생물의 전기 ATP는 생물 에너지의 저장고
모든 동물은 세포막에 나트륨을 세포밖으로 펌핑, 칼륨을 세포내로 유입, " 나트륨 조치하기 위한 칼륨 펌프" 라는 구조를 가지고 있습니다. 이 구조는 동물뿐만 아니라, 해조 및 일부 단세포 생물과 박테리아에 존재하는 것으로 인정 받고 있습니다. 또한 모든 식물과 박테리아 포함한 단세포 생물은 수소(이온)을 세포밖으로 퍼내는 "양성자 펌프" 라는 비슷한 구조를 가지고 있습니다.
이들은 모든 세포막의 막 단백질을 통해 이루어지고 있으며, 그 결과 세포 외부가 플러스로 세포 내부가 마이너스로 대전하고 세포 내외에 전위차를 빚고 있습니다. 이것은 "막 전위" 라고되어 있습니다. 모든 생물의 세포 내외에 전위차가 존재한다는 것은 생활이 등장함에 있어서이 막 전위가 필수적 것들이었다는 것임을 의미합니다. 막 전위 내용은 고생물의 교과서에도 나와 있습니다만, 그러나 왜 필요한가에 대해서는 참고서는 커녕 어디에도 명확한 기록 절제가 없습니다. 그래서 논리적 추정을 포함하여 이번에는 막 잠재력의 비밀에 파고 해보고 싶다고 생각합니다.
먼저 세포가 막잠재력을 낳는 구조에 대해 밝혔다 싶습니다. 막 전위는 세포 내외의 물질의 이온 농도의 차이에 의해서 태어납니다. 이 농도 차이를 낳고있는 것이 대표적으로 언급 한 "나트륨 - 칼륨 펌프"입니다. 이 나트륨 펌프를 구동시키고있는 것이, 나트륨 ATP아제 (Na +-ATPase)는 세포막을 관통하는 단백질로, 세포에있는 ATP ※ 인산 결합 에너지를 이용하여 회당 3개의 나트륨 이온(3Na +)를 세포밖으로 펌핑 동시에 두 칼륨 이온(2K +)를 세포에 포함합니다.
이렇게함으로써, 세포 내외의 나트륨과 칼륨의 농도 차이가 생깁니다. 예를 들어이 펌프를 구동하는 유지하는 경우 세포의 나트륨 이온의 수는 세포내 칼륨 이온의 1.5배의 농도입니다. 이 이온의 농도 차이가 전위를 야기할 것입니다. 이 경우 1가 양이온이 세포가 더 진한 상태이기 때문에, 외측이 플러스 안쪽은 마이너스로 대전합니다. 이 나트륨 펌프를 구동시키는 생물의 모든 ATP의 30%의 에너지를 사용하고 있습니다. ※ 세포는 세포 호흡에 의해 유기물을 분해하여 ATP(아데노신 3인산)에 에너지를 축적하고 있습니다.
ATP는 생물 에너지의 저장고입니다. 나트륨 칼륨 펌프보다 원시적인 구조로 생각된다 프로톤 펌프 비슷한 구조로, 또한 세포막을 관통하는 단백질, 양성자 ATP아제(H + ATP 아제)와 양성자 · 피로 인산 가수분해 효소(H + PPase) 등을 이용하여 수소 이온을 세포막밖으로 펌핑 세포 내외에 전위차를 만들어 내고 있습니다. 이 구조는 호기성 박테리아를 기원으로 하고 진핵 생물과 공생한 것으로 알려져있다. 세포의 미토콘드리아의 전자 전달계로 이용되고 있습니다.
그럼 왜 모든 생물은 이처럼 대량의 에너지를 사용해 이온 농도 차이를 만들어 내고있는 것일까요? 나트륨 펌프는 세포의 삼투압 조절에 한몫 하고있는 것으로 알려져 있습니다. 세포 내 물질 농도가 세포 외보다 진한 때문에 방치하면 물이 유입해 오므로, 나트륨을 퍼내는 것으로 세포내 농도를 조정하고 있는 것입니다. 또한 세포막에 나트륨을 통과 나트륨 채널이라는 막 단백질을 포함하고 있으며,이 채널이 열리면 나트륨 농도가 얇은 세포에 나트륨이 힘차게 들어옵니다. 이 기세를 사용하여 여러 가지 물질을 수중에 넣고 있는 것입니다(또한 나트륨 유입으로 전위가 역전하는 것으로, 전기신호에 의해 자극을 전달하는 신경의 기본적인 구조이기도합니다.)
그러나 나트륨 펌프가 없는 세균이나 식물에서 유입된 물을 액포에 저축하고 그것을 방출하는 다른 방법이 존재합니다. 또한 양성자 채널에는 영양을 포함 작용은 없는 것 같습니다. 그래서이 삼투압 조절 및 탐식 작용은 나트륨 펌프의 고유한 기능이 될 수 있습니다. 따라서, 양성자 펌프를 포함하여 공통된 기능은 말 그대로 막 안팎에 전위차를 만들게 좁혀집니다. 전위차는 전자의 흐름을 만들어냅니다. 이 경우 전자는 막 안쪽에서 바깥쪽으로 흐름 동의에 의하여 거꾸로 막 바깥 쪽에서 안쪽에 미약한 전류가 흐르고 있습니다.
즉 전기 에너지를 저장하기 위해 전위가 만들어져 있다고 생각되는 것입니다. 그리고 최근 연구에 의해 미약 전류는 ATP합성을 촉진하는 것으로 알려져 왔습니다. 즉 전기 에너지에 의해 생물은 단백질과 RNA합성에 필수적인 (그 에너지 원이다) ATP를 만들어 내고있는 것입니다. 또한 고세균이 ATP의 에너지 편모를 구동시켜 운동하고 있습니다. 즉 물질 합성과 운동을 위해 생물 세포막 전위를 만들어 그 전기 에너지를 활용하는 것입니다. 생활이 전기 에너지를 도입하고 다니, 약간의 놀라움이군요.
막 전위 프로톤펌프 생물은 진화사상은 먼저 양성자 펌프에 의해 막 전위를 생성 후, 동물을 시작하고 더 큰 에너지를 필요로하는 생물들이 에너지 효율이 높은 나트륨 펌프로 바꿔 갔다 라고 생각됩니다. (참고 실은 동물들도 현재도 전자 전달계 이외에도 양성자 펌프를 사용하고 있습니다만, 세포막의 여포에서 이물질을 감싸 소포를 강산성하고 이물질을 분해하는 최종 시토시스등의 목적으로 전용되 간것입니다.) 그러나 마지막에 수수께끼가 남아 있습니다. 이러한 나트륨 펌프와 양성자 펌프를 구동 시키는데 ATP를 생물은 사용하고 있습니다(혹은 이들의 단백질을 만드는데도 ATP를 사용하고 있습니다.
하면, ATP (생체내의 화학 에너지)가 먼저, 막 전위(전위차 전기 에너지)이 먼저 생긴것인가하는 문제입니다. 이에 대해서는 아마 (막)전위 것이라고 생각합니다. 실제로 박테리아 중에는 빛 에너지를 사용하여 (ATP를 사용하지 않고) 막 전위를 일으키는 종류의 생물이 있습니다. 마지막으로, 생명의 기원에서 전위차가 있는 공간이 단백질과 핵산등의 물질 합성을 촉진함으로써 생활이 등장했다고 생각 최신 연구를 소개하고이 엔트리를 끝 싶습니다.
현재 모든 세포는 ATP 합성 효소라는 효소가 세포막을 가로 지르는 이온의 흐름에 의한 에너지를 사용하여 범용 에너지 저장 분자의 ATP를 만든다. 그리고이 필수 과정은 이러한 경사를 낳는 이온 펌프 단백질에 의존한다. 그러나 이것은 '닭이 먼저 냐, 달걀이 먼저 냐'라는 문제를 야기할. 세포는 이온 구배를 만드는 단백질을 이용하여 에너지를 저장하지만, 그것은 첫 번째 단계에서 단백질을 만드는 데 에너지를 사용한다.
레인 마틴은 수소가 포화된 알칼리성 물이 해저 분출공에서 산성 해양물에 만남 촉매성 철 - 황 미네랄이 풍부한 암석의 얇은 광물 「벽」을 통해서 자연의 양성자 구배를 만들었다고 주장한다. 이 설정은 이산화탄소와 수소를 유기적인 탄소 함유 분자로 바꾸고 그것이 서로 작용하여 뉴클레오티드와 아미노산 등의 생활 물자를 만들기 위하여 올바른 환경을 만들 것이다.