第二章 糖类化合物

null生物化学生物化学第二章 糖类化合物第二章 糖类化合物第二章 糖类化合物2.1 前言 2.2 单糖 2.3 二糖、寡糖和多糖 2.4 糖复合物：糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂和脂多糖。 2.5 糖链信息 2.6 寡糖和多糖的应用 2.7 糖链结构分析方法2.1 前言2.1 前言常用单词、前缀和后缀 学术定义 通式 糖的分类 糖的生物功能常用单词、前缀和后缀常用单词、前缀和后缀单词 sugar, carbohydrate, saccharides（糖类）… 前缀 Glycobiology, Glycoconjugate, Glycoprotein, Glycolipid… 后缀 -ose, -saccharide or -glycan （多糖） Glucose（葡萄糖）, Fructose（果糖）, Galactose（半乳糖）, Sucrose（蔗糖）…学术定义学术定义糖是多羟基醛或多羟基酮或其衍生物以及可以水解产生这些化合物的物质的总称。 糖是地球上最丰富的生物分子，在各种生命形式中都具有多种功能。 广义的糖可分为简单糖类和糖复合物。前者包括单糖、寡糖和多糖；后者包括糖与蛋白质、脂类等共价形成的复合物。通式通式Cn(H2O)n: 例外：脱氧糖，鼠李糖等糖；非糖物质甲醛(CH2O) ，乙酸(C2H4O2) ，乳酸(C3H6O3)等简单糖类的分类简单糖类的分类根据分子大小可分为三类： 单糖：仅包含一个多羟基醛或多羟基酮单位或不能水解成更小分子的糖类。 寡糖：两个或几个单糖由糖苷键连接而成。 多糖：包含20个以上，甚至成百上千个单糖基。糖的生物功能糖的生物功能作为生物体内的主要能源物质。 作为生物体的结构成分。 植物细胞壁中的纤维素。 细菌细胞壁的肽聚糖。 节肢动物外骨骼几丁质。 动物软骨中的蛋白聚糖。 作为细胞识别的信息分子： 参与分子和细胞识别、细胞粘附等。 在生物体内转变为其他物质。2.2 单糖2.2 单糖单糖的结构和命名 D-/L-立体异构 单糖的环式结构 单糖构象 单糖的物理性质 单糖的化学性质 单糖的重要衍生物醛糖和酮糖醛糖和酮糖单糖含有一个羰基和多个羟基。根据羰基在碳链上的位置可分为，醛糖(Aldoses) 和酮糖 (Ketoses)。 最简单的醛糖是甘油醛 (Glyceraldehyde) 最简单的酮糖是二羟丙酮 (Dihydroxyacetone) 含有不同碳原子数的单糖都有其醛糖和酮糖形式。null单糖的D-/L-立体结构单糖的D-/L-立体结构除了二羟丙酮以外的其他单糖都具有一个或多个不对称（手性）碳原子。 醛糖与酮糖的构型是由分子中离羰基最远的不对称碳原子上的羟基方向来决定的。该羟基在费歇尔（德国）投影式（立体模型或透视结构在纸面上的投影)右侧的称为D-型，在左侧的称为L-型。天然单糖一般为D-型。 构型：一般指立体异构体中取代原子或基团在空间上的取向。构型的改变牵涉到共价健的断裂。 D-葡萄糖与L-葡萄糖互为对映体(enantiomers)。一对对映体，旋光方向相反，旋光度数、熔点、沸点等都一样。nullnullnullnullnull两个单糖仅仅在一个手性碳原子上构型不同的，互称为差向异构体 (epimers)。 D-葡萄糖与 D-甘露糖为 C-2差向异构。 D-葡萄糖与 D-半乳糖为 C-4差向异构。差向异构体 ( Epimers )单糖的环状结构单糖的环状结构单糖在水溶液中容易形成分子内的半缩醛或半缩酮。对于六碳醛糖来说，C-1上的醛基和C-5上的羟基可以反应形成具有六元吡喃环状结构的半缩醛。 C-1上的醛基也可以与C-4上的羟基反应形成具有五元呋喃环状结构的半缩醛。 成环反应使C-1上形成一个半缩醛羟基，导致新的异构体产生——异头体(anomers)。规定异头体的半缩醛羟基和分子末端-CH2OH基邻近不对称碳原子的羟基在碳链同侧的称为α型，在异侧的称为β型。半缩醛反应半缩醛反应α β异头体α β异头体吡喃葡萄糖与呋喃葡萄糖吡喃葡萄糖与呋喃葡萄糖D-果糖的环状结构D-果糖的环状结构Haworth透视式Haworth透视式在Fischer投影式中形成过长的氧桥是不合理的。1926年Haworth提出透视式表达糖的环状结构。 如果氧环上的碳原子按顺时针方向排列，羟甲基在平面之上的为D-型，在平面之下的为L-型。在D-型糖中，半缩醛羟基在平面之下的为α型，在平面之上的为β型。从Fischer式到Haworth式的转换从Fischer式到Haworth式的转换单糖的构象单糖的构象构象是指一个分子中，不断裂共价键，仅由单键旋转所产生的原子或基团在空间位置的改变。 吡喃糖环和呋喃糖环并非平面环。吡喃糖环常采取椅式(chair)和船式(boat)构象，其中椅式构象使扭张强度减到最低因而较稳定。呋喃环则有信封式(envelope)和扭曲式(twist)构象。 一般而言，平伏键比直立键更稳定。因此在溶液中，β-D-葡萄糖比α-D-葡萄糖更占优势。nullnullα-D-葡萄糖的 4C1 和 1C4 椅式构象。 C-2, C-3, C-5, 和氧原子形成椅式构象的椅平面。 五元呋喃环的信封式和扭曲式构象。 2-脱氧-D-核糖与 DNA的构象2-脱氧-D-核糖与 DNA的构象B-DNA : 主要的双螺旋构象形式A-DNA 单糖的物理性质单糖的物理性质溶解性:溶于水，不溶于有机溶剂。 甜度：常以蔗糖的甜度为。 旋光度和比旋光度：旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力叫旋光性或旋光度。 注意：D/L立体异构命名与 d/l (dextrorotatory右旋 / levorotatory左旋)(+/-) 旋光方向的区别。α: 测得的旋光度 (°) l: 旋光管的长度 (dm) c: 糖液浓度(g/mL)单糖的化学性质单糖的化学性质Mutarotation（变旋） Esterification（成酯） Oxidation（氧化作用） Reduction（还原作用） Formation of Glycosides（成苷） Formation of Osazone（成糖脎） 变旋变旋D-葡萄糖的变旋。反应由弱酸催化。成酯反应成酯反应醇可以与酸、酸酐、酰卤反应成酯。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) 硫酸酯还原反应还原反应被还原为糖醇或脱氧糖(Na-Hg,H2) 肌-肌醇结构 ？当 D-甘油醛被还原为甘油，为什么不再有 D/L异构体? ? D-果糖的还原产物是什么?(D-山梨醇，D-甘露醇）/D-Sorbitol山梨醇及其它糖醇山梨醇及其它糖醇山梨醇广泛存在于植物中，如浆果、樱桃、李子、梨、苹果、海草和藻类等。 它的甜度相当于蔗糖的60%，但不被人体代谢，所以可作为糖尿病患者的替代甜味剂。 以下三种其它糖醇在生物界中较为重要。氧化反应氧化反应D-葡萄糖的氧化产物有三种氧化产物：醛糖酸（ Aldonic acid ）（嗅水）,糖醛酸（ Uronic acid ）（弱氧化剂） 和糖二酸（ Aldaric acid ）（硝酸）。nullD-葡萄糖酸-δ-内酯D-葡萄糖酸β-D-葡萄糖醛酸null单糖开链中的自由羰基可以还原Cu2+ 为Cu+，后者可形成砖红色的氧化亚铜沉淀。 这种颜色反应是Fehling反应的基础，可用于对还原糖的定量，也用于测定血糖和糖尿病患者的尿糖。 Fehling反应nullnull此反应可用于酶法测定血液葡萄糖。成苷反应成苷反应成糖苷反应：由半缩醛形成缩醛。糖苷键的形成糖苷键的形成糖可以与醇或胺形成糖苷。 糖环中的半缩醛可以与醇反应生成缩醛，形成的C-O苷键称为O-糖苷键。 糖环中的半缩醛也可以与胺中的氮原子反应成苷，称为N-糖苷键。N-糖苷键存在于糖蛋白和核苷中。 单糖可以通过O-糖苷键相互连接形成寡糖和多糖。nullnull糖蛋白和核苷中的糖苷键。成脎反应成脎反应许多糖可以与苯肼(C6H5NHNH2)反应生成浅黄色的晶体——脎。各种糖的糖脎都有特异的晶形和熔点，因此常用糖脎的生成鉴定各种不同的糖。单糖脎衍生物的熔点 单糖脎衍生物的熔点 为什么葡萄糖与甘露糖的糖脎、半乳糖与塔洛糖的糖脎熔点相同？ null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） 脱氧糖 （例如岩藻糖 ( fucose)， 脱氧核糖等） 糖酸 （例如葡萄糖酸(gluconate)，葡萄糖醛酸(glucuronate )） 糖醇 糖苷单糖重要的衍生物nullnull氨基糖常存在于结构多糖中，如细菌细胞壁中的肽聚糖(peptidoglycan)，是由N-乙酰-β-D-葡萄糖胺(NAG, GlcNAc)和 N-乙酰胞壁酸(NAM)形成的杂多糖：节肢动物外骨骼中的几丁质(chitin)，是由 N-乙酰-β-D-葡萄糖胺形成的同多糖。氨基糖nullnullnullnullN-乙酰神经氨酸 (sialic acid，唾液酸),是一种酸性糖，是高等动物中许多糖蛋白和糖脂的组成成分， 在分子和细胞识别中具有重要作用。 糖磷酸酯在糖代谢过程中是常见的代谢中间体。唾液酸和糖磷酸酯 nullnull单糖常缩写为三个字母，如葡萄糖 Glucose,半乳糖 galactose, 果糖fructose可分别缩写为 Glc, Gal, Fru。常见单糖及其衍生物的缩写 null2.3 二糖、寡糖和多糖2.3 二糖、寡糖和多糖二糖 寡糖 寡糖的应用 多糖 同多糖 Starch（淀粉） Glycogen（糖原） Cellulose（纤维素） Chitin（几丁质） 杂多糖 Glycoaminoglycan（糖胺聚糖）二糖(Disaccharides)二糖(Disaccharides)二糖包含两个通过糖苷键连接的单糖。 蔗糖（ Sucrose ）,乳糖（ lactose ） 和麦芽糖（ maltose ）是自然界最为丰富的二糖。 麦芽糖是淀粉的水解产物，由两个α-D-葡萄糖通过α1,4键连接而成，缩写为Glc(α 1-4)Glc。null乳糖主要存在于乳汁中，由β-D-gal与D-glc通过β1,4键连接。 缩写为Gal(β1-4)Glc。蔗糖由α-D-glc与 β-D-fru通过各自的异头碳羟基连接。缩写为Glc(α1-2β)Fru, 或者Fru(β2-1α)Glc。海藻糖（ Trehalose ）null酸解： 糖苷键易于酸解但对碱耐受。因此可在稀酸下煮沸而水解二糖得到游离的单糖组分。 酶解： 二糖可以通过特异的酶降解为单糖，如水解蔗糖的蔗糖酶sucrase （也称转化酶invertase） ，水解乳糖的乳糖酶lactase (细菌中称β-半乳糖苷酶)，水解麦芽糖的麦芽糖酶maltase存在于小肠表皮细胞的外表面。牛奶过敏症是由于肠道缺乏乳糖酶。二糖的水解转化酶转化蔗糖 转化酶转化蔗糖 蔗糖的水解过程伴随着比旋光度的变化，从+66.5°变化为等摩尔浓度的D-葡萄糖(+52.5°)和D-果糖(-92°)的混合物。 Invertase/sucrase null乳糖和麦芽糖有自由的异头碳，因此具有还原性。 寡糖和多糖链上具有自由异头碳的一端称为还原端。 蔗糖没有还原端。寡糖的还原端 寡糖(Oligosaccharides)寡糖(Oligosaccharides)重要的寡糖 三糖：棉籽糖 (Raffinose) 四糖：水苏糖 (Stachyose) 寡糖的应用 null同多糖（ Homopolysaccharides ）: 组成单体糖基相同，例如淀粉(starch), 糖原(glycogen), 纤维素(cellulose) ,几丁质(chitin). 杂多糖（ Heteropolysaccharides ）: 组成的单体糖基有两种或两种以上。 多糖(Polysaccharides)null糖原 (Glycogen)糖原 (Glycogen)糖原和淀粉分别为动物和植物中的葡萄糖储存形式。 糖原 (主要存在于肝脏和骨骼肌) 由葡萄糖通过α1-4糖苷键连接而成，并在每10个α1-4连接的葡萄糖残基处产生一个α1-6连接的葡萄糖分支。null淀粉 根据结构可分为直链淀粉（ amylose ） and支链淀粉（ amylopectin ）。 直链淀粉由D-Glc通过α1-4键连接而成。 支链淀粉大约每30个α1-4键连接的葡萄糖处有一个α1-6连接的葡萄糖分支。 支链淀粉与糖原结构类似，但糖原分支程度更高。淀粉 (Starch)nullnullAmylopectinnullnull糖原、直链淀粉、支链淀粉的α1-4连接导致几千个葡萄糖残基组成的多聚体紧密盘绕为螺旋结构，形成动植物细胞中致密的颗粒。 每一个直链淀粉分子都有一个非还原端和一个还原端，但每一个支链淀粉和糖原分子都有一个还原端和多个非还原端。 食物中的淀粉和糖原可被唾液和肠液中的α-淀粉酶降解，从非还原端开始，断裂葡萄糖残基之间的α1,4糖苷键。 糖原和淀粉的高级结构nullnullnullnull多糖的性质多糖的性质物理性质：没有还原性和变旋现象，无甜味，大多不溶于水，有的与水形成胶体溶液。 淀粉水溶性：直链淀粉较相等分子量的支链淀粉差 淀粉的颜色反应：支链为紫红色，直链为蓝色。（6，20，60个糖残基）null纤维素和几丁质是结构性的同多糖，其组成和结构非常相似。 纤维素, 类似直链淀粉，由10,000至 15,000个D-Glc残基组成，但残基之间由β1-4键连接。 几丁质 是由N-乙酰葡萄糖胺残基通过β1-4键连接而成的同多糖。 纤维素与几丁质之间唯一的化学差别是前者C-2上的羟基被后者的乙酰氨基取代。 β1-4键使得纤维素和几丁质多糖链采取伸展的构象，并通过链间和链内的氢键，形成平行的纤维束。 纤维素(Cellulose)和几丁质(Chitin)nullnullnullnull一些真菌能分泌纤维素酶nullChitinnull许多昆虫的外骨骼含有大量几丁质null淀粉的水解 大多数动物都缺乏裂解纤维素的酶，但有些动物（如白蚁和反刍动物）可以利用体内共生微生物分泌的纤维素酶来消化纤维素。淀粉和纤维素的水解杂多糖（由两种以上的单糖或其衍生物聚合而成的多糖）杂多糖（由两种以上的单糖或其衍生物聚合而成的多糖）果胶 (Pectin) 半纤维素 (Hemicellulose) 琼脂 (Agar) 和琼脂糖 (Agarose) 糖胺聚糖（或称粘多糖） (Glycosaminoglycan) 1.透明质酸 2.硫酸软骨素 3.硫酸皮骨素 4.肝素和硫酸肝素 5.硫酸角质素 黄原胶 (Xanthan) nullnull黄原胶(Xanthan)糖胺聚糖 (Glycosaminoglycans)糖胺聚糖 (Glycosaminoglycans)糖胺聚糖带有高负电荷，可以组成蛋白聚糖，后者大量存在于脊椎动物的细胞外间质。 糖胺聚糖由重复的二糖单位组成。其中之一是葡萄糖胺或者半乳糖胺的衍生物。另一个常常是糖醛酸。 糖残基上的-OH 常常发生硫酸酯化，使糖胺聚糖带上高度负电荷。这对糖胺聚糖的生理功能有重要意义。糖胺聚糖的分类糖胺聚糖的分类硫酸软骨素（ Chondroitin Sulfate ）,硫酸角质素（ Keratan Sulfate ）,肝素（ Heparin ） 是细胞间质中常见的糖胺聚糖，一般与蛋白质共价连接形成蛋白聚糖（proteoglycans）。 透明质酸 （ Hyaluronate ）是一种不被硫酸化的糖胺聚糖，也不与蛋白质共价连接，而是游离存在。糖胺聚糖的类型糖胺聚糖的类型nullnull肝素与硫酸类肝素的主要区别肝素与硫酸类肝素的主要区别肝素作为临床抗凝剂肝素作为临床抗凝剂抗凝血酶与肝素的特异性结合在凝血过程中具有重要的生理意义。 这种结合有两种功能： 首先，结合引起蛋白质构象变化，使蛋白酶抑制剂对凝血酶和凝血因子Xa的抑制作用提高1000倍。 第二，肝素与凝血酶和抗凝血酶都有结合位点，从而使两者在空间上易于接近。与抗凝血酶有高亲和力的肝素片段与抗凝血酶有高亲和力的肝素片段 低分子量肝素 (LMWH, Low Molecular Weight Heparin) 低分子量肝素 (LMWH, Low Molecular Weight Heparin)五糖片段对于激活抗凝血酶与凝血因子Xa 的结合已经足够，但是充分抑制凝血酶则需要至少18个糖基的寡糖片段。 低分子量肝素抗血栓作用优于肝素，而抗凝血作用低于肝素，生物利用度高，体内半衰期长临床副作用小，成为肝素类药物研究的热点。透明质酸 (Hyaluronate)透明质酸 (Hyaluronate)分布 理化性质 生理功能 应用null2.4 糖复合物 (Glycoconjugate)又叫结合糖类（糖类的还原端和其他非糖组分以共价健结合的产物）2.4 糖复合物 (Glycoconjugate)又叫结合糖类（糖类的还原端和其他非糖组分以共价健结合的产物）蛋白聚糖 (Proteoglycan) 糖蛋白 (Glycoprotein) 糖脂 (Glycolipid) 肽聚糖 (Peptidoglycan) 脂多糖 (Lipopolysaccharides ) 核苷(Nucleotide) ……null蛋白聚糖由核心蛋白、糖胺聚糖和连接寡糖组成。糖含量高于蛋白质含量。 蛋白聚糖在细胞间质中大量存在，为组织提供粘度、润滑和弹性。 蛋白聚糖在介导细胞粘附中也起到重要作用。蛋白聚糖null蛋白聚糖结构显示三糖连接寡糖，通过木糖基的异头碳与丝氨酸的羟基相连。null可聚蛋白聚糖存在于软骨，由一条透明质酸分子与许多核心蛋白 (core protein) 通过连接蛋白 (link protein) 非共价联结形成。每一个核心蛋白都含有多条共价连接的糖胺聚糖（包括硫酸软骨素和硫酸角质素）。 可聚蛋白聚糖（ Aggrecan ）nullnull可聚蛋白聚糖结构。连接蛋白介导核心蛋白与透明质酸骨架的相互作用。null跨膜的蛋白聚糖——粘连蛋白聚糖 (Syndecan)。null许多跨膜蛋白和分泌蛋白上都共价连接了寡糖链，形成糖蛋白。蛋白质含量高于糖。 寡糖链上单糖残基种类和糖苷键变化导致其可能的排列组合的结果非常多样，所以寡糖链的信息量十分丰富。 糖蛋白中常见的糖基有Fuc, Gal, Man, GalNAc, 和 Sia (或 NeuNAc). 糖蛋白null寡糖链的两种连接类型： O-连接：寡糖链共价连接在蛋白质的 Ser和Thr残基的羟基氧上。 N-连接：寡糖链共价连接在肽链的Asn残基的酰胺氮上。 N-连接寡糖通常具有五糖核心，由三个Man和两个 GlcNAc组成。糖蛋白结构糖蛋白中的寡糖链糖蛋白中的寡糖链糖蛋白中糖链连接类型——O连接和N连接。 N-连接寡糖的三种类型： 高甘露糖型 杂合型 复杂型 糖脂糖脂甘油糖脂 (Glycoglycerolipids) 鞘糖脂 (Glycosphingolipids , GSL) 糖基磷脂酰肌醇化蛋白 (GPI protein)甘油糖脂甘油糖脂鞘糖脂鞘糖脂鞘糖脂在膜上成簇分布鞘糖脂在膜上成簇分布GPI 蛋白的结构GPI 蛋白的结构null肽聚糖null糖苷键类型有(1-2), (1-3), (1-4), (1-6), (2-3), (2-6), …等等。 由四种单糖形成的寡糖形式比由四种氨基酸形成的寡肽种类丰富得多。 糖复合物中寡糖链信息含量非常丰富null亲水性 电荷 血型抗原 分子内相互作用 分子间或细胞间相互识别 糖结合蛋白——凝集素 (lectin) ，介导了许多生物识别过程。 糖复合物中寡糖链的功能分子内相互作用分子内相互作用影响糖复合物在体内的溶解性 影响糖复合物在体内的稳定性 影响糖复合物在体内的半衰期 糖蛋白寡糖链的末端糖基可指导肝细胞是否将此蛋白从血液中清除，例如去除了末端唾液酸残基，暴露出Gal的糖蛋白将被肝细胞膜上的去唾液酸糖蛋白受体识别，使其迅速被降解。 影响糖复合物在体内的分拣和投送分子间和细胞间识别分子间和细胞间识别分子间识别 炎症（ Inflammation ） 风湿性关节炎（ Rheumatoid Arthritis ） 细胞识别和细胞粘附 受精（ Fertilizing ）: 卵子表面的糖链被精子表面的受体识别，对于精卵识别过程十分重要。 感染（ Infection ）: 许多细菌和病毒进入宿主细胞的第一步就是借助细胞表面的糖链识别来完成特异性识别和粘附。null细胞与细胞外间质的相互作用。nullnullCommon among bacteriaDeterminant of serotype of bacteriumnullnull炎症反应中的细胞粘附是由凝集素与糖链相互作用介导的null幽门螺杆菌定植在胃上皮，引起溃疡。这与细菌凝集素特异性识别胃幽门的Leb寡糖有关。null凝集素介导细胞之间的相互作用。null糖链结构分析方法