종이의 주성분인 셀룰로오스와 우리가 주식으로 먹는 녹말은 모두 포도당 고분자임에도 불구하고 사람이 셀룰로오스를 소화하지 못하는 이유가 무엇인가요?

Question

종이의 주성분인 셀룰로오스와 우리가 주식으로 먹는 녹말은 모두 포도당 고분자임에도 불구하고 사람이 셀룰로오스를 소화하지 못하는 이유를 글리코사이드 결합의 구조적 차이를 중심으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

셀룰로오스와 녹말은 모두 포도당이 반복적으로 연결된 고분자라는 점에서 공통점을 가지지만, 사람의 소화 능력은 두 물질을 전혀 다르게 처리합니다. 그 이유는 바로 포도당 단위들이 어떤 방식으로 연결되어 있는지, 즉 글리코사이드 결합의 구조적 차이에 있습니다.

녹말은 주로 α-1,4 글리코사이드 결합과 가지에서의 α-1,6 결합으로 이루어져 있습니다. 이 α-결합은 포도당들이 같은 방향으로 배열되도록 하여 사슬이 나선형 구조를 이루게 합니다. 사람의 소화 효소인 아밀라아제는 이러한 α-결합을 인식하고 끊을 수 있기 때문에, 녹말을 포도당으로 분해하여 에너지원으로 활용할 수 있습니다.

반면 셀룰로오스는 포도당이 β-1,4 글리코사이드 결합으로 연결되어 있습니다. 이 결합은 포도당 단위가 교대로 뒤집힌 형태를 만들며, 직선적이고 단단한 섬유 구조를 형성합니다. 이러한 구조는 사슬들 사이에 강한 수소결합을 가능하게 하여 매우 안정적이고 단단한 성질을 띠게 합니다. 그러나 사람의 소화 효소는 β-1,4 결합을 절단할 수 있는 능력이 없기 때문에 셀룰로오스를 분해하지 못합니다.

따라서 녹말은 우리의 주요 에너지원으로 소화·흡수되지만, 셀룰로오스는 소화되지 않고 식이섬유로서 장 운동을 돕는 역할만 하게 됩니다. 결국 사람은 셀룰로오스를 소화하지 못하는 이유가 α-결합과 β-결합의 구조적 차이에 있으며, 이는 효소의 인식 가능성과 분해 능력의 차이로 귀결됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 종이의 주성분인 셀룰로오스와 주식으로 먹는 녹말은 둘 다 포도당이 반복해서 연결된 다당류라는 점은 동일합니다. 하지만 사람은 녹말은 소화할 수 있어도 셀룰로오스는 거의 소화하지 못하는데요, 이는 포도당끼리 연결되는 글리코사이드 결합의 방향이 서로 다르기 때문입니다.

우선 녹말은 주로 아밀로오스와 아밀로펙틴으로 이루어져 있으며, 알파 글리코시드 결합으로 연결되어 있습니다. 대표적으로 직선 사슬 부분은 알파 1,4 결합, 가지가 갈라지는 부분은 알파 1,6 결합인데요, 이 알파 결합은 포도당 고리가 같은 방향으로 이어져 사슬이 나선형으로 말리기 쉬운 구조를 만듭니다. 즉 비교적 느슨하고 효소가 접근하기 쉬운 형태입니다. 반면 셀룰로오스는 포도당들이 베타 1,4 결합으로 연결되어 있다보니, 인접한 포도당 분자가 번갈아 뒤집힌 자세로 배열되며, 길고 곧게 뻗은 직선형 사슬을 형성합니다. 이 경우에 여러 사슬은 서로 가까이 정렬되면서 수소 결합으로 강하게 묶여 미세섬유 구조를 이루고 있으며 매우 단단하고 질겨서 물에도 잘 녹지 않습니다.

사람이 셀룰로오스를 소화하지 못하는 직접적인 이유는 베타 1,4 결합을 절단하는 효소를 합성하지 못하기 때문입니다. 사람의 침과 췌장에서 나오는 아밀레이스는 녹말의 알파 1,4 결합을 분해하며 소장 효소들도 녹말 분해산물을 포도당으로 잘라 흡수하게 돕습니다. 하지만 셀룰로오스를 분해하는 효소는 가지고 있지 않기 때문에 셀룰로오스는 장을 통과하면서 에너지원으로 흡수되지 않고 식이섬유 역할을 합니다. 이후 장 운동을 돕고, 변의 부피를 늘리며, 장내 미생물 일부가 제한적으로 발효하여 짧은 사슬 지방산을 만들 수는 있지만, 녹말처럼 주된 열량 공급원이 되지는 않습니다. 감사합니다.