结构生物化学/有机化学/碳水化合物
碳水化合物在生物体中具有许多重要的功能。它们也被称为糖类，或者如果它们以少量存在，则称为糖；这些名称可互换使用来描述相同的事物。最简单的碳水化合物是单糖，也称为简单糖。二糖是双糖，由两个通过共价键连接的单糖组成。碳水化合物还包括多糖，它们是由许多糖构建块组成的聚合物。 “碳水化合物”这个名称源于“碳的氢化物”，它们来自于光合作用，在那里它们作为产物存在。
碳水化合物是生物体中最丰富的醛类化合物。它们提供储存，运输淀粉和糖原，为身体提供能量，并含有结构成分，如植物中的纤维素和动物中的几丁质。此外，它们还有助于免疫系统、受精、发病机制、血液凝固和发育。
碳水化合物的通用化学式为 Cn(H2O)n，其中比例通常为 1 个碳：2 个氢：1 个氧。三碳糖、五碳糖和六碳糖在单糖中最为常见。它们的结构由官能团醛和酮组成，它们连接着不同数量的羟基。羟基通常连接到醛或酮官能团以外的碳上，形成醛糖和酮糖结构生物化学/碳水化合物/酮糖。最基本的碳水化合物包括多羟基醛（醛部分）或多羟基酮（酮部分）。碳水化合物有四种主要类型：单糖、二糖、寡糖和多糖。
最重要的碳水化合物是葡萄糖。通常，单糖有一个羰基（醛、酮或酸），其余碳原子每个都带有一个羟基。单糖可以通过醚和/或缩醛键连接在一起，形成称为多糖的非常大的聚合物。二糖由两个连接的单糖组成，依此类推。自然界中几乎所有的糖类都至少含有一个手性碳，它们以单一对映异构体的形式存在于自然界中。葡萄糖有 4 个手性碳，有 15 个其他立体异构体，总共 16 种可能的这种粗略结构式的立体异构体。
后缀 –ose 通常用于描述和命名碳水化合物。例如
- 含有 6 个碳的碳水化合物称为己糖
- 含有 5 个碳的碳水化合物称为戊糖
- 以醛为羰基的碳水化合物称为醛糖
- 以酮为羰基的碳水化合物称为酮糖
看看甘油醛
对映异构体无论其为 D 型还是 L 型构象，它们的行为都相同，它们都具有相同的沸点、熔点和溶解度。碳水化合物中另一种构象是对映异构体。非对映异构体具有相同的化学式，但连接方式不同。具有非对映异构体构象的单糖具有不同的化学和物理性质。D/l 构型适用于最高编号的手性中心（在大多数情况下，最高手性中心是糖分子中倒数第二个羟基）。D/L 构型与手性分子一样，意味着分子在通过溶液时，即使在溶液中，也会在偏振方向线性偏振光下逐渐旋转。D/L 构型也可以用在命名法中，以区分具有相同化学式的碳水化合物立体异构体（这意味着它们具有相同的物理和化学性质以及相同的化学式，但在偏振光中旋转不同）。自然存在的甘油醛具有 R 型构型的手性碳。这称为 D-甘油醛。相反的对映异构体称为 L-甘油醛。D 和 L 指的是在费歇尔构型中观察到最高编号的手性碳的构型。D-的羟基位于右侧，而 L-的羟基位于左侧。几乎所有自然存在的碳水化合物都是 D 型构型。
最基本的碳水化合物是单糖（例如，葡萄糖、果糖和半乳糖，其结构式为 C6H12O6），它包含分子中 3 个或更多个碳原子。单糖可能看起来是线性分子，但当它们与水溶液接触时，它们往往会形成 5 个碳环结构，这使得分子更加稳定。单糖根据其羰基的位置及其手性进行分类。如果羰基是酮，则单糖被称为酮糖。但是，如果羰基是醛，则单糖被称为醛糖。与酮糖相比，醛糖的可能构型更多，因为醛糖中存在更多手性碳。具有羟基基（-OH）的碳原子，不包括第一个和最后一个碳原子，都是不对称的。不对称碳原子导致两种可能的异构体（R 和 S），分别对应于 D- 和 L- 构型。将两个单糖连接在一起将形成一个二糖，通过糖苷键连接；缩合反应是将两个单糖融合在一起的过程。这种反应通过从一个单糖单糖中去除一个羟基基和从另一个单糖中去除一个质子来形成一个二糖。
单糖的环状结构 半缩醛和半缩酮形成后，碳水化合物将形成环状结构。例如，在葡萄糖中，来自碳 6 的羟基将与来自碳 1 的羰基碳攻击，形成一个半缩醛中间体。然后，将从羰基碳变为带有羟基的碳的碳将被称为异头碳原子。异头碳原子是与醇基和酯键结合的半缩醛或半缩酮。异头碳原子是另一种异构体形式，它们在半缩醛或半缩酮中有所不同。葡萄糖环的最常见结构是 α 构象，与空间受阻的 β 构象形成对比。α 构象是碳 1 上的羟基与碳 6 处于相反平面上的结构，而 β 构象则与碳 6 处于同一平面，从而导致空间阻碍。由于这种空间阻碍的原因，α 构象比 β 构象稳定得多。
单糖立体异构体
修饰单糖
单糖不仅可以形成二糖，还可以形成多糖。如果单糖通过 O-糖苷键连接，则称为寡糖。二糖和多糖唯一的区别在于多糖中结合在一起的单糖更多，形成一条长链，而二糖只包含两个结合的单糖。多糖通常是许多个葡萄糖单体以长链形式连接在一起。多糖有两种类型：同多糖和异多糖。同多糖是单一类型单糖的链，而异多糖包含多种类型的单糖。两种类型的多糖都可以存在于支链或非支链形式。一些重要的同多糖，如淀粉、糖原和葡聚糖，在能量储存中发挥作用，而其他同多糖，如纤维素和几丁质，则具有更多结构性的作用。这些支链和非支链碳水化合物的多样性归因于糖中存在的羟基数量。这些羟基中的任何一个都可以作为形成糖苷键的醇。一个糖充当醇，而另一个糖具有可以形成 O-糖苷键的异头碳。此反应可以根据羟基的 α（朝下）和 β（朝上）取向发生在 1,4 或 1,6 位置。这些取向将糖组织成不同的结构。α 和 β 片层形成，其中糖排列成最少的位阻。
单糖和二糖似乎是稳定的化合物，但事实并非如此，因为它们是半缩醛，其结构中含有反应性羰基。半缩醛的通式为 R1R'1C(OH)OR2，其中 R2 不是氢，是由羰基化合物与醇反应形成的，羰基具有很强的反应性。由于羰基非常活泼，它们可以在短时间内氧化成产物。然而，一些碳水化合物是缩醛，因此可以防止碳水化合物氧化。这是因为异头碳被固定在糖苷键中。由于这种抗氧化性，缩醛被称为非还原糖，如蔗糖，而半缩醛被称为还原糖，如葡萄糖、麦芽糖和乳糖。
两个或多个单糖通过糖苷键连接。这些连接可以是 α 或 β，具体取决于形成键的位置。单糖也可以与氨基酸形成键，形成糖蛋白。与天冬酰胺连接的糖是 N-连接的，或从糖连接到 ASN 的氮原子。与丝氨酸或苏氨酸连接的糖是 O-连接的，或从糖上的碳连接到这两种氨基酸中的氧。天冬酰胺残基只有当残基是 Asn-X-Ser 或 Asn-x-Thr 序列的一部分时才能接受寡糖，其中 x 可以是任何类型的氨基酸。因此，可以在氨基酸序列中检测到潜在的位点。
糖原代谢 葡萄糖代谢及其在该过程中的各种形式由以下过程描述。含有葡萄糖的化合物在肠道中被消化并被身体吸收，包括淀粉、糖原、二糖和单糖。葡萄糖主要储存在肝脏和肌肉中，以糖原的形式存在。它以游离葡萄糖的形式在组织中分配和利用。
半缩醛和半缩酮
[edit | edit source]醛或酮可以与醇反应生成半缩醛或半缩酮。半缩醛和半缩酮是分别由醛和酮衍生的化合物。希腊语 hèmi 意思是“一半”。这些化合物是由醇与羰基的正式加成形成的。当醇基被第二个烷氧基取代时，分别形成缩醛或缩酮。例如，缩醛形成以在目标碳上具有两个醚结束，而半缩醛和半缩酮则同时具有醇和醚基团。
半缩醛和半缩酮形成的例子
在碳水化合物中
[edit | edit source]醛和酮以相同的方式与醇反应分别形成半缩醛和半缩酮，碳水化合物则以分子间方式反应形成环。在形成环时，形成 5 元环或 6 元环是最有利的，并且只有这些环会形成。碳 1 会被碳 5 或碳 6 羟基攻击，形成 5 元环或 6 元环（分别）碳水化合物环。
碳水化合物是植物和以植物为食的动物的主要代谢能量来源。除了满足这种重要营养作用的糖和淀粉之外，碳水化合物还充当结构材料（纤维素）、能量运输化合物 ATP 的组成部分、细胞表面的识别位点以及 DNA 和 RNA 的三个基本组成部分之一。碳水化合物被称为糖类或，如果它们相对较小，则称为糖。
参考文献
[edit | edit source]Berg，生物化学，第 6 版
http://themedicalbiochemistrypage.org/carbohydrates.html
Viadiu, Hector。 “碳水化合物”。化学 114A。UCSD，拉霍亚。2012 年 11 月 19 日。讲座。