結構生物化學/碳水化合物/碳水化合物衍生物

稱為單糖的碳水化合物單體可以進行各種反應形成碳水化合物衍生物。碳水化合物衍生物通常是指糖分子透過新增除羥基以外的其他取代基而進行修飾。氨基糖、酸性糖、脫氧糖、糖醇、糖胺和糖磷酸是碳水化合物衍生物的例子。修飾後，轉化後的糖分子類似於糖和新增的取代基的結構，但不再被認為是糖，因為它的功能和特性已經改變。例如，糖醇仍然有甜味，但不會被人的身體完全吸收，因此糖醇對血糖的影響較小，每克提供的熱量也更少。因此，一些糖醇被廣泛用作膳食和保健食品中的糖替代品，特別是對於糖尿病患者。大多數糖衍生物在自然界中存在，並具有重要的生物學功能。例如，氨基糖肝素存在於襯裡動脈壁的肥大細胞的細胞內顆粒中，當釋放時會抑制血液凝固。糖胺腺苷是DNA和RNA結構的重要組成部分。此外，由於糖衍生物在不同領域有著廣泛的應用，其中許多是商業合成的。

葡萄糖家族

D-葡萄糖酸

葡萄糖家族是單糖，其官能團取代了C-2碳或C-6基團上的羥基。每種糖的修飾對代謝都有顯著的影響。

β-D-葡萄糖 - 這種碳水化合物衍生物在代謝中起著至關重要的作用。它是主要能量來源，啟動細胞呼吸過程。它是透過光合作用產生的，通常用於食品中。它是最常見的碳水化合物，也透過血液迴圈。它被稱為血糖，可以被身體轉化為澱粉。它也用於糖尿病的血糖測試。

β-D-葡萄糖-6-磷酸 - 在糖酵解中起著重要作用。它是葡萄糖分解並轉化為能量後的最終產物。磷酸基團的新增賦予糖一個負電荷，從而阻止糖容易地穿過脂質膜。在高水平下，它可以抑制腦己糖激酶。它可以轉化為澱粉或糖原，儲存在肝臟和肌肉中。它在血糖水平中起著重要作用。低水平會導致葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏症，但這是一種遺傳性疾病。該疾病會導致紅血球在暴露於某些環境中時分解。

β-D-葡萄糖胺 - 這也是一種氨基糖，對脂類和蛋白質的形成非常重要。它也可以在昆蟲的外骨骼以及植物的細胞壁中形成幾丁質。它的一種常見用途是用於骨關節炎。它有助於重建軟骨，並用於獸醫學。它的另一個用途是幫助關節功能和結締組織。它還有助於身體調節，並與身體中的β-D-葡萄糖-6-磷酸一起發揮作用。

N-乙醯-β-D-葡萄糖胺 - 這種糖對身體的最佳健康和功能至關重要。它有助於細胞通訊。它還在免疫系統如何與 HIV 和腫瘤反應方面發揮作用。它還在骨關節炎中發揮作用，並有助於軟骨形成。它已被證明在哺乳動物的學習中對神經功能起作用。該分子有多種用途，例如限制膽固醇吸收並減少胰島素分泌。一些受體已在甲狀腺中被發現，可以轉運碘蛋白。它存在於身體的多個腺體中，並在這些器官的功能中發揮一定作用。胞壁酸 - 這種糖是細菌細胞壁的主要成分，它是肽聚糖的衍生物。它用於實驗室實驗中的氣相色譜。

N-乙醯胞壁酸 - 這也存在於細菌細胞壁的肽聚糖中。它是N-乙醯葡萄糖胺與乳酸縮合後的產物。在細菌中，磷酸烯醇丙酮酸將乳醯基新增到N-乙醯葡萄糖胺的C3上。β-內醯胺競爭性地與轉肽酶結合，轉肽酶是催化N-乙醯胞壁酸基肽鏈之間形成鍵的酶。衣原體在其細胞壁中缺乏N-乙醯胞壁酸，這就是青黴素不能治療該疾病的原因。

β-D-葡萄糖醛酸 - 該分子是高度極性分子。它用於提高某些藥物的溶解度。它被整合到蛋白聚糖中，然後與類固醇激素結合。這種分子形成有助於使化合物更易溶，以便排洩。膽紅素是該分子使之可溶的主要分子之一。這種化合物非常有用，可以清除體內的藥物，並使它們可溶，以便藥物可以透過身體處理。

β-D-葡萄糖酸 - 這被用作液體治療的鹼化劑。它可以用在清潔產品中，因為它可以溶解礦物質沉積物。鹼性溶液將有助於更快地溶解礦物質。它可以緩慢地代謝成碳酸氫鹽，但效果更持久。它是一種天然存在於植物、蜂蜜和水果中的酸性糖。它也可以透過葡萄糖發酵製備。當與鈣結合時，它可以形成凝膠，用於治療由氫氟酸引起的燒傷。

氨基糖

氨基糖通常被稱為單糖碳水化合物糖，它們已經用-NH₂胺基取代了2'-碳羥基取代基。最豐富的氨基糖是地球上最古老和最豐富的有機化合物之一。已知超過60種氨基糖，其中許多隻是最近才被分離出來，並被鑑定為抗生素的成分。氨基糖的例子包括

例如，半乳糖胺是八種必需氨基酸中的一種，在細胞間相互作用中發揮作用。儘管半乳糖胺的研究才剛剛開始，但研究表明它可能有助於患有關節炎症的人。缺乏半乳糖胺甚至可能是與心臟病相關的一個因素。此外，半乳糖胺也可能作為毒素導致肝功能衰竭。此外，半乳糖胺也可能作為組成卵泡刺激素 (FSH) 和黃體生成素 (LH) 的糖之一，這兩種激素都是人體生殖過程中所必需的。半乳糖胺的來源包括牛（包括牛和公牛）、紅藻和鯊魚肉。

葡萄糖胺與半乳糖胺相反，是一種非常流行且相對眾所周知的氨基糖，我們身體用它來產生糖綴合物，如糖基化脂類和蛋白質。葡萄糖胺在組成幾丁質的堅硬外骨骼中具有結構作用，例如各種蛛形綱動物、甲殼類動物和昆蟲。我們的身體可以從外部來源獲得葡萄糖胺，例如不同穀物（如小麥、大米和燕麥）的發酵，以及像半乳糖胺一樣，來自牛和鯊魚。就它對身體功能的影響而言，葡萄糖胺的前體，硫痠軟骨素是參與關節軟骨的主要部分，因此可以幫助治療骨質疏鬆症或骨關節炎。

唾液酸 是一種對我們身體身心健康非常重要的糖胺。沒有唾液酸，我們的身體在各個方面都會退化。例如，發現缺乏這種特殊糖胺的兒童，其發育、生長以及頭髮和皮膚的色素沉著都會受到不利影響。在 Bing Wang 等人進行的一項研究中，嬰兒唾液酸濃度的提高被證明可以改善他們的突觸發生和神經發育。然而，儘管唾液酸可能有助於我們，但它也可能是允許不同病毒進入的罪魁禍首。唾液酸通常存在於細胞膜的表面，它不僅負責將液體攝取到其帶負電的區域，而且還具有識別和結合某些病毒（如流感病毒細胞表面上的血凝素）上的蛋白質的能力。因此，一旦兩者結合在一起，就會為病毒進入細胞並擴散到身體其他部位開啟一扇大門，從而造成有害的影響。

N-乙醯-D-葡萄糖胺 是幾丁質多糖的主要成分，幾丁質是構成節肢動物和昆蟲堅韌外骨骼的物質。

脫氧糖

脫氧糖 是糖類衍生物，在糖環的 2'-碳上缺少 -OH 羥基，因此稱為“脫氧”，de- 是一個表示“去除”的字首，“oxy”表示“氧氣”。

脫氧核糖 是最常見的脫氧糖，因為它正是我們 DNA 雙螺旋骨架中使用的糖。科學家推測，脫氧核糖糖衍生物之所以被使用，而不是核糖，是因為它的結構更穩定。與核糖不同，它在 2'-碳上不含羥基，否則會使其容易與其他物種或分子發生氫鍵，從而破壞我們 DNA 需要的穩定基質。在 DNA 骨架中，脫氧核糖與磷酸基團透過磷酸二酯鍵結合，並且每個脫氧核糖都共價連線到四種 DNA 氮鹼基之一。因此，它們在 DNA 骨架的柔韌性以及確保極性氮鹼基朝向雙螺旋內部而不是朝向外部（在那裡它們會不穩定地暴露在疏水介質中）方面起著非常重要的作用。

巖藻糖 雖然在我們的科學書籍中討論得較少，但也是一種維持我們身體整體健康和正常發育所必需的糖衍生物。已知巖藻糖是由哺乳期的母親排洩的，最近的研究表明它在新生兒的胎兒發育以及他們免疫系統的發育中發揮著重要作用。巖藻糖及其衍生物還確保神經訊號或細胞間通訊的正常傳遞，改善大腦的長期記憶，甚至在抑制腫瘤和癌細胞的擴散方面也發揮著重要作用。

鼠李糖 沒有那麼出名，科學家們有一段時間難以研究這種糖，也不理解它在體內的作用。事實上，它曾經被認為是一種惰性脫氧糖。它也不尋常，因為與大多數其他糖不同，它的天然存在形式是其 L 配置（即 L-鼠李糖而不是 D-鼠李糖）。有趣的是，鼠李糖可以從毒漆藤中提取。通常，鼠李糖主要存在於植物和細菌的細胞中，而不是動物中。鼠李糖可能參與細胞增殖、膠原蛋白合成和自由基降解。

雙脫氧糖和三脫氧糖

雙脫氧糖和三脫氧糖是糖，其中兩個或三個羥基分別被氫原子取代。這些糖最常見於植物、真菌和細菌中。僅從原核生物來源中就分離出超過一百種不同型別的這些糖。
雙脫氧糖和三脫氧糖存在於嵌入革蘭氏陰性細菌外膜的脂多糖上，以及這些細菌 S 層的其他區域。它們也存在於革蘭氏陽性細菌的 S 層上，即革蘭氏陽性細菌比革蘭氏陰性細菌更厚的外部肽聚糖膜。在醫學上，這些稀有糖被用於抗生素、抗真菌劑、驅蟲劑和抗腫瘤劑，因此對科學來說非常有價值。

'它們的合成'

與它們生產相關的酶在很大程度上是未知的，主要是因為這些不尋常的雙脫氧糖和三脫氧糖在商業上不可獲得，因此迄今為止對它們的研究並不多。但是，它們的合成總方法已經被觀察到。在這些雙脫氧糖和三脫氧糖的生物合成中，形成的最重要的中間體之一是 NDP-4-酮-6-脫氧葡萄糖（其中 NDP 代表核苷二磷酸）。該分子是數百種不同雙脫氧糖和三脫氧糖的分支點。它的合成經歷兩個基本步驟（如圖 1 和 2 所示）。

在步驟 1 中，α-D-葡萄糖-1-磷酸使用核苷轉移酶型酶附著到 NMP 部分。哪個特定的酶取決於反應中包含哪個核苷酸，因為每個核苷酸都有一個獨特的形狀。
在步驟 2 中，碳原子 6 被還原，去除羥基以給出 CH₃ 而不是原來的 CH₂OH。此外，碳原子 4 羥基被氧化，留下一個雙鍵氧原子。這一步是由另一種名為 NDP-葡萄糖-4,6-脫水酶的酶催化的。
步驟 3 展示了七種常用的酶促反應型別，用於形成大量的雙脫氧糖和三脫氧糖（見插圖）。這些是許多相關酶仍然未知的反應。它們的發現以及它們的結構和更詳細的功能的確定是生物化學家在雙脫氧糖和三脫氧糖領域中的下一步。

酸性糖

酸性糖 - 根據布朗斯特-勞裡理論，酸被定義為任何能夠捐出一個氫原子（質子）的分子。正是這種質子的損失使分子具有酸性。就糖類而言，糖的簡化結構稱為單糖（如果你用 SAT 的術語來想：原子與元素的關係就像單糖與糖的關係），使糖具有酸性的原因是，在氫（質子）“丟失”後，它的一個 -OH 基團被氧化，將碳變成羰基碳（羧基），使分子變成酸。

一些最常見的酸性糖

葡萄糖醛酸：葡萄糖醛酸由 α-D-葡萄糖透過氧化而得。機制可以在此找到 [1]（影像由作者使用來自https://scifinder.cas.org的化學繪圖程式繪製）。葡萄糖醛酸最常見的功用是在生物體內代謝外源化合物（即藥物或毒藥）。這種分子對於製造和設計藥物的化學家來說極其重要，因為它與瞭解藥物是否以及如何代謝在體內有關。葡萄糖醛酸在希臘語中被稱為“甜尿”，它是一種存在於尿液中的糖。該酸的作用是將肝臟中的毒素（如藥物、激素和類固醇）結合在一起，幫助它們從體內排出。葡萄糖醛酸通常用作解毒劑，可以幫助藥物過量和最大限度地減少藥物在體內的相互作用。最近的研究還表明，葡萄糖醛酸如何透過解毒體內化學物質來預防男性前列腺癌。抗壞血酸：抗壞血酸最常被稱為維生素 C（抗壞血酸的 L-對映異構體）。由於它易於氧化，維生素 C 已被用於防腐劑等。它也被稱為壞血病（體內缺乏維生素 C）的治療方法。這在過去非常普遍，當水手或海盜在海上航行很長時間時，他們的水果供應會過期，他們沒有維生素 C 的來源，因此會患上壞血病。由於人體無法自行產生維生素 C，我們必須能夠從我們吃的食物和水果中獲得維生素 C。抗壞血酸還具有抗氧化特性，可以幫助保護核酸、蛋白質、脂類和其他細胞器免受自由基（如羥基自由基（活性氧分子））的損害，否則這些自由基會造成損害並誘發腫瘤。抗壞血酸的氧化形式相對安全、無反應性，可以代謝而不會有任何問題。然而，過量的抗壞血酸鹽，即抗壞血酸分子的氧化形式，可能會促進和引發而不是限制生物體內的自由基反應。

人造甜味劑

人工甜味劑提供與糖相同或更高的甜度，但沒有糖帶來的高熱量或隨之而來的蛀牙問題。

阿斯巴甜

這種糖替代品，在市場上被稱為NutraSweet（用於烘焙）或Equal，於1965年被發現，但直到1981年才獲得FDA批准。它的甜度是蔗糖的180倍，每克含有4卡路里，這被認為可以忽略不計。它在熱量下不穩定，在長時間儲存過程中會分解成液體。然而，雖然阿斯巴甜可能在液體中分解，但它對食用並沒有危害。阿斯巴甜的分解只會影響飲料的質量。阿斯巴甜是一種二肽，由兩個氨基酸透過酯鍵與甲醇結合而成。天冬氨酸位於N端，苯丙氨酸位於C端，在那裡它與甲醇結合。阿斯巴甜在胃腸道中代謝，肽鍵和酯鍵被破壞，分離出氨基酸和甲醇。義大利的Soffritti等人研究了阿斯巴甜分解後體內甲醇濃度升高的影響。該小組研究了大鼠，以及高劑量阿斯巴甜與淋巴瘤和白血病的聯絡。發現雌性大鼠在接近每日可接受攝入量（ADI）的劑量下，淋巴瘤和白血病增多。雄性大鼠只有在最高劑量（是ADI的100倍）下，這些水平才增加。他們還注意到，透過飲用水增加甲醇攝入量會增加白血病，新增甲基叔丁基醚（MTBE）也會增加白血病，而MTBE會代謝產生甲醇。體內甲醇會轉化為甲醛，而甲醛會轉化為甲酸。研究還表明，增加甲醛的量會增加白血病和淋巴瘤。雖然這項研究似乎表明阿斯巴甜的食用是一種健康風險，但對該研究存在很多批評。首先，該小組不允許其他小組檢查他們的樣本，這違反了驗證的慣例。此外，FDA過去曾批評該實驗室進行不可靠的工作。

雖然阿斯巴甜是否是一種健康風險的有效性正在受到質疑，但眾所周知，阿斯巴甜對患有苯丙酮尿症 (PKU)的個人來說非常危險。PKU患者無法代謝苯丙氨酸，如果食用含有苯丙氨酸的物質，如阿斯巴甜，體內就會積累有毒的苯丙氨酸。

糖精

糖精也被稱為Sweet-N-Low，是最古老的人工甜味劑之一。它的甜度是蔗糖的300倍。糖精於1879年在約翰·霍普金斯大學發現，是在對煤焦油衍生物進行研究的過程中發現的。它的名字來自拉丁語中的糖，saccharin，與任何糖都沒有結構關係。糖精本身在水中溶解度很低。然而，與氮結合的質子具有相當的酸性，糖精通常以其水溶性鈉鹽或鈣鹽的形式銷售。它最早的應用是在胰島素廣泛應用之前，作為糖尿病患者飲食中糖的替代品。增強的甜度允許使用更少的糖精，從而降低了生產成本。使用更少的基於碳水化合物的甜味劑也能減少熱量。

三氯蔗糖

三氯蔗糖更廣為人知的名字是Splenda，它的甜度是蔗糖的600倍。它與蔗糖的二糖結構非常相似。三個羥基被氯原子簡單地取代。雖然這種變化確實使分子更容易與親核試劑反應，並且由於添加了氯，可能會帶來危險，但這並不令人擔憂。氯的含量與食用食鹽（由氯化鈉製成）相比沒有差異，而且適度食用是無害的。三氯蔗糖被認為是無熱量的，因為人體不識別該分子為糖，所以它不會被分解以獲取能量。

參考文獻和外部連結

Carey, Francis A. and Neil T. Allison. "23." Organic Chemistry. 8th ed. New York: McGraw-Hill, 2011. 1049. Print. Carey, Francis A. and Robert M. Giuliano. "23.12 Amino Sugars." Organic Chemistry. 8th ed. New York: McGraw-Hill, 2011. N. pag. Print.

http://www.drugs.com/dict/d-glucose-6-phosphate.html
http://www.revolutionhealth.com/healthy-living/vitamin-index/n-acetyl-d-glucosamine-ns
http://www.glyconutrient.biz/N-AcetylGlucosamine.htm
http://themedicalbiochemistrypage.org/non-glucose-sugar-metabolism.html
Meister, K. “Sugar Substitutes and Your Health.” Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2006.
Soffritti, M, et. al. "Aspartame Induces Lymphomas and Leukaemias in Rats" Eur. J. Oncol., vol.10, 2005.