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| 질화당류 | 글루코사민, 키토산, 키틴 | ||
| 할로겐화당류 | 수크랄로스, 플루오로디옥시포도당 | ||
[1] 보통 단순당이라고 하면, 삼탄당부터 말하고, 일탄당과 이탄당 같은 표현을 잘 사용하지 않아서 취소선을 그었다. | |||
1. 개요
포도당(葡萄糖, grape sugar), 글루코오스(glucose), 또는 덱스트로스(dextrose)는 육탄당(hexose)에 속하는 대표적 단당류다. 단맛이 있고 물에 잘 녹으며 환원성을 지닌다. 생물체에서 가장 기본적인 에너지원으로 이용되며 분자식은 C6H12O6이다.1747년 독일의 화학자 안드레아스 지기스문트 마르그라프(Andreas Sigismund Marggraf, 1709–1782)가 건포도에서 이를 분리한 것이 최초의 발견으로, 여기서 '포도당'이라는 이름이 유래했다.[1]
'글루코오스(glucose)'는 '단맛'을 뜻하는 그리스어 'γλυκύς(글뤼퀴스)'에서, '덱스트로스(dextrose)'는 '오른쪽'을 뜻하는 라틴어 'dexter'에서 비롯되었다. 자연계에는 주로 D-형 (D-glucose)이 존재하며, 이는 임상적으로 덱스트로스로 불린다. 의료 현장에서는 5% 포도당 수액(5% dextrose in water, D5W) 등에서 이 명칭이 쓰인다.
일상적 표현에서는 글루코오스가, 임상적 용도에서는 덱스트로스가 널리 쓰이며, 혈중 포도당은 흔히 '혈당(blood sugar)'이라 한다.
2. 특징
포도당은 생명체의 주요 에너지원이며, 혈액에 녹아 있는 형태를 혈당이라고 한다. 인체의 에너지를 생산하는 미토콘드리아가 사용하는 기본 연료이기도 하다.포도당은 특히 뇌의 주된 에너지원으로, 뇌는 포도당과 케톤체만을 연료로 사용한다. 정신적 피로한 상태일 때 포도당을 섭취하는 것으로 일시적으로 집중력이 향상되는 현상은 실험적으로 보고된 바 있다.
포도당은 생존에 필수적인 성분으로, 공급이 부족하면 간과 신장이 지방이나 단백질을 분해하여 포도당을 합성하는 포도당신생합성 과정을 통해 보충한다. 단식이나 탄수화물 섭취 제한 시엔 지방이 분해되어 생성되는 케톤체가 포도당을 대신해 에너지원으로 사용된다. 그러나 케톤체는 포도당보다 에너지 공급 속도가 느려, 초기에는 어지러움이나 피로감이 동반된다. 일정 기간이 지나면 인체는 케톤 대사에 적응하지만, 지방이 거의 고갈될 정도로 장기간 기아 상태가 지속되면 단백질까지 분해하여 에너지를 얻는다. 이때 근육, 특히 심장 근육까지 손상될 수 있어 생명에 위협이 된다.
당뇨병 환자가 인슐린 결핍으로 포도당을 세포 내로 흡수하지 못하면, 지방이 과도하게 분해되어 케톤체가 혈액에 축적된다. 이로 인해 산독증이 발생하는데, 이를 당뇨병성 케톤산혈증이라 한다. 치료하지 않으면 사망에 이를 수 있으며, 1형 당뇨병 환자에게서 특히 잘 발생한다.
드물게 포도당 수송체(GLUT1)가 결핍된 선천성 대사 이상증이 존재한다. 이 질환에서는 포도당이 뇌로 전달되지 않기 때문에 케톤식이요법으로 대체 에너지원인 케톤체를 공급해야 한다.
포도당은 D형과 L형의 광학이성질체가 있는데, 인체는 D형 포도당만을 분해할 수 있다. 세포 내 수송 단백질도 L형 포도당은 인식하지 않는다. L형 포도당은 저칼로리 감미료로 개발된 적이 있으나 제조 비용이 매우 높아 상용화되지 못했다. 대신 구조가 유사한 타가토스와 알룰로스가 대체 감미료로 사용된다.
포도당은 다른 단당류나 당알코올 등과 결합해 설탕, 맥아당, 전분 등 다양한 탄수화물을 형성한다. 포도당의 단맛은 자당의 약 70~80% 정도이며, 일반적으로 분자의 크기가 커질수록 단맛은 약해진다. 전분은 단맛이 없지만, 침 속의 아밀레이스가 전분을 가수분해해 작은 당류로 분해할 때 단맛이 느껴진다.
포도당은 환원성을 가지며, 베네딕트 용액과 가열 반응 시 청록색이 황적색으로 변한다. 이는 포도당의 알데하이드기가 구리 이온을 구리 산화물로 환원시키기 때문이다. 상온에서는 반응하지 않으며, 반드시 가열해야 색 변화가 일어난다.
포도당은 식염수나 아미노산과 함께 수액의 주요 성분으로 사용된다. 내시경, 수술 전후, 또는 섭식이 불가능한 환자의 열량 공급 및 수분 유지용으로 쓰인다.
원예 분야에서는 절화의 수명을 연장하거나 광합성이 부족한 식물의 활력제로 쓰인다. 식물이 광합성으로 합성하는 주요 물질이 포도당이며, 식물의 에너지원 역시 포도당이기 때문이다.
식품 산업에서는 포도당 캔디, 에너지 보충제, 제과류 등 다양한 제품의 주원료로 활용된다.
3. 엽록체
식물의 엽록체는 광합성을 통해 이산화탄소와 물로부터 포도당의 전구체인 글리세르알데하이드-3-인산(G3P)을 만든다. 이때 캘빈 회로는 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용해 이산화탄소를 환원시킨다.이렇게 생성된 포도당은 동물계로 전달되어 주요 에너지원으로 사용된다. 동물 세포의 세포질에서는 포도당 1분자가 해당과정을 거쳐 피루브산 2분자와 NADH 2분자를 생성한다. 생성된 피루브산은 미토콘드리아로 이동해 아세틸-CoA로 전환된 뒤 크렙스 회로(TCA 회로)에 들어가며, 이 과정에서 추가적인 NADH와 FADH₂가 생성된다.
이후 미토콘드리아의 전자전달계에서 NADH와 FADH₂가 전달한 전자는 산소를 최종 전자수용체로 하여 물을 생성하고, 그 과정에서 형성된 양성자 기울기를 이용해 ATP가 합성된다.
결국 식물은 광에너지를 화학에너지로 전환해 저장하고, 동물은 이 에너지를 산화 과정으로 다시 해방시켜 생명 활동에 필요한 에너지를 얻는 구조다.
4. 뇌
뇌는 포도당을 주요 에너지원으로 사용하는 기관이다. 정상적인 대사 상태에서는 뇌 에너지의 거의 전부가 포도당 산화에서 나온다. 그러나 단식이나 탄수화물 결핍이 일정 기간 지속되면 지방이 분해되어 생성된 케톤체가 포도당을 대신한다.케톤체는 아세토아세트산, 베타-하이드록시부티르산, 아세톤으로 구성되며, 간에서 지방산 산화를 통해 만들어진다. 이들은 혈류를 통해 뇌로 운반되어 신경세포의 미토콘드리아에서 산화되며 ATP를 생성한다.
즉, 포도당은 뇌의 기본 연료이고, 케톤체는 에너지 공급이 제한될 때 동원되는 보조 연료다. 이런 대체 메커니즘 덕분에 인체는 일정 기간의 단식이나 기아 상태에서도 뇌 기능을 유지할 수 있다.