4. 탄수화물
탄수화물은 비슷한 원자로 구성되어 있지만 크기, 화학적 성질과 생물학적인 기능으로 바라보았을 때, 매우 다른 분자들로 구성되어 있다. 기본적으로 (C1H2O1)n의 화학식을 가진다. 이때 탄소와 물 분자가 같이 있어 탄소의 수화물처럼 보여 탄수화물이라고 부르지만 탄소 원자가 물의 구성요소 중 수소 원자와 수산기에 결합하여 있기 때문에 물 분자가 온전하지 않다고 볼 수 있다. 따라서 탄수화물은 정확히는 수화물은 아닌 셈이다. 탄수화물은 생물이 이용하는 형태로 방출되는 에너지원이다. 복잡한 구조의 생물 내부에 저장된 에너지를 운반하기도 하며, 새로운 분자를 형성하기 위한 탄소 골격으로 기능한다. 또한 생물에게 구조를 제공하는데 세포벽과 같은 세포 외 구조물을 형성하는 역할도 있다. 탄수화물을 분류하는 중요한 네 가지의 범주는 단당류의 수에 의해서 구분된다. 첫 번째는 단당류로 단순 당으로 더 큰 탄수화물을 구성하는 단량체이다. 포도당이 이에 해당한다. 두 번째는 이당류로 공유결합으로 연결된 두 개의 단당류로 구성된다. 설탕이 이에 해당한다. 세 번째는 올리고당이며 여러 개(3~20개)의 단당류로 이루어져 있다. 네 번째는 다당류로 수십만 개의 단당류로 구성된 종합체이며 녹말, 글리코젠, 섬유소 등이 이에 해당한다. 모든 세포는 단당류인 포도당을 가진다. 포도당은 에너지의 저장, 수송에 사용되며 세포는 이를 이용하여 포도당을 분해하여 저장된 에너지를 화학에너지로 전환하며 그 과정에서 이산화탄소를 생성한다. 이를 세포 내 연소 반응이라고 부른다. 포도당은 직선의 사슬과 고리 형태로 존재한다. 하지만 고리 형태가 훨씬 안정적이기 때문에 모든 생체 환경에서 포도당은 고리 형태로 존재한다. α-와 β-포도당이 두 가지 고리형 포도당의 종류이며 둘의 차이는 1번 탄소에 결합하는 -H와 -OH의 방향만 다르다. α와 β형은 상호 전환되며 물에 녹았을 때 평형상태로 존재한다. 단당류에 따라 탄소의 개수가 다르다. 일부 단당류는 원자의 종류, 개수는 같을지라도 배열이 다른 구조 이성질체이다. 겉보기에는 구조적으로 변화가 작기는 하지만 특성은 크게 다를 수 있다. 오탄당은 5개의 탄소를 가진 당이다. 두 가지 오탄당이 생물학적으로 중요한데, 핵산인 RNA와 DNA의 골격은 각각 리보스, 데옥시리보스를 포함한다. 이렇게 두 오탄당은 서로에 이성질체가 아닌, 데옥시리보스에는 2번 탄소에 산소 원자가 하나가 없는 상태이다. 이런 산소 원자의 유무를 통해 RNA와 DNA를 구분하는 중요한 차이점을 알 수 있다. 육탄당은 C6H12O6의 화학식을 갖는 구조적 이성질체의 그룹이다. 일반적으로 포도당, 과당, 만노스 및 갈락토스가 이에 해당한다.
단당류는 축합반응을 통해 공유결합의 한 종류인 글리코사이드결합으로 서로 연결되어 이당류, 올리고당류, 다당류를 만든다. 예를 들어 슈크로스는 포도당과 과당으로 구성된 식물의 주요 이당류이다. 엿당과 셀로비오스는 이당류로 2개의 포도당 분자로부터 만들어진다. 둘은 C12H22O11의 화학식을 갖는 구조 이성질체이지만 이들은 서로 다른 화학적 특성을 가져 생체 조직에서 서로 다른 효소를 통해서 인식된다. 또한 사람 몸 안에서 엿당은 단당류로 가수분해되지만 셀로비오스는 분해되지 않고 배출됨을 알 수 있다. 올리고당은 글리코사이드결합에 의해 여러 장소에서 연결된 다수의 단당류로 구성된다. 많은 올리고당은 특수한 화학적 성질을 가진 작용기를 추가로 가진다. 또한 세포의 바깥 표면에 단백질 및 지질과 결합하여 인식 신호로 작용한다. 서로 다른 사람의 혈액형은 올리고당 사슬에 따라서 그 특이성이 결정된다.
다당류는 글리코사이드결합에 의해 연결된 단당류의 큰 중합체이다. 다당류는 단백질과는 달리 단량체가 직선의 사슬의 형태를 가질 필요가 없다. 각 단량체에서 글리코사이드결합이 진행되는 장소가 몇 군데 있기 때문에 분지된 형태의 분자가 가능하다. 녹말은 비슷한 구조를 가진 거대분자의 집단이다. 모든 녹말은 α 글리코사이드결합으로 결합한 포도당의 다당류지만, 녹말의 종류는 1번과 6번 탄소에서 일어나는 분지 정도에 따라서 구별되는 특징이 있다. 녹말은 식물의 주된 에너지 저장 화합물이다. 아밀로스와 같은 일부 식물성 녹말은 비분지성, 아밀로펙틴과 같은 다른 녹말은 적당히 분지되어 있다. 녹말은 물과 쉽게 결합하는데, 물이 제거되면 비분지성 다당류 사슬 사이에서 수소 결합이 일어나면서 녹말은 식물 종자의 저장 조직에서 관찰되는 큰 녹말 알갱이처럼 응집된다. 녹말을 가열하여 수소결합을 끊어낸다면 응집체는 흩어진다. 이 녹말은 덜 단단해지면서 결정상태가 느슨해진다. 이때 물을 흡수한다면 더욱 무정형을 나타내는 특징이 있다. 이 과정은 밀가루로 빵을 구울 때 나타나며 빵이 특유의 식감을 갖게 한다. 글리코젠은 비수용성으로 고도로 분지된 포도당의 중합체이다. 이는 근육과 간에서 포도당을 저장하며, 녹말은 식물의 저장물질이라면 글리코젠은 동물의 저장물질이다. 녹말과 글리코젠은 모두 포도당 단량체로 가수분해되고 글리코젠은 포도당을 분해하여 저장된 에너지를 방출한다. 연료로써 필요한 물질은 포도당인데 글리코젠의 형태로 저장되는 이유는 1000개의 포도당은 글리코젠보다 삼투압을 강하게 유발하기 때문에 포도당이 저장된 세포로 많은 물을 유입시킨다. 따라서 다당류의 존재가 없었다면 많은 생물은 물을 세포 밖으로 방출하는데 많은 에너지를 소모했을 것이다. 섬유소는 식물 세포벽의 구성요소로 지구상에서 가장 많이 존재하는 유기화합물이다. 섬유소는 포도당의 다당류지만, 각 단당류는 α가 아닌 β-글리코사이드결합으로 이루어져 있다. Α-글리코사이드결합으로 구성된 녹말은 화학물질이나 효소를 통해서 쉽게 분해되는 반면 섬유소는 β-글리코사이드결합 때문에 화학적으로 더 안정한 특징을 가져 열악한 환경 조건에서도 변하지 않고 견딜 수 있어 쉽게 분해되지 않는다.
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