結構生物化學/有機化學/碳水化合物
碳水化合物在生物體中具有許多重要的功能。它們也被稱為糖類，或者如果它們以少量存在，則稱為糖；這些名稱可互換使用來描述相同的事物。最簡單的碳水化合物是單糖，也稱為簡單糖。二糖是雙糖，由兩個透過共價鍵連線的單糖組成。碳水化合物還包括多糖，它們是由許多糖構建塊組成的聚合物。 “碳水化合物”這個名稱源於“碳的氫化物”，它們來自於光合作用，在那裡它們作為產物存在。
碳水化合物是生物體中最豐富的醛類化合物。它們提供儲存，運輸澱粉和糖原，為身體提供能量，並含有結構成分，如植物中的纖維素和動物中的幾丁質。此外，它們還有助於免疫系統、受精、發病機制、血液凝固和發育。
碳水化合物的通用化學式為 Cn(H2O)n，其中比例通常為 1 個碳：2 個氫：1 個氧。三碳糖、五碳糖和六碳糖在單糖中最為常見。它們的結構由官能團醛和酮組成，它們連線著不同數量的羥基。羥基通常連線到醛或酮官能團以外的碳上，形成醛糖和酮糖結構生物化學/碳水化合物/酮糖。最基本的碳水化合物包括多羥基醛（醛部分）或多羥基酮（酮部分）。碳水化合物有四種主要型別：單糖、二糖、寡糖和多糖。
最重要的碳水化合物是葡萄糖。通常，單糖有一個羰基（醛、酮或酸），其餘碳原子每個都帶有一個羥基。單糖可以透過醚和/或縮醛鍵連線在一起，形成稱為多糖的非常大的聚合物。二糖由兩個連線的單糖組成，依此類推。自然界中幾乎所有的糖類都至少含有一個手性碳，它們以單一對映異構體的形式存在於自然界中。葡萄糖有 4 個手性碳，有 15 個其他立體異構體，總共 16 種可能的這種粗略結構式的立體異構體。
字尾 –ose 通常用於描述和命名碳水化合物。例如
- 含有 6 個碳的碳水化合物稱為己糖
- 含有 5 個碳的碳水化合物稱為戊糖
- 以醛為羰基的碳水化合物稱為醛糖
- 以酮為羰基的碳水化合物稱為酮糖
看看甘油醛
對映異構體無論其為 D 型還是 L 型構象，它們的行為都相同，它們都具有相同的沸點、熔點和溶解度。碳水化合物中另一種構象是對映異構體。非對映異構體具有相同的化學式，但連線方式不同。具有非對映異構體構象的單糖具有不同的化學和物理性質。D/l 構型適用於最高編號的手性中心（在大多數情況下，最高手性中心是糖分子中倒數第二個羥基）。D/L 構型與手性分子一樣，意味著分子在透過溶液時，即使在溶液中，也會在偏振方向線性偏振光下逐漸旋轉。D/L 構型也可以用在命名法中，以區分具有相同化學式的碳水化合物立體異構體（這意味著它們具有相同的物理和化學性質以及相同的化學式，但在偏振光中旋轉不同）。自然存在的甘油醛具有 R 型構型的手性碳。這稱為 D-甘油醛。相反的對映異構體稱為 L-甘油醛。D 和 L 指的是在費歇爾構型中觀察到最高編號的手性碳的構型。D-的羥基位於右側，而 L-的羥基位於左側。幾乎所有自然存在的碳水化合物都是 D 型構型。
最基本的碳水化合物是單糖（例如，葡萄糖、果糖和半乳糖，其結構式為 C6H12O6），它包含分子中 3 個或更多個碳原子。單糖可能看起來是線性分子，但當它們與水溶液接觸時，它們往往會形成 5 個碳環結構，這使得分子更加穩定。單糖根據其羰基的位置及其手性進行分類。如果羰基是酮，則單糖被稱為酮糖。但是，如果羰基是醛，則單糖被稱為醛糖。與酮糖相比，醛糖的可能構型更多，因為醛糖中存在更多手性碳。具有羥基基（-OH）的碳原子，不包括第一個和最後一個碳原子，都是不對稱的。不對稱碳原子導致兩種可能的異構體（R 和 S），分別對應於 D- 和 L- 構型。將兩個單糖連線在一起將形成一個二糖，透過糖苷鍵連線；縮合反應是將兩個單糖融合在一起的過程。這種反應透過從一個單糖單糖中去除一個羥基基和從另一個單糖中去除一個質子來形成一個二糖。
單糖的環狀結構 半縮醛和半縮酮形成後，碳水化合物將形成環狀結構。例如，在葡萄糖中，來自碳 6 的羥基將與來自碳 1 的羰基碳攻擊，形成一個半縮醛中間體。然後，將從羰基碳變為帶有羥基的碳的碳將被稱為異頭碳原子。異頭碳原子是與醇基和酯鍵結合的半縮醛或半縮酮。異頭碳原子是另一種異構體形式，它們在半縮醛或半縮酮中有所不同。葡萄糖環的最常見結構是 α 構象，與空間受阻的 β 構象形成對比。α 構象是碳 1 上的羥基與碳 6 處於相反平面上的結構，而 β 構象則與碳 6 處於同一平面，從而導致空間阻礙。由於這種空間阻礙的原因，α 構象比 β 構象穩定得多。
單糖立體異構體
修飾單糖
單糖不僅可以形成二糖，還可以形成多糖。如果單糖透過 O-糖苷鍵連線，則稱為寡糖。二糖和多糖唯一的區別在於多糖中結合在一起的單糖更多，形成一條長鏈，而二糖只包含兩個結合的單糖。多糖通常是許多個葡萄糖單體以長鍊形式連線在一起。多糖有兩種型別：同多糖和異多糖。同多糖是單一型別單糖的鏈，而異多糖包含多種型別的單糖。兩種型別的多糖都可以存在於支鏈或非支鍊形式。一些重要的同多糖，如澱粉、糖原和葡聚糖，在能量儲存中發揮作用，而其他同多糖，如纖維素和幾丁質，則具有更多結構性的作用。這些支鏈和非支鏈碳水化合物的多樣性歸因於糖中存在的羥基數量。這些羥基中的任何一個都可以作為形成糖苷鍵的醇。一個糖充當醇，而另一個糖具有可以形成 O-糖苷鍵的異頭碳。此反應可以根據羥基的 α（朝下）和 β（朝上）取向發生在 1,4 或 1,6 位置。這些取向將糖組織成不同的結構。α 和 β 片層形成，其中糖排列成最少的位阻。
單糖和二糖似乎是穩定的化合物，但事實並非如此，因為它們是半縮醛，其結構中含有反應性羰基。半縮醛的通式為 R1R'1C(OH)OR2，其中 R2 不是氫，是由羰基化合物與醇反應形成的，羰基具有很強的反應性。由於羰基非常活潑，它們可以在短時間內氧化成產物。然而，一些碳水化合物是縮醛，因此可以防止碳水化合物氧化。這是因為異頭碳被固定在糖苷鍵中。由於這種抗氧化性，縮醛被稱為非還原糖，如蔗糖，而半縮醛被稱為還原糖，如葡萄糖、麥芽糖和乳糖。
兩個或多個單糖透過糖苷鍵連線。這些連線可以是 α 或 β，具體取決於形成鍵的位置。單糖也可以與氨基酸形成鍵，形成糖蛋白。與天冬醯胺連線的糖是 N-連線的，或從糖連線到 ASN 的氮原子。與絲氨酸或蘇氨酸連線的糖是 O-連線的，或從糖上的碳連線到這兩種氨基酸中的氧。天冬醯胺殘基只有當殘基是 Asn-X-Ser 或 Asn-x-Thr 序列的一部分時才能接受寡糖，其中 x 可以是任何型別的氨基酸。因此，可以在氨基酸序列中檢測到潛在的位點。
糖原代謝 葡萄糖代謝及其在該過程中的各種形式由以下過程描述。含有葡萄糖的化合物在腸道中被消化並被身體吸收，包括澱粉、糖原、二糖和單糖。葡萄糖主要儲存在肝臟和肌肉中，以糖原的形式存在。它以遊離葡萄糖的形式在組織中分配和利用。
半縮醛和半縮酮
[edit | edit source]醛或酮可以與醇反應生成半縮醛或半縮酮。半縮醛和半縮酮是分別由醛和酮衍生的化合物。希臘語 hèmi 意思是“一半”。這些化合物是由醇與羰基的正式加成形成的。當醇基被第二個烷氧基取代時，分別形成縮醛或縮酮。例如，縮醛形成以在目標碳上具有兩個醚結束，而半縮醛和半縮酮則同時具有醇和醚基團。
半縮醛和半縮酮形成的例子
在碳水化合物中
[edit | edit source]醛和酮以相同的方式與醇反應分別形成半縮醛和半縮酮，碳水化合物則以分子間方式反應形成環。在形成環時，形成 5 元環或 6 元環是最有利的，並且只有這些環會形成。碳 1 會被碳 5 或碳 6 羥基攻擊，形成 5 元環或 6 元環（分別）碳水化合物環。
碳水化合物是植物和以植物為食的動物的主要代謝能量來源。除了滿足這種重要營養作用的糖和澱粉之外，碳水化合物還充當結構材料（纖維素）、能量運輸化合物 ATP 的組成部分、細胞表面的識別位點以及 DNA 和 RNA 的三個基本組成部分之一。碳水化合物被稱為糖類或，如果它們相對較小，則稱為糖。
參考文獻
[edit | edit source]Berg，生物化學，第 6 版
http://themedicalbiochemistrypage.org/carbohydrates.html
Viadiu, Hector。 “碳水化合物”。化學 114A。UCSD，拉霍亞。2012 年 11 月 19 日。講座。