생화학

6장 탄수화물

1. 서론

1) 탄수화물

 기본 구성 : C n (H 2 O) m  CO 2 와 H 2 O로부터 광합성을 통해 형성

2) 탄수화물의 기능:

 에너지원 : 글루코오스  구조적 성분 : 식물의 셀룰로오스, 곤충의 키틴  다른 생체 분자(아미노산, 지질, 퓨린과 피리미딘) 합성의 전구 물질  신호전달(signal transduction)  세포 간 상호작용(cell-cell interaction)  세포내 이입(endocytosis) 3 3

2. 탄수화물의 분류 :

4

3. 단당류(monosasaccharide)

1) 분류

 작용기에 의한 분류 - 알데히드기를 가진 당 : 알도오스(aldose) - 케톤기를 가진 당 : 케토오스(ketose) 5

 탄소수에 의한 분류 - 삼탄당(triose), - 사탄당(tetrose), - 오탄당(pentose), - 육탄당(hexose) 6

2) 입체이성질체

 광학이성질체(optical isomer) : 카이랄 탄소(chiral carbon) 수가 n이면 2 n 개  에피머(epimer) : 하나의 비대칭 탄소원자에서 구조가 다른 부분입체이성질체  D형과 L형 : 마지막 부제 탄소의 OH가 오른쪽이면 D형  편광계에 의한 +(d, 우선형), -(l, 좌선형) 7

3) 고리 구조

<헤미아세탈과 헤미케탈 형성>

 고리 구조(cyclic form) : 헤미아세탈(hemiacetal), 헤미케탈(hemiketal) 8



아노머(anomer)

: 고리화 반응이 일어나는 동안 형성되는 부분이성질체 9

 산소가 있는 5각, 6각 구조  Fischer 구조의 왼쪽은 고리 구조의 위, 오른쪽은 아래  D-당에서 마지막 탄소는 항상 위 10

<변선광(mutarotation)>

  단당류의 α-와 β-형은 물에 용해될 때 쉽게 상호전환 푸라노오스, 피라노오스 고리 구조를 가짐 11

<비선광도(specific rotation)>

 편광의 진행방향을 회전시킨 각도[α]로 나타낸 것임  비선광도 [α] 20 D = A/C X L C = g/ml A = 회전 각도 L = 길이(10 cm) 12

<전화당(invert sugar)>

 설탕을 가수분해하여 얻은 과당과 포도당의 혼합물  혈관내로 흡수되는 단당류의 순서 : galactose > glucose > fructose > mannose > xylose > arabinose 13

4) 중요한 단당류

<글루코오스(glucose)>

 세포의 에너지원 * 동물 : 뇌세포, 적혈구(erythrocyte), 안구(eyeball)의 중요한 에너지원  식이원(dietary source) : 식물성 전분, 이당류(유당, 맥아당, 설탕) 14

<프룩토오스(fructose)>

 과일 속에 다량 존재 : 과당(fruit sugar), 꿀과 약간의 식물에서도 발견  케토오스 계통의 당  가공식품의 감미료로 이용 15

<갈락토오스(galactose)>

 생체 분자 합성에 중요(lactose, glycolipid, 프로테오글리칸, 당단백질)  갈락토오스와 글루코오스는 에피머인 관계  에피머효소(epimerase)에 의해 촉매 16

5) 단당류의 유도체

<디옥시당>

  단당류의 –OH기 한 두개가 수소 원자로 치환된 것 2-디옥시-D-리보오스, L-퓨코오스 등 17

<아미노당>

  단당류의 –OH기가 아미노기로 치환된 당 α-D-글루코사민, N-아세틸-α-D-글루코사민 등 18

6) 단당류의 반응

<이성질화반응>

   분자 내 수소원자의 이동과 이중결합의 재배치 엔디올(enediol) : 중간 생성물 에피머화(epimerization) : 하나의 비대칭 탄소에서의 구조가 변하는 경우 19

<산화반응>

 효소, 금속이온, 산화제 존재 하에서 단당류는 여러 형태의 산화 반응 - 알데하이드기 -[산화]→ 알돈산(aldonic acid), - 말단 CH 2 OH -[산화]→ 우론산, - 알데하이드기, 말단 CH 2 OH -[산화]→ 알다린산(aldaric acid)  알돈산, 우론산 : 카르보닐기는 분자 내 OH기와 반응하여 락톤(lactone) 형성  환원당(reducing sugar) : - 약한 산화제(베네딕트 시약 등)에 의해 산화될 수 있는 당 - 모든 단당류는 환원당 (열린 사슬 형태로 되돌아 갈 수 있는

글루코오스의 산화물

) 20

<에스테르화반응>

 탄수화물의 자유 히드록시기(free OH group)는 산과 반응하여 에스테르(ester)로 전환  인산 에스테르(phosphate ester) : ATP와의 반응 중 형성  단당류의 황산염 에스테르(sulfate ester) : * 연결조직의 성분으로 주로 발견 : 프로테오글리칸(proteoglycan) * 다량의 물과 작은 이온들과 결합, 염다리(salting bridge) 형성 21

4. 이당류와 올리고당

1) 서론

 이당류 : 2개의 단당류로 구성된 글리코시드  올리고당류(oligosaccharide) : 3~10개 또는 그 이상의 단당류로 구성  글리코시드 결합  탄수화물의 대사 관계 - 작은창자의 세포(효소) : 이당류나 다른 탄수화물의 소화 - 흡수 : 단당류 형태로 흡수됨 - 소화되지 않은 이당류는 큰 창자로 이동, 삼투압에 의해 물을 흡수하여 설사 발생 22

<글리코시드결합>

 헤미아세탈과 헤미케탈은 알코올과 반응하여 아세탈(acetal) 또는 케탈(ketal) 형성  글리코시드 결합(glycosidic linkage) : 고리 헤미아세탈 또는 헤미케탈이 알코올과 반응하여 형성되는 결합 글리코시드(glycoside)  5개 : 푸라노시드(furanoside)  6개 : 피라노시드(pyranoside)  이당류(disaccharide), 다당류(polysaccharide)를 형성 23

2) 이당류

<수크로오스(sucrose)>

 식물의 잎과 줄기에서 생성, 식물 전체의 에너지원  α-글루코오스와 β-프룩토오스로 구성  비환원당 24

<락토오스(lactose)>

 우유에 많이 들어있는 이당류  β-1,4-결합, 환원당  분해 효소 : 락타아제  락타아제 결핍 : β(1,4) 결합은 가수분해 못함(β(1,4) 결합의 탄수화물은 소화 못함 25

<말토오스(maltose)>

 녹말 가수분해의 중간산물, 유리된 상태로 존재하지 않음  두 개의 D-글루코오스 분자 사이의 α(1,4) 글리코시드 결합  용액에서 유리된 아노머 탄소는 변광회전을 하여 α-, β-말토오스의 평형 혼합물을 형성 26

<셀로비오스(cellobiose)>

 셀룰로오스(cellulose)의 분해산물  β-1,4 글리코시드 결합  자연계에 유리된 상태로 존재하지 않음 27

5. 다당류

1) 서론

 글리코시드 결합으로 연결된 수많은 단당류 단위로 구성  에너지 저장형, 구조 물질  구조 : - 선형 구조(linear structure) : 셀룰로오스, 아밀로오스 - 분지 모양(branched shape) : 글리코겐, 아밀로펙틴  구성 성분에 의한 분류 : - 동질다당류 : 한 종류의 단당류로 구성 - 이질다당류 : 여러 종류의 단당류로 구성 28

2) 동질다당류(homopolysaccharide)

 종류 : 녹말, 글리코겐, 셀룰로오스, 키틴, inulin 등 * 녹말, 글리코겐, 셀룰로오스 : 가수분해하면 D-글루코오스가 됨 * 전분, 글리코겐 : 식물, 동물의 저장형 * 셀룰로오스 : 식물 세포의 주요한 구조 성분 * 키틴 : 곤충, 갑각류의 외골격 구조 성분, 균류의 세포벽 성분, 가수분해하면 글루코오스 유도체인 N-아세틸글루코사민이 됨 29

<녹말 (starch)>

 식물세포의 에너지 저장원(감자, 쌀, 옥수수, 밀 등의 음식물)  구성 : 아밀로오스 와 아밀로펙틴 * 아밀로오스(amylose) - D-글루코오스의 α(1,4) 글리코시드 결합, 가지 없는 긴 사슬 - 분자량 : 15만~60만달톤 - 녹말 검색 분석법 : 요오드 첨가 → 진한 청색 * 아밀로펙틴(amylopectin) - α(1,4), α(1,6) 글리코시드 결합, 가지사슬 중합체 - 20~25개의 글루코오스 잔기마다 α(1,6) 분지점 형성  녹말의 소화 - 구강 : 타액효소 α-아밀라아제(α-amylase)에 의해 가수분해 - 작은창자, 췌장에서 지속  녹말의 흡수 - 창자세포에서 흡수, 간으로 이동, 온몸으로 재분배 30

<글리코겐(glycogen)>

 척추동물의 탄수화물 저장 형태  분포 : 간과 근육세포에 많이 존재(간세포의 8~10%, 근육세포의 2~3%)  구조 : 아밀로펙틴과 유사 구조(분지점이 더 많음)  비환원 말단부(nonreducing end) : 동물이 많은 에너지를 필요로 할 때 신속하게 글루코오스로 이용 31

<셀룰로오스(cellulose)>

 결합 : D-글루코피라노오스의 β-1,4 글리코시드 결합  역할 및 분포 : 식물의 구조적 역할, 식물 전체 생체량(biomass)의 1/3  미세원섬유(microfibril) - 비분지 셀룰로오스(unbranched cellulose) 분자들의 다발 - 40개 정도, 수소결합 - 식물의 1, 2차 세포벽에서 발견 (식물세포를 지지하고 보호하는 구조적 틀 형성)  소화 - 셀룰라아제(cellulase)를 갖고 있는 미생물만 가능 - 흰개미, 암소 : 소화관 속의 미생물을 이용해 소화  나무, 종이, 직물(면, 리넨, 모시 등)등의 성질을 좌우 32

<키틴(chitin)>

 구조와 기능은 셀룰로오스와 유사  구성 : N-아세틸글루코사민이 β-1,4 글리코시드 결합, 가지 없는 사슬  3종류의 미세원섬유 : α-키틴, β-키틴. γ-키틴

<이눌린(inulin)>

    구성 : D-fructose로 된 다당류 흰색 결정으로 파, 마늘 등의 저장당질로 존재 직쇄형 인체의 위에는 이눌린 분해효소가 없음 33

3) 이질다당류(heteropolysaccharide)

 두 종류 이상의 단당류 함유 하는 고분자량의 중합체  종류 : 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan, GAG), 뮤레인(murein) 34

<글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan)>

 이당류 반복 단위를 갖고 있는 선형 중합체(linear polymer)로  당 잔기의 대부분이 아미노 유도체 * 대부분 헥수론산(hexuronic acid : 6개의 탄소를 갖는 우론산) * 당 잔기, 당 잔기 사이의 연결, 황산염기(sulfate group)의 위치와 존재에 따라 분류 예) 히알우론산, 콘드로이틴 황산염(chondroitin sulfate), 더마탄 황산염(dermatan sulfate), 헤파린(heparin), 헤파린 황산염(heparin sulfate), 케라탄 황산염(keratan sulfate)  특징 - GAG는 생리적 pH에서 음전하 - 강력한 친수성을 가짐(다량의 물 분자를 끌어 부피가 증가) 35

<뮤레인(murein)>

 역할 - 박테리아 세포벽의 주요 성분(펩티도 글리칸)  구성 - 당유도체인 N-아세틸-글루코사민과 N-아세틸-뮤라믹산, 아미노산 함유  결합 – β-1,4 글리코시드 결합에 의해 연결된 이당류 반복 단위로 구성된 골격, * N-아세틸-뮤라믹산에 각각 부착된 평행 테트라펩티드사슬(parallel tetrapepti- dechain) * 평행 다당류 골격의 테트라펩티드사슬 사이에 형성되는 펩티드 교차다리 (peptide cross-bridge) 등의 기본적 구성 36

6. 당질의 영양과 기능

1) 전분의 호화(α화, gelatinization)

 전분을 물에 넣고 가열하면 전분립이 수분을 흡수하여 팽윤되면서 호화된 상으로 바뀜  호화온도 : 이때의 온도(대략 60~70℃)  건빵, 비스킷, 찰떡 등 37

2) 전분의 노화(β화, retrogradation)

 호화된 전분을 그대로 두면 겔을 거쳐서 백탁으로 침전되는 것  전분 분자를 거칠고 치밀한 상태가 되므로 맛도 나쁘고 소화도 어렵게 됨 38

3) 당의 케러멜화(caramelization)

 당 액을 160℃ 이상으로 졸이면 탈수와 함께 향기롭고 다갈색의 물질이 생성됨  과자, 소스, 간장 등의 착색 및 맛을 내는데 이용됨 39

4) 당질의 기능

 글리코겐으로 간과 근육에 일시 저장됨  에너지원  중성지방으로 변화되어 저장됨  비 필수아미노산으로 전환  혈당으로 체내 순환  당 단백질 및 당지질로 생체 구성성분이 됨  ribose-5-phosphate를 공급  NADPH 2 제공 40