생물기기분석학 수업노트-2: 세포구성물질-1 (탄수화물)

- 차 례 -

I. 탄수화물의 종류

1. 단당류

2. 이당류

3. 올리고당류

4. 다당류

II. 성분분석: GC analysis

1. Gas chromatography의 구조

2. 탄수화물의 구성 성분 분석

3. GC chromatogram의 예

III. 결합위치분석: GC/MS analysis after specific chemical reaction

1. 대표적인 이당류

2. 결합위치 분석

3. 분석의 예

- 강 의 내 용 -

I. 탄수화물의 종류

1. 단당류 (monosaccharide)

  (1) 대표적 단당류

     1) 포도당 (glucose, C₆)

     2) 과당 (fructose, C₆)

     3) 갈락토오스 (galactose, C₆)

  (2) 포도당 (glucose)

     1) 혈당(blood sugar): 인간 혈액중에 약 0.1%가 포도당

     2) 생물체의 에너지원 (ATP 생산)

     3) 저장물질의 재료: 글리코겐(glycogen) 또는 지방으로 변환되어 저장

  (3) 과당 (fructose): 가장 단맛을 냄

  (4) 갈락토스 (galactose): 수유동물의 유선에서 생성

2. 이당류 (disaccharide): 단당류 분자가 2개 결합된 당

  (1) 설탕 (sucrose)

     1) 포도당 + 과당

     2) 식물체, 특히 사탕수수 및 사탕무우

  (2) 맥아당 (maltose)

     1) 포도당 + 포도당

     2) 고분자의 다당류가 소화되는 과정에서 생성

  (3) 유당 (lactose)

     1) 포도당 + 갈락토스

     2) 유즙에 존재

3. 올리고당 (oligosaccharide): 단당류가 3개에서 10개 정도가 모여서 이루는 당

  (1) 탄수화물(다당류)의 소화과정에서 생김

  (2) 키틴올리고당

     1) 새우, 게 등의 껍질에 존재하는 키틴

     2) 함암성

  (3) 콩올리고당: 스타키오스 (stachyose)와 라피노스 (raffinose)

  (4) 프럭토올리고당 (fructooligosaccharide): 야채와 과일 등에 함유

  (5) 갈락토올리고당 (galactooligosaccharide)

4. 다당류 (polysaccharide)

  (1) 전분(strach)

     1) 300 ～ 수천개의 당분자가 결합

     2) 아밀로스 (amylose): 전분 중에서 직선 구조를 가진 부분

     3) 아밀로펙틴 (amylopectine): 전분 중에서 가지(branch)를 가진 부분

     4) 아밀로스와 아밀로펙틴은 영양학적으로 기능은 같으나, 물리적 성질이 다름

           a. 찹쌀: 주로 아밀로펙틴으로 구성되어 있으며 끈기가 강함

           b. 맷쌀: 주로 아밀로스로 구성되어 있으며 끈기가 약함

     5) 쉽게 물에 녹지 않으며 단맛이 없음

  (2) 섬유소(fiber)

     1) 식물 세포벽 및 기타 식물체에 존재하는 다당류들의 집합적 명칭

     2) 셀룰로오스 (cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 펙틴(pectin) 및

       검(gum) 등으로 구성

     3) 셀룰로오스: 포도당으로 구성되어 있으나 인체에서 소화가 안됨 (식이섬유)

  (3) 글리코겐 (glycogen)

     1) 동물성 전분이라고도 함

     2) 아밀로펙틴의 구조가 전분보다 많음

II. Gas chromatography (GC)

1. Gas chromatography의 구조

     참고: http://www.cee.vt.edu/ewr/environmental/teach/smprimer/gc/gc.html

   (1) gas supply: 압력 조정기와 유량계를 부착한 기체의 고압 실린더

   (2) injector: 시료 주입 장치

   (3) column: 시료 중에 포함된 물질들의 분리를 위한 컬럼

   (4) oven: 컬럼, 시료 주입기 및 검출기의 각 부분의 온도를 조정할 수 있는 항온장치

   (5) detector: 컬럼을 통하여 분리된 성분을 검출하는 검출기

   (6) recorder: 검출기에서 검출한 신호를 전환시키고 기록할 수 있는 전위계와 기록기

2. 탄수화물의 구성성분 (단당류)의 분석

  (1) 다당류을 산가수분해하여 단당류로 분해

  (2) 표준 단당류를 일정한 조건하에서 GC 분석

  (3) 표준 단당류의 GC chromatotram을 작성

  (4) 가수분해한 시료물질을 GC 분석

  (5) 시료 물질의 GC chromatogram과 표준 단당류의 GC chromatoram을

    비교하여 시료물질의 구성 단당류와 각 구성 단당류의 양을 예측

  (6) 각 구성 단당류의 상대적인 양은 각 피크의 넓이로 계산

  (7) GC로 분석한 예

III. Gas chromatography/mass spectrometer (GC/MS)

1. 원리

   참고: www.unsolvedmysteries.oregonstate.edu/MS_05

(1) ionizer

    1) 가한 힘의 전자가 분자를 이온화시킴 (분자를 분해되기 쉬운 상태로 변환시킴)

        CH₃OH + 1 electron  → CH₃OH^+.+ 2 electrons

    2) 분자구조의 불균형에 의하여 2차 이온화가 일어남

       CH₃OH^+. (molecular ion) → CH₂OH⁺ (fragment ion) + H^.

      (or)  CH₃OH^+. (molecular ion) → CH₃⁺ (fragment ion) + ^.OH

(2) ion analyzer: 분자이온과 쪼개진 분자 입자가 분자량에 따라 분리됨

(3) detector: 분리된 이온 및 입자를 분석함

(4) CH₃OH의 GC/MS spectrum을 분석하여 분자량을 추정

(5) CH₃OH의 GC/MS spectrum

2. GC chromatogram과 GC/MS chromatogram의 비교

(1) GC (gas chromatography)를 사용하여 각각의 단일 성분으로 분리

(2) 분리된 단일 성분을 MS (mass spectrometer) 로 분석하여 분자량을 추정

IV. 결합위치 분석: 화학반응 후에 GC와 GC/MS를 사용하여 분석

1. 대표적인 이당류

  (1) 맥아당 (maltose): (1→4)-O-α-D-glucopyranosyl-α-D-glucopyranose

  (2) 설탕 (sucrose): (1→1)-O-β-D-furctofuranosyl-α-D-glucopyranose

  (3) 젖당 (lactose): (1→4)-O-β-D-galactopyranosyl-α-D-glucopyranose

2. 결합위치 분석

  (1) 화학반응 (acetylation 또는 N-acetylamination)

  (2) 가수분해 (산가수분해 혹은 화학반응에 의한 가수분해)

  (3) 가수분해물의 GC 분석에 의한 구성 성분 확인

  (4) GC/MS chromatogram을 분석하여 구성 당성분 및 결합위치를 예측

3. 포도당의 산화 및 환원

4. 포도당의 화학적 반응

5. GC 및 GC/MS에 의한 결합위치 분석

      (예: (1→4)-O-α-D-glucopyranosyl-α-D-glucopyranose)