1、華東理工大學(xué)生物化學(xué)精品課程組華東理工精品課程下一頁上一頁第二章第二章 糖類化合物糖類化合物2.1 前言2.2 單糖2.3 二糖、寡糖和多糖2.4 糖復(fù)合物：糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂2.5 糖鏈信息2.6 寡糖和多糖的應(yīng)用2.7 糖鏈結(jié)構(gòu)分析方法下一頁上一頁l常用單詞、前綴和后綴常用單詞、前綴和后綴l學(xué)術(shù)定義學(xué)術(shù)定義l通式通式l糖的分類糖的分類l糖的生物功能糖的生物功能下一頁上一頁l單詞單詞 sugar, carbohydrate, saccharidesl前綴前綴 Glycobiology, Glycoconjugate, Glycoprotein, Glycolipidl后綴后綴 -ose,

2、 -saccharide or -glycan Glucose（葡萄糖）, Fructose（果糖）, Galactose（半乳糖）, Sucrose（蔗糖）下一頁上一頁l糖是多羥基醛或多羥基酮以及可以水解產(chǎn)生這些化合物的物質(zhì)的總稱。l糖是地球上最豐富的生物分子，在各種生命形式中都具有多種功能。l廣義的糖可分為簡單糖類和糖復(fù)合物。前者包括單糖、寡糖和多糖；后者包括糖與蛋白質(zhì)、脂類等共價形成的復(fù)合物。下一頁上一頁NameFormula三碳糖(Triose)C3H6O3四碳糖(Tetrose)C4H8O4五碳糖(Pentose)C5H10O5六碳糖(Hexose)C6H12O6七碳糖(Heptos

3、e)C7H14O7八碳糖(Octose)C8H16O8Cn(H2O)n:例外：脫氧糖，甲醛(CH2O) ，乙酸(C2H4O2) ，乳酸(C3H6O3)等下一頁上一頁l根據(jù)分子大小可分為三類： 單糖：僅包含一個多羥基醛或多羥基酮單位 寡糖：兩個或幾個單糖由糖苷鍵連接而成 多糖：包含20個以上，甚至成百上千個糖基下一頁上一頁l能量儲備能量儲備l結(jié)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì) 植物細(xì)胞壁中的纖維素 細(xì)菌細(xì)胞壁的肽聚糖 節(jié)肢動物外骨骼幾丁質(zhì) 動物軟骨中的蛋白聚糖l識別信號分子：識別信號分子： 參與分子和細(xì)胞識別、細(xì)胞粘附、糖復(fù)合物的定位和代謝等下一頁上一頁l單糖的結(jié)構(gòu)和命名 D-/L-立體異構(gòu) 單糖的環(huán)式結(jié)構(gòu) 單糖

4、構(gòu)象l單糖的物理性質(zhì)l單糖的化學(xué)性質(zhì)l單糖的化學(xué)反應(yīng)l單糖的重要衍生物下一頁上一頁l單糖含有一個羰基和多個羥基。根據(jù)羰基在碳鏈上的位置可分為，醛糖(Aldoses) 和酮糖 (Ketoses)。 最簡單的醛糖是甘油醛 (Glyceraldehyde) 最簡單的酮糖是二羥丙酮 (Dihydroxyacetone)l含有不同碳原子數(shù)的單糖都有其醛糖和酮糖形式。下一頁上一頁下一頁上一頁l除了二羥丙酮以外的其他單糖都具有一個或多除了二羥丙酮以外的其他單糖都具有一個或多個不對稱（手性）碳原子。個不對稱（手性）碳原子。l醛糖與酮糖的構(gòu)型是由分子中離羰基最遠(yuǎn)的不醛糖與酮糖的構(gòu)型是由分子中離羰基最遠(yuǎn)的不對稱碳

5、原子上的羥基方向來決定的。該羥基在對稱碳原子上的羥基方向來決定的。該羥基在費(fèi)歇爾投影式右側(cè)的稱為費(fèi)歇爾投影式右側(cè)的稱為D-型，在左側(cè)的稱為型，在左側(cè)的稱為L-型。型。lD-葡萄糖與葡萄糖與L-葡萄糖互為對映體葡萄糖互為對映體(enantiomers)。一對對映體，旋光方向相反，。一對對映體，旋光方向相反，旋光度數(shù)、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等都一樣。旋光度數(shù)、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等都一樣。下一頁上一頁l兩個單糖僅僅在一個手性碳原子上構(gòu)型不同的，互稱為差向異構(gòu)體 (epimers)。lD-葡萄糖與 D-甘露糖為 C-2差向異構(gòu)。 lD-葡萄糖與 D-半乳糖為 C-4差向異構(gòu)。下一頁上一頁l單糖在水溶液中容易形成分子內(nèi)的半

6、縮醛或半縮酮。對于六碳醛糖來說，C-1上的醛基和C-5上的羥基可以反應(yīng)形成具有六元吡喃環(huán)狀結(jié)構(gòu)的半縮醛。 C-1上的醛基也可以與C-4上的羥基反應(yīng)形成具有五元呋喃環(huán)狀結(jié)構(gòu)的半縮醛。l成環(huán)反應(yīng)使C-1上形成一個半縮醛羥基，導(dǎo)致新的異構(gòu)體產(chǎn)生異頭體(anomers)。規(guī)定異頭體的半縮醛羥基和分子末端-CH2OH基鄰近不對稱碳原子的羥基在碳鏈同側(cè)的稱為型，在異側(cè)的稱為型。下一頁上一頁下一頁上一頁下一頁上一頁下一頁上一頁-D-吡喃果糖-D-呋喃果糖下一頁上一頁l在Fischer投影式中形成過長的氧橋是不合理的。1926年Haworth提出透視式表達(dá)糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。l如果氧環(huán)上的碳原子按順時針方向排列，羥

7、甲基在平面之上的為D-型，在平面之下的為L-型。在D-型糖中，半縮醛羥基在平面之下的為型，在平面之上的為型。下一頁上一頁下一頁上一頁l構(gòu)象是指一個分子中，不斷裂共價鍵，僅由鍵旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的原子空間位置的改變。l吡喃糖環(huán)和呋喃糖環(huán)并非平面環(huán)。吡喃糖環(huán)常采取椅式(chair)和船式(boat)構(gòu)象，其中椅式構(gòu)象使扭張強(qiáng)度減到最低因而較穩(wěn)定。呋喃環(huán)則有信封式(envelope)和扭曲式(twist)構(gòu)象。l一般而言，平伏鍵比直立鍵更穩(wěn)定。因此在溶液中，-D-葡萄糖比-D-葡萄糖更占優(yōu)勢。ax: axial (vertical)直立鍵直立鍵 eq: equatorial 平伏鍵平伏鍵(a)-D-葡萄糖的

8、 4C1 和 1C4 椅式構(gòu)象。 (b)C-2, C-3, C-5, 和氧原子形成椅式構(gòu)象的椅平面。(c)五元呋喃環(huán)的信封式和扭曲式構(gòu)象。 下一頁上一頁B-DNA : 主要的雙螺旋構(gòu)象形式A-DNA 下一頁上一頁l溶解性l甜度l旋光度和比旋光度：l注意：D/L立體異構(gòu)命名與 d/l (dextrorotatory右旋 / levorotatory左旋)(+/-) 旋光方向的區(qū)別。 cltD: 測得的旋光度 ()l: 旋光管的長度 (dm)c: 糖液濃度(g/mL)下一頁上一頁lMutarotation（變旋）lEsterification（成酯）lOxidation（氧化作用）lReducti

9、on（還原作用）lFormation of Glycosides（成苷）lFormation of Osazone（成糖脎）l下一頁上一頁D-葡萄糖的變旋。反應(yīng)由弱酸催化。下一頁上一頁l醇可以與酸、酸酐、酰鹵反應(yīng)成酯。自然界最重要的糖酯有： (1) 磷酸酯 (2) 酰基酯（包括乙酰酯和脂肪酰酯） (3) 硫酸酯下一頁上一頁(a) 被還原為糖醇或脫氧糖(b) 肌-肌醇結(jié)構(gòu)？當(dāng) D-甘油醛被還原為甘油，為什么不再有 D/L異構(gòu)體? D-果糖的還原產(chǎn)物是什么?/D-Sorbitol下一頁上一頁 山梨醇廣泛存在于植物中，如漿果、櫻桃、李子、梨、蘋果、海草和藻類等。 它的甜度相當(dāng)于蔗糖的60%，但不被人

10、體代謝，所以可作為糖尿病患者的替代甜味劑。 以下三種其它糖醇在生物界中較為重要。C C H H2 2O O H HC C H H2 2O O H HO O H HH HO O H HH HC C H H2 2O O H HC C H H2 2O O H HO O H HH HH HH H O OO O H HH HC C H H2 2O O H HH HH H O OH HH H O OO O H HH HC C H H2 2O O H HO O H HH HD D - -M M a an nn ni it to ol lX X y yl li it to ol lE Er ry yt th

11、hr ri it to ol l下一頁上一頁D-葡萄糖的氧化產(chǎn)物有三種氧化產(chǎn)物：醛糖酸（ Aldonic acid ）,糖醛酸（ Uronic acid ） 和糖二酸（ Aldaric acid ）。D-葡萄糖酸-內(nèi)酯D-葡萄糖酸-D-葡萄糖醛酸下一頁上一頁單糖開鏈中的自由羰基可以還原Cu2+ 為Cu+，后者可形成磚紅色的氧化亞銅沉淀。這種顏色反應(yīng)是Fehling反應(yīng)反應(yīng)的基礎(chǔ)，可用于對還原糖的定量，也用于測定血糖和糖尿病患者的尿糖。此反應(yīng)可用于酶法測定血液葡萄糖。下一頁上一頁成糖苷反應(yīng)：由半縮醛形成縮醛。下一頁上一頁糖苷鍵的形成糖可以與醇或胺形成糖苷。 糖環(huán)中的半縮醛可以與醇反應(yīng)生成縮醛，形

12、成的C-O苷鍵稱為O-糖苷鍵。 糖環(huán)中的半縮醛也可以與胺中的氮原子反應(yīng)成苷，稱為N-糖苷鍵。N-糖苷鍵存在于糖蛋白和核苷中。單糖可以通過O-糖苷鍵相互連接形成寡糖和多糖。下一頁上一頁糖蛋白和核苷中的糖苷鍵。下一頁上一頁成脎反應(yīng)許多糖可以與苯肼(C6H5NHNH2)反應(yīng)生成淺黃色的晶體脎。各種糖的糖脎都有特異的晶形和熔點(diǎn)，因此常用糖脎的生成鑒定各種不同的糖。下一頁上一頁單糖脎衍生物的熔點(diǎn)為什么葡萄糖與甘露糖的糖脎、半乳糖與塔洛糖的糖脎熔點(diǎn)相同？ 下一頁上一頁氨基糖（例如葡萄糖胺，半乳糖胺，甘露糖胺，N-乙酰葡萄糖胺等） 脫氧糖 （例如巖藻糖 ( fucose)， 脫氧核糖等）糖酸 （例如葡萄糖酸

13、(gluconate)，葡萄糖醛酸(glucuronate )）糖醇糖苷單糖重要的衍生物下一頁上一頁氨基糖常存在于結(jié)構(gòu)多糖中，如細(xì)菌細(xì)胞壁中的肽聚糖(peptidoglycan)，是由N-乙酰-D-葡萄糖胺(NAG, GlcNAc)和 N-乙酰胞壁酸(NAM)形成的雜多糖：節(jié)肢動物外骨骼中的幾丁質(zhì)(chitin)，是由 N-乙酰-D-葡萄糖胺形成的同多糖。氨基糖下一頁上一頁N-乙酰神經(jīng)氨酸 (sialic acid，唾液酸),是一種酸性糖，是高等動物中許多糖蛋白和糖脂的組成成分， 在分子和細(xì)胞識別中具有重要作用。糖磷酸酯在糖代謝過程中是常見的代謝中間體。唾液酸和糖磷酸酯 下一頁上一頁單糖常縮寫

14、為三個字母，如葡萄糖 Glucose,半乳糖 galactose, 果糖fructose可分別縮寫為 Glc, Gal, Fru。常見單糖及其衍生物的縮寫 下一頁上一頁l二糖l寡糖 寡糖的應(yīng)用l多糖 同多糖 Starch（淀粉） Glycogen（糖原） Cellulose（纖維素） Chitin（幾丁質(zhì)） 雜多糖 Glycoaminoglycan（糖胺聚糖）2.3 二糖、寡糖和多糖下一頁上一頁Disaccharidesl二糖包含兩個通過糖苷鍵連接的單糖。 蔗糖（ Sucrose ）,乳糖（ lactose ） 和麥芽糖（ maltose ）是自然界最為豐富的二糖。 麥芽糖是淀粉的水解產(chǎn)物，由

15、兩個-D-葡萄糖通過1,4鍵連接而成，縮寫為Glc( 1-4)Glc。下一頁上一頁乳糖主要存在于乳汁中，由-D-gal與D-glc通過1,4鍵連接。 縮寫為Gal(1-4)Glc。蔗糖由-D-glc與 -D-fru通過各自的異頭碳羥基連接?？s寫為Glc(1-2)Fru, 或者Fru(2-1)Glc。海藻糖（ Trehalose ）下一頁上一頁酸解： 糖苷鍵易于酸解但對堿耐受。因此可在稀酸下煮沸而水解二糖得到游離的單糖組分。酶解： 二糖可以通過特異的酶降解為單糖，如水解蔗糖的蔗糖酶sucrase （也稱轉(zhuǎn)化酶invertase） ，水解乳糖的乳糖酶lactase (細(xì)菌中稱-半乳糖苷酶)，水解麥

16、芽糖的麥芽糖酶maltase存在于小腸表皮細(xì)胞的外表面。牛奶過敏癥是由于腸道缺乏乳糖酶。二糖的水解下一頁上一頁轉(zhuǎn)化酶轉(zhuǎn)化蔗糖l蔗糖的水解過程伴隨著比旋光度的變化，從+66.5變化為等摩爾濃度的D-葡萄糖(+52.5)和D-果糖(-92)的混合物。lInvertase/sucrase 下一頁上一頁l乳糖和麥芽糖有自由的異頭碳，因此具有還原性。l寡糖和多糖鏈上具有自由異頭碳的一端稱為還原端。l蔗糖沒有還原端。寡糖的還原端 Oligosaccharidesl重要的寡糖三糖：棉籽糖 (Raffinose)四糖：水蘇糖 (Stachyose)l寡糖的應(yīng)用（P2930）下一頁上一頁同多糖（ Homopol

17、ysaccharides ）: 組成單體糖基相同，例如淀粉(starch), 糖原(glycogen), 纖維素(cellulose) ,幾丁質(zhì)(chitin).雜多糖（ Heteropolysaccharides ）: 組成的單體糖基有兩種或兩種以上。 多糖(Polysaccharides)下一頁上一頁糖原 (Glycogen)糖原糖原和和淀粉淀粉分別為動物和植物中的葡萄糖儲存形分別為動物和植物中的葡萄糖儲存形式。式。糖原糖原 (主要存在于肝臟和骨骼肌) 由葡萄糖通過1-4糖苷鍵連接而成，并在每10個1-4連接的葡萄糖殘基處產(chǎn)生一個1-6連接的葡萄糖分支。下一頁上一頁淀粉淀粉 根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為

18、直鏈淀粉（ amylose ） and支鏈淀粉（ amylopectin ）。 直鏈淀粉由D-Glc通過1-4鍵連接而成。 支鏈淀粉大約每30個1-4鍵連接的葡萄糖處有一個1-6連接的葡萄糖分支。 支鏈淀粉與糖原結(jié)構(gòu)類似，但糖原分支程度更高。淀粉 (Starch)Amylopectin下一頁上一頁糖原、直鏈淀粉、支鏈淀粉的1-4連接導(dǎo)致幾千個葡萄糖殘基組成的多聚體緊密盤繞為螺旋結(jié)構(gòu)，形成動植物細(xì)胞中致密的顆粒。每一個直鏈淀粉分子都有一個非還原端和一個還原端，但每一個支鏈淀粉和糖原分子都有一個還原端和多個非還原端。食物中的淀粉和糖原可被唾液和腸液中的-淀粉酶降解，從非還原端開始，斷裂葡萄糖殘基之

19、間的1,4糖苷鍵。糖原和淀粉的高級結(jié)構(gòu)下一頁上一頁纖維素和幾丁質(zhì)是結(jié)構(gòu)性的同多糖，其組成和結(jié)構(gòu)非常相似。纖維素纖維素, 類似直鏈淀粉，由10,000至 15,000個D-Glc殘基組成，但殘基之間由1-4鍵連接。幾丁質(zhì)幾丁質(zhì) 是由N-乙酰葡萄糖胺殘基通過1-4鍵連接而成的同多糖。 纖維素與幾丁質(zhì)之間唯一的化學(xué)差別是前者C-2上的羥基被后者的乙酰氨基取代。 1-4鍵使得纖維素和幾丁質(zhì)多糖鏈采取伸展的構(gòu)象，并通過鏈間和鏈內(nèi)的氫鍵，形成平行的纖維束。纖維素(Cellulose)和幾丁質(zhì)(Chitin)一些真菌能分泌纖維素酶Chitin許多昆蟲的外骨骼含有大量幾丁質(zhì)下一頁上一頁淀粉的水解大多數(shù)動物都缺

20、乏裂解纖維素的酶，但有些動物（如白蟻和反芻動物）可以利用體內(nèi)共生微生物分泌的纖維素酶來消化纖維素。淀粉和纖維素的水解右旋糖酐下一頁上一頁雜多糖l果膠 (Pectin)l半纖維素 (Hemicellulose)l瓊脂 (Agar) 和瓊脂糖 (Agarose)l糖胺聚糖（或稱粘多糖） (Glycosaminoglycan)l黃原膠 (Xanthan)黃原膠(Xanthan)下一頁上一頁糖胺聚糖 (Glycosaminoglycans)糖胺聚糖糖胺聚糖帶有高負(fù)電荷，可以組成蛋白聚糖，后者大量存在于脊椎動物的細(xì)胞外間質(zhì)。糖胺聚糖由重復(fù)的二糖單位組成。其中之一是葡萄糖胺或者半乳糖胺的衍生物。另一個常常

21、是糖醛酸。糖殘基上的-OH 常常發(fā)生硫酸酯化，使糖胺聚糖帶上高度負(fù)電荷。這對糖胺聚糖的生理功能有重要意義。下一頁上一頁糖胺聚糖的分類硫酸軟骨素（ Chondroitin Sulfate ）,硫酸角質(zhì)素（ Keratan Sulfate ）,肝素（ Heparin ） 是細(xì)胞間質(zhì)中常見的糖胺聚糖，一般與蛋白質(zhì)共價連接形成蛋白聚糖（proteoglycans）。透明質(zhì)酸 （ Hyaluronate ）是一種不被硫酸化的糖胺聚糖，也不與蛋白質(zhì)共價連接，而是游離存在。下一頁上一頁種類種類縮寫縮寫重復(fù)數(shù)目重復(fù)數(shù)目二糖重復(fù)單位二糖重復(fù)單位透明質(zhì)酸HA50,000-GlcA-1,3-GlcNAc-1,4-硫

22、酸軟骨素CS20-60-GlcA-1,3-GalNAc4s/6s-硫酸皮膚素DS20-60-GlcA/IdoA2s-1,3-GalNAc4s/6s-硫酸角質(zhì)素KS25-Gal/Gal6s1,4-GlcNAc6s-肝素Hep50-GlcA2S/IdoA2s-1,4-GlcN3s6s-硫酸類肝素HS25-175下一頁上一頁下一頁上一頁下一頁上一頁性質(zhì)性質(zhì)硫酸類肝素硫酸類肝素肝素肝素在2 M KAC(pH5.7, 4C)的溶解性可溶不溶分子大小10-70 KD10-12 KD硫酸基/己糖胺0.8-1.8 1.8-2.4GlcN N-硫酸化40-60%85%艾杜糖醛酸含量30-50%70%與抗凝血酶結(jié)

23、合的活性0-0.3%30%合成位置Virtually all cellsMast cells下一頁上一頁l抗凝血酶與肝素的特異性結(jié)合在凝血過程中具有重要的生理意義。l這種結(jié)合有兩種功能： 首先，結(jié)合引起蛋白質(zhì)構(gòu)象變化，使蛋白酶抑制劑對凝血酶和凝血因子Xa的抑制作用提高1000倍。 第二，肝素與凝血酶和抗凝血酶都有結(jié)合位點(diǎn)，從而使兩者在空間上易于接近。下一頁上一頁下一頁上一頁l五糖片段對于激活抗凝血酶與凝血因子Xa 的結(jié)合已經(jīng)足夠，但是充分抑制凝血酶則需要至少18個糖基的寡糖片段。l低分子量肝素抗血栓作用優(yōu)于肝素，而抗凝血作用低于肝素，生物利用度高，體內(nèi)半衰期長臨床副作用小，成為肝素類藥物研究的

24、熱點(diǎn)。下一頁上一頁l分布l理化性質(zhì)l生理功能l應(yīng)用下一頁上一頁l蛋白聚糖 (Proteoglycan)l糖蛋白 (Glycoprotein)l糖脂 (Glycolipid)l肽聚糖 (Peptidoglycan)l脂多糖 (Lipopolysaccharides )l核苷(Nucleotide)l下一頁上一頁蛋白聚糖由核心蛋白、糖胺聚糖和連接寡糖組成蛋白聚糖在細(xì)胞間質(zhì)中大量存在，為組織提供粘度、潤滑和彈性。蛋白聚糖在介導(dǎo)細(xì)胞粘附中也起到重要作用。蛋白聚糖下一頁上一頁蛋白聚糖結(jié)構(gòu)顯示三糖連接寡糖，通過木糖基的異頭碳與絲氨酸的羥基相連。下一頁上一頁可聚蛋白聚糖存在于軟骨，由一條透明質(zhì)酸分子與許多核

25、心蛋白 (core protein) 通過連接蛋白 (link protein) 非共價聯(lián)結(jié)形成。每一個核心蛋白都含有多條共價連接的糖胺聚糖（包括硫酸軟骨素和硫酸角質(zhì)素）?？删鄣鞍拙厶牵?Aggrecan ）可聚蛋白聚糖結(jié)構(gòu)。連接蛋白介導(dǎo)核心蛋白與透明質(zhì)酸骨架的相互作用?？缒さ牡鞍拙厶钦尺B蛋白聚糖 (Syndecan)。下一頁上一頁許多跨膜蛋白和分泌蛋白上都共價連接了寡糖鏈，形成糖蛋白。寡糖鏈上單糖殘基種類和糖苷鍵變化導(dǎo)致其可能的排列組合的結(jié)果非常多樣，所以寡糖鏈的信息量十分豐富。糖蛋白中常見的糖基有Fuc, Gal, Man, GalNAc, 和 Sia (或 NeuNAc).糖蛋白下一頁上一頁寡糖鏈的兩種連接類型：O-連接：寡糖鏈共價連接在蛋白質(zhì)的 Ser和Thr殘基的羥基氧上。N-連接：寡糖鏈共價連接在肽鏈的Asn殘基的酰胺氮上。N-連接寡糖通常具有五糖核心，由三個Man和兩個 GlcNAc組成。下一頁上一頁糖蛋白中糖鏈連接類型O連接和N連接。N-連接寡糖的三種類型： 高甘露糖型 雜合型 復(fù)雜型 下一頁上一頁l甘油糖脂 (Glycoglycerolipids)l鞘糖脂 (Glycosphingolipids , GSL)l糖基磷脂酰肌醇化蛋白 (GPI protein)下一頁上一頁下