탄수화물 , 탄수화물 또는 당류는 살아있는 존재에 저장하는 에너지 유기 분자이다. 이들은 가장 풍부한 생체 분자이며 다음을 포함합니다 : 당, 전분 및 셀룰로오스, 특히 살아있는 유기체에서 발견되는 화합물.
광합성을 수행하는 유기체 (식물, 조류 및 일부 박테리아)는 자연에서 탄수화물의 주요 생산자입니다. 이러한 당류의 구조는 선형 또는 분 지형, 단순 또는 복합 일 수 있으며 다른 부류의 생체 분자와도 연관 될 수 있습니다.
예를 들어 탄수화물은 단백질과 결합하여 당 단백질을 형성 할 수 있습니다. 그들은 또한 지질 분자와 결합하여 생물학적 막의 구조를 형성하는 생체 분자 인 당지질을 형성 할 수 있습니다. 탄수화물은 핵산 구조에도 존재합니다.
처음에는 탄수화물이 세포 에너지 저장 분자로 인식되었습니다. 그 후, 탄수화물이 생물학적 시스템에서 수행하는 다른 중요한 기능이 결정되었습니다.
모든 생명체는 복잡한 탄수화물 층으로 덮인 세포를 가지고 있습니다. 탄수화물은 크기와 구성이 다양 할 수있는 수산기 (-OH)에 부착 된 3 ~ 9 개의 탄소 원자로 구성된 작은 분자 인 단당류로 구성됩니다.
탄수화물의 중요한 특성은 이러한 종류의 분자 내에서 엄청난 구조적 다양성을 가지고있어 세포 신호 분자 생성, 조직 형성 및 인간의 다양한 혈액 그룹의 정체성 생성과 같은 광범위한 기능을 수행 할 수 있습니다.
마찬가지로 고등 진핵 생물의 세포 외 기질은 분비 된 탄수화물이 풍부하여 세포 생존과 의사 소통에 필수적입니다. 이러한 세포 인식 메커니즘은 숙주 세포를 감염시키기 위해 다양한 병원체에 의해 악용됩니다.
단당류는 글리코 시드 결합에 의해 연결되어 이당류, 올리고당 류 및 다당류와 같은 다양한 탄수화물을 형성 할 수 있습니다. 생물학적 시스템에서 탄수화물의 구조와 기능에 대한 연구를 당 생물학이라고합니다.
화학 구조
탄수화물은 탄소, 수소 및 산소 원자로 구성됩니다. 이들 대부분은 실험식 (CH2O) n으로 나타낼 수 있으며, 여기서 n은 분자의 탄소 수입니다. 즉, 탄수화물 분자에서 탄소, 수소 및 산소의 비율은 1 : 1 : 2입니다.
이 공식은 성분이 탄소 원자 ( "탄수화물")와 물 원자 (따라서 "수화물")이기 때문에 "탄수화물"이라는 용어의 기원을 설명합니다. 탄수화물은 주로이 세 가지 원자로 구성되어 있지만 질소, 인 또는 황이 포함 된 탄수화물이 있습니다.
기본 형태에서 탄수화물은 단당류 또는 단당류입니다. 이러한 단순 당은 서로 결합하여 더 복잡한 탄수화물을 형성 할 수 있습니다.
두 개의 단당류의 조합은 이당류입니다. 올리고당은 2 ~ 10 개의 단당류를 포함하며 다당류는 10 개 이상의 단당류 단위로 구성된 가장 큰 탄수화물입니다.
탄수화물의 구조는 광합성에 의해 형성되는 동안 에너지가 결합에 저장되는 방식과 세포 호흡 중에 이러한 결합이 끊어지는 방식을 결정합니다.
분류
단당류
단당류는 탄수화물의 원소 단위이기 때문에 당류의 가장 단순한 구조입니다. 물리적으로 단당류는 무색 결정질 고체입니다. 대부분은 단 맛이 있습니다.
화학적 관점에서 단당류는 카르보닐기 (C = O)가 선형 탄수화물에있는 위치에 따라 알데히드 또는 케톤 일 수 있습니다. 구조적으로 단당류는 직쇄 또는 폐쇄 고리를 형성 할 수 있습니다.
단당류는 수산기를 가지고 있기 때문에 대부분 물에 용해되고 비극성 용매에는 불용성입니다.
구조의 탄소 수에 따라 단당류는 다른 이름을 갖게됩니다. 예를 들어, 삼중 당 (3 개의 C 원자가있는 경우), 5 탄당 (5 개의 C가있는 경우) 등이 있습니다.
이당류
이당류는 반응 중에 물 분자가 손실되기 때문에 탈수 합성이라는 화학적 과정에서 두 개의 단당류를 결합하여 형성되는 이중 당입니다. 축합 반응이라고도합니다.
따라서 이당류는 글리코 시드 결합을 통해 함께 연결된 두 분자의 단순 당 (단당류)으로 구성된 물질입니다.
산은 이러한 결합을 끊는 능력이 있기 때문에 이당류는 위에서 소화 될 수 있습니다.
이당류는 일반적으로 섭취시 수용성이며 단맛이 있습니다. 세 가지 주요 이당류는 자당, 유당 및 말토오스입니다. 자당은 포도당과 과당의 결합에서 나옵니다. 유당은 포도당과 갈락토스의 결합에서 비롯됩니다. 말토오스는 두 개의 포도당 분자의 결합에서 비롯됩니다.
올리고당
올리고당은 몇 개의 단당 단위, 즉 3 ~ 9 개의 단당류로 구성된 복합 폴리머입니다.
반응은 이당류를 형성하는 것과 동일하지만 더 복잡한 당 분자 (다당류)의 분해에서 비롯됩니다.
대부분의 올리고당은 식물에서 발견되며 수용성 섬유질로 작용하여 변비 예방에 도움이됩니다. 그러나 대부분의 인간은 말 토트 리오스를 제외하고는 소화 할 효소가 없습니다.
이러한 이유로 소장에서 처음에 소화되지 않은 올리고당은 일반적으로 발효 과정을 통해 대장에 서식하는 박테리아에 의해 분해 될 수 있습니다. 프리 바이오 틱스는이 기능을 수행하여 유익한 박테리아의 음식으로 사용됩니다.
다당류
다당류는 가장 큰 당류 폴리머이며 선형 또는 분 지형 방식으로 배열 된 10 개 이상의 단당류 단위 (최대 수천 개)로 구성됩니다. 공간 배열의 변화는 이러한 설탕에 다양한 특성을 부여합니다.
다당류는 동일한 단당류 또는 다른 단당류의 조합으로 구성 될 수 있습니다. 동일한 당의 반복 단위로 형성되는 경우 동식물의 저장 탄수화물 인 글리코겐과 전분과 같은 호모 다당류라고합니다.
다당류가 다른 당의 단위로 구성되어있는 경우 이종 다당류라고합니다. 대부분은 두 개의 다른 단위만을 포함하며 일반적으로 단백질 (혈장 내 감마 글로불린과 같은 당 단백질) 또는 지질 (강글리오사이드와 같은 당지질)과 관련이 있습니다.
풍모
탄수화물의 네 가지 주요 기능은 에너지 제공, 에너지 저장, 거대 분자 형성, 단백질 및 지방 분해 방지입니다.
탄수화물은 소화를 통해 단당으로 분해됩니다. 이들은 소장의 세포에 흡수되어 신체의 모든 세포로 운반되어 산화되어 아데노신 삼인산 (ATP) 형태의 에너지를 얻습니다.
주어진 순간에 에너지 생산에 사용되지 않는 당 분자는 글리코겐 및 전분과 같은 예비 중합체의 일부로 저장됩니다.
핵산의 기본 단위 인 뉴클레오티드는 구조에 포도당 분자를 가지고 있습니다. 몇 가지 중요한 단백질이 탄수화물 분자와 관련이 있습니다. 예를 들어 배란 과정에 관여하는 난포 자극 호르몬 (FSH)이 있습니다.
탄수화물은 주요 에너지 원이기 때문에 빠른 분해는 다른 생체 분자가 에너지로 분해되는 것을 방지합니다. 따라서 당 수준이 정상이면 단백질과 지질이 분해되지 않도록 보호됩니다.
일부 탄수화물은 물에 용해되고 거의 모든 사람의 주식으로 기능하며 이러한 분자의 산화는 대부분의 비 광합성 세포에서 에너지 생산을위한 주요 경로입니다.
불용성 탄수화물은 결합하여 보호 역할을하는 더 복잡한 구조를 형성합니다. 예 : 셀룰로오스는 헤미셀룰로오스 및 펙틴과 함께 식물 세포의 벽을 형성합니다. 키틴은 곰팡이의 세포벽과 절지 동물의 외골격을 형성합니다.
또한 펩티도 글리 칸은 박테리아와 시아 노 박테리아의 세포벽을 형성합니다. 동물 결합 조직과 골격 관절은 다당류로 구성됩니다.
많은 탄수화물은 단백질 또는 지질에 공유 결합되어보다 복잡한 구조를 형성하며 총칭하여 당 접합체라고합니다. 이 복합체는 이러한 분자의 세포 내 위치 또는 대사 운명을 결정하는 태그 역할을합니다.
탄수화물이 포함 된 식품
탄수화물은 주요 에너지 원이기 때문에 건강한 식단의 필수 구성 요소입니다. 그러나 일부 식품에는 더 많은 양의 영양소를 제공하는보다 건강한 탄수화물이 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
전분
전분 식품은 탄수화물의 주요 공급원입니다. 이 전분은 일반적으로 복잡한 탄수화물입니다. 즉, 긴 분자 사슬을 형성하기 위해 함께 결합 된 많은 당으로 구성됩니다. 이러한 이유로 전분은 소화하는 데 더 오래 걸립니다.
전분을 함유 한 다양한 식품이 있습니다. 곡물에는 콩, 렌즈 콩, 쌀과 같이 전분 함량이 높은 식품이 포함됩니다. 곡물에는 귀리, 보리, 밀 및 그 유도체 (밀가루 및 파스타)와 같은 탄수화물도 포함되어 있습니다.
콩과 식물과 견과류에는 전분 형태의 탄수화물도 포함되어 있습니다. 또한 감자, 고구마, 옥수수, 스쿼시와 같은 야채도 전분 함량이 풍부합니다.
중요한 것은 많은 탄수화물이 섬유질의 원천이라는 것입니다. 즉, 섬유질은 기본적으로 신체가 부분적으로 만 소화 할 수있는 탄수화물의 일종입니다.
복합 탄수화물과 마찬가지로 탄수화물 섬유는 천천히 소화되는 경향이 있습니다.
과일과 채소
과일과 채소는 탄수화물이 많습니다. 전분과 달리 과일과 채소에는 단순 탄수화물, 즉 하나 또는 두 개의 당류가 서로 붙어있는 탄수화물이 포함되어 있습니다.
분자 구조가 단순한이 탄수화물은 복잡한 것보다 더 쉽고 빠르게 소화됩니다. 이것은 식품의 다양한 수준과 유형의 탄수화물에 대한 아이디어를 제공합니다.
따라서 일부 과일은 1 회 제공 당 탄수화물 함량이 더 많습니다. 예를 들어 바나나, 사과, 오렌지, 멜론 및 포도는 시금치, 브로콜리, 케일, 당근과 같은 일부 야채보다 탄수화물이 더 많습니다. 버섯과 가지.
우유
야채 및 과일과 마찬가지로 유제품은 단순 탄수화물이 포함 된 식품입니다. 우유에는 단맛이 나는 이당류 인 락토스라는 자체 설탕이 있습니다. 이것 한 컵은 탄수화물 약 12g에 해당합니다.
시중에는 많은 종류의 우유와 요구르트가 있습니다. 특정 유제품의 전체 또는 저지방 버전을 섭취하는지 여부에 관계없이 탄수화물의 양은 동일합니다.
과자
과자는 또 다른 잘 알려진 탄수화물 공급원입니다. 여기에는 설탕, 꿀, 사탕, 인공 음료, 쿠키, 아이스크림 등이 포함됩니다. 이 모든 제품에는 고농도의 당분이 포함되어 있습니다.
반면에 일부 가공 및 정제 식품에는 빵, 쌀 및 흰색 파스타와 같은 복합 탄수화물이 포함되어 있습니다. 정제 된 탄수화물은 과일과 채소에서 발견되는 탄수화물처럼 영양가가 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
탄수화물 대사
탄수화물 대사는 세포에서 탄수화물의 형성, 분해 및 전환을 포함하는 일련의 대사 반응입니다.
탄수화물 대사는 매우 보존되어 있으며 박테리아에서도 관찰 할 수 있습니다. 주요 예는 대장균의 Lac Operon입니다.
탄수화물은 자연의 가장 중요한 탄수화물 형성 반응 인 광합성을 포함한 많은 대사 경로에서 중요합니다.
이산화탄소와 물에서 식물은 태양 에너지를 사용하여 탄수화물 분자를 합성합니다.
동물 세포와 곰팡이 세포는 식물 조직에서 소비되는 탄수화물을 분해하여 세포 호흡이라는 과정을 통해 ATP 형태의 에너지를 얻습니다.
척추 동물에서 포도당은 혈액을 통해 몸 전체로 운반됩니다. 세포 에너지 저장량이 적 으면 포도당이 해당 과정이라는 대사 반응을 통해 분해되어 일부 에너지와 일부 대사 중간체를 생성합니다.
즉각적인 에너지 생산에 필요하지 않은 포도당 분자는 글리코 제네시스라는 과정을 통해 간과 근육에 글리코겐으로 저장됩니다.
일부 단순 탄수화물에는 더 복잡한 탄수화물과 같이 자체 분해 경로가 있습니다. 예를 들어, 유당은 결합을 끊고 기본 단당류 인 포도당과 갈락토스를 방출하는 효소 인 락타아제의 작용을 필요로합니다.
포도당은 세포가 소비하는 주요 탄수화물이며 에너지 원의 약 80 %를 구성합니다.
포도당은 세포에 분포되어 특정 수송 체를 통해 들어가서 분해되거나 글리코겐으로 저장 될 수 있습니다.
세포의 대사 요구 사항에 따라 포도당은 다른 단당류, 지방산, 핵산 및 특정 아미노산을 합성하는 데 사용할 수도 있습니다.
탄수화물 대사의 주요 기능은 혈당 수준을 유지하는 것입니다. 이것이 내부 항상성이라고 알려진 것입니다.
참고 문헌
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). 세포의 분자 생물학 (6 판). 갈랜드 과학.
- Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). 생화학 (8 판). WH Freeman and Company.
- Campbell, N. & Reece, J. (2005). 생물학 (2 판) Pearson Education.
- Dashty, M. (2013). 생화학 살펴보기 : 탄수화물 대사. 임상 생화학, 46 (15), 1339-1352.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8th ed.). WH Freeman and Company.
- Maughan, R. (2009). 탄수화물 대사. 수술, 27 (1), 6–10.
- Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6 th ). WH Freeman and Company.
- Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). 생물학 (7 판) Cengage Learning.
- Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). 생화학의 기초 : 분자 수준에서의 삶 (5 판). 와일리.