정의

탄수화물(carbohydrate)이라고도 불리는 당질은 분자내에 알데히드기(aldehyde group) 또는 케톤기(ketone

group) 중 어느 하나를 갖고 또 2개 이상의 알코올기를

갖는 물질

폴리히드록시알데히드(polyhydroxy aldehydes)나 케톤(ketones) 또는 가수분해에 의해 이들 화합물을 생성하는 물질

실험식(empirical formula) : Cn(H2O)n

당의 종류

단당류(monosaccharide)

단지 하나의 탄수화물 분자를 가짐

올리고당류(oligosaccharide)

2~ 6개 사이의 단당류 단위가 작은 연쇄사슬처럼 결합

다당류(polysaccharide)

단위가 긴 연쇄사슬처럼 결합되어 있는 당

구조상의 정의

모든 단당류 또는 단순당류(simple sugar) :

○ 알도스(aldose) : 1개의 알데히드기를 갖음

○ 케토스(ketose) : 1개의 케톤기를 갖음

탄소수(n)는 n=3이면 삼탄당(triose), n=4면 사탄당(tetrose) 등과 같이 부르며 자연계에는 n=3~9의 단당류의 존재

세 개의 탄소로 구성된 가장 작은 단당류

자연계에 가장 풍부하게 존재하는 단당류

글루코스(D-글루코스) - 모든 생물에서 필수적인 에너지원

프룩토스(D-fructose) - 단맛을 내는 데 사용, 세포 안에서 글루코스 유도체로 변환 됨

올리고당류는 단당류 단위가 서로 공유결합한 짧은 사슬의 당

이당류(disaccharide)

○ 수크로스(sucrose) 또는 설탕(cane sugar) : 육탄당인 D-글루코스와

D-프룩토스가 공유 결합

단당류가 3개 이상인 올리고당류의 대부분은 유리된 상태로 존재하지 않고 당단백질(glycoprotein)이나 프로테오글리칸(proteoglycan)의 폴리펩티드에 곁사슬로 결합

다당류는 단당류 단위가 수백 또는 수천이 결합된

긴 사슬의 당질

셀룰로스(cellulose) : 곧은 사슬

글리코젠(glycogen) : 가지 사슬(branch chain) 형태

보통의 단당류나 이당류는 그 명칭의 어미에 ~오스(~ose)를 붙임

비대칭 탄소와 광학이성체

그림 2-1. 탄수화물의 이성질체

비대칭탄소(asymmetric carbon) 또는 부제탄소(chiral carbon)

탄소원자에 결합하는 4종류의 기가 서로 다른 기로 결합된

탄소

비대칭탄소 1개로부터 2개의 이성체가 만들어 짐

○ n개의 부제탄소를 갖는 물질 : 2n의 이성체

이성체는 빛의 편광면을 우 또는 좌로 회전시키는(광학활성) 점에서 광학이성체

그림 2-2. 글루코스의 비대칭탄소

알데히드기의 카보닐 탄소로부터 가장 멀리 떨어진

비대칭탄소가 D-형 또는 L-형을 결정

D-글루코스 : 5번 탄소에 수산기가 오른쪽

L-글루코스 : 5번 탄소에 수산기가 왼쪽

그림 2-3. D-글루코스와 L-글루코스

에피머(epimer) : 하나의 특정한 비대칭탄소 주위에

수산기(-OH)의 배치만 다른 당

그림 2-4. D-알도스 계열의 당의 종류

그림 2-5. D-케토스 계열의 당의 종류

고리형 당류

헤미아세탈 형성은 당을 고리로 만드는 원인

그림 2-6. 피라노스 형성

그림 2-7. 푸라노스 형성

아노머 탄소(anomeric carbon)

고리형 구조가 형성될 때 알도스는 첫 번째 탄소가, 케토스는 두

번째 탄소가 새롭게 비대칭 탄소화 됨

아노머(anomer)

β구조 : 아노머 탄소의 수산기가 위쪽

α구조 : 아노머 탄소의 수산기가 아래쪽

단당류의 성질

⑴ 용해도

당은 수산기를 많이 갖는 극성화합물로서 물에 잘 녹고,

알코올이나 에테르 같은 유기 용매에는 잘 녹지 않거나

또는 불용성

⑵ 환원성 알도스의 카보닐(carbonyl) 산소가 여러 물질을 환원

케토스 역시 물질들을 환원시킬 수 있지만 알도스 만큼 쉽지 않음

알도스와 케토스의 고리구조가 대부분 저절로 열려져 환원과정에 참여하는 카보닐기(carbonyl group)가 노출되어 당이 직선 사슬구조를 이루기 때문

베네딕트(Benedict) 실험

Cu2+ + Glucose Cu2(OH)2 (황색↓)

CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2 (청색)

OH- ,△

⑶ 산성용액 중에서의 변화

단당류를 강산성 용액에서 가열

탈수되어 오탄당은 푸르푸랄(furfural)이 되고 육탄당은 히드록시메틸푸르푸랄(hydroxymethylfurfural)을 생성

여러 종류 페놀 유도체와 축합하여 유색물질을 생성하므로 이 반응을 단당류의 정량에 응용

⑷ 오사존(osazone) 생성

약산성하에서 단당류(이당류)를 페닐히드라진(phenylhydrazine)과 함께 가열하면 단당류의 C1․C2에

페닐히드라진이 결합하여 물에 녹지 않는 황색결정의

오사존을 형성하는데 이를 당의 감식에 이용

그림 2-8. 단당류와 페닐히드라진의 반응

단당류의 유도체

⑴ 우론산(uronic acid)

D-글루쿠론산(D-glucuronic acid), D-갈락투론산(D-

galacturonic acid), D-만우론산(D-mannuronic acid),

L-굴루론산(L-guluronic acid)과 L-아이둘론산(L-

iduronic acid) 등 5종류의 우론산이 존재

끝에 있는 히드록시메틸기만이 산화하여 카르복시기로 변화한 것

글루쿠론산

많은 식물점질물, 무코다당류의 성분이며 뼈, 연골(cartilage)과

피부에 함유

해조류에 존재하는 알진산(alginic acid)은 주로 만우론산으로 구성되어 있으며 굴루론산도 함유

아이둘론산은 콘드로이틴황산(chondroitin sulfate)

의 한 종류인 황산데르마탄(dermatan sulfate)에 함유되어 있으며 헤파린(heparin) 중에도 존재

⑵ 알돈산(aldonic acid) 및 사카린산(saccharic

acid)

알돈산 : 알데히드기만 산화한 것

글루콘산(gluconic acid) : 글루코스 산화효소(glucose oxidase)

등에 의해 산화

○ 곰팡이, 세균에 존재

○ 이것의 칼슘염이나 철염은 각각 칼슘이나 철의 보급제로 이용

○ 락톤(lactone) 형은 두부응고제나 산미료 등의 식품첨가물로 이용

알달산(aldaric acid) : 알데히드, 히드록시메틸 양기가 카르복시기로 변화한 것

글루카릭산(glucaric acid) = 글루코사카린산(glucosaccharic acid)

○ 인도고무나무 유액 중에 존재

갈락토사카린산(galactosaccharic acid) = 갈락타릭산(galactaric

acid)

○ 갈락토스(galactose)의 산화로 생성

○ 점액 중에 존재하기 때문에 뮤신산(mucic acid)이라고도 함

⑶ 디옥시리보스(deoxyribose)

디옥시당(deoxy sugar) : 당의 알코올기로부터 산소가 빠진 형태의 것

⑷ 아미노당(amino sugar)

당의 2번 탄소 위치의 알코올기가 아미노기로 치환된 것

D-글루코사민(D-glucosamine) 갑각류에 키틴(chitin)

뮤라믹산(muramic acid)과 결합하여 세균의 세포벽 펩티도글리칸(peptidoglycan, mucopeptide)의 골격구조

아미노당은 천연상태에서는 대부분 N-아세틸-D-글루코사민(N-acetyl-D-glucosamine) 등 아미노기가 아세틸화되어 있음 N-아세틸 글루코사민은 혈액형 A형 물질의 결정기

육탄당아민(hexosamine)과 N-아세틸육탄당아민(N-acetylhexosamine)은 파라-아미노벤즈알데히드(p-aminobenzaldehyde) 시약(Ehrlich 시약)을 이용한 엘슨-모간(Elson-Morgan) 법 및 이것을 개량한 비색법으로 정량 가능

⑸ 배당체

단당류의 글리코시드성 -OH에 당 이외의 물질이 결합된 것

자연계에는 의학적으로 유용한 배당체가 많이 존재

예 : 스트렙토마이신(streptomycin, digitoxine)

올리고당 및 다당류

⑴ 이당류와 글리코시드 결합(glycosidic linkage)

당의 아노머 탄소는 상당히 반응성이 커서 다른 수산기

사이에서 축합해서 글리코시드 결합을 형성

이 결합은 에테르 결합과는 달라서 효소와 산 등으로서 쉽게 가수분해 됨

⑵ 다당류 단일 다당류 : 한 가지 종류의 단당류로 이루어 짐

셀룰로스(cellulose), 녹말(starch)

복합다당류 : 두 가지 이상의 단당류 단위로 이루어 짐

히알루론산 : 글루코닉산과 N-아세틸 글루코사민 분자의 반복적인 결합으로 이루어 짐

녹말 : 아밀로스(amylose)와 아밀로펙틴(amylopectin)이라는 두 가지 주요 성분으로 구성

아밀로스 : 글루코스 분자가 α-1,4-글리코시드 결합에 의해 서로 연결된 수 백개 단위가 반복되어 있는 가지가 없는 분자

○ 비환원성 말단(nonreducing end) : 이 분자의 한쪽 끝에 붙어 있는 글루코스 분자는 아노머 탄소원자가 글리코시드 결합하고 있으므로

○ 환원말단(reducing end) : 다른 쪽 끝은 아노머 탄소원자가 유리의 알데히드기를 형성할 수 있으므로

그림 2-9. 아밀로스

그림 2-10. 아밀로스의 나선구조 모양

아밀로스는 α-아밀레이스(α-amylase)와 β-아밀레이스(β-

amylase)에 의해 효소적으로 분해

α-아밀레이스 : 침(saliva)과 췌장액(pancreatic juice)에 존재

○ α-1,4 결합을 불규칙적으로 가수분해하여 글루코스와 말토스(maltose)

의 혼합물을 만듬

β-아밀레이스 : 맥아에 존재

○ α-1,4-글리코시드 결합을 매우 규칙적으로 가수분해

아밀로펙틴 : 녹말의 두 번째 중요한 구성 성분, 포도당이

α-1,4-와 α-1,6-글리코시드 결합에 의해 서로 연결된 매우

가지가 많은 다당류

α-1,6-결합은 24~30개의 글루코스 사슬 단위마다 분지점(branch

point)이 존재

그림 2-11. 아밀로펙틴

글리코젠 : 포도당의 주요한 저장형태

구조 : 아밀로펙틴과 유사하지만, 곁가지를 더 많이 가지고 있으므로 동물에서의 포도당 저장형으로 간이나 골격근육(skeletal

muscle) 세포의 세포질에서 과립을 형성

셀룰로스 : 모든 식물세포의 기본적인 골격성분, 지구표면에서 가장 풍부한 탄수화물

글루코스 단위가 β-1,4-글리코시드 결합에 의해 연속적으로 연결된 구조

세포벽에서 다른 탄수화물[펙틴(pectin), 익스텐신(extensin) 및 헤미셀룰로스(hemicellulose)]의 매트릭스(matrix) 속에 단단히 결합된 긴 섬유를 형성

그림 2-12. 셀룰로스

복합다당류

한 종류 이상의 단당류 분자로 이루어져 있음

히알루론산(hyaluronic acid)

관절에 윤활유 역할을 하는 윤활액(synovial fluid)속에 존재

구조 : D-글루쿠론산과 N-아세틸-D-글루코사민이 β-1,3-결합과 β-

1,4-결합을 반복

그림 2-13. 히알루론산

콘드로이틴황산(chondroitin sulfate)

연골조직(cartilage tissue)과 동맥벽(arterial wall)에 존재

음전하를 띤 황산기(SO32-)가 갈락토사민 분자의 4번째 혹

은 6번째 탄소에 결합

그림 2-14. 콘드로이틴-6-황산

헤파린 황산(heparin sulfate)

반복되는 글루코사민 분자에 결합되어 있는 글루콘산과 아이둘론산을 함유

헤파린 : 주로 동맥혈관벽에서 발견

○ 혈액응고를 저해

○ 혈액 속을 순환하고 있는 지질을 분해하는 지질단백 지질분해효소(lipoprotein lipase)라 불리는 효소를 방출하여 혈청지질의 수송을 도움

○ 구조 : 히알우론산을 황산화한 구조로 글루쿠론산과 N-아세틸글루코사민 단위당 2.5~3개의 황산기가 존재

그림 2-15. 헤파린

당단백질

탄수화물 사슬이 단백질 분자에 결합된 분자

탄수화물은 세린(serine), 트레오닌(threonine), 아스파라진(asparagine)의 R기와 공유결합을 형성

○ 세린이나 트레오닌의 곁사슬에 있는 산소 원자에 부착되거나(O-연결)

아스파라진의 곁사슬에 있는 아미드 질소 원자에 부착(N-연결) 됨

그림 2-16. N-연결된 소당류 오당류 중심부(회색으로 그늘지게 나타내었다)는 모든 N-연결된 소당류에서 흔히 볼 수 있으며 N-연결된 다양한 소당류의 기초 역할을 한다. 두 가지를 예로 들었다. (A) 만노스 함량이

큰 유형; (B) 복잡한 유형, 각형에 대해서 자세한 화학식과 모식도를 나타내었다. 당에 대한

약자들 : Fuc, 푸코스; Gal, 갈락토스; GalNAc, N-아세틸갈락토사민; Glc, 글루코스; GlcNAc,

N-아세틸글루코사민; Man, 만노스; Sia, 시알산.

갑상샘글로불린(thyroglobulin) : 매우 큰 당단백질(분자량 660,000 달톤)로서 갑상샘에서 발견, 갑상샘 호르몬의

합성에 필요

만노스, N-아세틸글루코사민, 갈락토스 및 다른 당으로 구성된 두

가지 탄수화물 사슬 즉, 9개의 A 사슬과 14개의 B 사슬을 지님

당단백질의 여러 가지 생물학적 기능

특수한 효소

수송단백질

호르몬

항체

임상적 통찰

사람의 ABO 혈액형

이 구조들은 공통적으로 O (또는 가끔 H) 항원이라고 부르는 올리고당을 지님

A 항원 : O 항원의 갈락토스에 α-1,3 결합으로 N-아세틸갈락토사민을 하나 여분으로 첨가

B항원 : 갈락토스를 하나 여분으로 첨가

그림 2-17. A, B 그리고 O 올리고당 항원들의 구조

특정한 글리코실기 전이효소들은 여분의 단당류를 O 항원에 첨가

글리코실기 전이효소들을 암호화하는 3 개의 공통의 유전자들이있고, 각 사람들은 각 부모로부터 각각의 형태에 대한 유전자를 받음

A 형 전이효소(type A transferase) : N-아세틸갈락토사민을 첨가

B 형 전이효소: 갈락토스를 첨가

이 효소들은 4 개를 제외하고는 354개의 위치가 모두 동일

O 표현형은 번역(translation)을 조기 종결(premature termination)하도록 하여 활성을 갖는 글리코실기 전이효소를 더 이상 생산 못하게

하는 돌연변이의 결과물