유당의 합성과 분해

우유의 단 하나뿐인 탄수화물, 유당(젖당: lactose)에 대해 알아보도록 한다.

 

 

유당의 합성과 분해

 

 유당은 포유류의 젖에서 발견되는 이당류로 자연상 생합성은 오직 포유동물의 유선 세포에서만 일어난다. 유당은 포도당과 갈락토즈가 베타 1-4 글리코사이드 결합을 이루고 있다. 유당은 유선 세포에서 칼락 크로 실 전이효소의 촉매반응에 의해 갈락토즈와 포도당이 결합반응을 하게 된다. 하지만 갈락토실 전이효소는 그 자체만으로는 유당과 반응하지 않고 알파 락토 글로불린 단백질이 있는 조건 하에서만 포도당과 갈락토스가 결합하는 반응을 시작한다. 유선 세포에서는 갈락토실 전이효소와 알파 락토 글로불린을 함께 분비하여 반응이 이루어지게 한다.

 한편 유선 세포 안에서 갈락토스는 포도당의 유도물질로 유도된다. 먼저 포도당이 헥소 키 네이즈 효소를 통해 ATP 한분자를 소비하여 포도당 6탄당 의 6번 탄소에 인산기를 붙여준다. 그다음 6번 탄소 자리에 인산기가 붙어있는 상태에서 인산당 변환효소를 통해 인산기의 위치를 1번 탄소로 옮겨 포도당-1-인산 화합물로 만들어 준다. 생성된 포도당-1-인산 화합물은 파이로포스포릴에이스 효소에 의해 갈락토스가 된다. 이렇게 만들어진 갈락토스와 기존 세포에 있는 포도당은 알파 락토 글로불린과 갈락토실전이효소에 의해 유당으로 합성되는 것이다.

 분해의 경우에는 유당 분해 효소인 베타-갈락토사이데이스 효소에 의해 분해되어 소화 과정을 거친다. 포유류의 초기 생장 시기, 즉 유아기 때는 영양원이 어미의 젖 단 한 가지 이기 때문에 우유의 탄수화물 성분의 대부분을 차지하는 유당은 이 시기 때 매우 중요한 에너지원이다. 유아기 때는 유당 분해효소가 많이 분비되어 유당을 포도당과 갈락토스로 분해하여 소화 흡수할 수 있지만, 성장함에 따라 유당 분해효소가 생성되는 양이 점차 줄게 되어 섭취하는 유당을 전부 소화시키지 못하게 된다.

 

유당불내증 그리고 미생물

 

 이렇게 소화 및 분해되지 않은 유당은 대장으로 도달하여 장내 세균들. 유익균과 유해균을 가리지 않고, 의 탄소 영양원이 되어 포도당과 칼락토스로 분해된다. 미생물이 장내에서 일종의 발효공정을 진행함으로써 이산화탄소나 메탄가스 등의 물질이 장에 안 좋은 영향을 미쳐 복통이나 설사를 유발한다. 하나 설사의 주된 이유는 유당이 미생물에 의해 단당류인 포도당과 갈락토스로 분해되었기 때문에 삼투압 측면에서는 2배가 증가하는 셈이 된다. 장내 삼투압이 높아져 세포에서 물이 이동하게 되어 설사를 하게 되는 것이다.

 유당은 미생물의 좋은 에너지원으로도 널리 사용된다. 일상생활에서도 미생물의 유당 이용을 체감할 수 있을 정도이다. 대표적으로 우유 발효 제품 중 요구르트, 케피어 등의 제품이 유산을 생성하는 유산균에 의해 만들어진다. 유산균의 유산 발효 기작은 포도당을 원료로 시작하지만, 생장 환경인 우유에서는 이당류인 유당이 대부분이기 때문에 유산균은 우선적으로 유당을 포도당과 칼락토스로 분하여 분해산물인 포도당으로 발효를 진행한다. 자세한 과정을 살펴보면 세균의 경우에는 유당을 사용하는 기작이 장내 유당 분해 효소의 반응과는 다소 상이하다. 우선 비교적 큰 분자인 이당류를 세포 내로 가져오기 위해 세포막에서 당인산화와 전이를 동시에 수행한다. 인산화된 유당은 막 내부로 들어가게 되고 세균 내에 인산을 인지하는 효소인 인산베타칼락토오스분해효소 에 의해 가수분해 된다. 이때 유당을 세포 안으로 운송하는 방법은 크게 두 가지로 하나는 유당-갈락토스 역수송체 채널이고 다른 하나는 락토스 양자 동시 수송 채널이다. 한편 운송 기작이 인산화를 수반하지 않는 경우도 있는데 이때는 베타갈락토스분해효소에 의해 분해된다. 베타갈락토스분해효소 산업에서 주로 쓰이고 있는 균주는 곰팡이로서 대표적으로 아스퍼질러스 나이저가 쓰인다. 아스퍼질러스 나이저는 효소 생성 산업뿐만 아니라 곰팡이가 수반되는 대부분의 식품 및 제약 산업에 쓰이는 안전하고 통제가 쉬운 균으로서 매우 중요한 위치에 있으며 유당 분해효소 산업에서도 매우 유용하게 쓰이고 있다. 낙농산업에서는 유당불내증에 관련하여서 많은 연구와 시도들이 있었다.

젖을 떼며 유당분해효소가 줄어든다.

 

 

유당불내증의 해결방법과 기술

 

 유당불내증은 유아기 때 생성되던 유당 분해효소가 성장에 따라 줄어들어 유당이 장에 도달하여 미생물이 대사작용의 영양원으로 사용함으로써 발생된다고 본문에서 이미 언급한 바가 있다. 유당불내증은 주로 서구식 식문화 이외의 문화권에서 매우 높은 확률로 발생하며 동아시아의 경우 대부분의 사람들이 성인이 되어 유당불내증을 가지고 있다고 보고 있다. 서구식 식습관에서 유당불내증 환자가 적은 이유는 꾸준한 유제품 섭취로 인해 유당 분해효소가 유당을 충분히 분해할 만큼만 줄어서 이다. 실제로 서구식 식습관에서 유당은 전체 섭취 탄소원의 약 10% 정도로 그 양이 매우 많은 것을 알 수 있다. 각설하고 유당불내증을 완화하기 위해 낙농산업에서는 유당 분해효소를 우유에 직접 첨가하는 방향을 시도해 보았었다. 그러나 2 당류 인 유당이 갈락토스와 포도당으로 분해되어 인간이 느끼는 당도가 매우 증가하였다. 이당류가 단당류 두 개로 되어 단맛이 증가하는 이유도 있지만, 대게 탄수화물은 그 분자의 구성과 크기가 작을수록 단맛이 강한 것으로 알려져 있다. 그러므로 이당류인 유당인 단당류 두 개로 분해되면 단맛이 너무 강하여 상품성이 떨어지는 것이다.