炭水化物とは｜糖質の定義・化学構造・種類とエネルギー供給
炭水化物は、酸素、水素、炭素のみを含む化合物である。糖質は、糖類が結合したものである。糖は一般式 Cm (H2 O)n で表され、サッカライドとも呼ばれる。
ある種の炭水化物は、植物や動物を含むほとんどの生物において、エネルギーの重要な貯蔵・輸送形態である。
化学構造の基本
伝統的に糖は Cm(H2O)n の形で表されますが、これは「炭素と水の和」であることを表す簡略式であり、実際には分子内で酸素や水素がさまざまな結合様式をとります。単糖（モノサッカライド）は一般にアルデヒド基（アルドース）またはケトン基（ケトース）を持ち、複数のヒドロキシル（–OH）基を含みます。
環状構造としては、6員環の「ピラノース」形（例：グルコースのα/β-グルコピラノース）や5員環の「フラノース」形があり、これらはヘミアセタール／ヘミケタールの形成によって生じます。立体化学（D/Lやα/βの異性）によって生理的性質や消化性が変わります。
種類（単糖・二糖・多糖）
- 単糖（モノサッカライド）：最も単純な糖。例：グルコース（ブドウ糖）、フルクトース（果糖）、ガラクトース。
- 二糖（ジサッカライド）：2つの単糖がグリコシド結合でつながったもの。例：ショ糖（スクロース＝グルコース＋フルクトース）、乳糖（ラクトース＝ガラクトース＋グルコース）、マルトース（麦芽糖＝グルコース＋グルコース）。
- 多糖（ポリサッカライド）：多数の単糖が連結した高分子。例：
- デンプン（植物の貯蔵多糖。アミロースとアミロペクチンから成る）
- グリコーゲン（動物の貯蔵多糖。肝臓や筋肉に蓄えられる）
- セルロース（植物の構造多糖。β-1,4結合で直鎖を作り、強い繊維性を示す）
- キチン（節足動物や菌類の構造多糖）
還元性と非還元性
糖には「還元性」を示すものと示さないものがあります。還元糖は開環したときに自由なアノメリック炭素（還元末端）を持ち、試薬によって還元されます。例：グルコースは還元性を示すが、ショ糖は両方のアノメリック炭素が結合しているため非還元性です。
生物学的役割とエネルギー供給
炭水化物は主要なエネルギー源であり、1グラムあたり約4 kcal（約17 kJ）のエネルギーを供給します。植物ではデンプンが主要な貯蔵形態で、植物体内でソルビトールやスクロースの形で輸送されます。動物ではグリコーゲンが短期的エネルギー貯蔵として機能します。
消化酵素（アミラーゼ、マルターゼ、ラクターゼなど）により多糖や二糖は単糖に分解され、小腸で吸収され血中グルコースとして利用されます。余剰のグルコースはグリコーゲンや脂肪として貯蔵されます。
消化・栄養と健康への影響
- 消化されにくい多糖や非消化性の成分は食物繊維と呼ばれ、消化酵素で分解されないため腸内での通過を助け、腸内細菌による発酵で短鎖脂肪酸が生成されることがあります。
- 簡単に吸収される単糖・二糖は血糖値を急速に上昇させることがあり、これを抑えるためにインスリンが分泌されます。食品のGI（グリセミック指数）はこの影響を示す指標の一つです。
- 過剰な糖質摂取は肥満や2型糖尿病、非アルコール性脂肪肝などのリスクに関連しますが、適切な量の炭水化物は身体活動や脳機能のために重要です。
その他の機能
炭水化物は単にエネルギー源であるだけでなく、細胞認識やシグナル伝達にも関与します。多くのタンパク質や脂質は糖鎖（グリコシル化）を持ち、これが細胞間の識別や免疫応答、受容体の機能に重要です（例：グリコプロテイン、グリコリピド）。
まとめ
炭水化物は化学的には炭素・水素・酸素からなる化合物群で、単糖から多糖まで多様な構造を取り、エネルギー供給、貯蔵、構造成分、細胞間情報伝達など多くの生物学的機能を担います。食事としては単純糖と複合糖（食物繊維を含む）をバランスよく摂ることが健康維持に重要です。
フルクトースの構造図
生化学
糖質には4つの種類があり、糖の分子の数によって名前がつけられています。
栄養と食品
炭水化物は、人体のエネルギー源として最も一般的なものです。タンパク質は体内の組織や細胞を作ります。炭水化物はエネルギー源として非常に優れていますが、必要以上に食べると、余分なものが脂肪に変わってしまいます。
人間の体はタンパク質を炭水化物に変えることができるので、必要であれば炭水化物を食べなくても生きていくことができます。炭水化物をほとんど食べない文化圏の人々もいますが、それでも健康を保っています。
アメリカやカナダの研究では、人はエネルギーの約40％から60％を炭水化物から得ていることが分かっています。しかし、人によっては、少なくとも55％から75％のエネルギーを炭水化物から得ていることが研究で示されています。これは、人が行う肉体労働の量にもよるでしょう。作業がハードであればあるほど、より多くのエネルギーを必要とします。もうひとつのエネルギー源は体温です。寒冷地では、より多くのエネルギーが必要とされます。
質問と回答
Q:炭水化物とは何ですか?
A:炭水化物は糖が結合してできた化学化合物で、酸素、水素、炭素のみを含んでいます。
Q: 糖の一般式は?
A: 糖の一般式はCm(H2O)nで、サッカライドとも呼ばれます。
Q: 生物における糖質の重要性は何ですか?
A:ある種の炭水化物は、植物や動物を含むほとんどの生物において、エネルギーの重要な貯蔵および輸送形態である。
Q: 炭水化物に含まれる元素は何ですか?
A: 炭水化物には酸素、水素、炭素しか含まれていません。
Q: 炭水化物はすべての生物に含まれているのですか?
A: はい、ある種の炭水化物は植物や動物などほとんどの生物に含まれています。
Q: 炭水化物はどのようにできているのですか?
A:炭水化物は糖が結合したものです。
Q:植物における炭水化物の役割は何ですか?
A:炭水化物は植物においてエネルギーの重要な貯蔵・輸送形態となります。
