糖类

引入

为什么人需要吃米饭、面包来获取能量?

为什么葡萄糖能发生银镜反应?

为什么淀粉遇碘变蓝色,而纤维素不变色?

单糖、二糖、多糖之间有什么关系?

糖类是人体主要的能量来源,也是生物体的重要组成成分。糖类包括单糖、二糖和多糖,它们通过水解和缩合相互转化。

理解糖类,关键在于理解糖类的结构特点、官能团性质,以及不同糖类之间的转化关系。详细内容参见 基本营养物质。

正文

定义

糖类又称碳水化合物,是多羟基醛、多羟基酮及其衍生物的总称。大多数糖类的通式可表示为 $\mathrm{C}{}_n(\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}){}_m$,但这不是严格定义。

糖类的分类

分类	定义	特点	代表物质
单糖	不能水解的糖	最简单的糖,可直接被吸收	葡萄糖、果糖、核糖
二糖	水解后生成两分子单糖	由两个单糖缩合而成	蔗糖、麦芽糖、乳糖
多糖	水解后生成多个单糖分子	高分子化合物,相对分子质量大	淀粉、纤维素、糖原

单糖

葡萄糖

葡萄糖是最重要的单糖,详细内容参见 基本营养物质。

分子式:$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6$

结构式:$\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){}_4\mathrm{CHO}$

葡萄糖是多羟基醛,分子中含有醛基和多个羟基。

重要性质:

• 能发生银镜反应和与新制 $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}){}_2$ 反应,证明有醛基
• 能与羧酸发生酯化反应,证明有羟基
• 能被还原成六元醇
• 在生物体内氧化分解释放能量

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6+6\mathrm{O}{}_2\stackrel{酶}{\to }6\mathrm{CO}{}_2+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

果糖

果糖也是重要的单糖,分子式与葡萄糖相同,但结构不同。

分子式:$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6$

**结构:**果糖是多羟基酮

性质:

• 是自然界中最甜的糖
• 大量存在于水果和蜂蜜中
• 在碱性条件下能转化为醛式结构,所以也能发生银镜反应
• 与葡萄糖互为同分异构体

核糖和脱氧核糖

这两种五碳糖是核酸的组成成分。

核糖:$\mathrm{C}{}_5\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5$

脱氧核糖:$\mathrm{C}{}_5\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_4$

• 核糖是 RNA 的组成成分
• 脱氧核糖是 DNA 的组成成分

二糖

蔗糖

蔗糖是最常见的二糖,参见 基本营养物质。

分子式:$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}$

**组成:**由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合而成

性质:

• 无还原性,不能发生银镜反应
• 能水解生成葡萄糖和果糖

$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{酸或酶}{\to }\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6(葡萄糖)+\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6(果糖)$

麦芽糖

分子式:$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}$

**组成:**由两分子葡萄糖缩合而成

性质:

• 有还原性,能发生银镜反应(因为有一个游离的醛基)
• 能水解生成葡萄糖

$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{酸或酶}{\to }2\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6(葡萄糖)$

乳糖

分子式:$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}$

**组成:**由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成

性质:

• 有还原性
• 存在于哺乳动物乳汁中
• 能水解生成葡萄糖和半乳糖

多糖

淀粉

淀粉是植物储存能量的主要形式,参见 基本营养物质。

分子式:$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$

**结构:**淀粉包括直链淀粉和支链淀粉

• 直链淀粉:葡萄糖单元通过 $\alpha$-1,4-糖苷键连接,呈螺旋结构
• 支链淀粉:除了 $\alpha$-1,4-糖苷键,还有 $\alpha$-1,6-糖苷键形成支链

性质:

• 遇碘变蓝色(直链淀粉呈蓝色,支链淀粉呈紫红色)
• 不溶于冷水,在热水中形成淀粉糊
• 能水解,最终生成葡萄糖

$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n+n\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{酸或酶}{\to }n\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6$

水解过程:

$淀粉\stackrel{淀粉酶}{\to }糊精\stackrel{麦芽糖酶}{\to }麦芽糖\stackrel{麦芽糖酶}{\to }葡萄糖$

人体消化淀粉的过程:

1. 口腔:唾液淀粉酶将淀粉初步水解成麦芽糖
2. 小肠:麦芽糖酶将麦芽糖水解成葡萄糖
3. 葡萄糖被小肠吸收进入血液

纤维素

纤维素是植物细胞壁的主要成分,参见 基本营养物质。

分子式:$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$

**结构:**葡萄糖单元通过 $\beta$-1,4-糖苷键连接,呈直链结构

性质:

• 不溶于水和一般有机溶剂
• 遇碘不变色
• 能水解生成葡萄糖,但人体内没有分解纤维素的酶
• 可制造纸张、纤维、炸药(硝酸纤维)等

淀粉和纤维素的对比:

对比项	淀粉	纤维素
分子式	$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$	$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$
糖苷键类型	$\alpha$-1,4-糖苷键	$\beta$-1,4-糖苷键
结构	螺旋或支链	直链
遇碘反应	变蓝色	不变色
溶解性	热水中成糊状	不溶于水
能否被人体消化	能	不能

虽然分子式相同,但糖苷键类型不同,导致淀粉和纤维素性质差异很大。

糖原

糖原是动物储存能量的主要形式。

分子式:$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$

**结构:**类似支链淀粉,但支链更多

分布:

• 肝糖原:储存在肝脏,可分解成葡萄糖释放入血
• 肌糖原:储存在肌肉,供肌肉运动时使用

糖类的相互转化

$多糖\stackrel{水解}{\to }二糖\stackrel{水解}{\to }单糖$

$单糖\stackrel{缩合脱水}{\to }二糖\stackrel{缩合脱水}{\to }多糖$

在生物体内,这些转化由酶催化完成。

引出

为什么淀粉和纤维素分子式相同,性质却差异很大?

为什么糖尿病患者要控制糖类摄入?

为什么蔗糖没有还原性,而麦芽糖有还原性?

如何通过实验区分葡萄糖、蔗糖、淀粉?