1. 生命体中的重要有机化合物

   1. 糖类

糖是自然界存在的一大类具有生物功能的有机化合物。它主要是由绿色植物光合作用形成的。这类物质主要由 C，H 和 O 所组成，其化学式通常以 Cn

（H2O）n 表示，其中 C，H，O 的原子比恰好可以看作由碳和水复合而成，所以有碳水化合物之称，其实糖类物质是含多羟基的醛类或酮类化合物。常见的葡萄糖和果糖是最简单的糖类，它们的链状结构是：

此外，植物体内的淀粉、纤维素，动物体内的糖原、甲壳素等也都属于糖类。糖类物质的主要生物学定义是通过生物氧化而提供能量，以满足生命活动的能量需要。

凡不能被水解的多羟基醛糖或多羟基酮糖，例如葡萄糖和果糖称为单糖。单糖不仅有链状结构，还有环状结构：

凡能水解成少数（2～6 个）单糖分子的称为寡糖（又称低聚糖），其中以双糖存在最为广泛，人们食用的蔗糖（来自甘蔗和甜菜）就是由葡萄糖和果糖形成的双糖，甜度较差的麦芽糖（来自淀粉）可用做营养基和增养基， 来自乳汁的乳糖甜度适中，用于食品工业和医药工业，它们也都是双糖。

凡能水解为很多个单糖分子的糖为多糖。多糖广泛存在于自然界，是一类天然的高分子化合物。多糖在性质上与单糖、低聚糖有很大的区别，它没有甜味，一般不溶于水。与生物体关系最密切的多糖是淀粉、糖原和纤维素。

淀粉是麦芽糖的高聚体，完全水解后得到葡萄糖。淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类。直链淀粉含几百个葡萄糖单位，支链淀粉含几千个葡萄糖单位。在天然淀粉中直链的约占 22％～26％，它是可溶性的，其余的则为支链淀

粉。当用碘溶液进行检测时，直链淀粉液呈显蓝色，而支链淀粉与碘接触时则变为红棕色。图 9－1 和图 9－2 分别为直链淀粉和支链淀粉结构示意图。

淀粉是植物体中贮存的养分，存在于种子和块茎中，各类植物中的淀粉含量都较高，大米中含淀粉 62％～86％，麦子中含淀粉

57％～75％，玉蜀黍中含淀粉 65％～72％，马铃薯中则含淀粉 12％～14

％。淀粉是食物的重要组成部分，咀嚼米饭等时感到有些甜味，这是因为唾液中的淀粉酶将淀粉水解成了单糖。食物进入胃肠后，还能被胰脏分泌出来的淀粉酶水解，形成的葡萄糖被小肠壁吸收，成为人体组织的营养。支链淀粉部分水解可产生称为糊精的混合物。糊精主要用作食品添加剂、胶水、浆糊，并用于纸张和纺织品的制造（精整）等。

糖原又称动物淀粉，是动物的能量贮存库。糖原的结构与支链淀粉有基 本相同的结构（葡萄糖单位的分支链），只是糖原的分支更多。糖原呈无定形无色粉末，较易溶于热水，形成胶体溶液。糖在动物的肝脏和肌肉中含量最大，当动物血液中葡萄糖含量较高时，就会结合成糖原储存于肝脏中，当葡萄糖含量降低时，糖原就可分解成葡萄糖而供给机体能量。

纤维素是自然界中最丰富的多糖。它是没有分支的链状分子，与直链淀 粉一样，是由 D－葡萄糖单位组成。纤维素结构与直链淀粉结构间的差别在于 D－葡萄糖单位之间的连接方式不同。由于分子间氢键的作用，使这些分子链平行排列、紧密结合，形成了纤维束，每一束有 100～200 条纤维系分子链。这些纤维束拧在一起形成绳状结构，绳状结构再排列起来就形成了纤维素，如图 9－3 所示。纤维素的机械性能和化学稳定性与这种结构有关。

淀粉与纤维素仅仅是结构单体在构型上的不同，却使它们有不同的性质。淀粉在水中会变成糊状，而纤维素不仅不溶于水，甚至不溶于强酸或碱。人体中由于缺乏具有分解纤维素结构所必需的酶（生物催化剂），因此纤维素不能为人体所利用，就不能作为人类的主要食品。但纤维素能促进肠的蠕动而有助于消化，适当食用是有益的。牛、马等动物的胃里含有能使纤维素水解的酶，因此可食用含大量纤维素的饲料。纤维素是植物支撑组织的基础， 棉花中纤维素含量高达 98％，亚麻和木材中含纤维素分别为 80％和 50％左右。纤维素是制造人造丝、人造棉、玻璃纸、火棉胶等的主要原料。

生物界对能量的需要和利用均离不开糖类。生物界对太阳能的利用归根到底始于植物的光合作用和 CO2 的固定，与这两种现象密切有关的都是糖类的合成。光合作用是自然界将光能转变为化学能的主要途径。

光合作用是一个很复杂的过程，其总反应为 CO2 和 H2O 在叶绿素的作用下吸收太阳能转化为高能的糖类。

6CO + 6H O + 能量(太阳光) ^叶^绿^素→ C H O + 6O

在光合作用中，CO2 被还原为糖，而 H2O 被氧化成 O2：

6CO2+24H++24e-→C6H12O6+6H2O

12H2O→6O2+24H++24e-

叶绿素是含镁的配合物，具有复杂的结构，它能吸收可见光。当叶绿素吸收光子后，能量就被称为叶绿体的植物细胞中的亚细胞组分所摄取，通过一系列的步骤以化学势能的形式将能量贮存起来。然后转移给通用的“生化能量贮藏室”三磷酸腺苷（ATP）。上述的光合作用常称为光反应（在光照射下才发生的反应），能在黑暗中进行的反应称为暗反应。在绿色植物细胞中发生的光反应和暗反应组成了光合作用的全过程。植物能通过光合作用而制造糖类，动物不能发生光合作用，但可通过摄取植物而得到。动植物体内发生代谢作用时，碳水化合物氧化成 CO2 和 H2O（光合作用的逆反应），同时释放出能量，以供生命活动的需要。

光合作用是自然界的基本反应之一，说不清它已发生了几亿年，但认识光合作用的机理却是近年的科技成果，德国科学家 Deisenhofer J，Huber R 和 Micher H 因阐明光合作用机理而获诺贝尔化学奖。

糖类不仅是生物体的能量来源，而且在生物体内发挥其他作用，因为糖类可以与其他分子形成复合物，即复合糖类。例如糖类与蛋白质可组成糖蛋白和蛋白聚糖，糖类可以与脂类形成糖脂和多脂多糖等。复合糖类在生物体内的种类和结构的多样性及功能的复杂性，更是超过了简单糖。糖类在生物界的重要性还在于它对各类生物体的结构支持和保护作用。很多低等动物的体外有一层硬壳，组成这层硬壳的物质被称为甲壳质，它是一种多糖，其化学组成是 N－乙酰氨基葡萄糖。甲壳质的分子结构因此也和纤维素很相似， 具有高度的刚性，能忍受极端的化学处理。在动物细胞表面没有细胞壁，但细胞膜上有许多糖蛋白，而且细胞间存在着细胞间质，其主要组分是结构糖蛋白和多种蛋白聚糖构成，另外，还有含糖的胶原蛋白，胶原蛋白也是骨的基质。这些复合糖类对动物细胞也有支持和保护作用。

糖类还能通过很多途径影响生物体的生老病死，其中有些是有益于健康的，有些是有害的。在生物体内有很多水溶性差的化合物，有的来自食物（有的是体内的代谢产物），它们长期储存在体内是有害甚至有毒的。生物体内有一些酶能催化葡萄糖醛酯和许多水溶性差的化合物相连接，使后者能溶于水中，进而被排出体外，这时糖类起到了解毒的作用。