 타이로신(tyrosine, Tyr)이 있다.

이밖에도, 아데노신 삼인산은 세포 구조 성분의 집합을 도와 세포의 구조물을 보존하는 역할, 근육 수축에 필요한 액틴(actin)의 결합 촉진, 데옥시리보핵산(DNA)/리보핵산(RNA)의 중합 관여 등 생물학적으로 매우 중요한 부분에 넓게 관여한다.

대부분의 생명체에서 아데노신 삼인산의 합성(synthesis)은 생명 활동을 위해 필수적이다. 아데노신 삼인산은, 진핵생물(eukaryota)의 세포 호흡(cellular respiration)을 통한 당의 해당(glycolysis), TCA 회로(tricarboxylic acid, TCA cycle), 전자 전달계(electron transport chain)를 차례로 거쳐 합성이 이루어진다. 1개의 포도당 분자는 평균적으로 아데노신 삼인산 30-32개 분자를 만들 수 있다. 포도당의 해당과 TCA 회로에서 이루어지는 아데노신 삼인산의 생체 내 합성은, 포도당 분해 과정에서 발생되는 에너지를 사용하여 이루어진다.⁷⁾⁸⁾

TCA 회로는 시트르산 회로(citric acid cycle) 또는 크렙스 회로(Krebs cycle)라고도 불리며, 세포 호흡의 중간 과정 중 하나이다. 산소 호흡을 하는 생물에서 탄수화물, 단백질, 지방 등의 에너지원의 분해 과정에서 얻은 아세틸-CoA(acetyl-CoA)를 이산화 탄소(carbon dioxide, CO2)로 산화(oxidation)시키는 과정에서 발생되는 에너지를 아데노신 삼인산으로 일부 저장하고, 나머지 에너지를 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD), 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(flavin adenine dinucleotide, FAD) 등의 형태로 저장하는 일련의 화학 반응 과정이다.⁹⁾¹⁰⁾

TCA 회로 요약도()

아데노신 삼인산은 ATP 합성효소(ATP synthetase, 또는 ATP 생성효소)에 의해서도 합성이 이루어진다. 이 효소는 미토콘드리아(mitochondria)에 위치하고 있으며, 세포 호흡의 하위 과정인 전자 전달계에 의해 생기는 수소 이온의 이동으로 인한 pH 차이와 전압 차이를 이용하여 아데노신 이인산을 인산화(phosphorylation)함으로써 아데노신 삼인산을 생성한다. 이와 관련된 연구 업적을 인정 받아 1997년 폴 보이어(Paul D. Boyer)와 존 워커(John E. Walker)가 노벨 화학상을 받았다.

미토콘드리아에서의 아데노신 삼인산 합성은 생물학적으로 매우 중요한 역할이며, 생명체의 생명유지 및 질병과도 밀접한 관계를 가지고 있다.¹¹⁾¹²⁾

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