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똑똑한 일상/생명과학 공부하기

3-① 탄수화물은 연료와 구성 물질의 역할을 한다

by sion♡ 2022. 12. 5.
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탄수화물(carbohydrate)에는 당과 당의 중합체가 포함된다. 가장 단순한 형태의 탄수화물은 단당류로도 알려진 단일 당이다. 이당류는 2개의 단당류가 탈수반응에 의해 연결된 이중 당이다. 탄수화물에는 많은 당 구성단위의 중합체인, 다당류라 불리는 고분자도 포함된다.

[당]
단당류(monosaccharide)는 일반적으로, CH20 단위의 배수인 분자식을 갖고 있다. 가장 흔한 단당류인 포도당(C6H1206)은 생물화학에서 대단히 중요하다. 포도당 구조에서 당의 대표적 특징을 볼 수 있는데, 분자에는 1개의 카보닐기(C-0)와 많은 수산기(-0H)가 있다. 당은 카보닐기의 위치에 따라 알도스 또는 케토스가 된다. 예를 들어. 포도당은 알도스이지만, 포도당의 구조이성질체인 과당은 케토스다. 당을 분류하는 또 다른 기준은 탄소골격을 구성하는 탄소의 수로, 3~7개 사이이다. 포도당, 과당 그리고 탄소를 6개 가진 당을 육탄당이라 부른다. 탄소 3개를 가진 삼탄당과 탄소 5개를 가진 오탄당 역시 흔한 당이다. 단당류가 다양한 또 다른 이유는 비대칭 탄소 주변 부위의 공간적 배열 때문이다. 비대칭 탄소란 네 가지 서로 다른 원자 혹은 원자 그룹과 결합한 탄소이다. 예를 들어, 포도당과 갈락토스는 1개의 비대칭 탄소 주변에 있는 부분의 배치만이 다를 뿐이다. 단지 작은 차이 같지만, 이 차이는 2개의 당에서 서로 구별되는 모양과 행동을 부여하기에 충분하다. 포도당을 선형 탄소골격으로 그리는 것은 편리하긴 하지만 완전히 정확한 것은 아니다. 수용액에서, 대부분의 다른 당과 마찬가지로 포도당 분자는 고리구조를 형성한다. 포도당과 같은 단당류는 세포의 주 영양분이다. 세포는 세포호흡이라고 알리진 과정을 통해 포도당 분자에 저장된 에너지를 뽑아낸다. 단당류 분자는 세포 활동의 주 연료일 뿐 아니라 당의 탄소골격은 아미노산과 지방산과 같은 다른 총류의 작은 유기 분자를 합성하는 원료로도 제공된다. 이런 방식으로 즉시 사용되지 않은 당 분자는 일반적으로 이당류나 다당류에 단위체로서 끼어들어 간다.
이당류(disaccharide)는 글리코시드결합(glycosidic linkage)으로 연결된 2개의 단당류로 구성된다. 글리코시드결합은 탈수반응에 의해 두 단당류 사이에 형성된 공유결합이다. 예를 들어, 엿당은 포도당 두 분자가 연결되어 만들어진 이당류이다. 또한 맥아당으로 알려진 엿당은 맥주를 양조하는 데에 사용되는 성분이다. 가장 흔한 이당류는 설탕이다. 설탕의 두 단위체는 포도당과 과당이다. 식물은 일반적으로 탄수화물을 설탕 형태로 잎에서부터 뿌리와 비 광합성 기관으로 운반한다. 우유에 존재하는 당인 젖당은 또 다른 이당류이며 이 경우 포도당 분자는 갈락토스 분자에 결합한다. 



다당류(polysaccharides)는 수백 내지 수천 개의 단당류가 글리코시드결합으로 연결된 중합체인 고분자이다. 어떤 다당류는 필요에 따라 가수분해되어 세포에 당을 공급하는 저장물질의 역할을 한다. 다른 다당류는 세포 또는 생명체 전체를 보호하는 구조물의 구성 물질 역할을 한다. 다당류의 구조와 기능은 다당류를 구성하는 당 단위체와 글리코사이드결합 위치에 의해 결정된다. 저장성 다당류 식물과 동물 모두 나중에 사용하기 위해 저장성 다당류 형태로 당을 저장한다. 식물은 포도당 단위체의 중합체인 녹말을 엽록체를 포함하는 색소체로 알려진 세포구조 내에 과립 형태로 저장한다. 녹말을 합성함으로써 식물은 여분의 포도당을 비축할 수 있다. 포도당은 세포의 주 연료이기 때문에 녹말은 저장된 에너지를 의미한다. 나중에 이러한 탄수화물 은행으로부터 포도당 단위체 간의 결합을 깨는, 가수분해를 통해 당을 인출할 수 있다. 인간을 포함한 대부분의 동물도 식물의 녹말을 가수분해할 수 있는 효소를 갖고 있기 때문에, 포도당을 세포의 영양분으로 이용할 수 있다. 감자의 덩이줄기와 곡류, 즉 밀, 옥수수, 쌀 그리고 초본류의 열매는 인간의 음식에서 녹말의 주요 공급원이다. 대부분의 포도당 단위체는 엿당에서와 마찬가지로, 1번 탄소가 4번 탄소에 연결된 1-4 결합으로 연결되어 있다. 단위체 간의 결합 각도에 의해 중합체는 나선형이 된다. 녹말의 가장 간단한 형태인 아밀로오스에는 가지가 없다. 하지만 녹말의 좀 더 복잡한 형태인 아밀로펙틴은 분기 지점에 1-6 결합이 있는 가지가 있는 중합체이다. 동물은 글리코겐(glycogen)이라고 하는 다당류를 저장하는데, 글리코겐은 아밀로펙틴과 유사한 포도당 중합체이지만 가지가 더욱 많다. 인간과 다른 척추동물은 글리코겐을 간과 근육 세포에 주로 저장한다. 당에 대한 수요가 증가하면 이들 세포에서 글리코겐을 가수분해하여 포도당을 반출한다. 하지만 이렇게 저장된 연료는 오래 지속되지 못한다. 예를 들어, 인간은 음식물을 소비하여 포도당을 보충하지 않으면 저장된 포도당이 거의 하루 만에 바닥난다. 바로 이것이 저탄수화물 음식물의 쟁점이다.


구조 다당류 생명체는 구조 다당류로부터 단단한 물질을 만들어 낸다. 예를 들어, 셀룰로스(cellulose)라는 다당류는 식물세포를 감싸는 단단한 세포벽의 주 구성성분이다. 지구 전체의 규모로, 식물은 해마다 1014kg의 셀룰로스를 만들어 내는데, 이것은 지구상의 유기화합물 중 가장 많은 양이다. 녹말처럼 셀룰로스도 포도당 중합체이지만 두 중합체의 글리코시드결합이 서로 다르다. 이는 미세하게 서로 다른 포도당 고리구조 두 가지가 존재하기 때문이다. 포도당이 고리구조를 형성할 때, 1번 탄소에 붙는 수산기는 고리 평면의 아래 또는 위에 위치할 수 있다. 이 두 가지 포도당 고리 형태를 각각 알파와 베타라고 부르기도 한다. 녹말에서는 모든 포도당 단위체가 4형인데, 반면에 셀룰로스의 모든 포도당 단위체는 알파형인데, 이 때문에 포도당 단위체의 위치가 매번 이웃한 포도당 단위체의 위치에 대해 뒤집히게 된다. 글리코시드결합의 차이에 의해 녹말과 셀룰로스의 3차원 형태가 달라진다. 녹말 분자는 거의 나선형이지만, 셀룰로스 분자는 직선형이다. 셀룰로스에는 가지가 전혀 없으며, 포도당 단위체들의 어떤 수산기는 이와 평행으로 놓여 있는 다른 셀룰로스 분자의 수산기와 수소결합을 형성할 수 있다. 식물 세포벽에서는 평행한 셀룰로스 분자들이 이런 식으로 미세섬유(microfibril)라는 단위로 묶여 있다. 이런 케이블과 같은 미세섬유는 식물에는 견고한 구조 물질이며, 셀룰로스는 종이의 주성분이고 면의 유일한 성분이기 때문에 인간에게도 중요한 물질이다.


알파 결합을 가수분해하여 녹말을 소화하는 효소는, 녹말과 셀룰로스 분자의 모양이 확연히 다르기 때문에 셀룰로스의 베타 결합을 가수분해할 수 없다. 사실, 셀룰로스를 소화할 수 있는 효소를 가진 생명체는 극히 적다. 사람도 그러한 효소를 갖고 있지 않아, 음식물에 들어있는 셀룰로스는 소화계를 지나 대변으로 나온다. 그러는 동안, 셀룰로스는 소화관 벽을 건드려서 음식물이 소화관을 부드럽게 통과할 수 있도록 돕는 점액의 분비를 자극한다. 셀룰로스는 사람에게 영양분은 아니지만, 건강식의 중요 구성요소이다. 신선한 과일, 야채, 곡물에는 셀룰로스가 풍부하다. 몇몇 원핵생물은 셀룰로스를 포도당 단위체로 분해할 수 있다. 소는 위의 첫 구획인, 후 위에 셀룰로스를 소화하는 원핵생물의 거처를 제공한다. 원핵생물은 건초와 목초의 셀룰로스를 가수분해하고, 포도당을 소에게 영양분이 되는 다른 영양소로 전환한다. 이와 유사하게, 셀룰로스를 스스로 소화하지 못하는 흰개미의 창자에는 목재로부터 음식물을 만들 수 있는 미생물이 서식하고 있다. 어떤 곰팡이는 셀룰로스를 소화할 수 있어서, 지구 생태계에서 화학 성분의 재순환을 돕는다.

 

참고문헌: 전상학, 생명과학8판, 바이오사이언스, 2009

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