自然界中的聚糖通常是复杂的
除了作为生物体能量来源的作用外，糖在自然界中很少以单糖的形式出现。相反，它们充当更复杂分子的构建单位。
最常见的是糖与糖苷配基（通常是脂质或蛋白质）相连，并继续通过糖苷键共价连接其他糖进一步复杂化。生成的聚糖称为寡糖（通常少于十几个单糖）或多糖（通常多于十几个单糖）。后者通常建立在连接单糖的重复亚基的核心上。
寡糖和多糖组装的方式产生了广泛的结构与功能的多样性。这使得聚糖能够扮演不同的角色，从细胞表面与对细胞分化、识别和增殖的关键蛋白质相互作用，到与其他产生植物和微生物细胞壁机械特性的聚糖相互作用。
低聚糖分支的多样性
不同的结构可以通过连接不同的单糖来产生，但多样性不仅来自糖的种类不同，还来自它们的连接方式。在一种糖的异头碳和另一种单糖或寡糖中的任何一个未修饰的羟基之间形成糖苷键的可能性增加了多样性，这不仅产生更多的线性产物，还有支链产物。此外，每个异头碳都是立体中心，因此每个糖苷键可以具有α-或β-构型。
构建寡糖，例如具有未成键还原端的四糖（四种糖），仅使用单环形式的单糖，例如吡喃葡萄糖，可以构建种不同的结构。当然，由于缺乏构建它们的酶，并非所有这些理论上可能的分子都是在自然界中产生的，但许多可以制造出来。多样性促成了广泛的功能特性，使碳水化合物发挥许多重要作用。
分支是哺乳动物细胞表面上发现的许多聚糖的主要特征。代表两种主要类型的真核蛋白质糖基化的聚糖主要有两种：N-聚糖与共有肽序列NX(S/T)的一部分——天冬酰胺残基的侧链氮形成糖苷键；O-聚糖与丝氨酸或苏氨酸残基的末端氧形成糖苷键。
图示的N-聚糖含有一个由三个甘露糖残基和两个N-乙酰氨基葡萄糖残基（Manα1-6[Manα1-3]Manβ1-4GlcNAcβ1-4GlcNAcβ1-N-Asn）的双触角聚糖核心，其分支连接在聚糖链中第一个甘露糖残基的3位和6位。更复杂的结构存在三个或四个分支。
图示的O-聚糖包含一个典型的核心结构（四个常见核心之一），该结构从还原端开始，N-乙酰半乳糖胺α-连接到丝氨酸或苏氨酸(GlcNAcβ1-6[Galβ1-3]GalNAcα1-O-Ser/Thr)。它以双触角结构开始，但可以进一步分支到更复杂的结构。
N-和O-连接聚糖中的支链结构示例。
所描述的两种聚糖都在其非还原端用唾液酸（通常在人类中为Neu5Ac）终止。唾液酸化是哺乳动物聚糖的特征，对免疫反应很重要。在蛋白质-聚糖相互作用中，不仅特定残基被识别，而且它们在分支结构中的定位也经常被识别。一个有趣的例子是将2-6连接的唾液酸添加到N-聚糖末端的酶的相互作用，更倾向于连接在1-3连接的分支末端。这可以说明分支在识别过程中可能具有重要作用。
结构多糖和贮存多糖
连接多样性在多糖的结构特性中起重要作用，如两个密切相关的葡萄糖聚合物，分别具有-[4Glcβ1-]n和-[4Glcα1-]n的重复单元(RUs)。前者是纤维素，存在于所有植物细胞壁以及木材棉花等材料中；后者是淀粉，一种易消化的材料，没有显着的结构效用。前者在长原纤维中具有结晶和无定形区域，有助于其结构特性，而后者不具备这种特性，这与异头碳的立体化学和糖苷键的C1-O4和O4-C4键的优势扭转角有关。
扭转角称为φ和ψ，与多肽中的一级结构变量非常相似；它们由四个连接的原子定义，分别为O5-C1-O4-C4和C1-O4-C4-C3。因为可以通过核磁共振观察糖苷键末端的质子之间的耦合来直接监测扭转角，另一种NMR定义也很常用——H1-C1-O4-C4用于φ，C1-O4-C4-H4用于ψ。
纤维素和淀粉中的糖苷扭转角差异很大。当延伸到长纤维素聚合物时，纤维二糖单元会产生细长的链，这些链可以通过氢键堆积并与其他链相互作用以形成层。层依次通过力的组合相互作用以形成原纤维。淀粉中更多的螺旋链不容易堆积产生无定形的材料。
来自纤维素和淀粉的重复单元显示出决定糖苷扭转角φ和ψ的构象。
其他重要的多糖，例如在植物细胞壁中发现的果胶，帮助植物适应生长过程中的变化。果胶是基于α(1-4)-连接的半乳糖醛酸(GalA)的聚合物，并且可能含有额外的支链糖，例如木糖。GalA残基的6位带负电荷的羧基有助于这些聚合物的水溶性和长程相互作用，从而使它们具有在食品工业中有用的胶凝特性。
动物中也有功能多样的多糖。糖原是一种与淀粉相关的葡萄糖聚合物，主要具有连接葡萄糖残基的α(1-4)-键，但它是高度分支化的，具有与某些葡萄糖残基连接的α(1-6)-键。
除了贮存多糖，也有结构多糖，例如，N-乙酰氨基葡萄糖的重复聚合物-[4GlcNAcβ1-]n是甲壳素的主要成分，甲壳素是构成蛛形纲动物、甲壳类动物和昆虫外骨骼的材料。通过氨基取代2位羟基和随后的N-乙酰化对葡萄糖残基进行修饰，显著改变了结构性质。这些变化允许形成具有蛋白质和矿物质的复合材料，从而导致结构和功能的变化。
动物细胞表面多糖
在动物中发现的大多数细胞表面多糖属于一类称为糖胺聚糖(GAG)的多糖。GAG大量存在于细胞表面和细胞外基质中，是分子量大于15,Da的线性大分子。
大多数GAG由氨基取代的糖和己糖醛酸残基组成。糖残基的修饰，特别是羟基或氨基的硫酸化比较常见。硫酸盐和己糖醛酸羧酸盐基团在生理条件下带负电荷，因此，GAG通常带负电。
常见的GAG包括硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素(HS)、透明质酸和硫酸角质素。这些GAG的二糖RU在结构上有所不同，例如，硫酸软骨素由[4GlcAβ1-3GalNAcβ1-]n的二糖RU组成，而HS由[4GlcAβ1-4GlcNAcα1-]n或[4IdoAα1-4GlcNSα1-]n的二糖RU组成，而硫酸角质素实际上是一种硫酸化的聚乳糖胺聚糖。这些聚合物的结构多样性主要是羟基硫酸化的结果。在其他动物中发现的GAG可能与哺乳动物GAG不同，例如，海洋无脊椎动物可以携带特别独特的硫酸化模式（即GlcA残基上的3-O-硫酸化）和独特的侧链修饰（即硫酸软骨素上的岩藻糖基化）。
(A)不同糖胺聚糖的二糖重复单元的结构和(B)硫酸乙酰肝素单糖的构象。
动物多糖的结构-功能关系
GAG主要通过与在细胞表面和细胞外空间中发现的数百种GAG结合蛋白相互作用来发挥生物学功能。结合特异性和强度是引发适当生物反应的关键。
HS是GAG家族中研究最多的成员，它具有广泛的生理和病理功能，例如HS参与生长因子和生长因子受体的三分子相互作用，从而参与调节胚胎发育；HS与血液中的蛋白酶和蛋白酶抑制剂相互作用以控制凝血过程；可以作为病毒感染的受体与病毒包膜蛋白结合。此外，肝素是一种高度硫酸化的HS，是临床常用的抗凝药物。
从组织中分离出的HS的硫酸化水平变化很大，每个二糖单位有0.6到2.4个硫酸基团。硫酸化可在氨基、氨基葡萄糖(GlcN)残基的C3和C6位，以及艾杜糖醛酸(IdoA)的C2位和葡萄糖醛酸(GlcA)残基的C2位上发生。硫酸盐基团显示出负电荷，在生理条件下，它们直接与蛋白质中带正电荷的残基相互作用，对结合亲和力和选择性有重要影响。
导致HS结构复杂性的另一个因素是L-IdoA及其衍生物L-IdoA2S（2-O-磺基艾杜糖醛酸）的构象灵活性。以吡喃糖形式存在的IdoA或IdoA2S的六元环结构可以采用椅式构象。
目前，仅通过实验验证了HS中的GlcA和GlcN的4C1椅式构象，但在含有HS的晶体结构中发现了IdoA2S残基的1C4和2SO椅式构象。核磁共振研究表明在溶液中IdoA2S和IdoA残基存在于1C4和2SO构象的混合物中。IdoA残基的构象灵活性可能允许HS中的硫酸基团最大化与蛋白质的结合亲和力。
影响结构多样性与某些HS结合蛋白选择性相互作用的第三个因素是硫酸化糖结构域的大小。影响与蛋白质结合所结构（硫酸基、羧基和氢键羟基等）通常分布在HS链的多个糖上。
从天然来源中分离的HS显示出类似结构域的结构，六到八个糖类簇形成称为S结构域的高度硫酸化结构域。这些区域由一段非硫酸化糖残基隔开，由GlcA-GlcNAcRUs组成，称为NAc结构域。S域主要包含IdoA残基，这些残基可能有助于优化与蛋白质相互作用的活性。
NAc结构域对HS功能的贡献尚未完全确定，可能是将S结构域适当地定位在单个多糖链中，以便与多种蛋白质相互作用。一个例子是肝素与抗凝血酶和凝血酶的相互作用，在三聚体复合物中，一部分肝素链与抗凝血酶相互作用，另一部分肝素链与凝血酶相互作用。在抗凝血酶结合域和凝血酶结合域之间，存在六至七个糖残基的接头，缺少该接头结构域的短肝素片段不能抑制凝血酶的活性。
GAG结构的细胞调控
与蛋白质和核酸不同，GAG的生物合成没有明确模板的调节。GAG家族的每个成员都是通过独特的途径合成的，例如HS合成途径涉及多种酶，包括特定的糖基转移酶（或HS聚合酶）、一种差向异构酶和几种磺基转移酶。
HS被组装为与蛋白共价连接的聚合物，蛋白多糖由核心蛋白和多糖侧链组成，这些蛋白多糖的功能主要由所添加的HS链的特性决定。尽管这是一个非模板驱动的过程，但HS的整体结构通常在几代之间保持不变。人们对理解控制HS结构的机制非常感兴趣，现有的实验证据支持生物合成酶的底物特异性及其作用顺序调节HS结构的假设。
与HS相比，硫酸软骨素和硫酸皮肤素的生物合成了解较少。硫酸软骨素倾向于在不同的蛋白多糖核心蛋白上合成。为了合成硫酸皮肤素中的IdoA残基，需要一种专门的差向异构酶。
透明质酸的生物合成完全不同；它不是在核心蛋白上合成的，它不在内质网和高尔基体中发生，只需要一种透明质酸合酶（一种双活性糖基转移酶），因为多糖不含硫酸基团或IdoA残基。
细菌多糖
细菌与其环境的相互作用提供了一个很好的例子，说明多糖如何在生物体的生存中发挥重要作用。细菌多糖特别多样化，因为它们可以在其RU中包含大量不同的糖残基（通常为2到6个残基），同时可以进行分支。它们中的许多是细菌细胞膜的一部分，在其中发挥重要的结构和保护作用。
脂多糖(LPS)、荚膜多糖(CPS)和胞外多糖(EPS)等细菌多糖通常是在人体中引发强烈免疫反应的有效抗原。
LPS携带称为O抗原的长多糖，是革兰氏阴性细菌所独有的，是构成其外膜的主要成分。这些类型的细菌也可能携带CPS，在细菌细胞周围形成相对密集的附加层。
细胞壁脂磷壁酸和磷壁酸是革兰氏阳性菌的独特成分，它们通常被CPS或密度较低的EPS层包围。
细菌物种之间生物合成途径的变化最终导致细菌多糖的多样性。在其中一种生物合成途径中，糖残基依次添加到锚定分子上，聚合物从非还原末端开始生长，直到添加了终止链延长的取代基。
细菌多糖重复单元的SNFG（聚糖符号命名法）格式的示意图。
一些杂多糖含有两个交替顺序添加的糖残基。通常，进行性糖基转移酶负责形成这种模式，如肠沙门氏菌O54的O-多糖合成。当两个糖残基交替时，可以形成支链结构，一种糖产生聚合物主链，一种产生侧链。
多糖并不总是从非还原端构建，并且可以在组装中使用预先形成的亚基。例如，大肠杆菌抗原O5ab和O5ac的合成依赖于预先形成的线性寡糖，其中五个糖残基构成RU。寡糖建立在十一烯基焦磷酸糖苷锚分子上，然后将该寡糖添加到另一个寡糖-脂质锚上，以从“还原端”延伸聚合物。
可以通过在聚合物主链形成后添加糖来引入支链。幽门螺杆菌O抗原通常包含人类血型结构作为其RU的一部分。N-乙酰基-D-葡糖胺和D-半乳糖以加工方式添加到十一碳烯基焦磷酰基载体上，从而形成由Galβ1-4GlcNAc(LacNAc)二糖RU组成的线性多糖。随后，L-岩藻糖基残基被添加到主链多糖上，形成支链路易斯型结构。
细菌糖由多种单糖和6-脱氧-己糖（如L-鼠李糖或L-岩藻糖）以及常见于寡糖-脂质受体末端位置的稀有糖组成。聚合时，稀有的单糖成为支链结构中侧链的一部分，并产生细菌特有的结构表位。在某些情况下，这些表位是分子模拟的基础。
此外，这些糖残基构成多糖链的末端实体，可以被免疫系统的抗体识别。多糖也可以被O-酰基或磷酸二酯基团等取代基修饰。在分支糖残基上发现O-乙酰基并不少见，从而导致高度拥挤的取代模式。
分支和取代基会影响多糖溶液的性质，例如胶凝和高粘度。一些聚合物以其商业名称为人所知：gellan、welan和rhamsan(S-)。这些和类似聚合物之间的差异在于酰基取代基。
细菌产生的多糖的大小可以有很大的不同。LPS中的O抗原少于个RU，而CPS和EPS的RU数量较多（–）。这些多糖中通常存在支链结构，在侧链中具有一个以上的糖残基，或者在RU中具有两个支链。甚至更复杂的RU结构。
电荷可以显着影响多糖特性。带电荷的多糖是细菌聚合物的常见亚类，并且主要以带负电荷的糖残基的形式存在或由于添加带负电荷的取代基而存在。
糖醛酸（例如，GlcA）和非糖酸（例如，Neu5Ac、Sia）将负电荷引入RU，从而使多糖成为聚阴离子聚合物，很像哺乳动物中发现的GAG。
糖残基上的取代基如丙酮酸、磷酸或硫酸基赋予聚阴离子特性。带电基团可以存在于多糖主链和侧链中。带正电荷的胺有时与带负电荷的基团一起存在于RU中。来自脑膜炎奈瑟菌的CPS是典型的例子，B型和C型是Neu5Ac的均聚物，W-型和Y型含有Neu5Ac和己糖组成的二糖RU。
灵活性是细菌多糖的一个重要特征。大多数糖苷键是由与两个碳原子和一个氢原子相连的碳原子所连的羟基形成（即吡喃糖中的O2、O3或O4位），因此糖苷键有两个自由度，即扭转角φ和ψ。当通过O6形成键时，由于己吡喃糖中的环外羟甲基基团，糖苷键（即扭转角ω）可获得额外的自由度。
当多糖主链中存在(1-6)-键时，它可能导致具有更高柔韧性和无规卷曲特性的刚性较低的聚合物。侧链中这种连接的出现将使它们更加灵活。当呋喃糖残基是聚合物的一部分时，不同的环构象为引入灵活性提供了更多选择。
交联是可以改变细菌多糖物理性质的另一种方式。革兰氏阳性菌的细胞壁含有一层特别厚的肽聚糖，肽聚糖通过短肽序列共价交联。此外，由磷酸二酯键连接的甘油或核糖醇残基构成的磷壁酸聚合物位于细胞壁内。单糖或二糖氨基糖可以是这些重复结构的一部分，从而产生不同的细胞壁磷壁酸。
总之，细菌多糖突出了将实现寡糖和多糖多样性的多种方式。一些多样性来自于一组更大的糖残基，一些来自于分支，一些来自于用各种取代基（例如磷酸盐、硫酸盐、酰基和氨基）进行的修饰。这种多样性产生了不同的物理特性。它允许细菌模仿它们的宿主以逃避识别，它提供了一种将自我与其他生物区分开来的方法。