사람에게 꼭 필요한 영양소 탄수화물 - 2부

분류

탄수화물은 폴리하이드록시 알데히드, 케톤, 알코올, 산, 이들의 단순 유도체 및 아세탈 유형의 결합을 갖는 고분자입니다. 이들은 중합도에 따라 분류될 수 있으며 초기에는 당, 올리고당 및 다당의 세 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다.

 

 

단당류

단순당이라고도 하는 단당류(그리스어 monos: 단일, sacchar: 설탕)는 가장 단순한 형태의 설탕이며 모든 탄수화물을 구성하는 가장 기본적인 단위(단량체)입니다. 일반적으로 무색, 수용성 및 결정질 고체입니다. 이름(설탕)과 달리 일부 단당류만 단맛이 있습니다. 대부분의 단당류는 화학식 CnH2nOn(이 공식을 가진 모든 분자가 단당류인 것은 아님)으로 나타낼 수 있습니다.

단당류의 대표적인 예로는 포도당(덱스트로스), 과당(레불로스) 및 갈락토스가 있습니다. 단당류는 이당류(예: 자당 및 유당) 및 다당류(예: 셀룰로스 및 전분)의 빌딩 블록입니다. 일상 생활에서 사용되는 설탕은 그 자체가 두 개의 단당류 D-포도당과 D-과당 각각 한 분자로 구성된 이당류 자당입니다.

 

단당류 포도당은 해당과정과 구연산 회로를 통해 화학 에너지를 추출하여 살아있는 유기체에 에너지를 제공하는 대사에서 중추적인 역할을 합니다.

히드록실기를 지지하는 각 탄소 원자는 사슬 끝에 있는 탄소 원자를 제외하고 키랄입니다. 이것은 모두 동일한 화학식을 가진 많은 이성질체 형태를 생성합니다. 예를 들어 갈락토스와 포도당은 모두 알도헥소스이지만 물리적 구조와 화학적 특성이 다릅니다.

 

 

구조 및 명명법

몇 가지 예외(예: 데옥시리보스)를 제외하고 단당류는 다음 화학식을 갖습니다. 5탄당(5), 6탄당(6), 7탄당(7) 등.

에너지원으로 사용되고 전분, 글리코겐 및 셀룰로오스 합성에 사용되는 포도당은 육탄당입니다. 리보오스와 데옥시리보오스(각각 RNA와 DNA에 있음)는 오탄당입니다. 헵토스의 예는 케토스, 만노헵툴로스 및 세도헵툴로스를 포함한다. 탄소가 8개 이상인 단당류는 매우 불안정하여 거의 관찰되지 않습니다. 수용액에서 단당류는 탄소가 4개 이상인 경우 고리로 존재합니다.

 

• 선형-사슬 단당류

단순 단당류는 하나의 카보닐(C=O) 작용기와 나머지 탄소 원자 각각에 하나의 하이드록실(OH) 그룹이 있는 선형 및 비분지형 탄소 골격을 가지고 있습니다. 따라서 간단한 단당류의 분자 구조는 H(CHOH)n(C=O)(CHOH)mH로 작성할 수 있습니다. 여기서 n + 1 + m = x; 그래서 그것의 원소식은 CxH2xOx이다.

관례에 따라 탄소 원자는 C=O 그룹에 가장 가까운 끝에서 시작하여 백본을 따라 1에서 x까지 번호가 매겨집니다. 단당류는 탄수화물의 가장 간단한 단위이자 가장 단순한 형태의 설탕입니다.

카르보닐이 위치 1에 있는 경우(즉, n 또는 m이 0임), 분자는 포르밀 기 H(C=O)-로 시작하고 기술적으로 알데히드입니다. 이 경우 화합물을 알도스라고 합니다. 그렇지 않으면, 분자는 케톤 그룹, 즉 두 탄소 사이에 카보닐 -(C=O)-를 갖습니다. 공식적으로는 케톤이고 케토스라고 합니다. 생물학적 관심 케토오스는 일반적으로 위치 2에 카르보닐이 있습니다.

위의 다양한 분류를 결합하여 "aldohexose" 및 "ketotriose"와 같은 이름을 만들 수 있습니다.

개방형 단당류에 대한 보다 일반적인 명명법은 탄소 수를 나타내는 그리스 접두사(tri-, tetr-, pent-, hex- 등)와 접미사 "-ose"를 결합하여 알도오스를, "-ulose"를 케토스.[3] 후자의 경우 카르보닐이 위치 2에 없으면 그 위치는 숫자 중사로 표시됩니다. 예를 들어, H(C=O)(CHOH)4H는 5탄당이고, H(CHOH)(C=O)(CHOH)3H는 펜툴로스이고, H(CHOH)2(C=O)(CHOH)2H는 펜트-3-울로스로 나타낼 수 있습니다.

 

• 개방-사슬 입체이성질체

동일한 분자 그래프(동일한 사슬 길이 및 동일한 카르보닐 위치)를 갖는 두 개의 단당류는 분자가 공간 배향이 다른 별개의 입체 이성질체일 수 있습니다. 이것은 분자가 입체 중심, 특히 키랄인 탄소 원자(4개의 별개의 분자 하위 구조에 연결됨)를 포함하는 경우에만 발생합니다. 이 네 개의 결합은 손으로 구분되는 공간에서 두 가지 구성 중 하나를 가질 수 있습니다. 간단한 열린 사슬 단당류에서 모든 탄소는 사슬의 첫 번째 원자와 마지막 원자를 제외하고 키랄이며 (케토스에서는) 케토 그룹이 있는 탄소입니다.

예를 들어, triketose H(CHOH)(C=O)(CHOH)H(glycerone, dihydroxyacetone)은 입체 중심이 없으므로 단일 입체 이성질체로 존재합니다. 다른 트리오스인 알도스 H(C=O)(CHOH)2H(글리세르알데히드)는 -H, -OH, -C(OH)H2, 및 -(C=O)H. 따라서 분자가 서로 거울상인 두 개의 입체 이성질체로 존재합니다(왼쪽 및 오른쪽 장갑처럼). 4개 이상의 탄소를 가진 단당류는 다중 키랄 탄소를 포함할 수 있으므로 일반적으로 2개 이상의 입체 이성질체를 갖습니다. 동일한 다이어그램을 가진 별개의 입체 이성질체의 수는 2c로 제한되며, 여기서 c는 키랄 탄소의 총 수입니다.

Fischer 투영법은 각 키랄 탄소의 handedness가 잘 지정되도록 비고리 단당류의 골격 공식을 그리는 체계적인 방법입니다. 간단한 개방형 단당류의 각 입체 이성질체는 키랄 하이드록실(키랄 탄소에 부착된 하이드록실)의 피셔 다이어그램에서 위치(오른쪽 또는 왼쪽)로 식별할 수 있습니다.

대부분의 입체 이성질체는 그 자체가 키랄입니다(거울 이미지와 구별됨). Fischer 투영법에서 두 개의 거울상 이성질체는 모든 키랄 하이드록실의 위치가 오른쪽에서 왼쪽으로 반전된다는 점에서 다릅니다. 거울상 이성질체는 비키랄 환경에서 화학적으로 동일하지만 일반적으로 자연에서 매우 다른 생화학적 특성과 발생을 보입니다.

대부분의 입체 이성질체는 쌍으로 거울상 형태로 배열될 수 있지만 키랄 중심이 있음에도 불구하고 거울상과 동일한 일부 비키랄 입체 이성질체가 있습니다. 이것은 3-케토펜토스 H(CHOH)2(CO)(CHOH)2H에서와 같이 분자 그래프가 대칭이고 두 반쪽이 서로의 거울상일 때마다 발생합니다. 이 경우 미러링은 반 바퀴 회전과 같습니다. 이러한 이유로 분자에 2개의 키랄 탄소가 있음에도 불구하고 3개의 뚜렷한 3-케토펜토스 입체 이성질체가 있습니다.

서로의 거울상이 아닌 고유한 입체 이성질체는 비키랄 환경에서도 일반적으로 화학적 특성이 다릅니다. 따라서, 각 거울 쌍과 각각의 비키랄 입체이성체에는 특정한 단당류 이름이 부여될 수 있습니다. 예를 들어, 16개의 별개의 알도헥소스 입체이성질체가 있지만 "포도당"이라는 이름은 거울상 알도헥소스의 특정 쌍을 의미합니다. Fischer 투영법에서 두 포도당 이성질체 중 하나는 왼쪽에 C3에, 오른쪽에 C4와 C5에 하이드록실이 있습니다. 다른 이성질체는 반대 패턴을 가지고 있습니다. 이러한 특정 단당류 이름에는 포도당의 경우 "Glu" 및 트레오즈의 경우 "Thr"과 같이 일반적인 세 ​​글자 약어가 있습니다.

일반적으로 n개의 비대칭 탄소를 가진 단당류는 2n개의 입체 이성질체를 갖는다. 알도스 단당류에 대한 열린 사슬 입체 이성질체의 수는 같은 길이의 케토오스 단당류보다 하나 더 많습니다. 모든 케토스는 2(n-3)개의 입체 이성질체를 가질 것이며 여기서 n > 2는 탄소의 수입니다. 모든 알도스는 2(n-2)개의 입체 이성질체를 가질 것이며, 여기서 n > 2는 탄소의 수입니다. 이들은 비대칭 또는 키랄 탄소 원자에서 -OH 및 -H 기의 다른 배열을 갖는 에피머라고도 합니다(이것은 카르보닐 작용기를 갖는 탄소에는 적용되지 않음).

 

• 단당류의 구성

많은 키랄 분자와 마찬가지로 글리세르알데하이드의 두 입체 이성질체는 용액에서도 선형 편광을 통과할 때 편광 방향을 점차 회전시킵니다. 두 입체 이성질체는 회전 감각에 따라 접두사 d- 및 l-로 식별됩니다. d-글리세르알데히드는 우선성(편광 축을 시계 방향으로 회전)이고 l-글리세르알데히드는 좌회전(반시계 방향으로 회전)합니다.

d- 및 l- 접두사는 또한 다른 단당류와 함께 사용되어 서로 거울상인 두 특정 입체 이성질체를 구별합니다. 이를 위해 C=O 그룹에서 가장 멀리 제거된 키랄 탄소를 고려합니다. 4개의 결합은 -H, -OH, -C(OH)H 및 나머지 분자에 연결되어야 합니다. 분자가 공간에서 회전하여 4개의 그룹의 방향이 d-glyceraldehyde의 C2에 있는 유사 그룹의 방향과 일치하면 이성질체는 d- 접두사를 받습니다. 그렇지 않으면 l- 접두사를 받습니다.

Fischer 투영법에서 d- 및 l- 접두사는 맨 아래에서 두 번째인 탄소 원자의 구성을 지정합니다. 히드록실이 오른쪽에 있으면 d-, 왼쪽에 있으면 l-입니다.

d- 및 l- 접두사는 모든 키랄 중심에서 배열의 결합된 효과인 편광의 회전 방향을 나타내지 않습니다. 그러나 두 거울상 이성질체는 항상 빛을 반대 방향으로 동일한 양만큼 회전시킵니다. d/l 시스템도 참조하십시오.

 

• 단당류의 순환화 (헤미아세탈 형성)

단당류는 종종 카보닐 그룹과 동일한 분자의 하이드록실 중 하나 사이의 친핵성 부가 반응을 통해 비고리형(개방형) 형태에서 고리형 형태로 전환됩니다. 이 반응은 하나의 가교 산소 원자로 닫힌 탄소 원자 고리를 생성합니다. 생성된 분자는 선형 형태가 알도스인지 케토스인지에 따라 헤미아세탈 또는 헤미케탈 그룹을 갖습니다. 반응은 쉽게 역전되어 원래의 열린 사슬 형태를 생성합니다.

이러한 고리 형태에서 고리는 일반적으로 5개 또는 6개의 원자를 갖는다. 이러한 형태를 각각 푸라노오스 및 피라노오스라고 합니다. 푸란 및 피란과 유추하여 동일한 탄소-산소 고리를 가진 가장 단순한 화합물입니다(이 두 분자의 이중 결합이 없음에도 불구하고). 예를 들어, 알도헥소스 포도당은 탄소 1의 알데히드기와 탄소 4의 하이드록실 사이에 헤미아세탈 결합을 형성하여 글루코푸라노스라고 하는 5원 고리를 가진 분자를 생성할 수 있습니다. 동일한 반응이 탄소 1과 5 사이에서 일어나 글루코피라노스라고 하는 6원 고리를 가진 분자를 형성할 수 있습니다. 드물게 발견되는 7개의 원자 고리(옥세판과 동일)가 있는 순환 형태를 헵토스라고 합니다.

 

많은 단당류(포도당 포함)의 경우 고체 상태와 용액에서 고리 형태가 우세하므로 일반적으로 동일한 이름이 개방 및 폐쇄 사슬 이성질체에 사용됩니다. 따라서, 예를 들어 용어 "포도당"은 글루코푸라노오스, 글루코피라노오스, 개방 사슬 형태 또는 이 세 가지의 혼합물을 의미할 수 있습니다.

순환은 카르보닐 함유 탄소에 새로운 입체 중심을 만듭니다. 카르보닐의 산소를 대체하는 -OH기는 고리의 중간면에 대해 두 개의 별개의 위치에 있을 수 있습니다. 따라서 각 열린 사슬 단당류는 접두사 α- 및 β-로 표시되는 두 개의 고리형 이성질체(아노머)를 생성합니다. 분자는 고리 형성 반응의 역전 다음에 또 다른 고리 형성으로 구성된 돌연변이 회전이라고 하는 과정에 의해 이 두 형태 사이에서 변할 수 있습니다.

 

• 하워스 투영법

고리형 단당류의 입체화학 구조는 Haworth 투영법으로 나타낼 수 있습니다. 이 도표에서, d-알도헥소스의 피라노스 형태에 대한 α-이성질체는 탄소 원자 평면 아래에 아노머 탄소의 -OH를 갖는 반면, β-이성질체는 평면 위에 아노머 탄소의 -OH를 갖는다. 피라노스는 일반적으로 사이클로헥산과 유사한 의자 형태를 취합니다. 이 형태에서 α-이성질체는 축 위치에서 아노머 탄소의 -OH를 갖는 반면, β-이성질체는 적도 위치에서 아노머 탄소의 -OH를 갖습니다(d-알도헥소스 당 고려).