Ch07.
탄수화물과 당생물학
탄수화물
의 형태룰 지님
식물의 광합성에 의해 CO2 and H2O를 원재료로 하여 생성
Cn(H2O)n
Range from as small as glyceraldehyde (Mw = 90 g/mol) to as large as
amylopectin (Mw > 200,000,000 g/mol)
에너지원, 에너지 저장, 구조적 기능, 정보 분자로의 기능을 가짐
단백질 지질과 공유적으로 연결
모든 탄수화물은 carbonyl functional group을 가짐
7.1.
단당과 이당
단당의 2종류는 알도스와 케토스이다
탄소원자 중 하나는 산소원자와 이중결합으로 연결되어 카보닐기를 이루고 다른 탄소원
자는 각각 하이드록실기를 하나씩 가짐
hydroxyl groups은 chiral centers에 부착
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1
카보닐기가 탄소 사슬 끝에 있으면(=알데하이드기이면) aldose
카보닐기가 다른 어떤 위치에 있으면(=케톤기이면) ketose
형태에 따른 당의 분류
carbon backbone
의 길이에 따라서도 이름이 달라짐
단당에는 비대칭 중심이 있다
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거울상 이성질체(Enantiomers)
하나의 손대칭 중심을 가짐
D 이성체 : 탄소의 위치배열이 D-글리세르알데하이드 위치배열과 같은 것
대부분의 헥소스는 D 이성체
L 이성체 : 탄소의 위치배열이 L-글리세르알데하이드 위치배열과 같은 것
일부 당들은 자연적으로 L형태로 발생
3차원적인 당의 구조를 지면에 나타내기 위하여 피셔 투영식(Fischer projections) 사용
epimer
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3
하나의 탄소원자 주위 위치배열만 다른 2개의 당
거울상도 아니고 거울상 이성질체도 아님
부분입체이성질체(diastereomers)로 서로 다른 물리적 특성을 지님
예시 : D-Mannose and D-galactose는 D-glucose의 epimers
리보오스는 기본 오탄당, 글루코스는 기본 육탄당
길이에 따라 monosaccarides, oligosaccarides, polysaccrides라 불림
흔한 단당들은 고리형 구조를 갖는다
Aldehyde and ketone carbons : electrophilic
Alcohol oxygen atom : nucleophilic
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헤미아세탈(hemiacetals) : 알데하이드가 알코올에 반응할 때 생성
헤미케탈(hemiketals) : 케톤이 알코올에 반응할 때 생성
헤미아세탈과 헤미케탈은 고리구조의 기본 원리
Cyclization of monosaccharides
오탄당과 육탄당은 쉽게 분자내에서 고리화됨
former carbonyl carbon이 새로운 chiral center가 되며 anomeric carbon으로 불
림
hydroxyl group이 CH2OH 잔기로 링의 평면 아래(trans)에 있으면 a
configuration
hydroxyl group
이 CH2OH 잔기로 링의 평면 위(cis)에 있으면 b configuration
pyranoses and furanoses
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5
원자 고리 화합물을 피라노스라 함
5원자 고리 화합물을 퓨라노스라 함
6
생물체는 다양한 헥소스 유도체를 포함하고 있다
cyclized monosaccharides
의 형태
은 “chair” or “boat” conformations을 이룸
Pyranose ring은 주로 “chair” conformations
Cyclohexane ring
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6
중요한 몆가지 헥소스 유도체(참조)
알데하이드거나 알데하이드를 형성할 수 있는 당은 환원성을 지닌다
환원당(Reducing Sugars)
알칼리성 조건에서 자유 알데히드 그룹이 Cu2+와 반응하는 특징적인 산화환원 반응을
겪는 당
환원당에는 유리 아노머 탄소가 있음
알데히드는 Cu2+를 Cu+로 환원시킬 수 있음(Fehling's test).
알데히드는 Ag+를 Ag0로 환원시킬 수 있음(Tollens' test).
포도당과 같은 환원당을 검출할 수 있음
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7
당화 결합(glycosidic bond)
이당은 당화결합이라는 공유결합에 의하여 2개의 단당 분자가 연결되어 구성됨
한 단당 분자의 하이드록실기가 다른 단당분자의 아노머 탄소와 반응하여 형성
헤미아세탈과 알코올로부터 아세탈이 형성되는 것을 의미
산에 의해 쉽게 가수분해되지만 염기에 대하여 안정적임
환원말단(Reducing end) : 이당이나 다당을 기술함에 있어서 유리 아노머 탄소(=
당화결합에 참여하지 않은 아노머 탄소)가 있는 쪽의 말단 (↔ Nonreducing end)
Nonreducing disaccharides
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말토스나 젖당과 달리 수크로스는 유리 아노머 탄소가 없고 두 잔기의 아노머 탄소
모두가 당화 결합에 참여
Reducing end가 없으므로 비환원당
약칭 명명법에서, 아노머 탄소 번호와 위치 배열을 나타내기 위하여 양방향 화살표
가 사용됨
7.2.
다당
다당은 glycan이라 불리며 반복되는 단위 단당의 종류, 사슬 길이, 결합 양식, 가지의 분
자 정도에 따라 구별됨
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구성요소를 기준으로
동질다당, homopolysaccharides (one monomer unit)
이질다당, heteropolysaccharides (multiple monomer units)
모양을 기준으로
linear (one type of glycosidic bond)
branched (multiple types of glycosidic bonds)
다당은 일정한 분자량을 가지지 않음
다당의 합성을 위한 templete는 존재하지 않음
몆가지 동질다당은 연료 저장형으로 존재한다
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당원(glycogen)
branched homopolysaccharide of glucose
결합으로 연결된 포도당 소단위
(a1 → 6) 결합으로 연결된 branch points, 8–12 residues마다 나타남(branch가
많은 편)
동물세포의 주요 저장형 다당
(a1 → 4)
녹말(starch)
mixture of two homopolysaccharides of glucose
는 (a1 → 4) 결합으로 연결된 unbranched polymer
Amylopectin은 glycogen과 유사한 branch 구조를 가지지만 (a1 → 6) 결합으로
연결된 branch points가 24-30 residues마다 나타남
식물세포의 주요 저장형 다당
Amylose
몇가지 동질다당은 구조적 역할을 한다
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셀룰로스(Cellulose)
10000-15000개의 D-포도당 잔위로 구성된 linear homopolysaccharide of
glucose
결합으로 연결된 포도당 소단위
인접 소단위간 수소결합, bond가 여러개이므로 결합력 상승
Chain 사이에 H-Bonds
강하고 water insoluble한 structure
(b1 → 4)
참조 - 키틴(Chitin)
linear homopolysaccharide of N-acetylglucosamine
결합으로 연결된 소단위
곤충의 표면 갑주등으로 존재
(b1 → 4)
입체 인자와 수소결합이 동질다당의 접힘에 영향을 준다
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Agar and agarose
는
Agar agarose and agaropectin
heteropolysaccharide
으로 이루어진 branched
은 박테리아를 기르는 배지로 활용
Agarose solutions은 DNA 전기영동을 위한 gel로 사용
Agar solutions
당아미노글라이칸은 세포 밖 바탕질에 있는 이질다당이다
Glycosaminoglycan
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개 단당중 한쪽은 N-acetyl-glucosamine 또는 N-acetyl-galactosamine
이당 단위가 반복되어 형성된 선형 중합체 족
세포외기질(extracellular metrix, ECM)을 구성하며 connective tissue,
lubrication of joints로 체내에서 이용됨
2
Heparin and heparan sulfate
헤파린은 30-40kDa 크기의 linear polymer로 황산 헤파란의 고도로 황산화된 세
포 내 분획
황산 헤파란(Heparan sulfate)은 heparin-like polysaccharide이나 단백질에 부착
될 수 있음
혈액응고를 방지하고 혈액세포 생성에 중요한 역할
7.3.
당포합체 : 단백질글라이칸, 당단백질, 당지질
당포합체)는 정보를 전달하는 탄수화물이 단백질이나 지질에 공유결
합으로 연결되어 형성된 생물학적 활성 물질
Glycoconjugates(
단백질글라이칸(proteoglycan)은 세포밖 바탕질의 주성분
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당단백질(glycoprotein)
단백질에 공유결합되어있는 다양한 복잡성을 지닌 하나 이상의 소당을 지님
정보가 풍부하여 렉틴(lectin)이라는 탄수화물 결합단백질에 대한 고도의 특이성과
높은 친화력을 가지는 인식자리 형성
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당지질(glycolipids)
친수성 머리 부위가 소당으로 된 막 스핑고지질
당스핑고지질(glycosphingolipid)은 특징적 구조를 지닌 당지질
소당 부위가 렉틴에 의해 특이적으로 인식되는 부위로 작용함
단백질글라이칸은 세포 표면과 세포외기질에서 당아미노글라이칸을 함유
하는 거대분자이다
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참조 - 단백질글라이칸(Proteoglycans)
세포막의 큰 막대 모양 단백질에 부착된 황산화 글루코스아미노글리칸
syndecans: 단백질은 단일 transmembrane domain을 가짐
글리피칸: 단백질은 지질막에 고정
이웃 세포의 다양한 수용체와 상호 작용하고 세포 성장을 조절
aggrecan이 가장 잘 연구되어있음
단백질글라이칸 응집체(Proteoglycan aggregates)
100개 이상의 장식된(decorated) 단백질들이 하나의 매우 긴 하이알루론산에 결합
하여 응집체를 형성
많은 양의 물을 머금을 수 있어 연골 등에 윤활력을 제공
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당단백질은 소당과 공유결합으로 부착하고 있다
세포외기질(ECM)
세포 외부를 구성하는 소재
조직에 Strength, elasticity, and physical barrier를 제공
proteoglycan, collagen fibers, elastin등으로 구성
세포 상호작용
통합 막 단백질은 세포 외 프로테오글리칸에 대한 수용체로 작용
cell growth, cell mobility, apoptosis, wound healing 등을 조절하는데 관여함
ECM-
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