多醣

多醣 (Polysaccharide)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

多醣 (polysaccharide)，顧名思義就是單糖 (monosaccharide)的聚合物 (polymer)，化學通式 C_x(H₂O)_y，x = 200 – 2500。

多醣類由於其分子量大，一般而言是不溶於水，且無法直接被人體吸收。通常多醣的代謝途徑，都是透過酵素的協助，以使得多醣分解成單醣，再經由如糖解作用 (glycolysis)等方式被人體利用。而且，由於多醣的具還原性的官能基幾乎都在聚合過程中被拿來形成醣苷鍵(glycosidic bond)，因此多醣屬於非還原醣。根據單糖間結合方式的不同，可以將常見多醣大致分類為纖維素(cellulose)、澱粉(starch)、肝糖 (glycogen)，以及截肢動物外骨骼中的甲殼素(chitin)（圖一）。

圖一、不同多醣類與立體連結結構，短橫條部份代表CH2OH基團。（圖片來源：Carbohydrates）

纖維素，是由β- D -葡萄糖所組成的多醣，透過β-1,4-醣苷鍵(β-1,4-glucosidic linkage) 連結而成的直鏈聚合物。值得注意的是，纖維素的結構當中幾乎不會出現分支。一般呈現白色無味的絲狀物，並且不溶於水、大多數有機溶劑，也不會與稀酸稀鹼反 應，還不會被人體的酵素所作用。僅有強酸強鹼，或是如二硫化碳等溶劑，可以將纖維素溶解。

圖二、澱粉與纖維素中單糖不同的連結方式。

由於β- D -葡萄糖 (glucose)本身在化學結構上的穩定性（所有的取代基都在赤道位上），也同時造就了纖維素的化學穩定性，以及因為其形狀可呈現長條狀，也造 成了其結構堆疊上可以達到足夠規則而穩定的結構。在纖維素的各鏈間，由於堆疊造成羥基彼此可形成許多氫鍵，這更是纖維素結構穩定的關鍵因素。也因此，靠著 這個結構與化學均穩定的物質，植物體可以透過它來組成細胞壁，同時也是植物體當中最主要的支持組織。常見的木材、棉、麻等等植物材料，幾乎都有大量的纖維素。透過二硫化碳將纖維素溶解，再加入硫酸氫鈉使其析出，可以將纖維素製成縲縈(rayon)。

圖三、不同纖維素鏈間以氫鍵連結增加結構穩定性。（圖片來源：WIKIPEDIA– File:Cellulose strand.jpg）

澱粉，則是由α- D -葡萄糖所組成的多醣，葡萄糖以1,4’-醣苷鍵聚合而成，但是是空間上以α-glucosidic連結（圖二）。不過澱粉偶爾會出現1,6’-α-醣苷 鍵；而這些1,6’-α-醣苷鍵便可稱之為澱粉的支鏈。具有支鏈的澱粉便稱作支鏈澱粉 (amylopectin)；和直鏈澱粉 (amylose)區別開 來。

直鏈澱粉的結構呈現較規則的螺旋狀，是麥芽糖結構的延伸；它可以佔有較少的體積，而且由於接觸水的表面積較大，它也比較容易溶於水。然而澱粉的水解反應必須發生在末端，才能夠取得單醣以代謝；因此末端僅有頭尾的直鏈澱粉，能夠被利用的速度就比較慢。一般而言植物的澱粉當中約有20~25%是直鏈澱粉，其餘為支鏈澱粉。直鏈澱粉的螺旋狀結構，中間剛好可以塞下一個碘分子離子 (I₃^–)，可以使得溶液呈現藍黑色。

圖四、澱粉與碘錯離子化合物。（圖片來源：WIKIPEDIA—Iodine test）

支鏈澱粉大約20~30個葡萄糖單元便會有一分支。它的結構較不規則，呈現球狀，因而將較多的結構包在裡面，其水溶性較差，佔有的體積也較大；然而支鏈澱粉的水解速度較快，也因此為植物主要儲存能量的方式。

而肝糖主要存在於動物體內，其結構也與澱粉類似，為動物主要儲存能量方式。然而肝糖的分枝相較於支鏈澱粉而言更頻繁，這樣讓身體可以更快消耗葡萄糖，達到更高的效率。

（圖片來源：http://bioap.wikispaces.com/Ch+5+Collaboration+2010）

動物與植物需要透過澱粉、肝糖這類方式來儲存葡萄糖，是因為雖然直接儲存葡萄糖，其代謝的效率會快很多，然而這樣卻會造成葡萄糖的濃度過高，會造成相當高的滲透壓。滲透壓是一個依數性質；也因此，透過將葡萄糖聚合成澱粉、肝糖，可以有效地降低其滲透壓所造成的影響。這樣一來，這些人體的能量來源才能夠被安全且有效地輸送與儲存。

參考資料
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Polysaccharide
2. J. McMurry, M. E. Castellion, D. S. Ballantine, Fundamentals of General, Organic, and Biological Chemistry, 5th ed. Pearson Prentice Hall, 2007, pp 705-710.
3. Carbohydrates, BIO 113, WKU Biology Classes. http://bioweb.wku.edu/courses/bi … os/ComplexCarbs.htm
4. WIKIPEDIA– File:Cellulose strand.jpg
5. WIKIPEDIA—Iodine test  http://en.wikipedia.org/wiki/Iodine_test