Carbohydrate metabolism 김혜경 한서대학교 식품생물공학과 (hkkim111@hanseo.ac.kr)

Energy 모든 생명체의 생명유지에는 에너지가 필요하며 이는 기계적인 일, 필요한 물질의 생합성, active transport, 유전정보의 이동 등에 사용된다. 에너지는 주로 에너지를 내는 영양소(당질, 단백질, 지방)에서 만들어진다. 체내에서의 에너지형태는 ATP이며 영양소가 체내에서 산화되어 만들어진다. (40%정도만 ATP로 합성되고 나머지는 열로 방출)

ATP의 형태 16CO2 + 16H2O + heat (2,340 kcal) : 완전히 태웠을 때 Palmitate + 23O2 + 130ADP + 130P 16CO2 + 146H2O + 130ATP + heat (1,384 kcal) : 세포내 산화

G생성물 – G반응물 = ΔG반응 후 G반응물 > G생성물 → ΔG = – ‘exothermic’ G반응물 < G생성물 → ΔG = + ‘endothermic’

ATP에서 인산기가 제거되어 ADP나 AMP로 분해될 때 이 반응은 강한 exothermic 반응이며, △G가 -7,300cal/mol이다. 반면에 AMP가 adenosine + 인산의 반응은 -3,400cal/mol 정도이다. 이외에도 많은 인산화 분자들이 인산기가 제거될 때 에너지를 방출한다. Δ G’ (calories) Phospho enol pyruvate(PEP) - 14,800 1,3-diphosphoglycerate - 11,800 Creatine phosphate - 10,300 ATP, ADP - 7,300 Glucose-1-phosphate - 5,000 AMP - 3,400

체내 반응에서의 coupled reaction glucose-6-P → glucose + ⓟ ① ΔG’ = -3,300 cal/mol ⓟ + glucose → glucose-6-P ② ΔG’ = +3,300 cal/mol ATP → ADP + ⓟ ③ ΔG’ = -7,300 cal/mol glucose + ⓟ → glucose-6-P ④ ΔG’ = +3,300 cal/mol ATP + glucose → ADP + glucose-6-P (coupled reaction) ΔG’ = -4,000 cal/mol

체내에서의 ATP생성 기질수준 인산화반응 (substrate level phosphorylation) creatin-p → creatin + ⓟ ΔG’ = -10,300 cal/mol ADP + ⓟ → ATP ΔG’ = +7,300 cal/mol creatin-P + ADP → creatin + ATP ΔG’ = -3,000 cal/mol

체내에서의 ATP생성 산화적 인산화반응 (oxidative phosphorylation, 전자전달계, ETS)

Reaction Δ G ADP phosphorylation NAD → FMN -12,450 ADP + P → ATP FMN → CoQ -4,612 CoQ → cyt b -1,383 cyt b → cyt c1 -10,150 cyt c1 → cyt c -922 cyt c → cyt a -1,380 cyt a → ½ O2 -24,640

Mechanism of BAT thermogenesis β Adenyl cyclase AC Plasma membrane c-AMP ATP protein kinase Hormone Sensitive Lipase FFA acyl CoA Mitochondrial membrane GDP H+ H+ Uncoupling protein ATP synthetase H+ ETS

Recoupling and uncoupling of BAT mitochondria A. Brown adipose tissue at rest Uncoupling protein TG GDP ATP synthesis H+ H+

Recoupling and uncoupling of BAT mitochondria B. Stimulated brown adipose tissue NE TG FFA Acyl CoA H+ H+

Carbohydrate Metabolism 탄수화물의 분류 - 전세계 인구의 50% 이상의 에너지 섭취가 주로 당질 - 크게 2가지 형태 ① simple carbohydrate - 주로 단당류와 이당류 ② complex carbohydrate - 다당류, 주로 starch, fiber, glycogen

2. 탄수화물의 기능 1) 에너지 생성 2) 체단백질 보호작용 -근육 등 다른 세포도 식사 후에 포도당을 에너지원으로 사용 -적혈구, 뇌세포 및 신경세포는 주로 포도당을 에너지원으로 사용 -근육 등 다른 세포도 식사 후에 포도당을 에너지원으로 사용 2) 체단백질 보호작용 -탄수화물 섭취 부족 시, 단백질로부터 포도당 합성 ☞ 따라서, 탄수화물을 매우 적게 섭취 시, 근육이나 간, 신장, 심장 등의 기관에 있는 단백질이 분해되어 포도당 합성에 쓰이게 됨 ☞ 특히, 체중 조절을 위해 굶을 경우, 체 단백질 손실

3) 지방의 불완전 산화 방지 -체내에서 지방질이 산화되어 에너지를 낼 때도 탄수화물이 필수 -당질 섭취가 극도로 제한 되면, 다량의 케톤체를 생성하여 케톤증 발생 *케톤증을 방지하기 위해! 하루 50~100g의 탄수화물 섭취가 필요. (밥 1 ½공기 정도에 해당됨)

4) 기타 체성분 합성에 이용 불필수 아미노산 합성 체내의 점성 다당류 합성 -오탄당 (ribose)은 핵산 합성에 필요

3. 기능성 탄수화물 A. 단당류 유도체 1)당 알코올 - 화학적으로 당의 알데히드기를 알코올기로 환원시킨      - 화학적으로 당의 알데히드기를 알코올기로 환원시킨 다가 알코올 (polyol)인 당의 유도체 - 단당류 당알코올과 이당류 당알코올 ex) ribose → ribitol       glucose → sorbitol       mannose → mannitol xylose → xylitol

당알코올의 구조

생리적 기능 - 일반 설탕의 ½-1/3 의 열량 (저칼로리) 혈당증가에 큰 영향 없음 당뇨환자에 유용 치아부식 안됨 용해열 : 설탕의 1.3~10배로 용해시 흡열감이 높기 때문에 강한 청량감을 줌 열에 안정 : 가열시 분해되지 않음 산 알칼리에 안정 갈변을 방지하는 식품 가공에 이용 비소화성이므로 과량 섭취시 복부 팽만감, 설사 요인

당 알코올 이용 제품

2) 아미노당(amino sugar) (1) D-glucosamine (chitosamine) ① Source - 곤충, 갑각류의 외골격(chitin)

Glucosamine and chondroitin sulfate 골관절염 환자에서 연골손상 억제 *Chondroitin sulfate ; 연골의 탄력성에 관여하는 단백질 (proteoglycan)의 성분 - 골관절염 환자에서 glucosamine, chondroitin sulfate 는 비스테로이드성 항염제 (aspirin and ibuprofen)와 비슷한 효과가 있음이 보고.

B. 올리고당 ◈ 정의 포도당, 과당, 갈락토즈와 같은 단당류가 3 - 8개 결합한 탄수화물 -Fructo-oligosaccharides -Galacto-oligosaccharides; 모유 -Soy-oligosaccharides ◈ 정의 포도당, 과당, 갈락토즈와 같은 단당류가 3 - 8개 결합한 탄수화물

특징 1) 기능성 올리고당 *기존의 감미료인 설탕, 맥아당 등이 가진 건강상의 단점을 개선하기 위하여 최근에 효소적인 방법으로 만들어진 2∼5개의 당으로 구성된 대체 감미물질 특징 ① 체내에서 대사가 어려워 저칼로리 ② 충치 예방 ③ 장내 유용세균의 증식인자로 이용 ④ 식이섬유와 유사한 기능 등의 특성

올리고당의 기능성 ① 난소화성 (다이어트 효과) -체내 소화효소에 의해서 완전히 소화되지 않아 낮은 열량을 발생 올리고당의   기능성 ① 난소화성 (다이어트 효과) -체내 소화효소에 의해서 완전히 소화되지 않아 낮은 열량을 발생 - 흡수후 혈당증가 억제 - 인슐린 농도에 영향 적음

- 비피더스균은 장내 부패를 억제, 장내 환경개선 ② 비피더스균 증식 및 장내환경 개선( Prebiotics) - 비피더스균은 장내 부패를 억제, 장내 환경개선 - 올리고당을 섭취하면 소화되지 않고 대장에 도달하여 비피더스균의 먹이가 되어 증식될 수 있다. 설사, 변비, 암 등의 각종 질병 예방

⑤ 충치예방 ③ 지질대사의 개선 - 체내 콜레스테롤의 흡수, 합성 및 배설기전을 조절, 혈액 및 간 조직의 지질대사 개선 ④ 무기질의 흡수증진 - 칼슘, 인, 철분, 구리, 아연, 마그네슘 등이 장내에서 흡수 되는데 도움을 준다. ⑤ 충치예방 - 충치 발생의 원인이 되는 치아 표면을 부식시키는 산의 생성을 막는다.

시판 올리고당의 종류 큐원 제품 목록 어린이용 커피음료용 프락토올리고당 – 썬올리고, 엑스리고(수출용) 요리용 이소말토올리고당 – 썬올리고 M500 칼락토올리고당 – 썬올리고 L500 말토올리고당 – 썬올리고 T500 요리용

4. 탄수화물의 소화와 흡수 모든 영양소는 우리 몸에서 이용되기 위해서 먼저 혈액 속으로 흡수되어야 함. 그러나 당질은 주로 분자량이 큰 다당류. 따라서 이들이 이용되기 위해서는 소화과정이 필요.

탄수화물의 흡수에 영향을 주는 요인 일반적으로 starch는 약 98%가 흡수된다. 그러나 ① 종류 - bean은 80% 이하, banana는 70-80%가 흡수됨 ② 조리 - 생감자는 소화가 안되지만 익은 감자는 약 98%가 흡수 ③ 숙성 - 옥수수는 숙성됨에 따라 흡수가 잘됨

대장에서의 발효 흡수되지 않은 starch와 fiber는 대장에서 발효되어 유기산, CO2, H2S, CH4 등의 gas를 생성하고, 유기산은 에너지로 이용 ① Starch, gum, pectin, 이당류 → 100% 발효 ② Hemicellulose → 60% 발효 ③ Cellulose → 40% 발효 ④ Lignin → 0% 발효 발효산물은 대장세포에 좋은 역할, cholesterol 합성 ↓

Fiber의 역할 ① 보수력 - 발효산물, bacteria의 물 보유력 등으로 변이 soft하게 - 변비, 치질에 효과 - 임신시에 estrogen, progesterone 등이 증가 → 근육이완제 역할 → 대장도 이완됨 → 변이 대장에 오래 머무름 → H2O의 과도한 재흡수 → 변비 ② 암 : 대장암에 효과 (장운동 활발) ③ Cholesterol ↓ (pectin, gum), 담즙산 배설 ↑ ④ 영양소 흡수 ↓ : Micelle 형성↓(지방, cholesterol 흡수↓) 무기질, 당질 흡수 ↓

Energy원으로의 탄수화물 - glucose, galactose, fructose 는 일단 흡수되면 간문맥 →간으로 (galactose, fructose는 glucose로 변환) →온몸으로 ( CHO 대사 시작은 glucose) - Glucose만 쓰는 organ : 신경, 뇌, 근육, 적혈구 - Fat을 주로 쓰는 organ : 간, 근육, 신장, 지방조직 - Ketone을 쓸 수 있는 organ : 근육, 뇌

Glucose의 세포막통과의 중요성과 인슐린의 역할 glucose 들어감 → 혈당이 저하 : insulin sensitive - 굶었을 때 → 인슐린 농도저하 → 뇌, 신경, 적혈구 insulin insensitive organ - 간, 다른 조직들은 insulin sensitive organ ∴ glucose 이용 단계의 첫관문은 insulin - 운동 → 근육조직에 glucose가 통과하는데 필요한 인슐린농도가 낮아짐 → 당뇨환자에 도움

Glucose의 흡수 - 포도당은 극성이므로 비극성인 세포막을 통과하기 어렵다. → 운반체(transport system) 필요 Na-dependent carrier → active transport (GLUT1,4, SGLT) non Na-dependent carrier → facilitated transport

Glucose의 대사 1) 섭취시 : 분해작용 ① Glycolysis (해당작용) : 세포질에서 일어남 ② TCA cycle : 미토콘드리아에서 일어남 ③ Electron Transport System (ETS, 전자전달계) : 미토콘드리아에서 일어남

Glycolysis ★ Glucose에서 energy 얻는 방법 ① ADP, GDP → ATP, GTP ② NAD, FAD → NADH, FADH : 주된 에너지 얻는 경로 (O2의 중요성) 2 Pyruvate 2CoA 2 Carbon dioxide C C 2 Acetyl CoA CoA C C TCA Cycle 4 Carbons C C Energy Electron transport chain Energy

Glucose의 대사 2) 섭취시 : 저장작용 ① Glycogen으로 간과 근육에 저장 - 간 : 혈당 유지가 목적 (뇌, 적혈구, 신경조직을 위해) → 혈당이 저하되면 → glucose 분해, 방출 - 근육 : 근육 내에서의 energy원 → 혈당이 저하되어도 근육에만 이용됨

Control of glycogen synthesis [glycogenesis] and glycogen degradation [glycogenolysis] glycogen - - ATP Glucose-6-P UDP Glucose - Epinephrine, glucagon norepinephrine - + Glucose-6-P insulin - + + glycogen primer Epinephrine, norepinephrine glucagon UDP Glucose PPi glucose-1-P UTP glucose glucose-6-P F-6-P glycolysis

Storage of carbohydrate in normal adult humans (70 Kg) Liver glycogen (간 무게 1800 g) 4.0% 72 g Muscle glycogen (근육 3.5 Kg) 0.7% 245 g 세포외 glucose (10L) 0.1% 10 g 327 g

Fatty Acid and triglyceride Synthesis from Carbohydrate

★ 지방조직 (adipose tissue)의 역할 ★ 간의 역할 - 90% fat 합성 → blood → 지방조직으로 보냄 ∴ 동맥경화 문제 ★ 지방조직 (adipose tissue)의 역할 - 인간은 10%의 지방합성만 지방조직에서 이루어짐 - 개, 돼지, 고양이등은 지방조직에서 fat을 만들고 간에서 주로 만들지 않음 ∴ 운반할 필요가 없다 → 동맥경화 문제 없음

(hexose mono-phosphate shunt)의 역할 ★ Pentose pathway (hexose mono-phosphate shunt)의 역할 - 지방합성에 필요한 탄소 골격 glucose → pyruvate → acetyl CoA → citrate → acly CoA → 지방산 (이 중 필요한 NADPH 공급) ★ VLDL - 간에서 만들어진 fat, cholesterol, 인지질, 단백질은 지단백질인 VLDL로 되어 혈액으로 들어가 각 조직 및 지방조직으로 운반

Glucose의 대사 – 부족시 (굶었을 때, 심한운동) - glycogen 분해 (그림) - 당신생작용(gluconeogenesis): 혈당, 간의 glycogen이 고갈시 1) 장 소 : 간과 신장에서 일어남 (주로 간) 2) Source : 주로 아미노산, 심한 운동시 젖산, glycerol도 기여 가장 먼저 사용되는 것은 혈액내 아미노산 (금방 떨어짐) → 간, 혈액, 소장내 여분의 단백질, 근육 단백질 등이 사용

Pattern of fuel utilization by muscle during exercise of varying duration

Gluconeogenesis Indicates carbons used for gluconeogenesis DHAP PEP arginine histidine glutamiate proline mitochondria glutamate Isoleucine, methionine, valine

3) 관계된 2 cycle ★ cori cycle - 운동시 근육의 lactate → 간에서 glucose로 → 혈액으로 운반 → 혈당 유지 ★ alanine cycle - branched a.a(val, leu, Ileu) + pyr → ala → 근육에서 간으로 옮겨져 glucose로 → 혈액 - 1-2일 굶었을 때 85-90%의 glucose는 아미노산에서 생성되고 10%는 glycerol, 5%는 lactate에서 만들어 짐

9. ketone체 합성은 간에서 이루어짐 acetoacetate β-hydroxy butyrate acetone acetyl CoA TCA cycle 폐로(energy로 사용되지 못함) 간은 이 효소가 없기 때문에 간에서 ketone체를 만들기는 하지만 energy로 쓰지 못하고 거의 대부분 조직은 energy로 씀 Ketone체 축적 → 소변 → 소변양 많아짐 → 탈수되기 쉬움 (체중↓) ∴ diet할 경우 ketone체 증가 → 수분손실(체중감소)

Utilization of Various Fuels by Different Tissues and Organs Nervous Tissue Erythrocytes plus White Blood Cells Heart, Muscle Kidney, etc Loss to urine Glucose Fatty Acids Ketone Bodies A 144 — 36 120 60 B 44 47 112 10 C 150 50 100 25 A : absorptive state B : fasting (adapted 6 weeks) C : severe diabetes

케톤증이란? 저당질)를 하는 경우에 생김 특히 소아나 임산부의 경우 주의 요함! 조절되지 않는 당뇨병이나 황제 다이어트(고단백, 고지방, 저당질)를 하는 경우에 생김 특히 소아나 임산부의 경우 주의 요함! *케톤증의 증상* - 케톤체가 많이 생성시, 숨쉴 때 아세톤 냄새가 남 - 케톤체를 몸 밖으로 배설하기 위해 소변량이 많아지며 탈수되기 쉬움 - 식욕이 떨어지고 속이 메스꺼우며, 머리가 아프고 쉽게 피로해짐 - 치료하지 않는 경우 뇌에 치명적 손상 입음

ketone 합성 1) ketosis의 증상 - 탈 수 - acetone 냄새 (숨쉴 때) - 혈액 pH ↓ - 식욕 ↓ (특히 Db, 영아) - 피로 2) 치료법 - 당질섭취 → 혈당 ↑ → glucagon 분비 stop → FA 분해 stop → ketone 생성 stop

Fructose 대사 glucose보다 빨리 대사 된다.

Galactose 대사 gal glycogen ★ galactosemia (gal-1-P → UDP-gal 의 효소 없어서 galactitol 생성) - galactitol 축적 → 뇌에 이상, 실명 - 영아식이에서 gal, lact 제거 → whey protein 대치 gal glycogen gal-1-P UDPG glu-1-P UDP-gal

Glucose homeostasis 1) 왜 중요한가? ★ 뇌, 적혈구, 신경세포는 glu만 이용 ∴ 혈당은 항상 일정하게 유지 (혈액의 지방은 10배이상 변화, ketone 체는 100배의 변화 2) 어떻게 조절되는가? - allosteric effect : 가장 빠름 - 인산화 : 빠름, glycogen phosphorylase - 효소합성 : 느림 - Insulin, glucagon

C-AMP에 의한 조절 (호르몬에 의한 조절) 1) 지방조직 세포막 Epinephrine Norepinephrine glucagon ATP C-AMP H·S Lipase + + Insulin fa + glycerol TG inactive 형 지방조직에서는 epinephrine, norepinephrine, glucagon등의 호르몬이 세포막에 작용하면 ATP가 C-AMP로 변하고 이에따라 hormone sensitive lipase에 의하여 지방조직에 저장되어 있던 TG가 분해된다.

C-AMP에 의한 조절 (호르몬에 의한 조절) 2) 근육조직 세포막 Epinephrine Norephinephrine ATP C-AMP glycogen glu-6-P + + 근육조직에서는 epinephrine, norepinephrine에 의하여 만들어진 C-AMP에 의하여 저장되었던 glycogen이 분해되어 근육내의 에너지로 사용된다.

C-AMP에 의한 조절 (호르몬에 의한 조절) 3) 간 세포막 ATP C-AMP glycogen glu glucagon + + 간에서는 분해된 glycogen이 혈당유지에 사용된다.

당뇨병 - 인슐린 부족 또는 ineffective 인슐린 - 당뇨로 인한 직접적인 사망은 없으며 대개는 혈관의 이상으로 사망 (실명, 신장, 심장, 감염등) 1) 종 류 ★ Ins. Dep. : ketosis, Ins. 주사가 중요 - Type Ⅰ, 소아형 ★ Non-Ins. Dep. : non-ketosis, 식이요법 중요 <80-90% 비만> - Type Ⅱ, 성인형: 혈액내 인슐린 농도는 정상 또는 ↑ 그러나 인슐린이 glucose를 세포막 통과 못 시킴.

당뇨병 2) 원 인 - genetic, 환경 (virus, 비만 등) 3) 식이요법 - 특히 type Ⅱ에 중요 - complex CHO diet (특히 legume, bean 사용) → soybean 제외 - EMR (Eat More Rice) 운동 초기식이요법 90년대 이후 CHO : 40-50% 67-70% Fat : 30% 10-20% Protein : 20%

당뇨병 4) Glycemic Index bean potato glucose ★ starch blocker - amylase, sucrase의 작용을 막아서 glucose 생성을 저해한다.

당뇨병 5) 당뇨와 starvation - 당뇨병일 경우와 고지방식이를 섭취하였을 때, 굶었을 경우는 체내 당질대사가 비슷하고 혈당의 차이만 있다. glucose 분해 glycogen 합성 GNG Fat합성 혈당낮음←굶었을 때 ↓ ↑ 혈당높음←당뇨 고지방식이

당뇨병 6) hypoglycemia - 치료법으로 glu 투여하면 더 악화 (∵ Insulin 생성 → 혈당 더 ↓) ∴ 당뇨병과 같은 식이요법으로 단당류의 섭취를 줄이고 complex 당질, 섬유소를 소량씩 한꺼번에 나누어 주어 혈당을 천천히 상승시키는 방향을 유도

권장량 및 섭취실태 케토시스 예방을 위해 50-100g/day 총 섭취 열량 중 65% 권장 식이섬유 20-25g/day 권장 1998년 한국인의 섭취는 66%로 나타남

Thank you for listening