碳水化合物是一大类有机化合物，包括糖、糖链以及经过化学修饰的糖衍生物。大多数碳水化合物含有碳、氢和氧，有些还含有氮、硫或其他元素。它们既包括葡萄糖这样的小分子，也包括用于构建结构和储存物质的大分子聚合物。在生物体内，碳水化合物提供燃料、储存化学能量、支撑生物结构，并参与细胞与周围环境之间的相互作用。碳水化合物在化学上的定义，比日常用来指淀粉类或含糖食物的用法更广泛。(goldbook.iupac.org)
化学定义与结构
“碳水化合物”这一名称最初指分子式为 Cₙ(H₂O)ₙ 的化合物，意为“碳的水合物”。许多简单的糖符合这一分子式，但它既不是适用于所有碳水化合物的通式，也不足以定义碳水化合物。现代术语还涵盖糖醇、糖酸、脱氧糖、氨基糖及其衍生物。这些化合物在结构上与糖有关，并非碳与水的简单组合。(goldbook.iupac.org)
单糖通常具有多个羟基，在开链形式下还带有一个醛基或酮基。带有醛基的糖称为醛糖，带有酮基的糖称为酮糖。糖也可按碳原子数分类：丙糖含三个碳原子，戊糖含五个，己糖含六个。葡萄糖是己醛糖，果糖则是己酮糖。(openstax.org)
这些基团的三维排列十分重要。手性使糖具有不同的立体异构体，包括 D 型和 L 型构型。这些标记描述的是构型，而不是糖使偏振光旋转的方向。在溶液中，许多单糖主要以环状形式存在。成环会产生一个异头中心，从而形成 α 型和 β 型；两者可通过开环和闭环相互转化。这些差异会影响糖的化学行为和生物识别。(ncbi.nlm.nih.gov)
分类与糖苷键
碳水化合物通常按所含糖单元的数量分类：
- 单糖只有一个糖单元，包括葡萄糖、果糖、半乳糖和核糖。
- 二糖含有两个糖单元。蔗糖由葡萄糖和果糖组成，乳糖由葡萄糖和半乳糖组成，麦芽糖则含有两个葡萄糖单元。
- **寡糖**由较短的糖残基链组成。
- **多糖**由较长的糖链组成，可以呈线性或分支结构。寡糖与多糖的界限是约定俗成的，并不存在明确的化学分界。(openstax.org)
糖单元通过糖苷键连接。描述一种连接方式时，需要指明参与连接的碳原子位置及异头碳的构型。因此，相同的糖结构单元也能构成性质截然不同的物质。通过水解断裂这些键，可以将较大的碳水化合物分解成较小的单元。在生物合成过程中，专门的酶通常将糖残基从活化的供体转移到正在延长的糖链上。(ncbi.nlm.nih.gov)
储存与结构功能
淀粉是植物储存碳水化合物的主要形式。它包含直链淀粉和支链淀粉：直链淀粉主要由以 α(1→4) 糖苷键连接的葡萄糖链组成，支链淀粉还具有 α(1→6) 连接的分支点。糖原是动物体内重要的储存物质，其连接方式与淀粉相似，但分支更为密集。这种结构提供了大量链端，可供葡萄糖残基添加或移除。(ncbi.nlm.nih.gov)
纤维素也由葡萄糖组成，但其 β(1→4) 糖苷键形成伸展的链，这些链聚集成坚韧的纤维。纤维素是植物细胞壁的主要成分。纤维素与淀粉的对比说明，即使基本的糖结构单元不变，连接的几何方式也能改变聚合物的性质。几丁质由含氮的修饰葡萄糖残基组成，为节肢动物的外骨骼和真菌的细胞壁提供结构支撑。(ncbi.nlm.nih.gov)
碳水化合物也存在于其他重要的生物分子中。核糖是 RNA 的糖组分，脱氧核糖则是脱氧核糖核酸的组成部分。这些糖参与构成核酸中重复排列的骨架，而非主要用于储存能量。(ncbi.nlm.nih.gov)
生成与代谢
植物及其他能进行光合作用的生物通过光合作用，利用光能以二氧化碳为原料生成有机化合物。所产生的三碳糖磷酸可用于合成葡萄糖、蔗糖、淀粉及其他碳水化合物。这些产物既提供代谢所需的燃料，也为生长提供原料。(openstax.org)
碳水化合物的分解是代谢的核心过程之一。在糖酵解中，一个六碳葡萄糖分子转化为两个三碳丙酮酸分子，净生成两个三磷酸腺苷分子及还原型电子载体。糖酵解本身不直接需要氧气。后续途径决定了来自葡萄糖的碳是进一步被氧化，还是进入发酵及其他代谢过程。碳水化合物代谢的中间产物也为合成其他细胞组分提供起始原料。(openstax.org)
消化与营养术语
在人体消化过程中，酶将可消化的碳水化合物分解为可吸收的简单糖。分解从口腔开始，并在小肠中继续进行；大部分营养物质也在小肠被吸收。吸收后的糖进入血液循环，被运送到各组织中使用或储存。(niddk.nih.gov)
在计算食物能量时，可利用碳水化合物通常按每克约 4 千卡（即 17 千焦）计算。这一换算系数并不统一适用于所有碳水化合物。膳食纤维包括不能在小肠中被消化的碳水化合物成分，其中一些会在结肠中被微生物发酵。因此，它们提供的能量不同于易消化的糖和淀粉。“简单”和“复杂”描述的是宽泛的结构类别，并不能全面反映食物的营养价值。(fao.org)
细胞表面与分子识别
糖链常称为聚糖，可以连接到蛋白质或脂质上。这种连接过程称为糖基化，所形成的结构具有燃料储存之外的功能。聚糖可影响蛋白质的稳定性和功能，参与细胞外结构的组织，并为能够结合它们的蛋白质提供识别位点。(ncbi.nlm.nih.gov)
在细胞膜表面，糖序列、分支方式和化学修饰的差异形成了多样的识别模式。这些模式参与细胞之间以及细胞与微生物之间的相互作用。一些微生物黏附蛋白和毒素会与特定的宿主聚糖结合。因此，聚糖的功能不仅取决于其化学结构，还取决于周围的分子环境、所在的组织位置及具体的生物学情境。(ncbi.nlm.nih.gov)