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미생물학 미생물 유전학
미생물의 배양에서 원래 주식의 완전한 복제가 일반적으로 얻을 수 있지만, 일정 확률로 성상 약간 다른 변종이 얻어진다. 돌연변이의 개념을 소개한 것은 미생물학의 업적 중 하나이며, 돌연변이 유도를 비롯해 상동 재조합 , 형질 전환 , 접합, F 인자 전달 형질 도입과 현재 분자 생물학에 매우 중요한 많은 방법을 제공하여 왔다.
미생물학 분류
미생물은 형태가 작기 때문에 모양이 단순하고, 다세포 생물처럼 그 표현형에서 분류하는 것은 어렵다. 저기 위의 미생물학적 지식을 이용하여 분류하는 것은 불가능하지 않다. 또한 표현형의 평가가 어렵기 때문에 16S rRNA 계통 분석과 같은 유전자를 이용하여 분류할 잉태되고 있다.
조류와 원생동물에서는 모양이 중요시되지만, 전자 현미경 수준의 구조가 밝혀질수록, 외형보다 편모 장치 등의 미세 구조가 중시되게 되었다. 균류는 생리 작용에 의한 판별과 형태가 모두 중시되고 원핵생물은 외모적인 형태의 분류는 대부분 어려우므로 생리 작용, 예를 들어 다양한 물질의 분해능이 중시되었지만 이들도 점차 분자 유전 형질 등에 중점을 옮기고 있다.
미생물학 물질 순환과 미생물
탄소, 질소를 비롯한 많은 물질이 생태계 속을 순환하고 있지만, 안에는 미생물에 독특한 반응도 존재하고 물질 순환에 수행 미생물의 역할은 상상 이상으로 큰 것이 좋다. 이 학문은 특히 미생물 생태학 적으로 알려져 있다. 또한 미생물 간의 종간 상호 작용도 연구가 진행되고 있다.
미생물학 병원성
탄저균을 비롯한 많은 미생물은 인간에 대한 병원성을 가지고 있으며, 질병의 면에서도 많은 미생물이 연구되어왔다. 인공 면역 요법, 위생적인 방법과 현재의 의학에서도 빠뜨릴 수없는 많은 기술이 미생물에서 태어난다. 또한 바이러스에 대해서도 병원성 (담배 모자이크 병)에서 발전한 개념과 학문의 하나이다. 또한, 일본에서는 병원성 미생물을 취급하는 학문으로서 세균이라는 특정 분야를 마련하고 있다.
탄수화물
탄수화물(炭水化物, 영어: carbohydrate)은 탄소(C), 수소(H), 산소(O) 원자로 구성된 다당류 생체분자로 보통 수소 원자 : 산소 원자의 비율이 2 : 1이며, 일반적으로 Cm(H2O)n으로 나타낼 수 있다(여기서 m과 n은 다를 수 있다). 이러한 화학식은 단당류에서도 적용된다. 몇 가지 예외가 있는데, 예를 들어 DNA의 당 성분인 디옥시리보스는 화학식이 C5H10O4이다. 탄수화물은 기술적으로 탄소의 수화물이다. 구조적으로 알도스 및 케토스로 탄수화물을 보는 것이 더 정확하다.
탄수화물
"탄수화물"이란 용어는 생화학에서 가장 흔한 용어 중 하나인데, 탄수화물은 당류(糖類, saccharide)의 동의어로 당, 녹말, 셀룰로스 등을 포함하는 그룹이다. 탄수화물은 단당류, 이당류, 올리고당류 및 다당류의 4가지 화학 그룹으로 분류된다. 가장 작은(저분자량) 탄수화물인 단당류 및 이당류는 일반적으로 당 또는 당류(糖 또는 糖類, sugars)로 언급된다. "당류(saccharide)"라는 단어는 "당(sugar)"을 의미하는 그리스어 σάκχαρον (sákkharon)에서 유래되었다. 탄수화물의 과학적 명칭은 복잡하지만 단당류 및 이당류의 이름은 단당류인 포도당(glucose), 과당(fructose), 이당류인 설탕(sucrose), 젖당(lactose)에서와 같이 접미사 "-ose"로 끝나는 경우가 많다.
탄수화물
탄수화물은 생물에서 다양한 역할을 수행한다. 다당류는 에너지 저장(예: 녹말, 글리코젠) 및 구조적인 성분(예: 식물의 셀룰로스, 절지동물의 키틴)으로 역할을 한다. 5탄당인 리보스는 조효소(예: ATP, FAD, NAD+)의 주요 성분이며, 유전 물질인 RNA의 골격을 구성하는 성분이다. 디옥시리보스는 DNA의 구성 성분이다. 탄수화물과 탄수화물 유도체에는 면역계, 수정, 발병 예방, 혈액 응고 및 발생에서 중요한 역할을 하는 다른 많은 생체분자들이 포함된다.
녹말과 당(sugar)은 사람의 식단에서 가장 중요한 탄수화물이다. 녹말과 당은 다양한 자연 식품 및 가공 식품에서 발견된다. 녹말은 다당류로 곡물(밀, 옥수수, 쌀), 감자 및 빵, 피자와 같은 밀가루를 기본으로 한 가공 식품에 풍부하다. 당은 사람의 식단에서 주로 설탕(사탕수수 또는 사탕무에서 추출한 수크로스), 젖당(우유에 풍부), 포도당과 과당(둘 다 꿀, 많은 과일, 일부 채소에 자연적으로 포함되어 있음)으로 나타난다. 설탕, 우유, 꿀은 종종 잼, 비스킷, 케이크와 같은 여러 음식과 음료에 첨가된다.
모든 식물의 세포벽에서 발견되는 다당류인 셀룰로스는 불용성 식이 섬유의 주성분 중 하나이다. 불용성 식이 섬유는 소화되지는 않지만, 배변을 용이하게 하여 소화계를 건강하게 유지할 수 있게 도와준다. 식이 섬유에 함유된 다른 다당류에는 저항성 녹말과 이눌린이 포함된다. 이들 다당류들은 대장의 미생물총 중 일부 세균에 영양을 공급하고, 이들 세균에 의해 대사되어 짧은 사슬 지방산을 생성한다.
탄수화물 용어
과학 문헌에서 "탄수화물(carbohydrate)"이라는 용어는 "당(sugar)" (넓은 의미에서), "당류(saccharide)", "-오스(-ose)", "당질(glucide)", "탄소의 수화물(hydrate of carbon)", "폴리하이드록시 알데하이드(polyhydroxy aldehyde)" 또는 "폴리하이드록시 케톤(polyhydroxy ketone)"과 같은 많은 동의어들을 가진다. 이들 용어들 중 일부, 특히 "탄수화물(carbohydrate)"과 "당(sugar)"은 다른 의미로도 사용된다.
식품과학 및 많은 비공식적인 상황에서 "탄수화물"이라는 용어는 종종 복합 탄수화물(complex carbohydrate)인 녹말이 특히 풍부한 식품(예: 곡물, 빵, 파스타)를 의미하거나, 당처럼 단순 탄수화물(simple carbohydrate)이 풍부한 식품(예: 사탕, 잼, 디저트)를 의미한다.
탄수화물 용어
종종 미국 농무부 식품영양성분 데이터베이스(USDA National Nutrient Database)와 같은 영양성분표의 목록에서 "탄수화물"이라는 용어는 물, 단백질, 지방, 무기염류, 에탄올 이외의 모든 것에 사용된다. 여기에는 일반적으로 탄수화물로 간주되지 않는 아세트산 또는 젖산과 같은 화합물도 포함된다. 또한 식이 섬유는 탄수화물이지만, 식품 에너지(열량)에는 거의 기여를 하지 못한다. 종종 식이 섬유는 당류로 취급되어 식품의 전체 에너지 계산에 포함되기도 한다.
엄격한 의미에서 "당(sugar)"은 단맛이 나고, 물에 잘 녹는 탄수화물을 뜻하며, 이들 중 다수는 음식에 사용된다.
탄수화물 구조
화학에서 "탄수화물"이란 용어는 과거에 화학식이 Cm(H2O)n인 화합물에 사용되었다. 이러한 정의에 따라, 일부 화학자들은 포름알데하이드(CH2O)를 가장 단순한 탄수화물이라 간주했었고, 어떤 화학자들은 글리콜알데하이드(C2H4O2)를 가장 단순한 탄수화물이라 간주하기도 했었다. 오늘날 탄수화물은 하나 또는 두 개의 탄소 원자를 가진 화합물을 제외하고, Cm(H2O)n의 화학식에서 벗어난 많은 생물학적 탄수화물들을 포함하는, 생화학적 의미에서 일반적으로 이해된다. 예를 들어, 탄수화물은 종종 N-아세틸기(예: 키틴), 황산기(예: 글리코사미노글리칸), 카복시기(예: 시알산), 디옥시 변형(예: 푸코스, 시알산)과 같은 작용기를 가질 수도 있다.
탄수화물 구조
천연적인 탄수화물은 일반적으로 화학식이 (CH2O)n (여기서 n은 3이상)을 갖는 단당류로 구성된다. 전형적인 단당류는 많은 하이드록시기를 가지고 있는 알데하이드 또는 케톤이며, 보통 알데하이드 또는 케톤 작용기를 갖고 있지 않는 탄소 원자에 하이드록시기가 하나씩 첨가되어 있다. 단당류의 예로는 포도당, 과당, 글리세르알데하이드 등이 있다. 그러나 일반적으로 "단당류"라고 불리는 일부 생물학적 물질들은 이러한 화학식 (CH2O)n 을 따르지 않는다(예: 우론산 및 푸코스와 같은 디옥시당). 그리고 이러한 화학식 (CH2O)n 을 따르지만, 단당류로 간주되지 않는 화학물질들(예: 포름알데하이드(CH2O) 및 이노시톨(C6H12O6)도 있다.
선형의 단당류는 알데하이드/케톤의 카보닐기(C=O)와 하이드록시기(–OH)가 반응하여 헤미아세탈/헤미케탈을 형성하는 고리형과 공존한다.
단당류들은 다양한 방법으로 다당류(또는 올리고당류)를 형성할 수 있다. 많은 탄수화물들은 하나 이상의 작용기가 대체되거나 제거된 하나 이상의 변형된 단당류 단위체를 포함한다. 예를 들어, DNA의 구성 성분인 디옥시리보스는 리보스의 변형이고, 키틴은 글루코스에 질소가 함유된 형태인 N-아세틸글루코사민을 단위체로 하는 중합체이다.
탄수화물 분류
탄수화물은 폴리하이드록시알데하이드, 폴리하이드록시케톤, 이들의 단순 유도체 및 아세탈이나 케탈을 갖는 것들의 중합체이다. 탄수화물은 중합된 정도에 따라 분류될 수 있으며, 3가지 주요 그룹인 당, 올리고당류, 다당류로 나눌 수 있다.
DP * = 중합의 정도
탄수화물 단당류
단당류는 더 작은 탄수화물로 가수분해될 수 없다는 점에서 가장 단순한 탄수화물이다. 단당류는 2개 이상의 하이드록시기를 갖는 알데하이드 또는 케톤이다. 변형되지 않은 단당류의 일반적인 화학식은 (C·H2O)n이며, 문자 그대로 "탄소 수화물"이다. 단당류는 중요한 연료 분자이자 핵산의 구성 요소이다. n=3인 가장 작은 단당류는 다이하이드록시아세톤, L-글리세르알데하이드, D-글리세르알데하이드이다.
포도당의 α-아노머 및 β-아노머. 5번 탄소(C-5)에 결합된 CH2OH기에 대한 아노머 탄소의 하이드록시기(적색과 녹색으로 표시된 -OH)의 위치에 주목해야 한다. -OH와 -CH2OH가 고리 평면에 대해 서로 반대쪽(트랜스)에 위치하면 α-아노머이고, 서로 같은 쪽(시스)에 위치하면 β-아노머이다.
탄수화물 단당류
단당류는 카보닐기의 위치, 탄소 원자의 수, 키랄 탄소의 세 가지 특성에 따라 분류된다. 단당류의 카보닐기가 알데하이드인 경우는 알도스이고, 카보닐기가 케톤인 경우는 케토스이다. 단당류가 3개의 탄소 원자를 가지는 경우는 삼탄당(트라이오스)이라 부르고, 4개는 사탄당(테트로스), 5개는 오탄당(펜토스), 6개는 육탄당(헥소스)으로 부르는 식이다. 이러한 두 분류 체계(카보닐기의 위치, 탄소 원자의 수)는 종종 결합되어 사용된다. 예를 들어, 포도당은 알도헥소스(6탄소 알데하이드)이고, 리보스는 알도펜토스(5탄소 알데하이드)이며, 과당은 케토헥소스(6탄소 케톤)이다.
탄수화물 단당류
하이드록시기(-OH)를 갖는 각 탄소 원자는 첫 번째 탄소와 마지막 탄소를 제외하고는 비대칭이며, 두 가지 가능한 입체 배치(R 또는 S)를 갖는 입체 중심을 형성한다. 이러한 비대칭성으로 인해, 다수의 이성질체가 존재할 수 있다. 예를 들어, 알도헥소스인 D-포도당은 르벨-반트 호프의 규칙(Le Bel-van't Hoff rule)을 사용하여 화학식 (C·H2O)6의 6개의 탄소 원자 중 4개가 비대칭 탄소여서 D-포도당은 24=16가지의 가능한 입체 이성질체들 중 하나가 된다. 알도트라이오스인 글리세르알데하이드의 경우에 한 쌍의 가능한 입체 이성질체가 있는데, 이들은 거울상 이성질체이면서 에피머이다. 알도스인 글리세르알데하이드에 상응하는 케토스인 다이하이드록시아세톤은 입체 중심을 가지지 않는 대칭 분자이다. D- 또는 L- 배치는 카보닐기로부터 가장 멀리 떨어져 있는 비대칭 탄소의 하이드록시기의 방향에 따라 정해진다. 피셔 투영식에서 하이드록시기(-OH)가 분자의 오른쪽에 있으면 D-당이고, 왼쪽에 있으면 L-당이다. "D-" 와 "L-" 접두사는 당이 편광 평면을 회전시키는 방향을 나타내는 "d-" 또는 "l-" 과 혼동되어서는 안된다.
탄수화물 단당류
선형 구조의 단당류에서 알데하이드 또는 케톤은 분자 내 다른 탄소의 하이드록시기와 가역적으로 반응하여 두 탄소 원자 사이에 산소를 갖는 헤테로고리 구조인 헤미아세탈 또는 헤미케탈을 형성한다. 5개의 원자를 갖는 고리는 푸라노스, 6개의 원자를 갖는 고리는 피라노스로 불리며, 이러한 고리형은 선형과 평형 상태로 존재한다.
선형에서 고리형으로 전환되는 동안, 아노머 탄소라고 불리는 카보닐 산소를 포함하는 탄소 원자는 두 가지 가능한 배치를 갖는 입체 중심이 된다. 산소 원자는 고리 평면의 위쪽이나 아래쪽에 위치할 수 있는데, 이런 식으로 가능한 입체 이성질체의 쌍을 아노머라고 한다. α-아노머에서 아노머 탄소의 -OH 치환기는 -CH2OH와 고리 평면에 대해 서로 반대쪽(트랜스)에 위치한다. -CH2OH 치환기와 아노머 탄소의 하이드록시기(-OH)가 고리 평면에 대해 서로 같은 쪽(시스)에 있는 형태는 β-아노머라고 한다.
단당류는 물질대사를 위한 주요 에너지원(포도당이 가장 중요함)으로 사용되며, 생합성 과정에서도 사용된다. 세포에서 단당류를 즉각적으로 필요로 하지 않을 때, 단당류들은 종종 공간적으로 보다 효율적인 형태인 다당류로 전환된다. 사람을 포함한 많은 동물에서 저장 다당류의 형태는 글리코젠으로 특히 간과 근육에 저장된다. 식물에서 저장되는 다당류의 형태는 녹말이다. 가장 풍부하게 존재하는 탄수화물인 셀룰로스는 식물과 조류의 세포벽을 구성하는 성분이다. 리보스는 RNA를 구성하는 성분이며, 디옥시리보스는 DNA를 구성하는 성분이다. 릭소스는 사람의 심장에서 발견되는 릭소플라빈(lyxoflavin)의 성분이다. 리불로스와 자일룰로스는 오탄당 인산 경로에서 발견된다. 젖당의 구성 성분인 갈락토스는 식물 세포막의 갈락토지질과 많은 조직의 당단백질에서 발견된다. 만노스는 사람의 물질대사에서 특히 특정 단백질의 글리코실화에서 발견된다. 과당은 많은 식물과 사람에서 발견되며, 사람의 소화 과정 중 장으로 직접 흡수되어 간에서 대사되고, 정액에서도 발견된다. 곤충의 주요 당인 트레할로스는 계속적인 비행을 지원하기 위해 2분자의 포도당으로 빠르게 가수분해된다.
탄수화물 이당류
이당류는 2분자의 단당류가 결합된 화합물로 엿당(포도당+포도당), 설탕(포도당+과당), 젖당(포도당+갈락토스)이 있다. 이당류는 글리코사이드 결합으로 연결된 2분자의 단당류로 구성되며, 하나의 단당류에서 수소 원자가 또 다른 단당류에서 하이드록시기가 탈수 반응을 통해 소실된다. 변형되지 않은 이당류의 화학식은 C12H22O11이다. 많은 종류의 이당류가 있지만, 몇 가지 이당류는 특히 주목할만 하다.
오른쪽 그림에 있는 수크로스(설탕)는 가장 풍부하게 존재하는 이당류이며, 식물에서 운반되는 탄수화물의 주요 형태이다. 수크로스는 포도당 1분자와 과당 1분자로 구성된다. 수크로스의 계통명은 α-D-글루코피라노실-(1↔2)-β-D-프럭토푸라노사이드이며, 다음의 4가지를 나타내고 있다.
탄수화물 이당류
젖당은 1분자의 D-갈락토스와 1분자의 D-포도당으로 구성된 이당류이며, 포유류의 젖에서 자연적으로 발견된다. 젖당의 계통명은 β-D-갈락토피라노실-(1→4)-D-글루코피라노스이다. 다른 주목할만한 이당류에는 엿당(D-글루코스 2분자가 α(1→4) 글리코사이드 결합으로 연결)과 셀로비오스(D-글루코스 2분자가 β(1→4) 글리코사이드 결합으로 연결)가 있다. 이당류는 환원성 이당류와 비환원성 이당류의 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. 작용기가 다른 단당류와의 결합에 존재하는 경우, 환원성 이당류 또는 비오스(biose)라고 한다.
탄수화물 다당류
다당류는 단당류 분자들이 연쇄적으로 결합한 중합체이다. 녹말, 글리코젠, 셀룰로스로 구분한다. 녹말은 수만 개의 α-포도당 분자가 결합하여 생성되는데 곁가지의 유무에 따라 다시 아밀로펙틴과 아밀로스로 나누기도 한다. 대부분의 식물 세포는 에너지를 녹말의 형태로 저장한다. 동물은 대부분의 에너지를 지방의 형태로 저장하지만 간이나 근육에는 소량의 글리코젠이 들어 있다. 글리코젠의 합성과 분해는 인슐린과 글루카곤의 영향을 받는데 인슐린은 혈당량을 낮추는 작용을 하며 포도당을 글리코젠으로 바꾸고, 글루카곤은 반대로 글리코젠을 분해하여 포도당을 생성해서 혈당량을 높이는 작용을 한다. 글리코젠 또한 녹말과 같이 α-포도당 분자로 이루어져 있으나 녹말에 비해 곁가지의 수가 훨씬 더 많다. 셀룰로스는 수만 개의 β-포도당 분자가 결합하여 생성되며 대부분의 식물은 셀룰로스로 세포벽을 만든다. 사람은 셀룰로스를 분해할 수 없지만, 대부분의 초식 동물들은 장 내에 셀룰로스를 분해하는 공생 세균이 있어 이들의 도움으로 셀룰로스를 분해하여 포도당으로 분해할 수 있다. 소 안에 들어있는 세균은 셀룰로스를 분해하여 최종적으로 메탄 가스를 생성하기 때문에, 일부 과학자들은 소의 트림이 메탄 가스 생성의 주 원인이라고 주장하고 있다. 셀룰로스는 녹말이나 글리코젠과는 달리 곧은 사슬 형태로만 존재한다. 또한 셀룰로스는 물 분자를 잘 흡수하는데, 이는 섬유소가 변비를 해소하는 데 중요한 역할을 하는 것과 관련이 있다.
탄수화물 영양
음식에서 섭취하는 탄수화물은 단순당인 경우 3.87 kcal/g의 에너지를, 복합 탄수화물의 경우 3.57~4.12 kcal/g의 에너지를 생산한다. 상대적으로 높은 양의 탄수화물은 과자, 쿠키, 사탕, 설탕, 벌꿀, 청량음료, 빵, 크래커, 잼, 과일 가공품, 파스타, 시리얼을 포함한 가공 식품이나 식물로 만든 정제 식품과 관련된다. 낮은 함량의 탄수화물은 콩, 괴경, 쌀, 과일과 같은 정제되지 않은 음식과 관련이 있다. 우유가 젖당을 많이 함유하고 있지만, 동물성 식품은 일반적으로 탄수화물 함량이 가장 낮다.
탄수화물 영양
생물은 일반적으로 에너지를 생산하기 위해 모든 종류의 탄수화물을 대사할 수는 없다. 포도당은 거의 보편적이며 접근가능한 에너지원이다. 많은 생물들은 다른 단당류들과 이당류들을 대사할 수 있지만, 포도당을 가장 먼저 대사에 이용한다. 예를 들어, 대장균(Escherichia coli)에서는 젖당 오페론이 존재할 때 젖당 분해 효소를 발현시키지만, 젖당과 포도당 둘 다 존재하면 젖당 오페론이 억제되어 포도당이 먼저 사용된다. 또한 다당류는 일반적인 에너지원이다. 많은 생물들은 녹말을 포도당으로 쉽게 분해할 수 있다. 그러나 대부분의 생물들은 셀룰로스 또는 키틴, 아라비노자일란과 같은 다른 다당류들을 대사할 수 없다. 이러한 탄수화물들은 일부 세균과 원생생물에 의해 대사될 수 있다. 예를 들어 반추동물과 흰개미는 셀룰로스를 분해하는 데에 미생물을 이용한다. 이러한 복합 탄수화물은 잘 소화되지 않더라도 식이 섬유라고 불리며, 사람에서 중요한 식이 요소이다. 식이 섬유는 소화 기능을 향상시키는 등의 이점이 있다.
탄수화물 영양
건강한 중년 성인의 심장 질환 및 비만의 위험에 대한 결과를 토대로 미국 국립 의학아카데미는 미국과 캐나다 성인이 곡물 탄수화물로부터 음식 에너지의 45~65%를 섭취할 것을 권장한다. 세계식량농업기구(FAO)와 세계보건기구(WHO)는 식이 가이드라인이 전체 에너지의 55~75%를 탄수화물로부터 얻는 것을 목표로 하고 있지만, 당(단순 탄수화물 기준)으로부터 직접적으로 얻는 것은 10%만이 목표라고 밝혔다. 2017년 코크란 라이브러리(Cochrane Library)는 전체 곡물 식이가 심혈관 질환에 영향을 줄 수 있다는 주장을 뒷받침하는 증거가 충분하지 않다고 결론지었다.
탄수화물 영양
영양학자들은 종종 탄수화물을 단순 탄수화물 또는 복합 탄수화물로 지칭한다. 그러나 이들 그룹 간의 정확한 구분은 모호할 수 있다. 복합 탄수화물이란 용어는 미국 상원 영양 특별위원회에서 발표한 미국의 식이 목표(1977년)라는 보고서에서 최초로 사용되었으며, 당과 다른 탄수화물들(영양적으로 우수한)을 구별하기 위해 사용되었다. 그러나 이 보고서는 다당류뿐만 아니라 당을 포함하고 있음에도 불구하고 복합 탄수화물에 "과일, 채소, 곡물"을 포함시켰다. 이러한 혼란은 오늘날 일부 영양학자들이 복합 탄수화물이라는 용어를 섬유, 비타민, 무기염류가 발견되는 모든 음식에 존재하는 소화성 당류(에너지를 제공하지만 다른 영양소는 거의 공급하지 않는 탄수화물)을 일컫는 용어로 사용함에 따라 지속되고 있다. 그러나 표준적인 사용법은 탄수화물을 화학적으로 분류하는 것이다. 당(단당류와 이당류)인 경우 단순 탄수화물이고, 다당류(또는 올리고당)인 경우 복합 탄수화물이다.
탄수화물 영양
어떤 경우든 단순 탄수화물과 복합 탄수화물을 화학적으로 구분하는 것은 탄수화물의 영양 품질을 결정하는데 거의 가치가 없다. 일부 단순 탄수화물(예: 과당)은 혈당을 천천히 올리는 반면 일부 복합 탄수화물(예: 녹말)은 특히 가공되었을 경우에 혈당을 빠르게 상승시킨다. 소화 속도는 탄수화물과 함께 섭취되는 다른 영양소들, 음식의 준비 방법, 물질대사의 개인차, 탄수화물의 화학적 성질을 비롯한 다양한 요인들에 의해 결정된다.
미국 농무부의 2010 미국인을 위한 식이 가이드라인은 하루에 170g의 통곡물을 포함한 균형잡힌 식단에서 탄수화물의 소비를 요구한다.
혈당지수와 혈당부하는 사람의 소화 과정동안 음식물의 작용을 특징짓기 위해 개발되었다. 혈당량에 미치는 영향의 신속성과 중요성을 토대로 하여 탄수화물이 풍부한 음식물의 순위를 정한다. 혈당지수는 음식물의 포도당이 얼마나 빨리 흡수되는지를 측정하는 것이며, 혈당부하는 음식물에서 흡수될 수 있는 포도당의 전체량을 측정하는 것이다. 인슐린 지수는 음식물 내의 포도당(또는 녹말) 및 일부 아미노산으로 인해 발생하는 혈액 중 인슐린 수치에 대한 영향을 토대로 음식물의 순위를 매기는 보다 최근의 분류 방법이다.
탄수화물은 생물에서 일반적인 에너지원이다. 사람은 단백질과 지방으로부터 필요한 에너지를 모두 얻을 수 있지만, 극단적인 탄수화물 제한으로 인해 건강에 미칠 수 있는 잠재적인 영향은 여전히 광범위하게 연구되지 않은 채로 남아있다. 그러나 식이 섬유의 경우(에너지원이 아닌 소화되지 않는 탄수화물) 부적절한 섭취는 사망률을 현저하게 증가시킬 수 있다.
며칠 동안 매우 적은 양의 탄수화물로 구성된 식이 요법을 하면 일반적으로 단백질 함량이 유사한 같은 칼로리의 식단보다 혈액 중 케톤체 수가 많아진다. 혈액 중 비교적 높은 농도의 케톤체가 존재하면 일반적으로 케톤증이라 하며, 당뇨병성 케톤산증으로 알려진 제1형 당뇨병 환자에서 종종 볼 수 있는 치명적인 상태와 혼동되기 쉽다. 케톤산증을 앓게 되면 고혈당, 탈수, 전해질의 불균형과 함께 훨씬 높은 농도의 혈액 내 케톤체를 가지게 된다.
긴 사슬 지방산은 혈액뇌장벽을 통과할 수 없지만, 간에서 이들을 분해하여 케톤체를 생성할 수 있다. 그러나 중간 사슬 지방산인 옥탄산과 헵탄산은 혈액뇌장벽을 통과하여 뇌에서 사용될 수 있는데, 일반적으로 뇌는 에너지를 생성하는데 포도당을 사용한다. 사람은 포도당신생합성을 통해 특정 아미노산 및 트라이글리세라이드의 글리세롤 골격으로부터 포도당을 합성할 수 있다.
탄수화물 물질대사
탄수화물 대사는 생물체 내에서 탄수화물의 생성, 분해 및 상호전환에 관여하는 다양한 생화학적 과정을 의미한다.
가장 중요한 탄수화물은 거의 모든 생물에서 대사되는 단당류인 포도당이다. 포도당과 다른 탄수화물들의 대사는 생물종 전체에 걸쳐 다양한 대사경로들의 일부이다. 식물은 광합성에 의해 이산화 탄소와 물로부터 탄수화물을 합성하고, 보통 녹말 또는 지질의 형태로 저장한다. 식물에 저장된 탄수화물은 동물과 균류에 의해 소비되고, 세포 호흡을 위한 연료로 사용된다. 1 g의 탄수화물이 산화되면 약 4 kcal의 에너지가 생성되고, 1 g의 지방이 산화되면 약 9 kcal의 에너지가 생성된다. 인체는 체중에 따라 300 ~ 500 g의 탄수화물을 저장하고, 저장 공간의 상당 부분을 골격근이 차지한다. 물질대사(예: 포도당의 산화)로부터 얻은 에너지는 일반적으로 ATP의 형태로 세포 내에 일시적으로 저장된다. 생물은 포도당과 산소를 대사하여 부산물로 이산화 탄소와 물을 생성하면서 에너지를 방출하는 산소 호흡이나 무산소 호흡을 할 수 있다.
탄수화물 물질대사
이화작용은 세포가 더 큰 분자를 더 작은 분자로 분해하면서 에너지를 방출하는 대사 반응이다. 단당류는 해당과정 및 시트르산 회로를 거치면서 대사될 수 있다.
해당과정에서 올리고당류, 다당류들은 먼저 글리코시데이스라고 불리는 효소에 의해 단당류로 분해된다. 단당류는 단당류의 분해 대사에 이용될 수 있다. 2 ATP는 해당과정의 초기 단계인 에너지 투자기에서 포도당을 포도당 6-인산으로 인산화 및 과당 6-인산을 과당 1,6-이중인산으로 인산화시키는데 사용되어 반응의 진행 방향을 비가역적으로 만든다. 사람의 경우에서와 같이 특정 탄수화물을 대사시킬 수 있는 효소가 없는 경우도 있기 때문에 모든 탄수화물을 이용할 수 있는 것은 아니다.
탄수화물 탄수화물 화학
탄수화물 화학(carbohydrate chemistry)은 유기화학 분야 중에서 큰 부분이며 경제적으로 중요한 분야이다. 탄수화물과 관련된 주요 유기 반응은 다음과 같다.
항상성
항상성(恒常性, homeostasis)은 내부 환경을 안정적이고 상대적으로 일정하게 유지(function properly)하려는 계의 특성이다. 그리스어 ὅμοιος('유사한'이라는 뜻)과 στάσις('동일하게 유지하다, 버티다'라는 뜻)에서 유래하였다. 주로 생물학에서 사용되며, 외부 조건의 변화에 대하여 인체 내부 환경을 일정하게 유지하는 과정, 즉 체온이나 pH(수소 이온 농도 지수) 조절이 대표적인 예시이다.
항상성의 개념은 1865년에 클로드 베르나르가 제안하였으며, '항상성'이라는 단어는 1926년 월터 브래드포드 캐넌(Walter Bradford Cannon)이 고안하였다. 항상성은 본래 살아있는 유기체에서 일어나는 과정을 일컫는 단어였지만, 지금은 온도조절장치(thermostat)와 같은 자동 조절 장치를 설명할 때에도 사용된다. 항상성은 변화를 감지하는 센서, 환경을 조절하는 효과 기작(effector mechanism), 그리고 그 둘을 연결하는 음성 피드백을 필요로 한다.
항상성 생물학
항상성은 생명의 특성 중 하나로, 단순한 단세포 유기체에서부터 가장 복잡한 식물과 동물에 이르기까지 내부의 기작이 작동하여 물질대사가 진행될 수 있도록 정해진 환경을 유지한다. 항상성 기작은 세포, 조직, 기관, 유기체 전체 수준에서 일어난다.
기본적인 항상성 기작은 아래와 같다.
항온동물(endotherm, 포유류와 새)은 일정한 체온을 유지하는 반면, 변온동물(ectotherm, 대부분의 다른 생명체)는 체온 변동이 심하다. 체온을 조절함으로써 생명체는 환경 조건이 크게 변하더라도 효율적으로 기능할 수 있다. 예를 들어, 변온동물은 주위의 온도가 낮으면 느릿느릿 움직이는 경향이 있는 반면에, 같은 장소에 놓여진 항온동물은 활동적일 것이다. 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 추가적인 에너지가 필요하다. 체온이 상승하면 생명체는 땀을 흘리거나 헐떡여서 잠열이나 증발 형태로 열을 내보낸다. 대사 작용이 증가하면 그에 대응하여 체온이 떨어지는데, 이때는 몸을 떨거나 혹은 털이나 깃털이 있는 생물의 경우 그것을 두텁게한다.
항상성 생물학
모든 동물은 혈당을 일정하게 조절한다. 포유류는 인슐린과 글루카곤을 통하여 혈당량을 조절한다. 사람은 하루 종일 혈당량을 일정하게 유지하며, 24시간 동안 공복 상태로 있더라도 혈당은 마찬가지로 유지된다. 매우 오랜 기간 동안 공복상태로 있는 경우 혈당량은 아주 약간 감소한다. 이자 베타세포에서 분비되는 인슐린은 세포가 포도당을 더 많이 가지고 있도록 하여(동적 평형) 포도당이 효과적으로 세포에 수송되게 한다. 궁극적으로 이 과정은 혈중 포도당 농도를 낮추어주고, 인슐린은 고혈당를 예방한다. 인슐린이 부족하거나 세포가 인슐린에 저항성을 가질 때 당뇨라고 한다. 이자의 알파세포에서 분비되는 글루카곤은 저장된 글리코겐을 분해하거나 탄수화물이 아닌 탄소원에서 포도당을 합성하여(포도당신생성) 저혈당을 방지한다.
항상성 생물학
모든 항상성 통제 기작은 변수를 조절하기 위하여 최소 세 개의 상호의존적인 요소(수용기, 조절계, 효과기)로 이루어진다. 수용기는 환경의 변화를 감시하고 그에 반응하는 감지 장치이다. 수용기가 변화를 감지하면 "통제 중심"에 정보를 보낸다. 통제 중심(control center) 혹은 조절계(control system)는 변수가 어느 수준으로 조절되어야 하는지 범위를 정하는 요소이다. 통제 중심은 자극에 대해 적당한 반응을 결정하고 효과기에 신호를 보낸다. 신호를 받으면 효과기, 즉 근육이나 장기, 혹은 기타 구조물은 변화에 대해 실제 반응을 하고 음성 피드백 신호를 보낸다.
음성 피드백은 어떤 기관이나 계의 출력이나 활성을 정상적인 기능 범위로 감소시키는 작용을 한다. 혈압을 예로 들면, 혈관은 혈압이 증가하였을 때 혈류가 혈관벽에 가하는 압력을 감지하는 수용기로 작용한다. 압력의 변화에 대한 정보를 뇌로 전달하고, 뇌는 심장과 혈관으로 신호를 보낸다. 효과기에서는 심박수가 감소하고 혈관의 지름은 커지며(혈관 확장), 결과적으로 혈압은 다시 정상 범위로 떨어진다. 혈압이 낮아지는 반대의 상황에서는 혈관 축소가 일어난다.
항상성 생물학
식사 전후의 신체에서도 음성 피드백이 일어난다. 공복 상태가 길어지는 경우 신체는 신진대사의 정도를 낮추어 신체 각 부분이 더 적은 에너지를 소모하도록 조절한다. 체중 감량을 목적으로 식이 제한을 하는 사람들이 초기에는 체중을 쉽게 감소시킬 수 있지만 시간이 지날수록 더 어려워지는 것이 이 때문이다. 인체가 더 낮은 대사 상태로 재설정되기 때문에 에너지 공급이 낮아져도 살아갈 수 있다. 반대로 운동을 하는 경우 신진대사의 정도가 증가한다.
온도 조절에도 음성 피드백이 적용된다. 체온을 감시하는 시상하부는 정상 체온인 36.5°C에서 조금만 벗어나도 감지할 수 있다. 체온이 올라가면 땀 분비를 촉진하는 내분비선에 신호를 보내 체온을 낮추고, 반대로 체온이 낮아지면 근육을 떨게 하는 신호를 보내 체온을 높인다.
서로 상반되는 되먹임 작용은 건강한 신체 기능을 유지하는데 중요한 역할을 한다. 두 되먹임 작용 사이에 교란이 일어나거나 내부적, 외부적 요인에 의해 바뀌게 되면 항상성을 유지하기 위한 보상 작용이 깨지고 질병이 유발된다. 생명체가 나이가 들면서 항상성 조절계의 효율이 감소하고, 내부 환경은 점진적으로 불안정해진다. 따라서 질병 위험 요소가 늘어나고 노화와 연관된 신체적 변화가 나타난다.
특정한 항상성 불균형, 예를 들면 심부 체온이 높거나, 혈중 염 농도가 높거나, 혹은 산소 포화도가 낮으면 동물은 그것을 극복하려는 욕구를 느낀다. 이를 항상성 감각(homeostatic emotion)이라 한다.
레트로바이러스
레트로바이러스(영어: Retrovirus, 문화어: 레트롤비루스)는 유전자로써 RNA를 소유하고 있는 RNA 바이러스의 한 유형이다. 숙주를 감염시키면 자신의 RNA를 역전사 효소를 사용해 상보적 DNA로 역전사하고 이 상보적 DNA를 인테그레이스를 사용해 DNA를 합성하는 역전사의 기작을 보이기 때문에 분자생물학의 중심원리를 따르지 않는 가장 대표적인 존재로 분류된다.
레트로바이러스는 유전 물질인 핵산이 뉴클레오캡시드 형태로 되어있다.
레트로바이러스 감염과 증식
레트로바이러스의 감염과 증식은 다음과 같은 과정을 통해 일어난다.
대개의 레트로바이러스는 숙주 세포를 죽이지 않고 이용만 하기 때문에, 면역 체계가 바이러스만 인식해서 공격하는 것만으로는 레트로바이러스에 이미 감염된 세포를 없애지 못하므로 거의 대부분 만성 감염으로 진행하게 된다. 따라서 혈액 중의 바이러스 숫자는 극히 적지만 감염 자체는 계속 진행되는 현상이 나타난다. 따라서 치료를 위해서는 레트로바이러스의 감염 자체를 막는 방법 또는 레트로바이러스에 감염된 세포를 파괴하는 방법이 필요하다.
인간에 감염되는 대표적인 레트로바이러스로는 HIV(Human Immunodeficiency Virus)가 있다.
레트로바이러스 암
종양 성장을 일으키는 레트로바이러스에는 라우스육종바이러스(Rous sarcoma virus) 및 생쥐유방종양바이러스(Mouse mammary tumor virus)가 포함된다. 암은 프로바이러스 DNA에 통합된 원 종양 유전자 또는 세포 원 종양 유전자의 파괴에 의해 유발된다. 라우스육종바이러스에는 종양 형성을 유발하는 src 유전자가 포함되어 있다. 나중에 세포에서 유사한 유전자가 세포 신호 전달에 관여한다는 것이 밝혀졌다. 비형질 전환 바이러스는 DNA를 무작위로 원형 종양 유전자에 삽입하여 세포 주기를 조절하는 단백질의 발현을 방해 할 수 있다. 프로바이러스 DNA의 촉진유전자는 또한 조절 유전자의 과발현을 야기 할 수 있다.
역전사 효소
역전사 효소(逆轉寫酵素; Reverse Transcriptase)는 RNA를 주형으로 해서 DNA를 합성할 수 있는 효소로, 레트로바이러스가 특이적으로 가지고 있는 효소이다. RNA의존성 DNA 중합효소(RNA dependent DNA polymerase)라고도 한다.
RNA종양 바이러스내에 존재하거나 그 바이러스에 감염된 세포에서만 발견되며 mRNA에서 DNA를 만드는 효소이다.
일반적인 DNA 복제 효소와는 달리 합성과정 중의 오류를 정정할 수 있는 능력이 없으므로 역전사 과정 중에서 많은 오류가 발생하게 된다. 이러한 오류가 레트로바이러스에서 많은 돌연변이를 일으키고 진화를 촉진하는 원인이 된다. 이렇게 촉진된 진화는 약품에 대하여 내성을 갖거나 백신이 무효한 바이러스를 생성시키기도 한다.
역전사 효소를 이용하여 특정 세포 내에 존재하는 mRNA를 정제하여, DNA로 바꾸는 방법으로 세포내의 mRNA에 대해 연구하기도 한다. 이 때에 mRNA로부터 cDNA를 합성, 증폭 시키는 기술을 역전사-PCR(RT-PCR)이라고 부른다. 또한, cDNA를 이용하여 마이크로어레이(Microarray)법을 사용, 세포 내에서 특정 유전자가 발현되는 정도를 연구하기도 한다.
역전사 효소 연혁
역전사 효소는 1970년대 위스콘신 대학교의 Howard Temin에 의해서 라우스육종바이러스(Rous sarcoma virus)에서 최초 발견되었다. 종양을 일으키는 RNA바이러스에는 감염 후 오랜 기간 숙주(宿主) 중에 유전정보가 남겨지는 것이 있어 미국의 바이러스 학자 Howard Temin은 RNA가 DNA로 전사된다고 가정하고 실험을 통해 증명한 것이다. 같은 1970년에 David Baltimore에 의해 매사추세츠 공과대학에서 두 가지 바이러스 종으로부터 분리에 성공했다. 이들은 이 공로로 인해 1975년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.
역전사 효소 역전사 효소 작동 원리
역전사(Reverse transcription)는 RNA의 유전정보가 역전사 효소에 의해 DNA로 전달되는 과정이다. 레트로바이러스에 감염된 후에 이 효소는 바이러스 입자내에 있었던 RNA와 상보적인 DNA(complementary DNA라 하며, cDNA라 약기)를 합성, 먼저 RNA-DNA하이브리드 (hybrid ; 잡종)가 생기고 다음에 이중나선의 DNA가 되며, 숙주 염색체 중에 삽입된다. 레트로바이러스는 인간 생존에 필수적인 기관들인 CD4+ T 세포와 대식세포 그리고 수지상세포들에 우선적으로 감염된다. 특히 HIV는 직간접적으로 CD4+ T세포들을 파괴한다. 특히 역전사 과정을 일으키는 역전사 효소는 일반적인 DNA 복제 효소와는 달리 오류정정 기능이 없기 때문에 많은 돌연변이를 일으키게 되어 레트로바이러스는 매우 쉽게 변이된다. HIV임상연구에서는 에이즈에 감염된 환자가 여러 가지 변종의 HIV를 지니고 있는 경우가 자주 보고되고 있다.
이렇게 바이러스 유전자는 숙주 세포의 유전자에 삽입된 채로 숙주 세포의 유전자가 복제될 때 같이 복제가 되는 것이다. 이런 식으로 바이러스 유전자가 스스로 복제할 능력이 없는 상태에서 복제가 되는 것이다.
수크로스
수크로스(영어: sucrose), 자당(蔗糖), 또는 설탕(雪糖)은 1분자의 프럭토스(과당)과 1분자의 글루코스(포도당)가 글리코사이드 결합으로 연결된 이당류이며, 화학식은 C12H22O11이다. 수크로스는 식물에서 자연적으로 생산되며, 식물에서 추출한 수크로스를 정제해서, 일상에서 소비하는 설탕을 만든다.
인간의 소비를 위해, 사탕수수 또는 사탕무로부터 수크로스를 추출하여 정제한다. 제당소는 사탕수수를 재배, 수확하는 곳에 위치하는데, 제당소에서 생산한 원료당을 정제당을 만드는 곳으로 수출하기 좋은 지역에 위치한다. 일부 제당소에서는 원료당을 정제당으로 가공하기도 한다. 사탕무를 사용하는 제당소는 사탕무가 재배되는 좀 더 차가운 기후대에 위치하고 있으며, 사탕무를 정제당으로 직접적으로 가공한다. 설탕 정제 공정은 원료당 결정을 설탕 시럽으로 녹이기 전에 세척하여 여과한 다음 잔여 색을 제거하기 위해 탄소 위로 통과시킨다. 그런 다음 순수한 설탕 시럽을 진공 상태 하에서 가열해서 농축시키고, 순수한 수크로스의 결정을 생성하는 최종 정제 공정으로 결정화시킨다. 생성된 결정체는 투명하고, 무취이며, 단맛이 난다. 결정이 덩어리로 존재하면 흰색으로 보인다.
수크로스 어원
"수크로스(sucrose)"라는 단어는 1857년 영국의 화학자 윌리엄 앨런 밀러(William Allen Miller)에 의해 처음으로 사용되었으며, 밀러는 프랑스어 단어 "sucre" (sugar를 의미함)와 당을 의미하는 일반적인 화학 접미사인 "-ose"를 결합해서 단어를 만들었다. 수크로스의 약어는 "Suc"이다.
사카로스는 일반적으로 당류, 특히 수크로스에 대한 옛날식 이름이다. "사카로스(saccharose)"라는 단어는 1860년 프랑스의 화학자 피에르 베르텔로(Pierre Berthelot)가 만들었다.
수크로스 물리적, 화학적 특성
수크로스에서 글루코스의 1번 탄소(C-1)와 프럭토스의 2번 탄소(C-2) 사이에 에테르 결합을 통해 글루코스와 프럭토스가 결합된다. 이 결합은 글리코사이드 결합이라고 부른다. 포도당은 주로 두 가지 이성질체인 α-피라노스와 β-피라노스로 존재하지만, 이들 형태 중 하나만 프럭토스와 결합한다. 프럭토스 자체는 푸라노스의 혼합물로 존재하며, 각각은 α-이성질체와 β-이성질체를 가지지만, 이들 중 하나의 이성질체만이 글루코스와 결합한다. 대부분의 이당류와는 달리, 수크로스에 관하여 주목할만한 점은 글루코스와 프럭토스의 환원 말단 사이에서 글리코사이드 결합이 형성된다는 점이다. 다른 이당류들은 대부분 특정 단당류의 환원 말단과 다른 단당류의 비환원 말단 사이에 글리코사이드 결합을 형성한다. 이러한 수크로스의 글리코사이드 결합으로 인해 수크로스는 다른 단당류와 결합하지 않는다. 수크로스는 아노머 탄소에 하이드록시기를 포함하고 있지 않기 때문에 비환원당으로 분류된다.
수크로스는 단사정계 공간군 P21에서 결정화되고, 실온에서 격자 매개변수는 a=1.08631 nm, b=0.87044 nm, c=0.77624 nm, β=102.938°이다.
수크로스 물리적, 화학적 특성
수크로스의 순도는 설탕 용액에 의한 평면 편광 회전을 통해 편광분석법으로 측정된다. 노란색 "나트륨-D" 빛(589 nm)을 사용한 20 °C 에서의 특정 회전은 +66.47°이다. 설탕의 상업적 샘플은 이러한 매개 변수를 사용하여 분석된다. 수크로스는 주변 조건에서 품질이 저하되지 않는다.
수크로스는 고온에서 녹지 않는다. 대신에 186 °C에서 분해되어 캐러멜을 형성한다. 다른 탄수화물들과 마찬가지로 수크로스는 이산화 탄소와 물로 연소된다. 수크로스를 산화제인 질산 칼륨과 혼합하면 아마추어 로켓 모터를 추진하는데 사용되는 로켓캔디로 알려진 연료가 생성된다.
C12H22O11 + 6 KNO3 → 9 CO + 3 N2 + 11 H2O + 3 K2CO3
이 반응식은 다소 단순화시킨 것이다. 일부 탄소는 완전히 산화되어 이산화 탄소가 되고, 수성가스 전환 반응(water-gas shift reaction)과 같은 다른 반응들도 일어난다. 보다 정확한 이론적인 화학 반응식은 다음과 같다.
수크로스 물리적, 화학적 특성
C12H22O11 + 6.288 KNO3 → 3.796 CO2 + 5.205 CO + 7.794 H2O + 3.065 H2 + 3.143 N2 + 2.998 K2CO3 + 0.274 KOH
염산과 염소산 칼륨의 반응에 의해 형성된 염소산과 수크로스를 반응시킨 화학 반응식은 다음과 같다.
8 HClO3 + C12H22O11 → 11 H2O + 12 CO2 + 8 HCl
다음의 화학 반응식에서 확인할 수 있듯이 수크로스는 황산으로 탈수하여 검은색의 탄소가 풍부한 고체를 형성할 수 있다.
H2SO4(촉매) + C12H22O11 → 12 C + 11 H2O + 열 (열로 인한 일부 H2O + SO3).
수크로스의 분해는 2단계 반응으로 나타낼 수 있는데, 단순화된 반응은 수크로스를 단순한 탄소와 물로 탈수한 다음, 공기 중 산소(O2)와 반응시켜 탄소(C)를 이산화 탄소(CO2)로 산화시킨다.
C12H22O11 + 열 → 12 C + 11 H2O
12 C + 12 O2 → 12 CO2
수크로스 물리적, 화학적 특성
가수분해는 글리코사이드 결합을 분해하여 수크로스를 글루코스와 프럭토스로 전환시킨다. 그런데 가수분해는 너무 느려서 수크로스 용액이 거의 변화 없이 수년 동안 존재할 수 있다. 그러나 수크레이스가 첨가되면, 반응은 빠르게 일어난다. 또한 가수분해는 약산인 타르타르산수소칼륨 또는 레몬 주스와 같은 산에 의해 반응이 빨라질 수 있다. 마찬가지로 위액의 산성도는 소화 중에 수크로스를 글루코스와 프럭토스로 전환시킨다.
수크로스의 경우 1349.6 kcal/mol, 글루코스의 경우 673.0 kcal/mol, 프럭토스의 경우 675.6 kcal/mol의 연소열을 가지며, 가수분해는 수크로스 1몰 당 약 1.0 kcal (4.2 kJ) 을 방출한다.
수크로스의 생합성은 수크로스 6-인산 생성효소에 의해 촉매되며, 전구물질인 UDP-글루코스와 프럭토스 6-인산의 반응을 통해 일어난다. 반응에 필요한 에너지는 유리딘 이인산(UDP)의 분해에 의해 얻어진다. 수크로스는 식물과 남세균에 의해 생성되지만, 다른 생물들에 의해 생성되지는 않는다. 수크로스는 단당류인 프럭토스와 함께 많은 식물성 식품에서 자연적으로 발견된다. 파인애플과 살구와 같은 많은 과일에서 수크로스는 주된 당이다. 포도와 배와 같은 과일들에서는 프럭토스가 주된 당이다.
수크로스는 거의 천연 자원으로부터 분리해 왔지만, 1953년에 레이먼드 르뮤(Raymond Lemieux)가 최초로 수크로스를 화학 합성하였다.
수크로스 원천
자연에서 수크로스는 많은 식물들, 특히 뿌리, 열매, 꿀에 존재하며, 수크로스는 주로 광합성에서 에너지를 저장하는 수단으로 사용되기 때문이다. 많은 포유류, 조류, 곤충, 세균들은 식물에서 수크로스를 섭취하며, 일부 생물에서는 수크로스가 주식이다. 인간의 소비 관점에서 꿀벌은 특히 중요한데, 꿀벌은 수크로스를 모아서 중요 식품인 꿀을 생산하기 때문이다. 꿀 속에 함유된 탄수화물은 주로 프럭토스와 글루코스이며, 수크로스는 미량만 포함되어 있다.
열매가 익어가면서 수크로스의 함유량은 일반적으로 급격하게 증가하지만 일부 열매에서는 수크로스를 거의 함유하지 않는다. 수크로스를 거의 함유하고 있지 않은 열매에는 포도, 체리, 블루베리, 블랙베리, 무화과, 석류, 토마토, 아보카도, 레몬, 라임 등이 있다.
수크로스는 자연적으로 생성되는 당이지만, 산업화가 진행됨에 따라 정제되는 수크로스의 양이 증가되고, 모든 종류의 가공 식품들을 통해 수크로스의 소비가 증가되어 왔다.
수크로스 생산
설탕(수크로스)의 생산에는 오랜 역사가 있다. 일부 학자들은 인도인들이 서기 350년경 굽타 제국에서 설탕을 결정화하는 방법을 발견했다고 주장한다.
다른 학자들은 사탕수수에 대한 지식이 인도로부터 유래되었다는 사실과 함께 사탕수수에 대한 가장 오래된 역사적 언급이 포함되어 있는 기원전 8세기의 중국 고대 문헌을 지적한다. 또한 기원전 500년경에 인도인들은 설탕 시럽을 만들고, 이를 넓은 그릇에 부어 냉각시켜 보관과 운반이 용이한 원료당 결정을 만들기 시작했다. 이렇게 만들어진 설탕 결정은 현지 인도어로 "칸다(खण्ड, khanda)"로 불렸으며, 영어 "캔디(candy)"의 어원이다.
수크로스 생산
알렉산더 대왕의 군대는 인더스강 유역에서 더 동쪽으로의 진군을 멈추었다. 알렉산더 대왕의 병사들은 인도인들이 사탕수수를 재배하고, 인도어로 "साखर (sākhar)", 그리스어로 "ζακχαρον (sakcharon)", 현대 그리스어로 "ζάχαρη (zachari)"로 불리는 소금같이 생긴 단맛이 나는 분말을 만드는 것을 보았다. 알렉산더 대왕의 병사들은 고향으로 돌아가는 길에 이 "꿀을 품은 갈대"를 가지고 돌아갔다. 사탕수수는 천년이 넘는 시간 동안 제한된 작물로 남아있었다. 설탕은 희소 가치가 있는 상품이었고, 설탕 무역상들은 부자가 되었다. 재정적 힘이 막강했던 이탈리아의 베네치아는 유럽 최고의 설탕 유통 중심지였다. 아랍인들은 시칠리아와 스페인에서 설탕을 생산하기 시작했다. 십자군 전쟁 이후에 설탕은 유럽에서 감미료로 꿀과 경쟁하기 시작했다. 스페인인들은 1506년에 서인도 제도에서(쿠바에서는 1523년) 사탕수수를 재배하기 시작했다. 포르투갈인들은 1532년에 브라질에서 사탕수수를 재배하기 시작했다.
수크로스 생산
설탕은 18세기까지 세계의 많은 곳에서 사치품으로서의 지위를 유지했다. 부자들만이 설탕을 가질 수 있었다. 18세기에 유럽에서 설탕에 대한 수요가 급증했고, 19세기에 이르러서 설탕은 인간의 필수품으로 간주되었다. 설탕의 사용은 차에서부터 케이크, 과자, 초콜릿에 이르기까지 점차 확대되었다. 설탕 공급업자들은 단단한 원뿔 모양 포장통과 같은 새로운 형태의 포장으로 설탕을 판매하여, 소비자들은 플라이어처럼 생긴 도구인 슈거 닙스(sugar nips)을 사용하여 설탕 덩어리에서 조각을 뜯어내야 했다.
수크로스 생산
더 저렴한 설탕에 대한 요구는 부분적으로 노동 집약적인 사탕수수 플랜테이션과 설탕 제조가 용이한 열대 국가들과 섬들의 식민지화를 야기했다. 덥고 습한 기후에서 사탕수수 작물을 재배하고, 고온의 제당소에서 설탕을 생산하는 일은 가혹하고, 비인간적인 작업이었다. 이러한 설탕 생산 작업에 대한 값싸고, 고분고분한 노동력에 대한 요구는 일차적으로 아프리카(특히 서아프리카)로부터의 노예무역을 유발시켰고, 남아시아(특히 인도)로부터의 계약된 노동력의 거래가 이루어지게 되었다. 수백만 명의 노예들과 수백만 명의 계약 노동자들이 카리브해, 인도양, 태평양의 섬들, 동아프리카, 남아메리카의 북동부, 동남아시아로 유입되었다. 지난 두 세기 동안, 이들 지역내에 많은 나라들의 민족 혼합은 설탕의 영향을 받은 것이다.
수크로스 생산
18세기 후반부터 설탕의 생산과정이 점점 기계화되어 갔다. 증기기관은 1768년 자메이카의 제당소에서 처음으로 동력을 공급했으며, 이 후에 증기는 열처리 과정에서 직접적인 가열을 대체했다. 이 시기에 유럽인들은 사탕수수 이외의 다른 작물들로부터 설탕 생산을 시도하기 시작했다. 안드레아스 마르그라프(Andreas Marggraf)는 사탕무의 뿌리에서 수크로스의 존재를 확인하였고, 그의 제자인 프란츠 카를 아샤르(Franz Karl Achard)는 프로이센의 슐레지엔에 사탕무 처리 공장을 건설했다. 사탕무 설탕 산업은 프랑스와 유럽 대륙이 카리브해의 설탕과 단절되었던 나폴레옹 전쟁 기간 동안 실제로 시작되었다. 2010년 전세계에서 생산된 설탕의 약 20%가 사탕무에서 생산되었다.
오늘날 하루에 약 1,500톤의 설탕을 생산하는 대형 사탕무 제당소는 24시간 생산가동을 위해 약 150명의 상주 인력이 필요하다.
수크로스 생산
설탕(수크로스)는 식물로부터 유래한다. 2가지 중요한 설탕 작물은 사탕수수(Saccharum officinarum)와 사탕무(Beta vulgaris)이며, 이들 작물에서 설탕은 건조 중량의 12%~20%를 차지한다. 이밖에 마이너한 상업용 설탕 작물에는 대추야자(Phoenix dactylifera), 수수새(Sorghum vulgare), 설탕단풍나무(Acer saccharum)가 있다. 수크로스는 뜨거운 물로 이들 작물의 내용물을 추출함으로써 얻어지는데, 추출액을 농축하여 시럽을 만들고, 시럽으로부터 고체 수크로스를 결정화시킬 수 있다. 2013년에 전세계 설탕 생산량은 1억 7500만 톤에 달했다.
사탕수수는 서리를 견디지 못하기 때문에 대부분의 사탕수수는 따뜻한 기후를 가진 나라들에서 생산된다. 반면에 사탕무는 보다 서늘한 온대기후 지역에서만 자라며, 더운 열을 견디지 못한다. 수크로스의 약 80%는 사탕수수에서 유래하며, 나머지는 거의 사탕무에서 얻는다.
수크로스 생산
2010에는 브라질, 인도, 유럽 연합, 중국, 태국, 미국이 주요 설탕 생산국이었다. 2013년에 브라질은 약 4,000만톤의 설탕을 생산했으며, 인도는 2,500만톤, 유럽 연합의 27개국은 1,600만톤, 중국은 1,400만톤, 태국은 약 1,000만톤, 미국은 700만톤의 설탕을 생산했다. 설탕 생산에 대한 국가 순위는 매년 사탕수수의 수확량과 새로운 설탕 생산 공장들이 건설에 따라 변동된다.
지역별로 볼 때, 아시아는 2006년 세계 설탕 생산량의 40%를 차지한 인도, 중국, 태국 등의 국가들의 기여로 사탕수수 생산을 주도하고 있다. 남아메리카는 세계 설탕 생산량의 32%를 담당함으로써 2위를 차지했다. 아프리카는 8%, 오스트레일리아는 5%를 생산했다. 미국, 카리브해 국가들, 유럽은 나머지를 차지하며 각각 전세계 설탕 생산량의 3%정도를 차지한다.