ATP 아데노신 삼인산

개요

아데노신 삼인산(adenosine三燐酸, 영어: adenosine triphosphate, ATP)은 생명체의 주된 에너지 단위 공급원이다. 무기 인산 하나가 끊어질 때마다, 용수철마냥 압축되어 있던 6.9kcal의 에너지가 방출된다.

이게 도대체 뭔가?

동물의 몸에서 쓰는 화폐라고 보면 된다. 호흡과 식사는 이걸 만들려고 하는 행위고 만들어진 ATP는 생명 활동에 쓰이는데, 미토콘드리아가 이걸 합성한다.

그러니까 구체적으로 어떻게?

생물체가 영양소를 분해하여 ATP를 만드는 활동을 세포호흡이라고 한다. 세포호흡은 탄수화물, 지방, 단백질을 이용하여 진행되며 그중에서 포도당이 가장 널리 쓰인다. ATP는 해당 과정과 TCA회로에서도 합성이 되지만 대부분은 미토콘드리아 막 사이 공간에서 합성된다.

ATP 합성에 필요한 원동력은 pH 차이이며, 미토콘드리아 기질보다 막 사이 공간의 pH가 높으면 수송 단백질에 의해, 해당 과정과 TCA에서 주야장천 만들어 놓은 NADH나 FADH2 같은 전자 운송체에서 전자와 수소 이온이 방출된다.

이때 전자가 전자 전달계를 거치면서 수소 이온이 수송 단백질을 통해 막 사이 공간으로 이동하게 된다. 이 수송 단백질인 시토크롬은 보결족으로 철 3가 이온을 쓰는데, 수송 단백질의 종류는 철 이온에 붙은 리간드의 모양에 따라 결정된다. 다양한 종류의 시토크롬은 여러 단계의 에너지 준위로 분리되어, 순서대로 고에너지 전자에서 골수까지 에너지를 뽑아 먹고, 산소에 전자를 갖다 버린다.

참고로 청산가리가 사약이었던 이유가 여기에 있다. 시안화 이온이 철과 잘 배위한다 = 시토크롬 철 이온이 안정화된다 = 더 이상 전자 운반을 못한다는 소리다. 즉, 이거 처먹으면 산소가 있어도 호흡을 못 해서 뒤진다. 물론 체내 세포에 접근하기도 전에 헤모글로빈에 있는 철이랑 먼저 반응해서 적혈구가 다 뒤진다.

그러면 기질 내부보다 막 사이 공간의 pH가 낮아지는 시점이 오는데, ATP합성효소에 의해 수소 이온이 미토콘드리아 보지로 들어올 때 ADP와 무기 인산(P)이 합해져 ATP로 전환된다.

ATPase는 그림처럼 ADP와 무기 인산이 들어가면, 중심의 양성자 물레방아가 회전하며 그 힘으로 ATP를 만들어낸다. 모든 생물의 ATPase 모터는 6엽으로 이루어져 있다. 에너지 효율은 포도당을 100이라고 했을 때 약 38이며, 나머지는 열로 전환되어 체온을 유지하거나 한다. 그러니 실질적인 효율은 세상에 존재하는 어떤 내연기관보다도 비교할 수 없을 정도로 높은 셈이다.

TCA 회로 TCA cycle

TCA 회로 TCA cycle, 시트르산 회로, 크렙스 회로

TCA 회로는 시트르산 회로라고도 한다. 들어온 아세틸 CoA의 탄소 원자 하나는 한 cycle 후에, 다른 탄소 원자는 세 cycle을 돌고 난 후에 이산화탄소로 빠져나간다. 이 회로에 들어오는 아세틸 CoA는 피루브산 유래가 100%가 아니고, 2n개의 탄화수소를 가진 지방을 베타 산화해서 나온 부분도 있다.

해당 작용에서 생성된 피루브산에서 수소와 전자를 뽑아내서, 고에너지인 아세틸-COA를 만든다. 그리고 이 아세틸-COA를 옥살로아세트산 회로에 붙인 후 순환시켜 에너지(GTP)와 후에 벌어지는 전자전달계를 위한 전자수용체(FADH2, NADH+)를 형성한다. 쉽게 말해 비교적 환원된 형태인 케톤이나 알데히드를, 카복실산을 거쳐 이산화탄소 같은 산화된 물질로 뽑아내는 과정에서 생성되는 에너지원을 저장하는 것이다.

이 과정에서 생성되는 물질 중 가장 중요한 네 가지는(말산, 옥살로아세트산, 알파케토글루타르산, 시트르산) 몸에서 가장 중요한 아미노산, 지방산, 핵산 등을 생합성하는 전구체로 쓰인다.

저 모든 과정 중 6탄소에서 5탄소로 가는 탈수소화 반응의 원리를 예시로 살펴보자. 먼저 전자 운반체를 이용해 secondary OH를 케톤으로 산화시키는 쉬운 반응부터 하고, 이어서 유기화학 시간에 배우는 베타-케토산의 자발적인 decarboxylation을 진행하는 걸 알 수 있다. 후자의 과정은 대개 금속 이온 보결족과 효소 내 환경이 전자 이동의 원동력을 제공한다.