碳水化合物是地球上最丰富的生物分子，作为生物体的能量来源、结构成分和识别元素。它们由碳、氢和氧组成，通常具有经验式(CH2O)n。

单糖

单糖是最简单的碳水化合物，不能水解成更小的糖。它们按碳原子数分类：三糖（3C）、丁糖（4C）、戊糖（5C）和己糖（6C）。葡萄糖、果糖和半乳糖是重要的己糖，而核糖和脱氧核糖是核酸中发现的必需戊糖。

单糖由于手性碳原子而表现出立体异构性。 D 和 L 符号也用于氨基酸，是指编号最高的手性碳的构型。天然存在的糖主要是D-构型。在溶液中，单糖环化形成半缩醛，通过异头碳产生α和β异头物。

二糖和低聚糖

二糖由两个通过糖苷键连接的单糖单元组成。重要的例子包括蔗糖（葡萄糖-α-1,2-果糖）、乳糖（半乳糖-β-1,4-葡萄糖）和麦芽糖（葡萄糖-α-1,4-葡萄糖）。糖苷键的类型决定二糖是还原性的还是非还原性的。

低聚糖含有三到十个单糖单元。它们经常被发现附着在细胞表面的蛋白质和脂质上，充当识别标记。 ABO 血型抗原是基于寡糖的身份标记的典型例子。

多糖

多糖是通过糖苷键连接的单糖单元的聚合物。它们可分为储存多糖或结构多糖。

储存多糖：淀粉是植物中主要的储存多糖，由直链淀粉（线性α-1,4-连接的葡萄糖）和支链淀粉（支链的α-1,4和α-1,6连接）组成。糖原是动物的等价物，比支链淀粉具有更高的支链，主要存在于肝脏和肌肉组织中。

结构多糖：纤维素是 β-1,4-连接的葡萄糖单元的线性聚合物，形成刚性原纤维，为植物细胞壁提供结构支撑。甲壳素由具有 β-1,4 连接的 N-乙酰氨基葡萄糖单元组成，形成节肢动物的外骨骼。透明质酸和硫酸软骨素等糖胺聚糖是细胞外基质的关键成分。

糖苷键和还原糖

一种单糖的异头碳和另一种单糖的羟基之间形成糖苷键。根据异头碳的构型，该键被指定为α键或β键。具有游离异头碳的糖可以充当还原剂，因此称为还原糖。当两个异头碳都参与糖苷键时（如蔗糖），二糖是非还原性的。

修饰碳水化合物

碳水化合物可以通过多种方式进行修饰以改变其特性。磷酸化将糖捕获在细胞内并激活它们进行新陈代谢。氨基糖如葡萄糖胺和N-乙酰葡萄糖胺是糖蛋白和细菌细胞壁的成分。脱氧糖如脱氧核糖和岩藻糖在特定位置缺乏羟基，影响其化学反应性和生物功能。