다당류

2개 이상의 단당류가 글리코시드 결합을 통해 중합체를 이루는 것을 의미한다. 선형 구조나 가지 구조를 이루고 있으며 가수분해에 의해 올리고당류이나 단당류로 분해될 수 있다. 다당류는 단일한 단당류로 구성되거나 혼합된 단당류로 구성될 수 있으며 일부분에 수정(modification)이 있을 수 있다. 다당류는 물을 넣고 열을 가하면 가수분해에 의해 사슬 구조가 파괴되는데 이를 다당류의 호화라고 부르며 곡물의 조리는 이러한 호화를 통해 당류를 쉽게 섭취할 수 있게 해주는 것이다. 또한 이러한 특성 때문에 초호열성 균주를 배양할 때 다당류 분해 효소가 없는 경우에도 다당류를 안정적인 탄소원으로 사용할 수 있다.

목차

녹말은 포도당이 알파 글리코시드 결합을 통해 얻어지는 다당류이며 선형 구조로 되어 있는 아밀로스(amylose)와 가지 구조로 되어 있는 아밀로펙틴으로 이뤄져 있다. 식물의 에너지 저장용 물질이기 때문에 곡물등 식용작물의 식용 부위의 주요 구성 성분이며 아밀라아제라는 효소를 통해 다시 포도당으로 분해될 수 있어 인간과 동물의 영양원으로 널리 사용된다. 바이오 연료의 원료로도 사용되었으나 녹말은 대부분 식용 작물에 얻어지기 때문에 식량을 연료로 소모하는 것에 대한 비판이 제기되었다. 일상 생활에서 식품으로 녹말은 당면이나 전분이라는 형태로 접할 수 있으며 많은 경우 밀가루의 대체재나 보완재로써 사용된다. 산업에 있어서도 알코올 발효의 주원료가 되는 것이 녹말이며 제지산업에서는 종이 제작 과정에서 사용되기도 한다.

셀룰로오스는 포도당이 베타 글리코시드 결합을 통해 얻어지는 다당류이며 식물 세포벽의 주성분이다. 분해효소로는 셀룰라아제(cellulose)에 의해 분해될 수 있으며 이러한 셀룰라아제는 다양한 미생물(세균류, 균류, 조류) 등이 가지고 있으며 동물의 경우 흰개미(termite) 등이 예외적으로 발현하고 있다. 많은 경우 초식동물 자체가 셀룰라아제를 가지고 있지 않지만 장내 미생물을 이용하여 셀룰로스를 분해한다. 또한 목질계 바이오매스(lignocellulosic biomass)의 주 성분으로서 식량자원과 경합하지 않아 바이오 연료 및 바이오 리파이너리의 원료로서 주목을 받고 있다. 이러한 셀룰로오스는 최초의 플라스틱의 원료 물질로 사용되었는데 19세기 말에 하야트 형제가 당구공에 쓰이는 천연 상아를 대체하기 위하여 셀룰로이드를 발명하였다. 이후 셀룰로이드는 다양한 곳에 널리 쓰이게 되었으나 발화 위험이 높아 점차 다른 플라스틱으로 대체되었다.

셀룰로스, 베타-글루칸 다당류의 3D 구조(출처: )

글리코겐은 동물에서 형성되는 포도당 다당류로서 에너지 저장용 물질이라는 측면에서 녹말과 유사하다. 주로 알파-1,4-글리코시드 결합으로 이루어져 있지만 알파-1,6-글리코시드 결합으로 가지를 형성하기도 한다. 주로 간에서 합성이 되며 혈당이 높아지면 인슐린을 통해서 간세포에서 포도당을 흡수하여 글리코겐으로 전환하게 된다. 분자 생물학에서도 이용되는데 에탄올 침전법에서 저농도의 핵산 정제시 침전제로서 글리코겐을 사용하여 핵산을 글리코겐과 함께 침전시키며 흰색의 침전물이 형성된다.

키틴의 구조 (출처: )

키틴은 N-아세틸글루코사민이 베타결합을 통해 얻어지는 다당류이며 셀룰로오스와 유사한 구조를 가지고 있다. 갑각류와 곤충류의 외골격의 주성분이며 셀룰로오스와 더불어 자연계에서 가장 많이 생산되는 다당류이기도 하다. 키틴을 탈아세틸화 처리하여 얻어지는 키토산은 생체적합성이 높고 독성이 없어 생체이식재료, 식품, 미용, 환경분야 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다.

덱스트란은 포도당이 알파-1,6-글리코시드 결합으로 구성되어 있으며 가지 구조는 알파-1,3-글리코시드 결합으로 되어있다. 덱스트란은 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)가 와인에서 처음으로 발견하였으나[1], 대량 생산은 알렌 진스(Allene Jeanes)가 덱스트란을 생산하는 세균을 분리하게 되면서 이뤄졌다. 대량생산된 덱스트란은 한국전쟁부터 혈장 대체제로 사용되었으며 WHO필수 의약품 목록(WHO model list of essential medicine)에 혈장 대체로 등록되었다. 현재는 덱스트란을 잘 생산하는 특정한 유산균(Leuconostoc mesenteroides)을 통해 대규모로 생산되고 있다. 혈장 대체제 이외에도 항응고제(anticoagulants)나 크기 배제 크로마토그래피(size-exclusion chromatorgraphy) 등에도 활용된다.

바이오연료, 미생물(microorganism), 조류(Algae), 바이오매스(Biomass)

김세일/한국표준과학연구원

조유희/차의과학대학교