[세포생물학] 탄수화물 : 이당류(α/β 글리코시드 결합), 올리고당, 다당류 분류 및 특성

이당류, α/β 글리코시드 결합 구분

이당류는 Disaccharide라고도 부르고, Di-라는 접두어에서도 찾아볼 수 있듯 2개의 단당류가 공유결합을 하여 형성된 당입니다.

 

위 반응식과 같이 두 α-glucose, β-glucose가 탈수 축합 반응을 일으킬 경우 이당류 중 하나인 maltose가 생성됩니다.

이당류에서는 탈수 축합 반응이 한 번만 일어날 수 있으면 되기 때문에 α 또는 β의 종류는 상관이 없습니다만,

다당류가 만들어질 때는 연쇄적으로 반응이 계속 일어나야하기 때문에,

α glucose에 대해서는 α glucose만 연결이 될 수 있으며,

β glucose에 대해서는 β glucose만 연결이 될 수 있습니다.

 

위의 탈수 축합 반응은 글리코시드 결합이라고 하는데, 글리코시드 결합에는 두 가지, α 글리코시드 결합과 β 글리코시드 결합이 있습니다.

 

α 글리코시드 결합은 육각 탄소 고리에 있는 산소가 같은 방향에 배열되어 있고 탈수 축합 반응이 일어나려는 OH기도 같은 방향에 있을 경우 / 또는 육각 탄소 고리에 있는 산소가 다른 방향에 배열 되어 있고 탈수 축합 반응이 일어나려는 OH기도 다른 방향으로 배열되어 있을 경우를 말합니다.

 

이 반응식으로 예시를 들어보자면 (공간이 모자라서 그리다가 좀 그림이 찌그러졌는데 양해바랍니다.) alpha-D-glucose와 과당의 반응인데, 포도당과 과당이 산소도 같은 방향에 배치되어있고 탈수 축합 반응이 일어나는 OH기도 같은 방향에 배열되어 있으므로 alpha-1,2 글리코시드 결합임을 알 수 있습니다. 추가로 앞 포스트에서도 언급했지만, 포도당과 과당이 이당류를 형성하면 설탕이 된다고 했으므로 오른쪽 결과물은 설탕임을 알 수 있습니다.

 

β 글리코시드 결합은 alpha 글리코시드 결합을 제외한 나머지 모든 글리코시드 결합, 즉 육각 탄소고리의 산소가 같은 방향에 배열되어 있으나 탈수 축합 반응이 일어나는 OH기는 다른 방향으로 배열되어 있을 경우 / 또는 육각 탄소 고리의 산소가 다른 방향으로 배열되어 있으나 탈수 축합 반응이 일어나는 OH기는 같은 방향으로 배열되어 있을 경우를 말합니다. beta 글리코시드 결합에서는 두 단당류 중 한쪽이 반응을 위해 젖혀진다는 특성이 있습니다.

 

이 그림으로 예를 들어보자면, 위 분자는 세 가지 이당류 중 하나인 젖당에 해당하는데요, 가운데 탈수 축합 반응이 일어나고 난 뒤의 산소를 보시면 두 결합선이 젖혀져 있는 것을 볼 수 있습니다. 육각고리의 산소가 같은 측면에 배열되어 있기 때문에 위 반응은 beta-1,4 글리코시드 결합임을 확인할 수 있습니다. (1,4라는 숫자의 의미는 1번 탄소, 4번 탄소에 있는 OH끼리 반응이 일어났음을 의미)

 

* 젖당은 갈락토오스와 글루코오스가 형성하는 이당류를 말합니다.

 

ex ) 대장에서는 beta-galactosidase라는 젖당을 분해하는 효소가 존재합니다. 해당 효소가 대장에 과잉으로 존재할 경우 젖당이 갈락토오스와 포도당으로 분해되기 때문에 계속 탈수 반응이 일어나서 설사가 나타나며 심할 경우 탈수로 사망할 수도 있습니다.

 

비환원당

엿당과 젖당은 알데히드기를 가지고 있지만, 설탕에는 알데히드기가 존재하지 않습니다. 즉 설탕"만" 비환원당이고 산화될 수 없습니다. 다당류는 전부 비환원당인데, 환원말단은 한 개 뿐이지만 나머지 모든 곁사슬은 비환원말단이기 때문에 비환원당의 성질을 가집니다. (환원당은 남을 환원시키는 당, 비환원당은 남을 산화시키는 당)

 

이를 응용하자면 예를 들어 단당류와 이당류 중에서 설탕을 제외한 포도당, 과당, 갈락토오스, 엿당, 젖당에 Cu2+에 알칼리를 첨가, 가열하면 해당 단당류와 이당류는 산화되고 구리를 환원시켜 Cu2+를 Cu+로 만듭니다. (산화구리로 침전) 즉 이러한 각종 산화, 환원 + 침전을 이용하여 당의 종류를 구분하는 문제가 출제될 수도 있습니다.다당류는 전부 비환원당인데, 환원말단은 한 개 뿐이지만 나머지 모든 곁사슬은 비환원말단이기 때문에 비환원당의 성질을 가집니다.

 

올리고당

올리고당은 다당류 중 하나로 단당류가 3개~20개 정도 연결된 상태의 당을 말합니다. 올리고당은 조면소포체의 1차 당화 과정(아미노산 아스파라긴에 N-linked 글리코시드 결합)에 해당하며, 골지체에서 2차 당화 과정(아미노산 세린/트레오닌에 O-linked 글리코시드 결합)에 해당합니다. 즉 앞에서 언급한 당을 붙이는 과정에서의 당을 올리고당이라고 부르는 것입니다.

 

조면소포체의 표면에 붙어있는 mRNA가 단백질로 번역하여 안으로 넣고 있을 때 아미노산 서열들 중에서 아스파라긴이라는 아미노산이 있을 것입니다. 또 조면소포체의 밖에서는 mannose라는 당이 flipflop을 통해 lumen side(조면소포체 내부)으로 들어올 것입니다. 그러면 이제 mannose가 조면소포체 내부에서 단백질의 아스파라긴 아미노산에 붙는 것입니다.

 

ex ) 이전에도 정리했지만 A형 혈액형은 적혈구에 N-아세틸갈락토사민을, B형 혈액형은 적혈구에 갈락토사민을 붙인다고 했었습니다. 이러한 사람의 혈액형은 적혈구의 표면에 있는 특정 당지질에 붙어있는 올리고당에 의해 결정되는 것입니다.

 

저장용 다당류

저장용 다당류에는 식물성과 동물성이 있는데 먼저 식물성부터 알아봅시다. 식물의 당 저장 방식은 녹말이고, 녹말은 한 종류의 단당류로 구성된 다당류의 한 종류로써 동종다당류라고 불립니다. 녹말에는 다음의 2가지가 존재합니다.

 

아밀로오스 : alpha 포도당만으로 이루어져 있으며, alpha-1,4 글리코시드 결합만으로 연결되어 있습니다. 따라서 분자에 곁가지가 없으며 나선형의 strain 구조를 가집니다. 나선형으로 꼬여있기 때문에 분자 구조 자체가 빈틈이 많이 있습니다. 베네딕트 환원 반응은 일어나지 않고, 요오드-요오드화(KI-I) 칼륨 반응은 일어납니다. 이것은 요오드-요오드화 반응에서 아밀로오스 구조 특성상 용액이 잘 스며들기 때문이고 따라서 청남색으로 관찰됩니다.

 

아밀로펙틴 : alpha-1,4 글리코시드 결합 / alpha-1,6 글리코시드 결합이 복합적으로 구성되어 있으며 곁가지가 있고, 직선형 구조를 가집니다. 아밀로오스와 다르게 분자 자체에 빈틈이 많이 없고, 따라서 요오드-요오드화 용액이 잘 스며들지 않아 요오드-요오드화 반응이 잘 일어나지 않고 적갈색으로 관찰됩니다.

 

여기서 주목해야할 것이 아밀로펙틴의 환원 말단은 1번 탄소이고 분자 전체에 1개뿐입니다. 환원 말단은 알데히드기이고 결합이 잘 분리되는 부분입니다. (환원 말단은 본인은 산화가 많이 진행된 상태라는 의미로 분해) 비환원 말단은 환원 말단 1개를 제외한 분자 전체의 모든 말단(4번 탄소)이고 결합이 잘 분리되지 않습니다. 또한 아밀로오스는 수용성입니다.

 

글리코겐 : 글리코겐은 동물의 당 저장 형태이며 근육에서 주로 에너지를 저장하는데에 사용됩니다. alpha-1,4 글리코시드 결합으로 주 사슬을 구성하고 alpha-1,6 글리코시드 결합으로 곁가지들을 구성합니다. 단세포에서 주로 글리코겐의 형태로 당을 저장하고 있는데, 만약 당을 글리코겐이 아닌 포도당 단위체로 저장한다면 수용성이므로 물에 녹아 단세포 내 농도가 높아지고, 삼투 평형에 의해 물이 내부로 들어와 세포가 파괴되게 됩니다. 따라서 글리코겐으로 저장하면 (1) "불용성"이라 삼투 평형에 의해 세포가 파괴되지도 않고 (2) 녹지않고 저장도 가능하기 때문에 이러한 방식을 사용하는 것입니다.

 

글리코겐에 대해 조금만 더 이야기해보자면, 글리코겐은 간에서도 사용되고 근육에서도 사용되나, 둘의 차이점은 간은 양방향으로써 전달이 되는 것이지만 근육은 근육 자체에서 글리코겐을 소모해버리기 때문에 근육으로의 단방향으로 글리코겐이 전달됩니다. 간은 신체 전체에 사용되는 글리코겐을 담당하지만 저장량 자체는 골격근이 더 많습니다.

 

저장되었던 글리코겐이 다시 에너지로 사용될 때에는 비환원 말단쪽에서부터 포도당들이 하나씩 떨어져 나오며 사용됩니다. 이 때 비환원 말단에만 작용하는 분해효소(glycogen phosphorylase, 가인산분해)가 동시에 여러 비환원 말단 쪽에서 반응을 일으켜 분해하는 것입니다. 여기서 glycogen phosphorylase는 에프네프린과 글루카곤이 활성화시키고, 이 때 분해가 효소의 이름만 보아도 알 수 있듯 가수분해가 아닌 가인산분해임을 알아두어야 합니다.

 

이외에도 동물의 침이나 소장에서 분비되는 alpha-아밀라아제, glycosidase도 글리코겐이나 녹말을 분해할 수 있습니다. 소화시켜야 하니까 당연합니다.

 

구조용 다당류

구조용 다당류들은 말 그대로 생물 내에서 구조를 유지하기 위해 형태를 이루고 있는 다당류이고, 공통적으로 삼투에 저항하기 위해 구성된다는 특성이 있습니다.

 

셀룰로오스 : 셀룰로오스는 단당류들이 beta-1,4 결합을 통해 연결되어 있습니다. 여러 다당류 사슬들이 겹겹이 탈수축합 반응을 통해 층상구조로 연결되어 있습니다. 셀룰로오스 분해효소인 beta-cellulase에 의해 분해됩니다.

 

키틴 : 키틴은 앞에서도 여러 번 언급했지만 절지동물의 외골격과 균계의 세포벽을 구성하고 있는 물질이며, N-아세틸글루코사민이 단위체가 되고 역시 beta-1,4 결합으로 이루어져 있습니다. 셀룰로오스와 구별되는 특징은 다층이 아닌 단층으로써 세포벽을 구성하고 있다는 점이 되겠습니다.