聚糖结构没有直接编码在基因组中
与作为初级基因产物的蛋白质序列不同，聚糖结构不直接在基因组中编码，而是二级基因产物。人类基因组中百分之几的已知基因致力于产生负责聚糖生物合成和组装的酶和转运蛋白，来完成蛋白质的翻译后修饰或核心脂质的糖基化。
聚糖本身具有许多组合可能性，由各种竞争性和顺序作用的糖苷酶和糖基转移酶以及真核生物高尔基体中聚糖生物合成的亚区室化“装配线”机制组成。因此，即使完全了解所有相关基因产物的表达水平，也无法准确预测给定细胞类型所表达的聚糖的精确结构。
此外，环境的微小变化会导致给定细胞产生的聚糖发生巨大变化。正是糖基化的这种可变性和动态性使其成为产生和调节生物多样性和复杂性的有力方式。当然，它也使聚糖比核酸和蛋白质更难研究。
蛋白质糖基化的位点特异性结构多样性
蛋白质糖基化最令人着迷也最令人沮丧的特点之一是微异质性现象。因此，在由特定细胞类型合成的给定蛋白质上的任何特定聚糖附着位点，可能会在附着的聚糖结构中发现一系列变化（在某些情况下，聚糖可能会丢失）。
实际上，由单个基因编码的给定多肽可以以多种“糖型”存在，每一种都构成不同的分子种类。对于某些糖蛋白，特定位点的微异质性可能非常有限，而对于其他位点，它可能是广泛的。
从机制上讲，微异质性可能是由多个连续的快速过程产生。另一种可能性是实际上每个单独的细胞或细胞类型在其产生的糖基化方面都非常特异，但是细胞间的变化导致观察到的来自天然多细胞来源的样品的微异质性。无论微异质性的起源是什么，它都解释了糖蛋白在分析/分离技术中的异常行为，并使糖蛋白的完整结构分析成为一项艰巨的任务。
从功能的角度来看，微异质性的生物学意义仍不清楚。这可能是一种多样性发生机制，旨在使内源性识别功能多样化和/或逃避微生物和寄生虫，它们中的每一种都只能以高特异性结合某些聚糖结构。
糖基化的细胞生物学
真核聚糖生物合成明确表征的途径位于内质网和高尔基体隔室。源自ER的新合成蛋白质在其到达最终目的地的行程中的不同阶段用聚糖进行共翻译或翻译后修饰。N-聚糖部分在ER细胞质面的脂质供体组装，然后翻转穿过膜，寡糖组装完成并转移到新生蛋白质。当蛋白质通过ER和高尔基体时，通过一次添加一种单糖来修剪和延长该寡糖。这些糖基化反应使用活化形式的单糖作为糖基转移酶催化反应的供体。核苷酸糖供体由内源性或外源性单糖前体在细胞溶质或核区室中合成，然后通过膜双层主动转运到ER和高尔基区腔室。
值得注意的是，面向这些隔室内部的糖缀合物部分最终将面向细胞外部或分泌颗粒或溶酶体内部，并且在拓扑上不会暴露于胞质溶胶。对负责催化这些反应的生物合成酶（糖基转移酶、磺基转移酶等）进行了深入研究，它们的位置有助于确定ER-高尔基体通路的各种功能区室。一个经典模型设想这些酶沿着这条通路以它们实际起作用的精确顺序物理排列。该模型似乎过于简单，因为这些酶的分布存在相当大的重叠，并且给定酶的实际分布取决于细胞类型。
上述所有拓扑过程在细胞核和细胞质糖基化方面是相反的，相关糖基转移酶的活性位点面向与细胞核内部直接通信的胞质溶胶。直到年代中期，认为糖缀合物仅出现在细胞外表面、细胞内细胞器的内（腔）表面和分泌分子上，而认为胞质溶胶和细胞核没有糖基化能力。
然而，已经确定某些不同类型的糖缀合物存在于细胞质和细胞核中。其中被命名为O-GlcNAc的糖缀合物很可能是许多细胞类型中最常见的糖缀合物类型。长期以来，许多研究人员都忽略了这种主要的糖基化形式，这一事实强调了糖生物学领域相对未探索的状态。
像活细胞的所有成分一样，聚糖不断被降解转化，催化这一过程的酶在外部（非还原）末端（外切糖苷酶）或内部（内切糖苷酶）切割聚糖。一些末端单糖单元（例如唾液酸）有时会在内体循环过程中被去除，新单元会重新连接，而不会降解底层链。
大多数真核聚糖的最终完全降解通常由溶酶体中的多种糖苷酶完成。一旦降解，它们的单个单元单糖通常会从溶酶体输出到胞质溶胶中以进行再利用。与源自ER-Golgi途径的聚糖的相对缓慢更新相比，细胞核和细胞质的O-GlcNAc单糖修饰似乎更具动态性。在某些情况下，细胞外或细胞内游离聚糖也可以作为信号分子。
常见单糖的生物合成、使用和周转。用于研究糖基化的工具
与寡核苷酸和蛋白质不同，聚糖通常不以线性、无分支的方式存在。即使是线性的（例如，GAG），它们也经常含有各种不均匀分布的取代基，例如硫酸盐基团。因此，通过单一方法通常不可能对聚糖进行完整测序，并且需要物理、化学和酶促方法的迭代组合，共同产生结构细节。
关于结构的不太详细的信息可能足以探索某些聚糖的生物学，并且可以通过简单的技术获得，例如使用酶（内切糖苷酶和外切糖苷酶）、凝集素和其他聚糖结合蛋白，以及通过化学修饰或切割、代谢放射性标记、抗体或克隆的糖基转移酶。糖基化也可以通过多种方式受到干扰，例如，通过糖基化抑制剂和引物以及通过对完整细胞和生物体中糖基化的遗传操作。近年来，通过化学和酶法定向体外合成聚糖也取得了长足的进步，为探索糖生物学提供了许多新工具。通过多种途径生成复杂的聚糖文库进一步增强了化学和生物学的这一界面，包括聚糖微阵列的生成。
糖组学
与基因组学和蛋白质组学类似，糖组学代表了对给定细胞类型或生物体的“糖组”（聚糖结构的总和）的系统方法学阐释。实际上，糖组比基因组或蛋白质组复杂得多。除了聚糖的结构多样性大得多之外，人们还面临着糖基化微异质性的复杂性以及在发育、分化、代谢变化、衰老、恶性肿瘤、炎症或感染过程中发生的动态变化。增加的多样性来自糖基化的种内和种间变化。因此，给定物种中的给定细胞类型可以表现出大量可能的糖组状态。
今天的糖组学分析通常包括提取整个细胞类型、器官或生物体。从它们的键中释放所有聚糖链；并通过质谱等方法对它们进行分类。在糖蛋白组学中，聚糖在仍附着于蛋白酶产生的糖蛋白片段时进行分析。
糖组学分析需要辅以经典方法，例如组织切片染色或流式细胞术，使用凝集素或聚糖特异性抗体，通过考虑不同细胞类型水平的糖基化异质性和研究组织中的亚细胞结构域。这一点非常重要，因为普遍观察到将细胞从其正常环境中取出并放入组织培养中会导致细胞糖基化机制发生重大变化。然而，这种经典方法存在定量差和对结构细节相对不敏感的问题。通过直接从组织切片中对特定细胞类型进行激光捕获显微切割，再用质谱研究所得样品，这两种方法的结合现在可能是可行的。
由于涉及聚糖生物合成途径的大多数基因都是从多种生物体中克隆出来的，因此今天可以获得特定细胞类型中糖组的间接基因组和转录组学视图。然而，鉴于mRNA和蛋白质水平之间相对较差的相关性，以及细胞高尔基体糖基化途径的复杂装配线和竞争性质，即使完全了解给定细胞中所有相关基因的mRNA表达模式也无法准确预测该细胞类型中聚糖的分布和结构。因此，除了使用一系列方法进行实际分析外，目前还没有可靠的间接途径来阐明糖组。
生物体和培养细胞中的糖基化缺陷
已经描述了许多具有改变的聚糖结构和特定聚糖生物合成缺陷的培养细胞系的突变变体，其中最常见的是凝集素抗性。事实上，除了少数例外，在培养的动物细胞中发现了在聚糖生物合成主要途径的大多数步骤中具有特定缺陷的突变体。此类细胞系的使用对于阐明聚糖生物合成途径的细节具有重要价值。它们的存在意味着许多类型的聚糖对于在受保护且相对不变的培养皿环境中生长的单细胞的最佳生长并不是至关重要的。
但是，大多数聚糖结构在介导完整多细胞生物体中的细胞-细胞和细胞-基质相互作用和/或生物体之间的相互作用中必须更为重要。根据这一假设，在完整动物中完全消除主要聚糖类别的遗传缺陷都会导致胚胎致死。正如预期的那样，这种类型的天然存在的动物突变体往往具有中等严重程度的疾病表型，并显示出涉及多个系统的复杂表型。聚糖外链成分的不太严重的遗传改变往往会产生具有更具体表型的活生物体。
总体而言，通过研究包括人类在内的完整多细胞生物的自然或诱导遗传缺陷的后果，可以学到很多东西。
聚糖的生物学作用是多样的
正如可以从它们无处不在和复杂的性质所想象的那样，聚糖的生物学作用显着不同。因此，所有提出的关于聚糖功能的理论都证明是部分正确的，并且也可以找到例外。毫不奇怪，对于如此多样化的分子群，聚糖的生物学作用也涵盖了从微小功能到对生物体的发育、生长和生存至关重要的作用。
聚糖的不同功能可以简单地分为两大类：（i）结构和调节功能（涉及聚糖本身或对它们所连接的分子的调节）和（ii）聚糖结合蛋白对聚糖的特异性识别。当然，任何给定的聚糖都可以介导一种或两种类型的功能。
结合蛋白又分为两大类：凝集素和硫酸化GAG结合蛋白。这些分子可以是合成同源聚糖的生物体所固有的。这些聚糖-蛋白质相互作用的细节已在许多情况下得到阐明。尽管这一概念有例外，但关于凝集素出现了以下一般主题：单价结合往往具有相对较低的亲和力，并且此类系统通常通过多价聚糖阵列与同源凝集素的相互作用来实现高亲和力结合。
发育、分化和恶性肿瘤中的糖基化变化
每当开发出一种特异性检测特定聚糖的新工具（例如抗体或凝集素）并用于探测其在完整生物体中的表达时，通常会发现该聚糖与非常特定的胚胎发育、器官发生和分化的时间和空间表达模式有关。
在转化和进展为恶性肿瘤的过程中，以及炎症等其他病理情况中，也经常发现某些相对特异性的聚糖表达变化。这些在空间和时间上控制的聚糖表达模式意味着聚糖参与了许多正常和病理过程，其精确机制仅在某些情况下被阐述。
糖生物学的进化考虑
值得注意的是，关于糖基化的进化仍然知之甚少。在不同的领域和类群中，糖基化有显著的共同和独特的特征。
在动物中，N-和O-聚糖的复杂性有增加的趋势。糖基化的种内和种间变异也相对常见。有人提出，聚糖更具体的生物学作用通常由不常见的结构、常见结构的不寻常表现或常见糖类本身的进一步修饰介导。这种不寻常的结构可能是由相关糖基转移酶或其他聚糖修饰酶的独特表达模式引起的。另一方面，这种不常见的聚糖可以成为感染性微生物和各种毒素特异性识别的目标。因此，自然界中聚糖表达的某些多样性被认为与种间相互作用（例如宿主与病原体或共生体）产生的进化选择压力有关。换言之，上述两种不同类型的聚糖识别（由内在和外在聚糖结合蛋白介导）在特定聚糖靶标方面相互竞争。从生物医学的角度来看，由寄生虫和微生物表达的特殊聚糖本身可能受到进化选择压力的影响。
医学和生物技术中的聚糖
许多天然生物活性分子是糖缀合物，附着的聚糖会对这些分子在完整生物体中的生物合成、稳定性、作用和周转产生巨大影响。例如，硫酸化糖胺聚糖肝素及其衍生物是世界上最常用的药物之一。氨基糖苷类抗生素都具有活性所必需的糖成分。
因此，糖生物学和糖化学在现代生物技术中变得越来越重要。为糖蛋白药物申请专利、获得FDA对其使用的批准以及监控其生产都需要了解聚糖的结构。此外，糖蛋白，包括单克隆抗体、酶和激素，是目前生物技术行业的主要产品，年销售额达数百亿美元，并以不断增长的速度增长。此外，几种人类疾病状态涉及聚糖生物合成的变化，这可能具有诊断和/或治疗意义。
纳米技术、生物能源和材料科学中的聚糖
尽管传统上不被认为是“糖生物学”的一部分，但许多天然和合成聚糖是纳米技术、生物能源和材料科学的关键组成部分。糖纳米材料具有可调节的化学和物理特性，可以构建在不同的支架上以探测细胞、组织和有机体的相互作用。附着的聚糖可以改变纳米材料的特性，优化溶解度和生物相容性并降低细胞毒性。糖纳米材料已被用作成像剂、光谱工具、细胞系统监测器以及疫苗接种和药物输送的载体。
植物聚糖有多种用途：能源、建筑材料、服装、纸制品、动物饲料以及食品和饮料添加剂。对有害环境影响和石油及其副产品储量减少的担忧极大地激发了人们对使用植物聚糖进行能源生产、产生具有改进或新功能的聚合物以及作为高价值化学合成前体来源的兴趣。