[세포생물학] 탄수화물 : 단당류의 분자 구조와 특성 / 6탄당 유도체 (글루코사민, 갈락토사민 등)

탄수화물의 분류와 특성

탄수화물은 C, H, O로 이루어져 있으며, 당의 기본 단위가 몇 개 붙어있느냐에 따라 단당류, 이당류, 다당류로 분류되기도 합니다. 형태나 용도에 따라서는 두 가지로 나눌 수 있는데, 첫 번째로는 밀도가 작고 불용성인 에너지 저장형태인 녹말과 글리코겐이 있습니다. 녹말은 수용성이 그나마 강한 아밀로오스와 가지 구조를 가지고 있어 수용성이 낮은 아밀로펙틴으로 나뉩니다. 대체로 분자 구조에 곁가지가 많을수록 불용성의 성질이 강하다고 볼 수 있습니다. 두 번째는 밀도가 크고 지지 구조에 사용되는 셀룰로오스가 있습니다.

 

단당류의 구조는 2가지로 나뉘는데, aldehyde기를 가지는 종류 Aldose와, ketone기를 가지는 Ketose가 있습니다. (둘은 분자식은 동일하지만 구조가 다르기 때문에 구조 이성질체 관계입니다.) 작용기의 특성에 대해서 설명하는 부분에서도 나왔지만, 케톤기가 H2O가 풍부한 환경에 노출되면 알데히드기가 되기 때문에, Ketose가 H2O가 충분히 많은 환경에서는 반응을 통해 Aldose가 될 수 있습니다. Aldose와 Ketose는 둘 다 환원성이 크지만 (세포 내 H2O가 풍부한 환경에 있으므로) Aldose는 특히 더 산화가 잘 되어있기 때문에 환원성이 큽니다.

 

분자식은 (CH2O)n인데, 이 때 n = 3, 5, 6의 세 가지 종류가 자연계에 존재하고 있습니다. 각 차이에 따라 명칭을 알아야 하기 때문에 다음과 같은 표를 통째로 암기하고 있으면 좋을 것 같습니다.

 

 

이들 중 마지막 줄인 6탄당은 전부 환원당이라는 특징이 있습니다. 과당은 고리 구조 자체는 5각형 구조를 가지고 있으나 탄소는 총 6개를 포함하고 있어 6탄당에 해당합니다. 과당은 포도당과 결합하여 설탕을 형성할 수 있습니다.

 

* 탄소 6개짜리로 구성된 알도오스 칸에 두 가지 분자가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있는데, 포도당과 갈락토오스는 4번 탄소에 OH 위치가 다릅니다. 포도당은 C4의 오른쪽이 OH가 연결되어 있고, 갈락토오스는 C4의 왼쪽에 OH가 연결되어 있다는 차이점이 있습니다.

 

* 포도당과 같은 분자식을 가지는 분자 중에는 만노스도 있는데, (만노스는 리소좀으로 가는 주소를 부여하는 조면소포체에서 사용되는 분자, 세포생물학 파트에서 공부하면 됩니다.) 포도당은 C2 탄소의 오른쪽에 OH가 연결되어 있으나, 만노스는 C2 탄소의 왼쪽에 OH가 연결되어 있다는 구조의 차이가 존재합니다.

 

포도당은 사슬형 구조를 가질 수도 있고, 고리형 구조를 가질 수도 있습니다. 분자 구조를 직접 확인해보는 편이 좋을 것 같아 책을 참고하여 그려보았습니다.

 

 

D-glucose는 왼쪽과 같은 구조를 가지고 있고, 이를 입체 구조를 고려하여 그대로 접어서 다시 그려보면 오른쪽과 같은 형태를 가지게 됩니다. 곧 이어 산소가 전자쌍을 1번 탄소에 주게 되면, 아래와 같이 입체 구조에 따라 두 가지 이성질체가 나올 수 있습니다.

 

 

각각 alpha-D-glucopyranose, beta-D-glucopyranose라는 이름의 분자입니다. 1번 탄소의 OH기가 6번 탄소 기준 반대쪽에 있으면 alpha 포도당에 해당하며, 1번 탄소의 OH기가 6번 탄소 기준 같은 방향에 있으면 beta 포도당에 해당하므로 이 차이점을 외워서 구별을 할 줄 알아야 합니다. alpha 포도당은 주로 저장용 다당류에 많이 사용되고, beta 포도당은 주로 구조용으로 많이 사용됩니다.

 

또한 여기서는 1번 탄소와 산소 사이의 결합이 끊어지고 연결됨에 따라 사슬형 구조와 고리형 구조로 변환이 될 수 있다는 점에 주목해야 합니다. 이러한 이유로 1번 탄소를 환원 말단이라고 부릅니다. (고리가 쉽게 깨져서 알데히드 구조를 형성할 수 있음) 반대편 부분, 특히 4번 탄소를 비환원 말단이라고 부릅니다.

 

* 사슬형 포도당은 실온에서 분말 형태 즉 고체 상태이며, 고리형 포도당은 수용액 상태로 존재합니다.

 

아래는 이당류에 해당하는 내용들입니다. 이번에는 기존 당 분자에서 구조가 조금 변형된 변형당(6탄당 유도체)에 대해 알아보도록 하겠습니다. 변형당에는 여러 가지 종류가 있지만, 그 중에서도 기억해야 할 중요한 특성을 가진 변형당만 짚고 넘어가도록 하겠습니다.

 

이 분자는 glucose족임과 동시에 아미노당에 포함됩니다. 분자의 말단에 -COCH3, 아세틸기가 있는 것을 확인할 수 있습니다. N-아세틸글루코사민은 절지동물의 외골격에 해당하는 키틴을 구성합니다. D가 붙어 있는 이유는 이전에도 말했으나 생체 내 당은 대부분 L, D형 중 D form을 형성하고 있기 때문에 일반적으로 D form을 다루기 때문입니다.

 

ex ) 식충식물이 곤충을 잡아먹고 사는 이유 : 식충식물은 산성 환경에서 생존하기 때문에 질소를 고정하는 리조비움이 생존할 수 없어서 절지동물을 잡아먹음으로써 키틴을 직접 섭취하는 것입니다.

ex ) 균계의 세포벽을 구성하고 있습니다. 예를 들어 효모는 단세포 균계이므로 효모의 세포벽은 N-아세틸글루코사민으로 이루어져 있습니다.

 

 

글루코사민에서 4번 탄소의 H, OH 위치만 바뀌면 갈락토사민이 되어, 위의 분자는 N-아세틸-갈락토사민이 됩니다. N-아세틸-갈락토사민은 A형 혈액형의 인식 당으로 사용됩니다. 즉, A형 혈액형인 사람의 적혈구가 있으면, 그 외부에 N-아세틸-갈락토사민이 붙어있습니다. 또 N-아세틸-갈락토사민은 척추동물의 연골에도 중요한 성분으로 사용됩니다.

 

* B형의 경우 적혈구에 갈락토오스가 부착되어 있습니다.

 

위와 같이 3번 탄소의 OH 대신에 다른 R기(이 때 R은 -OCCH3COO-H)가 붙으면 N-아세틸뮤람산이 됩니다. N-아세틸뮤람산은 N-아세틸글루코사민과 합쳐져서 펩티도글리칸(진정세균의 세포벽)을 형성할 수 있습니다.

 

다당류는 여러 개의 단당류들이 복합체를 이루어야하기 때문에 축합반응이 이루어져야 하고 따라서 전부 고리형 구조를 가지고 있습니다.