3. 탄수화물(carbohydrate) 1. 탄수화물 (1) 섬유소(cellulose) : 식물체 “골격”

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1 3. 탄수화물(carbohydrate) 1. 탄수화물 (1) 섬유소(cellulose) : 식물체 “골격”
(2) 녹말, 포도당 : 에너지원 (3) 일반식 : (CH2O)n (4) 극성물질(높은 용해도) (5) aldehyde or ketone 2. 중합 정도 (1) 단당류(monosaccharides) (2) 이당류(disaccharides) (3) 올리고당류(oligosaccharides) : 단당류 2~10개 연결 (4) 다당류(polysaccharides)

2 Carbohydrates Carbohydrate : a polyhydroxyaldehyde or polyhydroxyketone, or a substance that gives these compounds on hydrolysis Monosaccharide : a carbohydrate that cannot be hydrolyzed to a simpler carbohydrate they have the general formula CnH2nOn, where n varies from 3 to 8 aldose: a monosaccharide containing an aldehyde group ketose: a monosaccharide containing a ketone group

3 단당류 (monosaccharides)
1. Aldose : 알데하이드(aldehyde, -CHO) 기 (1) aldotriose : 3개의 탄소를 가진 aldose (2) glyceraldehyde 2. Ketose : 케톤(ketone, C=O) 기 (1) ketotriose : 3개의 탄소를 가진 ketose (2) dihydroxyacetone 3. 탄소사슬의 크기에 따른 단당류 (1) Triose : 3탄당 (2) Tetrose : 4탄당 (3) Pentose : 5탄당 (4) Hexose : 6탄당

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5 Monosaccharides Monosaccharides are classified by their number of carbon atoms

6 Fisher 투영식(쇄식구조) 독일 유기학자 Emil Fisher 제안

7 Molecular asymmetry: chiral (손대칭 탄소)

8 Two types of stereoisomers.
(거울상체) (부분입체이성체)

9 2. 부제탄소(비대칭탄소; asymmetric carbon; 표시: *)
1. 탄소원자에 4개의 각기 다른 원자단[기(group)]이 결합된 것 2. Fisher 투영식: 분자의 3차 구조로부터 만들어진 평면투영법 3. D-glyceraldehyde : aldehyde기의 카르보닐 탄소로부터 가장 멀리 떨어진 부제탄소에 –OH가 오른쪽에 위치(자연계에 흔하게 존재) 4. L-glyceraldehyde : aldehyde기의 카르보닐 탄소로부터 가장 멀리 떨어진 부제탄소에 –OH가 왼쪽에 위치 (자연계에 드물게 존재) 5. 광학활성(optically active) : 편광면 시계방향(+) 또는 반대방향(-) 회전 6. 이성질체의 개수 : 6개의 탄소를 가지는 aldose는 4개의 부제탄소를 가지므로 입체 이성질체의 개수 (2)4=16 (D-aldose 8종, L-aldose 8종) 7. 에피머(epimer) : 하나의 특정한 부제탄소 주위에 –OH의 배치만 다른 당 (예, D-glucose 와 D-mannose)

10 Epimer : 하나의 비대칭 탄소 원자에서 구조가 다른 부분입체이성질체

11 3. 단당의 환식구조 [고리형(환상) 당류] 1. 3탄당 & 4탄당 : 사슬형 2. 5탄당 & 6탄당 : 고리형 3. D-glucose의 고리형성 1) hemiacetal; 탄소원자의 단일결합들은 회전이 가능하므로 당을 고리로 만드는 원인이 되며 5번 탄소의 hydroxyl group이 1번 탄소의 aldehyde group에 근접하여, 알코올기(-OH)와 aldehyde group 사이에 결합이 일어나며 hemiacetal을 형성 2) pyranose ring(고리) : hemiacetal의 형성 결과(5번 탄소의 hydroxyl group이 산소원자를 공급하여 환상구조의 1번 탄소와 5번 탄소 사이에 다리를 형성) 1번 탄소에 새로운 -OH group이 만들어진 6각형 구조 (예, D-glucose → D-glucopyranose)

12 3. Cyclic Structure (단당류의 고리구조)
4개 또는 그 이상의 탄소를 갖는 당은 주로 고리구조(cyclic form)을 이루며 알데히드기와 케톤기가 당의 하이드록시기와 반응하여 고리모양의 헤미아세탈(hemiacetal)과 헤미케탈(hemiketal)을 각각 형성 Monosaccharides have hydroxyl and carbonyl groups in the same molecule and exist almost entirely as five- and six-membered cyclic hemiacetals anomeric carbon: the new stereocenter resulting from cyclic hemiacetal formation (고리구조를 형성하면서 carbonyl carbon이 새로운 chiral center가 될 때의 탄소) anomers: carbohydrates that differ in configuration at their anomeric carbons (고리화반응이 일어나는 동안 형성되는 두 개의 부분입체이성질체)

13 Hemiacetal formation α- anomers: hydroxyl group(-OH)이 anomeric carbon의 아래쪽에 위치 β- anomers: hydroxyl group(-OH)이 anomeric carbon의 윗쪽에 위치

14 * 아노머 (anomer) hemiketal : Ketose는 알코올기(R-OH)와 케톤의 카르보닐(C=O) 산소가 반응
퓨라노오스: 5개의 탄소로 된 고리형 화합물인 푸란 (furan)을 닮은 구조 <아노머형태 당의 상호 전환 : 변선광 과정> 하나의 아노머형태가 열린 상태로 전환된 후 다른 아노머형태로 변환 α-D-glucose(33%) ⇌ 직선사슬(미량) ⇌ β-D-glucose(33%) * 아노머 (anomer)    1) 입체이성질체 중에서 1번 탄소의 -OH 위치가 다른 경우    2) 아노머의 종류         a. α-anomer: 1번 탄소의 -OH가 아래에 존재하는 경우         b. β-anomer: 1번 탄소의 -OH가 위에 존재하는 경우

15 Hemiketal formation

16 하워스 투영식(Haworth Projections)
five- and six-membered hemiacetals are represented as planar pentagons or hexagons, as the case may be, viewed through the edge most commonly written with the anomeric carbon on the right and the hemiacetal oxygen to the back right the designation b- means that -OH on the anomeric carbon is cis to the terminal -CH2OH; a- means that it is trans

17 Furanose 와 Pyranose (p. 26)

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19 4. 복잡한 포도당 수용액 p. 28 α- 형 : 36% β- 형 : 64%

20 5. 단당의 계열 (Monosaccharides)
There are only two trioses often aldo- and keto- are omitted and these compounds are referred to simply as trioses; although this designation does not tell the nature of the carbonyl group, it at least tells the number of carbons

21 1) D-형 계열과 L-형 계열 (D- or L- Monosaccharides)
• D-glyceraldehyde : aldehyde기의 카르보닐 탄소로부터 가장 멀리 떨어진 부제탄소(마지막에서 2번째의 탄소)에 –OH가 오른쪽에 위치(자연계에 흔하게 존재) • L-glyceraldehyde : aldehyde기의 카르보닐 탄소로부터 가장 멀리 떨어진 부제탄소 (마지막에서 2번째의 탄소) 에 –OH가 왼쪽에 위치 (자연계에 드물게 존재) According to the conventions proposed by Fischer D-monosaccharide: a monosaccharide that, when written as a Fischer projection, has the -OH on its penultimate carbon on the right L-monosaccharide: a monosaccharide that, when written as a Fischer projection, has the -OH on its penultimate carbon on the left

22 1) D- or L- Monosaccharides
In 1891, Emil Fischer made the arbitrary assignments of D- and L- to the enantiomers of glyceraldehyde

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24 1) Aldose

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28 1) Ketose

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33 6. 단당의 성질과 반응, p. 31 1) 결정성과 수용성 ① 단당류는 모두 무색의 결정성 화합물
② 수용성 2) 이성(질)화 (isomerization) ① D-glucose수용액을 약 알칼리성으로 하면 분자 내 수소 원자의 이동과 이중결합의 재배치가 일어나서 D-glucose, D-fructose, D-mannose 3종의 단당 혼합물로 존재한다 ② 포도당에서 과당으로의 가역적 전환 → aldose-ketose 상호전환 반응 ③ 엔디올(enediol) : 중간형(물질) ④ 에피머(epimer) : 단 하나의 비대칭 탄소에서 –OH의 구조가 다른 것 ⑤ 에피머화(epimerization) : glucose ↔ mannose (p. 31 그림) 이유; 수산 이온(OH-)의 촉매작용에 의해 D-glucose와 D-mannose에서는 2번 탄소의 H가, D-fructose에서는 1번 탄소의 H가, 각각 카르보닐기의 산소 원자(O)로 끌어당겨져, 엔디올이라는 화합물을 만들며, 이 엔디올을 통해 3종류의 단당 사이에 평형이 이루어지기 때문이다.

34 3) 환원성 p. 32 1) 단당류는 알칼리 수용액 중에서 불안정해 산화되기 쉽다.
즉, 환원성을 나타내므로 단당류를 환원당(reducing sugar)라고 부른다. → Aldose의 carbonyl group의 산소에 의해 환원(1개 이상의 전자를 이들 물질에 제공) (p. 32, 포도당의 산화 그림) → Benedict 실험 : 환원당 검사 베네딕트 시약 (구연산염이나 탄산염 용액의 황산구리 II)은 포도당에 의해 환원된다(Cu2+ →Cu1+) 포도당 (glucose)은 산화되어 글루콘산(gluconic acid) 염을 형성 반응은 적갈색의 침전물인 Cu2O와 다른 산화물을 형성 Aldose의 aldehyde기는 약한 산화제에 의해 카르보닐기(-COOH)로 산화되며 제2구리이온(Cu2+)와 은 이온(Ag+)은 산화제로 작용

35 2) 아노머 탄소에 결합되어 있는 수산기(OH)는 다른 탄소에 결합되어 있는 수산기보다 반응성이 높고 환원성이 강해 글리코시드결합을 쉽게 만들기 때문에 글리코시드성(glycoside) 수산기라고 함(p. 33, 포도당 간에 아노머탄소 수산기를 경유한 배당체 형성 반응 양식 참조) 3) 단당류와 이당류는 글리코시드성 수산기의 유무에 따라 환원당(reducing sugar)와 비환원당(non-reducing sugar)로 구분된다. 4) 포도당(glucose), 맥아당(maltose, glucose+glucose), 갈락토오스(galactose), 유당(lactose; galactose+glucose)는 환원당 (글리코시드성 수산기 존재) 5) 자당(설탕, sucrose; glucose+fructose)은 비환원당 (글리코시드성 수산기 부재) 6) Ketose(케톤기)는 aldose(알데히드기)에 비해 산화되기 어렵기 때문에 환원력이 적다 7) D-fructose는 이성화과정을 통해 엔디올(endiol)을 생성하며, 엔디올이 환원성을 가지기 때문에 환원당(reducing sugar)

36 4) 수산기(OH)의 반응 p. 32 (1) 메틸화 OH의 H를 CH3 로 치환하여 OCH3 (methyl ether 기)의 형으로 전환 → 메틸(methyl)화 당 (2) 에스터화 1) OH의 H를 COCH3 (아세틸기)로 치환해 O•COCH3 (초산 ester)로 변경

37 4) 수산기(OH)의 반응 p. 32 * 탄수화물의 자유 하이드록시기(free OH group)와 산이 반응하여
에스터(ester)로 전환 ** 탄수화물의 인산염 에스터(phosphoric ester) : ATP 반응 중 형성된다. Phosphoric esters are particularly important in the metabolism of sugars phosphoric esters are frequently formed by transfer of a phosphate group from ATP

38 (3)글리코시드 결합 (Formation of glycosides) (p. 33)
1) Glycoside(배당체) : a carbohydrate in which the -OH of the anomeric carbon is replaced by –OR 2) 글리코시드 결합(glycosidic bond/linkage) : 단당류의 고리 헤미아세탈 또는 헤미케탈의 anomer carbon(1번 탄소)의 수산기[글리코시드성 수산기(OH)]가 알코올류 또는 페놀류 등의 수산기(OH)와 탈수 축합하여 새로이 형성되는 결합

39 glucoside: 포도당의 acetal → pyranoside (6개의 구성원으로 된 고리형 당)
fructoside: 과당의 ketal → furanoside (5개의 구성원으로 된 고리형 당) 이당류(disaccharides) : 한 단당류의 헤미아세탈 하이드록시기와 다른 단당류의 하이드록시기 사이에 아세틸 결합이 형성될 때 만들어지는 glycosides (maltose, lactose, sucrose) 다당류 (polysaccharides) : glycosidic bond에 의해 연결된 수 많은 단당류를 가진 분자 (starch, glycogen, cellulose) (5) 탄화 진한 황산을 가했을 때 강력한 탈수작용에 의해 단당류 분자에서 물이 1 분자씩 떨어져 나가 최종적으로 탄소만 남으면서(탄화) 일종의 숯이 되는 현상

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41 7. 주요한 단당 p. 34 1) 삼탄당 (triose) ① D-glyceraldehyde (aldose 계열)
② dihydroxyacetone (ketose 계열) 2) 오탄당 (pentose) ① 자일란(Xylan)을 가수분해 → D-Xylose(단맛은 포도당보다 약함, 에너지로 전환되지 않아 무칼로리(non-calorie) 감미료로 사용), 주로 식물의 줄기, 잎, 과피 형성 ② L-arabinose : aldose로 다당류인 아라비아 검(gum Arabic)의 구성당 ③ D-ribose : aldose로 핵산 RNA의 구성 당류, ATP, NAD, NADP, CoA, Vitamin B2 및 B12 의 구성 성분 * Ribose: RNA(ribonucleic acid)의 구성 성분 ** Deoxyribose: DNA(deoxyribonucleic acid)의 구성 성분, ribose의 2번 탄소의 –OH group이 수소원자(deoxy 형태)로 치환

42 3) 육탄당(Hexose) (1) D-glucose 1. 단당류의 대표적 당
2. 자연계에 널리 존재(식물의 수액):포도즙 및 과즙,옥수수, 양파 3. 사람의 혈액 내 존재(0.1%: 100mg/100ml), 일명 blood glucose 4. 뇌조직은 포도당만을 생체의 에너지원으로 사용 5. 당뇨병(Diabetes Mellitus):혈당(80~100mg/dL) 조절에 이상이 있는 질병 1) hypoglycemia(저혈당증, 50mg/dL 이하): 무기력감, 현기증, 사지떨림, 가슴 두근거림, 경련 및 혼수(coma) 유발 * 혈당 감소 시; 간의 글리코겐(glycogen) 분해, 아미노산, 지방, 유당으로부터 당신생(gluconeogenesis)에 의해 포도당 보충 2) hyperglycemia:고혈당증(126mg/dL 이상) * 혈당 증가 시; 해당과정(glycolysis) 진행 및 glycogen 생성을 통한 glucose 감소 6. 쉽게 흡수되고 효율적 이용 가능 7. 광학적으로 우선성(오른쪽, 시계방향)을 나타내므로 우당(dextrose) * 선광성(optical rotation); 직선편광의 편광면을 회전시키는 물리적 성질로 부제탄소를 갖고 있는 화합물의 고유한 성질 (D-fructose; 좌선성)

43 8. Sweetness(단맛) : 설탕(sucrose)의 약 70%
* 혈당지수(glycemic Index, GI) : 같은 탄수화물을 섭취해도 식후 혈당치를 상승시키는 속도와 정도는 식품의 종류에 따라 다름. → GI 정의 : 통상 50g의 포도당을 경구 섭취한 후의 혈당치 변동곡선의 면적(곡선 아래의 면적)을 기준으로 동량의 탄수화물을 함유한 식품을 섭취한 후의 혈당치 변동곡선의 면적비율로 산정 → GI 수치가 작은 식품일수록 식후 혈당치가 올라가기 어려우므로 당뇨병의 예방 및 치료에 적합한 식품

44 (2) D-fructose : 과일 및 벌꿀에 존재, 단맛이 가장 강함(설탕의 1.5배,
포도당의 2배), 좌선성(좌당, levulose) (3) D-galactose : 자연계에서는 유리형으로 거의 존재하지 않음 1. 우유 및 모유의 유당(젖당, lactose) 구성 성분 (D-galactose + D-glucose) 2. 지질과 결합해(예; 당지질인 cerebroside) 신경 및 뇌 조직의 구성 당 3. 뇌 발달이 급속한 유아에게는 유당에 의한 D-galactose 보급 필요 (4) D-mannose : 1. gel을 만드는 다당인 곤약 만난(mannan)의 구성당 중 하나 2. 채소류 및 딸기류에 소량 존재, 인체에서는 대사되지 않는다