다당류의 구조와 기능 및 특성

6.4.1 다당류의 구조

 

세포가 단백질을 구성하는데 이용하는 단량체인 아미노산의 종류보다 다당류 (polysaccharides)의 합성에 이용하는 자연에 존재하는 단량체(단당류, monosaccha rides)의 수가 훨씬 적다. 자연에 있는 단당류에는 3가지의 일반적인 종류가 있는 데 그것들은 각각 4, 5, 6 개의 탄소 원자를 갖는 4탄당(tetroses), 5탄당(pentoses), 6탄당(hexoses)이다. 이것들은 모두 C.HanO. 의 일반적인 구조식을 갖는데 각각의 n 값에서 이성질체 때문에 몇 개의 다른 단당류가 존재할 수 있다.

 

앞서 나온 D-glyceraldehyde는 하나의 비대칭 탄소를 가지는데 탄소 사슬로 또 다른 CHOH기를 삽입하면 또 다른 비대칭의 중심이 생기게 된다. 만일 glyceralde hyde의 본래 CHOH 기를 위해 D형 배열이 유지된다면 그로부터 유래되는 4탄 소 화 합물에는 2 개의 가능한 이성질체가 존재하게 된다. 따라서 이들 이성질체들은 D형 4탄당이다. 또 다른 비대칭 탄소의 삽입은 4개의 가능한 D형 5탄당을 만들게 되며 같은 방식으로 8개의 D형 6탄당 이성질체가 나오게 된다. 이런 방식으로 glyceral dehyde와 구조적으로 연관될 수 있는 당류는 모두 aldose라고 부르며 비대칭 중심 들은 epimerism이라 하는 입체 이성질 현상(stereoisomerism)을 나타내게 된다.

 

유사한 일련의 당류는 ketose라고 하는데 dihydroxyacetone으로부터 유래된다. Dihydroxyacetone은 비대칭 탄소 원자를 갖고있지 않으므로 1, 2, 3 개의 비대칭 중 심의 순차적인 추가는 하나의 D형 4탄당(왜냐하면 최초의 것이 D형으로 고정되었기 때문이다), 2개의 D형 5탄당, 4개의 D형 6탄당을 만들게 된다. 14 개의 L-al dose와 7개의 L-ketose가 L형 배열에 있는 첫 번째 CHOH 기를 삽입함으로써 L glyceraldehyde와 dihydroxyacetone으로부터 형성될 수 있다. 각 단당류는 또 다른 비대칭 탄소 주위의 배열에 따라 이름 지어지기 때문에 당류가 L 또는 D형 배열중 어느 것에 속하는가는 CHOH기 다음에 있는 탄소 원자에 붙어 있는 -H와 -OH 기의 배열에 의해 결정된다. 용액 중에 있을 때 5탄 소와 6탄 소 aldose와 6탄 소 ketose는 열린 사슬 구조와 닫힌 고리 사이에서 평형을 이룬다.

 

보통 5탄소와 6탄 소의 고리 구조들이 발견되는 데 aldohexoses에서는 6탄 소의 고리가 보다 흔한 형태이다. C-1 위치에서의 고리의 닫힘은 epimeric center와는 달리 쉽게 역전될 수 있는 또 다른 비대칭 중심을 도입하게 되는데 그 이유는 C-1이 비대칭이 아닌 열린 사슬 구조와 C-1이 비대 칭인 고리 구조 사이에서의 빠른 상호전환을 하기 때문이다. C-1 위치에서의 이성 질 현상은 epimerism과 구분하기 위해 anomerism이라고 부른다. Anomer에는 2가 지가 있는데 C-1의 -OH기가 C-5에 있는 CHOH와 반대 방향으로 고리에서 뻗어 나올 때 a형이라 하고 두 기가 같은 방향을 향하면 B형이라 한다. D-glucose의 사슬-고리 평형과 두 anomer의 형성이 그림 6.8에 나타나 있다.

 

Anomerism은 용액중에서는 단당류의 중요한 성질이 되지 못하는데 그 이유는 그것이 자유롭게 바뀌어지기 때문이다. 그러나 그것들이 중합을 하여 이당류나 더 큰 중합체를 만들면 고리 모양이 안정화되고 anomer 모양이 유지된다. 한 당의 anomer 탄소와 또 다른 당의 -OH기 사이에서의 축합에 의해 형성되는 배당 결합 (glycosidic bond)에 의해 단당류가 서로 결합하게 된다. 4탄당, 5탄당, 6탄당의 모든 이론적으로 가능한 이성질체가 전부 자연에 존재하는 것은 아니다. 자연적으로 존재하는 단당류에는 오로지 약 10개만이 있다.

 

많은 다당류들은 오직 한 종류의 단당류만을 함유하고 있을 뿐이며 이런 것을 호모다당류(homopolysaccharides)라 부른다. 어떤 것들은 2 또는 3가지 종류의 단당류를 갖고 있으며 이런 것은 헤테로 다당류(heteropolysaccharides)라 하고 5가지 이상의 다른 단당류를 가진 분자들은 거의 발견되지 않는다.

 

따라서 이것은 1차 구 조의 측면에서 다당류가 단백질 만큼의 복잡성과 특이성을 갖지 못한다는 것을 나 타내게 된다. 더욱이 이런 특이성의 상대적 결여로 인해 어떤 다당류에 있어서는 최종 사슬의 길이로 어느 정도의 변화를 주게 된다. 또한 일부 다당류의 2차 또는 그 이상 수준의 구조는 단백질의 상응하는 수준보다 덜 복잡하고 더욱 단순한 규칙 성만을 갖고 있을 뿐이다.

 

6.4.2 다당류의 기능

 

그 이유는 광류나 다당류는 매우 많은 미생물에 의해 기질로 이용될 수 있으며 그것들의 1차적인 용 도가 영양물질이기 때문에 다당류가 영양물 저장 분자로서의 중요한 역할을 갖는다고 생각할 수 있다. 이런 역할에서 다당류는 매우 큰, 비교적 불용성의 분자를 형성할 수 있는 장점을 갖고 있다. 녹말은 2가지 형태로 존재하는데 a(1-4) 결합으로 연결된 포도당의 사슬인 아밀로스(amylose)와 a(1-4)와 a(1-6) 결합 2가지가 존재하는 가지 친 분 자인 아밀로펙틴(amylopectin)이 있다. 이들 중합체의 구조는 그림 6.9에 나와 있다.

 

덱스트란 (dextran)은 일부 세균과 효모에 의해 생성되는데 포도당이 주로 a(1 - 6) 결합으로 연결되어 있으며 약간의 교차 결합(cross-linkage)이 존재한다. 덱스 트란은 물을 가해 매우 끈적거리고 점도가 높은 물질로 될 수 있는데 일부 세균의 표면을 싸고 있으며 따라서 이런 종류를 세포외 다당류(extracellular polysaccha ride)라고 부른다. 세포외 다당류는 또한 기능적 역할도 가지고 있다. 캡 슐은 가끔 매우 커서 그 안에 묻혀 있는 세포가 작아 보이기도 한다. 이것의 한 가지 분명한 결과는 세포가 그 외부의 어떤 해로운 요소로부터 보호받을 수 있다는 것이다.

 

이런 요소들에는 특정한 독성 화합물들이 있으며 심지어 큰 입자를 삼켜서 섭취하는 포식자(predator)도 있다. 또 다른 가능한 결과는 세포밖의 물질이 세포의 실제 표면적을 증가시킴으로 빈영양 환경에서 세포들이 영양물질을 쉽게 획득할 수 있게 한다. 분명히 세포외 다당류가 저장 또는 구조적 역할을 갖는 것과는 관계없 이 그것들은 세포 자체의 구조나 또는 그 대사의 필수적인 부분으로 간주되지는 않는다. 왜냐하면 많은 세균들이 캡슐을 잃어도 생존력이나 생장에 아무 영향이 없는 경우가 많기 때문이다. 세포막의 외부, 그러나 세포외 중합체층 안쪽에 형성되는 세균의 세포벽은 그 두 종류보다 훨씬 단단한 구조이다. 한두 종류의 세균을 제외하고는 모두 세포벽을 가 있다.

 

세포에 상당한 기계적 힘을 부여하고 또 어느 정도 보호해주는 것 외에 세포질과 외부 환경 사이의 상당한 삼투압 때문에 세포가 뒤틀어지는 것을 세포벽 이 막아준다. 세균 세포질의 삼투압은 600 기압 정도로 클 수도 있다. 세포벽의 구 조는 다당류와 다른 생물학적 중합체의 조합의 예가 되는데 세균의 전체 세포 주위를 연속적으로 싸고 있다. 뮤레인(murein)은 펩티도글리칸(peptidoglycan)이라고도 부르는데 모든 세균 세포벽의 기본 성분이며 배당 결합으로 연결된 반복적으로 나 타나는 N-acetylglucosamine과 N-acetylmuramic acid의 매우 긴 사슬로 되어 있다.

 

Muramic acid에 펩티드 결합 또는 짧은 펩티드 사슬에 의해 교차 결합으로 부 착된 4개의 아미노산을 함유한 짧은 펩티드 사슬에 의해 이 뮤 레인의 사슬에 2차 원적 견고성이 부여된다. 완성된 분자 구조는 그물과 같으며 뮤 레인층의 두께는 3차원에서의 계속적인 교차 결합의 정도에 의해 조절된다. 그림 6.10에 뮤 레인의 구 조가 나타나 있다.

 

그람 양성(Gram - positive) 세균은 뮤레인 외에 또한 amino sugars, sugar alco hol, amino acids의 복잡한 중합체인 teichoic acids를 함유하고 있다. 그람 음성 세균의 세포벽은 낮은 비율의 뮤레인을 함유하고 있으며 다당류와 지질로 구성된 복 잡한 분자를 더 많은 양으로 갖고 있다. 그람 양성과 음성 세균의 다른 염색 상의 성질이 바로 이 세포벽의 다른 화학적 조성 때문이다.