結構生物化學/碳水化合物

碳水化合物是由碳、氫和氧組成的重要大分子。它們是有機化合物，以醛或酮的形式排列，多個羥基從碳鏈上延伸出來。碳水化合物是生物體內最豐富的有機化合物，佔四大生物分子類別之一，包括蛋白質、脂類和核酸。它們是由二氧化碳和水透過光合作用產生的，

nCO₂ + nH₂O(+ 還原劑和來自光子 [陽光] 的能量)→ ADP + C_nH_2nO_n + nO₂

其中 ADP（腺苷二磷酸）是可以透過有氧細胞呼吸合成形成 ATP（腺苷-5'-三磷酸）的產物，ATP 是細胞中使用的化學能形式，作為植物和動物新陳代謝的燃料，

C_nH_2nO_n + nO₂ + ADP + 磷酸鹽(+ 氧化劑和來自光子 [透過電化學梯度] 的能量)→ ATP + nCO₂ + nH₂O

碳水化合物的功能

碳水化合物在所有生命形式中發揮著各種廣泛的作用

碳水化合物的通用經驗式為 (CH₂O)_n。單糖是作為燃料分子以及生命體基本成分的簡單糖，是最簡單的碳水化合物，作為能量來源是必需的。最常見的是葡萄糖和果糖。

碳水化合物存在於多種異構體形式中。那些原子排列不同的稱為結構異構體，例如甘油醛和二羥基丙酮。立體異構體具有相同的原子連線方式，但在空間排列方式上不同，可以進一步分為兩種型別：非對映異構體和對映異構體。非對映異構體是非彼此映象的分子，對映異構體存在為非可疊加的映象。單糖最多可以擁有三個不同的不對稱碳原子這一事實極大地促成了各種各樣的異構體形成。

* 作為能量儲存、燃料和代謝中間體。
* 形成 RNA 和 DNA（核糖核酸和脫氧核糖核酸）的結構框架。
* 是細菌細胞壁 (肽聚糖或胞壁質)、植物 (纖維素) 和動物 (幾丁質) 中的結構元素。
* 它們與許多蛋白質和脂類相連。這種連線的碳水化合物在細胞間通訊以及細胞與細胞環境中其他元素之間的相互作用中很重要。
* 作為能量供應的“食物”（澱粉、糖原、葡聚糖）和脂肪的生產。

對於碳水化合物衍生物，氨基糖是羥基被胺基取代的；脫氧糖是羥基被氫取代的，酸性糖是羧基取代的。

微生物碳水化合物

在 Hazel M. Holden、Paul D. Cook 和 James B. Thoden 撰寫的一篇詳細的文章中，揭示了最近對碳水化合物的研究，並提到了對其三維結構的深入發現。碳水化合物佔地球生物量的 50%，以其能量儲存、植物細胞壁結構和其他功能（如受精和細胞粘附）而聞名。目前的研究正針對微生物和細菌提供的具有化學重要性的新糖類進行。一些微生物糖是二脫氧糖和三脫氧糖，由細菌、真菌和植物製造。一些存在於革蘭氏陰性菌或紅黴素中。科學家相信這些微生物糖在化學中具有獨特的功能，因此，已經進行了對其三維結構的研究。根據最近的研究，微生物產生的糖是由葡萄糖-6-磷酸或果糖-6-磷酸製成的。脫氧糖是透過乙醯化、胺化、差向異構化和甲基化反應的修飾形成的。發現這些糖是從原核生物來源中提取的，它們本身在真核生物系統中具有生物學意義。

獨特微生物糖的生產始於 NDP-4-酮基-6-脫氧葡萄糖的形成。這種糖是透過生物合成途徑形成的，其中 α-D-葡萄糖-1-磷酸透過核苷醯轉移酶連線到 NMP 部分，然後是 C-6' 羥基的去除以及 C-4' 羥基部分的氧化。隨著 NDP-4-酮基-6-脫氧葡萄糖的形成，會發生重要的酶促反應，例如乙醯化、異構化、脫水、差向異構化等。這些反應負責生產獨特的生物合成微生物糖。

目前正在研究兩種酶，以瞭解它們在催化 N-乙醯化和 PLP 依賴性胺化中的功能。N-乙醯基轉移酶是催化乙醯輔酶 A 到伯胺受體乙醯基轉移的酶。這種特定酶的家族成員正在被學者和科學家們嚴格研究。一個重要的家族成員是 LbetaH，負責透過 O-乙醯基轉移酶合成脂質 A。三維研究表明，脂質 A 分子的結構顯示出“左手交叉連線及其富含異亮氨酸的六肽基序”。該家族中的另一個重要酶是 PglD，在輔酶 A 複合物中。該酶是一種三聚體，其每個亞基具有兩個結構域。發現 PglD 結構的底部是 His 125。這種底部是催化核苷酸連線糖的關鍵要求。OdtC 是另一種酶，催化 Quip3NAc 製造的最後一步。這種糖存在於一些革蘭氏陰性菌中。與 PglD 一樣，QdtC 是一種三聚體，但每個亞基都參與了與其他單體的積極相互作用。研究這兩種酶的重要性在於，這兩種酶具有非常相似的結構，但令人驚訝的是具有不同的生物學功能。詳細的結構分析表明，酶可以具有非常相似的結構，但具有完全不同的活性。

另一種在酶促反應中起作用的酶，由 NDP-4-酮基-6-脫氧葡萄糖的產生開始，是 PLP 依賴性氨基轉移酶和脫水酶。這種酶的名稱來源於這樣一個事實，即為了成功地將氨基轉移到糖上，需要磷酸吡哆醛 5'-磷酸酯 (PLP)。因此，氨基轉移酶是 PLP 依賴性的，它被稱為 PLP 依賴性氨基轉移酶。第一個執行此功能的糖是 ArnB。該糖催化 UDP 連線糖的氨基轉移，以產生 UDP-4-氨基-4-脫氧-L-阿拉伯糖。發現 ArnB 執行的胺化是一種“乒乓機制”，其中“乒”是 PMP 的形成，“乓”是它與酮的反應形成“轉氨基產物”。在 PLP 反應中，穀氨酸的 -氨基攻擊 PLP 的 C4' 使賴氨酸的位置發生偏移。結果，外部亞胺崩潰並形成 -酮戊二酸和 PMP。PMP 的形成為一系列 PMP 與碳水化合物的酮形式之間的反應讓路，以透過氨基轉移產生產物。

在 PLP 依賴性氨基轉移酶家族中，PseC 已經過研究，因為研究人員認為其結構在生物學中發揮著重要的作用。他們認為 PseC 可以提供對具有核苷酸連線糖作為底物的氨基轉移酶的首次瞭解。從最近的研究來看，PseC 被發現參與假氨基酸的生物合成，並且還催化碳水化合物 C-4' 位置的氨基轉移。另一種重要的酶是 ColD，ColD 可以透過脫水將糖轉化為去除 3' 羥基。GDP-過氨基糖合酶也很有趣，因為它使用與 ColD 相同的底物，但它不是執行脫水以去除羥基，而是催化 C4' 位置的胺化。

總的來說，許多酶被科學家研究，因為它們在酶促反應中很重要，這些反應產生了細菌和微生物中糖的生物合成。由於酶中的廣泛多樣性，科學家們力求研究和解釋獨特微生物糖的形成。

以下是發現 ArnB 的鼠傷寒沙門氏菌的影像。ArnB 是一種已知修飾氨基轉移酶結構的第一個糖。

碳水化合物的分類：3 種類型

1. 單糖

2. 二糖

3. 多糖

單糖

單糖 (C-H₂O)_n，n > 3，是碳水化合物的最簡單形式。它們可以細分為醛糖或酮糖，如果分子分別含有醛或酮官能團。醛糖在碳鏈末端具有醛形式的羰基，而酮糖在糖主鏈的某個位置具有酮基。最簡單的酮糖是二羥基丙酮（沒有手性中心），而最簡單的醛糖是甘油醛，它可以是 L 或 D 對映異構體。單糖可以根據碳原子數進一步分類，例如三碳糖 (n=3)、四碳糖 (n=4)、五碳糖 (n=5)、六碳糖 (n=6)、七碳糖 (n=7) 等。例如，葡萄糖被稱為醛己糖（六碳醛糖），而核糖被認為是醛戊糖（五碳醛糖）。糖具有形成環狀化合物的能力，通常是五元或六元雜環。此外，糖可以根據其直鏈形式中是否具有羰基部分來確定是否為還原糖或非還原糖。這意味著環狀形式的糖處於半縮醛或半縮酮形式。單糖有助於核酸的形成。它們通常用費歇爾投影式表示。L 和 D 代表單糖上距酮或醛基最遠的不對稱碳的絕對構型。生物碳水化合物主要是 D 糖。請注意，D 和 L 標記與特定旋轉的 D 和 L 標記（右旋和左旋分子）無關。此外，除第一個和最後一個碳原子外，與羥基鍵合的每個碳原子都是 R 或 S 的立體中心，這可能會為相同的糖類化學式形成許多異構體。在環狀形式中，糖可以用霍沃斯投影式描述。

單糖在其環狀形式中被歸類為 α 或 β 異頭物，其中羰基氧的碳原子被稱為異頭碳原子。由於羰基碳在開鍊形式中是 sp² 雜化的，當糖環化時，羰基碳形成一個新的手性中心；葡萄糖的 α 異頭物在異頭碳上連線的羥基相對於雜原子氧處於反位。當羥基與雜原子氧位於同一側或順位時，就會出現 β 異頭物。兩種異頭物都處於平衡狀態，並且不斷地在環狀和直鏈構象之間轉換。

異頭碳被定義為半縮醛或半縮酮碳，這會導致糖類產生不同的立體異構體形式。異頭位置很容易被氧化，並能容易地形成糖苷鍵。

半縮醛/半縮酮、分子內環化和功能

半縮醛 和 半縮酮 分別是在酸性條件下醛或酮與醇反應時形成的。酸性條件使醛或酮上的羰基碳質子化，然後醇上的羥基親核進攻羰基碳（親電體）。在單糖中，它們的物理結構可以以開鏈或環狀形式存在。環狀結構在能量上更穩定，並且在葡萄糖、果糖和核糖的情況下更為常見。這些糖有兩種可能的環狀形成，被稱為吡喃糖和呋喃糖形成。吡喃糖環是由醛糖（醛糖）形成的，而呋喃糖環是由酮糖（酮糖）形成的。吡喃糖是 6 元環，類似於吡喃的結構，而呋喃糖是 5 元環，類似於呋喃。例如，在己糖中，C-5 羥基作為醇（親核試劑）進攻 C-1 醛羰基碳（親電試劑）。這導致在 C-1 位置形成分子內半縮醛。為了形成分子內半縮酮，酮己糖的 C-5 羥基進攻 C-2 酮基，形成 5 元環，呋喃糖。

戊糖和己糖可以環化。事實上，許多 5 碳或 6 碳糖，如葡萄糖、核糖和果糖，主要以環狀分子形式存在。酮糖和醛糖中的羰基與同一糖分子中的醇基反應。這種分子內反應產生分子內半縮醛或半縮酮。如果形成的環狀糖是 5 元環，則它是一種呋喃糖。如果形成的環狀糖是 6 元環，則它是一種吡喃糖。只有 5 元環和 6 元環可以形成，因為它們是唯一在能量上有利的環狀形成型別。重要的是要注意，當糖經歷環狀轉化時，在此過程中會形成一個異頭碳。異頭碳是半縮醛或半縮酮碳，在環狀糖中可以有兩種不同的構型。它可以是 α 或 β，具體取決於 -CH₂OH 基團和異頭碳上的 -OH 基團的相對位置。α 指兩個基團位於相對側，而 β 指兩個基團位於同一側。

環狀糖具有構象異構體。當碳 2 位於平面外時，稱為 C-2 內式。它也有椅式和船式構象。由於船式構象存在空間位阻，椅式構象更有利。

總的來說，糖具有許多立體化學性質，例如對映異構體（D 和 L）、非對映異構體、異頭物（α 和 β）以及立體化學構型相同但 3D 構象不同的分子（椅式和船式）。

單糖的結構

單糖的結構可以繪製成

1. 費歇爾投影式，它採用直鏈視角，

上圖顯示了 D-葡萄糖的費歇爾投影式。

2. 霍沃斯投影式，它將分子顯示為環狀或平面狀，取代基位於環的上方或下方。

上圖顯示了 α-D-葡萄糖吡喃糖的霍沃斯投影式。

3. 在雜環化合物中，五元環和六元環由於環狀結構的空間位阻較小而優於其他環。因此，呋喃糖（戊糖）和 吡喃糖（己糖）環是單糖中主要的環狀結構。單糖的環類似於呋喃和吡喃分子，因此得名呋喃糖和吡喃糖。

示例（吡喃是左環，呋喃是右環）

吡喃（左）和呋喃（右）

在直鏈單糖中，醛或酮基與其他羥基反應，其中氧原子與兩個碳原子之間形成鍵，形成半縮醛或半縮酮，從而形成雜環；五原子呋喃糖和六原子吡喃糖形式與其直鏈結構處於平衡狀態。

吡喃糖環可以採取不同的構象。可以是椅式或船式。椅式允許取代基處於兩個位置，即軸向或赤道向。軸向的取代基會產生空間位阻，因此較大的取代基通常位於赤道向，因為空間位阻較小。船式構象由於空間位阻而不利。呋喃糖環可以採取信封形式。它有四個幾乎共面的原子和一個彎曲的第五個原子。

從費歇爾投影式形成環狀結構的基本步驟

1. 以使羥基透過垂直線連線的方式旋轉最後一個碳上的取代基。

2. 脊柱右側的所有取代基，透過水平線與其碳原子連線，將位於環的底部。

3. 脊柱左側的所有取代基，透過水平線與其碳原子連線，將位於環的頂部。

4. 以順時針方向將異頭碳連線到與最後一個碳相連的羥基。

5. 環狀結構通常以霍沃斯投影式（側面平面檢視）繪製為吡喃糖（六元環）或呋喃糖（五元環）。

單糖的型別

三碳糖 (n=3，其中 n 指構成糖骨架的碳原子數) 是最小的單糖形式：二羥基丙酮 (酮糖)、甘油醛 (醛糖)

- 單糖示例
  - 葡萄糖（最常見的糖）- 葡萄糖是多羥基醛。碳水化合物化學家埃米爾·費歇爾因證明葡萄糖的結構而獲得了諾貝爾獎。
  - 果糖（使水果變甜）- 果糖是多羥基酮。
  - 半乳糖（牛奶中的糖）- 半乳糖是葡萄糖的 C4 差向異構體。與葡萄糖一樣，半乳糖在溶於水時發生變旋現象。
  - 核糖（RNA 的組成部分）- 阿拉伯糖的 C2 差向異構體，在其呋喃糖形式中最為穩定。每個核糖單元都攜帶一個雜環鹼基，該鹼基提供部分資訊，以在蛋白質合成中指定特定的氨基酸。

***Deoxyribose (component of DNA)-The principal difference between RNA and DNA is the presence of o-2-deoxyribose as the sugar in DNA instead of the o-ribose found.

在 RNA 中。

D-核糖
D-果糖
果糖呋喃糖
葡萄糖吡喃糖

二糖

二糖，或化學式為 C_n(H₂O)_n-1，其中 n > 5，即兩個透過縮合反應或脫水反應連線的單糖。結果，當一個糖分子的 -OH 與另一個糖分子的 -OH 連線時，會形成糖苷鍵。糖苷鍵可以透過水解反應（即新增水分子）來斷裂，形成兩個單糖。

- 二糖的例子
  - 乳糖（牛奶中的糖） - 1 個半乳糖 + 1 個葡萄糖

乳糖由半乳糖透過 β-1,4-糖苷鍵與葡萄糖連線而成。乳糖酶是人體中將乳糖水解回兩種單糖的酶。

- - 麥芽糖（麥芽糖） - 1 個葡萄糖 + 1 個葡萄糖

麥芽糖由兩個透過 α-1,4-糖苷鍵連線的葡萄糖分子構成。麥芽糖酶是水解麥芽糖的酶。

- - 纖維二糖 - 1 個葡萄糖 + 1 個葡萄糖

纖維二糖也是由兩個葡萄糖分子構成。與麥芽糖不同，它透過 β-1,4-糖苷鍵連線，由於赤道鍵的存在，它是一種不可消化的糖。纖維二糖是纖維素的二糖，並且是一種還原糖，因為它具有半縮醛。

- - 蔗糖（食糖） - 1 個葡萄糖 + 1 個果糖

蔗糖由葡萄糖和果糖構成。它們在 α 葡萄糖和 β 果糖之間形成糖苷鍵。由於它們在端基碳原子上連線，因此蔗糖不是還原糖，因為葡萄糖或果糖都不能轉化為醛或酮。

糖苷鍵

一般來說，糖苷鍵是指兩個單糖之間形成二糖的共價鍵。它是在酸性條件下，透過縮合反應，在糖的端基碳原子的半縮醛基團與有機化合物的羥基之間形成的。縮合反應導致形成一個額外的水分子。這導致在端基碳原子上形成一個縮醛基團，從而穩定了該鍵。糖苷鍵非常穩定，但可以在強酸性水溶液中透過化學方法斷裂。糖苷鍵有兩種型別：α 糖苷鍵和 β 糖苷鍵。具有糖苷鍵的物質被稱為糖苷。

對於糖類來說，如果它們具有端基碳原子，則可以形成糖苷鍵以形成環狀結構，而不是線性形式。該化學鍵被認為是 O-糖苷鍵（II 型連線），其中端基碳原子透過氧原子與其他基團連線。O-糖苷鍵在絲氨酸或蘇氨酸的羥基側鏈醯胺與糖之間形成共價連線。N-糖苷鍵，I 型連線，是一種碳水化合物-蛋白質共價連線型別，存在於天冬醯胺的側鏈醯胺與糖之間。N-糖苷鍵涉及糖的端基碳原子與胺基的氮原子之間的連線。

在形成糖苷鍵的過程中，糖類的半縮醛基團（含有端基碳原子）在酸的存在下形成糖苷鍵。費歇爾糖苷化是該縮合反應的結果，該反應會從之前的反應中釋放出一個水分子。

儘管糖苷鍵在大多數條件下相對穩定，但在許多酸性水溶液中很容易斷裂。還有一些被稱為糖苷水解酶的酶也可以斷裂這些鍵，但它們只能斷裂 α 或 β 型構象，不能斷裂兩種構象。下圖展示了生成糖苷鍵的反應示例。http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ethyl-glucoside.png

鍵的立體化學基於最遠離 C1 的立體異構中心的位點。糖苷鍵的 α 型構象形成軸向構象，而 β 型構象形成赤道構象。

寡糖

寡糖是多糖，其中糖分子數量較少；二糖與更簡單的多糖連線，其中 n=3 或 4 個簡單糖單元。由於幾乎所有真核細胞的分泌和膜相關蛋白都發生糖基化，因此寡糖透過 N-糖苷鍵或 O-糖苷鍵共價連線到蛋白質。

寡糖主要有兩種型別

N-連線的寡糖：在 N-連線的寡糖中，GlcNAc 以可變的 β 連線方式連線到 Asn 殘基中 Asn-X-Thr 或 Asn-X-Ser 序列的醯胺 N，其中 X 是除可能為 Pro 或 Asp 以外的任何氨基酸。N-連線的糖蛋白中的寡糖具有巨大的多樣性。在某些糖蛋白中，加工過程很簡短，留下“高甘露糖”寡糖。在其他一些糖蛋白中，廣泛的加工會產生含有幾種糖殘基的大型寡糖。N 連線的寡糖具有一個共同的五糖核心，該核心含有 3 個甘露糖和 2 個 N 乙醯葡糖胺殘基。

含有 N-連線的寡糖的蛋白質通常會發生糖基化，然後按如下方式進行加工，這在很大程度上得到了闡明
1. 一個含有 9 個甘露糖殘基、3 個葡萄糖殘基和 2 個 GlcNAc 殘基的寡糖連線到正在由與內質網相關的核糖體合成的生長中的多肽鏈的 Asn 上。
2. 在該過程中，一些糖被去除，該過程從內質網腔開始，並在高爾基體繼續進行。
3. 透過高爾基體中特定糖基轉移酶的作用，添加了額外的單糖殘基，包括 GlcNAc、半乳糖、巖藻糖和唾液酸。

O-連線的寡糖：最常見的 O-糖苷連線涉及二糖核心 β-半乳糖基-(1->3)-α-N-乙醯半乳糖胺，該核心連線到絲氨酸或蘇氨酸的 OH 基團。O-連線的寡糖在高爾基體中透過將單糖單元連續新增到已完成的多肽鏈中來合成。合成從將 GalNAc 轉移到多肽上的絲氨酸和蘇氨酸殘基開始。N-連線的寡糖被轉移到特定氨基酸序列中的 Asn，但 O-糖基化的絲氨酸和蘇氨酸殘基不是任何常見序列的成員。相反，糖基化位點的定位僅由多肽的二級或三級結構決定。O-糖基化繼續進行，透過相應的糖基轉移酶逐步新增糖。

內質網 (3) = N-連線的高爾基體複合體 (8)= O-連線和 N-連線

寡糖的測序：為了確定寡糖的結構及其連線點，Berg 等人^[1]指出，第一步是將寡糖從蛋白質上分離，然後將寡糖分離並進行分析。Berg 等人指出，質譜技術可以提供寡糖片段的質量。Berg 等人給出的一個例子是，透過使用諸如肽 N-糖苷酶 F 之類的酶從蛋白質中釋放 N-連線的寡糖。N-糖苷酶 F 切斷將寡糖連線到蛋白質的 N-糖苷鍵。

多糖

多糖（也稱為聚糖），化學式寫為 C_n(H₂O)_n-1，其中 200 < n < 2500，或 (C₆H₁₀O₅)_n，40<n<3000，是單糖的聚合物或多個單元。它們透過糖苷鍵構建，由於其結構和溶解度，它們是理想的儲存產物。寡糖是糖分子數量較少的多糖；二糖與更簡單的多糖連線，其中 n=3 或 4 個簡單糖單元。寡糖透過 N-糖苷鍵或 O-糖苷鍵共價連線到蛋白質。多糖可以根據單個單糖的組成進一步分類為同多糖和異多糖。此外，支鏈和無支鏈多糖是透過單糖的不同碳原子上的糖苷鍵形成的。

同多糖由一種型別的單糖組成。它們可以是支鏈的或無支鏈的。異多糖可以由直鏈或支鏈中的兩種或多種型別的單糖組成。同多糖的例子：1）一些是能量儲存（澱粉、糖原和葡聚糖）。2）其他具有結構作用（纖維素、幾丁質）。

多糖的例子

纖維素

纖維素 [(C₆H₁₀O₅)n] 是一種同多糖，在植物細胞壁中起著重要的結構作用。例如，棉花纖維和樹木和灌木的木材主要由纖維素組成。纖維素中的葡萄糖殘基以線性方式透過 β-1,4-糖苷鍵連線。分子間和分子內氫鍵使纖維素的疏水部分堆疊，導致纖維素在正常水溶液中完全不溶。

澱粉

澱粉是葡萄糖的聚合物，由透過 α-糖苷鍵連線的糖吡喃糖單元構成。澱粉是一種同多糖，是植物中主要的能量儲存來源，也是包括人類在內的大多數動物的營養來源。直鏈澱粉和支鏈澱粉是澱粉碳水化合物的例子。直鏈澱粉是透過 α-糖苷鍵連線的數千個葡萄糖殘基的線性鏈，而支鏈澱粉是多糖的支鏈。直鏈澱粉的線性結合是 α-1,4-糖苷鍵。支鏈澱粉的支鏈是 α-1,6-連線。支鏈澱粉中的分支比糖原少。這些分支大約每 30 個 α-1,4-連接出現一次。葡萄糖的聚合物不溶於水。

糖原

糖原，也稱為“動物澱粉”，是動物細胞儲存葡萄糖作為能量來源的方式。它的結構類似於支鏈澱粉，但分支更多。糖原由葡萄糖吡喃糖單元鏈組成，這些單元透過 α-1,4-糖苷鍵連線，聚合物的分支是由於 α-1,6-糖苷鍵。每十個 1,4-連線就會出現一次分支。糖原主要在肝臟和肌肉細胞中產生。

幾丁質

幾丁質是一種同多糖，由重複的葡萄糖衍生物 N-乙醯葡萄糖胺單元組成。這些單元透過 β-1,4-連線線性連線。幾丁質是一種非常重要的**結構性**成分，構成真菌的細胞壁、節肢動物和昆蟲的外骨骼以及其他此類成分。它的結構和連線與纖維素相似，除了葡萄糖 2' 碳上的羥基被乙醯胺基取代。

結構差異

澱粉和糖原中透過 α-1,4-糖苷鍵連線賦予它們與纖維素（透過 β-1,4-糖苷鍵連線）完全不同的結構。α-1,4-糖苷鍵導致空心螺旋結構，更適合能量儲存，而 β-1-4-糖苷鍵允許纖維素形成線性鏈，這些線性鏈透過與相鄰鏈的氫鍵穩定，形成抗拉縴維。

纖維素
澱粉
糖原
幾丁質

糖的型別

糖也可以被歸類為**還原糖**或**非還原糖**。

還原糖

還原糖可以獲得其開鍊形式。還原糖基本上是具有醛基（在其開鍊形式中）或**半縮醛**基（在其環狀形式中）的糖，該基位於準備氧化的異頭碳上。換句話說，還原糖允許鍊形成和延伸。可以使用斐林試劑（一種含 Cu²⁺離子的溶液，可以很容易地氧化遊離醛或酮）來測試還原糖的存在。可以使用貝內迪克特試劑進行類似的測試，該試劑也包含關鍵的 Cu2+ 離子。還原糖的一個特點是 β-糖苷鍵，其中 β 異頭碳參與連線。還原糖的例子包括葡萄糖、麥芽糖和乳糖。在鹼性條件下，還原糖可以形成醛基或酮基，因為羧基被還原為醛基或酮基的羰基，並且當異頭碳不與半縮醛或半縮酮羥基鍵合時發生。

僅提到醛糖可以形成還原糖。酮糖怎麼樣？從機理上講，當酮糖異構化為其環狀形式時，會形成縮醛。所以，酮糖不會形成還原糖。然而，酮糖可以互變異構為醛糖，然後在環閉合時可以形成半縮醛。^{^[2]}

非還原糖

非還原糖無法獲得遊離的醛或酮，例如糖苷。這種型別的糖基本上是在異頭碳上的**縮醛**（在其環狀形式中）。由於異頭碳固定在糖苷鍵中，因此糖鏈無法形成或延長。非還原糖也可以透過 α-糖苷鍵來識別，其中 α 異頭碳參與連線。非還原糖的一個例子是蔗糖。

糖蛋白

結構

糖蛋白，即碳水化合物和蛋白質混合物的有機化合物，透過共價鍵結合，是在**糖基化**過程中形成的。碳水化合物基團可以共價鍵合到蛋白質上形成糖蛋白，它是細胞膜的重要組成部分，參與諸如細胞粘附和受精過程中精子與卵子的結合等過程。在糖蛋白中，碳水化合物的重量百分比遠小於蛋白多糖中發現的碳水化合物的重量。糖蛋白的糖基團有助於蛋白質摺疊並增加蛋白質穩定性。糖蛋白中的糖以兩種方式連線：透過**N-連線糖苷鍵**連線到天冬醯胺側鏈的醯胺氮原子上，或透過**O-連線糖苷鍵**連線到絲氨酸或蘇氨酸側鏈的氧原子上。碳水化合物和蛋白質之間的鍵合是透過與天冬醯胺、羥賴氨酸、絲氨酸或蘇氨酸的四個氨基酸之一的鍵合形成的。因此，可以預測蛋白質糖基化位點，因為天冬醯胺只有在以下形式中才能被糖基化：Asn-X-Ser、Asn-X-Thr 或 Asn-X-Cys 序列，其中 X 可以是任何氨基酸，但脯氨酸除外。但並非所有潛在的位點都被糖基化。糖基化位點具有其他因素，例如蛋白質表達的細胞型別和蛋白質結構。在 N-連線寡糖中，它具有一個常見的五糖核心，包含三個甘露糖和兩個 N-乙醯葡萄糖胺殘基。為了形成各種各樣的寡糖模式，額外的糖被連線到這個核心。糖蛋白的整合膜蛋白對於一個細胞與另一個細胞之間的相互作用很重要。

糖基化

蛋白質胞外部分的糖基化發生在內質網和高爾基體中。內質網和高爾基體是參與蛋白質轉運/包裝的主要作用的細胞器。高爾基體是細胞的主要分類中心。高爾基體改變並新增糖蛋白的碳水化合物單元，因為它細胞的主要包裝/分類中心。蛋白質從高爾基體到溶酶體、分泌顆粒或質膜。粗麵內質網的胞質面上核糖體合成被帶入內質網腔的蛋白質。N-連線糖基化從內質網開始，並在高爾基體中繼續。它始於新增由 14 個糖分子鏈組成的寡糖前體。然而，O-連線糖基化位點僅在高爾基體中。此外，與 N-連線糖基化不同，O-連線糖基化一次新增一個糖分子，每個糖分子由不同的糖基轉移酶新增。一個例子包括在高爾基體的順式區域，透過 N-乙醯半乳糖胺轉移酶新增 N-乙醯半乳糖胺 (GalNAc)。（應該注意的是，高爾基體被分成三個區域，即順式、反式和中間式）。在高爾基體的反式區域，透過高爾基體該區域特有的半乳糖胺轉移酶，將半乳糖殘基連線到 N-乙醯半乳糖胺上。要連線到蛋白質中天冬醯胺殘基醯胺側鏈上的寡糖前體首先連線到多萜醇磷酸。多萜醇磷酸是內質網腔中發現的一種脂類分子，由大約二十個異戊二烯單元組成。多萜醇磷酸的末端磷酸基團是寡糖連線的位置。在寡糖-蛋白質轉移酶的幫助下，寡糖從多萜醇磷酸轉移到天冬醯胺分子。然後，來自內質網腔和內質網膜的蛋白質被轉移到高爾基體，在那裡糖蛋白的碳水化合物部分被改變。由於高爾基體有三個區域，每個區域都有自己的一組酶，因此對前體寡糖的修飾允許形成一系列的寡糖結構。在高爾基體之後，蛋白質根據嵌入氨基酸序列和三維結構中的訊號，繼續到達溶酶體、分泌顆粒或質膜。

例子

促紅細胞生成素 (EPO) 是一種糖蛋白激素，可刺激紅細胞的生成。三個 Asn 殘基和一個 Ser 殘基的存在允許寡糖在三個 N-連線糖基化位點和一個 O-連線糖基化位點連線蛋白質。它由腎臟分泌。成熟的 EPO 包含約 40% 的碳水化合物，透過糖基化，它將增強其蛋白質的穩定性。當 EPO 未經糖基化時，其蛋白質會迅速從血液中清除，因此僅包含 10% 的碳水化合物。

透明帶是一種糖蛋白膜，出現在質膜周圍的多層原始卵母細胞中。透明帶結構必須引發頂體反應，以便與精子結合。因此，科學家們發現了四種透明帶，它們負責小鼠精子與頂體反應的結合。最重要的透明帶糖蛋白是 ZP3，因為 ZP3 負責精子結合。精子蛋白與卵母細胞的質膜粘附。此外，ZP3 還參與頂體反應；這導致精子釋放頂體囊泡。ZP2 負責介導隨後精子的結合。因此，由於 ZP1，ZP2 和 ZP3 交聯。ZP4 是人類編碼基因的蛋白質。對於人類來說，受精後五天，囊胚進行透明帶孵化。另一方面，當透明帶分解和退化時，透明帶被滋養層細胞層取代。總的來說，透明帶對卵子死亡和受精的開始具有重要意義。

寡糖序列

可以使用酶分析和質譜法對寡糖進行測序。很難知道糖的結構，因此需要從糖蛋白中去除糖。您將使用酶和質譜法來找出這些附著糖的順序。

糖基化錯誤

碳水化合物與蛋白質的結合對於加工、穩定性和靶向這些蛋白質至關重要。蛋白質的糖基化不當會導致稱為糖基化先天性疾病的遺傳性人類疾病。一個例子是 I-細胞疾病。I-細胞疾病是一種溶酶體貯積病。碳水化合物標記用於引導降解酶。患有 I-細胞疾病的人的溶酶體中含有大量未消化的糖胺聚糖。這些包涵體存在是因為 I-細胞患者的溶酶體缺乏降解它們的酶。然而，這些酶在身體的其他部位大量存在，因此表明 I-細胞患者的酶傳遞錯誤。

碳水化合物結合蛋白

研究表明，碳水化合物-蛋白質複合物在細胞-細胞識別過程中發揮作用，以及細胞與鄰近細胞和細胞外基質的粘附。細胞表面展示的各種碳水化合物結構非常適合作為細胞與其環境之間相互作用的位點。當碳水化合物基團透過共價鍵連線到蛋白質時，就會形成糖蛋白。這些糖苷鍵分別將碳水化合物連線到天冬醯胺和絲氨酸或蘇氨酸的氨基和羥基側鏈。N-連線是碳水化合物與天冬醯胺側鏈中氮之間的鍵，O-連線是碳水化合物與絲氨酸或蘇氨酸氧之間的鍵。只有當天冬醯胺殘基是 Asn-X-Ser 或 Asn-X-Thr 序列的一部分時，它才能接受寡糖，其中 X 可以是任何氨基酸，除了脯氨酸。因此，可以在蛋白質的一級結構中檢測到潛在的糖基化位點。然而，並非所有潛在位點都發生糖基化。糖基化位點取決於該區域內的蛋白質結構以及蛋白質表達的細胞型別。所有 N-連線的寡糖都有一個共同的五糖核心，該核心由三個甘露糖和兩個 N-乙醯氨基葡萄糖殘基組成。

糖蛋白在醫學領域發揮著多種作用。修飾的碳水化合物能夠干擾碳水化合物與蛋白質之間的相互作用。這導致細胞-細胞識別和粘附的抑制，這是導致癌細胞生長的主要因素。因此，這些碳水化合物結合蛋白的配體可能會演變成新的癌症治療形式。人們一直在研究基於蛋白質血清的癌症診斷方法。類似地，來自腎臟的糖蛋白激素紅細胞生成素改善了貧血的治療，透過刺激紅細胞的增加。此外，膜蛋白的正確糖基化透過穩定鉀離子通道來防止人類組織和肌肉萎縮的降解。

凝集素

植物和動物中特異性的碳水化合物結合蛋白是凝集素，它們是結合碳水化合物結構並促進細胞-細胞相互作用的夥伴。典型的凝集素包含 2 個或更多個碳水化合物結合位點，並表現出蛋白質與碳水化合物之間的弱相互作用。這些多個弱相互作用累加在一起形成一個強烈的連線。凝集素的連線就像魔術貼一樣，弱相互作用但強烈的複合物！凝集素存在於動物、植物和微生物中。凝集素在細胞識別中也發揮著重要作用，因為修飾的碳水化合物和寡糖能夠干擾碳水化合物-蛋白質相互作用，從而抑制細胞-細胞識別和粘附過程。凝集素具有高度的專一性：它們可以識別寡糖中特定連線到其他糖的單個單糖（這種特性也使凝集素成為分離糖蛋白和寡糖的有用實驗室工具）。一個細胞表面的碳水化合物與另一個細胞表面凝集素的結合位點結合。

碳水化合物在細胞通訊中的重要性

由於可能的各種組成和結構，碳水化合物已被證明能夠包含大量資訊。這些多樣化的化合物是由單糖含有許多可用於連線的 OH 基團這一事實造成的。這進一步允許廣泛的分支。此外，連線到端基碳的取代基可以是 α 或 β 型。這些各種碳水化合物在細胞表面的存在允許有效的細胞間通訊。

C 型凝集素

C 型凝集素是那些需要鈣離子的凝集素。鈣離子透過與碳水化合物上的 OH 基團相互作用來幫助結合蛋白質和碳水化合物。鈣還可以形成碳水化合物與凝集素中的穀氨酸之間的連線。透過凝集素側鏈與碳水化合物 OH 基團之間形成的氫鍵進一步增強結合。碳水化合物識別和結合是透過一個由 120 個氨基酸組成的同源域實現的。這些氨基酸決定了碳水化合物結合的專一性。

凝集素的例子

胚胎透過 L-選擇素附著在子宮內膜上。這激活了一個訊號以允許植入。大腸桿菌能夠透過識別腸道中碳水化合物的凝集素駐留在胃腸道中。

麥芽凝集素

麥芽凝集素是一種存在於細胞內質網中的碳水化合物結合蛋白。它在 N-糖基化的早期階段起著重要的作用。

選擇素

選擇素是形成單鏈的跨膜糖蛋白。它們介導白細胞（迴圈白細胞）與內皮細胞（血管內壁細胞）表面的附著。選擇素是 C 型凝集素的成員。選擇素識別並結合細胞表面糖蛋白上的特定寡糖。兩種細胞型別之間的選擇素-寡糖相互作用使內皮細胞能夠“捕獲”迴圈白細胞，然後白細胞沿著內皮細胞爬行，以消除感染或幫助修復受損組織。選擇素將特定的免疫細胞與損傷和炎症部位結合。選擇素有各種型別。例如，L 型選擇素指的是淋巴結血管，E 型選擇素指的是內皮，P 型指的是血小板。

病毒

粘附到細胞表面碳水化合物使一些病毒能夠進入細胞。病毒可以結合糖蛋白上的特定殘基，一旦進入細胞，就會釋放蛋白質，這些蛋白質會破壞糖蛋白中的某些鍵，使病毒可以自由進入。流感病毒結合唾液酸殘基，唾液酸殘基存在於細胞表面糖蛋白上。結合矽酸殘基的病毒蛋白被稱為血凝素。病毒穿透細胞膜後，另一種病毒蛋白神經氨酸酶（唾液酸酶）會切割唾液酸殘基的糖苷鍵，使病毒可以自由感染細胞。這種酶的抑制劑，如達菲和瑞樂沙，是重要的抗流感藥物。

碳水化合物的多樣性

由於以下原因，碳水化合物非常多樣化

1. 不同的單糖可以通過幾個 OH 基團中的任何一個連線在一起。

2. C-1 連線可以是 α 型或 β 型，並且可以進行廣泛的分支。

與寡肽相比，可以用四種糖形成許多不同的寡糖。

由於碳水化合物化學性質導致的多樣性

化學結構。

單糖由於其大量的立體異構中心，是天然的複雜構建塊。C6H12O6（己糖）有 16 個立體異構體。其中兩個是 D- 和 L-半乳糖的對映異構體（D-Gal 和 L-Gal）。在人類中，只有 D-Gal 存在，而在植物中，D 型和 L 型都可以找到。遊離的單糖是多羥基醛或多羥基酮，可以以開放形式存在，也可以發生分子內反應產生環狀半縮醛。進攻的 OH 決定了環的大小，通常是六元環（吡喃糖環）或，較不常見的是，五元環（呋喃糖環）。由於環化，形成一個新的手性碳，產生兩種可能的異構體（α 和 β），它們與開放形式處於平衡狀態。這些半縮醛可以反應形成縮醛，固定端基碳的立體化學，產生各種碳水化合物衍生物。例如，D-Gal 在某些微生物中以吡喃糖和呋喃糖形式存在，即使在同一糖綴合物中也是如此。

化學連線性：糖苷鍵和分支。

由於單糖之間可用於形成分子間縮醛的羥基不同，因此一個單糖的異頭碳與另一個單糖的任何羥基之間都可能形成許多糖苷鍵。這種反應決定了鍵的型別（α-鍵或β-鍵），這對於酶識別至關重要。不同分支點的可用性是影響碳水化合物緊湊性、柔性和物理和生化性質的關鍵因素。一個明顯的例子是澱粉和糖原之間的區別——澱粉由直鏈澱粉組成，直鏈澱粉是α(1,4)-葡萄糖殘基的線性同聚物，在植物中以半結晶顆粒形式沉積；而糖原也是α(1,4)-葡萄糖殘基的同聚物，但每十個單位中存在一個α(1,6)分支點，因此它以非晶態多糖的形式存在於動物細胞中。

非碳水化合物修飾

糖鏈結構可以透過多種取代進行修飾，包括硫酸化、乙醯化或磷酸化。

參考文獻

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