糖的結(jié)構(gòu)和功能第1頁/共119頁參考書目生物化學王鏡巖等高等教育出版社（第三版）生物化學教程王鏡巖等高等教育出版社PrinciplesofBiochemistryLehninger

普通生物化學鄭集等南京大學出版社出版生物化學王希成等清華大學出版社（第三版）第2頁/共119頁提綱第一章糖的結(jié)構(gòu)和功能第二章脂與生物膜第三章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能第四章酶學第五章激素與細胞信號轉(zhuǎn)導第六章糖代謝第七章生物氧化第八章脂代謝第九章蛋白質(zhì)分解及氨基酸代謝第十章代謝調(diào)控第3頁/共119頁第一章糖的結(jié)構(gòu)和功能糖與蛋白質(zhì)、脂類和核酸一樣，是組成細胞的重要成分。從分子生物學的研究知道，糖不但是細胞能量的主要來源，在細胞的構(gòu)建、細胞的生物合成和細胞生命活動的調(diào)控中，均扮演著重要的角色?？茖W家對糖的研究早在19世紀就已開始，但由于糖鏈結(jié)構(gòu)的復雜多變，物理和化學分析手段的滯后，百余年來科學界對糖的認識幾乎沒有多大進展。從20世紀60年代開始，隨著分子生物學的興起，以及物理和化學技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)糖的研究終于進入了新階段。第4頁/共119頁第一節(jié)概述一、糖的定義糖類物質(zhì)是一類多羥基醛或多羥基酮類化合物或聚合物；在最初研究糖的結(jié)構(gòu)時，糖類物質(zhì)的分子通式為Cn(H2O)n，所以長期以來人們都把它們稱為碳水化合物。二、糖的分類糖類物質(zhì)可以根據(jù)其水解情況分為：單糖、寡糖和多糖；在生物體內(nèi)，糖類物質(zhì)主要以均一多糖、雜多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。第5頁/共119頁三、糖的生物學功能1.能源物質(zhì)：通過生物氧化而釋放出大量的能量，以滿足生命活動的需要。如淀粉和糖原是重要的生物能源。2.生物物質(zhì)合成的碳源：糖類物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)轉(zhuǎn)換可合成蛋白質(zhì)、脂類、核酸及其他物質(zhì)。3.生物結(jié)構(gòu)物質(zhì)：如纖維素是植物的結(jié)構(gòu)糖，蛋白聚糖是動物結(jié)締組織和潤滑物質(zhì)的主要成分，肽聚糖是原核生物細胞壁的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。4.信息識別與傳遞：糖蛋白和糖脂等物質(zhì)參與了生物的信息識別和傳遞。如某些激素的受體、抗體和血型物質(zhì)。第6頁/共119頁第二節(jié)單糖一、單糖的種類1.根據(jù)糖分子的碳原子數(shù)可分為：三碳糖、四碳糖、五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖）。2.根據(jù)糖的功能團的不同可分為醛糖和酮糖。第7頁/共119頁二、單糖的結(jié)構(gòu)開鏈結(jié)構(gòu)平面環(huán)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)象式果糖的開鏈結(jié)構(gòu)果糖的平面環(huán)狀結(jié)構(gòu)第8頁/共119頁HaworthprojectionAHaworthprojectionisaconventionalplanarrepresentationofacyclizedmonosaccharidemolecule.ThehydroxylsthatarerepresentedtotherightofthechaininaFischerprojectionareshownbelowtheplaneinaHaworthprojection.Planeoftheringisperpendiculartothatofthepaperandtheheavylineprojectstowardsthereader第9頁/共119頁三、單糖的異構(gòu)現(xiàn)象1.單糖中的異構(gòu)種類：異構(gòu)現(xiàn)象結(jié)構(gòu)異構(gòu)：碳原子數(shù)相同的酮糖和醛糖互為結(jié)構(gòu)異構(gòu)體立體異構(gòu)旋光異構(gòu)差向異構(gòu)異頭異構(gòu)第10頁/共119頁三、單糖的異構(gòu)現(xiàn)象2.單糖的旋光異構(gòu)體數(shù)目：2nn為手性碳原子數(shù)目。3.旋光異構(gòu)的表示法：

DL構(gòu)型命名系統(tǒng)在反映旋光化合物之間的構(gòu)型聯(lián)系方面有它的優(yōu)點，但有很大的局限性，不夠準確。

RS構(gòu)型命名系統(tǒng)在表示手性碳原子構(gòu)型方面十分準確，但比較繁瑣，如D-葡萄糖在RS系統(tǒng)中命名為：2R,3S,4R,5R-己醛糖。由于習慣的原因，現(xiàn)在仍然沿用DL系統(tǒng)名稱。第11頁/共119頁三、單糖的異構(gòu)現(xiàn)象4.差向異構(gòu)：在碳原子數(shù)相同的同類單糖中，只有一個手性碳原子的構(gòu)型不同的單糖，互為差向異構(gòu)。5.異頭異構(gòu)：在單糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，羰基碳原子成為新的手性中心，導致C1差向異構(gòu)，產(chǎn)生兩個非對映異構(gòu)體，這種羰基碳上形成的差向異構(gòu)稱為異頭物。第12頁/共119頁四、單糖的性質(zhì)1.旋光性與變旋現(xiàn)象：當平面偏振光通過旋光物質(zhì)的溶液時，則光的偏振平面會向右（順時針方向或正向，用“＋”表示）旋轉(zhuǎn)或向左（逆時針方向或反向，用“－”表示）旋轉(zhuǎn)，使偏振面向右旋的稱右旋光物質(zhì)，左旋的稱左旋光物質(zhì)。幾乎所有的單糖及其衍生物都有旋光性，許多單糖在水溶液中發(fā)生變旋現(xiàn)象。β-D-半乳糖（＋52.8°）α-D-半乳糖（＋150°）平衡時，混合物的比旋光度為＋80.2°第13頁/共119頁四、單糖的性質(zhì)2.單糖的還原性：醛糖含有游離的醛基，具有很好的還原性。在堿性溶液中，能被多種重金屬離子氧化成醛糖酸，亦可被較強的氧化劑如稀硝酸氧化成二羧酸或醛糖二酸。銀鏡反應、Fehling反應、Benedict反應等。

Fehling試劑：酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉和硫酸銅。

Benedict試劑：檸檬酸、碳酸鈉和硫酸銅。3.單糖的氧化性：單糖的醛基在適當?shù)臈l件下，可被較強的還原劑如硼氫化鈉還原為糖醇。4.單糖的成苷作用：環(huán)狀單糖的半縮醛（或半縮酮）羥基與另一化合物發(fā)生縮合形成的縮醛（縮酮）稱為糖苷或苷（glycoside）。在有機化學中常稱為糖甙或甙。第14頁/共119頁五、單糖的衍生物1.單糖的磷酸酯：存在于各種細胞中，是許多代謝途徑的主要參與者。2.糖醇：糖醇是單糖羰基的還原產(chǎn)物，自然界廣泛存在的有：山梨醇、甘露醇、半乳糖醇、木糖醇、核糖醇等。糖醇是生物體的代謝產(chǎn)物也是工業(yè)產(chǎn)品，主要用于制藥和食品工業(yè)。3.糖酸：主要是醛糖的氧化產(chǎn)物，主要有：醛糖酸、糖二酸和糖醛酸。4.脫氧糖：單糖分子中一個或多個羥基被氫原子取代的單糖。常見的有：D－2－脫氧核糖、L－鼠李糖、L-巖藻糖等。5.氨基糖：分子中一個羥基被氨基取代的單糖。常見的有：葡糖胺和乳糖胺。二者又可衍生成多種物質(zhì)，如胞壁酸、神經(jīng)氨酸和唾液酸等。6.糖苷：糖苷配基為酚類、甾醇或含氮堿等的單糖或寡糖衍生物。第15頁/共119頁第三節(jié)寡糖一、寡糖的結(jié)構(gòu)：由多個單糖通過糖苷鍵連接而成的復雜糖類物質(zhì)。1.糖單位的多少：一般指由2－20個糖單位（單糖殘基）組成，但其上限并不絕對固定，所以寡糖和多糖并沒有嚴格的界限。2.糖苷鍵的類型：從異頭碳原子的構(gòu)型分為α－和β－型，從成鍵的位置位置分為1→1，1→2，1→3，1→4，1→5，1→6。其中1→3，1→5糖苷鍵較少見。3.寡糖的命名：許多寡糖都有俗名，如麥芽糖、蔗糖、棉籽糖等，系統(tǒng)命名見課本39頁。第16頁/共119頁第三節(jié)寡糖二、常見的寡糖1.麥芽糖（Maltose）：2.纖維二糖（Cellobiose）:3.蔗糖（Sucrose）:4.乳糖（Lactose）:

第17頁/共119頁第四節(jié)多糖

在生物體內(nèi)，糖類物質(zhì)主要以均一多糖、雜多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。多糖是高分子化合物，相對分子量極大，從30,000~400,000,000。多糖在水溶液中不形成真溶液，只能形成膠體，沒有甜味，也無還原性，有旋光性，但無變旋現(xiàn)象。第18頁/共119頁第19頁/共119頁一、均一多糖（同多糖）多糖可以由一種單糖縮合而成，如戊糖膠(pentosan)，木糖膠(xylan),

阿拉伯糖膠(arabinan)、己糖膠(淀粉、糖原、纖維素等)，稱為均一多糖(homopolysacchaide)。第20頁/共119頁(一)淀粉（Starch）-淀粉酶可將淀粉水解為麥芽糖。乙酰溴化物與淀粉作用也生成乙酰麥芽糖，由此可見淀粉的組成單位是麥芽糖。用熱水處理淀粉或用極性溶劑處理淀粉都可以將淀粉分為兩種成分；一種為可溶部分，稱為直鏈淀粉；另一種為不溶部分，稱為支鏈淀粉。第21頁/共119頁1.直鏈淀粉直鏈淀粉中葡萄糖單位以（14）糖苷鍵聚合而成。有一個還原端和一個非還原端。整個分子稱呈螺旋結(jié)構(gòu)，遇碘顯紫藍色。一般由600到1200個葡萄糖單位組成，相對分子量在1×105到2×106D。在天然淀粉中約有20-30%的淀粉為直鏈淀粉。第22頁/共119頁2.支（枝）鏈淀粉支鏈淀粉中的絕大部分D-葡萄糖通過（14）糖苷鍵構(gòu)成糖鏈。在分枝點處存在（16）糖苷鍵。形成分枝的側(cè)鏈。支鏈淀粉分子是高度分支的，約每25到30個糖單位就有一個分枝點。支鏈淀粉的分子較直鏈淀粉大得多，一般平均由6000到37000個D-葡萄糖殘基組成。其分子量約為1×106到6×106D。支鏈淀粉分子呈現(xiàn)復雜的樹狀分枝結(jié)構(gòu)，整個分子有很多的非還原端，而只有一個還原端，遇碘顯紫紅色。在天然淀粉中約有70-80%的淀粉為支鏈淀粉。第23頁/共119頁（二）糖原糖原為動物體內(nèi)貯存的主要多糖，此多糖相當于植物體內(nèi)貯存的淀粉，所以糖原也稱為動物淀粉。高等動物的肝臟和肌肉組織中含有較多的糖原。糖原在肝臟和肌肉中的含量分別約占濕重的5%和1.5%。軟體動物也含有糖原，甚至于在玉米和一些細菌中也曾發(fā)現(xiàn)能合成類似糖原的多糖成分。糖原的結(jié)構(gòu)與支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)類似，但其分支程度更高，支鏈更短，平均每12個糖單位發(fā)生一次分支。糖原的分子量為3×106到15×106D。第24頁/共119頁（三）纖維素纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖。無論一年生或多年生植物，尤其是各種木材都含有大量的纖維素，如木材中50％以上，麻纖維中70－80％，棉花纖維中90－98％。植物體內(nèi)約有50％的碳存在于纖維素的形式。估計地球上綠色植物每年大約凈產(chǎn)有機物15-20×1010噸，其中纖維素占三分之一至二分之一。纖維素是由葡萄糖以（14）糖苷鍵連接而成的直鏈，每個單糖單位相對于前一個單糖單位翻轉(zhuǎn)180°，使得整個糖鏈采取完全伸展的構(gòu)象。在植物細胞壁中，微纖維包埋在果膠物質(zhì)、半纖維素、木質(zhì)素、伸展蛋白等組成的基質(zhì)中。在木材中，纖維素則常與半纖維素和木質(zhì)素共同存在。天然纖維素為無臭、無味的白色絲狀物。纖維素不溶于水、稀酸、稀堿和有機溶劑。第25頁/共119頁（四）幾丁質(zhì)（殼多糖）（Chitin）幾丁質(zhì)(chitin)存在于昆蟲和甲殼類動物的甲殼之中,又稱甲殼質(zhì)或殼多糖。據(jù)研究資料估計自然界中每年生成的幾丁質(zhì)約有一百億噸。在天然聚合物中幾丁質(zhì)的貯存量占第二位，僅次于纖維素。幾丁質(zhì)也可視為纖維素的類似物。相當于纖維素的C-2位置上的羥基由乙酰氨基團置換。幾丁質(zhì)難得單獨存在于自然界，一般都與蛋白質(zhì)絡(luò)合或呈現(xiàn)共價的結(jié)合。第26頁/共119頁（四）幾丁質(zhì)（殼多糖）（Chitin）由幾丁質(zhì)的提純和部分水解作用可鑒出幾丁質(zhì)中的寡糖成分，從而證明幾丁質(zhì)分子為2-乙酰氨基-2-脫氧--D-吡喃葡糖的同聚物；各個殘基都是通過-l，4-糖苷鍵的形式聯(lián)接成不分支的長鏈結(jié)構(gòu)。第27頁/共119頁第28頁/共119頁二、植物雜多糖主要包括：果膠物質(zhì)、半纖維素、木葡聚糖、瓊脂、角叉聚糖等第29頁/共119頁三、細菌雜多糖1.肽聚糖（peptidoglycan）也稱黏肽或胞壁質(zhì)，是細菌細胞壁的結(jié)構(gòu)成分。由多糖和短肽共價交聯(lián)而成。肽聚糖的多糖屬糖胺聚糖，其單糖單位為：N-乙酰葡萄糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）。糖單位之間的連接是-l，4-糖苷鍵。短肽部分包括一個四肽和一個五聚甘氨酸。肽聚糖是一個由共價鍵連接，包圍著整個細菌細胞的囊狀大分子。第30頁/共119頁三、細菌雜多糖2.磷壁酸（teichoic-acid）

磷壁酸是革蘭氏陽性（G+）菌細胞壁特殊組份，由核糖醇(Ribitol)或甘油(Glyocerol)殘基經(jīng)由磷酸二酯鍵互相連接而成的酸性多糖。第31頁/共119頁甘油磷壁酸的結(jié)構(gòu)又分下列三個類型：第32頁/共119頁核糖醇磷壁酸分子的基本結(jié)構(gòu)單位是核糖醇磷酸。在基本結(jié)構(gòu)單位外還含有D-丙氨酸糖或氨基糖。其通式可表示如下：第33頁/共119頁磷壁酸抗原性很強，是革蘭氏陽性菌的重要表面抗原；在調(diào)節(jié)離子通過粘肽層中起作用；也可能與某些酶的活性有關(guān)；某些細菌的磷壁酸，能粘附在人類細胞表面，其作用類似菌毛，可能與致病性有關(guān)。磷壁酸分壁磷壁酸(Wallteichoicacid)和膜磷壁酸(Membraneteichoicacid)兩種，前者和細胞壁中肽聚糖的N-乙酰胞壁酸連結(jié)；膜磷壁酸又稱脂磷壁酸(Lipteichoicacid)和細胞膜連結(jié)，另一端均游離于細胞壁外。第34頁/共119頁第五節(jié)糖生物學

----糖組學（Glycomics）概述1.糖生物學的定義：研究糖復合物中糖鏈的結(jié)構(gòu)、生物合成和生物學功能的一門科學。2.糖生物學形成中的一些標志性研究成果：（1）20世紀60年代發(fā)現(xiàn)在細胞表面上密布有糖綴合物,推測這些糖綴合物糖鏈在生命過程中擔負分子識別的功能。第35頁/共119頁（3）80年代末負責糖鏈合成的糖基轉(zhuǎn)移酶的克隆,揭示糖鏈多樣性是在基因水平和蛋白質(zhì)水平進行調(diào)控的。這些進展為糖鏈的結(jié)構(gòu)功能研究的突破奠定了堅實的基礎(chǔ)。1988年牛津大學的生物化學家Dwek在一個早間電視節(jié)目中首次提出糖生物學(Glycobiology)這個名稱,并于當年在《Annual

Review

of

Biochemistry》上發(fā)表了題為“糖生物學”的綜述，預示糖生物學的誕生。（2）70年代由于物理化學測定方法的建立以及特異的內(nèi)切和外切糖苷酶在結(jié)構(gòu)測定中的應用,使結(jié)構(gòu)測定成為可能,揭示出糖鏈驚人的復雜性和多樣性。第36頁/共119頁糖生物學研究的對象及內(nèi)容：----研究對象：糖以共價鍵與蛋白質(zhì)或脂類結(jié)合，形成糖復合物，包括糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。----研究內(nèi)容：糖鏈的化學結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，糖鏈在細胞中的生物合成，糖鏈在生命系統(tǒng)中的功能，糖鏈的基因程序和分子操作。第37頁/共119頁一、糖蛋白糖蛋白是一類復合糖或一類綴合蛋白質(zhì)，糖鏈作為綴合蛋白質(zhì)的輔基行使多種生物學功能。許多膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白。如血型抗原、組織相容性抗原、移植抗原、免疫球蛋白、血清清蛋白、血清類粘蛋白、運鐵蛋白、血漿銅藍蛋白等。不同的糖蛋白中含糖量變化很大，通常糖成分占糖蛋白重量的1％到80％。第38頁/共119頁（一）寡糖鏈的分子結(jié)構(gòu)糖蛋白多肽鏈常攜帶許多短的雜糖鏈。它們通常包括N-乙酰己糖胺和己糖(常是半乳糖和／或甘露糖，而葡萄糖竟較少)。糖鏈末端成員常常是唾液酸(sialicacid)或L-巖藻糖(L-fucose)。寡糖鏈常分支，很少含多于15個單體的，一般含2—10個單體，分子量相當于540—3,200。寡糖鏈序列多變，信息豐富，功能多樣。糖鏈數(shù)目變化很大第39頁/共119頁1.單糖的種類葡萄糖(Glc)半乳糖(Gal)甘露糖(Man)

N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)巖藻糖(Fuc)

N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)木糖(Xyl)唾液酸(SA)第40頁/共119頁

-D-葡萄糖-D-半乳糖D-甘露糖D-木糖（Glc，▲）(Gal，●)(Man，○)(Xyl，)-D-N-乙酰葡糖胺-D-葡糖醛酸-L-艾杜糖醛酸-D-葡糖胺（GlcNAc,■）（GlcUA,)(IdoUA，)（GlcN）-D-N-乙酰半乳糖胺-L-巖藻糖唾液酸-D-N-乙酰葡糖胺-尿苷二磷酸（GalNAc，□)(Fuc，△)(SA，◆)GlcNAc-UDP

(單糖的英文縮寫及代表符號在括號標明)第41頁/共119頁2.寡糖鏈中單糖的連接方式O-糖苷鍵形式有：

1→2,1→2

1→3,1→3

1→4,1→41→6,1→6

第42頁/共119頁3.寡糖鏈的一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)寡糖鏈的一級結(jié)構(gòu)單糖的排列順序及糖苷鍵的性質(zhì)。寡糖鏈的二級結(jié)構(gòu)寡糖鏈的二級結(jié)構(gòu)涉及糖環(huán)構(gòu)象、糖苷鍵旋轉(zhuǎn)角度及各原子之間的相互作用等。第43頁/共119頁（二）寡糖鏈的多樣性和復雜性由4個核苷酸組成的寡核苷酸，可能的序列僅有24種；而由4個己糖組成的寡糖鏈，可能的序列則多達3萬多種。正是由于糖鏈結(jié)構(gòu)的復雜性，使其可能包含的信息量比核酸和蛋白質(zhì)大了幾個數(shù)量級。第44頁/共119頁（三）寡糖鏈與蛋白質(zhì)的連接方式N-連接：O-連接：GPI-連接：

GlcNAcAsn

GalNAcSerorThr第45頁/共119頁1.N-連接糖蛋白定義：

糖鏈的N-乙酰葡糖胺與多肽鏈的天冬酰胺的酰胺氮連接，形成N-糖苷鍵，此種糖鏈為N-連接糖鏈，也稱N-連接聚糖。連接點的結(jié)構(gòu)：GlcNAcβ-N-Asn糖基化位點：N-連接聚糖中Asn-X-Ser／Thr三個氨基酸殘基序列(其中X是除脯氨酸外的任一氨基酸)稱為糖基化位點。第46頁/共119頁核心結(jié)構(gòu)高甘露糖型復雜型雜合型

N-連接糖鏈的結(jié)構(gòu)ManMan

Man

GlcNAcGlcNAcAsn第47頁/共119頁2.O-連接糖蛋白定義：

糖鏈的N-乙酰半乳糖胺與多肽鏈的絲氨酸或蘇氨酸的羥基連接，形成O-糖苷鍵，糖鏈為O-連接糖鏈，也稱O-連接聚糖。

連接點的結(jié)構(gòu)：

GalNAcα-O-Ser／Thr第48頁/共119頁IgA分子的O-連接糖鏈有6種第49頁/共119頁3.GPI-連接（錨定）糖蛋白定義：糖磷脂酰肌醇(GPl)與多肽鏈連接,此類蛋白質(zhì)稱為GPl-連接糖蛋白或GPl-錨定糖蛋白。結(jié)構(gòu)：磷酸乙醇胺-甘露糖-甘露糖-甘露糖-葡糖胺-磷脂酰肌醇。第50頁/共119頁二、脂多糖脂類與糖（或低聚糖）結(jié)合的一類復合糖。細胞膜中含有糖脂，是細胞識別的分子基礎(chǔ)。糖脂的種類：鞘糖脂、甘油糖脂、膽固醇衍生的糖脂、GPI第51頁/共119頁第52頁/共119頁三、糖胺聚糖和蛋白聚糖1.Glycosaminoglycans（粘多糖）

Themostabundantheteropolysaccharides（雜多糖）inthebodyaretheglycosaminoglycans(GAGs).Thesemoleculesarelongunbranchedpolysaccharidescontainingarepeatingdisaccharideunit.Thedisaccharideunitscontaineitheroftwomodifiedsugars---N-acetylgalactosamine(GalNAc)orN-acetylglucosamine(GlcNAc)andauronicacid（糖醛酸）suchasglucuronateoriduronate（艾杜糖醛酸）.第53頁/共119頁1.Glycosaminoglycans

GAGsarehighlynegativelychargedmolecules,withextendedconformationthatimpartshighviscositytothesolution.GAGsarelocatedprimarilyonthesurfaceofcellsorintheextracellularmatrix(ECM).AlongwiththehighviscosityofGAGscomeslowcompressibility,whichmakesthesemoleculesidealforalubricatingfluidinthejoints.Atthesametime,theirrigidityprovidesstructuralintegritytocellsandprovidespassagewaysbetweencells,allowingforcellmigration.

第54頁/共119頁2.ExamplesofsomecommonGlycosaminoglycans硫酸軟骨素硫酸角質(zhì)素肝素硫酸皮膚素透明質(zhì)酸第55頁/共119頁3.ProteoglycansThemajorityofGAGsinthebodyarelinkedtocoreproteins,formingproteoglycans(alsocalledmucopolysaccharides).Proteoglycansaremacromoleculescontainingglycosaminoglycan,whosestructurecomponentsaresimpleandrepetitive.Highlynegativelycharged.OncellsurfaceorExtracellularmatrix.TheGAGsofproteglycanextendperpendicularly（垂直的）fromthecoreinabrush-likestructure.第56頁/共119頁第57頁/共119頁四、糖復合物中糖鏈的生物學功能糖鏈影響糖蛋白新生肽鏈折疊和締合；糖鏈影響糖蛋白的分泌與穩(wěn)定性；糖鏈參與分子識別和細胞識別；糖鏈與血型物質(zhì)；第58頁/共119頁第59頁/共119頁1.糖鏈在新生肽鏈折疊過程中的作用N-glycan在糖蛋白折疊過程中的作用第60頁/共119頁糖蛋白折疊機制在藥物開發(fā)上的應用乙肝病毒M被膜蛋白的折疊：乙肝病毒M被膜蛋白在肝細胞內(nèi)的合成也是通過N-糖基化的加工、識別并折疊的DNA第61頁/共119頁Dwek和Block發(fā)現(xiàn)將N-nonyldeoxynojirimycin(NN-DNJ)加到肝細胞中時，可抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)葡萄糖苷酶II的活性，從而阻斷乙肝病毒M被膜蛋白的折疊，使之不能從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中分泌出來組裝成有感染能力的病毒只要抑制6%的細胞糖鏈加工就可使乙肝病毒的分泌降低99%。這種抑制對宿主細胞幾乎無影響，而對病毒卻是致命的他們與馬里蘭州聯(lián)合制藥公司合作以土撥鼠為動物模型，證明NN-DNJ可阻斷病毒的復制而不危及動物的健康。迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)任何病毒突變株可以逃避該抑制效應，有望成為乙肝患者的福音第62頁/共119頁第63頁/共119頁2.糖鏈與糖結(jié)合蛋白(CarbohydrateBindingProtein,CBP)識別介導的細胞黏附選擇素(selectin)與SLex糖鏈識別的生理功能80年代后期由幾個研究組獨立地克隆了三種人類糖鏈結(jié)合蛋白基因，稱為選擇素(selectin)，包括L-、E-和P-選擇素1990年11月同時由三個不同的研究組發(fā)現(xiàn)唾液酸路易斯X(SLex)糖鏈的功能：Lowe,J.B.etal.ELAM-1-dependentcelladhesiontovascularendotheliumdeterminedbyatransfectedhumanfucosyltransferasecDNA.Cell,63:475,1990.Phillips,M.L.etal.ELAM-1mediatescelladhesionbyrecognitionofacarbohydrateligand,sialyl-Lex.Science,250:1130,1990.Walz,G.etal.RecognitionbyELAM-1ofthesialyl-Lexdetermintantonmyeloidandtumorcells.Science,250:1132,1990.第64頁/共119頁腫瘤轉(zhuǎn)移過程中癌細胞出血管壁到達轉(zhuǎn)移部位也類似白細胞出血管壁的機制轉(zhuǎn)移中的腫瘤細胞可與血小板細胞上的P-選擇素結(jié)合，并利用血小板細胞作為其保護傘逃避免疫系統(tǒng)的攻擊人惡性轉(zhuǎn)移癌黑色素瘤A375細胞株和舌鱗癌Tca8113細胞株胞膜上硫酸肝素樣蛋白聚糖可作為P-選擇素分子的配體，特異地介導腫瘤細胞與P-選擇素分子黏附第65頁/共119頁第66頁/共119頁3.糖鏈在細胞信號傳導中的作用白介素IL-1、IL-1、IL-4、IL-6和IL-7均有特異的、不依賴鈣的糖識別活性，分別識別末端為2,3Neu5Ac的二天線N-糖鏈、GM4(Neu5Ac2,3Gal1-Cer)、唾液酸內(nèi)酯、N-或O-糖鏈的HNK-1樣抗原表位和唾液酸化Tn抗原。推測這些特異的糖識別活性與信號傳導有關(guān)。糖鞘脂通過控制其組裝和與膜蛋白或其它糖鞘脂糖鏈的相互作用調(diào)控細胞信號傳導：Hakomori等多年的研究發(fā)現(xiàn)，糖鞘脂在細胞膜上叢集并形成糖鞘脂富集微區(qū)(GSL-enrichedmicrodomain)，與信號傳導分子關(guān)聯(lián)的糖鞘脂富集微區(qū)還參與信號傳導。第67頁/共119頁4.糖鏈代謝疾病糖蛋白代謝疾病糖基化先天缺損(congenitaldefectsinglycosylation,CDG)所引起的臨床綜合癥最初于1980年發(fā)現(xiàn)

已發(fā)現(xiàn)至少8種不同的CDG，被歸納為CDG-I和CDG-II:CDG-I:N-糖鏈合成缺陷CDG-II:N-糖鏈加工缺陷

CDG-Ic缺失N-糖鏈前體末端葡萄糖的葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶。第68頁/共119頁第69頁/共119頁糖脂代謝疾病Gaucher病就是葡萄糖腦苷脂酶的遺傳缺陷病。高雪氏?。℅aucher′sdisease）又稱葡糖腦苷脂沉積?。╣lucocerbrosidelipidcsis）是因β－葡萄糖腦苷脂酶(β－glucocerehrosidase)減少或缺乏，使葡萄糖腦苷脂（glucocerbroside）不能分解成半乳糖腦苷脂或葡萄糖和N-?；拾贝迹蚨咸烟悄X苷脂在單核巨噬細胞系統(tǒng)各器官中大量沉積、引起組織細胞大量增殖。重組葡萄糖腦苷脂酶(商品名為Cerezyme)治療，一年的費用約為二十萬美元1982年Radin最先提出用抑制劑減少糖鞘脂的合成治療Gaucher病的觀點，最近，該治療策略在轉(zhuǎn)基因小鼠模型中得到證實。第70頁/共119頁糖鏈修飾與疾病防治許多疾病的發(fā)生和發(fā)展，如炎癥及自身免疫疾病、老化、癌細胞異常增殖及轉(zhuǎn)移、病原體感染等都與糖蛋白寡糖鏈的變化密切相關(guān)。因此，針對糖鏈的變化，利用小分子化合物抑制糖苷轉(zhuǎn)移酶和糖苷酶的催化活性，可以控制糖鏈的合成和水解，從而達到治療疾病的目的。第71頁/共119頁寡糖鏈后加工的糖苷水解酶抑制劑寡糖鏈的合成和后加工過程包括了一系列糖苷水解酶的作用，如葡萄糖苷水解酶I（水解寡糖鏈前體最外側(cè)的葡萄糖基）、葡萄糖苷水解酶II（水解內(nèi)部的葡萄糖基）、甘露糖苷水解酶RER、甘露糖苷水解酶I、II等。第72頁/共119頁（1）α-葡萄糖苷酶抑制劑與HIV的防治第一個用于臨床抗病毒作用的α-葡萄糖苷酶抑制劑是N-丁基-1-脫氧野尻霉素(Bu-DNJ,SC-48334)，它對α-葡萄糖苷酶I的抑制常數(shù)Ki為0.22mol/L，具有明顯的抗HIV作用。第二個用于臨床的抑制劑是一種從澳大利亞的植物中分離得到的生物堿（castanospermine,cast）的衍生物，即6-O-丁酰-cast（BuCast,MDL28574），該化合物對HIV的抑制作用比原始的生物堿強30倍，但抑制糖蛋白加工所需的IC50卻比cast大10倍。第73頁/共119頁（2）神經(jīng)氨酸酶抑制劑與流感防治流感病毒表面有兩種糖蛋白：神經(jīng)氨酸酶和血凝素。神經(jīng)氨酸酶（NA)可催化裂解宿主細胞和病毒粒血凝素上糖側(cè)鏈末端的唾液酸殘基，從而促進病毒粒子從感染的呼吸道粘膜向周圍組織擴散。此外NA還同樣具有病毒的致病性，通過改變表面糖蛋白血凝素的碳水化合物部分，增強病毒株的毒性，可引起流感癥狀和氣道炎癥的發(fā)生。神經(jīng)氨酸酶（又稱為唾液酸酶，NA）抑制劑通過選擇性地抑制Ａ、Ｂ型流感病毒的神經(jīng)氨酸酶，使病毒難以釋放，并促進已釋放的病毒相互凝聚，繼而死亡。第74頁/共119頁第一個可抑制流感病毒NA的抑制劑是2-脫氧-2,3-脫氫-N-乙酰神經(jīng)氨酸(DANA，Neu5Ac2en)，但由于活性及其特異性太低，無臨床使用價值。后來根據(jù)NA與底物唾液酸復合物的晶體結(jié)構(gòu)合成了4-胍基DANA(Zanamivir，扎那米韋)，對流感病毒NA抑制效果提高500倍。1997年設(shè)計了一種新型神經(jīng)氨酸酶抑制劑Oseltamivir(奧司他韋)，其與流感病毒NA比對人的同類酶的親和力大100萬倍，被認為是目前發(fā)現(xiàn)的特異性最高的藥物，該藥物于1999年在北美、歐洲和日本等地上市。2001年10月在我國上市。第75頁/共119頁第76頁/共119頁達菲與甲型N1H1流感的防治目前市場上銷售的達菲為羅氏制藥獨家生產(chǎn)的抗流感藥物，其通用名稱為磷酸奧司他韋（Oseltamivirphosphate）。達菲是一種非常有效的流感治療用藥，并且可以大大減少并發(fā)癥（主要是氣管與支氣管炎、肺炎、咽炎等）的發(fā)生和抗生素的使用，因而是目前治療流感的最常用藥物之一，也是公認的抗禽流感、甲型H1N1病毒最有效的藥物之一。第77頁/共119頁5.糖鏈與器官移植世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計表明，全世界需要緊急器官移植手術(shù)的病人數(shù)量與所捐獻人體器官的數(shù)量比為20∶1，這個數(shù)字還不包括那些靠藥物維持可以等待但又必須做器官移植手術(shù)的病人。如果把這一數(shù)字加上，需要器官移植的病人數(shù)與器官捐獻數(shù)的比值將拉大到30∶1。在美國，每16分鐘就有一個人加入到等待器官移植的行列，而全世界目前等待合適供體器官做移植手術(shù)的病人有30萬人。為解決這一問題，科學家們將目光投向了豬。第78頁/共119頁5.糖鏈與器官移植豬器官的血管內(nèi)皮細胞表面的糖鏈抗原表位Gal(1,3)Gal可被人抗體IgG和IgM識別并引發(fā)補體反應，在幾分鐘內(nèi)引起不可逆的超急性血管排斥Gal(1,3)Gal糖鏈抗原存在于糖鞘脂中，人抗體只識別末端的三糖Gal1,3Gal1,4GlcNAc人1,2巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶基因轉(zhuǎn)入豬腎細胞穩(wěn)定表達后，可使豬腎細胞表達人的H抗原，同時降低了Gal(1,3)Gal的表達。第79頁/共119頁6.寡糖鏈與血型第80頁/共119頁五、發(fā)展趨勢人類基因組計劃的最新成果表明，人類基因組中只有約2.5萬個基因，遠遠低于傳統(tǒng)認為的10萬個基因的數(shù)目。而2.5萬個基因本身所攜帶的信息又如何構(gòu)成人體這樣一個異常復雜的動態(tài)系統(tǒng)呢？原核單細胞大腸桿菌1分為2、2分為4、4分為8……，在對數(shù)生長期幾個小時就可達到細胞數(shù)108-9/ml。而一個受精卵由1分為2、2分為4、4分為8、8分為16個細胞，不但要互相結(jié)合，還必須保持合理的空間配置和時間進程。人類從受精卵細胞發(fā)育成為一個約40-50兆個細胞集團的個體，不僅要經(jīng)歷受精卵細胞的分裂增殖和有規(guī)律的細胞分化、分化細胞的合理立體配置和組織形成等一系列發(fā)育過程，還必須通過組織間的相互控制來維持動態(tài)的生命活動，這些都涉及細胞間的識別、調(diào)控。第81頁/共119頁糖復合物糖鏈大多在細胞表面和細胞分泌的蛋白上，它們不僅可通過糖基化影響蛋白質(zhì)功能，更重要的是還與細胞通訊、信號傳遞密切相關(guān)。糖鏈的合成是由基因編碼的酶催化的，據(jù)估計哺乳動物細胞基因組中約有0.5-1%的基因參與糖鏈的合成與代謝，與參與蛋白磷酸化的基因數(shù)量相當。而這些基因如何調(diào)控糖鏈的合成以及基因所編碼的生命信息如何通過糖鏈來體現(xiàn),還是一個有待探索的命題。

第82頁/共119頁糖組學(Glycomics)研究—

從糖的角度來認識生命線蟲基因組研究完成后，作為基因組和蛋白質(zhì)組研究的延伸，美國新罕布什大學化學系的結(jié)構(gòu)生物學研究中心就啟動了一項“線蟲糖組學研究”計劃，分析測定線蟲的糖組(Glycome)(定義為細胞內(nèi)所有的糖鏈組分)、開展糖組學(Glycomics)研究（即研究糖鏈的表達和調(diào)控），目的在于確定基因所攜帶的遺傳信息與其功能之間的關(guān)系。2000年美國Scripps研究所的J.Paulson和UCSD的A.Varki等幾位著名糖生物學家組織了一個“功能糖組學”研究項目，向美國NIH/NIGM申請基金，于2001年9月正式啟動。參與該計劃的41位科學家來自美國、英國、德國、法國、加拿大、丹麥、瑞典和俄羅斯的27個研究機構(gòu)，是一個多學科、多機構(gòu)的國際性計劃。項目的總體目標是闡明由蛋白質(zhì)-糖鏈相互作用所介導的細胞通訊機制。第83頁/共119頁熱點問題—

在糖鏈的合成、分析方法學上獲得突破，在功能研究上獲得更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累前沿領(lǐng)域—

糖基化、細胞粘附分子與糖鏈的相互作用、糖在微生物感染中的作用第84頁/共119頁糖生物學研究的特點：首先，糖鏈的結(jié)構(gòu)遠比核酸和蛋白質(zhì)要復雜，而且糖鏈的合成并不是有模板的復制，而是通過糖基轉(zhuǎn)移酶和糖苷酶在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體內(nèi)合成的，除受酶基因表達的調(diào)控外，還受酶活性的影響，即便在同種分子的同一糖基化位點上，糖鏈的結(jié)構(gòu)也有差異，即微不均一性。因此，很難得到結(jié)構(gòu)均一的糖鏈，糖鏈結(jié)構(gòu)測定和化學合成也遠比核酸和蛋白質(zhì)要困難，這就極大地限制了其功能研究。

第85頁/共119頁其次，糖鏈功能和調(diào)控的復雜性也制約了研究的速度：很難預知某一特定糖鏈的功能和對生物體的重要性同一糖鏈在生體的不同部位和不同的個體發(fā)育階段功能不同；較為專一的生物作用通常是通過不尋常的糖鏈序列或常見糖鏈的不尋常表達或修飾來介導，而這些特殊的糖鏈也常是毒素和病原體的識別目標；糖鏈調(diào)控細胞、組織特異性和發(fā)育階段性。第86頁/共119頁糖鏈調(diào)控的復雜性則表現(xiàn)為調(diào)控的細胞、組織特異性和發(fā)育階段性，一種糖基轉(zhuǎn)移酶只能合成一種糖苷鍵，而同一糖苷鍵則可由不同的糖基轉(zhuǎn)移酶合成，如人糖蛋白O-糖鏈上GalNAc與Thr/Ser連接的鍵就可由10種不同的N-乙酰氨基半乳糖轉(zhuǎn)移酶合成，這些酶的表達因細胞、組織和發(fā)育階段而不同。在化學合成和結(jié)構(gòu)分析的方法學上獲得突破，為生物學功能研究提供工具；在細胞水平上逐個研究糖鏈的功能。第87頁/共119頁糖組學研究中的方法學

(1)糖組學的分離技術(shù)凝集素親和色譜“糖捕獲”方法二維電泳結(jié)合特殊染色的分離方法液相色譜分離多糖方法雙消化并串聯(lián)柱法

(2)糖組學的鑒定技術(shù)糖微陣列技術(shù)化學選擇糖印跡技術(shù)基質(zhì)輔助激光解吸離子化飛行質(zhì)譜

傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜

12341234第88頁/共119頁糖蛋白寡糖寡糖混合物用內(nèi)切糖苷酶作用，產(chǎn)生寡糖1）Ion-exchangechromatography2)Gelfiltration3)Lectin-Affinitychromatography分離的寡糖純化的寡糖強酸水解單糖完全甲基化的糖更小的寡糖HPLC或衍生出的其它層析分析以及氣液層析酸水解產(chǎn)生單糖，分子中除了糖苷鍵涉及的羥基外，其它每個羥基都甲基化分離混合物中的片斷對每個寡糖分子進行甲基化和酶解分析核磁共振和質(zhì)譜用CH3I,強堿進行徹底甲基化混合物的組分

單糖單位的種類和含量糖苷鍵的位置單糖的序列；糖苷鍵的位置和構(gòu)型單糖的序列糖苷鍵的位置和構(gòu)型第89頁/共119頁

糖組和糖組學的有關(guān)網(wǎng)站http://www.glycofrum.gr.jp

http://mb1.pharma.hr/bmb/glyco2001.htm/database

http://www.vei.co.ukhttp://www.bochem.uu.nl/sugabasehttp://www.gak.co.jp第90頁/共119頁Wemust“be”beforewecan“do,”andwecan“do”onlytotheextent