생화학 5장(4장) 탄수화물

1. 서론 1) 탄수화물 ① 기본 구성 : Cn(H2O)m ② CO2와 H2O로부터 생성되는 광합성을 통해 형성  

2) 탄수화물의 기능: ① 에너지원 : 글루코오스 ② 구조적 성분 : 식물의 셀룰로오스, 곤충의 키틴 ③ 다른 생체 분자(아미노산, 지질, 퓨린과 피리미딘) 합성의 전구 물질 ④ 혈당 유지 ⑤ 필수영양소로 작용 ⑥ 감미료, 식이섬유질 등 3

2. 탄수화물의 분류 :

3. 단당류(monosasaccharide) 1) 분류 ① 작용기에 의한 분류 - 알데히드기를 가진 당 : 알도오스(aldose) - 케톤기를 가진 당 : 케토오스(ketose) ② 탄소수에 의한 분류 : 삼탄당(triose), 사탄당(tetrose), 오탄당(pentose), 육탄당(hexose)

2) 단당류의 입체이성질체 ① 광학이성질체(optical isomer) : 키랄 탄소(chiral carbon) 수가 n이면 2n개 ② 에피머(epimer) : 하나의 비대칭 탄소원자에서 구조가 다른 부분입체이성질체 D형과 L형 : 마지막 부제 탄소의 OH가 오른쪽이면 D형 편광계에 의한 +(d, 우선형), -(l, 좌선형)

3) 단당류의 고리 구조 ① 고리 구조(cyclic form) : 헤미아세탈(hemiacetal), 헤미케탈(hemiketal) 헤미아세탈과 헤미케탈 형성

② 아노머(anomer) : 고리화 반응이 일어나는 동안 형성되는 부분이성질체

③ Haworth 구조(Fischer 구조의 고리 구조화)   ③ Haworth 구조(Fischer 구조의 고리 구조화) - 산소가 있는 5각, 6각 구조 - Fischer 구조의 왼쪽은 고리 구조의 위, 오른쪽은 아래 - D-당에서 마지막 탄소는 항상 위

④ 변광회전(mutarotation) - 단당류의 α-와 β-형은 물에 용해될 때 쉽게 상호전환 - 푸라노오스, 피라노오스 고리 구조

⑤ 산화환원반응 - 효소, 금속이온, 산화제 존재 하에서 단당류는 여러 형태의 산화 반응 - 알데하이드기 -[산화]→ 알돈산(aldonic acid), 말단 CH2OH -[산화]→ 우론산, 알데히드기, 말단 CH2OH -[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 )

글루코오스의 베네딕트 시약의 반응

⑥ 환원반응 - 알데히드, 케톤기의 환원은 알디톨(alitol : 당알코올) 형성 - D-글루코오스 -(환원)→ D-글루시톨(D-glucitol, D-sorbitol) - D-소비톨(D-sorbitol) : * 음식가공, 약품 제조 * 습기의 손실 방지 : 사탕의 장기 보관 * 간에서 프룩토오스로 전환

⑦ 이성질화 반응 - 분자 내 수소원자의 이동과 이중결합의 재배치 - 엔디올(enediol) 중간 생성물 - 에피머화(epimerization) : 하나의 비대칭 탄소에서의 구조가 변하는 경우

- 헤미아세탈과 헤미케탈은 알코올과 반응하여 아세탈(acetal) 또는 케탈(ketal) 형성   ⑧ 글리코시드 형성 - 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) 형성

4) 중요한 단당류 ① 글루코오스(glucose, 포도당) : 덱스트로오스(dextrose) - 세포의 에너지원 - 동물 : 뇌세포, 적혈구(erythrocyte), 안구(eyeball)의 중요한 에너지원 - 식이원(dietary source) : 식물성 전분, 이당류(유당, 맥아당, 설탕) 

α-D-글루코피라노오스

② 프룩토오스(fructose, 과당) : 레블로오스(levulose) - 과일 속에 다량 존재 : 과당(fruit sugar), 꿀과 약간의 식물에서도 발견 - 케토오스 계통의 당 - 가공식품의 감미료로 이용  

β-D-프룩토푸라노오스

③ 갈락토오스(galactose, 젖당) - 생체 분자 합성에 중요(lactose, glycolipid, 프로테오글리칸, 당단백질) - 갈락토오스와 글루코오스는 에피머 : 에피머효소(epimerase)에 의해 촉매 

α-D-갈락토피라노오스

5) 단당류의 유도체 ① 우론산(uronic acid) - 단당류의 말단 CH2OH기가 산화될 때 형성 5) 단당류의 유도체  ① 우론산(uronic acid) - 단당류의 말단 CH2OH기가 산화될 때 형성 - 글루쿠론산과 에피머인 L-이두론산(L-iduronic acid) : 동물 대사에 중요, 결합조직의 탄수화물 성분 - 글루쿠론산 : 간에서 스테로이드, 약물, 빌리루빈(bilirubin, 헤모글로빈의 분해산물) 등과 결합해서 수용성 증가 → 체외로 배출

② 아미노당(amino sugar) - 2번 탄소의 -OH가 아미노기로 치환된 당 - 세포단백질과 지질에 결합된 복잡한 탄수화물의 성분 - 동물세포에서 흔한 아미노당 : D-글루코사민(D-glucosamine), D-갈락토사민(D-galactosamIne)

③ 디옥시당(deoxy sugar) - -OH기가 -H로 대치된 단당류 - L-푸코오스(fucose) : 적혈구 표면의 ABO 혈액 그룹 같은 당단백질의 구성 성분 - 2-디옥시-D-리보오스 : DNA의 5탄당 구성 성분 

4. 이당류와 올리고당 1) 서론 ① 이당류 : 2개의 단당류로 구성된 글리코시드 1) 서론  ① 이당류 : 2개의 단당류로 구성된 글리코시드 ② 올리고당류(oligosaccharide) : 3~10개 또는 그 이상의 단당류로 구성 ③ 글리코시드 결합 ④ 탄수화물의 대사 관계 - 작은창자의 세포(효소) : 이당류나 다른 탄수화물의 소화 - 흡수 : 단당류 형태 - 소화되지 않은 이당류는 큰 창자로 이동, 삼투압에 의해 물을 흡수하여 설사 발생

2) 락토오스(lactose) ① 우유에 많이 들어있는 이당류 ② β-1,4-결합, 환원당 ③ 동물 : 락타아제 결핍 → β(1,4) 결합은 가수분해 못함 → β(1,4) 결합의 탄수화물은 소화 못함 

3) 말토오스(maltose) ① 녹말 가수분해의 중간산물, 유리된 상태로 존재하지 않음 ② 두 개의 D-글루코오스 분자 사이의 α(1,4) 글리코시드 결합 ③ 용액에서 유리된 아노머 탄소는 변광회전을 하여 α-, β-말토오스의 평형 혼합물을 형성

4) 수크로오스(sucrose, 설탕) ① 식물의 잎과 줄기에서 생성, 식물 전체의 에너지원 ② α-글루코오스와 β-프룩토오스로 구성 ③ 비환원당

5) 셀로비오스(cellobiose) ① 셀룰로오스(cellulose)의 분해산물 ② β-1,4 글리코시드 결합 ③ 자연계에 유리된 상태로 존재하지 않음

5. 다당류 1) 서론 ① 글리코시드 결합으로 연결된 수많은 단당류 단위로 구성 ② 에너지 저장형, 구조 물질 ③ 구조 1) 서론  ① 글리코시드 결합으로 연결된 수많은 단당류 단위로 구성 ② 에너지 저장형, 구조 물질 ③ 구조 - 선형 구조(linear structure) : 셀룰로오스, 아밀로오스 - 분지 모양(branched shape) : 글리코겐, 아밀로펙틴 ④ 구성 성분 - 동질다당류 : 한 종류의 단당류로 구성 - 이질다당류 : 여러 종류의 단당류로 구성

2) 동질다당류(homopolysaccharide) (1) 종류 ㉠ 녹말, 글리코겐, 셀룰로오스, 키틴, inulin 등 ㉡ 녹말, 글리코겐, 셀룰로오스 : 가수분해하여 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  

(2) 녹말(starch) ㉠ 식물세포의 에너지 저장원(감자, 쌀, 옥수수, 밀 등의 음식물) ㉡ 아밀로오스(amylose)(그림 참조) - D-글루코오스의 α(1,4) 글리코시드 결합, 가지 없는 긴 사슬 - 분자량 : 15만~60만달톤 - 녹말 검색 분석법 : 요오드 첨가 → 진한 청색 ㉢ 아밀로펙틴(amylopectin)(그림 참조) - 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 - 창자세포에서 흡수, 간으로 이동, 온몸으로 재분배  

(3) 글리코겐(glycogen)(그림 참조) ㉠ 척추동물의 탄수화물 저장 분자 ㉡ 간과 근육세포에 많이 존재(간세포의 8~10%, 근육세포의 2~3%) ㉢ 아밀로펙틴과 유사 구조 : 분지점이 더 많음 ㉣ 비환원 말단부(nonreducing end) : 동물이 많은 에너지를 필요로 할 때 신속하게 글루코오스로 이용  

(4) 셀룰로오스(cellulose)(그림 참조) ㉠ D-글루코피라노오스의 β(1,4) 글리코시드 결합 ㉡ 식물이 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  

(5) 키틴(chitin)(그림 참조) - 구조와 기능이 셀룰로오스와 유사 - N-아세틸글루코사민이 β-1,4 글리코시드 결합, 가지 없는 사슬 - 3종류의 미세원섬유 : α-키틴, β-키틴. γ-키틴 (6) Inulin(이눌린) D-fructose로 된 다당류 흰색 결정으로 파, 마늘 등의 저장당질로 함유 직쇄형으로 인체의 위에는 이눌린 분해효소가 없다.  

3) 이질다당류(heteropolysaccharide) (1) 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan, GAG)(표 참조) ㉠ 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 : 히알우론산, 콘드로이틴 황산염(chondroitin sulfate), 더마탄 황산염(dermatan sulfate), 헤파린(heparin), 헤파린 황산염(heparin sulfate), 케라탄 황산염(keratan sulfate) ㉣ GAG는 생리적 pH에서 음전하 ㉤ 강력한 친수성 : 다량의 물분자를 끌어 부피가 증가  

(2) 뮤레인(murein, 펩티도글리칸)(그림 참조) ㉠ 박테리아 세포벽의 주요 성분 ㉡ 당유도체인 N-아세틸-글루코사민과 N-아세틸-뮤라믹산, 아미노산 함유 ㉢ 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