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탄수화물
탄수화물(炭水化物, Carbohydrate)은 수소, 산소, 탄소로 이루어진 유기 화합물을 말한다. 수소 원자와 산소 원자의 비율이 2 대 1이다. 삼대 영양소 가운데 하나로, 녹색식물의 광합성으로 생긴다. 포도당, 과당, 녹말 따위가 있다. 당질(糖質, glucide)이라고도 한다.
개요
탄수화물은 탄소(C), 수소(H), 산소(O) 원자로 구성된 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"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.
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 가공식품에 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.[1]
특징
탄수화물 또는 당질은 포도당, 엿당(맥아당), 젖당(유당), 과당, 설탕(자당) 등 당류의 유도체를 총칭하는 말로, 화학적으로는 탄소, 수소, 산소가 결합하여 이루어진 천연 고분자 화합물(natural high polymer)이자 유기화합물(organic compounds)을 이른다. 광합성의 대표적인 산물로서 자연계에 널리 분포되어 있으며, 지구상의 많은 생명체가 이를 분해하여 에너지 대사에 사용한다. 탄수화물이라는 명칭은 영어 'carbohydrate(카보하이드레이트, 탄소-물 결합체)'를 번역한 것으로, '글루코스(C6H12O6)'의 발견 당시 분자식을 C6(H2O)6인 탄소의 수화물(물 분자와의 결합체)로 오기하였기 때문에 붙여진 이름이다. 현재는 디옥시당(디옥시리보스) 역시 탄수화물의 한 분류로 정의되고 있다.
일상에서 빵, 밥 등을 통해 가장 쉽게 찾아볼 수 있는 에너지원으로, 인류가 농업기술의 개발인 신석기 혁명을 일으킨 이후 정착하고 문명을 일구는 데 공헌한 화합물이나, 그 이면에는 과도한 탄수화물 섭취에 따른 2형 당뇨병 등 인슐린 저항성에 기반한 대사 증후군을 일으키는 원인으로 주목되고 있다. 이에 대중들에게 친숙하지 않은 '탄수화물'이라는 표기보다는 전반적인 이해도를 넓히기 위하여 통칭을 바꾸어야 한다는 의견도 있다. 나이 지긋한 어르신들도 '당을 줄여라.' 는 철칙은 알고 있지만 매한가지로 '탄수화물을 줄여라.'라는 명제에는 잘 공감하지 않기 때문이다. 특히 동아시아에서는 예로부터 '밥심', '밥이 보약', '한국인은 밥을 먹어야 한다.' 등과 같은 관념이 지배적이기 때문에 더욱 탄수화물 섭취를 주의하기가 쉽지 않다. 한때 단백질(蛋白質)이나 지질(脂質)에 대응하여 탄수화물도 당질(糖質)이란 용어로 바꾸자는 운동이 있었으나, 효과는 미미한 편이었다. 반면 일본에서는 당질이라는 표기도 널리 쓰인다.
우리 몸의 에너지를 생산하는 주원료. 운동할 때 탄수화물을 많이 비축해 놓으라고 하는 것을 종종 보았을 것이다. 단 1형 당뇨병 환자에게 외부 인슐린주사 없이는 섭취 가능한 모든 종류의 탄수화물은 독극물이다. 물론 먹는다고 바로 거품 물고 쓰러지는 건 아니다.
구성원소는 지질(lipid)과 같이 C, H, O며, 탄수화물이란 이름은 상술했듯 대개의 탄수화물의 분자식이 Cn(H2O)n의 형태라 '탄소'와 '물'이 화합한 수화물로 착각한 데서 유래한다. 그러나 분자 구조는 탄소와 물이 결합한 형태는 아니고 그냥 알코올기(-OH)[7]가 많이 붙은 알데히드/케톤 꼴이다. 따라서 '탄수화물'보다는 당 복합체라는 표현이 더 직관적이라고 할 수 있다. 우리가 흔히 단맛을 느끼는 당류와 당류가 결합되어 만들어진 곡물류에서 다량 함유되어 있는 녹말(starch), 그리고 섬유질 등이 전부 탄수화물의 범위에 속한다. 디옥시리보스, 리보스는 DNA/RNA의 염기를 보호하는 보호막 역할을 하기도 한다.[2]
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.
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.[1]
분류
- 단당류(Monosaccharide) : 탄수화물의 단위체로 5탄당(자일로스(Xylose), 리보스(Ribose), 디옥시리보스(Deoxyribose) 등), 6탄당(포도당(Glucose), 과당(Fructose), 갈락토스(Galactose) 등)이 있다. 단당류는 탄수화물 중에서 가수분해해도 더 이상 분해되지 않는 당류를 말하며, 다당류를 형성하는 기본 단위가 된다. 단당류는 첫 번째 탄소가 알데하이드기를 가지는 알도오스와 두 번째 탄소가 케톤기를 가지는 케토오스로 분류되며, 분자 내 탄소의 개수에 따라 1탄당부터 9탄당까지 있다. 하이드록실기가 붙어있는 단당류는 여러 입체이성질체로 존재하며, 작용하는 효소들이 다르다. 대표적인 단당류로는 6탄당인 포도당(글루코스), 과당(프럭토스), 갈락토스가 있다.
- 이당류(Disaccharide) : 단당류 2개가 결합된 것으로 엿당(Maltose), 설탕(Sucrose), 젖당(Lactose) 등이 있다. 즉, 이당류는 단당류 분자 두 개가 결합하여 생성되는 분자이다. 다당류는 단당류들의 글리코시드 결합에 의해 생성된다. 2개의 단당 분자는 O-당화결합(O-glycoside bond)이라는 공유결합으로 연결되어 구성되는데, 당과 당 사이에서 일어나는 탈수 축합 반응으로 물이 형성되며, 그 결과 형성되는 화합물을 당화물(glycoside)이라고 부른다(그림 2). 두 당이 연결되는 아노머 탄소의 위치 배열에 따라 헬릭스(helix) 구조를 만드는 알파와 판(sheet) 구조를 만드는 베타 결합으로 구별된다(그림 3). 또 다른 당화 결합인 N-당화결합(N-glycoside bond)은 당의 아노머 탄소를 당단백질이나 뉴클레오타이드의 질소 원자에 결합시킨다. 대표적인 이당류로는 수크로스(자당; 포도당과 과당의 화합물), 락토스(젖당 또는 유당; 포도당과 갈락토스의 화합물), 말토스(엿당 또는 맥아당; 포도당끼리의 화합물)가 있다.
- 다당류(Polysaccharide) : 단당류 여러 개가 결합된 것으로 녹말(Starch)(알파-포도당 중합체), 글리코젠(Glycogen)(알파-포도당 중합체), 셀룰로스(Cellulose)(베타-포도당 중합체) 등이 있다. 다당류는 여러 단당류 분자들이 연속적으로 결합한 중합체로 글리칸(glycan)이라고도 불린다. 대표적인 다당류로 녹말, 글리코겐, 셀룰로스가 있다. 녹말은 식물의 에너지원으로 쓰이며, 글리코겐은 동물의 에너지원, 셀룰로스는 식물 세포벽의 주 구성요소로 식물의 골격을 만든다. 녹말과 글리코겐은 모두 알파 포도당 분자로 이루어져 있으며 셀룰로스는 베타 포도당 분자가 사슬형태로 존재한다.
- 특수당류 : 일부 탄수화물은 당의 작용기가 특수한 원자로 치환된 것이 있는데 질화당류(글루코사민(Glucosamine), 키토산(Chitosan) 등), 할로겐화당류(수크랄로스(Sucralose), 18-FDG 등) 등이 있다.[2][3]
소화 과정
입에서 아밀레이스에 의해 소화가 시작되고 췌장의 아밀레이스에 의해 십이지장 부분에서 대부분 소화, 흡수된다. 내장 상피세포의 효소에 의해 단당류로 분해되고 수송 단백질에 의해 흡수된다. 과당은 촉진확산되고, 포도당, 갈락토스는 Na+와 함께 능동수송된다. 이는 이차능동수송으로, 여기 이용되는 Na+ 기울기는 거의 전부 Na+/K+ pump로부터 생긴다.
섭취된 탄수화물은 분해, 변형되어 최종적으로는 6탄당인 포도당 상태로 우리 몸에서 이용된다. 녹말은 이러한 당의 집합체로서 매우 훌륭한 에너지원이지만, 셀룰로오스는 분해효소가 없기 때문에 체외로 그냥 배출된다. 셀룰로오스는 부피가 크고 수분을 많이 흡수하기 때문에 변비를 예방하는 데 도움이 된다. 다만 섬유가 길어야 효과가 있기 때문에 야채주스 같은 것을 마시는 것은 헛수이며 그냥 과일을 먹으면 된다.[2]
인류의 주력 식생활
인류는 농사를 짓기 시작하면서 본격적으로 대량의 탄수화물을 섭취할 수 있게 되었다. 구석기 시대 사람들은 농사를 짓지 않아 주로 에너지를 고기나 열매에서 얻었기 때문에 그들의 식단은 단백질, 지방 및 약간의 당분이 전부였다고 한다. 다만 구석기 시대에도 인류는 전 세계에 퍼져서 살았다. 전지구적으로 빙하기라 하더라도 기후의 차이는 존재했기 때문에, 사냥에 전적으로 의존하는 부족도 있었고, 열매에 조금 더 의존하는 부족도 있었다. 그러나 분명한 점은 열매에 더 의존하는 부족들도 최소 40% 가량의 영양을 단백질에 의존했으며 주력은 수렵채집이었다.
하지만 수렵 사회가 바로 문명 사회로 넘어가지 못한 이유가 이러한 한계 때문도 있다. 단백질은 대사 과정에서 젖산을 생성해서 많은 에너지를 한번에 소모하기 힘들고, 신체 유지에 있어서도 매우 중요하기에 신체가 단백질을 에너지원으로 우선해서 쓰지 않으려고 한다. 또한, 아무리 사냥감이 지천에 널려 있어도 다수의 인구를 한번에 부양하는 것은 무리였기에 수렵 사회나 유목 사회는 이곳저곳 떠돌아다니는 생활을 해야 했다. 세계 4대 문명 모두가 농경 사회를 이루고 나서야 문명 사회로 나아간 것은 이러한 이유가 있다.
한국인과 탄수화물
한식은 탄수화물의 비율이 상당히 높다.
문제는 한국인이 섭취한 지방을 체지방으로 저장하고, 당을 분해하여 글리코겐으로 축적하는 인슐린의 기능이 선천적으로 취약하다는 것이다. 안 그래도 단당류를 비롯한 온갖 탄수화물을 많이 섭취하는데 이에 비해 몸이 거기에 따라가질 못해 혈당이 높아지는 상태가 장기간 유지되다가 점차 인슐린에 내성이 생기게 된다. 결국, 어느 순간 체내에서 혈당을 낮추는 기능이 작동을 하지 않게 되는데, 이것이 당뇨병이다.
그렇다 보니 현재에는 저탄수화물 수요 및 개발이 상당히 활발하며, 상당수의 음식제품의 용기에 탄수화물 함량을 큼지막하게 적어놓는 제품이 많다. 저탄고지 식생활이 웰빙이라면서 탄수화물을 멀리하려는 운동하는 사람도 증가 추세이다.[2]
결핍과 과잉의 부작용
우선 뇌와 적혈구는 탄수화물에서 얻는 포도당을 최우선적인 에너지원으로 쓰기 때문에 장기간의 단식은 신체와 뇌 활동에 매우 나쁜 악영향을 끼칠 수 있다. 일단 지질을 분해해 어느 정도 보충은 가능하지만, 생리적 균형이 깨지기 때문에 정말 좋지 않다.
반대로 과량섭취한 탄수화물은 섭취된 지방의 소모를 막아 차곡차곡 쌓이도록 한다. 물론 모든 탄수화물이 체중 감량에 나쁘다는 뜻은 절대 아니다. 설탕, 액상 형태의 탄수화물들은 소화 흡수율이 매우 뛰어나기 때문에 글루코겐 합성에 차이가 크다. 탄수화물 섭취량이 많아질수록 비만과 당뇨 등 다양한 질병을 유발하는 혈장 팔미톨레산 농도가 높아지는 것으로 나타났다는 연구결과도 있다.
하지만 지나치게 탄수화물을 절제하는 단백질 다이어트 등은 체내 탄수화물 부족을 야기하고, 탄수화물 대신 지방이 분해되면서 케톤이라는 물질이 분비되는데 이는 입냄새의 원인이 된다. 단, 위의 이야기는 비당뇨병 환자들에 해당하는 것이고, 그보다 심각한 당뇨병 환자, 특히 1형 당뇨병 환자의 경우 관리가 안 되면 탄수화물을 섭취함에도 죄다 소변으로 다 빠져나가기 때문에 쓸 포도당이 없어진 신체는 지방을 태워 에너지를 얻고 그 부산물로 다이어트 때와는 비교를 불허하는 양의 케톤산을 만드는데 이는 피를 산성화 시킬 정도의 양이라서 급성 산독증을 일으킨다. 이를 '당뇨병성 케톤산혈증'이라 하여 환자들이 대표적으로 알아둬야 할 급성 합병증으로 교육한다.
지방과 마찬가지로 탄수화물을 줄이는 다이어트가 유행하면서 마치 지방과 탄수화물은 적게 먹을수록 좋다는 인식을 넘어 섭취하는 것 자체를 죄악으로 여기는 경우도 있다. 단적으로 말해서 우리가 일상생활에서 섭취한다고 건강에 해가 되는 영양소는 없으며, 정말 먹어서 해가 된다면 탄수화물은 영양소가 아닌 독극물로 분류되었을 것이다. 애초에 저탄고지든 고탄저지든 실제로 유의미한 체지방 감량 차이는 없었다. 어찌 보면 당연한 것이, 섭취 칼로리보다 소모 칼로리가 많으면 인체는 당연히 저장된 지방을 쓰기 때문이다. 탄수화물의 섭취가 장기간 결핍되면 저혈당 증세와 더불어 어지럼증, 두통과 함께 근육의 무기력증이 나타나며, 특히 사리분별이나 판단력이 극도로 떨어지게 된다. 괜히 탄수화물이 인체에 꼭 필요한 3대 영양소로 불리는 게 아니다. 그렇기 때문에 뭐든지 적당히 균형있게 섭취하는 게 중요한 것이며, 보통 하루 권장 칼로리의 50~60% 정도인 300~400g을 넘지 않게 섭취하는 것을 권장한다.
속근(순발력)은 탄수화물을 에너지원으로 삼고, 지근(지구력)은 지방을 에너지원으로 삼는다. 즉, 저강도 유산소 운동을 주로 하는 사람들은 저탄고지가 좋고, 고강도 무산소 운동을 주로 하는 사람들은 고탄저지가 좋다. 참고로 유산소 운동이나 무산소 운동이나 속근과 지근의 사용 비율만 다를뿐 둘 다 같이 쓰기 때문에 어느 한쪽의 영양소를 완전히 배제하는 것은 미친짓이다. 참고로 아침에는 신체를 활성화시키기 위해 탄수화물 위주로 먹는 게 좋다고 한다.
실제로 운동하기 전에는 탄수화물을 비롯한 당 성분을 먹는 것이 좋다. 공복 운동을 대다수가 추천하지 않는 이유가 여기 있다. 운동한다는 것은 엔진을 돌린다는 것인데 최소한의 연료마저 없다면 운동을 제대로 하지 못하거나 무산소 운동은 부상 위험이 올라간다. 태아기부터 생후 1천일까지 섭취하는 당분을 줄이면 어른이 돼서 만성질환에 걸릴 위험을 현저히 낮출 수 있다는 연구결과가 나왔다.
향정신성 약물과 유사 반응
KBS 생로병사의 비밀 공식 유튜브 채널의 영상에 따르면 마약 암페타민을 투여했을 때와 탄수화물을 섭취했을 때의 도파민 경향이 유사하다고 한다.[2]
동영상
각주
참고자료
같이 보기
