탄수화물
당질, 糖質, glucide, 탄수화물, 炭水化物, carbohydrate
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.
탄수화물 특징
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.
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)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.
탄수화물 분류
단당류 (Monosaccharide)
탄수화물의 단위체로 5탄당(자일로스(Xylose), 리보스(Ribose), 디옥시리보스(Deoxyribose) 등), 6탄당(포도당(Glucose), 과당(Fructose), 갈락토스(Galactose) 등)이 있다.
이당류 (Disaccharide)
단당류 2개가 결합된 것으로 엿당(Maltose), 설탕(Sucrose), 젖당(Lactose) 등이 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.
특수당류
일부 탄수화물은 당의 작용기가 특수한 원자로 치환된 것이 있는데 질화당류(글루코사민(Glucosamine), 키토산(Chitosan) 등), 할로겐화당류(수크랄로스(Sucralose), 18-FDG 등) 등이 있다.
탄수화물 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 헛수고. 그냥 과일을 먹자.
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 취약해서, 안 그래도 단당류를 비롯한 온갖 탄수화물을 많이 섭취하는데, 이에 비해 몸이 거기에 따라가질 못해 혈당이 높아지는 상태가 장기간 유지되다가 점차 인슐린에 내성이 생기게 되고, 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 운동을 하는 사람도 증가 추세.
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 연구 결과도 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 없다. 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. 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.
향정신성 약물과 유사 반응
마약 암페타민을 투여했을 때와 탄수화물을 섭취했을 때의 도파민 경향이 유사하다고 한다.
탄수화물 분류, 단당류, 이당류, 다당류
탄수화물은 단백질, 지방과 함께 3대 영양소에 속한다. 탄소:수소:산소 = 1:2:1로 조성된 물질이다.
일반식은 Cm(H2O) n이나 물(H2O) 함유하지 않는다. 분자 내에 2개 이상의 수산기(-OH)와 1개의 알데하이드(-CHO) 기나 케톤(=CO) 기를 가지고 있다.
또한, 자연계에 가장 많이 존재하는 유기물질이며, 에너지공급원으로 매우 중요하다.
단순 탄수화물은 주로 당류라고 하며, 단당류와 이당류가 이에 속한다.
반면 복합 탄수화물은 단순당이 여러 개 모인 다당류이며, 녹말, 글리코겐, 식이섬유가 이에 속한다.
단당류
단당류에는 포도당, 과당, 갈락토오스, 리보오스 등이 있다. 자연계에서 사슬형 태나 고리형태로 존재하며, 생체 내에서는 주로 고리형태로 존재한다. 단당류는 광학 활성도에 따라 D-형과 L-형 당으로 분류할 수 있다. D-형 이성질체는 생체계에서만 대사 하고, L-형 이성질체는 생체내에서 이용이 불가하여 (에너지를 내지 못함) 대체 감미료로 쓰인다. 탄수화물은 작용기와 탄소수에 따라 분류를 할 수 있다.
(1) 작용기에 따른 분류
알도오스=분자 내에 알데하이드(-CHO)기를 갖는 당 : 포도당, 갈락토오스, 만노오스
케토오스=분자 내에 케톤 기를 갖는 당 : 과당
(2) 탄소수에 따른 분류
1) 3탄당 : 글리세르알데하이드, 디하이드록시 아세톤
2) 4탄당 : 에르트로오스, 트레이스
3) 5탄당 : 아라비노오스, 크실로오스, 리보오스 등
4) 6탄당 : 포도당, 과당, 갈락토오스
+) 5탄당 : 식물의 잎과 줄기 등의 세포막에 존재하며, 발효 X, 영양학적 가치 X
아라비노오스 : 자연계에서 유일하게 L-형으로 존재
리보오스 : 핵산, ATP, NAD, CoA 등의 구성성분
+) 6탄당 : 자연계에 단독으로 존재 또는 다른 물질과 결합한 상태, 동. 식물에 분포, 발효 O
포도당 : 식물체에 광범위하게 존재, α형이 β형보다 더 안정하고 단맛도 강함
과당 : 유리상태 O, 과실에 광 번위 하게 존재, 감미도 가장 높음
갈락토오스 : 유리상태 X, 유즙, 뇌, 신경조직 등에 함유
단당체의 유도체
→ 일반식이 Cm(H2O)n으로 표시되지 않은 당류를 말한다.
(1) 데옥시당 : 데옥시리보오스, 람노오스, 푸 코오스
(2) 알돈산 : 글루콘산
(3) 당산 : 포도당산
(4) 당알코올 : 솔비톨, 만니톨, 갈락티콜, 이노시톨, 아라 비톨, 리비톨, 자일리톨
(6) 아미노단 : 글루코사민, 갈락토사민
(7) 유황당 : 시니그린 (고추냉이의 매운맛)의 주성분
(7) 배당체 : 안토시아닌, 루틴, 나린진, 솔라닌, 아미그달린, 헤스 페리틴, 시니그린
소당류
(1) 2당류
자연계에서 흔히 볼 수 있는 이당류는 서당, 맥아당, 유당이다. 유당은 다른 이당류와 달리 β결합으로 되어 있어 과량 섭취하거나 유당 분해효소의 부족시 소화되기가 어려운 특징이 있다.
설탕=서당(sucrose) : 포도당+과당(α-1,2 결합) → 비환원당 / 급원: 과즙, 설탕
맥아당=엿당(maltose) : 포도당+포도당(α-1,4 결합) → 환원당 / 급원: 식혜
유당=젖당(lactose) : 포도당+ 갈락토오스(β-1,4 결합) → 환원당 / 급원: 유즙
트레 할로 오스, 셀로 비오스, 이소 말토오스, 루티노오스
(2) 3당류
라피노오스 : 갈락토오스+포도당+과당
제티아 노오스
(3) 4당류
스타키 노오스 : 갈락토오스+갈락토오스+포도당+과당
※콩류에 들어있는 올리고당인 라피노오스와 스타키오스는 사람의 소화효소로는 소화가 안되어, 대장에 있는 박테리아에 의해 분해되어 가스와 그 부산물이 생성된다.
다당류
다당류는 에너지의 저장 형태이거나 식물의 구조를 형성하는 물질이다. 단순 다당류와 복합 다당류로 나뉜다.
(1) 단순다당류: 구성당이 1가지의 당으로 이루어진 다당류
1. 포도당으로 구성된 다당류 : 전분, 덱스트린, 셀룰 오로스, 글리코겐
2. 과당으로 구성된 다당류 : 이눌린
3. 기타 : 키틴, N-acetylglucosamone의 β-1,4 글리코시드 결합
(2) 복합다당류: 구성당이 2가지 이상으로 이루어진 다당류
1. 헤미셀룰로오스, 펙틴, 알긴산, 황산 콘트로 이틴, 히알루론산, 헤파린
2, 펙틴질 : 세포와 세포 사이를 결착시키는 복합다당류, 산과 당의 존재하에 젤 형성(잼, 젤리 등), 기본 단위는 α-D-갈락투론산, 종류는 프로토 펙틴, 펙틴산, 펙틴, 펙트산이 있음
3. 천연 검질 : 적은 양의 용액으로 높은 점성을 나타내는 다당류 및 그 유도체
(3) 소화성 다당류와 난소화성 다당류
1. 소화성 다당류 : 사람의 소화소효에 의해 분해되는 다당류
전분(녹말): 식물에 존재하는 저장 다당류로 곡류, 감자류, 콩류에 많다. 결합 형태에 따라 아밀로오스(포도당α-1,4 결합), 아밀로펙틴(포도당α-1,4 및 α-1,6 결합)으로 나뉜다.
2. 난소화성 다당류 : 사람의 소화소효에 의해 분해되지 않는 다당류
ex) 섬유소, 펙틴, 만난, 한천, 덱스트린, 키틴, 이눌린, 알긴산, 잔탄검
식이섬유: 사람의 체내 소화효소로는 분해되지 않아 소화되지 않는 고분자 화합물 (즉, 식이섬유는 분류상 다당류에 속하지만, 열량 에너지 X, 소화 X!!!) 수용성 식이섬유와 불용성 식이섬유로 나뉜다.
수용성 식이섬유는 펙틴, 검, 헤미셀룰로오스 일부 등이 있으며, 위장통과 지연, 혈청 콜레스테롤 감소 효과가 있다.
불용성 식이섬유는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등이 있으며, 분변량 증가, 장 통과속도를 빠르게 하며, 포도당 흡수를 지연시키는 효과가 있다.