[생물 임용 노트]생체 에너지론 - 3) ATP와 인산기 전달

구조와 특성

질소 염기인 아데닌, 5탄당 리보스, 3개의 인산으로 구성된다.

ATP의 결합 구조

γ 결합이 끊어질 때를 기준으로 표준상태 가수분해시 △G=-30.5KJ/mol(≒7.3Kcal/mol)이다. 실제 세포에서는 78% 높은 13Kcal/mol이 방출된다.
ATP는 ATP^4- 상태로 불안정하여 실제로 Mg²⁺, Mn²⁺, Mo²⁺ 같은 2가 양이온과 결합하여 Mg·ATP^2- 상태로 반응을 한다.

인산 화합물을 통한 에너지의 흐름

음의 값이 큰 △G'°을 가진 생성물은 안정한 생성물을 형성하려고 한다.

• 정전기적 반발 완화 - ATP로 에너지를 전달하며 가수분해
• 이온화 - 인산화합물화, 싸이오에스터기 추가
• 이성질화
• 공명

인산기 전달을 통한 에너지 공급

ATP는 단순한 가수분해가 아닌 인산기 전달로 에너지를 공급한다. 단순한 열은 반응을 추진하지 않는다.

인산기를 통한 에너지 전달 예시

인산기의 흐름

△G'° = -25KJ/mol을 기준으로

• 이보다 큰 △G'°을 갖는 화합물을 고에너지 화합물이라고 한다.
• 이보다 작은 △G'°을 갖는 화합물을 저에너지 화합물이라고 한다.

고에너지 인산 화합물은 ADP + P_i → ATP 과정을 경유하여 저에너지 화합물로 변환된다.

• 예시
  PEP + H₂O → Pyruvate + P_i / △G'° = -61.9KJ/mol
  ADP + P_i → ATP + H₂O / △G'° = 30.5KJ/mol
  최종 : PEP + ADP → Pyruvate + ATP / △G'° = -31.4KJ/mol

인산기 흐름과 에너지 흐름

ATP의 이용

1. P_i, PP_i, 아데닌기 제공 - ATP의 친핵치환 과정
2. RNA 전구체
3. 단백질 구조 변화
4. 에너지원

세포에서 ATP의 생성

• 기질 수준 인산화 : 고에너지 인산 공여체에서 ADP에 인산기가 전이되어 ATP가 생성되는 반응이다.
• 화학삼투적 인산화 : 수오 이온(양성자) 농도 기울기에 의한 자유에너지로 ADP와 P_i가 ATP로 합성되는 것.

세균, 미토콘드리아, 엽록체 비교

	H+ pump 위치	ATP synthase 종류	H+ 이동 방향
미토콘드리아	내막	F0-F1	기질 → 막간강
세균	세포막	F0-F1	세포질 → 주변 세포질
엽록체	틸라코이드막	cF0-cF1	스트로마 → 틸라코이드강

야켄도르프 실험

• 암조건 엽록체를 pH4인 완충용액에 넣어 일정시간 배양한 후 엽록체의 스트로마와 틸라코이드 강을 pH를 4로 바꾼 후, pH8의 완충용액에 ADP와 p_i를 첨가함
• 이 과정에서 ATP가 빠르게 합성되는 것을 관찰함
• 엽록체에의 ATP 합성에 사용되는 직접적인 에너지는 빛이 아니라 pH 차이에 의한 자유에너지라는 것을 밝힘