多糖
编辑多糖是单糖单元通过糖苷键连接组成的长链态、聚合状碳水化合物分子。多糖水解后会产生单糖或寡糖组分。多糖的结构从线性到高度支化不等。例子包括贮存多糖如淀粉和糖原，以及结构多糖如纤维素和甲壳质。
多糖通常是相对异质的，包含重复单元的轻微修饰。根据结构的不同，这些大分子可以有不同于单糖结构的特性。它们可能是无定形的，甚至是不溶于水的。[1] 当多糖中的所有单糖都是相同类型时，多糖被称为同聚多糖，但是当存在一种以上的单糖类型时，它们被称为异聚多糖。[2][3]
天然糖通常是简单的碳水化合物，称为单糖，通式为（CH2O）n，其中n大于等于3。常见单糖有葡萄糖、果糖和甘油醛。[4] 同时，多糖具有Cx（H2O）y的通式，其中x通常是200到2500之间的大数字。通常情况下，当聚合物主链中的重复单元是六碳单糖时，通式简化为（C6H10O5）n，一般40≤n≤3000。
一般认为，多糖含有十个以上的单糖单元，而低聚糖含有三到十个单糖单元；但精确的界定会根据习惯有所不同。多糖是一类重要的生物聚合物。它们在生物活体中的功能通常与结构或贮藏有关。淀粉（葡萄糖的聚合物）是植物中的贮藏多糖，既有直链淀粉，也有支链淀粉。在动物中，与淀粉结构相似的葡萄糖聚合物是支化度更高的糖原，有时被称为“动物淀粉”。糖原的特性使其代谢更快，更适合运动动物的活跃生活。
纤维素和甲壳质是常见的结构多糖。纤维素多来自于植物和其他生物的细胞壁，被认为是地球上储量最丰富的有机分子。[5] 纤维素有许多用途，如在造纸和纺织工业中发挥重要作用，是生产人造丝（通过粘胶工艺）、醋酸纤维素、赛璐珞和硝化纤维素的原料。甲壳素有与纤维素相似的结构，但多了含氮的侧基，增加了它的强度。甲壳素存在于节肢动物的外骨骼和一些真菌的细胞壁中。甲壳素也有多种用途，例如外科手术线。其他多糖还包括：胼胝体、海带多糖、亮藻多糖、木聚糖、阿拉伯木聚糖、甘露聚糖、岩藻聚糖和半乳甘露聚糖。
目录编辑
1 功能编辑
1.1 结构
营养多糖是常见的能量来源。许多生物可以轻易地将淀粉分解成葡萄糖。然而，大多数生物体不能代谢纤维素或其他多糖，如几丁质和阿拉伯木聚糖。这些类型的碳水化合物可以被一些细菌和原生生物代谢。例如，反刍动物和白蚁利用微生物处理纤维素。
尽管这些复杂的多糖不易消化，但它们为人类提供了重要的饮食成分。这些碳水化合物被称为膳食纤维，能促进消化并具有其他益处。膳食纤维的主要作用是改变胃肠道内容物的性质，并改变其他营养素和化学物质的吸收方式。[6][7] 可溶性纤维会与小肠中的胆汁酸结合，使之难以进入体内，继而降低血液中的胆固醇水平。[8] 可溶性纤维还能减少糖的吸收，降低进食后的糖反应，使血脂水平正常化。同时，一旦可溶性纤维在结肠中发酵，就会产生一种具有广泛生理活性的副产物—短链脂肪酸（会在下文讨论）。尽管不溶性纤维与降低糖尿病风险相关，但其作用机制尚不清楚。[9]
膳食纤维尚未正式被建议作为一种必需的宏量营养素（截至2005年），但其仍被认为对饮食很重要，许多发达国家的监管机构建议增加纤维摄入量。[6][7][10][11]
2 贮藏多糖编辑
2.1 淀粉
淀粉是葡萄糖聚合物，由吡喃葡萄糖单元通过α键结合。淀粉由直链淀粉（15-20%）和支链淀粉（80-85%）的混合物组成。直链淀粉是由几百个葡萄糖分子组成的直链，支链淀粉是由几千个葡萄糖单元组成的支链分子（每24-30个葡萄糖单元会有一个支链淀粉单元）。淀粉不溶于水，但可以通过打破α键（糖苷键）来消化。人类和其他动物都有淀粉酶，所以可以消化淀粉。马铃薯、大米、小麦和玉米是人类饮食中淀粉的主要来源。形成淀粉是植物储存葡萄糖的方式。
2.2 糖原
糖原是动物和真菌细胞的次级长期能量储存，而初级能量储存在脂肪组织中。糖原主要由肝脏和肌肉产生，但也可以由大脑和胃内的糖原生成过程产生。[12]
糖原类似于植物中的淀粉，有时被称为动物淀粉，[13] 具有与支链淀粉相似的结构，但有比淀粉更高的支化度和更紧凑的结构。糖原是由α（1→4）糖苷键连接的聚合物，带有α（1→6）连接的支链。糖原以颗粒的形式存在于许多类型细胞的细胞质中，并在葡萄糖循环中发挥重要作用。糖原构成一种能量储备，它可以被迅速动员以满足对葡萄糖的突发需求，但它比甘油三酯（脂类）更不紧凑，更容易作为能量储备。
在肝细胞中，糖原可以在饭后很快提高人体体重的百分之八（成人为100-120克）。[14] 只有储存在肝脏中的糖原才能被其他器官利用。在肌肉中，糖原仅占肌肉质量的百分之一到百分之二。身体中储存的糖原数量（尤其是肌肉、肝脏和红细胞中的糖原）[15][16][17]因身体活动、基础代谢率和饮食习惯（如间歇性禁食）而异。肾脏中也存在少量糖原，白细胞及大脑中某些胶质细胞中也被发现存在极少量糖原。怀孕期间的子宫也会储存糖原，为胚胎提供营养。[14]
糖原由葡萄糖残基的支链组成，被储存在肝脏和肌肉中。
- 糖原是动物的能量储备。
- 糖原是动物体内储存碳水化合物的主要形式。
- 糖原不溶于水。当它与碘混合时会变成棕红色。
- 糖原水解时也会产生葡萄糖。
糖原的二维横截面示意图。位于糖原核心的蛋白被葡萄糖单元支链包围。整个球状颗粒可能含有大约30000个葡萄糖单元。[18]
糖原分子中一个葡萄糖单元只链的原子结构示意图。
3 结构多糖编辑
3.1 阿拉伯木聚糖
阿拉伯木聚糖存在于植物的初生和次生细胞壁中，是阿拉伯糖和木糖两种糖的共聚物。它们也可能对人类健康有有益的影响。[19]
3.2 纤维素
植物的结构性组成主要由纤维素构成。木材主要由纤维素和木质素构成，而纸和棉花几乎是由纯纤维素构成。纤维素是一种聚合物，由重复的葡萄糖单元通过β键结合在一起而制成。人类和许多动物缺乏一种酶来打破β-连接，所以他们不能消化纤维素。某些动物如白蚁可以消化纤维素，因为它们的肠道中存在拥有这种酶的细菌。纤维素不溶于水。纤维素和碘混合时不会变色。纤维素水解时产生葡萄糖。纤维素是自然界中最丰富的碳水化合物。
3.3 甲壳素
甲壳素是天然聚合物的一种。它是许多动物的结构组成部分，如外骨骼。随着时间的推移，甲壳素在自然环境中是可生物降解的。其分解可能被称为甲壳素酶的酶催化。甲壳素酶由细菌和真菌等微生物分泌，也可由一些植物产生。其中一些微生物对甲壳素分解产生的单糖有受体。如果检测到甲壳素，这些微生物就会产生酶，通过切割糖苷键将其消化，从而将其转化为单糖和氨。
化学上，甲壳素与壳聚糖（甲壳素的一种水溶性更高的衍生物）密切相关。甲壳素也与纤维素密切相关，因为它是一个无支链的葡萄糖衍生物长链。这两种材料都对结构和强度有贡献，保护生物机体。
3.4 果胶
果胶是一个复杂的多糖家族，含有1,4-α-D-半乳糖糖醛酸残基。它们存在于大多数初生细胞壁和陆生植物的非木质部分。
4 酸性多糖编辑
酸性多糖是含有羧基、磷酸基和（或）硫酸酯基的多糖。
5 细菌荚膜多糖编辑
病原菌通常会产生一层厚厚的黏液状多糖。这种“胶囊”将在细菌表面的抗原蛋白遮掩，否则会引起免疫反应，继而导致细菌的破坏。荚膜多糖是水溶性的，通常是酸性的，分子量约为100-2000 kDa。荚膜多糖是线性的，由一到六个单糖的规则重复亚单元组成。荚膜多糖存在巨大的结构多样性，仅大肠杆菌就能产生近200种不同的多糖。无论是复合的还是天然的荚膜多糖混合物都能被用作疫苗。
细菌和许多其他微生物（真菌和藻类）经常分泌多糖来帮助它们附着在表面并防止脱水。人类已经将这些多糖中的一些开发成有用的产品，例如黄原胶、右旋糖酐、韦兰胶、结冷胶、丢糖胶和普鲁兰多糖。
当以非常低的浓度溶解在水中时，这些多糖中的大多数表现出有用的粘弹性。[20] 这使得日常生活中使用的各种液体（如食物、洗液、清洁剂和油漆）在静止时变得粘稠；但在通过搅拌或摇动、倾倒、擦拭或刷洗施加轻微剪切时，则会自由流动。这种性质被称为假塑性或剪切变稀；对这些物质的研究被称为流变学。
| 剪切速率（rpm） | 粘度（cP） |
|---|---|
| 0.3 | 23,330 |
| 0.5 | 16,000 |
| 1 | 11,000 |
| 2 | 5500 |
| 4 | 3250 |
| 5 | 2900 |
| 10 | 1700 |
| 20 | 900 |
| 50 | 520 |
| 100 | 310 |
单独的多糖水溶液在搅拌时有一种奇特的表现：搅拌停止后，溶液最初由于动量而继续涡旋，然后由于粘度而减慢至静止状态，并在停止前短暂反转方向。这种反冲是由于多糖链的弹性作用所致，首先在溶液中被拉伸，继而又恢复到松弛状态。
细胞表面多糖在细菌生态学和生理学中发挥着多种的作用。它们充当细胞壁和环境之间的屏障，介导宿主-病原体相互作用，并形成生物膜的结构成分。这些多糖合成自经核苷酸激活的前驱体（核苷酸糖）。在大多数情况下，生物合成、组装和运输完整聚合物所需的所有酶都是由生物组织在生物体基因组内专用簇中的基因编码的。脂多糖是最重要的细胞表面多糖之一，因为它在外膜完整性中起着关键的结构作用，并且是宿主-病原体相互作用的重要介质。
制造A-band（均聚）和B-band（异聚）O-抗原的酶已被发现，其代谢途径也已确定。[21] 胞外多糖藻酸盐是β-1,4-D-甘露糖醛酸和左旋葡萄糖醛酸残基的线性共聚物，会引起粘液样表型的晚期囊性纤维化疾病。pel和psl基因位点是最近发现的两个基因簇，它们也可以编码胞外多糖（被发现对生物膜形成很重要）。鼠李糖脂是一种生物表面活性剂，其生产在转录水平上受到严格的调控，但目前尚不清楚其在疾病中的确切作用。蛋白质糖基化（特别是菌毛蛋白和鞭毛蛋白的糖基化）从2007年开始成为几个研究小组的研究焦点，并且已经证明在细菌感染期间对细菌的粘附和侵袭很重要。[22]
6 多糖的化学鉴定试验编辑
6.1 过碘酸希夫反应
具有未保护的邻二醇或氨基糖（即一些羟基被胺取代）的多糖会发生阳性过碘酸希夫反应。能用过碘酸希夫反应染色的多糖有很多。尽管上皮来源的黏蛋白被过碘酸希夫反应染色，结缔组织来源的黏蛋白由于具有较多的酸性取代，以致它们没有足够的乙二醇或氨基醇基团与过碘酸发生反应。
参考文献
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