碳水化合物是生命细胞结构的主要成分及主要供能物质，并且有调节细胞活动的重要功能。机体中碳水化合物的存在形式主要有三种，即葡萄糖、糖原和含糖的复合物。碳水化合物的生理功能与其摄入食物的碳水化合物种类和在机体内存在的形式有关。

膳食碳水化合物是人类获取能量的最经济和最主要的来源。每克葡萄糖在体内氧化可以产生16.7kJ（4kcal）的能量。在我国维持人体健康所需要的能量中，55%～65%由碳水化合物提供。糖原是肌肉和肝脏碳水化合物的储存形式，肝脏约储存机体内1/3的糖原。一旦机体需要，肝脏中的糖原即将分解为葡萄糖以提供能量。碳水化合物在体内释放能量较快，供能也快，是神经系统和心肌的主要能源，也是肌肉活动时的主要燃料，对维持神经系统和心脏的正常供能、增强耐力、提高工作效率都有重要意义。成年人组织中糖和糖原的含量见表1-5-6。

碳水化合物是构成机体组织的重要物质，并参与细胞的组成和多种活动。每个细胞都有碳水化合物，其含量约为2%～10%，主要以糖脂、糖蛋白和蛋白多糖的形式存在，分布在细胞膜、细胞器膜、细胞质以及细胞间基质中。糖和脂形成的糖脂是细胞与神经组织的结构成分之一。除了每个细胞都有碳水化合物外，糖结合物还广泛存在于各组织中。脑和神经组织中含大量糖脂，主要分布在髓鞘上。肾上腺、胃、脾、肝、肺、胸腺、视网膜、红细胞、白细胞等都含糖脂；糖与蛋白质结合生成的糖蛋白如黏蛋白与类黏蛋白，是构成软骨、骨骼、眼球的角膜、玻璃体的组成成分；消化道、呼吸道分泌的黏液中有糖蛋白。骨和腱中的类黏蛋白，血浆中的前白蛋白、α1-、α2-、β-、γ-球蛋白、凝血酶原、纤维蛋白原、运铁蛋白，激素中的甲状腺素、促甲状腺激素、促红细胞生成素，酶中的蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、水解酶等都是糖蛋白。蛋白多糖则存在于骨、软骨、肌腱、韧带、角膜、皮肤、血管、脐带、关节液、玻璃液中。结缔组织的细胞间基质，主要是由胶原和蛋白多糖所组成。核糖核酸和脱氧核糖核酸二种重要生命物质均含有D-核糖，即5碳醛糖；一些具有重要生理功能的物质，如抗体、酶和激素的组成成分，也需碳水化合物参与。

机体需要的能量，主要由碳水化合物提供，当膳食中碳水化合物供应不足时，机体为了满足自身对葡萄糖的需要，则通过糖异生作用产生葡萄糖，供给能量；而当摄入足够量的碳水化合物时则能预防体内或膳食蛋白质消耗，不需要动用蛋白质来供能，故称碳水化合物的节约蛋白质作用（sparing protein action）。碳水化合物供应充足，体内有足够的ATP产生，也有利于氨基酸的主动转运。

脂肪在体内分解代谢，需要葡萄糖的协同作用。脂肪酸被分解所产生的乙酰基需要与草酰乙酸结合进入三羧酸循环，而最终被彻底氧化和分解产生能量。当膳食中碳水化合物供应不足时，草酰乙酸供应相应减少；而体内脂肪或食物脂肪被动员并加速分解为脂肪酸供应能量。这一代谢过程中，由于草酰乙酸不足，脂肪酸不能彻底氧化而产生过多的酮体，酮体不能及时被氧化而在体内蓄积，以致产生酮血症和酮尿症。膳食中充足的碳水化合物可以防止上述现象的发生，因此称为碳水化合物的抗生酮作用（antiketogenesis）。

经糖醛酸途径生成的葡萄糖醛酸，是体内一种重要的结合解毒剂，在肝脏中能与许多有害物质如细菌毒素、酒精、砷等结合，以消除或减轻这些物质的毒性或生物活性，从而起到解毒作用。

最近的研究证实，不消化的碳水化合物在肠道菌的作用下发酵所产生的短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）有着广泛的解毒或者保健作用。非离子化酸性SCFA的生成可促进Na ⁺-H ⁺交换，刺激Na ⁺的吸收；丁酸还通过产能提供ATP增加细胞内CO ₂，经碳酸酐酶作用产生H ⁺而促进Na ⁺-H ⁺交换；Na ⁺的吸收又刺激了SCFA的吸收。结肠黏膜上皮细胞对Na ⁺吸收增加，继之增加水的吸收，这正是由饮食性纤维生成的SCFA具有抗腹泻作用这一假设的理论依据。

与对正常结肠上皮细胞的增殖刺激作用相反，SCFA（尤其是丁酸）在体外抑制结、直肠肿瘤细胞的生长。丁酸还抑制由1，2-二甲肼（DMH）致癌物诱导的大鼠结肠肿瘤的生长，明显降低结肠癌的发生。对于蛋白质和脂肪的分解产物如各种胺、氨和胆酸等有抑制作用。

非淀粉多糖类如纤维素和果胶、抗性淀粉、功能性低聚糖等抗消化的碳水化合物，虽不能在小肠消化吸收，但刺激肠道蠕动，增加了结肠的发酵，发酵产生的短链脂肪酸有助于正常消化和增加排便量。

许多研究已证实，某些不消化的碳水化合物在结肠发酵，可有选择性的刺激肠道菌的生长，特别是某些有益菌群的增殖，如乳酸杆菌、双歧杆菌。益生菌不仅可增强了人体消化系统功能，还有抑制有害菌的生长、清除有害菌产生的毒素等，以减少肠道可能出现的健康风险，维持肠道健康。这些不消化的碳水化合物常被称为“益生元”（prebiotics）。