작물 탄수화물 대사

탄수화물은 일반적으로 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O) 3 원소를 1 : 2 : 1의 비율로 함유하는 유기화합물로서 광합성의 직접 또는 간접적인 생산 물질이다.

탄수화물은 광합성 과정에 있어서 흡수된 광 에너지의 저장, 식물의 지지조직 형성, 식물체를 구성하는 여러 유기물질의 탄소골격 형성 등 식물체 내에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 탄수화물은 뿌리에서 흡수된 질소와 결합해서 단백질이나 그 밖의 질소 함유 유기화합물을 형성하는 한편, 작물에 안에서 지방이나 그 밖의 지질 화합물로 변화된다.

이처럼 작물 구성하는 여러 가지 유기화합물은 거의 모두가 탄수화물에서 직접 또는 간접적으로 형성된 것이다.

탄수화물은 단당류/과당류 및 다당류의 3군으로 크게 나눌 수 있다.

단당류란 가수분해를 해도 그 이상 간단한 당류로 가수분해될 수 없는 것을 말하며, 함유되는 C 원자의 수에 의하여 분류된다. C 원자의 수가 3, 4, 5, 6 또는 7개인 탄수화물들이 있으나 작물과 같은 고등식물의 물질대사에 있어서 중요한 것은 5탄당과 6탄당이다. 

 

단당류에는 알데하이드기를 가진 알도스와 케톤기를 가진 케토스가 있으며, 이들 당류는 모두 쉽게 산화되므로 환원력을 가지고 있다. 그리고 단당류에는 각각 광학적 이성체인 D형과 L형이 있다. 

작물의 체내에 널리 존재하는 5탄당에는 4가지 종류가 있으며, 모두 가용성 형이 아니고 분자량이 큰 유도체로써 존재한다.

자일로스와 알아 비노는 제각기 세포벽을 구성하고 있는 다당류인 자일랜이나 알아 반의 성분으로서 작물 체제 유지에 중요한 역할을 담당하고 있다. 리보스와 데옥시리보스는 식물 내 핵산의 성분으로서 널리 존재한다.

작물과 같은 고등식물에 보편적으로 함유된 6탄당에도 4종류가 있다. 이들 중에서 글루코스와 프럭토스는 세포질이나 세포액 안에 용해되어 분자 상태로 함유되어 있으며, 호흡 원으로 쉽게 이용된다. 그리고 글루코스와 마노스는 그들의 유도체 형으로 존재하고 특히 세포벽을 구성하는 다당류의 성분을 이루고 있으며, 호흡 원으로 이용되지 않는다.

식물체 내에 함유된 측쇄 단당류로서 존재하는 것도 있다. 

과당류는 그 구조 중에 나타나는 단위 단당류의 수에 따라 2 당류/3 당류/4 당류 등으로 부르며, 단위 단당류의 수가 더 많은 경우에는 다당류에 소속시킨다.

작물 같은 고등식물에 함유된 중요한 2 당류는 자당이다. 자당은 동화생산물로서 직접 형성되거나 광합성에 의하여 생긴 단당류에서 간접적으로 형성된다. 사탕수수 또는 사탕무와 같은 작물은 체내에 자당 함량이 매우 많은데, 이를 생산하기 위하여 재배되고 있다. 자당은 포도당과 과당이 물 1분자를 잃고 축합 된 것이다. 환원당인 포도당과 과당의 축합이 알데하이드기와 케톤기 사이에서 이루어지므로 자당은 환원력을 갖고 있지 않다. 작물과 같은 고등식물에 있어서 탄수화물의 전류는 주로 자당의 형태로 이루어진다.

맥아당은 대부분의 식물에 함유되어 있지만 그 함량은 극히 적다. 그러나 맥아당은 다당류, 특히 전분의 구성 성분으로서 널리 존재하며 아밀라아제에 의하여 전분이 분해될 때의 생성물로서 유리된다. 2분자의 포도당이 말타아제의 효소작용으로 축합하여 맥아당이 합성되는데, 말타아제는 맥아당의 분해에도 작용한다. 2분자의 포도당의 축합에 알데하이드기의 하나는 축합에 포함되어 있지 않으므로 맥아당은 환원력을 갖고 있다. 

가을~겨울에 뽕나무 가지에 함유된 맥아당 함량의 품종 간 차이는 과당이나 자당보다 훨씬 크며, 맥아당의 함량이 많은 품종일수록 내 동성이 강하다고 한다.

셀로비오스는 셀룰로스 또는 리그닌이 분해할 때 생성되는 2 당류이다. 셀로비오스는 2분자의 포도당이 축합 된 것으로서 맥아당과 마찬가지로 환원력을 지니고 있다.

여러 가지 식물에 함유된 3 당류에는 선 티 아노 와 라피노즈가 있다. 이들 3 당류는 환원력이 없으며, 선 티 안과 가수분해되면 2분자의 포도당과 1분자의 과당이 생기고, 라피노즈가 가수분해되면 각각 1분자의 갈락토스, 포도당 및 과당이 생긴다.

라피노즈는 여러 식물의 잎에 소량 함유되어 있지만 종자와 같은 저장기관에 다량 함유되어 있으며 발아할 때 소모된다. 종자 형성의 경우와 같이 식물 조직에 의한 수분의 상실은 라피노즈의 합성을 촉진한다. 라피노즈는 종자뿐만 아니라 나뭇가지나 겨울눈에도 존재하며, 종자나 겨울눈의 발아와 함께 없어지고 늦가을의 생장 정지기에 다시 나타난다. 

식물체에 함유된 4 당류에는 스타킹으로 스가 있다. 스타킹으로 스가 가수분해되면 1분자의 포도당, 1분자의 과당, 그리고 2분자의 갈락토스가 생긴다. 

 

일반적으로 식물체 내의 다당류는 헬 소산, 펜토산, 그리고 헨 소산과 펜토산 혼합체의 3군으로 나누어진다. 헨 소산과 펜토산의 혼합체는 대개 헤미셀룰로스에 해당한다.

식물체에 보편적으로 가장 많이 함유된 다당류는 식물 저장 산물의 하나인 전분과 세포벽의 대부분을 구성하고 있는 셀룰로스이다. 

조류/진균류/세균류와 같은 하등 식물에서는 셀룰로스나 전분 이외에 구조적 기능이나 영양적 기능과 관계있는 다른 다당류가 함유되어 있다. 

전분이나 셀룰로스는 고분자화합물이며, 전분이 가수분해되면 알파 대 글루코스가 생기고, 셀룰로스가 가수분해되면 베타 대 글루코스가 생긴다. 전분이나 셀룰로스는 물론 그 밖의 다당류도 일반적으로 단당류나 과당류와는 달리 물에 불용성이며 단맛이 없다.

관련 문헌: 변종용ㆍ윤성중ㆍ이인중ㆍ김도순, 삼고 작물 생리학(서울: 향 문사, 2014), 165-170p