结构生物化学/碳水化合物/碳水化合物衍生物

称为单糖的碳水化合物单体可以进行各种反应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通过添加除羟基以外的其他取代基而进行修饰。氨基糖、酸性糖、脱氧糖、糖醇、糖胺和糖磷酸是碳水化合物衍生物的例子。修饰后，转化后的糖分子类似于糖和添加的取代基的结构，但不再被认为是糖，因为它的功能和特性已经改变。例如，糖醇仍然有甜味，但不会被人的身体完全吸收，因此糖醇对血糖的影响较小，每克提供的热量也更少。因此，一些糖醇被广泛用作膳食和保健食品中的糖替代品，特别是对于糖尿病患者。大多数糖衍生物在自然界中存在，并具有重要的生物学功能。例如，氨基糖肝素存在于衬里动脉壁的肥大细胞的细胞内颗粒中，当释放时会抑制血液凝固。糖胺腺苷是DNA和RNA结构的重要组成部分。此外，由于糖衍生物在不同领域有着广泛的应用，其中许多是商业合成的。

葡萄糖家族

D-葡萄糖酸

葡萄糖家族是单糖，其官能团取代了C-2碳或C-6基团上的羟基。每种糖的修饰对代谢都有显著的影响。

β-D-葡萄糖 - 这种碳水化合物衍生物在代谢中起着至关重要的作用。它是主要能量来源，启动细胞呼吸过程。它是通过光合作用产生的，通常用于食品中。它是最常见的碳水化合物，也通过血液循环。它被称为血糖，可以被身体转化为淀粉。它也用于糖尿病的血糖测试。

β-D-葡萄糖-6-磷酸 - 在糖酵解中起着重要作用。它是葡萄糖分解并转化为能量后的最终产物。磷酸基团的添加赋予糖一个负电荷，从而阻止糖容易地穿过脂质膜。在高水平下，它可以抑制脑己糖激酶。它可以转化为淀粉或糖原，储存在肝脏和肌肉中。它在血糖水平中起着重要作用。低水平会导致葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症，但这是一种遗传性疾病。该疾病会导致红血球在暴露于某些环境中时分解。

β-D-葡萄糖胺 - 这也是一种氨基糖，对脂类和蛋白质的形成非常重要。它也可以在昆虫的外骨骼以及植物的细胞壁中形成几丁质。它的一种常见用途是用于骨关节炎。它有助于重建软骨，并用于兽医学。它的另一个用途是帮助关节功能和结缔组织。它还有助于身体调节，并与身体中的β-D-葡萄糖-6-磷酸一起发挥作用。

N-乙酰-β-D-葡萄糖胺 - 这种糖对身体的最佳健康和功能至关重要。它有助于细胞通讯。它还在免疫系统如何与 HIV 和肿瘤反应方面发挥作用。它还在骨关节炎中发挥作用，并有助于软骨形成。它已被证明在哺乳动物的学习中对神经功能起作用。该分子有多种用途，例如限制胆固醇吸收并减少胰岛素分泌。一些受体已在甲状腺中被发现，可以转运碘蛋白。它存在于身体的多个腺体中，并在这些器官的功能中发挥一定作用。胞壁酸 - 这种糖是细菌细胞壁的主要成分，它是肽聚糖的衍生物。它用于实验室实验中的气相色谱。

N-乙酰胞壁酸 - 这也存在于细菌细胞壁的肽聚糖中。它是N-乙酰葡萄糖胺与乳酸缩合后的产物。在细菌中，磷酸烯醇丙酮酸将乳酰基添加到N-乙酰葡萄糖胺的C3上。β-内酰胺竞争性地与转肽酶结合，转肽酶是催化N-乙酰胞壁酸基肽链之间形成键的酶。衣原体在其细胞壁中缺乏N-乙酰胞壁酸，这就是青霉素不能治疗该疾病的原因。

β-D-葡萄糖醛酸 - 该分子是高度极性分子。它用于提高某些药物的溶解度。它被整合到蛋白聚糖中，然后与类固醇激素结合。这种分子形成有助于使化合物更易溶，以便排泄。胆红素是该分子使之可溶的主要分子之一。这种化合物非常有用，可以清除体内的药物，并使它们可溶，以便药物可以通过身体处理。

β-D-葡萄糖酸 - 这被用作液体治疗的碱化剂。它可以用在清洁产品中，因为它可以溶解矿物质沉积物。碱性溶液将有助于更快地溶解矿物质。它可以缓慢地代谢成碳酸氢盐，但效果更持久。它是一种天然存在于植物、蜂蜜和水果中的酸性糖。它也可以通过葡萄糖发酵制备。当与钙结合时，它可以形成凝胶，用于治疗由氢氟酸引起的烧伤。

氨基糖

氨基糖通常被称为单糖碳水化合物糖，它们已经用-NH₂胺基取代了2'-碳羟基取代基。最丰富的氨基糖是地球上最古老和最丰富的有机化合物之一。已知超过60种氨基糖，其中许多只是最近才被分离出来，并被鉴定为抗生素的成分。氨基糖的例子包括

例如，半乳糖胺是八种必需氨基酸中的一种，在细胞间相互作用中发挥作用。尽管半乳糖胺的研究才刚刚开始，但研究表明它可能有助于患有关节炎症的人。缺乏半乳糖胺甚至可能是与心脏病相关的一个因素。此外，半乳糖胺也可能作为毒素导致肝功能衰竭。此外，半乳糖胺也可能作为组成卵泡刺激素 (FSH) 和黄体生成素 (LH) 的糖之一，这两种激素都是人体生殖过程中所必需的。半乳糖胺的来源包括牛（包括牛和公牛）、红藻和鲨鱼肉。

葡萄糖胺与半乳糖胺相反，是一种非常流行且相对众所周知的氨基糖，我们身体用它来产生糖缀合物，如糖基化脂类和蛋白质。葡萄糖胺在组成几丁质的坚硬外骨骼中具有结构作用，例如各种蛛形纲动物、甲壳类动物和昆虫。我们的身体可以从外部来源获得葡萄糖胺，例如不同谷物（如小麦、大米和燕麦）的发酵，以及像半乳糖胺一样，来自牛和鲨鱼。就它对身体功能的影响而言，葡萄糖胺的前体，硫酸软骨素是参与关节软骨的主要部分，因此可以帮助治疗骨质疏松症或骨关节炎。

唾液酸 是一种对我们身体身心健康非常重要的糖胺。没有唾液酸，我们的身体在各个方面都会退化。例如，发现缺乏这种特殊糖胺的儿童，其发育、生长以及头发和皮肤的色素沉着都会受到不利影响。在 Bing Wang 等人进行的一项研究中，婴儿唾液酸浓度的提高被证明可以改善他们的突触发生和神经发育。然而，尽管唾液酸可能有助于我们，但它也可能是允许不同病毒进入的罪魁祸首。唾液酸通常存在于细胞膜的表面，它不仅负责将液体摄取到其带负电的区域，而且还具有识别和结合某些病毒（如流感病毒细胞表面上的血凝素）上的蛋白质的能力。因此，一旦两者结合在一起，就会为病毒进入细胞并扩散到身体其他部位打开一扇大门，从而造成有害的影响。

N-乙酰-D-葡萄糖胺 是几丁质多糖的主要成分，几丁质是构成节肢动物和昆虫坚韧外骨骼的物质。

脱氧糖

脱氧糖 是糖类衍生物，在糖环的 2'-碳上缺少 -OH 羟基，因此称为“脱氧”，de- 是一个表示“去除”的前缀，“oxy”表示“氧气”。

脱氧核糖 是最常见的脱氧糖，因为它正是我们 DNA 双螺旋骨架中使用的糖。科学家推测，脱氧核糖糖衍生物之所以被使用，而不是核糖，是因为它的结构更稳定。与核糖不同，它在 2'-碳上不含羟基，否则会使其容易与其他物种或分子发生氢键，从而破坏我们 DNA 需要的稳定基质。在 DNA 骨架中，脱氧核糖与磷酸基团通过磷酸二酯键结合，并且每个脱氧核糖都共价连接到四种 DNA 氮碱基之一。因此，它们在 DNA 骨架的柔韧性以及确保极性氮碱基朝向双螺旋内部而不是朝向外部（在那里它们会不稳定地暴露在疏水介质中）方面起着非常重要的作用。

岩藻糖 虽然在我们的科学书籍中讨论得较少，但也是一种维持我们身体整体健康和正常发育所必需的糖衍生物。已知岩藻糖是由哺乳期的母亲排泄的，最近的研究表明它在新生儿的胎儿发育以及他们免疫系统的发育中发挥着重要作用。岩藻糖及其衍生物还确保神经信号或细胞间通讯的正常传递，改善大脑的长期记忆，甚至在抑制肿瘤和癌细胞的扩散方面也发挥着重要作用。

鼠李糖 没有那么出名，科学家们有一段时间难以研究这种糖，也不理解它在体内的作用。事实上，它曾经被认为是一种惰性脱氧糖。它也不寻常，因为与大多数其他糖不同，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，鼠李糖可以从毒漆藤中提取。通常，鼠李糖主要存在于植物和细菌的细胞中，而不是动物中。鼠李糖可能参与细胞增殖、胶原蛋白合成和自由基降解。

双脱氧糖和三脱氧糖

双脱氧糖和三脱氧糖是糖，其中两个或三个羟基分别被氢原子取代。这些糖最常见于植物、真菌和细菌中。仅从原核生物来源中就分离出超过一百种不同类型的这些糖。
双脱氧糖和三脱氧糖存在于嵌入革兰氏阴性细菌外膜的脂多糖上，以及这些细菌 S 层的其他区域。它们也存在于革兰氏阳性细菌的 S 层上，即革兰氏阳性细菌比革兰氏阴性细菌更厚的外部肽聚糖膜。在医学上，这些稀有糖被用于抗生素、抗真菌剂、驱虫剂和抗肿瘤剂，因此对科学来说非常有价值。

'它们的合成'

与它们生产相关的酶在很大程度上是未知的，主要是因为这些不寻常的双脱氧糖和三脱氧糖在商业上不可获得，因此迄今为止对它们的研究并不多。但是，它们的合成总方法已经被观察到。在这些双脱氧糖和三脱氧糖的生物合成中，形成的最重要的中间体之一是 NDP-4-酮-6-脱氧葡萄糖（其中 NDP 代表核苷二磷酸）。该分子是数百种不同双脱氧糖和三脱氧糖的分支点。它的合成经历两个基本步骤（如图 1 和 2 所示）。

在步骤 1 中，α-D-葡萄糖-1-磷酸使用核苷转移酶型酶附着到 NMP 部分。哪个特定的酶取决于反应中包含哪个核苷酸，因为每个核苷酸都有一个独特的形状。
在步骤 2 中，碳原子 6 被还原，去除羟基以给出 CH₃ 而不是原来的 CH₂OH。此外，碳原子 4 羟基被氧化，留下一个双键氧原子。这一步是由另一种名为 NDP-葡萄糖-4,6-脱水酶的酶催化的。
步骤 3 展示了七种常用的酶促反应类型，用于形成大量的双脱氧糖和三脱氧糖（见插图）。这些是许多相关酶仍然未知的反应。它们的发现以及它们的结构和更详细的功能的确定是生物化学家在双脱氧糖和三脱氧糖领域中的下一步。

酸性糖

酸性糖 - 根据布朗斯特-劳里理论，酸被定义为任何能够捐出一个氢原子（质子）的分子。正是这种质子的损失使分子具有酸性。就糖类而言，糖的简化结构称为单糖（如果你用 SAT 的术语来想：原子与元素的关系就像单糖与糖的关系），使糖具有酸性的原因是，在氢（质子）“丢失”后，它的一个 -OH 基团被氧化，将碳变成羰基碳（羧基），使分子变成酸。

一些最常见的酸性糖

葡萄糖醛酸：葡萄糖醛酸由 α-D-葡萄糖通过氧化而得。机制可以在此找到 [1]（图像由作者使用来自https://scifinder.cas.org的化学绘图程序绘制）。葡萄糖醛酸最常见的功用是在生物体内代谢外源化合物（即药物或毒药）。这种分子对于制造和设计药物的化学家来说极其重要，因为它与了解药物是否以及如何代谢在体内有关。葡萄糖醛酸在希腊语中被称为“甜尿”，它是一种存在于尿液中的糖。该酸的作用是将肝脏中的毒素（如药物、激素和类固醇）结合在一起，帮助它们从体内排出。葡萄糖醛酸通常用作解毒剂，可以帮助药物过量和最大限度地减少药物在体内的相互作用。最近的研究还表明，葡萄糖醛酸如何通过解毒体内化学物质来预防男性前列腺癌。抗坏血酸：抗坏血酸最常被称为维生素 C（抗坏血酸的 L-对映异构体）。由于它易于氧化，维生素 C 已被用于防腐剂等。它也被称为坏血病（体内缺乏维生素 C）的治疗方法。这在过去非常普遍，当水手或海盗在海上航行很长时间时，他们的水果供应会过期，他们没有维生素 C 的来源，因此会患上坏血病。由于人体无法自行产生维生素 C，我们必须能够从我们吃的食物和水果中获得维生素 C。抗坏血酸还具有抗氧化特性，可以帮助保护核酸、蛋白质、脂类和其他细胞器免受自由基（如羟基自由基（活性氧分子））的损害，否则这些自由基会造成损害并诱发肿瘤。抗坏血酸的氧化形式相对安全、无反应性，可以代谢而不会有任何问题。然而，过量的抗坏血酸盐，即抗坏血酸分子的氧化形式，可能会促进和引发而不是限制生物体内的自由基反应。

人造甜味剂

人工甜味剂提供与糖相同或更高的甜度，但没有糖带来的高热量或随之而来的蛀牙问题。

阿斯巴甜

这种糖替代品，在市场上被称为NutraSweet（用于烘焙）或Equal，于1965年被发现，但直到1981年才获得FDA批准。它的甜度是蔗糖的180倍，每克含有4卡路里，这被认为可以忽略不计。它在热量下不稳定，在长时间储存过程中会分解成液体。然而，虽然阿斯巴甜可能在液体中分解，但它对食用并没有危害。阿斯巴甜的分解只会影响饮料的质量。阿斯巴甜是一种二肽，由两个氨基酸通过酯键与甲醇结合而成。天冬氨酸位于N端，苯丙氨酸位于C端，在那里它与甲醇结合。阿斯巴甜在胃肠道中代谢，肽键和酯键被破坏，分离出氨基酸和甲醇。意大利的Soffritti等人研究了阿斯巴甜分解后体内甲醇浓度升高的影响。该小组研究了大鼠，以及高剂量阿斯巴甜与淋巴瘤和白血病的联系。发现雌性大鼠在接近每日可接受摄入量（ADI）的剂量下，淋巴瘤和白血病增多。雄性大鼠只有在最高剂量（是ADI的100倍）下，这些水平才增加。他们还注意到，通过饮用水增加甲醇摄入量会增加白血病，添加甲基叔丁基醚（MTBE）也会增加白血病，而MTBE会代谢产生甲醇。体内甲醇会转化为甲醛，而甲醛会转化为甲酸。研究还表明，增加甲醛的量会增加白血病和淋巴瘤。虽然这项研究似乎表明阿斯巴甜的食用是一种健康风险，但对该研究存在很多批评。首先，该小组不允许其他小组检查他们的样本，这违反了验证的惯例。此外，FDA过去曾批评该实验室进行不可靠的工作。

虽然阿斯巴甜是否是一种健康风险的有效性正在受到质疑，但众所周知，阿斯巴甜对患有苯丙酮尿症 (PKU)的个人来说非常危险。PKU患者无法代谢苯丙氨酸，如果食用含有苯丙氨酸的物质，如阿斯巴甜，体内就会积累有毒的苯丙氨酸。

糖精

糖精也被称为Sweet-N-Low，是最古老的人工甜味剂之一。它的甜度是蔗糖的300倍。糖精于1879年在约翰·霍普金斯大学发现，是在对煤焦油衍生物进行研究的过程中发现的。它的名字来自拉丁语中的糖，saccharin，与任何糖都没有结构关系。糖精本身在水中溶解度很低。然而，与氮结合的质子具有相当的酸性，糖精通常以其水溶性钠盐或钙盐的形式销售。它最早的应用是在胰岛素广泛应用之前，作为糖尿病患者饮食中糖的替代品。增强的甜度允许使用更少的糖精，从而降低了生产成本。使用更少的基于碳水化合物的甜味剂也能减少热量。

三氯蔗糖

三氯蔗糖更广为人知的名字是Splenda，它的甜度是蔗糖的600倍。它与蔗糖的二糖结构非常相似。三个羟基被氯原子简单地取代。虽然这种变化确实使分子更容易与亲核试剂反应，并且由于添加了氯，可能会带来危险，但这并不令人担忧。氯的含量与食用食盐（由氯化钠制成）相比没有差异，而且适度食用是无害的。三氯蔗糖被认为是无热量的，因为人体不识别该分子为糖，所以它不会被分解以获取能量。

参考文献和外部链接

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
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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.