피로인산염

1. 개요

피로인산염은 화학 물질로, 피로인산의 염 또는 에스터를 의미한다. 피로인산은 4개의 산 해리 상수를 가지는 4염기산이며, 생리학적 pH에서 이중 및 단일 양성자화 형태의 혼합물로 존재한다. 피로인산염은 백색 또는 무색의 결정으로, 알칼리 금속 염은 물에 용해되며, 금속 이온에 대한 킬레이트제로 산업 화학에서 사용된다. 생화학에서, 피로인산은 ATP가 AMP로 가수분해되어 형성되며, 테르펜 합성의 전구체로도 사용된다. 또한, 다양한 피로인산은 식품 가공에서 유화제, 안정제, 산도 조절제 등으로 사용되며, E450으로 분류된다.

2. 화학

피로인산(PP_i)은 세포 내에서 ATP가 AMP로 가수분해될 때 생성되는 물질이다.
:ATP → AMP + PP_i

예를 들어, 뉴클레오타이드가 중합효소에 의해 DNA나 RNA 가닥에 첨가될 때 피로인산이 방출된다. 가피로인산분해는 피로인산이 3'-뉴클레오사이드 일인산(NMP 또는 dNMP)과 반응하여 올리고뉴클레오타이드에서 제거되는 뉴클레오사이드 삼인산(DNA에서 dNTP 또는 RNA에서 NTP)을 방출하는 중합반응의 역반응이다.

피로인산 음이온()은 인산염의 산 무수물이며, 수용액에서 불안정하여 무기 인산으로 가수분해된다.
: + H₂O → 2 HPO₄^2-
생물학자들은 이를 다음과 같이 간단히 표기하기도 한다.
:PP_i + H₂O → 2 P_i + 2 H⁺

효소 촉매작용이 없을 때, 피로인산, 선형 삼인산, ADP, ATP와 같은 단순 폴리인산의 가수분해 반응은 매우 산성인 환경을 제외하고는 매우 느리게 진행된다.

이러한 가수분해 반응의 역반응, 즉 인산염을 가열하여 피로인산염을 제조할 수 있다.

무기 인산염으로의 가수분해는 ATP의 AMP와 PP_i로의 분해를 비가역적인 반응으로 만들고, 이 가수분해와 결합된 생화학 반응 또한 비가역적이게 된다.

PP_i는 활액, 혈장, 소변에서 석회화를 억제하기에 충분한 농도로 존재하며, 세포외액에서 수산화인회석 형성의 자연적인 억제제일 수 있다. 세포는 세포 내 PP_i를 세포외액으로 전달할 수 있으며, ANK는 세포 외 PP_i 수준을 조절하는 비효소적 막 PP_i 통로이다. ANK의 기능 이상은 낮은 세포 외 PP_i 및 높은 세포 내 PP_i와 관련이 있다. 엑토뉴클레오타이드 피로포스파테이스/포스포다이에스터레이스(ENPP)는 세포 외 PP_i를 증가시키는 기능을 할 수 있다.

고에너지 인산 계산에 따르면, ATP를 AMP와 PP_i로 가수분해하려면 2개의 고에너지 인산이 필요하며, AMP를 ATP로 다시 만들기 위해서는 2번의 인산화 반응이 필요하다.
:AMP + ATP → 2 ADP
:2 ADP + 2 P_i → 2 ATP

무기 피로인산의 혈장 농도는 0.58–3.78 µM (95% 예측 구간)이다.

피로인산은 4개의 서로 다른 pK_a를 갖는 4염기산이다.
:H₄P₂O₇ ⇌ [H₃P₂O₇]^- + H⁺, pK_a1 = 0.85
:[H₃P₂O₇]^- ⇌ [H₂P₂O₇]^2- + H⁺, pK_a2 = 1.96
:[H₂P₂O₇]^2- ⇌ [HP₂O₇]^3- + H⁺, pK_a3 = 6.60
:[HP₂O₇]^3- ⇌ [P₂O₇]^4- + H⁺, pK_a4 = 9.41

pKa 값은 탈양성자화가 별도의 인산기에서 발생하기 때문에 두 개의 뚜렷한 범위에서 나타난다. 인산의 pK_a 값은 2.14, 7.20, 12.37이다.

생리학적 pH에서 피로인산은 이중 및 단일 양성자화 형태의 혼합물로 존재한다.
인산이수소나트륨의 열적 축합 또는 피로인산의 부분적 탈양성자화에 의해 피로인산이나트륨이 제조된다.

피로인산염은 일반적으로 백색 또는 무색이며, 알칼리 금속 염은 물에 용해된다. 피로인산염은 금속 이온(칼슘 및 많은 전이 금속 등)에 대한 훌륭한 착화제(킬레이트제)이며 산업 화학에서 여러 용도로 사용된다. 피로인산염은 전체 폴리인산염 계열의 첫 번째 구성원이다.
피로인산은 처음에 인산을 가열하여 제조되었으며(그리스어 pyro-는 불을 의미), 훌륭한 착화제이며 공업 화학에서 다양한 용도로 사용된다. 또한 폴리인산류에 포함된 가장 작은 단위이다.

피로인산이라는 용어는 디메틸알릴 이인산과 같이 무기 인산과 생물 화합물과의 축합 반응에 의해 생성되는 에스테르의 명칭이기도 하다. 이 결합은 고에너지 인산 결합이라고도 불린다.

2.1. 피로인산 테트라에틸

피로인산 테트라에틸의 합성은 1854년 필립 드 클레르몽(Philip de Clermount)에 의해 프랑스 과학 아카데미 회의에서 처음 발표되었다.

3. 생화학

피로인산 음이온(P₂O₇⁴⁻)은 PP_i로 약칭되며, 세포 내에서 ATP가 AMP로 가수분해될 때 생성된다.

:ATP → AMP + PP_i

뉴클레오타이드가 중합효소에 의해 신장되는 DNA 또는 RNA 가닥에 첨가될 때 피로인산(PP_i)이 방출된다. 가피로인산분해는 피로인산이 3'-뉴클레오사이드 일인산(NMP 또는 dNMP)과 반응하는 중합반응의 역반응으로, 올리고뉴클레오타이드로부터 제거되는 상응하는 뉴클레오사이드 삼인산(DNA로부터 dNTP 또는 RNA로부터 NTP)를 방출한다.

피로인산 음이온은 수용액에서 불안정하며 무기 인산으로 가수분해된다.

:PP_i + H₂O → 2 P_i + 2 H⁺

효소 촉매작용이 없는 경우 피로인산, 선형 삼인산, ADP, ATP와 같은 단순 폴리인산의 가수분해 반응은 매우 산성인 매질을 제외하고는 매우 느리게 진행된다.

무기 인산염으로의 가수분해는 ATP의 AMP와 PP_i로의 분해를 비가역적인 반응으로 만들고, 이와 결합된 생화학적 반응도 비가역적이다.

PP_i는 활액, 혈장, 소변에서 석회화를 차단하며, 세포외액에서 수산화인회석 형성을 억제한다. 세포는 세포 내 PP_i를 세포외액으로 전달하며, ANK는 세포 외 PP_i 수준을 유지하는 비효소적 막 PP_i 통로이다. 막 PP_i 통로 ANK의 기능 결함은 낮은 세포 외 PP_i 및 높은 세포 내 PP_i와 관련이 있다. 엑토뉴클레오타이드 피로포스파테이스/포스포다이에스터레이스(ENPP)는 세포 외 PP_i를 높이는 기능을 한다.

고에너지 인산 계산에서 ATP를 AMP와 PP_i로 가수분해하려면 2개의 고에너지 인산이 필요하며, AMP를 ATP로 재구성하려면 2번의 인산화 반응이 필요하다.

:AMP + ATP → 2 ADP
:2 ADP + 2 P_i → 2 ATP

무기 피로인산의 혈장 농도는 0.58–3.78 µM (95% 예측 구간)의 참조 범위이다.

3.1. 테르펜 합성

아이소펜테닐 피로인산은 수만 가지의 테르펜 및 테르페노이드의 전구체인 제라닐 피로인산으로 전환된다.

4. 식품 첨가물

다양한 피로인산은 식품 가공에서 유화제, 안정제, 산도 조절제, 팽창제, 금속이온 봉쇄제, 보수제로 사용된다. 이들은 E 번호 체계에서 E450으로 분류된다.

* E450(a): 피로인산 이나트륨, 피로인산 삼나트륨, 피로인산 사나트륨(TSPP), 피로인산 사칼륨
* E450(b): 삼인산 오나트륨, 삼인산 오칼륨
* E450(c): 폴리인산 나트륨, 폴리인산 칼륨

특히 휘핑 크림을 안정화시키기 위해 다양한 피로인산 제형이 사용된다.