식품, 화학 관련 전공 및 시험대비 생화학 핵심 요점 요약 정리 6. 탄수화물

 6강. 탄수화물

※ 들어가기
• 탄수화물은 광합성을 통해 합성되며, 식물에서는 주요 에너지 저장 형태이고, 동물에게는 주요 에너지 급원
임
• 종류에 따라 아미노산, 지질, 염기 등의 전구물질이 되기도 함
• 동물 체내 탄수화물 함량은 극히 적음 → 동물성 급원 거의 없음
• 최근, 세포막에서 세포간 신호전달에 작용 기전 연구가 활발함

 

1. 단당류
• 탄소를 3~7개 가지는 폴리하이드록시 알데히드 또는 폴리하이드록시 케톤으로서 글리코시드 결합으로 이당
류, 올리고당 혹은 다당류의 기본단위임
※ 용어설명
• 폴리하이드록시 알데히드 : 하이드록시기(-OH)가 여러 개 결합된 알데히드(-CHO) 화합물
• 폴리하이드록시 케톤 : 하이드록시기(-OH)가 여러 개 결합된 케톤(-C=O) 화합물

 

1) 단당류의 종류

• 단당류의 구분 : 알도오스(aldose)와 케토오스(ketose)가 기본 → 삼탄당
• 대표적인 단당류의 종류
- 육탄당 : 글루코오스(glucose), 프락토오스(fructose), 갈락토오스(galactose), 만나오스(mannose)
• 그 외 단당류는 식품 성분이나 신체 구성 성분이라기보다는 대사과정에서 생성되는 중간대사산물임
- 글루코오스는 이당류와 다당류를 구성하는 기본 단위이고 동물의 뇌세포와 적혈구의 주요 에너지원임
- 프락토오스는 과일에 다량 존재함
- 갈락토오스는 유당의 구성 성분으로서 유즙에 함유
• 단당류의 입체적 구조
① D-형과 L-형
- 삼탄당 이상의 알도오스와 사탄당 이상의 케토오스는 키랄 중심을 가짐
※ 키랄 중심 : 4개의 서로 다른 작용기와 연결된 탄소. 키랄 탄소 혹은 비대칭 탄소라고도 함

- 글리세르알데히드는 2번 탄소에 연결된 수소원자와 수산기(-OH)기의 위치에 따라 두 가지 다른 입체이성
질체가 존재함
※ 입체이성질체 : 동일한 화학결합을 가지지만 서로 다른 배열(configuration) : 원자들의 특정한 공간적 배
열을 가지는 탄소합유화합물
- D-형은 2번 탄소의 수산기가 오른쪽에, L-형은 왼쪽에 위치 → 거울상 이성질체
※ 거울상 이성질체 : 하나의 키랄 중심에 연결된 두 작용기의 공간적 배열 외에는 동일한 구조를 갖는 이
성질체
② 부분 이성질체와 에피머

- 두 개 이상의 키랄 중심(chiral center)이 존재하는 분자에서는, 거울상이 아닌 입체이성질체가 존재(부분
입체이성질체)
- 알데히드기나 케톤기는 수용액에서 알코올과 반응하여 각각 헤미아세탈(hemiacetla)과 헤미케탈
(hemiketal) 및 아세탈과 케탈을 형성하는데, 한 단당류 분자 내에서 이 반응이 일어나면 고리 구조가
형성됨
※ 헤미아세탈 : 알데히드기와 알코올이 1:1로 반응하여 생성되는 물질, 또 다른 알코올과 반응하면 아세탈
을 생성함
※ 헤미케탈 : 케톤과 알코올이 1:1로 반응하여 생성되는 물질, 또 다른 알코올과 반응하여 케탈을 생성함
- 또한, 하나의 비대칭 탄소원자에서만 구조가 다른 부분입체이성질체를 에피머(epimer)라고 함
예) D-글루코오스와 D-갈락토오스는 4번 탄소에서만 -OH기의 위치가 다르기 때문에 에피머이지만, D-글
루코오스와 D-탈로오스는 단지 부분입체이성질체임

 

2) 단당류의 구조식

• 직선 구조(피셔 투영)
- 가장 산화된(카르보닐) 탄소가 1번 탄소로 제일 위 쪽에 위치함
- 수평선은 지면의 앞 쪽으로, 수직선은 지면의 뒤 쪽으로 투영
- 단당류의 고리구조 형성을 나타내지 못함
• 고리 구조(하워스 모형

: 단당류의 고리 구조를 간단하게 입체적으로 표현항 방식으로 산소와 수소가 함축
적으로 표현되고 굵은 선은 지면 위로, 가는 선은 지면 뒤로 둘촐됨을 나타냄)
- 단당류 특히 오탄당과 육탄당은 대부분 고리 구조로 존재함
- 고리 구조를 형성함에 따라 카르보닐 탄소는 또 하나의 키랄 중심 형성함
- 새로 생긴 키랄 중심에서의 구조만 다른 단당류 이성질체를 아노머(anomer)라고 하고, α-, β-라고 표시
하며 그 키랄 중심은 아노머 탄소라고 부름
• 변광회전

- 변광회전 : 물에 용해 시, 시간이 지남에 따라 광학활성이 변화하는 것
- 원인 : 단당류의 α, β 구조가 상호 전환되기 때문임
- 직선상의 알데히드나 케톤 등 중간 대사물을 거쳐 반응이 진행됨

 

3) 단당류의 형태 구조

• 의자구조 및 보트 구조에서는 치환기들이 고리를 관통하는 축 방향(axial)에 위치하거나, 이 축의 수직방향
(equatorial)에 위치할 수 있음
• D-글루코오스 : -OH, -CH2OH 모두 수직 방향 → 안정적인 구조 → 자연계에 가장 널리 존재함, 탄수화물
대사의 중심

 

4) 단당류의 반응
• 이성질화 반응

- D-글루코오스 → 알칼리용액에서 수시간 → 엔다이올(이중결합과 2개의 알코올기를 포함하는 분자,
enediol) → D-만노오스 또는 D-프락토오스로 전환
• 산화반응
- 구리와 같은 금속이온이나 효소가 작용하면 단당류의 1번 카르보닐기와 6번의 알코올기가 쉽게 산화됨
- 단당류의 정성분석에 이용됨(베네딕트시약)
- 1번 탄소 산화 → 알돈산
- 6번 탄소 산화 → 우론산
- 1, 6번 모두 산화 → 알다린산
※ 베니딕트 시약 : 황산구리를 포함하는 베네딕트(Benedict) 시약은 약한 산화제로서 환원당의 정성분석에
사용한다. 약한 산화제에 의해 산화될 수 있는 당류를 환원당이라 부르는데, 열린 사슬 구조로 돌아갈
수 있는 당류는 산화될 수 있어서 모든 단당류는 환원당임
• 환원반응

- 알도오스나 케토오스의 카르보닐기를 환원 → 다양한 알코올로 전환
- 소르비톨은 글루코오스의 환원형, 당뇨환자의 눈에 축적되어 백내장의 원인이 되는 물질
- 리비톨 : 리보오스의 환원형 → FMN/FAD의 구성성분
• 에스테르화 반응

- 당의 -OH기가 인산이나 황산과 에스테르를 형성함
- 화학적·물리적 성질이 크게 바뀜, 인산이나 황산과 에스테르를 형성한 당류가 가장 흔함
- 단당류의 인산 에스테르 : 주로 ATP와 반응하여 생성함
- 단당류의 황산 에스테르는 결합조직의 프로테오글리칸(작은 크기의 폴리펩티드와 결합한 다량의 탄수화
물, proteoglycan)에서 주로 발견되는데, 전하를 띠고 있어서 다량의 물 분자와 작은 이온들이 결합됨

 

5) 단당류의 그 외 유도체

• 디옥시당
- 단당류의 -OH기 한두 개가 수소원자로 치환 → 디옥시당
- DNA 구성 : 2-디옥시-D-리보오스
- 적혈구 표면의 당단백질 구성성분 : L-퓨코오스
• 아미노당

- 단당류의 -OH기가 아미노기로 치환 → 아미노당
- 아미노당은 때로 아세틸화가 되기도 함
- 글루코오스에 아미노기가 치환 : α-D-글루코사민
- 글루코사민에 아세틸기가 치환 : N-아세틸-α-D-글루코사민
- 당단백질과 당지질을 구성 : N-아세틸뉴라민산

 

2. 이당류와 다른 글리코시드

• 단당류는 글리코시드 결합을 통해 이당류, 올리고당, 다당류 및 다양한 당 유도체를 형성
• 글리코시드(glycoside)결합은 단당류의 아노머 탄소가 알코올, 아민 혹은 티올과 형성한 아세탈(acetal)
※ 아세탈 : 헤미아세탈의 -OH기와 다른 알코올과의 반응으로 생성되는 물질
• 폴리펩티드에서처럼 중합체를 구성하는 단당류는 잔기(residue)로 불림

 

1) 이당류
• 말토오스(maltose)

- 엿당으로 불림
- α-D-글루코피라노실-(1→4)-D-글루코오스로 표시함

- Glc 1-4Glc로 요약
※ 1→4 : 1→4는 한 글루코오스의 1번 탄소가 글리코시드결합에 의해 다른 글루코오스의 4번 탄소 위치의
산소와 결합한 것을 의미함
• 셀레비오스(celebiose)

- β-D-글루코피라노실-(1→4)-D-글루코오스로 표시
- β-글리코시드 결합으로 이루어져있음
- 식물성 다당류인 셀룰로오스의 분해산물
• 락토오스(lactose)

- 유당으로 불림
- β-D-갈락토피라노실-(1→4)-D-글루코오스로 표시, 유선조직에서만 합성
- 유당불내증은 이 β-글리코시드결합을 분해하는 유당분해효소(락타아제, lactase)의 합성이 중단된 것 때
문임
• 수크로오스(sucrose)

- 서당으로 불림
- α-D-글루코피라노실-(1→2)-β-D-프락토오스로 표시
- 자연계에 가장 흔하게 존재하는 이당류
• 이당류의 아노머 탄소의 환원성
① 환원당(말토오스, 셀로비오스, 락토오스)
- 왼쪽 잔기의 아노머 탄소는 글리코시드 결합으로 묶여 있음
- 오른쪽 잔기는 α-, β-의 두 가지 아노머형으로 자유롭게 상호전환될 수 있을 뿐 아니라 열린 사슬 구조
로 되어 산화가 가능함
② 비환원당(수크로오스)
- 두 단당류의 아노머 탄소가 모두 글리코시드 결합으로, α-, β-와 같은 열린 사슬 구조로 전환될 수 없어
서 산화반응에 관여하지 않음

 

2) 올리고당류(oligosacchardies)

• 구조와 종류
- 이당류보다는 크지만 다당류보다 작은 중합체
- 대개 3~10개의 단당류로 구성
- 자연적으로 존재, 천연물질의 가수분해물로 생성
- 스타키오스(stachyose) : 대두, 완두, 밀기울 및 통곡에 상당량이 존재함, 자연적으로 존재하는 올리고당
• 기능과 구분
- 올리고당류는 폴리펩티드나 지질에 결합하여 각각 당단백질 혹은 당지질을 형성
- 세포막에 부착되거나 소포체와 골지체의 분비단백질에 결합함
- 아스파라긴(Asn)의 아미노기나 세린(Ser) 혹은 트레오닌(Thr)의 수산기에 결합하여 단백질과 연결

 

3. 다당류

• 수백에서 수천 개의 글루코오스가 글리코시드 결합으로 중합된 것
• 다당류는 그 기능과 구성성분(동질다당류, 이질다당류) 및 구조에 따라 구분할 수 있음
1) 동질다당류

• 전분 : 아밀로오스와 아밀로펙틴 혼합
① 아밀로오스
- 100~1,000개의 글루코오스 잔기가 α-(1→4)글리코시드결합을 형성

- 선형으로 연결되어 아밀로오스를 형성
- 물에 녹지 않으며, 요오드와 반응하면 진푸른색을 냄
※ 요오드 반응 : 전분의 정성분석방법으로 아밀로오스의 나선 구조에 기인함
② 아밀로펙틴

- 뼈대사슬은 α-(1→4)글리코시드결합으로 연결
- 곁사슬은 α-(1→6)글리코시드결합으로 뼈대사슬에 부착
- 생체 내에서 아밀로 펙틴은 300~6,000개의 잔기를 함유함
• 글리코겐

① 구조
- 아밀로펙틴과 비슷한 구조이지만 좀 더 빽빽하게 가지 친 구조
- 한 개의 환원말단과 수 많은 비환원말단을 가짐
- 글리코겐 가인산분해 효소에 의해 비환원말단으로부터 매우 신속하게 글루코오스 잔기를 공급 가능
※ 환원말단과 비환원말단 : 글루코오스 중합체에서 말단에 있는 글루코오스 중 1번 탄소의 -OH기가 결합
에 묶여 있으면 비환원말단, 말단 글루코오스 중에 1번 탄소의 -OH기가 결합에 묶여 있지 않고 열린
구조로 갈 수 있어 환원력이 있으면 환원말단이라 할 수 있음
② 체내 작용
- 동물의 저장용 다당류
- 간(신속하게 혈당 공급)은 총 무게의 10% 저장
- 골격근(근육수축을 위한 에너지 공급원)은 총 무게의 1~2% 정도 저장
• 셀룰로오스

① 구조
- α-D-글루코오스 잔기가 직선상으로 중합된 분자
- β-(1→4)글리코시드결합으로 이루어져 있다는 점이 아밀로오스와 차이점
- 글루코오스 잔기들이 180도씩 뒤집어져 있어 신장된 구조에 유리함 → 분자 내 수소결합이 가능하여 높
은 강도를 가짐
※ 반추동물의 에너지원으로서의 셀룰로오스 : 반추동물의 위(rumen) 속에 서식하는 세균은 셀룰로오스 분
해 효소(cellulase, β-glycosidase)를 합성하므로 소나 양과 같은 동물은 셀룰로오스의 분해산물인 글루
코오스를 합수하여 체내에서 이용할 수 있다. 그러나 다른 동물의 장에서는 β-글리코시드결합이 분해될
수 없어 소화되지 못한 채 셀룰로오스가 분변으로 배설될 수 있음
② 기능
- 거의 모든 식물의 세포벽에서 발견되며, 물리적 구조와 강도를 제공함
• 키틴

① 구조
- 곰팡이의 세포벽에 존재하고, 갑각류, 곤충 및 거미의 겉껍질을 구성함
- 신장된 리본구조, 수소결합으로 단단하게 묶여 나란히 차곡차곡 쌓인 구조
② 기능
- 셀룰로오스에 이어 두 번째로 지구상에 풍부, 공업적으로 이용
- 과일 : 코팅처리(과일)를 통해 저장기간 연장
- 육류 : 철 이온과 산소 결합 방지 → 유리라디칼 발생 억제

 

2) 이질다당류 : 두 종류 이상의 단당류를 포함하는 고분자량의 탄수화물 중합체
(1) 글리코사미노글리칸 : 프로테오글리칸의 성분

- 프로테오글리칸(작은 폴리펩티드 + 다량의 탄수화물)의 기본 구성요소
- 아미노당(N-아세틸아미노당) + 우론산(uronic acid)
※ 글리코사미노글리칸의 종류와 주요 기능
- 헤파린 : 천연 항응고제
- 히알루론산 : 안구의 초자체와 고나절의 윤활제인 활액(synovial fluid)의 중요한 구성 성분
- 콘드로이틴 황산염과 케라탄 황산염 : 힘줄(tendon), 연골(cartilage) 및 기타 결합조직을 구성
(2) 펩티도글리칸(뮤레인) : 박테리아 세포벽 성분
- N-아세틸글루코사민 + N-아세틸뮤라민산, β-(1→4)로 결합
- 짧은 펩티드에 의해 교차 결합됨
- 밀착된 다당류 사슬이 전체 세포벽을 형성함으로써 세포가 팽창되거나 용해되지 않도록 보호함
(3) 아가
- 3, 6번 탄소간 에테르 결합한 L-갈락토오스 + D-갈락토오스
- 아가로오스 : 젤 형성 능력, 전기영동 매체로 사용

 

4. 당접합체
• 당접합체 : 정보를 가진 탄수화물이 공유결합으로 단백질이나 지질과 결합
1) 프로테오글리칸

• 다량의 탄수화물 + 작은 크기의 폴리펩티드(막단백질, 분비단백질)
• 세포의 성장을 조절, 연골의 탄력성, 세포-세포간에서 혹은 세포-세포외기질 사이에서 부착, 인식 및 정보
전달 기능을 함
2) 당단백질
• 글리코사미노글리칸보다 훨씬 작은 올리고당이 결합된 단백질
• 단백질의 접힘 및 안전성에 영향을 주고, 신생 단백질의 목적지에 대한 정보, 다른 단백질에 의해 인식되게
하는 기능을 함
3) 당지질
• 머리부분(친수성) : 세포막 스핑고지질(올리고당)
• 렉틴에 의해 인식되는 특정자리(site)로 작용
• 뇌조직에 풍부하게 함유, 신경흥분전도와 미엘린 형성을 도움
• 세포 신호전달 역할

 

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<확인문제>

문제 1. 다음 중 동물의 주된 다당류 저장형태는 무엇인가?
① 글리코겐
② 아밀로펙틴
③ 셀룰로오스
④ 콜라겐
정답 ①

 

문제 2. 다음 중 포도당의 중합체가 아닌 다당류로 맞는 것은?
① 아밀로펙틴
② 아밀로오스
③ 셀룰로오스
④ 이눌린
정답 ④

 

문제 3. α-D-Glucose와 β-D-Glucose와 같은 한 쌍의 입체이성체는 다음 중 무엇으로 볼 수 있는가?
① 아세탈
② 피라노오스
③ 아노머
④ 퓨라노오스
정답 ③

 

문제 4. 다음 당유도체 설명 중 옳지 않은 것은?
① 알다린산 - 카르보닐기, 말단 알코올기 혹은 양쪽이 산화된 물질
② 알돈산 - 글루코오스의 환원형으로서 당뇨환자의 눈에 축적되어 백내장의 원인이 됨
③ 당알코올 - 알데히드나 케톤이 환원된 물질
④ 당에스테르 - 당의 -OH기가 인산이나 황산 등과 에스테르화된 물질
정답 ②

 

문제 5. 핵산의 주요구성요소인 당은 다음 중 무엇인가?
① 리보오스
② 갈락토오스
③ 만노오스
④ 말토오스
정답 ①

 

문제 6. 올리고당의 암호를 읽는 단백질로서 매우 특이적으로 탄수화물과 결합하는 도메인을 가지는 물질은
무엇인가?
① 렉틴(lectin)
② 리보뉴클레아제(ribonuclease)
③ 글리코포린(glycophorin)
④ 당단백질(glycoprotein)
정답 ①

 

문제 7. 다음 중 이당류가 아닌 것은?
① 아밀로오스
② 셀레비오스
③ 락토오스
④ 정답 없음
정답 ①

 

문제 8. 락토오스(유당)의 가수분해로 생성되는 것은?
① 갈락토오스와 프락토오스
② 갈락토오스와 글루코오스
③ 글루코오스와 프락토오스
④ 글루코오스와 만노오스
정답 ②