폴리인산염

3. 형성 및 합성

폴리인산염은 인산 유도체의 중합으로 생성된다. 이 과정은 두 개의 인산염 단위가 축합 반응을 통해 결합하면서 시작된다.

: 2 H(PO₄)^2- (P₂O₇)^4- + H₂O

이 반응은 역반응인 가수분해도 가능하기 때문에 평형으로 나타낼 수 있다. 이 과정은 단계적으로 계속될 수 있으며, 각 단계에서 (PO₃)^- 단위가 사슬에 추가된다. P₄O₁₀은 각 사면체가 다른 사면체와 세 모서리를 공유하는 축합 반응의 최종 생성물로 볼 수 있다. 반대로 오산화 인에 소량의 물을 첨가하면 복잡한 고분자 혼합물이 생성된다.

4. 산-염기 및 복합체 특성

폴리인산염은 약염기이다. 산소 원자의 고립 전자쌍은 전형적인 루이스 산-루이스 염기 상호작용에서 수소 이온(양성자) 또는 금속 이온에 공여될 수 있다. 이것은 생물학에서 중요한 의미를 갖는다. 예를 들어 아데노신 삼인산(ATP)은 pH 7의 수용액에서 약 25% 정도 양성자화된다.^[16]

:ATP⁴⁻ + H⁺ ATPH³⁻, p''K''_a $\backslash approx$ 6.6

더 낮은 pH에서 추가적인 양성자화가 일어난다.

5. 고에너지 인산 결합

ATP는 금속 이온과 킬레이트 착물을 형성하며, 평형에 대한 안정도 상수는 특히 크다.^[17]

:ATP⁴⁻ + Mg²⁺ MgATP²⁻, log β $\backslash approx$ 4

마그네슘 착물의 형성은 ATP 가수분해 과정에서 중요한 요소인데, 이는 말단 인산기와 분자의 나머지 부분 사이의 연결을 약화시키기 때문이다.^[16][18]

ATP의 가수분해에 의해 방출되는 에너지는 생물학적 표준 상태에서 ΔG $\backslash approx$ -36.8 kJ mol⁻¹로 커진다.

:ATP⁴⁻ + H₂O → ADP³⁻ + P_i⁻

P_i는 생물학적 pH에서 양성자화된 무기 인산염을 나타낸다. 그러나 이는 무기물 기준으로는 크지 않다. "고에너지"라는 용어는 생물체에서 일어날 수 있는 생화학 반응에서 방출되는 에너지양에 비해 상대적으로 높다는 것을 의미한다.

6. 고분자 무기 폴리인산염

고분자량 폴리인산염은 널리 알려져 있다.^[5] 한 가지 유도체는 유리질(즉, 무정형) 그레이엄 염이다. 결정질 고분자량 폴리인산염에는 쿠롤 염과 매드렐 염이 있다. 이들 화학종은 [NaPO₃]_n[NaPO₃(OH)]₂의 화학식을 가지며, 여기서 n은 2,000까지 커질 수 있다. 구조적으로 이 중합체들은 PO₃⁻ 단량체로 구성되며, 사슬은 양성자화된 인산염으로 종결된다.^[6]

6. 1. 자연에서의 발견 및 역할

6. 1. 1. 세균에서의 역할

• RNA 중합효소의 소단위체인 rpoS 유도에 관여한다. rpoS는 고정 생장 단계 및 많은 스트레스 요인에 대한 조정에 관여하는 많은 유전자 그룹의 발현을 담당한다.
• 세포의 운동성, 생물막 형성 및 독성에 중요하다.
• 폴리인산염과 엑소폴리포스파테이스는 세균 세포의 두 번째 메신저로 엄격한 반응 인자인 구아노신 5'-이인산 3'-이인산(ppGpp)의 수준 조절에 관여한다.
• 폴리인산염은 세포막을 가로지르는 통로 형성에 관여한다. Ca²⁺와 함께 폴리인산염과 폴리-b-하이드록시뷰티르산염에 의해 형성되는 통로는 다양한 생물들에서 수송 과정에 관여한다.
• 미생물(원핵생물 및 하등 진핵생물)에서 폴리인산염의 중요한 기능은 인산염과 에너지 저장을 제공하여 변화하는 환경 조건에 대응할 수 있도록 하는 것이다.
• 세균 유래 폴리인산염은 감염 중인 숙주의 면역 반응을 손상시키며, 재조합 엑소폴리포스파테이스로 폴리인산염을 표적화하면 패혈증에 걸린 쥐의 생존률이 향상된다.^[24]

6. 1. 2. 동물에서의 역할

6. 1. 3. 기타 생물에서의 역할

• 정지 성장 단계와 많은 스트레스 요인에 대한 적응에 관여하는 유전자 발현을 담당하는 RNA 중합 효소 서브유닛인 rpoS의 유도에 관여한다.
• 세포 운동성, 생물막 형성 및 독성에 중요하다.
• 폴리인산염과 엑소폴리포스파테이스는 세균 세포 내의 2차 전달자인 구아노신 5'-이인산 3'-이인산(ppGpp)의 수준 조절에 관여한다.
• 폴리인산염은 세포막을 가로지르는 통로 형성에 관여한다. Ca²⁺와 함께 폴리인산염과 폴리-b-하이드록시뷰티르산염이 형성한 통로는 다양한 생물체에서 수송 과정에 관여한다.
• 미생물(원핵생물 및 하등 진핵생물)에서 폴리인산염의 중요한 기능은 인산염 및 에너지 저장소를 제공하여 변화하는 환경 조건에 대응하는 것이다. 폴리인산염은 동물 세포에도 존재하며, 특히 뼈 조직과 뇌에서 발생, 세포 증식 및 분화 과정에 관여한다는 많은 연구 결과가 있다.

7. 식품 첨가물로서의 이용

폴리인산 나트륨(E452(i)), 폴리인산 칼륨(E452(ii)), 폴리인산 칼슘 나트륨(E452(iii)), 폴리인산 칼슘(E452(iv))은 식품 첨가물로 사용되며,^[26][27] 유화제, 보습제, 격리제, 안정제, 증점제로 쓰인다.^[12]

이들은 일반적으로 다른 인산염 공급원(음식에서 자연적으로 생성되는 것을 포함)으로 인한 것 외에는 어떠한 잠재적인 건강 위험도 제기하지 않는 것으로 알려져 있다. 고인산혈증 뿐만 아니라 뼈와 심혈관계 질환에 대한 해로운 영향의 우려가 제기되었지만, 이는 인산염 공급원의 지나친 섭취에만 관련이 있는 것으로 보인다. 대체로 하루에 체중 1kg당 인산염 최대 40mg의 섭취는 건강에 위협적이지 않은 것으로 보인다.^{[26][27][13][14]}

참조

_[1] 논문 Lost in Condensation: Poly-, Cyclo-, and Ultraphosphates https://pubs.acs.org[...]
_[2] 논문 Concentration of MgATP2- and other ions in solution. Calculation of the true concentrations of species present in mixtures of associating ions
_[3] 논문 Chelation of divalent cations by ATP, studied by titration calorimetry
_[4] 논문 Magnesium in cardiac energy metabolism
_[5] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
_[6] 간행물 Phosphoric Acid and Phosphates Wiley-VCH, Weinheim
_[7] 논문 Human platelet dense granules contain polyphosphate and are similar to acidocalcisomes of bacteria and unicellular eukaryotes 2004-10
_[8] 논문 Platelet polyphosphates are proinflammatory and procoagulant mediators in vivo 2009-12
_[9] 웹사이트 Newly discovered mechanism by which blood clots form http://www.physorg.c[...] 2009-12-10
_[10] 논문 Bacterial polyphosphates interfere with the innate host defense to infection 2020-08
_[11] 논문 Adaptation of Saccharomyces cerevisiae to toxic manganese concentration triggers changes in inorganic polyphosphates. 2013-08
_[12] 웹사이트 E452 Polyphosphates https://world.openfo[...] 2022-03-18
_[13] 간행물 EFSA Panel on Food Additives and Flavourings (FAF), Younes, M., Aquilina, G., Castle, L., Engel, K. H., Fowler, P., ... & Mennes, W. (2019). Re‐evaluation of phosphoric acid–phosphates–di‐, tri‐and polyphosphates (E 338–341, E 343, E 450–452) as food additives and the safety of proposed extension of use. EFSA Journal, 17(6), e05674. https://efsa.onlinel[...]
_[14] 간행물 Phosphate additives in food—a health risk
_[15] 웹인용 The Phosphate Method For Producing Quality Drinking Water http://www.jacksmagi[...] Carus Chemical Company 2001
_[16] 논문 Concentration of MgATP2- and other ions in solution. Calculation of the true concentrations of species present in mixtures of associating ions
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_[20] 간행물 Phosphoric Acid and Phosphates Wiley-VCH, Weinheim
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_[22] 논문 Platelet polyphosphates are proinflammatory and procoagulant mediators in vivo 2009-12
_[23] 웹인용 Newly discovered mechanism by which blood clots form http://www.physorg.c[...] 2009-12-10
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_[25] 논문 Adaptation of Saccharomyces cerevisiae to toxic manganese concentration triggers changes in inorganic polyphosphates. 2013-08
_[26] 웹인용 EFSA Panel on Food Additives and Flavourings (FAF), Younes, M., Aquilina, G., Castle, L., Engel, K. H., Fowler, P., ... & Mennes, W. (2019). Re‐evaluation of phosphoric acid–phosphates–di‐, tri‐and polyphosphates (E 338–341, E 343, E 450–452) as food additives and the safety of proposed extension of use. EFSA Journal, 17(6), e05674. https://efsa.onlinel[...] 2022-04-28
_[27] 간행물 Phosphate additives in food—a health risk