Углеводы являются основным источником энергии для организма. Моносахариды, главным образом глюкоза, легко усваиваются и подвергаются окислению в клетках с образованием АТФ через гликолиз, цикл Кребса и электронно-транспортную цепь. Энергетическая отдача составляет примерно 4 ккал на грамм углеводов. Гликоген, полисахарид, служит резервным источником энергии в печени и мышцах, обеспечивая поддержание уровня глюкозы в крови между приёмами пищи.
Некоторые углеводы выполняют строительную роль в организме. К ним относятся полисахариды клеточных стенок растений (целлюлоза) и хитин у членистоногих. В организме человека структурную функцию выполняют гликозаминогликаны (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты), которые входят в состав соединительной ткани, хрящей, сухожилий и обеспечивают механическую прочность тканей, эластичность и гидратацию.
Гликоген выполняет роль быстро мобилизуемого резервного источника энергии. В печени он поддерживает стабильный уровень глюкозы в крови, особенно между приёмами пищи, а в мышцах обеспечивает энергию для локальной работы без участия кровотока. Запасание углеводов также происходит в форме крахмала в растениях, который при употреблении в пищу становится источником глюкозы.
Углеводы участвуют в регуляции метаболических процессов. Глюкоза и её фосфорилированные производные участвуют в контроле ферментативной активности, в частности через механизм allosteric regulation ферментов гликолиза и глюконеогенеза. Сложные углеводы и их производные (например, гликопротеины) принимают участие в клеточной сигнализации, иммунных реакциях и распознавании клеток.
Растворимые углеводы влияют на осмотическое давление в клетках и тканях. Глюкоза, входя в состав плазмы крови, участвует в поддержании водно-электролитного баланса, способствует правильной гидратации клеток и тканей, а полисахариды, такие как гликозаминогликаны, обеспечивают удержание воды в соединительной ткани, создавая структурный гель, необходимый для амортизации и смазки суставов.
Некоторые углеводы выполняют защитные роли. Муцины и гликопротеины слизистых оболочек образуют барьер против микроорганизмов и токсинов. Полисахариды растительного происхождения, включая клетчатку, способствуют детоксикации организма, ускоряя удаление шлаков и продуктов обмена через кишечник. Гликозилированные белки и липиды участвуют в распознавании чужеродных молекул иммунной системой.
Углеводы на поверхности клеток формируют гликокаликс — слой, участвующий в клеточной адгезии, сигнализации и межклеточном взаимодействии. Гликопротеины и гликолипиды обеспечивают идентификацию клеток иммунной системой, участвуют в ответе на инфекционные агенты и регулируют воспалительные процессы. Сложные олигосахаридные структуры служат рецепторами для гормонов, цитокинов и других сигнальных молекул.
Углеводы являются не только источником энергии, но и метаболическими предшественниками. Глюкоза и её производные участвуют в синтезе нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот и гликопротеинов. Они служат донором углеродных скелетов в анаболических реакциях и обеспечивают интеграцию обмена углеводов с обменом липидов и белков.
Углеводы обеспечивают:
Комплекс этих функций делает углеводы незаменимыми для поддержания жизнедеятельности организма, роста, восстановления тканей и адаптации к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды.