[◈임상화학◈]탄수화물(당에 대하여)

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탄수화물

1. 탄수화물의 개요

1. 탄수화물의 정의

- 화학적으로는 Polyhydroxy Aldehyde 또는 Polyhydroxy Ketone 으로 있든가,

또는 가수분해에 의해서 Aldehyde 나 Ketone 을 형성하는 화합물로 된것을 말한다.

2. 탄수화물의 분류

1. 포도당 ( Glucose )

1) 화학식 : C₆H₁₂O₆

2) 기 능 : 조직이나 세포의 에너지원으로 뇌의 작용을 주관한다.

혈중 과잉의 포도당은 간중의 Glycogen 으로 저장되어 필요에 따라 혈당으로

되돌아 온다.

3) 혈당이란 ( Blood Glucose )

- 혈액중에 존제하는 당류로 통상혈액에는 Glucose 가 주된 성분이기 때문에 혈당이라

할 경우에는 Glucose 로 생각해도 좋다.

3. 광학적 활성 ( Optical Activity )

- 광학적 이성체는 Structural, Functional, Geometric, Optical 로 나뉘어진다.

1. 구조 이성체 ( Structural Isomers )

- 구조이성체는 분자식과 기능기는 같은나, 구조식이 다르다.

2. 관능 이성체 ( Functional Isomers )

- 관능이성체는 구조이성체에 속하며, 분자식은 같지만 기능기와 구조식이 다르다.

3. 기하 이성체 ( Geometric Isomers )

- 입체 이성체에 속하며, 같은 분자식을 가지면서도 Double Band 나 Ring System 에 의한

한정된 회전때문에 구조식이 다르다.

4. 광학 이성체 ( Optical Isomers )

1) 입체이성체에 속하며, 광학이성체이다.

2) 광학이성체는 편광을 다른 각도로 회전시킨다.

* 광학이성 ( Anomer )

+- OH 기가 오른쪽에 있으면 α, 왼쪽에 있으면 β

+- Mutarotation ( 관여효소 : Mutarotase ) : α 에서 β 로의 전환되는것.

| ex) α - D - Glucose --------→ β - D - Glucose 로 변한다.

+- 광학이성은 실온에서 용액상태가 평형을 이루면 α 가 36 %, β가 64 %, 약간의

Free Aldehyde 형이 존재하게 된다.

2. 탄수화물의 분류

1. 단당류 ( Monosaccharide )

- 오직 하나의 당질 분자를 포함하고 있는것. ( 가수분해 되지 않는다. )

1. 단당류의 종류 ( 탄소수에 따른 분류 )

1) 3 탄당 : Glyceraldehyde, Dihydroxyacetone

2) 4 탄당 : Erythrose, Threose, Erythrulose

3) 5 탄당 : Ribose, Arabiose, Xylose, Ribulose

4) 6 탄당 : Glucose, Mannose, Galactose, Fructose

2. 이당류 ( Disaccharide )

- 2 개의 분자가 Glycosidic Bone 에 의해서 결합된것.

- 이당류는 가수분해에 의해 두개의 단당류가 된다.

1. 이당류의 종류

+- Maltose = Glucose + Glucose -+

| | → Free Aldehyde Group 이 있어 환원력이 있다.

+- Lactose = Glucose + Galactose --+

+- Sucrose = Glucose + Fructose ( Ketone ) → 환원성이 없다.( 비환원당 )

* Sucrose 는 glucose 의 aldehyde 가 과당의 ketone 과 결합하여 carbonyl group 이

없어지므로 환원성이 없다. ( 비환원당 )

3. 다당류 ( Polysaccharide )

- 단당류들이 결합에 의해서 긴사슬을 이룬것. ( 단당류의 중합체이다. )

1. 다당류의 종류

1) Glycogen : 동물성 다당류로서 간 및 근육에 저장되어 있다.

Glycogen 을 형성하는 단당류는 Glucose 이다.

2) Starch ( 녹말 ) : 식물성 다당류로서 저장형이다.

Amylose 와 Amylopectin 으로 나뉘어진다.

3) Cellulose : 모든 식물의 구조성분이다.

4. 탄수화물의 대사

1. 탄수화물 대사에 관계되는 용어

Glycogenesis Lipogenesis

↗ ↖ ↗ ↘

Glycogen Glucose Lipid

간, 근육 ↘ ↗ 혈액내 ↖ ↙ 조 직

Glycogenolysis Gluconeogenesis

* +- Glycogenesis : 포도당 ( Glucose ) 이 Glycogen 으로 합성되는것.

+- Glycogenolysis : Glycogen 이 포도당 ( Glucose ) 으로 분해되는것.

+- Lipogenesis : 포도당 ( Glucose ) 이 Lipid 로 합성되는것.

+- Gluconeogenesis : 탄수화물이 아닌 다른것으로부터의 포도당신생을 뜻한다.

2. 해당작용 ( Glycolysis )

- 해당작용이란, Glucose나 Glycogen이 산화과정을 통해 Pyruvic acid나 Lactic acid로

된는것을 말한다.

Glucose Glycolysis ( 해당작용 ) Pyruvic acid

↘ ↗

--------------------------------------

↗ ↘

Glycogen Lactic acid

5. 혈당의 조절

1. 당의 신역치 ( 신장이 감당할수 있는 당의 한계 ) : 160 - 180 mg/dl

2. 공복시 혈당 ( Fasting Blood Sugar Level ) : 80 - 120 mg/dl

6. 포도당 측정용 검체

1. 혈청 > 혈장 ( 항응고제로 인한 목적성분의 오염 ) > 전혈 ( 비당 환원성물질의 영향 )

2. 원심분리를 하지않고 응고시키면 포도당은 평균 1 시간에 7 % 씩 감소한다.

3. 헤파린 처리 혈액은 실온에서 1 시간에 12 % 씩 감소한다.

4. 용혈되지 않은 혈청내의 포도당은 25 ℃ 에서 8 시간, 4 ℃ 에서 72 시간 안정하다.

5. 당방부제로 Flucoide oxalate mixture ( Pot. oxalate + NaF/blood ) 를 사용하면

glucolysis 를 방지할수 있는데 urease 이용 측정이나 효소측정에는 사용할 수 없다.

6. 요의 보존은 5 ml 빙초산이나, Sod. benzoate 를 사용하고, CSF 는 즉시 측정한다.

7. 탄수화물의 정상치

1. 혈청이 전혈보다, 동맥혈이 정맥혈보다, Folin wu 가 Somogyi 보다 높게 측정된다.

* 동맥혈 > 모세관혈 > 정맥혈

2. 환원법에서 포도당 정상치는 10-20 mg/dl 정도 높게 나타난다. (비당환원성 물질의 영향)

3. 정 상 치 +---------------------+---------------+-------------------+

| 구 분 | 혈 관 | 정 상 치 |

+---------------------+---------------+-------------------+

| Hargedon - Jensen | Capillary | 80 - 120 mg/dl |

| Folin - wu | Whole Blood | 80 - 120 mg/dl |

| Somogyi - Nelson | Whole Blood | 70 - 110 mg/dl |

| Hexokinase | Serum | 70 - 110 mg/dl |

| O.T.B | Serum | 70 - 110 mg/dl |

| GOD - POD | Capillary | 60 - 100 mg/dl |

+---------------------+---------------+-------------------+

8. 포도당의 신역치 ( Renal Thresold )

- 건강인에서는 Glucose 를 대량으로 섭취하지 않는한 뇨중으로 Glucose 의 배설은 없다.

이것은 사구체에서 여과된 Glucose 가 세뇨관에서 재흡수 ( 100 % ) 되기 때문이다.

그러나 혈당이 160 mg/dl 이상으로 되면 뇨중으로 배설되는데, 이때 160 mg/dl 를

배설의 신역치라 한다.

1. 신장이 감당할수 있는 당의 한계치 ( 신역치 ) : 160 - 180 mg/dl

2. 진성당뇨 ( 1 차성 당뇨 ) : 간경화증, 포도당의 증가, 췌장이나 간의 기능이 좋지

않을때 유전적 소인을 보인다.

9. 혈당의 조잘인자

증 가	감 소
1. 소장에서 포도당의 흡수 2. 포도당의 합성 ( 비당체 → 당체 ) → Glycogenesis 3. 호르몬의 작용.-+- Epinephrin +- Glucagon ( α - cell ) +- ACTH (부신피질자극 H) 4. Glycogenolysis - Glycogen → Glucose	1. 근육에서의 Glucogen 으로의 합성. → Glycogenesis 2. 지방으로의 합성 → Lipogenesis 3. 조직에서 Glucose 의 산화. 4. 호르몬의 작용 → Insulin ( β - Cell ) * Insulin 은 췌장의 Langerhans islet 의 β - Cell 에서 생산된다.

3. 포도당의 측정방법

1. 당의 환원력을 이용하는 방법

- 환원법은 비당환원성 물질의 영향에 의해서 당치가 높게 측정된다.

하지만 Somogi - Nelson 법에서는 지당환원성 물질의 영향을 받지 않으므로 진당치가

측정된다.

1. 구리를 이용하는 방법 ( Alkaline Cupric Reaction )

1) 원 리

Glucose + Cu⁺⁺ ( 청동 ) -------------------→ Cu⁺ ( 적동 ) + Sugaric acid

Heating ( OH^- )

* 적동 ( Cu⁺ ) 은 매우 불안정하므로 다시 역산화되기 쉽다.

그래서 역산화를 방지하기 위해서 Folin - Wu Tube 를 사용한다.

2) 시 약 ( 알카리 동 시약을 사용 )

- 무수 탄산나트륨, Sod.tatrate, Pot.tatrate, CuSO₄ 등을 사용한다.

1. Folin - wu Benedict method

1) 원 리

① 제 단 백 : Na₂WO₄ + H₂SO4 → Na₂SO₄ + H₂WO₄

② 환원반응 : Cu⁺⁺ + glucose -----------------─、 Cu₂O ( 적색 )

heat, OH^-

③ 발색반응 : Cu⁺ + Phosphomolybdate ( MO⁺⁺ ) → blue molybdenum 복합체 ( 520 nm )

2) 실 험 기 구

① 적동 ( Cu⁺ ) 는 불안정 하므로 다시 역산화되기 쉽다.

② Folin - wu Sugar Tube : 역산화 방지 ( Cu⁺ → Cu⁺⁺ )

2. Somogyi - Nelson method ( 진당 정량 )

1) 원 리

① 제 단 백 : ZnSO₄ + Ba(OH)₂ → Zn(OH)₂ + BaSO₄

② 환원반응 : Cu⁺⁺ + glucose ---------------、 Cu₂O (적색)

heat, OH

③ 발색반응 : Cu⁺ + Aresenomolybdate ( MO⁺⁺ ) → blue molybdenum 복합체 ( 520 nm )

* 단백뿐만 아니라 비당환원성 물질들도 거의 제거가 가능한 방법이다. ( 진당치 측정 )

2) 시 약

- Glucose Standard Sol. : 건조 무수 포도당 1000 g 을 0.25 % 의 Benzoic acid

( 당방부제 ) 에 녹여서 사용한다.

3. Cu - Neocuproin method

1) 원 리

Cu⁺ + Neocuproine ------------→ Cu - Neocuproine Complex ( Yellow - Orange )

* Hoffman method 자동분석기에 사용한다.

2. 철을 이용한 방법 ( Alkaline Ferric Reaction )

1) 원 리

Glucose + Fe(CN)₆^-3 -------------------→ Fe(CN)₆^-4 + Sugaric acid

Heating (OH)^-

1. Hagedorn - Jensen method ( H - J method )

1) 원 리

a. 제 단 백 : ZnSO₄ + 2Na₂OH → Zn(OH)₂ + Na₂SO₄

b. 환원반응 : K₃Fe(CN)₆ --------------------------─、 K₃Fe(CN)₆^-4

heat OH^- , glucose

c. 적정반응 : 나머지 폐로시안염을 Iodine 으로 적정하여 정량한다.

2. 축 합 법 ( 강산에서 반응 )

- 강산의 존재하에서 가열하면 Ferfural 유도체를 형성한다.

1. O.T.B ( O - Toluidine method )

1) 원 리 : Glucose + O-Toluidine --------→ Glycosylamine ( Green-Blue : 635 nm)

* glucose 를 초산과 같이 가열하여 생긴 5-hydroxymethyl-2-furfural 에 O-toluidine 을

축합시켜 생성된 청색 복합체를 635 nm 에서 비색하여 측정한다.

2) 특 징 : 신속, 제단백이 필요없다. 미량 검체 사용에 용이, 용혈과 관계 없다.

Galactose, Mannose 등이 관여한다.

* 특이성이 좋고, 측정법의 개량으로 간이, 신속, 초미량등의 이점으로 많이 사용된다.

3) 시 약 : Thiourea ( 발색안정제 ), Boric acid ( 발색증강제 )

* 시약에 Thiourea 를 가해 발색을 안정시켯고, 붕산을 가해 정색을 1.5 배 증강시켰다.

3. 효소법 ( Enzyme Method )

- 특이성과 감도가 좋으며, 유해한 시약을 사용하지 않으므로 현재는 가장 많이 사용한다.

1. GOD - POD method

1) 원 리 : 생성된 H₂O₂ 를 분해효소인 POD 를 이용하여 색소원을 산화 비색하는 방법이다.

① 1 단 계 : 효소의 반응

β - D - Glucose + O₂ + H₂O ---------→ D - Glucuronic acid + H₂O₂

GOD

② 2 단 계 : H₂O₂ 정량의 단계

H₂O₂ + Chromogen ------------→ Quinone Chromogen ( Red ) + H₂O

POD

2) 시 약

① Chromogen : O - dianisidine ( Brown), O - Toluidine ( Blue ), ABTS ( Yellow )

4 AA + Phenol, 4AA + DMA, 4AA + DEA, MBTH + DEA

② 발색안정제 : HCl

③ 안 정 제 : Gumagtti

3) 특 징 : 진당보다 낮은 수치를 나타낸다. ( 측정법중 가장 낮은 결과치 )

4) GOD - POD 법은 혈당 및 뇨당의 간이측정용 시험지법에 널리 이용되고 있다.

2. 산소 전극법

- 생성된 H₂O₂ 또는 소비된 O₂ 를 H₂O₂ 전극, O₂ 전극을 이용하여 전기 화학적으로 측정하는

방법이다.

- glucose + O₂ + H₂O, glucose acid + H₂O₂

3. Hexokinase Method

1) 원 리 : 포도당을 ATP 존재하에서 HK 에 의해 Glucose - 6 - Phosphate 를 전환시켜

이것을 2 가지 방법으로 측정한다.

2) 특 징 : 고도의 특이성을 가지고 있으며, 가장 정확하다.

3) H.K G-6-PD Method

HK

Glucose + ATP -------------→ Glucose - 6 -Phosphate + ADP

Mg⁺⁺

G6PDH

G-6-Phosphate + NADP ------------→ 6-Phosphogluconic acid + NADPH (340 nm)

4) H.K PK.LDH Method

HK PK

Glucose + ATP ------、 ADP + PEP ( Phosphoenolpyruvate ) -----、 Pyruvate

Mg⁺⁺

LDH

Pyruvate + NADH + H⁺ -------、 Lactate + NAD ( 340 nm 에서 NADH 의

흡광도 감소를 측정한다.)

5) Glucose dehydrogenase ( GDH ) Method

GDH

β-D-glucose + NAD -------、 D-glucucuronolactone + NADH ( 340 nm 흡광도

4. 포도당 부하시험

- 당 동화는 시험, Glucose Tolurance Test ( GTT ) 라고도 한다.

1. 포도당 부하시험의 개요

1. 목 적 : 간 기능의 진단, 간 기능이 좋지 않으면 당이 나온다.

2. 원 리 : 체내의 당질 제거능을 이용하여 포도당을 경구 또는 경피적으로 투여한후 일정한

시간마다 당분해능을 검사한다.

3. 정 상 인 : 당 투여후 30 분 ( 45 분 - 1 시간 ) 에 최고치를 보이나, 2 시간 이후에는

정상으로 되돌아 온다.

4. 정 상 치 --+- 식전 공복 : 100 mg/dl 이하

+- 1 시 간 : 160 mg/dl 이하

+- 1 시간 30 분 : 140 mg/dl 이하

+- 2 시 간 : 120 mg/dl 이하

5. 임상적 의의

1) 혈당치를 증가시키는 인자

- 당질부하, 호르몬 분비의 불균형 ( 인슐린분비 부전, 부신피질 호르몬, 부신수질

호르몬, 뇌하수체 호르몬, 갑상선 호르몬, Glucogen 의 이상분비 )

2) 혈당치를 감소시키는 인자

- 인슐린의 과잉분비, 당질부하부전, 당질의 흡수부전 등.

6. 기 타

1) 1 차성 당뇨병 ( 진성 당뇨병 )

- Insulin 결핍에 의한병 → 관리되는 병

2) 2 차성 당뇨병 : 원인질화을 제거하면 당뇨 제거 → 완치되는 병

- 췌장질환, 갑상선 기능항진증, 부신기능 항진증, 중증 간장해, 두부외상, 비만,

임신 등.

2. 포도당 부하시험의 측정방법

- 포도당 부하시험은 공복시 혈당이 정상치 보다 높은 값을 나타내는 경우에는 반드시

실시하여야 한다.

1. 경구 부하법 ( Standard Oral GTT )

- 포도당을 경구로 투입하여 혈당곡선과 요당을 검사한다.

- 2 시간 동안 30 분마다 혈당을 측정하고, 1 시간 마다 요당을 측정한다.

2. 정맥내 부하법 ( Intravenous GTT )

- 경증 당뇨병 또는 만성 췌장염의 진단과 예후판정에 좋다.

- 췌장질환에서는 40 분이상둁이고, 특히 급성췌장염과 췌장암에서는 90 분이상 지연되는

것이 많다.

* 포도당 부하후 혈당과 동시에 무기인 정량을 하면 진단상 참고가 된다.

즉, 포도당 부하에 의해 혈중 무기인은 인산 에스텔화에 이용되기 때문에 낮아지지만

당뇨병에서는 감소하다.

3. 식후 2 시간치 ( Two Hour Postprandial Glucose )

- 포도당 부하시험 식후 2 시간치는 당뇨병의 평가에 매우 중요하다.

- 식후 2 시간치 하나로도 당뇨병의 예비검사를 대치할수 있다.

* 포도당 농도가 120 mg/dl 이상이면 확인을 위해 GTT 를 꼭해야하며, 110 - 120 mg/dl

사이이면 의심스런 정도이므로 GTT 를 해야한다. 109 mg/dl 이하이면 정상으로 본다.

4. Glycosylated Hemoglobin ( 당화 헤모글로빈 = Hb A₁ ) : 태반을 점유

1) Hb A₁ 의 종류 ---+- Hb A₁ a

+- Hb A₁ b

+- Hb A₁ c → 50 % * Glycosylated Hb 의 Hb A₁ c 가

+- Hb A₁ d 태반을 점유하므로 이것을 다음과 같이

+- Hb A₁ e 측정한다.

* Hb A₁c 는 β - 사슬 N 말단의 Valine 에 Glucose 가 Schiff 결합한 것으로, 이 반응은

적혈구의 수명인 120 일동안 연속적으로 되며, 혈액내의 Glucose 농도와 비례한다.

* Hb A₁c 은 당이나 Glucose - 6 - Phosphate 와 결합해서 소위 Glucosylated Hb 를

이룬다.

2) Hb A₁ c 의 측정법 --+- 전기영동법

+- 등전점 전기영동법

+- RIA, TBA ( 비색법 )

+- 이온교환 크로마토 그래피 ( IEC )

3) 정 상 치 --+- Total Hb : 6 - 8 % ( 8 % 이상 : DM )

+- Hb A₁ c : 5 - 6 %

* Hb A₁c 는 혈당수준에 따라 서서히 진행되기 때문에 당뇨병 환자의 1 - 3 개월전의

혈당 수준을 반영한다. 그리고 뇨당치와 상관한다. 일내변동이 적고, 환자에게 제한이

없다.

3. 미니 칼럼법

1. 이온 교환수지를 충전시킨 소형 칼럼 ( 미니칼럼 ) 는 이용해서 분리하는 방법으로, HbA₁ 의

전하의 차이에 의한 분별로써, 임상검사 목적에 적당한 간편법으로 여러 종류가 시판되고

있다.

2. 용출액의 PH, 이온강도, 온도에 따라 차이가 나므로 주의하고 온도는 23 ± 1 ℃ 로

설정한다.