炭水化物、炭水化物や糖質、生物有機分子、そのエネルギーを蓄積しています。それらは最も豊富な生体分子であり、生物に見られる他の化合物の中でも特に、糖、デンプン、セルロースが含まれます。
光合成を行う生物（植物、藻類、一部の細菌）は、自然界の炭水化物の主な生産者です。これらの糖類の構造は、線状または分岐、単純または化合物であり得、それらはまた、別のクラスの生体分子と会合し得る。
例えば、炭水化物はタンパク質に結合して糖タンパク質を形成することができる。それらはまた、脂質分子と会合して、生体膜の構造を形成する生体分子である糖脂質を形成することもできる。炭水化物は、核酸の構造にも存在します。
当初、炭水化物は細胞のエネルギー貯蔵分子として認識されていました。その後、炭水化物が生物学的システムで果たす他の重要な機能が決定されました。
すべての生物の細胞は、複雑な炭水化物の密な層で覆われています。炭水化物は、単糖で構成されています。水酸基（-OH）に結合した3〜9個の炭素原子で構成される小分子で、サイズや構成はさまざまです。
炭水化物の重要な特性は、このクラスの分子内の途方もない構造多様性であり、これにより、細胞シグナル伝達分子の生成、組織の形成、およびヒトのさまざまな血液型のアイデンティティの生成など、幅広い機能を実行できます。
同様に、高等真核生物の細胞外マトリックスは、分泌された炭水化物が豊富で、細胞の生存とコミュニケーションに不可欠です。これらの細胞認識メカニズムは、宿主細胞に感染するさまざまな病原体によって利用されています。
単糖類は、グリコシド結合によって結合され、多糖類、すなわち二糖類、オリゴ糖類、および多糖類を形成します。生物系における炭水化物の構造と機能の研究は、糖鎖生物学と呼ばれています。
化学構造
炭水化物は、炭素、水素、酸素原子で構成されています。これらのほとんどは、実験式（CH2O）nで表すことができます。nは、分子内の炭素数です。つまり、炭水化物分子では、炭素、水素、および酸素の比率は1：2：1です。
成分は炭素原子（「炭水化物」）と水の原子（したがって「水和物」）であるため、この式は「炭水化物」という用語の起源を説明しています。炭水化物は主にこれら3つの原子で構成されていますが、窒素、リン、または硫黄を含む炭水化物もあります。
基本的な形では、炭水化物は単純な糖または単糖です。これらの単純な糖は互いに結合して、より複雑な炭水化物を形成することができます。
2つの単糖の組み合わせは二糖です。オリゴ糖は2から10の単糖を含み、多糖は10を超える単糖ユニットで構成される最大の炭水化物です。
炭水化物の構造は、光合成によるそれらの形成中にそれらの結合にエネルギーがどのように保存されるか、またこれらの結合が細胞呼吸中にどのように破壊されるかを決定します。
分類
単糖類
単糖は炭水化物の基本単位です。そのため、単糖は糖の最も単純な構造です。物理的に、単糖類は無色の結晶性固体です。ほとんどが甘い味を持っています。
化学的観点から、単糖類は、カルボニル基（C = O）が線状炭水化物のどこにあるかに応じて、アルデヒドまたはケトンになる可能性があります。構造的には、単糖類は直鎖または閉環を形成できます。
単糖類はヒドロキシル基を持っているため、ほとんどが水に溶け、非極性溶媒には溶けません。
その構造内の炭素数に応じて、単糖は異なる名前になります。たとえば、トリオース（3つのC原子を持つ場合）、ペントース（5Cを持つ場合）などです。
二糖類
二糖類は、反応中に水の分子が失われるため、脱水合成と呼ばれる化学プロセスで2つの単糖類を結合することによって形成される二糖です。これは、縮合反応とも呼ばれます。
したがって、二糖は、グリコシド結合を介して結合された2つの単糖分子（単糖）で構成される物質です。
酸はこれらの結合を破壊する能力を持っています。このため、二糖類は胃で消化されます。
二糖類は、摂取すると一般に水溶性で甘いです。3つの主な二糖類は、スクロース、ラクトース、およびマルトースです。スクロースは、グルコースとフルクトースの結合に由来します。ラクトースは、グルコースとガラクトースの結合に由来します。マルトースは、2つのグルコース分子の結合に由来します。
オリゴ糖
オリゴ糖は、いくつかの単純な糖単位、つまり3〜9個の単糖で構成される複雑なポリマーです。
反応は二糖を形成するのと同じですが、それらはまた、より複雑な糖分子（多糖）の分解から生じます。
ほとんどのオリゴ糖は植物に含まれており、水溶性繊維として機能し、便秘の予防に役立ちます。しかしながら、マルトトリオースを除いて、ほとんどの人間はそれらを消化する酵素を持っていません。
このため、最初は小腸で消化されないオリゴ糖は、通常は発酵プロセスを通じて大腸に生息する細菌によって分解されます。プレバイオティクスはこの機能を果たし、有益な細菌の食品として機能します。
多糖類
多糖は最大の糖ポリマーであり、10以上（数千まで）の単糖ユニットが直線状または分岐状に配置されています。空間配置の変化は、これらの糖に複数の特性を与えるものです。
多糖類は、同じ単糖類で構成することも、異なる単糖類の組み合わせで構成することもできます。それらが同じ糖の繰り返し単位によって形成されている場合、それらはそれぞれグリコーゲンやデンプンなどのホモ多糖と呼ばれ、それぞれ動物や植物の貯蔵炭水化物です。
多糖類が異なる糖のユニットで構成されている場合、それらはヘテロ多糖類と呼ばれます。ほとんどは2つの異なるユニットのみを含み、通常はタンパク質（血漿中のガンマグロブリンなどの糖タンパク質）または脂質（ガングリオシドなどの糖脂質）と関連しています。
特徴
炭水化物の4つの主な機能は、エネルギーの提供、エネルギーの貯蔵、高分子の構築、タンパク質と脂肪の分解の防止です。
炭水化物は消化により単純な糖に分解されます。これらは小腸の細胞によって吸収され、身体のすべての細胞に輸送され、そこで酸化されてアデノシン三リン酸（ATP）の形でエネルギーを得ます。
特定の瞬間にエネルギーの生産に使用されない糖分子は、グリコーゲンやデンプンなどの予備ポリマーの一部として保存されます。
核酸の基本単位であるヌクレオチドは、その構造中にグルコース分子を持っています。いくつかの重要なタンパク質は、炭水化物分子に関連付けられています。たとえば、排卵プロセスに関与する卵胞刺激ホルモン（FSH）があります。
炭水化物は主なエネルギー源であるため、その急速な分解により、他の生体分子がエネルギーのために分解されるのを防ぎます。したがって、糖レベルが正常な場合、タンパク質と脂質は分解から保護されます。
一部の炭水化物は水に溶け、ほとんどすべての人の主食として機能します。これらの分子の酸化は、ほとんどの非光合成細胞でのエネルギー生産の主な経路です。
不溶性の炭水化物が会合して、保護として役立つより複雑な構造を形成します。たとえば、セルロースはヘミセルロースやペクチンとともに植物細胞の壁を形成します。キチンは菌類の細胞壁と節足動物の外骨格を形成します。
また、ペプチドグリカンは細菌やシアノバクテリアの細胞壁を形成します。動物の結合組織と骨格関節は多糖類で構成されています。
多くの炭水化物は、タンパク質または脂質に共有結合し、総称して複合糖質と呼ばれる、より複雑な構造を形成します。これらの複合体は、これらの分子の細胞内位置または代謝運命を決定するタグとして機能します。
炭水化物を含む食品
炭水化物はエネルギーの主要な供給源であるため、健康的な食事に欠かせない要素です。ただし、一部の食品には、より多くの栄養素を提供する健康的な炭水化物があります。次に例を示します。
でんぷん
でんぷん質の食品は炭水化物の主な供給源です。これらのでんぷんは、一般に複雑な炭水化物です。つまり、多くの糖が結合して長い分子鎖を形成しています。このため、デンプンは消化に時間がかかります。
でんぷんを含む食品は多岐にわたります。穀物には、デンプンを多く含む食品が含まれます。たとえば、豆、レンズ豆、米などです。シリアルには、これらの炭水化物も含まれています。たとえば、オート麦、大麦、小麦、およびそれらの派生物（小麦粉とパスタ）です。
マメ科植物とナッツには、デンプンの形で炭水化物も含まれています。さらに、ジャガイモ、サツマイモ、トウモロコシ、スカッシュなどの野菜もデンプン含有量が豊富です。
重要なことに、多くの炭水化物が繊維の供給源です。言い換えれば、繊維は基本的には体が部分的にしか消化できない炭水化物の一種です。
複雑な炭水化物と同様に、炭水化物繊維はゆっくりと消化される傾向があります。
果物と野菜
果物や野菜は炭水化物が豊富です。デンプンとは対照的に、果物や野菜には単純な炭水化物、つまり1つまたは2つの糖類が互いに結合した炭水化物が含まれています。
これらの炭水化物は、分子構造が単純であるため、複雑な炭水化物よりも簡単かつ迅速に消化されます。これは、食品中の炭水化物のさまざまなレベルと種類のアイデアを提供します。
したがって、一部の果物は1サービングあたりの炭水化物含有量が多くなります。たとえば、バナナ、リンゴ、オレンジ、メロン、ブドウは、ほうれん草、ブロッコリー、ケール、ニンジンなどの一部の野菜よりも多くの炭水化物を持っています。キノコとナス。
牛乳
野菜や果物と同様に、乳製品は単純な炭水化物を含む食品です。牛乳には、ラクトースと呼ばれる独自の砂糖、甘い味の二糖があります。これ一杯は炭水化物約12グラムに相当します。
市場には牛乳とヨーグルトの多くのバージョンがあります。特定の乳製品の全体または低脂肪バージョンを消費しているかどうかに関係なく、炭水化物の量は同じになります。
お菓子
甘いものは炭水化物のもう一つのよく知られた源です。これらは他の多くのデザートの中で砂糖、蜂蜜、キャンディー、人工飲料、クッキー、アイスクリームを含みます。これらの製品はすべて、高濃度の砂糖を含んでいます。
一方、一部の加工食品や精製食品には、複雑な炭水化物が含まれています（パン、米、白パスタなど）。精製された炭水化物は果物や野菜に見られる炭水化物のように栄養価が高くないことに注意することが重要です。
炭水化物代謝
炭水化物代謝は、細胞内での炭水化物の形成、分解、変換を伴う一連の代謝反応です。
炭水化物代謝は高度に保存されており、細菌からでも観察できます。主な例は、大腸菌のラックオペロンです。
炭水化物は、光合成、自然界で最も重要な炭水化物形成反応を含む多くの代謝経路で重要です。
植物は二酸化炭素と水から、太陽からのエネルギーを使用して炭水化物分子を合成します。
動物や真菌の細胞は、植物組織で消費される炭水化物を分解し、細胞呼吸と呼ばれるプロセスを通じてATPの形でエネルギーを得ます。
脊椎動物では、ブドウ糖は血液を通して全身に運ばれます。細胞のエネルギー貯蔵が少ない場合、解糖と呼ばれる代謝反応によってグルコースが分解され、いくらかのエネルギーといくつかの代謝中間体が生成されます。
即時のエネルギー生産に必要のないグルコース分子は、グリコジェネシスと呼ばれるプロセスを通じて、肝臓と筋肉にグリコーゲンとして貯蔵されます。
いくつかの単純な炭水化物は、いくつかのより複雑な炭水化物のように、独自の分解経路を持っています。例えば、乳糖は酵素ラクターゼの作用を必要とし、それはその結合を破壊し、その基本的な単糖であるグルコースとガラクトースを放出します。
グルコースは細胞が消費する主な炭水化物であり、エネルギー源の約80％を占めます。
グルコースは細胞に分配され、そこで特定のトランスポーターを介して侵入し、グリコーゲンとして分解または保存されます。
細胞の代謝要件に応じて、グルコースは他の単糖類、脂肪酸、核酸、特定のアミノ酸の合成にも使用できます。
炭水化物代謝の主な機能は血糖値の制御を維持することであり、これは内部ホメオスタシスとして知られています。
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