生物化學(xué)第二章糖類化合物第二章糖類化合物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、蛋白聚糖和糖脂和脂多糖。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2.1前言常用單詞、前綴和后綴學(xué)術(shù)定義通式糖的分類糖的生物功能常用單詞、前綴和后綴單詞sugar,carbohydrate,saccharides（糖類）…前綴Glycobiology,Glycoconjugate,Glycoprotein,Glycolipid…后綴-ose,-saccharideor-glycan

（多糖）Glucose（葡萄糖）,Fructose（果糖）,Galactose（半乳糖）,Sucrose（蔗糖）…學(xué)術(shù)定義糖是多羥基醛或多羥基酮或其衍生物以及可以水解產(chǎn)生這些化合物的物質(zhì)的總稱。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。廣義的糖可分為簡(jiǎn)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(jià)形成的復(fù)合物。通式NameFormula三碳糖(Triose)C3H6O3四碳糖(Tetrose)C4H8O4五碳糖(Pentose)C5H10O5六碳糖(Hexose)C6H12O6七碳糖(Heptose)C7H14O7八碳糖(Octose)C8H16O8Cn(H2O)n:例外：脫氧糖，鼠李糖等糖；非糖物質(zhì)甲醛(CH2O)，乙酸(C2H4O2)，乳酸(C3H6O3)等簡(jiǎn)單糖類的分類根據(jù)分子大小可分為三類：?jiǎn)翁牵簝H包含一個(gè)多羥基醛或多羥基酮單位或不能水解成更小分子的糖類。寡糖：兩個(gè)或幾個(gè)單糖由糖苷鍵連接而成。多糖：包含20個(gè)以上，甚至成百上千個(gè)單糖基。糖的生物功能作為生物體內(nèi)的主要能源物質(zhì)。作為生物體的結(jié)構(gòu)成分。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(dòng)物外骨骼幾丁質(zhì)。動(dòng)物軟骨中的蛋白聚糖。作為細(xì)胞識(shí)別的信息分子：參與分子和細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞粘附等。在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì)。2.2單糖單糖的結(jié)構(gòu)和命名D-/L-立體異構(gòu)單糖的環(huán)式結(jié)構(gòu)單糖構(gòu)象單糖的物理性質(zhì)單糖的化學(xué)性質(zhì)單糖的重要衍生物醛糖和酮糖單糖含有一個(gè)羰基和多個(gè)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(jiǎn)單的醛糖是甘油醛(Glyceraldehyde)最簡(jiǎn)單的酮糖是二羥丙酮(Dihydroxyacetone)含有不同碳原子數(shù)的單糖都有其醛糖和酮糖形式。單糖的D-/L-立體結(jié)構(gòu)除了二羥丙酮以外的其他單糖都具有一個(gè)或多個(gè)不對(duì)稱（手性）碳原子。醛糖與酮糖的構(gòu)型是由分子中離羰基最遠(yuǎn)的不對(duì)稱碳原子上的羥基方向來(lái)決定的。該羥基在費(fèi)歇爾（德國(guó)）投影式（立體模型或透視結(jié)構(gòu)在紙面上的投影)右側(cè)的稱為D-型，在左側(cè)的稱為L(zhǎng)-型。天然單糖一般為D-型。構(gòu)型：一般指立體異構(gòu)體中取代原子或基團(tuán)在空間上的取向。構(gòu)型的改變牽涉到共價(jià)健的斷裂。D-葡萄糖與L-葡萄糖互為對(duì)映體(enantiomers)。一對(duì)對(duì)映體，旋光方向相反，旋光度數(shù)、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等都一樣。兩個(gè)單糖僅僅在一個(gè)手性碳原子上構(gòu)型不同的，互稱為差向異構(gòu)體

(epimers)。D-葡萄糖與

D-甘露糖為

C-2差向異構(gòu)。D-葡萄糖與D-半乳糖為C-4差向異構(gòu)。差向異構(gòu)體(Epimers)單糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)單糖在水溶液中容易形成分子內(nèi)的半縮醛或半縮酮。對(duì)于六碳醛糖來(lái)說(shuō)，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。成環(huán)反應(yīng)使C-1上形成一個(gè)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(duì)稱碳原子的羥基在碳鏈同側(cè)的稱為α型，在異側(cè)的稱為β型。半縮醛反應(yīng)αβ異頭體吡喃葡萄糖與呋喃葡萄糖D-果糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)β-D-吡喃果糖β-D-呋喃果糖Haworth透視式在Fischer投影式中形成過(guò)長(zhǎng)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)。如果氧環(huán)上的碳原子按順時(shí)針?lè)较蚺帕?，羥甲基在平面之上的為D-型，在平面之下的為L(zhǎng)-型。在D-型糖中，半縮醛羥基在平面之下的為α型，在平面之上的為β型。從Fischer式到Haworth式的轉(zhuǎn)換單糖的構(gòu)象構(gòu)象是指一個(gè)分子中，不斷裂共價(jià)鍵，僅由單鍵旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的原子或基團(tuán)在空間位置的改變。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。一般而言，平伏鍵比直立鍵更穩(wěn)定。因此在溶液中，β-D-葡萄糖比α-D-葡萄糖更占優(yōu)勢(shì)。ax:axial(vertical)直立鍵

eq:equatorial

平伏鍵α-D-葡萄糖的4C1

和1C4

椅式構(gòu)象。C-2,C-3,C-5,和氧原子形成椅式構(gòu)象的椅平面。五元呋喃環(huán)的信封式和扭曲式構(gòu)象。

2-脫氧-D-核糖與

DNA的構(gòu)象B-DNA:主要的雙螺旋構(gòu)象形式A-DNA單糖的物理性質(zhì)溶解性:溶于水，不溶于有機(jī)溶劑。甜度：常以蔗糖的甜度為標(biāo)準(zhǔn)。旋光度和比旋光度：旋光物質(zhì)使平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的能力叫旋光性或旋光度。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。α:測(cè)得的旋光度

(°)l:旋光管的長(zhǎng)度

(dm)c:糖液濃度(g/mL)單糖的化學(xué)性質(zhì)Mutarotation（變旋）Esterification（成酯）Oxidation（氧化作用）Reduction（還原作用）FormationofGlycosides（成苷）FormationofOsazone（成糖脎）變旋D-葡萄糖的變旋。反應(yīng)由弱酸催化。成酯反應(yīng)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)?；ィòㄒ阴ｕズ椭觉ｕィ?3)硫酸酯還原反應(yīng)被還原為糖醇或脫氧糖(Na-Hg,H2)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-山梨醇，D-甘露醇）/D-Sorbitol山梨醇廣泛存在于植物中，如漿果、櫻桃、李子、梨、蘋(píng)果、海草和藻類等。

它的甜度相當(dāng)于蔗糖的60%，但不被人體代謝，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。山梨醇及其它糖醇氧化反應(yīng)D-葡萄糖的氧化產(chǎn)物有三種氧化產(chǎn)物：醛糖酸（Aldonicacid）（嗅水）,糖醛酸（Uronicacid）（弱氧化劑）和糖二酸（Aldaricacid）（硝酸）。D-葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯D-葡萄糖酸β-D-葡萄糖醛酸單糖開(kāi)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)的基礎(chǔ)，可用于對(duì)還原糖的定量，也用于測(cè)定血糖和糖尿病患者的尿糖。<Fehling試劑（堿性CuSO4溶液）和Benedict試劑>Fehling反應(yīng)此反應(yīng)可用于酶法測(cè)定血液葡萄糖。成苷反應(yīng)成糖苷反應(yīng)：由半縮醛形成縮醛。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(guò)O-糖苷鍵相互連接形成寡糖和多糖。糖蛋白和核苷中的糖苷鍵。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。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？

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(gluconate)，葡萄糖醛酸(glucuronate)）糖醇糖苷單糖重要的衍生物氨基糖常存在于結(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-β-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(dòng)物外骨骼中的幾丁質(zhì)(chitin)，是由N-乙酰-β-D-葡萄糖胺形成的同多糖。氨基糖N-乙酰神經(jīng)氨酸(sialicacid，唾液酸),是一種酸性糖，是高等動(dòng)物中許多糖蛋白和糖脂的組成成分，

在分子和細(xì)胞識(shí)別中具有重要作用。糖磷酸酯在糖代謝過(guò)程中是常見(jiàn)的代謝中間體。唾液酸和糖磷酸酯

單糖?？s寫(xiě)為三個(gè)字母，如葡萄糖

Glucose,半乳糖galactose,果糖fructose可分別縮寫(xiě)為

Glc,Gal,Fru。常見(jiàn)單糖及其衍生物的縮寫(xiě)二糖寡糖寡糖的應(yīng)用多糖同多糖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、寡糖和多糖二糖(Disaccharides)二糖包含兩個(gè)通過(guò)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，由兩個(gè)α-D-葡萄糖通過(guò)α1,4鍵連接而成，縮寫(xiě)為Glc(α1-4)Glc。乳糖主要存在于乳汁中，由β-D-gal與D-glc通過(guò)β1,4鍵連接?？s寫(xiě)為Gal(β1-4)Glc。蔗糖由α-D-glc與β-D-fru通過(guò)各自的異頭碳羥基連接?？s寫(xiě)為Glc(α1-2β)Fru,或者Fru(β2-1α)Glc。海藻糖（Trehalose）酸解：糖苷鍵易于酸解但對(duì)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(guò)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β-半乳糖苷酶)，水解麥芽糖的麥芽糖酶maltase存在于小腸表皮細(xì)胞的外表面。牛奶過(guò)敏癥是由于腸道缺乏乳糖酶。二糖的水解轉(zhuǎn)化酶轉(zhuǎn)化蔗糖

蔗糖的水解過(guò)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。Invertase/sucrase乳糖和麥芽糖有自由的異頭碳，因此具有還原性。寡糖和多糖鏈上具有自由異頭碳的一端稱為還原端。蔗糖沒(méi)有還原端。寡糖的還原端寡糖(Oligosaccharides)重要的寡糖三糖：棉籽糖(Raffinose)四糖：水蘇糖(Stachyose)寡糖的應(yīng)用同多糖（Homopolysaccharides）: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)糖原(Glycogen)糖原和淀粉分別為動(dòng)物和植物中的葡萄糖儲(chǔ)存形式。糖原

(主要存在于肝臟和骨骼肌)由葡萄糖通過(guò)α1-4糖苷鍵連接而成，并在每10個(gè)α1-4連接的葡萄糖殘基處產(chǎn)生一個(gè)α1-6連接的葡萄糖分支。淀粉

根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直鏈淀粉（amylose

）

and支鏈淀粉（amylopectin

）。直鏈淀粉由D-Glc通過(guò)α1-4鍵連接而成。支鏈淀粉大約每30個(gè)α1-4鍵連接的葡萄糖處有一個(gè)α1-6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糖原、直鏈淀粉、支鏈淀粉的α1-4連接導(dǎo)致幾千個(gè)葡萄糖殘基組成的多聚體緊密盤(pán)繞為螺旋結(jié)構(gòu)，形成動(dòng)植物細(xì)胞中致密的顆粒。每一個(gè)直鏈淀粉分子都有一個(gè)非還原端和一個(gè)還原端，但每一個(gè)支鏈淀粉和糖原分子都有一個(gè)還原端和多個(gè)非還原端。食物中的淀粉和糖原可被唾液和腸液中的α-淀粉酶降解，從非還原端開(kāi)始，斷裂葡萄糖殘基之間的α1,4糖苷鍵。

糖原和淀粉的高級(jí)結(jié)構(gòu)多糖的性質(zhì)物理性質(zhì)：沒(méi)有還原性和變旋現(xiàn)象，無(wú)甜味，大多不溶于水，有的與水形成膠體溶液。淀粉水溶性：直鏈淀粉較相等分子量的支鏈淀粉差淀粉的顏色反應(yīng)：支鏈為紫紅色，直鏈為藍(lán)色。（6，20，60個(gè)糖殘基）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,類似直鏈淀粉，由10,000至15,000個(gè)D-Glc殘基組成，但殘基之間由β1-4鍵連接。幾丁質(zhì)是由N-乙酰葡萄糖胺殘基通過(guò)β1-4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。

β1-4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(guò)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(chóng)的外骨骼含有大量幾丁質(zhì)淀粉的水解大多數(shù)動(dòng)物都缺乏裂解纖維素的酶，但有些動(dòng)物（如白蟻和反芻動(dòng)物）可以利用體內(nèi)共生微生物分泌的纖維素酶來(lái)消化纖維素。淀粉和纖維素的水解雜多糖（由兩種以上的單糖或其衍生物聚合而成的多糖）果膠

(Pectin)半纖維素

(Hemicellulose)瓊脂

(Agar)和瓊脂糖

(Agarose)糖胺聚糖（或稱粘多糖）

(Glycosaminoglycan)1.透明質(zhì)酸2.硫酸軟骨素3.硫酸皮骨素4.肝素和硫酸肝素5.硫酸角質(zhì)素黃原膠(Xanthan)黃原膠(Xanthan)糖胺聚糖(Glycosaminoglycans)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(dòng)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(gè)常常是糖醛酸。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(duì)糖胺聚糖的生理功能有重要意義。糖胺聚糖的分類硫酸軟骨素（ChondroitinSulfate）,硫酸角質(zhì)素（KeratanSulfate）,肝素（Heparin）是細(xì)胞間質(zhì)中常見(jiàn)的糖胺聚糖，一般與蛋白質(zhì)共價(jià)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(jià)連接，而是游離存在。糖胺聚糖的類型種類縮寫(xiě)重復(fù)數(shù)目二糖重復(fù)單位透明質(zhì)酸HA~50,000-[GlcA-β1,3-GlcNAc-β1,4]-硫酸軟骨素CS20-60-[GlcA-β1,3-GalNAc4s/6s]-硫酸皮膚素DS20-60-[GlcA/IdoA2s-α1,3-GalNAc4s/6s]-硫酸角質(zhì)素KS~25-[Gal/Gal6sβ1,4-GlcNAc6s]-肝素Hep~50-[GlcA2S/IdoA2s-α1,4-GlcN3s6s]-硫酸類肝素HS25-175"肝素與硫酸類肝素的主要區(qū)別性質(zhì)硫酸類肝素肝素在2MKAC(pH5.7,4°C)的溶解性可溶不溶分子大小10-70KD10-12KD硫酸基/己糖胺0.8-1.81.8-2.4GlcNN-硫酸化40-60%≥85%艾杜糖醛酸含量30-50%≥70%與抗凝血酶結(jié)合的活性0-0.3%~30%合成位置VirtuallyallcellsMastcells肝素作為臨床抗凝劑抗凝血酶與肝素的特異性結(jié)合在凝血過(guò)程中具有重要的生理意義。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(duì)凝血酶和凝血因子X(jué)a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。與抗凝血酶有高親和力的肝素片段

低分子量肝素(LMWH,LowMolecularWeightHeparin)五糖片段對(duì)于激活抗凝血酶與凝血因子X(jué)a

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(gè)糖基的寡糖片段。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(zhǎng)臨床副作用小，成為肝素類藥物研究的熱點(diǎn)。透明質(zhì)酸(Hyaluronate)分布理化性質(zhì)生理功能應(yīng)用2.4糖復(fù)合物(Glycoconjugate)又叫結(jié)合糖類（糖類的還原端和其他非糖組分以共價(jià)健結(jié)合的產(chǎn)物）蛋白聚糖(Proteoglycan)糖蛋白

(Glycoprotein)糖脂(Glycolipid)肽聚糖(Peptidoglycan)脂多糖(Lipopolysaccharides)核苷(Nucleotide)……蛋白聚糖由核心蛋白、糖胺聚糖和連接寡糖組成。糖含量高于蛋白質(zhì)含量。蛋白聚糖在細(xì)胞間質(zhì)中大量存在，為組織提供粘度、潤(rùn)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。蛋白聚糖蛋白聚糖結(jié)構(gòu)顯示三糖連接寡糖，通過(guò)木糖基的異頭碳與絲氨酸的羥基相連?？删鄣鞍拙厶谴嬖谟谲浌?，由一條透明質(zhì)酸分子與許多核心蛋白(coreprotein)通過(guò)連接蛋白(linkprotein)非共價(jià)聯(lián)結(jié)形成。每一個(gè)核心蛋白都含有多條共價(jià)連接的糖胺聚糖（包括硫酸軟骨素和硫酸角質(zhì)素）。

可聚蛋白聚糖（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?？缒さ牡鞍拙厶恰尺B蛋白聚糖(Syndecan)。許多跨膜蛋白和分泌蛋白上都共價(jià)連接了寡糖鏈，形成糖蛋白。蛋白質(zhì)含量高于糖。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(jiàn)的糖基有Fuc,Gal,Man,GalNAc,和Sia(或NeuNAc).

糖蛋白寡糖鏈的兩種連接類型：O-連接：寡糖鏈共價(jià)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(jià)連接在肽鏈的Asn殘基的酰胺氮上。N-連接寡糖通常具