[생물학] 5.1~5.2 - Macromolecules, Carbohydrates

Polymers(고분자, 중합체)

Polymer란 서로 비슷하거나 같은 작은 단위 분자들의 공유 결합으로 이루어진 거대한 분자를 말한다. 이것의 building block을 monomer(단위체)라 한다. 탄수화물, 단백질, 핵산 등은 중합체에 해당한다.

중합체는 주로 효소(enzyme)의 도움을 받아, 축합 반응(condensation reaction)을 통해 결합하여 형성된다. 축합 반응이란 두 단위체가 결합하면서 작은 분자가 빠져나가는 반응을 말한다. 그중에서도, 탄수화물과 단백질이 합성될 때는 단위체가 결합할 때마다 물 분자 하나가 빠져나가는 탈수 반응(dehydration reaction)이 일어난다.

또, 중합체가 단위체로 분해될 때는 반대로 물 분자 하나가 끼어드는 가수 분해(hydrolysis)가 일어난다.

Carbohydrates(탄수화물)

탄수화물에는 크게 monosaccharides(단당류), disaccharides(이당류), polysaccharides(다당류)가 있다.

단당류는 탄수화물의 단위체로, carbonyl group이 존재한다. 단당류의 종류는 탄소의 개수와 carbonyl group의 위치에 따라 나뉜다. 표로 정리하면 다음과 같다.

이중 오탄당과 육탄당에 해당하는 단당류는 주로 고리 모양으로 존재한다. 포도당을 비롯해, 이 분자들은 생명체의 에너지원 역할을 하기도 하고, 다른 분자가 형성되기 위한 탄소 골격을 제공하기도 한다.

+) 6원자 고리 구조를 가진 탄수화물을 pyranose(피라노스), 5원자 고리 구조를 가진 탄수화물을 furanose(푸라노스)라고 한다.

당장 사용되지 않는 단당류는 glycosidic linkage(글리코사이드 결합)을 거쳐 이당류가 된다. 이는 탈수 반응을 거쳐 탄수화물 분자들끼리 공유 결합으로 이어지는 것을 의미한다. 예시로, 아래는 maltose(엿당)과 sucrose(설탕)이 형성되는 반응이다.

Polysaccharides(다당류)

다당류에는 Starch(녹말), Glycogen(글리코젠), Cellulose(셀룰로스), Chitin(키틴)이 있다. 다당류의 종류는 단위체의 종류와 결합 방식에 좌우된다.

녹말은 식물이 에너지를 저장하는 주된 수단이다. 녹말은 포도당의 1-4 결합(1번 탄소와 4번 탄소가 연결)으로 이루어져 일직선으로 연결된 amylose(아밀로스)와, 포도당의 1-6 결합으로 이루어져 가지가 뻗어나가는 구조를 가진 amylopectin(아밀로펙틴)으로 구성된다.

글리코젠은 동물이 에너지를 저장하는 수단이다. 아밀로펙틴보다 더욱 가지가 많은 구조를 가지고 있는데, 이로 인해 동물이 에너지가 필요할 때 포도당을 떼어 쓰기가 더 유리하다. (떼어갈 끝부분이 많으니까)

셀룰로스는 식물의 세포벽을 구성하는 다당류다. 이것도 녹말과 같이 포도당의 1-4 결합으로 이루어져 있는데, 포도당의 종류가 다르다. 1번 탄소에 붙어 있는 hydroxl group이 아래에 있냐, 위에 있냐에 따라 α Glucose, β Glucose로 구분하는데, 녹말은 α Glucose, 셀룰로스는 β Glucose로 이루어져 있다.

이 미묘한 hydroxl group의 위치 차이는 두 고분자의 기능에 영향을 끼친다. β Glucose끼리 결합하는 경우, 인접한 단위체와 나란히 결합하지만, α Glucose는 인접한 단위체가 뒤집혀서 결합하게 된다. 그래서 녹말은 고분자의 형태가 구불구불한 나선형으로 만들어지고, 이는 작은 공간에 많은 단위체를 저장하여 에너지 저장이라는 목적에 적합한 형태이다. 그리고 셀룰로스는 고분자가 직선형으로 만들어져 섬유 가닥끼리 수소 결합에 용이하고, 단단한 세포벽의 구성이라는 목적에 적합하다.

마지막으로, 절지동물의 외골격을 구성하는 키틴이 있다. 질소를 포함한 단위체인 N-아세틸글루코사민(N-Acetylglucosamine, GlcNAc)의 1-4 결합으로 이루어져 있으며, 곤충의 허물, 갑각류의 껍질 등에서 찾아볼 수 있다.

다음에는 지질과 단백질에 관해 정리해 보겠다.

References

1. Campbell, N. A., Urry, L. A., Cain, M. L. et al. 『Biology: A Global Approach』. 12th ed. Pearson Education Ltd.(2021). p66-72
2. https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=ptful&logNo=220555996328