第1章　糖　类

1.1　复习笔记

一、糖类

1糖类的存在与来源

糖类主要存在于植物、细菌和动物中。糖类的根本来源是绿色细胞进行的光合作用。

2糖类的生物学作用

（1）作为生物体的结构成分

植物的根、茎、叶中含有大量的糖类，纤维素和果胶，昆虫外骨骼的壳多糖等，他们是构成生物体细胞壁的主要成分。

（2）作为生物体的主要能源物质

糖类能为生命活动提供能量，例如糖原和淀粉是生物体内能量的贮藏物。

（3）在生物体内转变为其他物质

糖类可作为中间代谢物，在生物体内合成其他的生物分子，如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等。

（4）作为细胞识别的信息分子

糖蛋白的糖链在生物体内起信息分子的作用，包括细胞黏着、免疫保护、代谢调控等。

3糖类的元素组成和化学物质

（1）从化学角度看，糖类是由多羟基的醛或多羟基的酮及其衍生物组成。

（2）绝大多数糖类的实验式为（CH₂O）_n或C_n（H₂O）_m，但也有例外，如鼠李糖C₆H₁₂O₅属于糖类、乙酸C₂H₄O₂不属于糖类。

4糖的分类

糖类物质可根据它们的聚合度进行以下的分类（表1-1）。

表1-1　糖的分类与实例

二、旋光异构

1异构现象（isomerism）

同分异构又称异构，是指两个或多个具有相同的化学式但结构和性质均不相同的化合物的现象。这两个或多个化合物之间互称为同分异构体，这种现象称为同分异构现象。同分异构主要有两种类型：结构异构和立体异构（表1-2）。

表1-2　同分异构的分类

2旋光性

旋光性又称光学活性或旋光度，是指旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。能够使偏振面向右旋的称为右旋光物质，向左旋的称为左旋光物质。

3不对称碳原子

不对称碳原子又称手性碳原子或手性中心，是指与4个不同的原子或原子基团共价连接而失去对称性的四面体碳。分子不能同自己的镜像叠合，称这种分子具有手性或称之为手性分子，具有手性碳的分子为手性分子。

4构型

构型是指不对称碳原子的4个取代基在空间的相对取向。有D型和L型两种。

三、单糖的结构

单糖属于链状结构，其分子式为C₆H₁₂O₆。

1D系单糖和L系单糖

（1）单糖构型是指分子中离羰基最远的那个手性碳原子的构型，若投影式中此C原子上的—OH与D（＋）-甘油醛-C2-OH有相同的取向，即—OH在右侧，此糖称D型糖，反之为L型糖。

（2）单糖除二羟丙酮外，都含有手性碳原子。含n个手性碳的化合物，旋光异构体的数目为2n，组成2n/2对对映体。

（3）任一旋光化合物都只有一个对映体。

（4）旋光方向与程度是由整个分子的立体异构体而不是某一C的构型决定的。

2单糖的环状结构

（1）变旋现象

变旋现象是指许多单糖、新配制的溶液发生旋光度改变的现象。变旋是由于分子立体结构发生某种变化的结果。

（2）环状半缩醛

①形成

醇与醛或酮可以发生快速且可逆的亲核加成形成半缩醛。多羟基醛或酮的单糖分子能形成这种环状结构，同时含有羟基和羰基的单糖可以发生分子内亲核加成，形成环状半缩醛。

②性质

半缩醛物质对碱稳定，无还原性和无羰基反应，但容易被酸水解。

（3）α和β异头物

单糖由直链结构变成环状结构后，羰基碳原子成为新的手性中心，导致C1差向异构化，产生两个非对映异构体，这种羰基碳上形成的差向异构体称异头物，异头碳的羟基与最末的手性碳原子的羟基具有相同取向的异构体称α异头物，具有相反取向的称β异头物。α和β异头物不是对映体。

①标示异头碳的构型时，必须同时指出糖的构型（D系或L系）。

②异头物在水溶液中通过直链形式可以互变（差向异构化），经一定时间后达到平衡。

（4）吡喃糖和呋喃糖

开链的单糖形成环状半缩醛时，常出现五元环和六元环的结构。六元环的为吡喃糖，五元环的为呋喃糖。D-葡萄糖主要以吡喃糖存在，呋喃糖次之。对葡萄糖而言，吡喃型比呋喃型稳定。

3单糖的构象

（1）构象定义

构象是指由于单键可旋转引起的组成原子的不同排列。不同的构象由于绕单键旋转可以迅速互变，不同的构象体通常不容易分离出来。

（2）构象体描绘方法

构象的描绘方法有锯架式和纽曼投影式两种。如图1-1所示，锯架式是从某角度观察分子，式中各直线表示碳原子的价键。纽曼投影式是从碳-碳键的轴向观察分子，用圆圈表示被观察的碳原子，前后两个原子重叠，因而只画出前面一个。

图1-1　乙烷的构象

（3）构象分析

碳-碳单键的旋转受到相邻碳上的取代基团之间的非共价相互作用的约束，因此有机分子只采用几种占优势的构象。从实验和理论两个方面对分子的构象进行分析，找出占优势的构象体，称为构象分析。

（4）吡喃糖和呋喃糖的构象

①吡喃糖的构象有椅式和船式构象，其中椅式构象最稳定；呋喃糖有信封式和折叠式构象。

②吡喃糖和呋喃糖结构C1上的羟基在下侧为α型，羟基在上侧为β型。

③除葡萄糖外，几乎所有的己醛糖，α异头物比β异头物更稳定。

四、单糖的性质

表1-3　单糖的物理和化学性质

五、重要的单糖和单糖衍生物

1单糖

表1-4　常见的单糖和它重要的衍生物

2单糖磷酸酯

单糖磷酸酯又称磷酸化单糖，是很多代谢途径中的中间参加者，广泛的存在于细胞中。

（1）单糖磷酸酯参与的代谢反应

①糖酵解途径的中间物：D-葡糖-1-磷酸、D-葡糖-6-磷酸，D-果糖-6-磷酸，D-果糖-1,6-二磷酸（FBP），D-甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸。

②戊糖磷酸途径和光合作用的Calvin循环中的中间物：D-赤藓糖-4-磷酸，D-核糖-5-磷酸，D-木酮糖-5-磷酸，D-核酮糖-5-磷酸和D-景天庚酮糖-7-磷酸等。

（2）核糖糖苷的磷酸酯是核苷酸

如腺苷一磷酸（AMP），腺苷二磷酸（ADP），腺苷三磷酸（ATP）等。

（3）水解原则

磷酸酯的水解原则上可以是C-O键或P-O键发生断裂。

3糖醇

糖醇是由单糖的羰基被还原而生成，以下是几种糖醇的种类及应用（表1-5）。

表1-5　糖醇的种类及应用

4糖酸

根据氧化条件不同，醛糖可以被氧化成醛糖酸、糖二酸和糖醛酸三类糖酸。

（1）糖二酸在自然界极少见，在植物界广泛存在的L（＋）-酒石酸可看成是D-苏糖的糖二酸。

（2）醛糖酸和糖醛酸都可形成稳定的分子内脂。

①生物体内不存在游离的醛糖酸。

②抗坏血酸（Vc）是醛糖酸的衍生物，属苏糖型。只有L-抗坏血酸具有生物活性，是生物体内重要的抗氧化剂。

③常见的糖醛酸有D-葡萄醛酸，D-半乳糖醛酸和甘露糖醛酸。

5脱氧糖

脱氧糖是指分子中的一个或多个羟基被氢原子取代的单糖，广泛地分布在植物、细菌和动物中。高等植物含有多种甲基戊糖即6-脱氧己醛糖，如L-鼠李糖、L-岩藻糖、D（＋）-毛地黄毒素糖、泊雷糖、阿比可糖等。

6氨基糖

氨基糖是分子中一个羟基被氨基取代的单糖，是胞壁酸和神经酰胺的组成成分。少数氨基糖的氨基是游离的，但大多数是以乙酰氨基的形式存在。代表性的氨基糖及其衍生物有葡糖胺、N-乙酰葡糖胺、半乳糖胺以及N-乙酰半乳糖胺。

7糖苷

糖苷是以酚类、甾醇或含氮碱等为配基的单糖或寡糖衍生物。大多有苦味或特殊香气，其中一些还有剧毒物质，但微量时可作药用。如苦杏仁苷、毛地黄苷、乌本苷、黑芥子硫苷酸钾、花色素苷、橘皮苷、芸香苷、根皮苷、皂苷等等。

六、寡糖

1定义

寡糖是是指由2～20个单糖通过糖苷键连接而成的糖类物质。寡糖中以双糖分布最普遍，意义也较大。

2常见的二糖

二糖（双糖）是由2分子单糖缩合而成，是最简单的寡糖。

表1-6　常见的二糖及其性质

3其他简单寡糖

（1）三糖

棉子糖是一种三糖，广泛分布于高等植物界，它完全水解时产生葡萄糖、果糖和半乳糖各1分子，为非还原糖，所有的异头碳参与糖苷键的形成。常见的三糖还有：龙胆糖、龙胆三糖、松三糖。

（2）四糖、五糖、六糖

四糖，水苏糖；五糖，毛蕊花糖；六糖，筋骨草糖。

4环糊精

环糊精又称环直链淀粉，是芽孢杆菌属的某些种中的环糊精葡糖基转移酶作用于淀粉（以直链淀粉为佳）生成，由葡萄糖单位通过α-1,4糖苷键连接而成，属非还原糖。

七、多糖

多糖又称聚糖，是指由许多个单糖单位构成的糖类物质，缩合时单糖分子以糖苷键相连。多糖属于非还原糖，不呈现变旋现象，无甜味，一般不能结晶。由于所含的单糖单位数目不确定，往往没有确定的分子量。组成上多糖一般不具有复杂性，即构成多糖的单糖单位种类很少，按照复杂程度将多糖分为同多糖和杂多糖（表1-7）。

表1-7　多糖的分类及性质

八、糖蛋白及其糖链

1糖蛋白的概述和含糖量

糖蛋白是分支的寡糖链与多肽链共价相连所构成的复合糖，主链较短，多数情况下，糖的含量小于蛋白质。寡糖链常常是具分支的杂糖链，不呈现重复的双糖系列。不同的糖蛋白中含糖量变化很大，糖蛋白中糖可以均匀地沿蛋白质的多肽链分布，或集中在多肽链的特定区域。

2糖肽键的类型及糖链分类

（1）糖肽键定义

糖肽键是指糖蛋白中寡糖链的还原端残基与多肽链的氨基酸残基以多种形式共价连接形成的连键。

（2）糖肽键类型（表1-8）

表1-8　糖肽键的类型

（3）糖链分类

糖链可分为N-连接的糖链和O-连接的糖链两类。

①N-糖链（N-聚糖）

所有的N-糖链都含有一个共同的结构花式，称为核心五糖，也称三甘露糖基核心。根据相连与三甘露糖基核心上的糖基结构与位置，N-糖链又可分为三类：复杂性、高甘露糖型和杂合型。

②O-糖链（O聚糖）

O-糖链的结构比N-糖链简单，但连接形式比N-糖链复杂得多。

3糖链的生物学功能

（1）糖蛋白N-糖链参与新生肽链的折叠，糖链有助于维持亚基的正确构象和相互识别缔合。

（2）糖链影响糖蛋白的分泌、稳定性和生物活性。

（3）糖链参与分子识别和细胞识别。

①糖链与血浆中老蛋白的清除的机制有关；

②糖链帮助精卵识别；

③糖链与与细胞黏着相关，细胞黏着是多细胞生物中细胞有相互识别而聚集成细胞群的能力。

4糖链与糖蛋白的生物活性（表1-9）

表1-9　糖链与糖蛋白生物活性关系

5血型物质

（1）概述

血型物质，即血型抗原。从红细胞膜中提取的血型抗原被称为凝集原。凝集素又称同种红细胞凝集素，是一类非抗体的蛋白质或糖蛋白，是凝集原的抗体，一般为IgM类。凝集素的功能主要有以下几个方面：

①凝集素结构含有糖类识别域，能与糖类专一地非共价结合。

②凝集素具有凝集细胞和沉淀聚糖和复合糖的作用。

③凝集素对被结合的单糖残基的种类具有专一性，有些凝集素还对残基的异头构型、糖苷键类型以及寡糖链的结构或构象具有专一性。

（2）ABO血型系统

凝集原A和B以糖脂和糖蛋白等形式存在。凝集素α可与凝集原A发生凝集，凝集素β可与凝集原B发生凝集。输血时血型不合会引起红细胞凝集，因此临床上力求输同型血。ABO血型与凝集原、凝集素的相互关系见表1-10所示。

表1-10　ABO血型、基因型、凝集原和凝集素

九、糖胺聚糖和蛋白聚糖

1糖胺聚糖（GAG）

糖胺聚糖又称黏多糖、氨基多糖或酸性多糖。它属于杂多糖，为不分支的长链聚合物，由含己糖醛酸和己糖胺成分的重复二糖单位构成。是动、植物，以及高等动物结缔组织中的一类结构多糖。

（1）分类

糖氨聚糖根据单糖残基、残基间连键以及二硫键的位置主要可分为透明质酸（HA）、硫酸软骨素（CS）和硫酸皮肤素（DS）、硫酸角质素（KS）以及硫酸乙酰肝素（HS）和肝素（Hp）四类。

（2）生物学作用

①糖胺聚糖的亲水性很强，有助于保持疏松结缔组织中的水分；

②糖胺聚糖是多价阴离子，能调节K＋、Na＋、Ca2＋在组织中的分布；

③糖胺聚糖的透明质酸有很大的黏滞性，附在关节面上具有润滑和保护作用；

④对于创伤愈合有促进作用。

2蛋白聚糖（PG）

蛋白聚糖是由一条或多条糖胺聚糖和一个核心蛋白共价连接而成的特殊的糖蛋白。含糖胺聚糖链和一些N-或O-连接的寡糖链。不仅分布于细胞外基质，也存在于细胞表面以及细胞内的分泌颗粒中。

（1）核心蛋白

核心蛋白是指与糖胺聚糖共价结合的多肽链。核心蛋白具有以下几个特点：

①多数核心蛋白含有几个不同的结构域；

②所有的核心蛋白都含有相应的糖胺聚糖结合结构域；

③某些蛋白聚糖可通过核心蛋白中的特定结构域，锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子上；

④有些核心蛋白还含有具有特异相互作用的结构域。

（2）连接区（寡糖链）

除透明质酸外，所有糖胺聚糖链的延伸都是在一个与核心蛋白共价连接的连接区（寡糖链）上进行的。

（3）蛋白聚糖分类

蛋白聚糖可以分为大分子聚集型胞外基质蛋白聚糖、小分子富含亮氨酸胞外基质蛋白聚糖和跨膜胞内蛋白聚糖三类。

十、糖链的结构分析

1寡糖链结构分析的一般步骤

图1-2　寡糖链结构分析的一般步骤

（1）糖蛋白的分离纯化

分离纯化糖蛋白的方法与分离提纯蛋白质的方法与技术相同。

（2）从糖蛋白释放完整的聚糖

可用酶法水解（肽-N-糖苷酶F水解）或用化学法（如肼解）断裂糖肽键或酰胺键。

（3）聚糖的分离纯化

将聚糖混合物用凝胶渗透层析（GPC）除去蛋白质，再用高效液相色谱（HPLC）特别是用HPAEC-PAD分离纯化聚糖。

（4）聚糖的纯度鉴定和相对分子质量测定

①聚糖纯度的鉴定：可采用超离心、电泳、HPGPC等多种物理方法进行。

②聚糖相对分子质量的测定：可采用蒸气压法、渗透压法、端基法、黏度法、光散射法、质谱法、HPGPC等方法进行。

（5）单糖组成的测定

从第（3）步提纯得到的完整聚糖链，经鉴定为均一的纯品后，用酸加热彻底水解或在1mol HCl/L无水甲醇（80～100℃）中进行甲醇解，生成的单糖混合物或单糖甲基糖苷混合物可用GLC（气液色谱）、HPLC或TLC（薄层层析）等方法作定性鉴定和定量测定。

（6）完整聚糖链的序列测定

根据高碘酸氧化或甲基化分析确定糖苷键的位置，用专一性糖苷酶确定糖苷键的构型。糖链序列可采用外切糖苷酶连续断裂或FAB-MS等方法加以测定。

2用于糖链结构测定的一些方法（表1-11）

表1-11　糖链结构测定的方法

3仪器测定法

红外光谱（IR）、激光拉曼光谱、质谱（MS）和核磁共振（NMR）等技术。