제 1 주차 : 11 장 Chapter 11: 탄수화물 * 최근의연구들은탄수화물들이예전에생각했던바와는달리단순한연료분자나세포의구조 적성분 ( 뼈대 ) 에지나지않는것이아니라정보가풍부하게담긴물질로서세포의생존, 세포 - 세포, 세포 - 환경간의 communication 에중요한역할을하는것으로밝혀짐 * 탄수화물, 탄수화물을포함하는단백질 ( 당단백질 ) 이나지질 ( 당지질 ), 그리고특이탄수화물 에특이하게결합하는단백질 (lectin 단백질들 ) 들의상호작용 ( 인지 ) 은조직형성, 인간혈액형의 결정, 병원체들의숙주세포의인지및침투등에결정적역할 * 단당류들의글리코시드결합으로이루어지는올리고당류및다당류들 (glycans) 은구성단당류들의종류와수, 그리고결합부위의다양성등으로인해다양한 glycan들의생성이가능하고이들이또한다양한단백질들에다양하게결합함으로써전체단백질들의다양성 ( 정보량 ) 은훨신더다양해짐 ( 풍부해짐 ) * 당생물학 (glycobiology) 의한분야인당체학 (glycomics) 은요즘유행되는 -체학 (-omics) 의일종으로한세포혹은한개체에서만들어지는모든탄수화물 (free + conjugated from), 즉 glycome 에대해서연구. 생물체들의 Genome ( 하나의세포혹은한개체가지니는총유전정보 ) 은변하지않으나 proteome ( 하나의세포혹은한개체로만들어지는총단백질의종류 ), glycome ( 총당의종류 ), transcriptome ( 총 mrna분자들의종류 ) 등은세포의종류나환경에따라역동적으로변함. Glycomics에서는환경 ( 변화 ) 에따른이들의생성종류 ( 및변화 ), 이들의구조 ( 및구조변화 ), 구조 ( 및구조변화 ) 에따른파트너단백질들 ( 의변화 ), 그리고이들의기능 ( 및기능의변화 ) 등 glycome에대한포괄적인연구가포함됨 11.1 단당류는가장간단한탄수화물이다 * 단당류들은다수의히드록실기 (OH) 를갖는알데히드 ( 알도스 ) 나케톤 ( 케토스 ) 들임 * 단당류 ( 오탄당, 육탄당등 ) 들은연료분자나감미료로, 그리고다른생분자들의구성성분으로 기능 (DNA, RNA 의리보오스와데옥시리보오스 ) * 동일한분자식이나구조가다른분자들을이성질체라함 * 구조이성질체들은구성원자들의연결방법 ( 순서 ) 가다르나입체이성질체들은 (stereoisomers) 원자들의연결방법 ( 순서 ) 까지같으나공간에서의배열만다름 * 비대칭탄소 (4 개의원자 ( 단 ) 이모두다른탄소 = 키랄탄소, chiral carbon) 의수가 n 개인화합 물의 stereoisomer 수는 2 n
* 사슬형의포도당은비대칭탄소가 4 개이므로 16 개의 stereoisomer 들이존재가능 ( 갈락토스, 만노스등 ) * 서로거울상대칭관계의두 stereoisomer들을 (D-glucose와 L-glucose 등 ) enantiomer ( 거울상이성질체 ) 들이라하는데이들은대부분의물리화학적성질이같으나면편광된빛의면을회전시키는방향이반대 ( 회전각도는동일. 그래서이들을광학이성질체들이라고함 ). 그러나이들이비대칭화합물들을만나면서로반응이다르게나타나기때문에많은키랄약물들은특정이성질체형태일때만약으로써유효 ( 왜냐하면약들이상호작용하는대부분의화합물들이단백질들처럼비대칭화합물들이기때문 ). *Enantiomer 관계가아닌모든 stereoisomer 들은부분이성질체 (diastereoisomer) 들임 (α,βanomers, epimers 등 ) * 비대칭화합물 ( 탄수화물, 아미노산등 ) 들은광학활성을가지며 ( 면편광된빛의면을회전 ) 이 들을명명할때는다음의 3 가지중하나를사용하여공간에서의원자들의배열에따른절대구조 (absolute configuration) 나광학활성도를접두어로붙여서나타낸다 : 1. R, S system: Cahn-Ingold-Prelog 우선순위룰에의한방법. 비대칭탄소 (asymmetric carbon=chiral carbon) 에붙은 4개의원자 ( 단 ) 을원자량에따라번호를부여한후 ( 무거운놈 1번..) 수소원자 ( 가장낮은번호 ) 를가장먼쪽에두고보았을때 1 2 3의회전이시계방향 ( 오른쪽 ) 이면그탄소의 configuration은 R이고왼쪽으로돌아가면 S configuration임. ( 예를들어 이화합물의 C2 의 configuartion은 S이고 C3의 configurationdms R이다 혹은 2S, 3R등으로표시 ) 2. D, L system: 이방법에의한명명법은기준이되는물질 (D-, L-glyceraldehyde) 과의비교에서 D, L configuration 결정. 당의경우에는사슬형의구조를 Fischer 투영도방식으로나타냈을때알데히드나케톤작용기에서가장멀리떨어진비대칭탄소에붙은히드록실기가오른쪽이면 D 이고왼쪽에히드록실기가붙어있으면 L 형이된다. ( 그러니까이방법에서는 R, S system과달리가장높은번호의비대칭탄소하나에대해서만 configuration을결정하고물질의명칭앞에붙여사용한다. D-Glucose, L-Mannose 등. 인쇄체대문자로쓰되크기는작게 ) 3. d, l 혹은 +, -: 이방법은광학활성도를비대칭화합물의명명시사용하는방법이다. 면편광된빛의면을오른쪽으로회전시키는화합물들은 d 혹은 +, 왼쪽으로회전시키는광학활성물질 ( 비대칭화합물 ) 들은 l 혹은 로표시. 때로는둘모두를표시. ( 예를들면 d(+) glyceraldehyde 등 ). 그러니 D와 d의의미가같지않음을명심하도록. * 단하나의비대칭탄소에서만원자들의공간배열이다른화합물들을서로에피머 (epimer) 들 이라하는데일종의부분입체이성질체들임. 따라서 D-glucose 와 D-mannose 는 C-2 epimer 들임
많은흔한당들은고리형으로존재한다 * 사슬형의포도당의 5번탄소의 OH기가 1번탄소 ( 알데히드 ) 를친핵공격하여분자내 hemiacetal을형성하며육각형고리 (pyranose) 형이되고이때새롭게비대칭탄소로변하는 1번탄소를 anomeric carbon이라하는데여기에붙은 OH의위치에따라 α-d-글루코피라노스 (OH가아랬쪽, α anomer) 와 β anomer (anomeric carbon 즉 C-1의 OH가윗쪽 ) 등두개의 stereoisomer 가추가로생성 * 과당의경우는오각형고리 (furanose) 의형태가안정적으로존재하며두가지 anomer, 즉 α- D- fructofuranose 와 β-d-fructofuranose 가생성가능 * 단당류들은수용액에서는사슬형보다고리형들이훨씬안정하여대부분고리형으로존재 * 고리형을그릴때고리의면은지면의수직이고고리내의탄소원자들은나타내지않으며독 자와가까운쪽은굵은선으로표시하는데이런표시방법을 Haworth projection 방식이라함 *α-d-glucopyranose의비선광도 (specific rotation) [α] D =+112 o, β-d-glucopyranose의비선광도 [α] D =+18.7 o 이지만이들이수용액으로존재하면 ( 처음출발이어떤 anomer였던지간에 ) epimerization 반응이일어나 α형 1/3, β형 2/3의평형이이루어지고비선광도가 +52.7 o 로변하는데이런현상을 mutarotation 이라함 피라노스고리와퓨라노스고리는다른형태 (conformation) 를취할수있다 * 고리의원자들이동일한평면에모두존재하지못하여보트형이나의자형의 conformation을취함. Β-D-glucopyranose의경우에는의자형이더안정하여우세한데이유는의자형일때축방향을차지하는원자들이모두수소원자들이라입체적방해가적기때문. 퓨라노스의경우는봉투형을취하고 2번탄소가평면위로튀어나온 C-2 endo와 3번탄소가튀어나온 C-3 endo 형태가존재가능 글루코스는환원당이다 * 알데히드그룹을가지거나혹은이성질화반응을통하여알데히드그룹을생성시킬수있는당은환원당이다. 대부분의당은환원당임 (anomeric carbon의산소원자에 R 그룹이붙지않은당이면 ( 즉아세탈이나케탈이아니고헤미아세탈혹은헤미케탈이면 ) 모두환원당임. 과당 (fructose) 도이성질화반응으로알데히드기의포도당이될수있기때문에환원당이다. * 환원당인포도당은다른물질들을환원시키고자신은글루콘산으로산화된다. 환원당의확 인을위하여 Cu 2+ 이포함된펠링용액 (Fehling solution) 을많이사용하는데환원당이존재하면 Cu 2+ 가 Cu + 가되면서적색의산화구리 (Cu 2 O) 침전이생성. Benedict solution 도이용가능.
* 환원당은또한혈중의헤모글로빈과반응하여당화된헤모글로빈 ( 당화헤모글로빈, glycated hemoglobin, Hemoglobin A 1C, HbA 1C ) 생성 현재의혈당이아닌수개월 (3개월정도) 동안의혈당의관리정도를이수치로확인 ( 정상인은 4-6% 인반면치료안된당뇨환자의경우엔 10-12% 까지증가 ) * 헤모글로빈이외에도단백질이나지질, 핵산등의 free amino group과환원당들사이에효소의촉매없이 ( 순전히화학적인방법으로 ) 당화과정이일어난후뒤이어여러반응들이잇달아일어나면서생긴물질들을최종당화산물들 (AGEs) 이라하는데이들은노화, 치매, 당뇨, 동맥경화증등의한원인으로지목됨 단당류는글리코시드결합을통해서알코올과아민에결합한다 * 단당류의아노머탄소 ( 포도당의 1번탄소, 과당의 2번탄소 ) 에붙어있는 OH기는다른당이나알코올성물질의 OH 혹은아미노그룹 (NH 2 ) 과반응하여물분자가빠지면서 O-glycosidic bond 나 N-glycosidic bond를형성함으로써당과당혹은당과다른물질들과를연결 ( 이당류나다당류에서의 O-glycosidic bond들, 뉴클레오티드들에서염기와 ( 데옥시 ) 리보스사이의 N-glycosidic bond 등 ). 이결과로생긴물질들을배당체 (glycoside) 라한다. * 단당류들은또한아노머탄소이외의탄소들에 OH 기들을치환한아민그룹를가지는경우가 있는데이들을아미노당이라함. (N-acetylglucosamine, sialic acid 등 ) ( 이결합들은아노머탄소들 이관여안하므로글리코시드결합들은아님 ) 인산화된당은에너지발생과생합성에있어서주요한중간물질이다 * 인산화된당 ( 포도당 -6- 인산, 글리세르알데히드 -3- 인산등 ) 들은두가지중요의미를지님 : 1. 인산화는당들을음이온으로만들어당들이저절로세포를못빠져나가게함 2. 인산화는당들을반응성이크게 ( 에너지가높은화합물로 ) 만들어대사반응들을잘일어 나게하게함 11.2 단당류들은연결되어복잡한탄수화물을생성한다 * 단당류들은 α-1,4 나 β-1,4 glycosidic bond 들을통하여이당류, 올리고당류, 다당류들을만드 는데이때사용되는단당류들은거의 6 탄당들이고그중에서도글루코스, 갈락토스, 글루코사민, 갈락토사민등이많이이용됨 슈크로스, 락토스, 그리고말토스들은흔히볼수있는이당류들이다 * 슈크로스 ( 설탕 ) 는포도당과과당, 락토스 ( 젖당, 유당 ) 는포도당과갈락토스, 그리고말토스 ( 맥
아당 ) 는포도당과포도당이 glycosidic bond 로연결된이당류들임 * 슈크로스는 sucrase, 락토스는 lactase ( 대장균에서는 β-galactosidase), 말토스는 maltase 에 의해가수분해되어구성단당류들로분해되는데이들효소들은소장내벽의상피세포표면에 존재하여소화에참여 글리코겐과녹말은글루코스의저장형태이다 * 글리코겐은동물들의에너지저장용의다당류인데 glucose ( 포도당 ) 들이 α-1,4 및 α-1,6 glycosidic bond 들로연결된곁가지가난다당류임. 포도당만으로이루어진동종중합체 (homopolymer) 임 * 녹말에는 α-1,4 결합만으로되어사슬형인아밀로스와 α-1,4 및 α-1,6 결합을모두지녀가 지가난형태인아밀로펙틴이있는데이들은식물들의에너지저장용다당류들임 * 글리코겐과녹말들은모두타액과췌장에서분비되는 α-amylase 에의해가수분해 ( 소화 ) 됨 셀룰로스는식물의구조를이루는성분이며글루코스사슬로이루어져있다 * 셀룰로스는 glucose 들이 β-1,4 결합으로연결된다당류의일종으로식물세포들의세포벽의 주성분임 * 글리코겐에서보는 α-1,4 결합들은속이빈나선모양을, 그리고셀룰로스에서보는 β-1,4 결합들은장력이큰섬유상의구조를이룸 * 셀룰로스는 cellulase에의해가수분해되는데포유동물들은이효소가없어세상에서가장흔한유기물중의하나인셀룰로스를에너지원으로사용못함. 다만소와같은가축들은되새김위에공생하는미생물들의 cellulase 덕분에이들을에너지원으로이용가능. 사람들에서는이들은포만감을주어좋은식이섬유역할을함. 최근에는셀룰로스를에탄올 ( 바이오에탄올 ) 로바꾸는바이오연료연구가할발히진행중임