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它们的分子结构中要么有一个醛基（aldehyde），要么有一个酮基（ketone）。
醛基由一个碳原子、一个氢原子及一个双键氧原子组成。
酮基比醛基少一个氢原子。
具有醛基的单糖称为醛糖（aldose），具有酮基的单糖称为酮糖（ketose）。
除了这些基团中的碳原子，单糖分子中还存在与氢原子和羟基（-OH）相连的其他碳原子。
一般来说我们可以用通式来表示单糖，其中n≥3。
通式中的H2nOn部分也可写成（H2O）n。
大家都知道H2O是水的分子式，所以也就可以理解为什么糖类也叫碳水化合物了。
图8 蔗糖的分子结构
根据碳原子数目，单糖还可以分为丙糖（triose，3个碳原子）、丁糖（throse，4个碳原子）、戊糖（pentose，5个碳原子）、己糖（hexose，6个碳原子）等。
比如葡萄糖就是己醛糖，因为它有醛基和6个碳原子（包括醛基的碳原子）；而果糖是己酮糖，它有酮基和6个碳原子（包括酮基的碳原子）；核糖和脱氧核糖则属于戊醛糖。
借助一些仪器，我们现在可以很容易就确定糖的分子结构，虽然这些结构现在都是已知的，但在过去，想要成功推测出这些分子结构对于化学家来说是一个智力大挑战。
1884—1894年，德国化学家赫尔曼·埃米尔·费歇尔（HermannEmilFischer，1852—1919）首次确定了葡萄糖（后来还确定了其他糖的结构）的分子结构。
费歇尔仅仅根据葡萄糖化学性质的研究，并运用可以奉为典范的逻辑推理，就能准确地指出分子内所有原子是如何结合的。
这是人类鲜为人知的智慧结晶。
正因为这些研究，费歇尔在1902年获得了诺贝尔化学奖。
单糖两两结合可以形成二糖，除此之外，多个单糖分子结合还可以形成长链分子[聚合物（polymer），见第三章第2节拓展：高分子化学]。
这种由多个单糖聚合而成的化合物称为多糖（polysaccharide）。
最重要的多糖肯定是淀粉（starch）、纤维素（cellulose）和糖原（gly）。
淀粉是植物体内的储能物质；纤维素是构成植物支撑组织的基础；糖原则是包括人在内的动物的储能物质，主要存在于肝脏中。
上述3种多糖都是由葡萄糖分子聚合而成的，但葡萄糖分子结合方式的不同决定了这3种多糖的性质存在很大的差异。
现在化学家已经可以在实验室制糖了。
但我们所使用的和世界上存在的很大一部分糖都是由绿色植物通过一种叫作光合作用（Photosynthesis）的特殊化学反应合成的。
利用太阳光和叶子的叶绿素（分子结构中心含有镁原子的复杂分子），植物能够通过以下反应将根部吸收的水分和空气中的二氧化碳转化为葡萄糖：
6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2
据估计，光合作用每年可将大气中约1.15×1014千克的碳转化为生物质[30]。
上面的化学反应看起来简单，但它其实是一个极其复杂的过程，涉及许多物质的转化。
20世纪初，英国植物学家弗雷德里克·弗罗斯特·布莱克曼（Frederian，1866—1947）发现光合作用主要分两个阶段进行。
在第一个阶段，叶绿素分子吸收阳光，被激发出高能电子，从而提供了将二磷酸腺苷（adenosinediphosphate，ADP）转化为三磷酸腺苷（aderiphosphate，ATP）以及产生还原型辅酶Ⅱ（niideadeniidephosphate，NADPH）分子所需的能量。
同样在这一阶段，水分子的分解还会产生H+、氧气和填补叶绿素分子空穴的电子。
在第二阶段，会经过一个被称为卡尔文-本森循环（sonCycle）的特殊过程，该循环以美国化学家梅尔文·卡尔文（Melvin，1911—1997，1961年因对光合作用的研究而获得诺贝尔化学奖）和美国生物学家安德鲁·阿尔姆·本森（AndrewAlmBenson，1917—2015）的名字命名。
通过这个循环可将ATP和NADPH分子中积累的能量用于制造葡萄糖分子。
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