탄수화물은 생물체를 구성하는 생체고분자(biomacromolecule)의 4가지(탄수화물, 단백질, 지질, 핵산) 중 하나로, 이름은 탄소에 물이 묻은 물질(탄수화물, carbohydrate)이라는 뜻인데, 이는 대표적인 탄수화물인 포도당의 구조를 보면 바로 알 수 있다.
D-glucose 선형구조
왼쪽의 피셔 투영 법에서 보듯이 빨간 탄소 덩어리에 파란 색 물이 다닥다닥 붙어 수화된 모습이다.탄소끼리는 단일 결합으로 연결되어 산소와 수소는 알코올, 알데히드나 케톤의 형태로 탄소에 붙어 있다.피셔 투영 법은 1891년 독일의 유기 화학자 헤르만·에밀·이 피셔(Hermann Emil Loius Fischer, 1902년 노벨 화학 상 수상자)가 개발한 방법으로 세로 선은 수평면 아래에 가로선으로는 수평면 위에 돌출한 것처럼 상상하고 입체 구조를 표기하는 방식이다.비상으로 공간 절약에서 광학 이성질체의 표기가 쉽고, 카이럴탄소가 나란히 있는 당류의 구조를 나타내는 가장 일반적인 방식이지만 개인적으로는 입체 구조가 곧바로 머릿속에 그려지지 않아 별로 좋아하지 않아.거기서 이번 글에서는 고분자를 표기할 때 흔히 쓰는 나타 투영 법으로 모든 구조를 펼쳤다.물론 Cn(H2O)m이라는 시성식에서 벗어난 탄수화물도 많이 존재한다.저는 이것들을 탄수화물 유도체라고 부르고 싶다.가장 일반적으로 쉽게 만드는 탄수화물 유도체는 이들로부터 수소와 산소가 가세한 환원/산화 형태이다.실제로 알데히드 형태의 당류는 좋은 환원제로 작용할 수 있는, 환원당(reducing sugar)이라 부를 수도 있어 이 성질을 이용하고 구리나 은 같은 금속 이온을 환원시키고 침전시키는 탄수화물의 유무를 검증하는 후에링그 용액(Fehling’s solution), 베네딕트 용액(Benedict’s solution), 토 렌 용액(Tollen’s solution;은거울 반응으로 잘 알려 진)등이 유명하다.밖에도 질소나 황이 도입된 유도체도 있지만 나중에 설명하도록 한다.가장 단순한 탄수화물은 n=1, m=1의 CH2O, 즉 포름 알데히드 것이다.
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탄수화물 (n=1, m=1) 환원 형태 산화 형태
formaldehyde포름알데히드methanal메탄알methylalcohol메틸알코올methanol메탄올formic acid기산methanoic acid메탄산
알데히드는 하이드록시기와 같은 친핵체가 더해지면 가역적으로 헤미아세탈을 형성할 수 있다. 포름알데히드가 이처럼 서로 첨가 반응을 일으키면 길고 불안정한 고분자인 파라포름알데히드(paraformaldehyde)가 된다.
다만 아직 탄수화물이라고 부르기에는 다소 어색하고 부끄러운 수준이다.n=2이면 m=2일 때 C2H4O2가 된다. 이중 탄소-탄소 결합이 단일 결합인 분자는 한 가지 형태밖에 없다.
탄수화물 (n=2,m=2) 환원 형태 산화 형태
glycolic acid 글리콜산
glycoaldehyde글리코알데히드ethylene glycol에틸렌글리콜glyoxal글리옥살이제 이름 앞에 glyco 또는 gly가 붙기 시작했다. Glyco-라는 접두어는 그리스어로 ‘달다’라는 뜻의 γλυκς(글룩스)에서 유래해 당류에 가깝다는 뜻이 된다. 실제로 글리코알데히드는 단맛이 난다고 한다! 글리코알데히드 2개 분자는 서로의 알데히드에 하이드록시기를 첨가시켜 6각환 이합체를 형성할 수 있다.나타 투영(왼쪽), 하워스 투영(중), 톱말 투영(오른쪽)환형의 당을 표현하는 방법은 여러가지가 있지만, 가장 잘 사용되는 것은 하스 투영 법(Haworth projection)입니다.이것은 영국의 화학자 월터·노르만·하스 경(Sir Walter Norman Haworth, 1937년 노벨 화학 상 수상자)이 개발한 방식으로 히드록시기의 상대적 위치를 시각적으로 표현하는 데 효과적입니다.다만 이번 글은 나타 투영 법에 천착하기로 했으니 가급적 사용하지 않도록 하겠습니다.어차피 하스 투영 법은 교과서에도 많이 나오기 때문입니다… 그렇긴 진짜 당류는 n=3, m=3때부터 이제는 먹어도 좋은 물질이 나옵니다.탄수화물 (n=3,m=3) 환원 형태 산화 형태D-glyceral 글리세럴(R)-(+)-D-glyceral dehyde 글리세랄데히드(R)-(+)-D-glyceric acid 글리세르산glycerone 글리세론 dihydroxyacetone 다이하이드록시아세톤 glycerol 글리세롤 glycerin 글리세린 glycerosone 글리세로슨glycerone 글리세론 dihydroxyacetone 다이하이드록시아세톤 glycerol 글리세롤 glycerin 글리세린 glycerosone 글리세로슨편의상 유기 화학자는(R/S)을 분석 화학자는(+/-)을 생화학자는(D/L)분류를 사용한다.이 D/L분류는 탄수화물만 아니라 아미노산에도 적용이 가능하지만 이상하게도 지구의 생명체는 99.9%D-형 당류와 L-형 아미노산만을 사용한다(물론 약간의 예외도 있다). D/L표기법은 이전(+/-)을 표기할 때 사용한(d/l)분류와 헷갈리지만 2개는 전혀 관계 없어!예를 들어 D-과당은(-)-회전 편광을 가지므로 l-과당으로 표시해야 하며 이 levorotatory속성 때문, levulose이라고 불리기도 한다.디히드록시 아세톤은 가장 간단한 ketose이며, 해당 과정에서도 중요하게 등장하는 대사 산물이지만 아직 키랄 중심이 없고, 당류로서 보내지 않는 사람이 많다.참고로, 디히드록시 아세톤과 그리세랄데히도의 1:1혼합물은 그리세로ー스(glycerose)로 불린다.글리세롤은 가장 간단한 당알코올(sugar alcohol) 약한 단맛을 내고 글리세린과 부를 수도 있다.글리세롤이 포함된 에스더는 그리세라이도(glyceride)라 부르고 3개의 수산화기가 모두 에스더 결합에 참여할 경우, 트리 그리세라이도(triglyceride)라 불리는 중성 지방이다.글리세롤과 같은 당 알코올은 수산화기가 많아 물 분자를 많이 유지할 수 있지만 덕분에 촉촉함이 요구되는 피부 보습제나 관장 약 등으로 널리 쓰인다.글리세르산은 가장 간단한 당 산(sugar acid)에서 글리세르산 에스더 타나 소금은 glycerate라고 부르니 그리세라이도과 혼동해서는 안 된다.n=4일부터는 지구의 생명체가 주로 사용 D형 단당류에 대해서만 구조를 나타낸다.알도 오스가 소지움 아말감의 같은 환원제로 처리되면 당알코올로 이를 알디 톨(alditol)이라고 부르며 알도 오스의 이름에-ose대신-itol을 붙인다.알도 오스는 브롬 수처럼 약한 산화제로 처리하면 알데히드만 산화되지만 질산처럼 강한 산화제로 처리하면 1차 알코올과 알데히드가 모두 카르복실산에서 산화된다.알데히드만 산화된 형태를 알돈산(aldonic acid)모두 산화된 형태를 알 다루산(aldaric acid)라고 부른다.아래 표에는 두가지 산화 형태를 모두 보였다.탄수화물(n=4,m=4) 환원형태(알디톨) 산화형태(알돈산) 산화형태(알다르산)D-(-)-erythrose 에리트로스 meso-erythritol 에리트리톨 D-(+)-erythronic acid 에리트론산 meso-tartaric acid 타타르산 erythraric acid 에리트랄산D-(-)-threose트레오스D-(-)-threitol트레이톨D-(-) -threonic acid트레온산D -() -tartaric acid 타타르산D -threaric acid트레알산D-(-)-erythrulose에리트로스에리토로스은 1849년 프랑스의 화학자 루이·포죠제후·가로(Louis Feux Joseph Garot)가 처음 발견하고 알칼리 금속 적색의 소금을 형성하기 위하여 그리스어로 붉다는 뜻의 ἐ ρ υ θ ρ ́ ς에서 따오고 이름을 붙였다.알도 오스 당류는 염기성 조건에서 서로 알돌 축합 반응을 일으키면서 붉은 색을 띤 중합체를 형성하기 위하여 당류를 검출하는 옛 방법의 하나로 사용되기도 했다.Erythro-접두사는 빨간 색을 띠다 많은 물질에 붙어 있으나 적혈구를 erythrocyte( 붉은 세포라는 뜻)라고 부르는 것에서도 드러난다.트레 오스는 1901년 독일의 화학자 오토 러프(Otto Ruff)가 발견했지만 그는 Ruff-Fenton degradation이라는 반응을 통하여 5탄소 등 당을 산화시킨 후, 이산화 탄소를 뜯어내고 4활성탄당 에리토로스와 트레 오스를 얻었다.그는 새로 발견한 당에 “erythose”에서 “y”를 제외하고”애너그램”을 만들어”threose”이라고 이름 붙였다.한편 erytho-, threo-접두사는 색을 떠나고, 카이럴중심이 2개 물질의 구조를 나타내는 말로도 쓰이게 됐다.카이럴중심이 2개 연속 발전하고 있을 때, D-에리토로스(2R, 3R)처럼 CIP규칙 상에서 두개의 중심 방향이 같으면 erythro-, D-트레 오스(2R, 3S)처럼 반대이면 threo-접두어를 붙인다.이”threo-“라는 접두어는 마지막으로 발견된 필수 아미노산인 트레 오닌의 이름을 붙이는 데 사용되기도 했다.에리토로스와 트레 오스에서는 결국 분자 내 첨가 반응을 통하여 5각 고리를 만들 수 있다.그리세랄데히도은 스스로 고리화하기 위해서는 결합각이 90°의 불안정한 4각 고리를 만들 수밖에 없었지만, 5각 고리부터 안정성이 높아 고리 형태의 산물이 화학 평형 속에서 관찰될 수 있다.이런 형태의 5각 고리는 산소 원자 하나가 포함된 탄화 수소 5각 고리인 “프랑(furan)”의 형태의 당이라는 의미에서 “퓨라노스(furanose)”라고 부른다.에리 트리톨은 설탕 60~70%정도의 단맛을 내지만 소화 못하고 칼로리가 없어 혈당치를 올리지 않고 충치를 유발하지 않아 거의 설탕 음식 대체 설탕과 널리 사용되고 있다.다만 많이 먹으면 글리세롤처럼 물을 많이 갖고 있다고 하는 성질 때문에 설사를 유발할 수 있다.에리 트리톨은 분자 내에 거울상 대칭면이 존재하므로, 메소 화합물이라는 의미에서(자신의 거울상 이성질체가 자기 자신)meso가 전에 붙기도 있다.요약:(마지막 R은 D-형태 때문에 고정)R:D-에리토로스 SR:D-트레 오스 제5편당이다.제5편당은 중요한 산화 형태가 하나 더 있지만 바로 한쪽 끝의 알코올이 카르복실산에서 산화된 우롱산(uronic acid)이 그것이다.알도 소스에서 유래한 우롱산은 알도우롱산(alduronic acid)이라고 불리기도 한다.탄수화물(n=5,m=5) 환원형태(알디톨) 산화형태(알돈산) 산화형태(알두론산) 산화형태(알다르산)D-(-)-ribose 리보스ribitol 리비톨adonitol 아도니톨 D-(+)-ribonic acid리본산 D-(+)-riburonic acid리브론산ribaric acid리발산D-(-)-arabinose 아라비노스 D-(+)-arabinonic acid 아라비논산 D-(+)-arabinuronic acid 아라비누론산D-(-)-lyxose 릭소스 D-(+)-arabitol 아라비톨 D-(+)-lyxitol 릭시톨 D-(~)lyxonic acid 릭슨산 D -(~) -lyxuronic acid 릭소론산 D -(+) -arabinaric acid 아라비나르산 D -(+) -lyxaric acid 릭사르산D-(+)-xylose자일로스xylitol자일리톨 D-(-)-xylonic acid자일론산 D-(-)-xyluronic acid자일론산xylaric acid자일랄산D-(-)-ribulose 리브로스D-ribuluronic acid 리브르론산D-(-)-xylulose 자일룰로오스D-xyluluronic acid자일루론산혀가 꼬이는···아라비노스에서 설명하자면 아라비노스는 예외적으로 L형이 D형보다 생명체에서 더 많이 발견된다.혀가 꼬이는···아라비노스에서 설명하자면 아라비노스는 예외적으로 L형이 D형보다 생명체에서 더 많이 발견된다.환형당의 헤 미 아세탈 탄소는 아노머 탄소(anomeric carbon)라고도 불리우는데 이 위치의 수산화기가 어느 방향인가에 의해서, 전에 알파(α)또는 베타(β)가.아노머 탄소 R/S배열이 아노머 탄소에서 가장 멀리 카이럴탄소(여기에서는 4번 탄소)R/S배열과 반대 면 알파,면 베타라 칭한다.원래는 두개의 아노머 중 회전 편광치가 더 크게 모양을 알파, 작은 모양을 베타라 칭했다(D-형 단당류의 경우.L-아라비노 스의 경우 회전 편광치가 큰 것이 베타이다).쇄형5각환형6각환형D-riboseβ-D-ribofuranoseβ-D-ribopyranoseL-아라비노스α-L-아라비노플라노스α-L-아라비노피라노스D-lyxoseα-D-lyxofuranoseα-D-lyxopyranoseD-xyloseα-D-xylofuranoseα-D-xylopyranoseD-ribuloseβ-D-ribulofuranoseD-xyluloseα-D-xylulofuranose개요 : RR : D-리보스 SRR : D-아라비노스 RSR : D-자이로스 SSR : D-릭소스 지금부터 대망의 6탄당을 살펴봅시다.탄수화물(n=6,m=6) 환원형태(알디톨) 산화형태(알돈산) 산화형태(알두론산) 산화형태(알다르산)D-(+)-allose 알로스 meso-allitol 알리톨 D-(-)-allonic acid 알론산 D-alluronic acid 알론산 meso-allaric acid 알론산 allomucic acidD-(+)-altrose 알트로스 D-(+)-altronic acid 알트론산 D-altronic acid 알트루론산D-(+)-talose 타로스 D-(+)-altritol 알트리톨 D-(+)-talitol 타리톨 D-(-) -talonic acid 탈론산 D -(+) -altraric acid 알트랄산 D -(+) -talaric acid 탈랄산 D -(+) -talomucic acidD-(+)-mannose만노오스 D-(+)-mannitolmannite D-(-)-mannonic acid만논산 D-mannuronic acid만눌론산 D-(+)-mannaric acid만날산D-(+)-glucose글루코오스 dextrose포도당 D-(-)-glucitol글루시톨 D-(-)-sorbitol소르비톨 sorbiteD-(-)-gluconic acid글루콘산 dextronic acidD-glucuronic acid글루 카르산 D-(+)-glucaric acid Glucarca l칼산 D-(+)-saccharicacid당산 D-(+)D-(-)-그로스 굴로스트 L-(+)-글루시톨 L-(+)-소르비톨 D-( -)글루론산 굴론산 D -( -)글루쿠론산 굴루론산 L -( -)글루카인산 사카리산 D-(-)글루카인산D-(+)-idose이도스 D-(+)-iditol이지톨 D-(+)-idonic acid 이인산 D-iduronic acid 이두론산 D-(~) -idaric acid 이인산D-(+)-galactose 갈락토오스 meso-galactitol 갈락토치톨 dulcitol 둘시톨 dulcite D-(-)-galactonic acid 갈락토온산 D-galacturonic acid 갈락토우론산 meso-galactaric acid 갈락토탈산 mucic acid 점액산D-(+)-psicose 푸시코스 D-allulose 알룰로스D-psicuronic acid 후시큐론산D-(-)-fructose 프룩토오스 levulose 과당D-fructuronic acid 프룩투론산D-(+)-sorbose 솔보스D-sorburonic acid소르브론산D-(-)-tagatose 타가토스D-tagaturonic acid 타가툴론산D-tagaturonic acid 타가툴론산쇄형5각환형6각환형D-알로스-D-알로퓨란ose β-D-알로필라노스D-2-3-0 프라노사-1-0 프라노사-1-0 프라노사-0 프라노사요D-glucoseα-D-glucofuranoseβ-D-glucopyranoseD-맨노스α-D-맨노푸라노스β-D-맨노피라노스입니다D-guloseα-D-gulofuranoseβ-D-gulopyranoseD-idoseα-D-idofuranoseβ-D-idopyranoseD-galactoseα-D-galactofuranoseβ-D-galactopyranoseD-taloseα-D-talofuranoseβ-D-talopyranoseD-psicoseα-D-psicofuranoseα-D-psicopyranoseD-fructoseα-D-fructofuranoseα-D-fructopyranoseL-sorboseβ-L-sorbofuranoseβ-L-sorbopyranoseD-tagatoseα-D-tagatofuranoseα-D-tagatopyranose다음은 7탄당인데 자연에 존재하는 의미 있는 놈들만 정리하겠습니다.탄수화물 (n=7,m=7) 유사구조L-glycero-D-manno-heptoseL-glyceraldehydeD-mannoseD-manno-hept-2-ulose 만노헵툴로스 D-mannose두 번째 무합 두 번째 무합 두 번째 무합입니다!세도헤프토우로스는 자연 속에서 발견되는 몇 안 되7탄당으로, 이름은 달러 나물(Sedum)에서 따왔다.나머지 사람들도 위의 표를 보면 그 이름이 어디서 왔는지 쉽게 알게 될 것이다.아직 끝나지 않았다.다음에 다른 형태의 탄수화물인 사이클 리톨류(cyclitol)에 대해서 설명한다.반드시 알데히드나 케톤이 포함되어야 탄수화물의 시성식을 만족할 수 없다.시클로 알 케인에 수산화기가 탄소 수만 붙이면 Cn(H2O)n 식을 만족하라!탄수화물(n=5,m=5) 탄수화물(n=6,m=6)1α,2α,3α,4β,5β-cyclopentanpentolmyo-inositol이노시톨시클로펜탄 펜 사용료 같은 경우에는 스펀지 같은 몇몇 해면 동물에서 발견된다고 한다.반면 6각 고리인 이노시톨은 비타민 B8로 불릴 정도로 생체 내에서 매우 중요한 역할을 담당하는 탄수화물로 설탕 50%정도의 단맛을 가진.또한 시클로 헥산 헤키소ー루(이노시톨)의 경우 이론적으로 16종류의 이성질체를 가질 수 있지만 7개의 메조 화합물과 한쌍의 이성질체로 구성된다.시이노시트레피이노시톨일체의일체의그들은 아이들의 아이들을 아이들에게 줄 것이다.가장 일반적인 myo-inositol은 근육에서 많이 발견되고 근육을 뜻하는 그리스어 μ ῦ ς에서 찍어”myo-“라는 접두어가 붙었다.cis-inositol는 모든 수산화기가 한쪽에 집중하고 있어 라틴어로 같은 쪽을 뜻하는 cis에서 따오고, epi-inositol은 myo-inositol의 epimer와 그렇게 지었다.allo-inositol은 그리스어로 차이를 의미하는 ἀ λος을 따고 있으며 muco-inositol은 미각 수용체에서 신경 전달 물질로 많이 쓰이고, 물을 뜻하는 라틴어 mucus을 따서 지었다.neo-inositol는 라틴어에서 교차, 서로 얽힘을 뜻하는 neo에서 왔고, chiro-inositol은 손을 뜻하는 그리스어의 χ ε ρ을 따서 카이럴 성질을 나타낸다.마지막으로 scyllo-inositol은 돔 바루 상어(Scyllium canicula)과 코코넛(coconut), 상수리 나무(Quercus)에서 많이 발견되면서 그런 이름이 붙여졌다.다음의 글에서는 단당류의 다른 유도체에 대해서 본다.