碳水化合物(carbohydrate) 單醣(monosaccharide)是具有許多-OH基的aldehyde或ketone。具aldehyde的單醣稱aldose，具ketone則稱ketose。 當化合物的對掌碳(chiral carbon)為n個時，其立體異構物(stereoisomer)則有2n個。如n = 4，則有16個立體異構物。8個右旋立體異構物(8 D – stereoisomer)，8個左旋立體異構物(8 L – stereoisomer) 。

7.1 單醣類 圖7.1 單醣類中醛糖與酮糖的通常的分子式

圖7.2 甘油醛(一種丙醛糖)與二羥基丙酮(一種丙酮糖)

試著將下列的每個醣類做分類。 例如，葡萄糖屬於己醛糖。

圖7.3 一系列屬於D-型的醛糖

Enantiomers Enantiomers : 鏡像異構物，如D – ribose與L – ribose Diastereomer並非enantiomers，是一個不對稱碳的構形(configuration)不同，又稱為epimers，如D – glucose與D – galactose，它們在第四個碳的-OH基構形不同。

單糖的環狀結構 超過四個碳的糖主要是以環狀結構存在，在水中的aldehyde或ketone會氫氧基形成hemiacetal或hemiketal形式，而在酒精中則恢復其直線結構。 形成穩定環狀hemiacetal或hemiketal後會形成新的對掌中心，這個碳稱anomeric carbon atom，因環化反應而形成2個diasteromers，又稱anomers，如D – glucose含有α-D-glucose 與β-D-glucose兩種構形。

圖7.5 半縮醛(hemiacetals)與半縮酮(hemiketals)的形成

圖7.6 單醣類的結構式

圖7.7 葡萄糖之頭異構物的Haworth 表示法

構形結構 圖7.10 α-及-β葡萄糖之結構式

氧化反應 醛糖糖酸(aldonic acid) 糖醛酸(uronic acid)

圖7.12 葡萄糖的氧化產物

內酯(lactone)

還原作用: 將單糖的aldehyde或ketone基還原可產生糖醇，如glucose的還原糖sorbitol。 在商業上的糖醇常被應用，例如sorbitol可阻止糖果水份流失，增加糖果在架上的存放時間。加入sorbitol糖漿至具人工甘味的水果罐頭，能減少其人工糖精不好的風味。

圖7.14 實驗室採用將葡萄糖還原成D-葡萄糖醇(D-山梨醇) 的反應

酯化反應(Esterization) 醣類的OH基能與酸作用形成酯(ESTER)，Esterization能劇烈的改變醣的化學與物理性質。在自然界中醣類與磷酸根與硫酸根常會形成ester bond。 一些單糖的磷酸衍生物是活細胞重要的代謝途徑分子，通這些反應是由於與ATP作用而成。具Thioester鍵的糖類分子在連接組織的主要組成分proteoglycan分佈很豐富，因為sulfate esters是帶電，可結合大量的水與分子量小的離子。

2. 葡萄糖-6-磷酸轉換為果糖-6-磷酸。

圖7.16 縮醛(acetals)及縮酮(ketals) 的形成

糖苷鍵的形成 hemiacetal與hemiketal與醇基反應生成acetal或ketal。 單醣的hemiacetal或hemiketal與-OH基反應形成新的連結稱糖苷鍵連結(glycosidic linkage)，兩個單糖以糖苷鍵結形成雙糖，許多單糖以糖苷鍵結形成多糖(polysaccharide)。

圖7.17 甲基葡萄糖苷的形成

圖7.25 配糖鍵

單醣是還原劑 葡萄糖和其他糖類可以還原鐵離子和銅離子，因此稱為還原糖（reducing sugar）。這特質是裴林反應（Fehling's reaction）的基礎，此為還原性糖類的定量試驗。

重要的單糖 Glucose: 葡萄糖是活細胞第一利用的燃料，在動物中glucose是腦與少或缺粒線體(如紅血球細胞)最喜歡的能源，眼球細胞(只供少量氧)，也使用大量的glucose當能源。

Fructose: 果糖富於蜂蜜與一些蔬菜。等重時，果糖的甜度是蔗糖的兩倍，因此常添加於食品中，大量的果糖用於雄性生殖系統，果糖在儲精囊中合成，匯入精液作為精蟲的能量來源。 Galactose: 半乳糖合成出現於多種生物分子中，如乳糖、糖脂、蛋白多糖與糖蛋白等。

半乳糖血症:一種遺傳疾病，由於代謝半乳糖失效，造成galactose、galactose-1-phosphate的累積與造成肝損害、冠心症、嚴重的心智發展遲緩。 由於單糖才會被吸收，無法被分解的雙糖通過大腸時，滲透壓會將水從組織細胞中帶出(造成腹瀉)。同時腸中的細菌也會分解雙糖(產生發酵)，然後產生氣體(脹氣與腹痛)，如乳糖不耐症。

單糖的衍生物 1 Uronic aicd 單醣的第六個碳上的OH基被氧化成酸的統稱。如D-glucuronic acid與其epimer iduronic acid。 在動物中這兩種uronic acid很重要，在肝臟中D-glucuronic acid能結合類固醇，一些藥物與bilirubin改善其溶解度。 D-glucuronic acid與其epimer iduronic acid在連結組織相當豐富。

圖7.22 (a) α-D-葡萄糖醛酸(α-D-glucuronate) (b)β-L-艾杜糖酸(β-L-Iduronate)

圖7.23 胺基糖(amino sugars)

胺基醣: 動物中常見的胺基糖是D-glucosamine與D-galactosamine，胺基糖常被乙醯化(acetylated)，如幾丁聚醣。 去氧糖: 單糖的氫氧基(-OH group)被-H所取代稱為去氧糖，在細胞中有兩種重要的去糖，2-deoxy-D-ribose(去氧核糖)與L-fucose(源自甘露糖的還原)，常出現於一些決定血型的糖蛋白上。

圖7.24 去氧糖(deoxy sugars)

雙糖: 兩個單糖以糖苷鍵相連結。如乳糖與蔗糖。 乳糖:半乳糖-葡萄糖 β(1-4)糖苷鍵連結 麥芽糖:葡萄糖-葡萄糖 α(1-4)糖苷鍵連結 蔗糖 : 果糖-葡萄糖 β2-α1糖苷鍵連結

圖 7-11 麥芽糖的形成。

圖7.26 α-及β-乳糖(α-及β-lactose )

圖7.27 α-及β麥芽糖(α-及β maltose )

圖7.29 蔗糖(sucrose)

圖 7-12 一些常見的雙醣。

寡糖(oligosaccharide) : 3至10單糖聚合成的分子，這些小的聚合物常附在蛋白上形成糖蛋白。接在蛋白上的糖基分成兩種類型。 1 N-linked :寡糖接在蛋白質的Asparagine的醯胺上。 2 O-linked :寡糖接在蛋白質的serine或threonine的氫氧基上。

圖7.30 連結到多胜肽(polypeptides) 的寡醣類

聚糖 : 常扮演能量儲存與結構的物質，是許多單糖以糖苷鍵聚合而成。 可區分成: 1同聚糖(homopolysaccharide) 2異聚糖(heteropolysaccharide)

同聚糖(homopolysaccharide) 同聚糖(homopolysaccharide):如澱粉、肝醣、纖維素全是D-glucose的聚合物 溶膠澱粉(amylose) : 是長、缺乏支鏈以α(1-4)連結的D-glucose聚合物。 肝糖是脊椎動物碳水化合物的儲存分，在肝臟與肌肉中最多。

圖 7-13 同多醣及異多醣。

纖維素 : D-glucose以β(1-4)糖甘鍵連結。只有一些微生物具有分解纖維素的能力(具有cellulase)，一些芻胃動物利用此類微生物分解纖維素。 幾丁聚醣(chitin)廣存於昆蟲、甲殼類動物的外殼。是由N-acetylglucosamine residues為聚合單體的聚合物。

圖7.31 直鏈澱粉(amylose)

圖7.32 支鏈澱粉(amylopectin) (a) 及肝醣(glycogen) (b)

圖7.33 纖維素(cellulose)

圖7.34 纖維素微纖維(cellulose microfibrils)

圖7.35 幾丁質(chitin)

異聚醣(heteropolysaccharide) 由許多種不同的單醣聚合而成的多醣體。 Glycosaminoglycans (GAG):胺基聚醣是具重複雙醣結構的線型聚醣體。

胺基葡萄聚醣是細胞外基質的異多醣 多細胞動物組織的細胞外空間充滿著膠狀樣物質，即為細胞外基質（extracellular matrix），又稱為基地物質（ground substance）。 細胞外基質是由一個連扣的網狀物包含有異多醣以及纖維蛋白，如膠原蛋白（collogen）、彈性蛋白（elastin）、纖維黏蛋白（fibronectin）和層黏連蛋白（laminin）所組成。此種異多醣，即胺基葡萄聚醣（glycosaminoglycans），是一個由重複出現的雙醣單位組成的直線聚合物所構成的家族。

圖7.36呔聚糖(murein)上的重複的雙醣類單位(胜肽聚糖；peptidoglycan)

圖 7-22 胜肽聚醣

圖7.37 Murein(Peptidoglycan)

某些海洋的紅藻，包括某些海洋的水生植物，它們的細胞壁內含有膠質（agar），是一種由 D-半乳糖和 L-半乳糖衍生物在第3個碳與第6個碳的位置藉由醚連結而形成的含硫異多醣混合物。 膠質中主要的兩種成分，一種是非分支狀構造的瓊膠（agarose ，分子量約120,000），而另一種則是分支狀構造的瓊果膠（agaropectin）

圖 7-23 瓊膠的構造。

表 7-2 一些多醣的角色及結構

醣類共軛物：蛋白多醣、醣蛋白以及 醣脂 Glycoconjugates: Proteoglycans, Glycoproteins, and Glycolipids

醣蛋白（glycoproteins）有一個或幾個不同複雜度的寡糖以共價鍵結方式連結於蛋白質。 醣脂（glycolipids）是膜性脂質，其親水性的頭部份是寡醣類，如同在醣蛋白一樣，扮演碳水化合物結合蛋白質的特異辨識部位。

醣脂和脂多醣是膜的組成物 神經節苷脂（gangliosides）是真核細胞的膜脂質，其上面的極性頭群（形成膜外表面脂質的一部份）是一種含有唾液酸。 脂多醣（lipopolysaccharides）為革蘭氏陰性菌如大腸桿菌及傷寒沙門氏桿菌外膜的顯性表面特徵。這些分子是脊椎動物免疫系統對於細菌感染所產生抗體的主要目標，因此其為對細菌種類血清型很重要的決定簇（血清型是以細菌抗原特性為基礎來做區分的細菌型式）。

圖 7-32(a) 細菌的脂多醣。

糖結合物 糖結合物(glycoconjugates) 醣蛋白 連接天門冬醯胺碳水化合物 黏液素類型的碳水化合物 醣蛋白功能

圖7.38 蛋白聚糖(proteoglycan)

圖7.39 防凍劑醣蛋白(antifreeze glycoprotein)

圖7.40 糖盞(glycocalyx)

圖7.C 寡醣在生物學識別的角色

圖 7-37 寡醣在細胞表面辨認與附著的角色。