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糖类

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糖的结晶

糖类,又称碳水化合物德语KohlenhydratSaccharid英语carbohydratesaccharide法语glucide),是多羟基或多羟基及其缩聚物和某些衍生物的总称,一般由三种元素所组成,广布于自然界。糖类的另一个名称为“碳水化合物”,其由来是根据生物化学家先前发现一类物质可写成经验分子式:Cn(H2O)m,其氢与氧元素的比例始终为2:1,故以为糖类是化合物;但后来的发现证明了许多糖类并不符合上述分子式,如:鼠李糖(C6H12O5);而有些物质符合上述分子式却不是糖类,如甲醛(CH2O)等。糖类为人体之重要的营养素,主要分成四大类:单糖双糖低聚糖多糖,他们在生活上扮演着很重要的角色,像多糖可作为储存养分的物质,如淀粉糖原;或作为动物外骨骼植物细胞细胞壁,如:甲壳素纤维素;另如五碳醛糖核糖是构成各种辅因子的不可或缺失之物质,如ATPFADNAD)也是一些遗传物质分子的骨干(如RNA)。糖类的众多衍生物同时也与免疫系统受精、预防疾病、血液凝固生长等有极大的关联。[1]食品科学和其他非正式的场合中,碳水化合物通常是指:富有淀粉(如谷物面包面食)或简单的糖类的食物(如食糖[2][3]

历史

中国最早有饴、饧、糖等字,都是以糯米为原料,稀的叫饴,干的叫饧、糖。在六朝时才出现“糖”字。李时珍本草纲目》载:“糖法出西域唐太宗始遣人传其法入中国,以蔗准过漳木槽取而分成清者,为蔗饧。凝结有沙者为沙糖,漆瓮造成如石如霜如冰者为石蜜、为糖霜、为冰糖。”“糖”与一般所称的“糖”不同,糖是指食糖,泛指一切具有甜味的糖类,如葡萄糖麦芽糖及最主要的蔗糖,而糖类包括所有单糖、双糖及多糖,并不仅指含有甜味的物质。

结构

以前所有分子式可写成Cm(H2O)n的化学物质皆被称为“碳水化合物”,根据这个定义,有些科学家认为甲醛 (CH2O)为最简单的糖,[4]但是也有其他人认为糖类中最简单的分子是乙醇醛(C2H4O2)。[5]但是现在,生物化学理解上的糖类是指除了碳数不为一和二的“碳水化合物”。

自然界的糖类通常都由一种简单的碳水化合物:单糖所构成,通是为(CH2O)n ,(n≥3)。一个典型的单糖具有H-(CHOH)x(C=O)-(CHOH)y-H结构,也就是多羟基或多羟基,如:葡萄糖果糖甘油醛皆是单糖。然而有些生物物质像糖醛酸脱氧糖就不符合此通式,此外还有许多物质的分子式符合这个通式却并不属于糖类,如:甲醛(CH2O)和肌醇(CH2O)6[6]

直链形式的单糖通常与关环形式的单糖同时存在,这种环状分子是由/上的羰基(C=O)与羟基(-OH)反应形成半缩醛,并形成一个新的C-O-C键桥。单糖可以各种方式互相连接在一起形成多糖(或寡糖,又称低聚糖)。许多糖类含有一个或多个修饰的单糖单元,这种修饰方法可以是一个或多个基团被取代或移除。例如,DNA的一个组分脱氧核糖,就是被核糖所修饰的糖;几丁质是一种被重复的N-乙酰氨基葡萄糖(一种含原子的葡萄糖)片段所组成的糖类。

单糖

D-葡萄糖 是一种己醛糖,分子式为:(C•H2O)6。图中红色的部分是醛基,蓝色的部分是距离醛基最远的非对称中心;因为最下面那个羟基是在费歇尔投影式的右方所以这是D-葡萄糖

单糖因无法水解为更小的碳水化合物,因此是糖类中最小的分子。它们是一些具有两个或者更多羟基类化合物。未修饰过的单糖化学式可表达为:(C·H2O)n,因其都是碳和水分子的倍数而称为:“碳水化合物”。单糖是一种重要的燃料分子,也是核酸的结构片段。最小的单糖中的n=3,即二羟基丙酮或D-和L-甘油醛

单糖的分类

Alpha-D-glucopyranose-2D-skeletal.png Beta-D-glucopyranose-2D-skeletal.png

葡萄糖的α-与β-(后者)异头物。需注意结合在碳5上的CH2OH基团与异头碳上的羟基(红色或绿色)之间的空间关系:两者异面为(α)型,同面则为(β)型。

单糖可由三种不同的结构片段来分类:羰基的位置、分子内的碳原子数、及其手性构型。如果羰基在碳链末端,则分子属类,而单糖称醛糖;若羰基位处碳链中间,则属类而单糖称为酮糖。含有三个碳原子的单糖称为:丙糖;四个碳原子的称为丁糖;五个称为戊糖;六个称为己糖,以此类推。[7]

除糖分子碳链的首尾两个碳原子,每个碳原子都带有一个羟基(-OH)并具有不对称性,使每个手性中心可以是R或S两种构型。因为这种不对称性,一个特定的糖分子式存在着多种异构体。如:D-葡萄糖(醛糖)具有分子式 (C•H2O)6,其中有六个碳原子具有手性,因此D-葡萄糖是24 = 16个可能的立体异构体中的一个。又如:甘油醛是一种丙醛糖,有一种可能的立体异构体,同时也是对映体差向异构体1,3-二羟基丙酮,丙醛糖(醛糖)所对应的酮糖分子,是一种没有手性中心的对称分子。D或L构型由离羰基最远的不对称碳原子的取向所决定:标准的费歇尔投影式中,若羟基在右侧则为D型糖,左侧则为L型糖。这里要注意:“D-”和“L-”前缀不可与“d-”和“l-”相混淆,后者指的是偏振光在糖分子平面下的旋转。“d-”和“l-”在糖化学中现已不太使用。[8]

半缩醛异构化

葡萄糖可以以链状或环状的形式存在。

直链单糖的醛基或酮基会不可逆的与另外一个碳原子作用形成半缩醛半缩酮,得到一个带有氧桥连接双碳原子的杂环。由五个或六个原子组成环的分别称为呋喃糖吡喃糖,这些环状糖与直链形式的糖存在化学平衡。[9] 由直链糖形成环状糖的过程中,含有羰基氧原子的碳原子称为:异头碳。这个碳原子在成环后便成为分子内的手性中心,具有两种可能的构型:若氧原子可在平面的上方或下方,这样得到的一对手性异构体称之为:异头物。若在异头碳上的-OH取代基与环外CH2OH基团成反式构型(即不在环一侧)时称为α异头物;另外一种情况两者在环的同一侧,呈现顺式构型,则称为β异头物。由于环状糖与直链糖本身会互相转化,因此两种异头物存在着平衡[9]费歇尔投影式中,α异头物被表达为:异头羟基与CH2OH呈现反式,而β异头物则为顺式[10]

在生物中的角色

单糖是新陈代谢中的主要燃料,能提供能量(当中以葡萄糖最主)及用于生物合成[11][12]

单糖未需即时使用的话,细胞会先将其转换成较省空间的形式,通常为多糖。在包括人类的许多动物中,这种储存方式是糖原,特别在肝脏及肌肉细胞。在植物中,则储存成淀粉[13]

双糖

蔗糖是一种常用的双糖,它由两种单糖组成:D-葡萄糖(左侧)和D-果糖(右侧)

由两个连接成一起的单糖组成的糖类,称为双糖。它们是最简单的多糖,如:蔗糖乳糖。双糖是由两个单糖单元通过脱水反应,形成一种称为糖苷键共价键连接而成。在脱水过程中,一分子单糖脱除原子,而另一分子单糖脱除羟基。未经修饰的双糖化学式可表达为:C12H22O11。虽然双糖种类繁多,但大多数并不常见。右侧图片展示的为蔗糖,是存量最为丰富的双糖,它们是植物体内存在最主要的糖类。蔗糖由一个D-葡萄糖分子与一个D-果糖分子所组成,其系统命名为:O-α-D-葡萄吡喃糖基-(1→2)-D-果糖呋喃糖苷,其中蕴含了四种信息:

  • 它由两种单糖组成:葡萄糖与果糖。
  • 两种单糖的类型:葡萄糖为吡喃糖;果糖为呋喃糖
  • 两种单糖的连接方式:在D-葡萄糖的一号碳(C1)上的氧原子连接D-呋喃糖的二号碳(C2)。
  • 后缀-“糖苷”表明了:两个单糖异头碳参与了糖苷键的形成。

乳糖,是一种由一分子D-半乳糖与一分子D-葡萄糖形成的双糖,广泛的存在于天然产物中,如:哺乳动物的。另外一个常见的双糖为麦芽糖(两个D-葡萄糖通过1,4碳原子连接为α糖)与纤维糖(两个D-葡萄糖通过1,4碳原子连接为β糖)。双糖还可分类为还原性双糖与非还原性双糖,通过两个单糖分子的半缩醛(酮)羟基脱去一分子水而相互连接。这样的双糖,分子中已没有半缩醛(酮)羟基存在,因此其中任何一个单糖部分都不能再由环式转变成醛(酮)式。这种双糖就没有变旋现象和还原性,也不能生成糖脎,因此称为非还原性双糖[14][15]

低聚糖和多糖

直链淀粉是一种主要由葡萄糖通过α(1→4)键连接而成的链状聚合物。它可由几千个葡萄糖单元组成。它是淀粉的两种组成之一,另外一种是支链淀粉

低聚糖和多糖都是由单糖单元通过糖苷键组成的长链分子。两者的区别在于单糖单元在链上的数量:低聚糖通常含有3-10个单糖单元,而多糖则超过10个单糖单元。实际应用中,糖的分类更倾向于个人的判断,如通常上述的双糖可以算为低聚糖,也包括了:三糖-棉子糖和四糖-水苏糖。

低聚糖是经翻译后修饰的常见蛋白质形式。翻译后修饰包括Lewis及负责ABO血型分类的低聚糖,因此也与组织出现不相容、alpha-Gal异种移植超急性排斥及 O-GlcNAc糖基化有关。

多糖是生物聚合物的一个重要分类,其功能通常与生物结构及储存方面有关。淀粉(一种单糖聚合物)是植物中的多糖储存方式,而它的形式包括直链淀粉分枝淀粉。在动物中,结构上相似的葡萄糖聚合物是相对较多分枝的肝糖,有时称作“动物淀粉”。 肝糖的特性在于它能迅速被分解,因此较适合于经常活动的动物。纤维素甲壳素属于结构寡糖。植物及某些生物的细胞壁用纤维素制造,因而被说是世上最多的有机分子[16]。它的用途非常广泛,主要用于制纸及纺织品工业,亦是制作嫘萦(黏液嫘萦过程)、乙酸嫘萦、赛璐珞及氮嫘萦的原料。

甲壳素的化学结构与纤维素相似,并有含的取代基,因此比纤维素更坚韧。节肢动物外骨骼及某些真菌的细胞壁皆以甲壳素组成。甲壳素有多种用途,包括手术缝合线。

除了以上两种,胝质(或作昆布糖)、金藻昆布多糖聚木糖阿拉伯木聚糖甘露聚糖褐藻素半乳甘露聚糖均属于多糖[17]

营养学

谷类食品含有丰富的糖类。

多种食物皆含有丰富的糖类,包括水果、汽水、面包意式面食豆类马铃薯米糠稻米麦类。糖类是生物中的常见能量来源,却不是人类的必须营养。糖类也不是任何其他份子的必须组成部分,而人体也可以从蛋白脂肪获取能量[18][19]。脑部及脑神经一般不能燃烧脂肪以获取能量,但可以使用葡萄糖酮糖代替。人体能从糖异生过程中,利用特定的氨基酸、三酰甘油中的甘油骨架,或是脂肪酸中的合成某些葡萄糖。糖类每含有15.8焦耳(即3.75千卡路里)而每克蛋白质则能提供16.8千焦耳(4 千卡路里),而每克脂肪则能提供37.8千焦耳(9 千卡路里)[20]

生物一般不能利用所有糖类转换成能量,而葡萄糖是最普遍的能量来源。许多生物都有能力把其他单糖双糖代谢成能量,但以葡萄糖为首选。例如,在大肠杆菌中,当遇到乳糖,乳糖操纵子会释出酶,以消化乳糖,但如果乳糖和葡萄糖都存在乳糖操纵子会受到压抑的,葡萄糖会首先被消化。多糖也是常见的能量来源,许多生物皆能分解淀粉成葡萄糖,但大部分生物都不能消化纤维素甲壳素等其他多糖。 这些糖只能由某些细菌及原生生物消化。例如,反刍动物白蚁会利用微生物来处理纤维素。虽然这些复杂的糖不能轻易消化,但它们却是人类营养的重要部分,称为食用纤维。食用纤维对人类的最大益处,在于它能促进消化。美国药物组织建议, 每名美国及加拿大人的食物热量需有45–65%来自糖类,以减低心脏病及肥胖症的风险[21]联合国粮食及农业组织世界卫生组织也联合建议每个国家制定营养指引,订立每人的总食物能量中的55–75% 来自糖类,最多10%直接来自糖分[22]

分类法

历史上,营养学家曾经只把糖类分为简单与复杂,但这种分类法难免存在歧义问题。现今的“简单糖类”一般指单糖双糖,而“复杂糖类”指多糖(包括低聚糖)。可是,“复杂糖类”最先见于美国参议院人类营养需求委员会出版物《美国营养目标》(1977),该词语的意思却不相同,指的是"“水果、蔬菜及全谷物”[23]。部分营养学者 以“复杂糖类”一词指任何在含有纤维、维他命及矿物质的食物中,可消化的糖类,以相对于提供较少其他营养的已消化糖类。

许多人(甚至有营养学家)相信,复杂的糖类(多糖,例如淀粉)比简单的糖类(例如单糖)消化得较慢,因此较健康[24]

实际上,简单糖类与复杂糖类对血糖水平的影响大同小异[25]。一些简单的碳水化合物消化得非常缓慢(例如果糖),而一些复杂的碳水化合物,特别经过处理后的,却能迅速提高血糖水平(如淀粉)。从此可知,消化的速度取决于多种因素,包括连带进食的其他营养物、食物准备方法、在个人代谢的速度差异,以及该碳水化合物的化学结构。

营养学上,以升糖指数 (GI)及血糖负荷(GL)的概念,来反映食物于消化后对人体的影响。升糖指数衡量人体吸收该食物中葡萄糖的速度,​​而血糖负荷则衡量食物中可吸收葡萄糖的总量。两种指数中,最高则代表糖类含量最高、血糖水平最大影响的食物。胰岛素指数是一个类似的、更新式的计算法,衡量食品对血腋胰岛素水平的影响,主要考量食物中的葡萄糖(或淀粉)和某些氨基酸的分量。

膳食指南一般建议食用复杂碳水化合物(淀粉)和营养丰富的简单碳水化合物,如水果、蔬菜及奶制品,以弥补大量碳水化合物的消耗。过量食用高度加工的碳水化合物来源,如玉米或土豆片,糖果,含糖饮料,糕点和白米,一般认为是不健康的。美国农业部的《2005年美国膳食指南》不再使用简单/复杂的分类法,改为推荐含丰富纤维素的食物和全谷物[26]

分解代谢

细胞会透过分解代谢获取能量。单糖分解代谢的途径有两种:糖酵解三羧酸循环,或称作柠檬酸循环、克雷伯氏循环[27][28]

在糖酵解过程中,低聚糖或多糖会先裂解成较小的单糖,过程会由糖苷水解酶催化,单糖才能进入单糖分解的程序。在人体中,并非所有碳水化合物都能提供能量,因为人体内并没有所需的消化酶及代谢酶以催化其分解作用[29][30]

糖化学

糖化学是有机化学的一个重要分支,它是以研究糖的化学性质以及化学反应为主的一门科学。由于糖的结构是多羟基醛酮化合物或其半缩醛结构,因此糖化学主要研究了糖分子内部的这些相关性质。部分醛糖氧化羧酸。以下是主要其牵涉的化学反应:

有些糖类因带有醛基(如单糖中的葡萄糖)或其含有半缩醛羟基(如部分双糖中的乳糖),使这些糖带有还原性质,称为还原糖,可以斐林试剂本立德试剂侦察,还原糖的出现会产生红褐色的氧化亚铜沉淀物。此外还原糖与氨基酸等物种在加热的情况下能进行美拉德反应,即令食物出现棕褐色并出现诱人香气的主要化学作用。

参见

参考数据

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参考书目

外部链接