[일반생물학실험]탄수화물 및 단백질 정성실험 1부

실험 이론 및 원리

1. 탄수화물 [carbohydrate]

녹말, 셀룰로스, 포도당 등과 같이 일반적으로 탄소·수소·산소의 세 원소로 이루어져 있는 화합물이다. 생물체의 구성성분이거나 에너지원으로 사용되는 등 생물체에 꼭 필요한 화합물이다. 당류(糖類)·당질(糖質)이라고도 부른다. 

Cn(H2O)m의 일반식을 가지는데, 이것이 마치 탄소와 물분자(H2O)로 이루어져 있는 것처럼 보이기 때문에 탄소의 수화물이라는 뜻에서 탄수화물이라는 이름이 붙었다. 그러나 산소 원자수가 일반식보다 하나 적은 것(디옥시리보스 등)도 탄수화물에 포함시키며, 질소원자를 함유하는 것(디미노당 등), 황화합물을 함유하는 것(콘드로이틴황산 등)도 포함시킨다.

 

1) 단당류 [單糖類, monosaccharide] : 탄수화물의 단위체.

다당류(녹말 ·셀룰로오스 등)를 산 또는 효소로 가수분해했을 때 생기는 구성단위인 당류를 말한다. 중요한 것으로는 글루코오스 ·프룩토오스 ·만노오스 ·갈락토오스 ·리보오스 등이 있다. 일반적으로 단맛이 나는 무색 결정으로, 물에는 녹고, 에탄올과 에테르에는 녹지 않는다. 

최저 2개의 히드록시기와 이에 인접하는 카르보닐기를 가지며, 대부분은 Cn(H2O)m의 일반식으로 나타낼 수가 있는데, 탄소의 수에 따라 삼탄당(트리오스) ·오탄당(펜토오스) ·육탄당(헥소오스) 등으로 나눈다. 또, 카르보닐기가 알데히드기이면 알도오스, 케톤기이면 케토오스라고 한다. 비대칭 탄소원자를 가지며, 많은 입체이성질체가 있으므로 광학활성을 가져 D, L의 2계열로 나눈다. 가장 간단한 알도오스인 글리세린알데히드에 대해 우선성(右旋性)인 것을 D형, 이것에서 유도되는 당을 D계열이라 하고, 그 대칭체를 L계열이라 한다.

카르보닐기는 보통 유리하지 않고, 오각형의 푸라노오스나 육각형의 피라노오스로 고리 모양 구조를 이루고 있다. 고리를 형성할 때 카르보닐탄소에 생기는 히드록시기에 관하여 α 및 β의 이성질체가 생긴다. D계열에서도 보다 큰 우선성을 가지는 것을 α형, 다른 것을 β형이라 하고, L계열에서는 보다 큰 좌선성을 가지는 것을 α형, 다른 것을 β형이라 한다. 결정상태에서는 α나 β 중 어느 쪽 형을 취하나 용액 속에서는 α와 β 사이에 평형이 성립되고, 시간이 지남에 따라 회전편광세기가 변하면서 일정한 값에 도달하게 된다. 

이 현상을 광회전성(光回轉性)이라 한다. 카르보닐기를 가지므로 암모니아성 은액(銀液)이나 펠링액을 환원시킨다. 또, 페닐히드라진과 오사존을 만들며, 알코올기를 가지기 때문에 산과 에스테르를 만든다. 산성 용액에서는 탈수가 일어나고, 알칼리성 용액에서는 에피머화가 일어난다. 

알파형 포도당의 분자모형

약한 산화에 의해서는 산의 락톤이 생기고, 강한 산화에서는 디카르복실산이 생긴다. 환원하면 알코올로 변한다. 올리고당 ·다당류 ·글리코시드 등의 구성당으로 생물계에 널리 존재하지만, 유리형으로서는 드물다. 천연물로부터 추출하여 얻을 수 있고, 올리고당 ·다당류 등을 가수분해하여도 얻을 수 있으며, 화학적으로 합성할 수도 있다.

① 글루코오스 [glucose]

대표적인 알도헥소오스(탄소원자 6개를 가지며, 알데히드기를 가지는 단당류). 분자식은 C6H12O6이다. D형·L형 2종의 광학이성질체가 있는데, 천연으로는 D형만이 존재하며 이 D-글루코오스를 포도당이라 한다. 달콤한 과즙, 동물의 혈액·림프액 등에 유리상태로 존재하는 외에, 글리코겐·녹말·셀룰로오스 등의 다당류, 설탕 등의 소당류 및 여러 배당체의 구성성분으로서, 또한 세포벽의 구성성분으로서 자연계에 널리 존재한다.

글루코오스는 탄수화물 대사의 중심적 화합물로서 그 이용경로는 매우 복잡하며, 에너지원으로서 분해되는 경로는 특히 중요하다. 글루코오스는 먼저 헥소키나아제의 작용으로 글루코오스-6-인산이 되고, 해당과정을 거쳐서 피루브산으로 분해된다. 또한, 호기적 조건에서는 TCA회로를 거쳐서 이산화탄소와 물로 분해된다.

이 분해에 의해서 글루코오스 1분자당 270kcal의 에너지가 생겨 ATP의 형태로 저장된다. 이 에너지는 발효·호흡 등에 사용된다. 한편, 필요할 때까지 글루코오스를 저장해 두는 경로도 존재한다. 동물에서는 글루코오스가 우리딘 삼인산과 반응하여 우리딘 이인산 글루코오스가 되고, 글리코겐 합성효소의 작용으로 글리코겐에 흡수되어 저장된다.

 

② 과당 [果糖, fructose]

프룩토오스라고도 한다. 분자식은 C6H12O6이다. 대표적인 케토오스(환원기로서 케톤기를 갖는 단당류)이며, 가장 중요한 헥소오스(육탄당)의 하나이다. 무색의 흡습성(吸濕性) 결정으로, 녹는점 103∼105 ℃이다.

식물계에 널리 존재하며, 특히 포도당과 함께 과일 속에 유리 형태로 들어 있거나, 포도당과 결합하여 수크로오스로서 함유되어 있다. 벌꿀의 액상부는 대부분 과당이며, 또 국화과식물 속의 이눌린 등 과당으로만 이루어지는 다당류인 프룩탄의 성분으로서, 또한 수크로오스계의 각종 소당류의 성분으로서 존재하나, 배당체 성분으로서는 드물다.

동물계에는 적으나 정액의 주요한 당으로서 정자의 에너지원이다. 또, 과당은 생물의 당대사(糖代謝)에서 중요한 역할을 하는데, 포도당이 분해되는 경우나 글리코겐으로 합성되는 경우 등은 모두 과당을 거친다. 과당은 당류 중에서 감미가 가장 강하나, 가열하면 3분의 1로 약해진다.

 

③ 갈락토오스 [galactose]

알도헥소오스에 속한다. 천연에서는 유리상태로 존재하는 일이 드물고, 중합체의 상태로 널리 분포한다. 분자식은 C6H122O6, 녹는점은 168℃이다. 백색 분말로 단맛이 나며, 물에 잘 녹고 결정수를 포함하는 것은 118℃이다. D-형, L-형의 광학이성질체가 있으나, 천연으로는 D-형이 많이 존재한다. 일반적으로 갈락토오스라고 할 때에는 D-갈락토오스를 가리킨다.

D-갈락토오스는 생물계에 널리 분포하며, 락토오스(젖당)·한천·갈락토만난이나 세균 세포벽의 다당 및 당단백질·당지질 등에 함유되어 있다. L-갈락토오스는 한천이나 성게 알 표면의 젤리, 달팽이의 점액 속에 있는 다당 등에 함유되어 있다. D-갈락토오스는 락토오스를 산으로 가수분해하여 얻는다. 가수 분해물을 농축하여 냉장고 속에 넣어 두면 D-갈락토오스의 결정이 생긴다.

생리적으로 중요한 당의 하나로 락토오스의 구성 성분이며, 뇌나 신경조직에 다량으로 분포되어 있는 당지질 등, 이것을 구성성분으로 하는 화합물은 널리 존재한다. 예를 들면, ABO식 혈액형을 결정짓는 것은 적혈구 표면에 있는 당지질의 일종이다. B형 적혈구의 경우, 당지질의 당사슬 끝은 갈락토오스이다.

④ 아라비노오스 [Arabinose]

아라비아고무 따위의 식물계에 널리 존재하는 다당류를 묽은 산으로 가수 분해를 하여 만든 오탄당. 화학 시약으로 쓴다. 화학식은 C5H10O5.

⑤ 자일로스 [xylose]

알데하이드기를 가진 오탄당(五炭糖:펜토오스)으로 알도펜토스에 속한다. 자일란(xylan)의 구성 단위로서 널리 분포하며, 자일란을 함유하는 물질을 가수분해하여 얻을 수 있다. 화학식은 C5H10O5.

 

2) 이당류 [二糖類, disaccharide]

두 분자의 단당류(單糖類)로 이루어진 물질.

가수분해에 의해 한 분자에서 단당류 두 분자를 만드는 당류를 말한다. 대개 단맛이 나지만 간혹 쓴맛이 나는 것도 있으며, 배당체(配糖體:glycoside)나 자연계에 유리된 상태로 많이 존재한다. 대표적인 것으로는 수크로오스(sucrose:설탕)·말토오스(maltose:맥아당)·락토오스(lactose:젖당) 등이 있다.

사탕수수에 함유된 수크로오스는 각각 한 분자의 글루코오스(glucose:포도당)와 프룩토오스(fructose:과당)가 결합한 것이고, 녹말의 아밀라아제(amylase) 소화물이자 엿의 원료인 말토오스는 두 분자의 글루코오스가 결합한 것이다. 또 포유류의 젖 속에 들어있는 락토오스는 각각 한 분자의 글루코오스와 갈락토오스(galactose)가 결합한 것이다.

이처럼 두 분자의 단당류가 결합하여 이당류가 만들어질 때는 물 한 분자가 빠져나오는데 이것을 축합(縮合)이라 한다.

① 엿당 [maltose]

2분자의 포도당이 α-1, 4결합한 이당류.

말토오스라고도 하며, 맥아 속에 다량으로 함유되어 있기 때문에 맥아당이라고도 한다. 단맛이 강하며, 물에 잘 녹고, 환원성이 있으며, 변광회전현상을 나타낸다. 녹말의 구성단위로 α-D-글루코시다아제(말타아제)에 의해 가수분해되어 D-글루코오스가 된다. 녹말에 아밀라아제를 작용시키면 말토오스가 생성된다.

② 수크로오스 [sucrose]

D-글루코오스와 D-프룩토오스로 이루어지는 이당류.

자당(蔗糖) 또는 사카로오스라고도 한다. 광합성 능력이 있는 모든 식물에서 발견되며, 특히 사탕수수·사탕무에 많다. 사탕수수에서는 그 액즙의 20%, 사탕무에서는 15%를 차지하고 있으므로, 이들은 수크로오스의 공업적 원료로 이용된다. 이 밖에 사탕옥수수·사탕단풍의 수액에도 많이 함유되어 있다.

③ 락토오스 [젖당, lactose]

포유류의 젖 속에 들어 있는 이당류. 가수 분해를 하면 갈락토오스와 포도당으로 분해되고, 젖산균에 의하여 젖산 발효를 일으킨다. 어린이의 영양제로 쓴다.

 

3) 다당류 [多糖類, polysaccharide]

단당류가 2개 이상 글리코시드결합에 의해 탈수 축합되어 큰 분자를 만들고 있는 당류의 총칭. 분자량은 수천에서 100만을 넘는 것까지 있다. 단당류의 2분자에서 몇 분자 축합한 것은 올리고당류라고 하여 구별한다. 다당류는 생물계에 널리 존재하며 종류도 다양하나, 일반적으로 생물체의 구성성분이거나 에너지 저장체로서 존재한다. 셀룰로오스는 전자(前者)의 예이고, 녹말(식물의 경우)이나 글리코겐(동물의 경우)은 후자의 예이다.

고등동물의 경우 글리코겐을 제외한 다당류는 대부분 결합조직 속에 존재한다. 다당류는 또 단백질이나 지질(脂質)과 결합하여 생물학적으로 특이한 성질의 발현에 관여하는 일이 많다. 예를 들면, 세포 표면의 어떤 특수한 구조를 만들고 있어, 세포 표면의 특성에 관여하고 있거나 혈액형 물질에서는 혈액형 활성(活性)에 관여하고 있다. 다당류를 통일적으로 분류하기는 곤란하나, 화학구조에 근거를 두어 다음과 같이 분류할 수 있다(괄호 안은 구성당을 나타낸다).

① 녹말 [綠末, starch]

D-글루코오스(포도당)가 축합하여 생긴 다당류.

전분(澱粉)이라고도 한다. 엽록소를 가진 식물체에 널리 존재한다. 녹말은 식물의 씨·뿌리·줄기·알뿌리·열매 등에 함유된 중요한 저장물질의 하나이며, 고등동물에서도 탄수화물의 영양원으로서 중요한 물질이다. 쌀도 대부분 녹말로 이루어져 있다.

녹말은 무미·무취의 백색분말로 물에는 녹지 않는다. 분자량은 5만∼20만이고, 비중은 1.65 정도이므로 물 속에서는 침전한다. 일반적으로 입자의 형태로 존재하는데, 그 크기나 형태는 식물의 종류에 따라 다르다. 이 녹말입자의 층을 형성하고 있는 중심, 즉 배꼽이 단 하나인 것을 단립이라 한다. 단립은 칸나·칡·감자 등에서 볼 수 있다. 녹말의 입자를 현미경으로 보면 동심원 무늬의 층상구조가 보이는데, 그 생성원인은 아직 해명되지 않았다.

녹말입자의 일부는 결정성이며, 뚜렷한 X선회절상을 보인다. 녹말은 단일물질로 이루어진 것이 아니라 아밀로오스(amylose)와 아밀로펙틴(amylopectine)의 혼합물이며, 그 비율은 녹말의 종류에 따라 대체로 일정하다. 일반적으로는 아밀로오스 20∼25%, 아밀로펙틴 75∼80%가 함유되어 있다. 그러나 찹쌀·찰옥수수 등은 아밀로오스는 거의 없고 아밀로펙틴만으로 이루어져 있다.다른 녹말은 각기 그 특성을 이용하여 직물·풀·식품·의약 등에 사용된다.

 

② 글리코겐 [glycogen] : 글루코오스(포도당)의 중합체.

글리코겐은 백색 분말로서 맛과 냄새가 없고 물에 잘 녹으나 에틸알코올이나 아세톤에는 녹지 않는다. 요오드를 가하면 갈색 또는 적포도주색을 띤다.

구조는 글루코오스 α-1,4 결합으로 수십 개가 결합한 직쇄(直)가 상호간에α-1,6 결합으로 복잡하게 이어진 것이다. 분자 전체는 가지를 많이 친 구상(球狀)으로, 분자량은 수백만에 이른다. 구조가 아밀로펙틴과 유사하나 직쇄 부분이 아밀로펙틴에 비해 짧다. 글리코겐의 생합성에는 글리코겐 합성효소가 작용하여 반응을 촉매시킨다.

이 효소는 우리딘 이인산글루코오스(UDP-글루코오스)로부터 글루코오스 1분자를 글리코겐 사슬의 말단으로 운반하며 직쇄 모양으로 연장해 간다. 이때 새로 생기는 글루코시드 결합은 α-1,4 결합이다. 가지를 친 부분, 즉 α-1,6 결합은 별도의 효소인 아밀로-1, 4 →1,6-글리코시드 전달효소의 작용에 의해서 생긴다. 즉, 적당한 위치에서 α-1,4 결합을 절단하고, 새로 생긴 단편을 분자의 다른 부분에 α-1,6-결합으로서 옮겨놓을 뿐이다.

또한 글리코겐은 세포 내에서 포스포릴라아제에 의해 분해되어 글루코오스-1-인산을 생성한다. 또한 여러 가지 아밀라아제도 글리코겐을 분해한다. 세포의 에너지원이 되는 글루코오스를 안정하면서도 필요할 때 즉시 이용할 수 있는 형태로 저장하는 것이 글리코겐의 기능이다. 그 생합성은 세포가 에너지원을 창고에 채워 두는 것과 같고, 분해는 창고에서 꺼내는 것과 같은 의미를 지닌다. 따라서 글리코겐의 생합성과 분해의 속도가 어떻게 조절되고 있는가는 에너지대사의 제어 측면에서 중요시된다.

 

③ 덱스트린 [dextrin]

녹말을 산 ·열 ·효소 등으로 가수분해시킬 때 녹말에서 말토오스에 이르는 중간단계에서 생기는 여러 가지 가수분해 산물.

호정(糊精)이라고도 한다. 녹말보다 분자량이 작은 다당을 총칭한다. 녹말을 약간 분해한 고분자량에서 요오드-녹말반응을 보이지 않는 저분자량의 것까지 넓은 범위의 것을 말한다. 가용성 녹말도 덱스트린의 일종이다. 생체 내에서는 침(타액)과 소장 내의 세균에 의해 녹말에서 덱스트린을 생성하는 반응이 이루어진다. 

공업적으로는 주로 가산배소법(加酸焙燒法)이 사용되며, 가수분해의 정도에 따라 백색 ·담황색 ·황색의 3종류가 있다. 백색 덱스트린은 찬물에 40 % 이상, 더운물에는 완전히 녹으며, 주로 견직물의 끝마무리풀 또는 약의 부형제(賦形劑)로 사용된다. 담황색 및 황색 덱스트린은 찬물에 완전히 녹고 점성도는 낮으며, 용도는 사무용 풀, 수성도료, 제과(製菓)의 조합용이나 약품의 부형제, 연탄의 점결제 등으로 사용되는 등 다양하다.

④ 셀룰로오스 cellulose, 섬유소

3,000개 이상의 포도당 단위체로 이루어진 복잡한 탄수화물 또는 다당류.

식물 세포벽의 기본구조 성분인 셀룰로오스는 모든 식물성 물질의 33％(면의 90％와 나무의 50％는 셀룰로오스로 이루어졌음)를 차지하며, 천연에서 산출되는 유기화합물 중에 가장 많이 존재한다. 사람은 셀룰로오스를 소화시킬 수 없으나, 소나 말 같은 초식동물에서는 섭취된 셀룰로오스가 초식동물의 소화관에 충분히 오랫동안 머물러 있어서, 이 속에 있는 미생물에 의해 소화된다. 

흰개미와 같은 곤충의 소화관 속에 있는 원생동물도 셀룰로오스를 소화시킬 수 있다. 셀룰로오스는 종이나 섬유를 생산하기 위해 처리되며, 화학적으로 플라스틱, 사진 필름, 레이온 같은 상품을 만드는 물질로 변형될 수 있기 때문에 경제적으로 중요한 물질이다. 다른 셀룰로오스 유도체들은 접착제, 폭발물, 음식의 농화제(濃化劑)와 방습용 도장(塗裝) 등에 사용된다.

2. 단백질

1) 단백질의 구조

단백질은 아미노산이라는 단량체(monomer)의 축합중합체로, 아미노산이 100개 이상 결합해서 이루어진 매우 큰 분자이기 때문에 때때로 거대분자 펩티드라고도 한다. 단백질을 구성하는 아미노산은 일반적으로 RCH(NH2)COOH의 구조식을 가지고 있다. 이때 R은 아미노산마다 구조가 다른 곁사슬이다. 즉, 비대칭탄소를 중심으로 a-카르복실기와 a-아미노기를 가지고 있으며, 이 두 기는 pH에 따라 해리하는 정도가 다르다. 아미노산은 R그룹의 종류에 따라 20개로 구분되며, 이들이 적절히 조합되어 생성된 중합체가 단백질이다.

Figure. 1 아미노산의 구조. 가운데의 탄소의 왼쪽이 아민기(-NH2), 오른쪽이 카르복실기(-COOH)이다. R자리에는 여러 가지가 붙을 수 있는데, 이에 따라 아미노산의 종류가 달라진다.

단백질을 구성하는 아미노산은 펩티드결합을 통해 연결되는데, 펩티드결합이란, 하나의 아미노산의 아미노기[-NH2]와 다른 아미노산의 카르복실기[-COOH]에서 하나의 물 분자가 빠져나오면서 생성되는 결합이다. 두개의 아미노산이 연결된 것을 디펩티드, 세 개는 트리펩티드, 많은 수의 아미노산이 펩티드결합을 통해 연결된 것을 폴리펩티드라고 한다.

단백질의 구조는 크게 1차 구조, 2차 구조, 3차 구조, 4차구조로 구분할 수 있다. 먼저 20여종의 아미노산이 여러 번 반복되면서 1줄로 연결되어 독특한 아미노산 서열을 가지며, 이런 구조를 1차구조라 한다. 단백질의 1차 구조는 단백질의 구조와 기능을 결정한다. 또한 이렇게 만들어진 단백질 사슬은 아미노산의 상호작용을 통해 2차 구조를 이룬다. 

2차 구조는 아미노산을 연결하는 펩티드결합의 각도에 의해 결정되며, Alpha helix 구조와 Beta pleated sheet 구조로 나눌 수 있다. 3차 구조는 이러한 2차 구조 단백질이 구부러지고 접혀짐으로써 형성이 되며, 구형단백질을 형성한다. 이때 아미노산의 소수성 R기는 단백질의 안쪽에 집합하고, 친수성 R기는 물 분자와 쉽게 수소결합을 이루어 바깥쪽에 위치한다. 그 다음 단백질 3차구조가 모여서 단백질의 4차 구조를 이룬다.

 

2) 펩티드 결합(peptide bond)

두 개 이상의 아미노산이 서로 연결되어 단백질을 구성할 때 사용되는 공유결합을 펩티드 결합이라 부른다. 기본적으로 아미드 결합으로 한 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카르복실기 사이에서 물이 빠져 축합되어 연결되는 결합이다.

Figure. 2 펩티드결합. 아미노산 2개가 결합하는 과정, 이 결합을 펩티드 결합이라 한다. 이 결합이 반복되어 거대한 단백질 분자가 만들어진다.

 

3) 단백질 변성

여러 가지 원인으로 1차 구조는 변화되지 않고 고차구조만이 파괴되어, 천연단백질과는 다른 물성을 나타내게 되는 것을 변성이라 한다. 변성의 원인으로는 극단적인 알칼리성이나 산성, 유기용매·중금속염·요소 또는 염산구아니딘과 같은 변성제·계면활성제·효소 등 화학적 인자 외에, 가열·동결·교반·희석·흡착·자외선·X선·고압·초음파 등의 물리적 인자도 포함된다. 변성에 따른 물성의 변화로서는 생물활성의 감소 또는 상실을 들 수 있다.

일반적으로 온도가 40~50℃가 되면 대부분의 단백질들은 변성이 된다. 열은 수소결합을 파괴하므로 단백질의 2차․3차 구조를 변형시킨다. 열에 의한 변성으로 대부분의 단백질들은 용해도가 감소되어서 침전하게 된다.

 

4) 단백질의 기능 : 단백질은 생체 내에서 아래와 같은 여러 가지 기능을 가진다.

① 효소의 주성분을 이루어 생체 내 대사를 촉매한다. ex) 아밀레이즈(amylase)

② 물질의 수송이나 저장 산물의 역할을 한다. ex) hemoglobin, casein

③ 세포의 운동성을 결정한다. ex) myosin, actin

④ 세포의 지지 역할을 한다. ex) collagen

⑤ 면역반응에 참여한다. ex) 항체

⑥ 세포 밖의 자극을 감지한다. ex) 수용체

⑦ 세포의 성장과 분화를 조절한다. ex) hormone, growth fator

⑧ 독극물로 작용한다. ex) 독사의 독

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