醣類

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醣的結晶

醣類,又稱碳水化合物德語KohlenhydratSaccharid英語carbohydratesaccharide法語glucide),是多羥基或多羥基及其縮聚物和某些衍生物的總稱,一般由三種元素所組成,廣佈於自然界。醣類的另一個名稱為「碳水化合物」,其由來是根據生物化學家先前發現一類物質可寫成經驗分子式:Cn(H2O)m,其氫與氧元素的比例始終為2:1,故以為醣類是化合物;但後來的發現證明了許多醣類並不符合上述分子式,如:鼠李醣(C6H12O5);而有些物質符合上述分子式卻不是醣類,如甲醛(CH2O)等。醣類為人體之重要的營養素,主要分成四大類:單醣雙醣低聚醣多醣,他們在生活上扮演著很重要的角色,像多醣可作為儲存養分的物質,如澱粉醣原;或作為動物外骨骼植物細胞細胞壁,如:甲殼素纖維素;另如五碳醛醣核醣是構成各種輔因子的不可或缺失之物質,如ATPFADNAD)也是一些遺傳物質分子的骨幹(如RNA)。醣類的眾多衍生物同時也與免疫系統受精、預防疾病、血液凝固生長等有極大的關聯。[1]食品科學和其他非正式的場合中,碳水化合物通常是指:富有澱粉(如穀物麵包麵食)或簡單的醣類的食物(如食糖[2][3]

歷史[編輯]

中國最早有飴、餳、餹等字,都是以糯米為原料,稀的叫飴,乾的叫餳、餹。在六朝時才出現「糖」字。李時珍本草綱目》載:「醣法出西域唐太宗始遣人傳其法入中國,以蔗準過漳木槽取而分成清者,為蔗餳。凝結有沙者為砂糖,漆甕造成如石如霜如冰者為石蜜、為霜糖、為冰糖。」「醣」與一般所稱的「糖」不同,「糖」是指食糖,泛指一切具有甜味的醣類,如葡萄醣麥芽醣及最主要的蔗醣,而醣類包括所有單醣、雙醣及多醣,並不僅指含有甜味的物質。

結構[編輯]

以前所有分子式可寫成Cm(H2O)n的化學物質皆被稱為「碳水化合物」,根據這個定義,有些科學家認為甲醛(CH2O)為最簡單的醣,[4]但是也有其他人認為醣類中最簡單的分子是乙醇醛(C2H4O2)。[5]但是現在,生物化學理解上的醣類是指除了碳數不為一和二的「碳水化合物」。

自然界的醣類通常都由一種簡單的碳水化合物:單醣所構成,通是為(CH2O)n,(n≥3)。一個典型的單醣具有H-(CHOH)x(C=O)-(CHOH)y-H結構,也就是多羥基或多羥基,如:葡萄醣果醣甘油醛皆是單醣。然而有些生物物質像醣醛酸去氧醣就不符合此通式,此外還有許多物質的分子式符合這個通式卻並不屬於醣類,如:甲醛(CH2O)和肌醇(CH2O)6[6]

直鏈形式的單醣通常與關環形式的單醣同時存在,這種環狀分子是由/上的羰基(C=O)與羥基(-OH)反應形成半縮醛,並形成一個新的C-O-C鍵橋。單醣可以各種方式互相連接在一起形成多醣(或寡醣,又稱低聚醣)。許多醣類含有一個或多個修飾的單醣單元,這種修飾方法可以是一個或多個基團被取代或移除。例如,DNA的一個組分脱氧核醣,就是被核醣所修飾的醣;幾丁質是一種被重複的N-乙醯氨基葡萄醣(一種含原子的葡萄醣)片段所組成的醣類。

單醣[編輯]

D-葡萄醣是一種己醛醣,分子式為:(C·H2O)6。圖中紅色的部分是醛基,藍色的部分是距離醛基最遠的非對稱中心;因為最下面那個羥基是在費歇爾投影式的右方所以這是D-葡萄醣

單醣因無法水解為更小的碳水化合物,因此是醣類中最小的分子。它們是一些具有兩個或者更多羥基類化合物。未修飾過的單醣化學式可表現為:(C·H2O)n,因其都是碳和水分子的倍數而稱為:「碳水化合物」。單醣是一種重要的燃料分子,也是核酸的結構片段。最小的單醣中的n=3,即二羥基丙酮或D-和L-甘油醛

單醣的分類[編輯]

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

葡萄醣的α-與β-(後者)異頭物。需注意結合在碳5上的CH2OH基團與異頭碳上的羥基(紅色或綠色)之間的空間關係:兩者異面為(α)型,同面則為(β)型。

單醣可由三種不同的結構片段來分類:羰基的位置、分子內的碳原子數、及其手性構型。如果羰基在碳鏈末端,則分子屬類,而單醣稱醛醣;若羰基位處碳鏈中間,則屬類而單醣稱為酮醣。含有三個碳原子的單醣稱為:丙醣;四個碳原子的稱為丁醣;五個稱為戊醣;六個稱為己醣,以此類推。[7]

除醣分子碳鏈的首尾兩個碳原子,每個碳原子都帶有一個羥基(-OH)並具有不對稱性,使每個手性中心可以是R或S兩種構型。因為這種不對稱性,一個特定的醣分子式存在著多種異構體。如:D-葡萄醣(醛醣)具有分子式 (C·H2O)6,其中有六個碳原子具有手性,因此D-葡萄醣是24 = 16個可能的立體異構體中的一個。又如:甘油醛是一種丙醛醣,有一種可能的立體異構體,同時也是對映體差向異構體1,3-二羥基丙酮,丙醛醣(醛醣)所對應的酮醣分子,是一種沒有手性中心的對稱分子。D或L構型由離羰基最遠的不對稱碳原子的取向所決定:標準的費歇爾投影式中,若羥基在右側則為D型醣,左側則為L型醣。這裡要注意:「D-」和「L-」前綴不可與「d-」和「l-」相混淆,後者指的是偏振光在醣分子平面下的旋轉。「d-」和「l-」在醣化學中現已不太使用。[8]

半縮醛異構化[編輯]

葡萄醣可以以鏈狀或環狀的形式存在。

直鏈單醣的醛基或酮基會不可逆的與另外一個碳原子作用形成半縮醛半縮酮,得到一個帶有氧橋連接雙碳原子的雜環。由五個或六個原子組成環的分別稱為呋喃醣吡喃醣,這些環狀醣與直鏈形式的醣存在化學平衡。[9] 由直鏈醣形成環狀醣的過程中,含有羰基氧原子的碳原子稱為:異頭碳。這個碳原子在成環後便成為分子內的手性中心,具有兩種可能的構型:若氧原子可在平面的上方或下方,這樣得到的一對手性異構體稱之為:異頭物。若在異頭碳上的-OH取代基與環外CH2OH基團成反式構型(即不在環一側)時稱為α異頭物;另外一種情況兩者在環的同一側,呈現順式構型,則稱為β異頭物。由於環狀醣與直鏈醣本身會互相轉化,因此兩種異頭物存在著平衡[9]費歇爾投影式中,α異頭物被表現為:異頭羥基與CH2OH呈現反式,而β異頭物則為順式[10]

在生物中的角色[編輯]

單醣是新陳代謝中的主要燃料,能提供能量(當中以葡萄醣最主)及用於生物合成[11][12]

單醣未需即時使用的話,細胞會先將其轉換成較省空間的形式,通常為多醣。在包括人類的許多動物中,這種儲存方式是醣原,特別在肝臟及肌肉細胞。在植物中,則儲存成澱粉[13]

雙醣[編輯]

蔗醣是一種常用的雙醣,它由兩種單醣組成:D-葡萄醣(左側)和D-果醣(右側)

由兩個連接成一起的單醣組成的醣類,稱為雙醣。它們是最簡單的多醣,如:蔗醣乳醣。雙醣是由兩個單醣單元通過脫水反應,形成一種稱為醣苷鍵共價鍵連接而成。在脫水過程中,一分子單醣脫除原子,而另一分子單醣脫除羥基。未經修飾的雙醣化學式可表現為:C12H22O11。雖然雙醣種類繁多,但大多數並不常見。右側圖片展示的為蔗醣,是存量最為豐富的雙醣,它們是植物體內存在最主要的醣類。蔗醣由一個D-葡萄醣分子與一個D-果醣分子所組成,其系統命名為:O-α-D-葡萄吡喃醣基-(1→2)-D-果醣呋喃醣苷,其中蘊含了四種資訊:

  • 它由兩種單醣組成:葡萄醣與果醣。
  • 兩種單醣的類型:葡萄醣為吡喃醣;果醣為呋喃醣
  • 兩種單醣的連接方式:在D-葡萄醣的一號碳(C1)上的氧原子連接D-呋喃醣的二號碳(C2)。
  • 後綴-「醣苷」表明了:兩個單醣異頭碳參與了醣苷鍵的形成。

乳醣,是一種由一分子D-半乳醣與一分子D-葡萄醣形成的雙醣,廣泛的存在於天然產物中,如:哺乳動物的。另外一個常見的雙醣為麥芽醣(兩個D-葡萄醣通過1,4碳原子連接為α醣)與纖維醣(兩個D-葡萄醣通過1,4碳原子連接為β醣)。雙醣還可分類為還原性雙醣與非還原性雙醣,通過兩個單醣分子的半縮醛(酮)羥基脫去一分子水而相互連接。這樣的雙醣,分子中已沒有半縮醛(酮)羥基存在,因此其中任何一個單醣部分都不能再由環式轉變成醛(酮)式。這種雙醣就沒有變旋現象和還原性,也不能生成醣脎,因此稱為非還原性雙醣[14][15]

低聚醣和多醣[編輯]

直鏈澱粉是一種主要由葡萄醣通過α(1→4)鍵連接而成的鏈狀聚合物。它可由幾千個葡萄醣單元組成。它是澱粉的兩種組成之一,另外一種是支鏈澱粉

低聚醣和多醣都是由單醣單元通過醣苷鍵組成的長鏈分子。兩者的區別在於單醣單元在鏈上的數量:低聚醣通常含有3-10個單醣單元,而多醣則超過10個單醣單元。實際應用中,醣的分類更傾向於個人的判斷,如通常上述的雙醣可以算為低聚醣,也包括了:三醣-棉子醣和四醣-水蘇醣。

低聚醣是經轉譯後修飾的常見蛋白質形式。轉譯後修飾包括Lewis及負責ABO血型分類的低聚醣,因此也與組織出現不相容、alpha-Gal異種移植超急性排斥及O-GlcNAc醣基化有關。

多醣是生物聚合物的一個重要分類,其功能通常與生物結構及儲存方面有關。澱粉(一種單醣聚合物)是植物中的多醣儲存方式,而它的形式包括直鏈澱粉分枝澱粉。在動物中,結構上相似的葡萄醣聚合物是相對較多分枝的肝醣,有時稱作「動物澱粉」。肝醣的特性在於它能迅速被分解,因此較適合於經常活動的動物。纖維素甲殼素屬於結構寡醣。植物及某些生物的細胞壁用纖維素製造,因而被說是世上最多的有機分子[16]。它的用途非常廣泛,主要用於製紙及紡織品工業,亦是製作嫘縈(黏液嫘縈過程)、乙酸嫘縈、賽璐珞及氮嫘縈的原料。

甲殼素的化學結構與纖維素相似,並有含的取代基,因此比纖維素更堅韌。節肢動物外骨骼及某些真菌的細胞壁皆以甲殼素組成。甲殼素有多種用途,包括手術縫合線。

除了以上兩種,胝質(或作昆布醣)、金藻昆布多醣聚木醣阿拉伯木聚醣甘露聚醣褐藻素半乳甘露聚醣均屬於多醣[17]

營養學[編輯]

穀類食品含有豐富的醣類。

多種食物皆含有豐富的醣類,包括水果汽水麵包意式麵食豆類馬鈴薯米糠稻米麥類。醣類是生物中的常見能量來源,卻不是人類的必須營養。醣類也不是任何其他份子的必須組成部份,而人體也可以從蛋白脂肪獲取能量[18]。腦部及腦神經一般不能燃燒脂肪以獲取能量,但可以使用葡萄醣酮醣代替。人體能從醣異生過程中,利用特定的胺基酸、甘油三酸酯中的甘油骨架,或是脂肪酸中的合成某些葡萄醣。醣類每含有15.8焦耳(即3.75千卡路里)而每克蛋白質則能提供16.8千焦耳(4千卡路里),而每克脂肪則能提供37.8千焦耳(9千卡路里)[19]

生物一般不能利用所有醣類轉換成能量,而葡萄醣是最普遍的能量來源。許多生物都有能力把其他單醣雙醣代謝成能量,但以葡萄醣為首選。例如,在大腸桿菌中,當遇到乳醣,乳醣操縱子會釋出酶,以消化乳醣,但如果乳醣和葡萄醣都存在乳醣操縱子會受到壓抑的,葡萄醣會首先被消化。多醣也是常見的能量來源,許多生物皆能分解澱粉成葡萄醣,但大部份生物都不能消化纖維素甲殼素等其他多醣。這些醣只能由某些細菌及原生生物消化。例如,反芻動物白蟻會利用微生物來處理纖維素。雖然這些複雜的醣不能輕易消化,但它們卻是人類營養的重要部份,稱為食用纖維。食用纖維對人類的最大益處,在於它能促進消化。美國藥物組織建議,每名美國及加拿大人的食物熱量需有45–65%來自醣類,以減低心臟病及肥胖症的風險[20]聯合國糧食及農業組織世界衛生組織也聯合建議每個國家制定營養指引,訂立每人的總食物能量中的55–75%來自醣類,最多10%直接來自醣份[21]

分類法[編輯]

歷史上,營養學家曾經只把醣類分為簡單與複雜,但這種分類法難免存在歧義問題。現今的「簡單醣類」一般指單醣雙醣,而「複雜醣類」指多醣(包括低聚醣)。可是,「複雜醣類」最先見於美國參議院人類營養需求委員會出版物《美國營養目標》(1977),該詞語的意思卻不相同,指的是"「水果、蔬菜及全穀物」[22]。部份營養學者以「複雜醣類」一詞指任何在含有纖維、維他命及礦物質的食物中,可消化的醣類,以相對於提供較少其他營養的已消化醣類。

許多人(甚至有營養學家)相信,複雜的醣類(多醣,例如澱粉)比簡單的醣類(例如單醣)消化得較慢,因此較健康[23]

實際上,簡單醣類與複雜醣類對血醣水平的影響大同小異[24]。一些簡單的碳水化合物消化得非常緩慢(例如果醣),而一些複雜的醣類,特別經過處理後的,卻能迅速提高血醣水平(如澱粉)。從此可知,消化的速度取決於多種因素,包括連帶進食的其他營養物、食物準備方法、在個人代謝的速度差異,以及該碳水化合物的化學結構。

營養學上,以升醣指數 (GI)及血醣負荷(GL)的概念,來反映食物於消化後對人體的影響。升醣指數衡量人體吸收該食物中葡萄醣的速度,​​而血醣負荷則衡量食物中可吸收葡萄醣的總量。兩種指數中,最高則代表醣類含量最高、血醣水平最大影響的食物。胰島素指數是一個類似的、更新式的計演算法,衡量食品對血腋胰島素水平的影響,主要考量食物中的葡萄醣(或澱粉)和某些胺基酸的份量。

膳食指南一般建議食用複雜醣類(澱粉)和營養豐富的簡單醣類,如水果蔬菜奶製品,以彌補大量醣類的消耗。過量食用高度加工的醣類來源,如玉米或土豆片,糖果,含糖飲料,糕點和白米,一般認為是不健康的。美國農業部的《2005年美國膳食指南》不再使用簡單/複雜的分類法,改為推薦含豐富纖維素的食物和全穀物[25]

分解代謝[編輯]

細胞會透過分解代謝獲取能量。單醣分解代謝的途徑有兩種:糖解作用三羧酸循環,或稱作檸檬酸循環、克雷伯氏循環[26][27]

在糖解作用過程中,低聚醣或多醣會先裂解成較小的單醣,過程會由醣苷水解酶催化,單醣才能進入單醣分解的程式。在人體中,並非所有碳水化合物都能提供能量,因為人體內並沒有所需的消化酶及代謝酶以催化其分解作用[28][29]

醣化學[編輯]

醣化學是有機化學的一個重要分支,它是以研究醣的化學性質以及化學反應為主的一門科學。由於醣的結構是多羥基醛酮化合物或其半縮醛結構,因此醣化學主要研究了醣分子內部的這些相關性質。部份醛醣氧化羧酸。以下是主要其牽涉的化學反應:

有些醣類因帶有醛基(如單醣中的葡萄醣)或其含有半縮醛羥基(如部份雙醣中的乳醣),使這些醣帶有還原性質,稱為還原醣,可以斐林試劑本立德試劑偵察,還原醣的出現會產生紅褐色的氧化亞銅沉澱物。此外還原醣與胺基酸等物種在加熱的情況下能進行美拉德反應,即令食物出現棕褐色並出現誘人香氣的主要化學作用。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

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參考書目[編輯]

  • 余瑜. 醫用化學. 人民衛生出版社. 2006-12年. ISBN 9787117063555. 
  • 郭振楚. 糖類化學. 化學工業出版社. 2005-08年. ISBN 9787502571498. 

外部連結[編輯]