生化糖类
- 中文名
-
糖类 碳水化合物
- 外文名
-
sugar saccharide carbohydrate
- 分 类
-
单糖 双糖 寡糖 多糖 复合糖
糖类名词解释
糖结晶，又称
碳水化合物（
carbohydrate或
saccharide），是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称，广布自然界。
糖类既是生物体重要的机构物质，也是生物体维持生命活动的主要来源。此外，糖类能与蛋白质结合形成糖蛋白，在生命活动中发挥重要作用。[1]
糖类的另一个名称“碳水化合物”的由来是生物化学家在先前发现某些糖类的分子式可写成Cn(H2O)m，故以为糖类是碳和水的化合物，但是后来的发现证明了许多糖类并不合乎其上述分子式，如：鼠李糖（C6H12O5）。而有些物质符合上述分子式但不是糖类，如甲醛（CH2O）等。
糖类为人体之重要的营养素，主要分成四大类：单糖、双糖、低聚糖和多糖，他们在生活上扮演着很重要的角色，像多糖可以被拿来当作储存养分的物质（如淀粉和糖原）或当作动物外骨骼和植物细胞的细胞壁（如：甲壳素和纤维素）；另外像是为五碳醛糖的核糖是构成各种辅因子不可或缺的物质（如ATP、FAD和NAD）也是一些遗传物质分子的骨干（如RNA）。糖类的众多衍生物同时也与免疫系统、受精、预防疾病、血液凝固和生长等有极大的关联。在食品科学和其他非正式的场合中，碳水化合物通常指富有淀粉（如谷物、面包或面食）或简单的糖类的食物（如食糖）。
糖类主要包括没甜味的淀粉和有甜味的麦芽糖等，是人体最主要的能源物质。例如肌肉收缩、神经传导，体内物质运输所需能量的70%都来自糖类。糖类主要从谷类和薯类食物中获得。
糖类发展历史
中国最早有饴、饧、糖等字，都是以糯米为原料，稀的叫饴，干的叫饧、糖。在六朝时才出现
糖类 “糖”字。李时珍《本草纲目》载：“糖法出西域，唐太宗始遣人传其法入中国，以蔗准过漳木槽取而分成清者，为蔗饧。凝结有沙者为沙糖，漆瓮造成如石如霜如冰者为石蜜、为糖霜、为冰糖。”“糖”与一般所称的“糖”不同，“糖”是指食糖，泛指一切具有甜味的糖类，如葡萄糖、麦芽糖及最主要的蔗糖，而糖类包括所有单糖、双糖及多糖，并不仅指含有甜味的物质。
糖类结构通式
以前所有分子式可写成Cm(H2O)n的化学物质皆被称为“碳水化合物”，根据这个定义，有些科学家认为甲醛( CH2O)为最简单的糖类，但是也有其他人认为是乙醇醛(C2H4O2)。但是除了碳数不为一和二的糖类皆被生物化学理解。
自然界的糖类通常都由一种简单的碳水化合物：单糖所构成，通式为(CH2O)n，(n≥3)。一个典型的单糖具有H-(CHOH)x(C=O)-(CHOH)y-H结构，也就是多羟基醛或多羟基酮。像：葡萄糖、果糖、甘油醛皆是单糖。然而有些生物物质像糖醛酸和脱氧糖就不符合此通式，另外还有许多物质的分子式符合这个通式但它并不是糖类(如：甲醛(CH2O)和肌醇(CH2O)6).
直链形式的单糖通常与关环形式的单糖同时存在，这种环状分子是由醛/酮上的羰基（C=O）与羟基（-OH）反应形成半缩醛，并形成一个新的C-O-C键桥。单糖可以各种方式互相连接在一起形成多糖（或寡糖，又称低聚糖）。许多糖类含有一个或多个修饰的单糖单元，这种修饰方法可以是一个或多个基团被取代或移除。例如，DNA的一个组分脱氧核糖，就是被核糖所修饰的糖；几丁质是一种被重复的N-乙酰氨基葡萄糖（一种含氮原子的葡萄糖）片段所组成的糖类。
糖类构成
主要由碳、氢、氧三种元素组成。
糖类化合物包括单糖、单糖的聚合物及衍生物。葡萄糖是单糖。
单糖分子都是带有多个羟基的醛类或者酮类。麦芽糖、蔗糖、乳糖是二糖。
糖类糖类化合物化学概念
单糖是多羟醛或多羟酮及他们的环状半缩醛或衍生物。多糖则是单糖缩合的多聚物。
糖类分子通式
Cn(H2O)m
然而，符合这一通式的不一定都是糖类，是糖类也不一定都符合这一通式。比如，脱氧核糖是糖类却不符合这一通式。另外，还有符合这一公式的（如：甲醛HCHO,乙酸CH3COOH）却不是糖类。
这只是表示大多数糖的通式。
碳水化合物只是糖类的大多数形式。我们把糖类狭义的理解为碳水化合物。
糖类碳水化合物
糖类单糖
生物体内的单糖有多种，如核糖和脱氧核糖是含有5个碳原子的单糖，葡萄糖、果糖和半乳糖是含有6个碳原子的单糖。[1]
单糖由于无法水解成为更小的碳水化合物，因此它是此类中最小的分子。它们是一些具有两个或者更多羟基的醛或酮类。未修饰过的单糖化学式可表达为：(C・H2O))n，因其都是碳和水分子的倍数而称为：“碳水化合物”。单糖是一种重要的燃料分子，也是核酸的结构片段。最小的单糖中的n=3，即：二羟基丙酮或D-和L-甘油醛。
丙糖例如：甘油醛
戊糖,五碳糖例如：核糖，脱氧核糖
己糖例如： 葡萄糖，果糖(化学式都是C6H12O6 )
单糖分类
单糖可由三种不同的特征片段来分类：羰基的位置；分子内的碳原子数以及其手性构型。如果羰基在碳链末端分子属醛类，则单糖称：醛糖；若羰基在碳链中间分子属酮类,则单糖称为：酮糖。含有三个碳原子的单糖称为：丙糖；四个碳原子的称为丁糖；五个称为戊糖；六个称为己糖，以此类推。
除在糖分子碳链第一个与最末端的碳原子，每个碳原子都带有一个羟基（-OH）并具有不对称性，使它们的手性中心可以是R或S两种构型。因为这种不对称性，一个确定的糖的分子式可以多种异构体存在。例如：醛糖D-葡萄糖具有分子式(C・H2O)6，其中有六个碳原子是具有手性的，因此D-葡萄糖是2 = 16个可能的立体异构体中的一个。又例如：甘油醛是一种丙醛糖，有一种可能的立体异构体，同时也是对映体和差向异构体。1,3-二羟基丙酮，醛糖丙醛糖所对应的酮糖分子，是一种没有手性中心的对称分子。D或L构型由离羰基最远的不对称碳原子的取向所决定：标准的费歇尔投影式里，若羟基在右侧则分子为D型糖，左侧则为L型糖。这里要注意：“D-”和“L-”前缀不可与“d-”和“l-”相混淆，后者指的是偏振光在糖分子平面下的旋转。“d-”和“l-”在糖化学中现已不太使用。
半缩醛异构化
直链单糖的醛基或者酮基会不可逆的与另外一个碳原子作用形成半缩醛或半缩酮，得到一个带有氧桥连接双碳原子的杂环。由五个或六个原子组成环的分别称为呋喃糖与吡喃糖，这些环状糖与直链形式的糖存在化学平衡。由直链糖形成环状糖的过程中，含有羰基氧原子的碳原子称为：异头碳。这个碳原子在成环后便成为分子内的手性中心，具有两种可能的构型：若氧原子可在平面的上方或下方，这样得到的一对手性异构体称之为：异头物。若在异头碳上的-OH取代基与环外CH2OH基团成反式构型（即不在环一侧）时，则称为：α异头物；另外一种情况两者在环的同一侧，呈现顺式构型，则称为：β异头物。由于环状糖与直链糖本身会互相转化，因此两种异头物存在着平衡。费歇尔投影式中，α异头物被表达为：异头羟基与CH2OH呈现反式，而β异头物则为顺式。
糖类二糖
由两个连接成一起的单糖组成的糖类，称为二糖。
二糖是由两个单糖单元通过脱水反应，形成一种称为糖苷键的共价键连接而成。在脱水过程中，一分子单糖脱除氢原子，而另一分子单糖脱除羟基。未经修饰的二糖化学式可表达为：C12H22O11。虽然双糖种类繁多，但大多数并不常见。
麦芽糖、蔗糖、乳糖等是常见的二糖。1分子麦芽糖水解产生2分子葡萄糖；1分子蔗糖水解产生1分子葡萄糖和1分子果糖；1分子乳糖水解产生1分子葡萄糖和1分子半乳糖。可见，二糖是由两分子单糖组成。[1]
蔗糖是存量最为丰富的二糖，它们是植物体内存在最主要的糖类。红糖，白糖，冰糖等都是由蔗糖加工制成的。蔗糖由一个D-葡萄糖分子与一个D-果糖分子所组成，其系统命名为：O-α-D-葡萄吡喃糖基-(1→2)-D-果糖呋喃糖苷，它由葡萄糖与果糖组成。葡萄糖为吡喃糖；果糖为呋喃糖。两种单糖的连接方式：在D-葡萄糖的一号碳（C1）上的氧原子连接D-呋喃糖的二号碳（C2）。后缀-糖苷表明了：两个单糖异头碳参与了糖苷键的形成。
乳糖广泛的存在于天然产物中，如：哺乳动物的母乳。
麦芽糖（两个D-葡萄糖通过1，4碳原子连接为α糖）与纤维糖（两个D-葡萄糖通过1，4碳原子连接为β糖）。
二糖还可分类为还原二糖与非还原性二糖，通过两个单糖分子的半缩醛（酮）羟基脱去一分子水而相互连接。这样二糖分子中已没有半缩醛（酮）羟基存在，因此其中任何一个单糖部分都不能再由环式转变成醛（酮）式。这种二糖就没有变旋现象和还原性，也不能生成糖脎，因此称为非还原性二糖。
糖类多糖
淀粉、纤维素、糖原和木糖他们化学式是（C6H10O5)n
复合糖（complex carbohydrate，glycoconjugate）
糖类的还原端和蛋白质或脂质结合的产物。在生物中分布广泛，有多种重要功能，细胞的识别、定性以及免疫等无不与之有关。糖类和蛋白质结合有以蛋白质为主的称糖蛋白，如血液中的大部分蛋白质；也有以糖为主的，如蛋白聚糖是动物结缔组织的重要成分。和脂质结合的，如脂多糖存在于细菌的外膜，成分以多糖为主；另外有称为糖脂的，组成以脂质为主，大多和细胞的膜连系在一起。糖脂可由鞘氨醇，也可由甘油等衍生，但在自然界分布最广，迄今研究得最多的是鞘糖脂（见鞘脂）。
复合糖的不对称：糖脂和糖蛋白只分布于细胞的外表面。
低聚糖和多糖
低聚糖和多糖都是由单糖单元通过糖苷键组成的长链分子。两者的区别在于单糖单元在链上的数量：低聚糖通常含有3－10个单糖单元，而多糖则超过10个单糖单元。实际应用中，糖的分类更倾向于个人的判断，如通常上述的双糖可以算为低聚糖，也包括了：三糖－棉子糖和四糖－水苏糖。
分类：单糖、低聚糖(寡糖)、多糖、复合糖四种。
糖类化合物的生物学作用主要是：
1 作为生物能源；
2 作为其他物质生物合成的碳源；
3 作为生物体的结构物质；
4糖蛋白、糖脂等具有细胞识别、免疫活性等多种生理活性功能。
单糖－糖类种结构最简单的一类，单糖分子含有许多亲水基团，易溶于水，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂，简单的单糖一般是含有3-7个碳原子的多羟基醛或多羟基酮，其组成元素是C,H,O葡萄糖、果糖、半乳糖等。葡萄糖是生命活动的主要能源物质，核糖是RNA的组成物质，脱氧核糖是DNA的组成物质。葡萄糖、果糖的分子式都是：C6H12O6。他们是同分异构体。
低聚糖（寡糖）－由2-10个单糖分子聚合而成，水解后可生成单糖，包括二糖、三糖、四糖等。
二糖－二糖是由两分子单糖脱水而成的糖苷，苷元是另一分子的单糖。二糖水解后生成两分子的单糖。如乳糖、蔗糖、麦芽糖。蔗糖和麦芽糖是能水解成单糖供能。它们的分子式都是：C12H22O11。也属于同分异构体。
三糖－水解后生成三分子的单糖。如棉子糖。淀粉是储蓄物质，纤维素是组成细胞壁，糖元是储能物质。
四糖
五糖
多聚糖－由10个以上单糖分子聚合而成。经水解后可生成多个单糖或低聚糖。根据水解后生成单糖的组成是否相同，可以分为：
同聚多糖－同聚多糖由一种单糖组成，水解后生成同种单糖。如阿拉伯胶、糖元、淀粉、纤维素等。淀粉和纤维素的表达式都是（C6H10O5）n。但他们不是同分异构体，因为他们的n数量不同。其中淀粉n<纤维素n。
杂聚多糖－杂聚多糖由多种单糖组成，水解后生成不同种类的单糖。如粘多糖、半纤维素等。
复合糖（complex carbohydrate，glycoconjugate）。糖类的还原端和蛋白质或脂质结合的产物。
糖类相关知识
糖类相对甜度
果糖175 （最甜的糖）
蔗糖100
葡萄糖 74
麦芽糖32
糖类科学食用方法
大部分糖，如单糖，二糖，应定量摄取，不宜过量，尤其是糖尿病人，有可能会获得反效果
而纤维素，相对与其他糖类，可以大量食用，其在人体内无法水解，但可以有助消化，预防便秘，痔疮和直肠癌，降低胆固醇，预防和治疗糖尿病等。
糖类是人体所需能量的主要来源，当人体糖分不足，才会消耗脂肪，所以不建议不合理的节食减肥。
糖类鉴定生物组织中的糖类
糖类鉴定淀粉
1.取2支洁净的试管，用记号笔在试管上部编号（如A和B）备用。
2.用天平称取蔗糖和淀粉各2g，分别放入100ml的清水中，溶解后备用。
3.用量筒量取蔗糖溶液和淀粉溶液各3ml，分别滴入等量的稀碘液，观察并记录溶液颜色变化情况。
糖类检验还原性糖
根据是否具有还原性，将糖类分为还原性糖和非还原性糖。单糖、麦芽糖、乳糖等还原性糖与斐林试剂反应，可以产生砖红色沉淀。因此，实验中常用斐林试剂来检测还原性糖的存在。
1.取3支洁净的试管，编号备用。
2.用量筒量取蔗糖溶液和淀粉溶液各3ml，分别注入其中的2支试管，再滴加1ml清水。
3.向第3支试管加入淀粉溶液3ml，再滴入1ml稀释的唾液。
4.向3支试管内分别加入2ml斐林试剂，隔水加热2min，观察并记录溶液颜色变化情况。
建议考虑：斐林试剂主要是由质量浓度为0.1g/ml的NaOH溶液和质量浓度为0.05g/ml的CuSO4溶液混合配制而成。[1]
糖类糖类的鉴定
糖类蒽酮的试验
糖类在浓硫酸的作用下，可经脱水反应生成糠醛或羟甲基糠醛，他们可与蒽酮反应生成蓝绿色糠醛衍生物。用上述反应鉴定试样为糖类后，再进行单糖、双糖、醛糖或酮糖的区别试验。
糖类单糖与多糖的鉴定
巴弗试验
酸性溶液中，单糖和还原二糖的还原速率有明显的差异。巴弗试剂（含5%乙酸铜的1%稀乙酸溶液）为弱酸性，能在2分钟内氧化单糖生成砖红色的氧化亚铜，有橘黄色或橘红色沉淀生成，示有单糖存在。由于橘黄色的沉淀悬浮在蓝色的乙酸铜溶液中，故有时出现绿色。
糖类酮糖的鉴定
Seliwanoff试验
本试验原理是将酮糖用浓盐酸转化为羟甲基糠醛，再与间苯二酚（Seliwanoff试验）缩合，形成红色产物。
向溶于水的试样中加入等体积的浓盐酸与数滴Seliwanoff试剂，将所得混合物加热刚好至沸。若溶液在2分钟内即有红色显现，还有暗黑色沉淀生成，说明酮糖存在。长时间放置或延长加热时间，醛糖也会发生颜色反应，但颜色稍淡且一般无沉淀生成。
糖类营养学
多种食物皆含有丰富的糖类，包括水果、汽水、面包、意式面食、豆类、马铃薯、米糠、稻米及麦类。糖类是生物中的常见能量来源，却不是人类的必须营养。糖类也不是任何其他分子的必须组成部份，而人体也可以从蛋白及脂肪获取能量。脑部及脑神经一般不能燃烧脂肪以获取能量，但可以使用葡萄糖或酮糖代替。人体能从糖异生过程中，利用特定的氨基酸、甘油三酸酯中的甘油骨架，或是脂肪酸中的合成某些葡萄糖。糖类每克含有15.8千焦耳（即3.75千卡路里）而每克蛋白质则能提供16.8千焦耳（4千卡路里），而每克脂肪则能提供37.8千焦耳（9千卡路里）。
生物一般不能利用所有糖类转换成能量，其中葡萄糖是最普遍的能量来源，尤其是大脑只能由葡萄糖供能(由于血脑屏障的低通过性)。许多生物都有能力把其他单糖及双糖代谢成能量，但以葡萄糖为首选，也最易消化。例如，在大肠杆菌中，当遇到乳糖，乳糖操纵子会释出酶，以消化乳糖，但如果乳糖和葡萄糖都存在乳糖操纵子会受到压抑的，葡萄糖会首先被消化。多糖也是常见的能量来源，许多生物皆能分解淀粉成葡萄糖，但大部份生物都不能消化纤维素、甲壳素等其他多糖。这些糖只能由某些细菌及原生生物消化。例如，反刍动物和白蚁会利用微生物来处理纤维素。虽然这些复杂的糖不能轻易消化，但它们却是人类营养的重要部份，称为食用纤维，他们也可以通过工业手段制成其他类别的糖，如壳聚糖（由甲壳素加工而来）。食用纤维对人类的最大益处，在于它能促进肠胃蠕动，使消化系统更好地工作。美国药物组织建议，每名美国及加拿大人的食物热量需有45?65%来自糖类，以减低心脏病及肥胖症的风险。联合国粮食及农业组织与世界卫生组织也联合建议每个国家制定营养指引，订立每人的总食物能量中的55?75%来自糖类，最多90%直接来自糖份。[2]
糖类分类法
历史上，营养学家曾经只把糖类分为简单与复杂，但这种分类法难免存在歧义问题。现今的“简单糖类”一般指单糖与双糖，而“复杂糖类”指多糖（包括低聚糖）。可是，“复杂糖类”最先见于美国参议院人类营养需求委员会出版物《美国营养目标》（1977），该词语的意思却不相同，指的是"“水果、蔬菜及全谷物”。部份营养学者以“复杂糖类”一词指任何在含有纤维、维他命及矿物质的食物中，可消化的糖类，以相对于提供较少其他营养的已消化糖类。
许多人（甚至有营养学家）相信，复杂的糖类（多糖，例如淀粉）比简单的糖类（例如单糖）消化得较慢，因此较健康。
实际上，简单糖类与复杂糖类对血糖水平的影响大同小异。一些简单的碳水化合物消化得非常缓慢（例如果糖），而一些复杂的碳水化合物，特别经过处理后的，却能迅速提高血糖水平（如淀粉）。从此可知，消化的速度取决于多种因素，包括连带进食的其他营养物、食物准备方法、在个人代谢的速度差异，以及该碳水化合物的化学结构。
营养学上，以升糖指数 (GI)及血糖负荷（GL）的概念，来反映食物于消化后对人体的影响。升糖指数衡量人体吸收该食物中葡萄糖的速度，而血糖负荷则衡量食物中可吸收葡萄糖的总量。两种指数中，最高则代表糖类含量最高、血糖水平最大影响的食物。胰岛素指数是一个类似的、更新式的计算法，衡量食品对血腋胰岛素水平的影响，主要考量食物中的葡萄糖（或淀粉）和某些氨基酸的份量。
膳食指南一般建议食用复杂碳水化合物（淀粉）和营养丰富的简单碳水化合物，如水果、蔬菜及奶制品，以弥补大量碳水化合物的消耗。过量食用高度加工的碳水化合物来源，如玉米或土豆片，糖果，含糖饮料，糕点和白米，一般认为是不健康的。美国农业部的《2005年美国膳食指南》不再使用简单/复杂的分类法，改为推荐含丰富纤维素的食物和全谷物。
- 参考资料
- 1.汪忠．高中教材生物1分子与细胞：江苏教育出版社，2014年6月第9版
- 2.Consultation, report of a joint WHO/FAO Expert. Diet, nutrition, and the prevention of chronic diseases : report of a WHO-FAO Expert Consultation ; [Joint WHO-FAO Expert Consultation on Diet, Nutrition, and the Prevention of Chronic Diseases, 2002, Geneva, Switzerland].. Geneva: World Health Organization. 2003.
