碳水化合物定义

我们的身体获取能量的三种主要方式之一来自一种称为碳水化合物（也称为碳水化合物）的宏量营养素。由于碳、氢和氧构成了它们的化学成分，因此它们被称为碳水化合物。除了糖、纤维和淀粉外，碳水化合物也是必需的营养素。除了奶制品和其他奶制品外，碳水化合物还存在于谷物、蔬菜、水果，甚至牛奶中。这些基本的食物组至关重要，在健康生活中发挥着重要作用。

在消化系统的消化过程中，含碳水化合物的食物会转化为葡萄糖或血糖。我们身体的细胞、器官和组织将这种糖用作能量。我们的肌肉和肝脏会储存多余的糖或能量以备后用。

“碳水化合物”一词源于法语短语“hydrate de carbon”，意为“碳水化合物”。这类有机物质的通式为 Cn(H2O)n，通常称为碳水化合物。

碳水化合物的分类

碳水化合物主要分为四大类，即**单糖、二糖、寡糖**和**多糖**。这种分类是根据聚合度进行的。让我们详细了解一下

单糖

碳水化合物最简单的形式是单糖，因为它们不能被消化成更小的碳水化合物。“单”一词说明存在单个糖单元。它们是带有两个或多个羟基的醛或酮。未修饰的单糖的典型化学式为 (C-H2O)n，其结构中包含“碳水化合物”。单糖是重要的燃料分子，也是核酸的基础。二羟基丙酮以及 D- 和 L-甘油醛是最小的单糖，n=3。

羰基的位置、存在的碳原子数量以及单糖的手性是分类它们的三个特征。在醛羰基的情况下，单糖是醛糖，在酮羰基的情况下，它是酮糖。三碳糖是含有三个碳原子的单糖；四碳糖是含有四个的；五碳糖是含有五个的；六碳糖是含有六个的；依此类推。这种分类系统经常结合使用。例如，核糖和葡萄糖中的五碳和六碳醛形成醛糖戊糖，果糖中的六碳醛形成酮糖（六碳酮），分别代表六碳醛。

除了第一个和最后一个碳原子外，所有带有羟基（-OH）的碳原子都是不对称的，这使它们成为具有两种潜在构型（R 或 S）的立体中心。这种不对称性允许为每个给定的单糖配方存在多种异构体。例如，醛糖六碳糖 D-葡萄糖的配方为 (CH2O)6，其六个碳原子中有四个是立体生成点，根据 Le Bel-van't Hoff 规则，它是 16 种潜在立体异构体之一。甘油醛的醛糖三碳糖只有一对潜在的立体异构体，它们是对映异构体和差向异构体。与甘油醛的醛糖对应的酮糖是 1,3-二羟基丙酮，它是一种对称分子，没有立体中心。

根据典型的费歇尔投影，如果羟基位于右侧，则分子为 D 糖；如果不在此，则为 L 糖。这是由离羰基最远的不对称碳的方向控制的。区分“D-”和“L-”前缀与“d-”和“l-”很重要，因为后者表示糖旋转平面偏振光的方向。在碳水化合物化学中，“d-”和“l-”这两个术语已不再这样使用。

二糖

二糖由两个连接的单糖组成，是最基本的糖类形式。蔗糖和乳糖是两个例子。它们由两个单糖单元组成，通过称为糖苷键的共价键连接，糖苷键由脱水反应产生，脱水反应会导致一个单糖的羟基和一个原子的氢从另一个单糖上脱落。二糖的配方为 C12H22O11，未改变。二糖有多种类型，但只有少数几种引人注目。

如上图所示，最常见的二糖以及碳水化合物在植物中运输的主要方式是蔗糖。构成它的两个分子是一个 D-葡萄糖和一个 D-果糖。O-?-D-吡喃葡萄糖基-(1?2)-D-呋喃果糖苷是蔗糖的科学名称，表示四件事

1. 它的单糖包括果糖和葡萄糖。
2. 它的环状形式，果糖和葡萄糖，都是吡喃糖。
3. D-葡萄糖第一个碳（C1）上的氧连接到 D-果糖的第二个碳（C2）。
4. 后缀“-side”表示两个单糖的端异构碳参与了糖苷键。

哺乳动物的牛奶中含有乳糖，乳糖是由一个 D-半乳糖和一个 D-葡萄糖分子组成的二糖。O-β-D-吡喃半乳糖基-(1→4)-D-吡喃葡萄糖是乳糖的法定或系统名称。麦芽糖由两个通过 alpha 1,4 糖苷键连接的 D-葡萄糖组成，而纤维二糖也由通过 -1,4 键连接的两个 D-葡萄糖组成，这是两种主要的二糖。二糖可分为两类：**还原性**和**非还原性**二糖。

寡糖

寡糖是一类碳水化合物，当 2 到 10 个单糖结合在一起时形成。按照这个约定，三碳糖、五碳糖和六碳糖都属于寡糖。

寡糖可以进行多种活动，例如细胞粘附和识别。寡糖链通常以聚糖的形式存在，并通过 N- 或 O-糖苷键连接到脂质或蛋白质中适当氨基酸的侧链上。N-连接的寡糖的五碳糖侧链上的胺氮与天冬酰胺形成 β 连接。相反，O-连接的寡糖通常连接到侧链的苏氨酸或丝氨酸醇基团上。

天然寡糖并不总是作为糖蛋白或糖脂的组成部分发挥作用。一些碳水化合物，如棉子糖类，在植物中作为储存或运输分子存在。另一些，如麦芽糊精或纤维糊精，是由微生物产生的，它们会分解淀粉或纤维素等较大的多糖。

多糖

多糖通常指的是通过糖苷键形成连接在一起的超过 10 个碳水化合物的链。这就是为什么它们也被称为聚糖。多糖无处不在，主要参与生物体的结构或储存功能。

其化合物的物理和生物性质主要取决于所涉及的成分，以及它们结合或反应分子的最终结构以及它们与酶促机械的相互作用。它们通常根据其功能、所涉及的单糖单元的类型或其来源进行分类。

根据构成多糖结构的单糖类型，它们可以进一步分为**同多糖**和**异多糖**。让我们简要讨论一下

• **同多糖：**同多糖是由一种重复的糖单体构成的多糖。纤维素和糖原是同多糖的两个著名例子。与糖原（一种支链同多糖，其中葡萄糖单体通过 α-糖苷键连接）相比，纤维素是一种无支链的同多糖，由葡萄糖单体组成。
  根据连接的分子类型，可以有许多其他例子，包括
  • 称为葡聚糖的葡萄糖聚合物。
  • 称为果聚糖的果糖多糖。
  • 称为半乳聚糖的含有半乳糖的多糖。
  • 称为阿拉伯聚糖的阿拉伯糖多糖。
  • 称为木聚糖的含有木糖的多糖。
  
  
• **异多糖：**异聚糖，或异多糖，通常由两种或多种不同的单糖单元组成。大多数天然存在的异聚糖仅包含两种不同的单糖，并且与脂质或蛋白质密切相关，而少数例子包含三种或三种以上。由于其复杂性，对这些化合物进行详细的结构分析已被证明是困难的。最常见的异多糖也是糖蛋白（碳水化合物和蛋白质的组合），包括 γ-球蛋白、血型物质、结缔组织多糖和糖脂（和脂质的组合），尤其是在动物中枢神经系统以及各种植物胶中发现的。
  所有动物的结缔组织都包含最重要的异多糖，这是一组大小、形状和与其他身体成分相互作用各不相同的巨大分子。它们起着结构作用，独特的结缔组织多糖结构与特定的动物功能相关。例如，透明质酸，构成动物关节液的大部分，作为润滑剂和减震器。
  
  结缔组织中的异多糖含有酸性基团（尿酸或硫酸根），能够结合水和无机金属离子。它们也可能在其他生理过程中发挥作用，例如骨形成前的钙累积。肝素是一种异多糖，能够结合离子，这可能有助于其抗凝特性。
  糖蛋白（如 γ-球蛋白或蛋清蛋白）的碳水化合物部分通常由五到十个单糖单元组成；其他糖蛋白分子包含多个单糖单元。除了细胞表面的糖蛋白外，碳水化合物成分的作用仍然未知。然而，在这种情况下，它们似乎充当抗原决定簇或能够触发特定抗体产生的因子。

碳水化合物的功能

碳水化合物在身体和神经系统中的主要作用是为它们提供燃料和营养。碳水化合物广泛存在于谷物、水果和奶制品中，包括糖、淀粉和纤维，是饮食的基本组成部分之一。淀粉、简单糖、复合碳水化合物和其他名称也用于碳水化合物。

碳水化合物还会干扰脂质的代谢，并阻止身体进入酮症。此外，它们可以防止蛋白质分解以获取能量，因为蛋白质是身体的主要能量来源。因此，一种称为淀粉酶的酶有助于将淀粉分解为葡萄糖，最终为代谢产生能量。

各种碳水化合物来源

• 许多水果含有果糖，这是一种简单的糖。
• 牛奶和其他奶制品是乳糖的丰富来源。在所有奶制品中也都可以找到半乳糖。
• 包括意大利面、土豆、加工奶酪、啤酒和谷物在内的食物含有麦芽糖。
• 糖和蜂蜜是蔗糖的天然来源，也含有微量矿物质和维生素。

牛奶、水果和蔬菜通常含有富含矿物质和维生素的简单糖。许多精制食品和加工食品，如白米、白面粉和糖，被宣传为“强化”食品，但它们通常缺乏必需营养素。维生素、碳水化合物和其他有机营养素可以以其天然形式食用，不会造成任何伤害。

制备和分析

通常，多糖或它们存在的形式用酸分解生成单糖。由于糖类通常难以得到其结晶形式，因此结晶过程通常通过用晶体“播种”浓糖溶液来启动。用于分离单糖的方法主要由它们的化学和物理性质决定。色谱技术经常被使用。

使用利用尺寸、碱稳定性或这些以及目标分子的其他性质的组合的方法，从天然来源制备寡糖和多糖。应注意，当制备寡糖或多糖时，所需的分子通常具有不同的分子尺寸。与纤维素等大而难处理的分子相比，碳水化合物制剂的质量，通常基于对其成分的检查，对于单糖和二糖更容易证明。