9장. 탄수화물
개요
• 단당류는 가장 단순한 탄수화물이다
• 복잡한 탄수화물은 단당류들의 연결로 형성된다
• 탄수화물이 단백질에 부착되어 당단백질을 형성할 수 있 다
• 렉틴들은 탄수화물과 결합하는 특이한 단백질들이다
9.1 단당류는 가장 단순한 탄수화물이다
• 탄수화물(carbohydrate): 히드록실기(─OH)가 풍부한 탄소에 기초한 분자
; 대부분 실험식은 (C─H2O)n
• 단당류(monosaccharides) : 두 개 이상의 히드록실기들을 가진 알데히드 (aldehydes) 또는 케톤(ketone)
• 트리오스(triose): 세 개의 탄소로 구성된 가장 작은 단당류
– Dihydroxyacetone), D-glyceraldehyde, L-glyceraldehyde
• 케토오스(ketose): 케톤기를 가짐 (예: 디히드록시아세톤)
• 알도오스(aldose): 알데히드기를 가짐 (예: 글리세르알데히드)
• 단당류의 탄소원자의 수에 따른 구분
– 테트로오스(사탄당, tetrose) – 펜토오스(오탄당, pentose) – 헥소오스(육탄당, hexose)
– 헵토오스 (칠탄당, heptose) 등
9.1 단당류는 가장 단순한 탄수화물이다
• 탄수화물은 다양한 이성질체로 존재할 수 있다
• Constitutional isomer: 원자가 배열된 순서가 다른 이성질체
• Stereoisomer: 원자가 배열된 순서는 같으나 공간적인 배열이 다른 이성질 체
– 거울상 이성질체(enantiomer): 비대칭 탄소가 거울상으로 존재
– 부분 입체 이성질체(diastereoisomer): 비대칭 탄소가 거울상이 아닌 형태로 존재
• 에피머(epimer): 단 한 개의 비대칭 중심에서 배열이 다른 부분 입체이성질 체
• D와 L 이성질체는 알데히드기나 케토기로부터 가장 먼 비대칭 탄소 원자의 배열에 의해 결정됨
– 일반적인 D-알도오스 당 (D-리보오스, D-글루코오스, D-만노오스, D-갈락토스) – 일반적인 D-케토오스 당은 같은 수의 탄소 원자를 가진 알도오스들보다 비대칭
중심이 한 개가 적음
9.1 단당류는 가장 단순한 탄수화물이다
• 일반적으로 많은 당은 고리 형태로 존재한다
• 알데히드의 경우
– 용액에서 알데히드기가 알코올과 반응하여 헤미아세탈(hemiacetal)을 형성 – 알도헥소오스(aldohexose)의 경우 같은 분자가 알데히드와 알코올을 제공하여
분자내 헤미아세탈(intramolecular hemiacetal)을 형성함
• 피라노오스(pyranose): 여섯 원자로 된 고리형 헤미아세탈
• 케톤의 경우
– 용액에서 케토기가 알코올과 반응하여 헤미케탈(hemiketal)을 형성
– 케토헥소오스(ketohexose)의 열린 사슬 형태의 C-2 케토기는 분자 안에 있는 히 드록실기와 반응하여 분자내 헤미케탈(intramolecular hemiketal)을 형성함
• 푸라노오스(furanose): 다섯 원자로 된 고리형 헤미케탈
9.1 단당류는 가장 단순한 탄수화물이다
• 아노머(anomer): 고리형 헤미아세탈이 형성될 때 생기는 또 하나의 비 대칭 중심 때문에 생기는 부분 입체이성질체
– α 아노머: C-1에 붙어있는 히드록실기가 고리 면의 아래쪽에 있음 – β 아노머: C-1에 붙어있는 히드록실기가 고리 면의 위쪽에 있음
• 펠링의 용액: 제2구리 이온(Cu
2+) 용액
– 환원당(reducing sugar): 산화제(펠링의 용액)와 반응할 수 있는 자유 알데히 드를 가진 당
– 비환원당(nonreducing sugar): 산화제(펠링의 용액)와 반응하지 않는 당
• 프룩토오스의 아노머
– 열로 인해 β-D-피라노오스가 β-D-푸라노오스로 전환되면 단맛이 줄어듦 – β-D-피라노오스 형태의 프룩토오스를 고농도로 함유 하고 있는 옥수수 시
럽은 찬 음료에서 사용됨
9.1 단당류는 가장 단순한 탄수화물이다
• 단당류는 글리코시드 결합을 통해서 알코올과 아민에 결합한다
• O-glycosidic bond: 아노머 탄소 원자와 알코올의 산소 원자 사이에 형성된 결합
– 탄수화물이 연결되어 긴 중합체가 형성될 때 또는 단백질과 결합할 때 생성
• N-glycosidic bond: 아노머 탄소 원자와 아민의 질소 원자 사이에 형성된 결합
• 탄수화물은 인산과 에스테르 결합을 형성할 수 도 있음
– 탄수화물에 대한 여러 변형은 생화학적 다양성을 증가시켜 신호분자의 역할이나 빠른 연소를 가능하게 함
9.2 복잡한 탄수화물은 단당류들의 연결로 형성된 다
• Oligosaccharide: O-글리코시드 결합에 의해 두 개 이상의 단당류들이 연결 된 탄수화물 (α-1,4-글리코시드 결합)
• 단당류들은 다수의 히드록실기를 가지므로 많은 다른 글리코시드 결합이 가능
• 특이한 효소들이 소당류의 조립을 맡고 있다
• 글리코실기 전이효소(glycosyltransferases): 글리코시드 결합의 형성을 촉진
9.2 복잡한 탄수화물은 단당류들의 연결로 형성된 다
• 이당류(disaccharide):
– Sucrose (흔히 사용하는 설탕) : β-D-프룩토푸라노실-α-D-글루코피라노시드 – Lactose (젖당) : β-D-갈락토피라노실-(1→4)-α-D-글루코피라노오스
– Maltose (맥아당) : α-D-글루코피라노실-(1→4)-α-D-글루코피라노오스
– 각각 sucrose 가수분해효소(sucrase), lactose 가수분해효소(lactase), maltose 가 수분해효소(maltase)에 의해 소장에서 분해되며 추가 과정을 거쳐 ATP 형태의 에 너지를 제공함
9.2 복잡한 탄수화물은 단당류들의 연결로 형성된 다
• 글리코겐과 녹말은 글루코오스의 저장물이다
• 다당류(polysaccharide): 많은 수의 단당류들로 형성된 큰 중합체형 소당류
– 에너지 저장과 생물의 구조를 보전하는데 매우 중요함
• 동종중합체(homopolymer): 모든 단당류들이 같은 종류인 다당류
– 글리코겐(glycogen): 동물의 간과 근육 세포에 다량으로 존재하는 가지 친 글루코오스 중합체. α-1,4-글리코시드 결합으로 연결된 글루코오스 잔기들에서 약 10개 마다 한 번씩 α-1,6-글리코시드 결합으로 가지가 형성됨
– 녹말(starch): 식물의 영양물 저장물질
• Amylose : α-1,4-글리코시드 결합
• Amylopectin : α-1,4-글리코시드 결합 및 약 30개마다 α-1,6-글리코시드 결합 형성
• 식물의 구조 성분인 셀룰로오스는 글루코오스 사슬로 이루어져 있다
• 셀룰로오스(cellulose): β-1,4-글리코시드 결합으로 연결된 글루코오스 잔기들로 이루어진 가지가 없는 중합체
9.2 복잡한 탄수화물은 단당류들의 연결로 형성된 다
• 다당류와 단백질로 구성된 단백질당은 중요한 구조적 역할을 한다
• 단백질당(proteoglycans): 글리코사민당(glycosaminoglycan), 특별한 종류의 다당류에 부착된 단백질
– 관절 윤활액, 연결 조직의 구조적 성분, 세포증식 자극 인자와 결합 – 단백질당의 성질은 글리코사민당에 의해 결정됨
• 당단백질(glycoprotein): 탄수화물 원자단과 단백질의 공유결합
– N-연결: 당이 아스파라진의 곁사슬에 있는 아미드 질소 원자에 부착됨 – O-연결: 당이 세린이나 트레오닌의 곁사슬에 있는 산소 원자에 부착됨 – N-연결 또는 O-연결 생성 과정을 글리코실화라고 함
생물학적 통찰
• 혈액형은 단백질의 글리코실화 형태에 기초한다
• 혈액형의 결정
– 적혈구 표면의 A, B, O 세 가지 다른 탄수화물 중 하나의 존재로 결정됨 – O(또는 H) 항원: 공통으로 가짐
– A 항원: O 항원의 갈락토오스에 α-1,3 연결로 N-아세틸갈락토사민(N- acetylgalactosamine)을 첨가한 것
– B 항원: O 항원의 갈락토오스에 α-1,3 연결로 갈락토오스를 첨가한 것
– 각 개인은 어떤 글리코실기 전이효소를 가지고 있는지에 따라 혈액형이 결정됨
9.4 렉틴들은 탄수화물과 결합하는 특이한 단백질 들이다
• 세포 표면에 나타나는 탄수화물 구조들은 세포와 환경 사이의 상호작용 역 할
• 렉틴은 많은 약한 상호작용들로 탄수화물과 결합하여 세포-세포 상호작용 을 촉진한다
• 렉틴(lectin): 다른 세포 표면의 특이한 탄수화물 구조와 결합하는 단백질
