任務2.1　糖類

糖類（saccharides）是多羥基醛或多羥基酮及其聚合物或衍生物的總稱。早期發現的糖中都含有碳、氫、氧三種元素，大多數糖分子中氫和氧的比例是2∶1，因此，又稱為碳水化合物（carbohydrates）。

在自然界中，糖的分布極廣，無論是在植物界還是動物界。糖可分布于植物的各個部位，植物的根、莖、葉、花、果實、種子等大多含有葡萄糖、果糖（fructose）、淀粉和纖維素（cellulose）等糖類物質。糖類與核酸、蛋白質、脂質一起合稱為生命活動所必需的四大類化合物，糖還可和其他非糖物質結合，形成苷類（glycosides）等存在于生物體中。

現代研究表明，糖類在抗腫瘤、抗肝炎、抗心血管疾病、抗衰老等方面具有獨特的生物活性，是天然藥物的基本成分之一。

2.1.1　結構與分類

糖類物質可根據其能否水解和分子量的大小分為單糖（monosaccharides）、低聚糖（oligosaccharides）和多聚糖（polysaccharides）。

2.1.1.1　單糖

單糖是不能水解的最簡單的糖類，是組成糖類物質及其衍生物的基本單位；從三碳糖到八碳糖都存在，但以五碳（戊）糖和六碳（己）糖最多。自然界中糖都以六元或五元氧環形式存在，五元氧環的糖稱為呋喃型糖，六元氧環的糖則稱為吡喃型糖。

單糖的結構常用的表示方式有Fischer投影式、Harworth投影式和優勢構象式三種。如葡萄糖的Fischer式、Harworth式和構象式之間存在如下轉變：

單糖的絕對構型：在Fischer式中以編號最大的不對稱碳原子的構型與α-OH甘油醛作比較，向右的為D型，向左的為L型。在哈沃斯（Haworth）式中，只要看六碳吡喃糖C5（五碳呋喃糖C4）上取代基的取向，向上的為D型，向下的為L型。

單糖的相對構型：單糖成環后形成的一個新的手性碳原子，形成的一對異構體稱為端基碳差向異構體，用α和β來表示C1羥基與六碳糖C5（五碳糖C4）上取代基的相對關系。相對構型的判斷方法，在Haworth式中看C1羥基與六碳糖C5（五碳糖C4）上取代基的相對關系，在環同側的為β構型，異側的為α構型。

（1）常見的單糖

①五碳醛糖　D-木糖（D-xylose）、D-核糖（D-ribose）、L-阿拉伯糖（L-arabinose）。

②甲基五碳糖　L-鼠李糖（L-rhamnose）、D-夫糖（L-fucose）、D-雞納糖（D-quinovose）。

③六碳醛糖　D-葡萄糖（D-glucose）、D-甘露糖（D-mannose）、D-半乳糖（D-galactose）。

④六碳酮糖　D-果糖（fructose）、L-山梨糖（L-sorbose）。

（2）特殊的單糖

①去氧糖　單糖分子中的一個或兩個羥基被氫原子取代的糖。如D-洋地黃毒糖（D-digitoxose），去氧糖主要存在于強心苷等成分中。

②氨基糖　單糖上的一個或幾個醇羥基被氨基置換后成為氨基糖。主要存在于動物和微生物中，如存在于龍蝦甲殼中的2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖。

③支碳鏈糖　自然界中發現的一些有分支碳鏈的糖，如D-芹糖（D-apiose，api）。

（3）單糖衍生物

①糖醛酸　單糖中的伯羥基被氧化成羧基后形成的化合物。如D-葡萄糖醛酸（D-glucuronic acid）、D-半乳糖醛酸（D-galacturonic acid）。

②糖醇　單糖的醛或酮基還原成羥基后所得到的多元醇稱糖醇。如衛矛醇（dulcitol）、D-甘露醇（D-mannitol）、D-山梨醇（D-sorbitol）。

③環醇　環狀的多羥基化合物叫環醇。如最常見的是環己六醇（肌醇）。

2.1.1.2　低聚糖

由2～9個單糖通過苷鍵脫水聚合而成的糖。按組成低聚糖的單糖基個數可分為二糖、三糖、四糖等，根據是否含有游離的醛基或酮基，又可將其分為還原糖和非還原糖。如果兩個單糖均以端基碳上的羥基脫水縮合，形成的低聚糖就沒有還原性，稱為非還原糖。如二糖中的蔗糖（sucrose）就是非還原糖，而龍膽二糖（gentiobiose）、麥芽糖（maltose）、蕓香糖（rutinose）、蠶豆糖（vicianose）、槐糖（sophorose）等都是還原糖。

天然存在的三糖大多是在蔗糖的基礎上再連接一個糖而成，如棉子糖（raffinose）。四糖五糖又多是在三糖的結構上再延長，如水蘇糖（stachyose），它們一般都屬于非還原糖。

2.1.1.3　多聚糖

多聚糖又稱多糖，是由10個以上的單糖分子通過苷鍵聚合而成，分子量較大，一般由幾百甚至幾萬個單糖分子組成。由一種單糖組成的多糖為均多糖（homosaccharide），由兩種以上不同的單糖組成的為雜多糖（heterosaccharide）。

多糖按其在生物體內的功能又可分為兩類，一類為不溶于水的動植物體內的支持組織，如植物中的半纖維素和纖維素，動物甲殼中的甲殼素等，分子呈直鏈型。另一類為水溶物，如動植物體內貯藏的營養物質淀粉、菊糖、黏液質、果膠、樹膠等，分子多呈支鏈型。許多多糖具有較強的生物活性，是該藥的有效成分，如人參多糖、黃芪多糖、刺五加多糖、豬苓多糖、靈芝多糖等。

（1）植物多糖

①纖維素（cellulose）　是一類聚合度為3000～5000的以β1→4苷鍵結合的直鏈葡聚糖，是植物細胞壁的主要組成成分，不易被稀酸或堿水解。纖維素不能被人類和食肉動物消化利用，因為人類和食肉動物體內無水解纖維素的酶。

②淀粉（starch）　廣泛存在于植物體的根、莖及種子中。淀粉是葡萄糖的高聚物，約由73%以上的膠淀粉（支鏈淀粉）和27%以下的糖淀粉（直鏈淀粉）組成。糖淀粉是α1→4連接的D-葡聚糖，聚合度為300～350；膠淀粉聚合度3000左右，也是α1→4葡聚糖，但有α1→6的分支鏈。淀粉可溶于熱水，膠淀粉還可溶于冷水，遇碘呈色，所呈色調與聚合度有關，糖淀粉遇碘呈藍色，膠淀粉遇碘呈紫紅色。淀粉通常無明顯的生理活性在制劑中常用作賦形劑，在工業上常用作生產葡萄糖的原料。

③黏液質（mucilage）　是植物種子、果實、根、莖和海藻中存在的一類黏多糖。黏液質可溶于熱水，冷后呈膠凍狀。在植物中有保持水分的作用。

④菊糖（inulin）　又稱菊淀粉。在菊科植物中分布較多，由35個D-果糖以β2→4苷鍵連接在D-葡萄糖上構成，難溶于冷水，不溶于乙醇及其他有機溶劑，可作為植物顯微鑒別的依據。

⑤樹膠（gum）　是植物在受傷害或毒菌類侵襲后分泌的物質，干后呈半透明塊狀物，如中藥沒藥內含64%樹膠。樹膠易溶于水，不溶于乙醇和其他有機溶劑，在水中能膨脹成極黏稠的膠體溶液。在醫藥工業中常用作乳化劑、賦形劑及混懸劑。

（2）菌類多糖

①豬苓多糖（polyporus polysaccharide）　能顯著提高荷瘤小鼠巨噬細胞的吞噬能力，促進抗體形成，是良好的免疫調節劑，具有抗腫瘤轉移和調節機體細胞免疫功能的作用。此外，對慢性肝炎也有良好的療效。

②茯苓多糖（poria cocos mushroom polysaccharide）　本身無抗腫瘤活性，若切斷其所含的β1→6吡喃葡聚糖支鏈，成為單純的β1→3葡聚糖（稱為茯苓次聚糖pachymaran），則具有顯著的抗腫瘤作用。

③靈芝多糖（ganoderma lucidum polysaccharide）　能提高機體免疫力，提高機體耐缺氧能力，消除自由基，抑制腫瘤，抗輻射，提高肝臟、骨髓、血液合成DNA、RNA、蛋白質能力，延長壽命，還具有刺激宿主非特異性抗性、免疫特異反應以及抑制移植腫瘤生理活性的特性。

（3）動物多糖

①肝素（heparin）　是一種含有硫酸酯的黏多糖，含硫量在9%～12.9%，分子量5000～15000，分子呈螺旋形纖維狀。廣泛分布于哺乳動物的內臟、肌肉和血液里，有很強的抗凝血作用，可用于預防血栓形成，并已形成了一種肝素療法。

②透明質酸（hyaluronic acid）　廣泛存在于動物的各種組織中，在哺乳動物體內，以玻璃體、臍帶和關節滑液中含量最高，雞冠的含量與滑液相似。透明質酸可用于視網膜脫離手術，并作為天然保濕因子，廣泛用于化妝品中。

③硫酸軟骨素（chondroitin sulfate）　是從動物的軟骨組織中得到的酸性黏多糖，其中的硫酸軟骨素A能增強脂肪酶的活性，使乳糜微粒中的甘油三酯分解成脂肪酸，使血液中乳糜微粒減少而澄清，還具有抗凝和抗血栓形成的作用。

④甲殼素（chitin）　是組成甲殼類昆蟲外殼的多糖，其結構和安定性與纖維素類似。由N-乙酰葡萄糖胺以β1→4反向連接成直線狀結構。不溶于水，對稀酸和堿穩定。甲殼素經濃堿處理，可得脫乙酰甲殼素（chitosan）。甲殼素及脫乙酰甲殼素應用非常廣泛，可制成透析膜、超濾膜，用作藥物的載體具有緩釋，持效的優點，還可用于人造皮膚、人造血管、手術縫合線等。

2.1.2　理化性質

2.1.2.1　性狀

小分子單糖為無色結晶性固體，有甜味，分子結構中有若干個手性碳原子，具有旋光性。多糖隨分子量的增大已失去一般單糖的性質，難結晶，多為無定形物質，甜味也隨之消失。

2.1.2.2　溶解性

單糖為小分子極性化合物，易溶于水，可溶于含水乙醇，難溶于低極性有機溶劑。低聚糖與單糖類似。多聚糖隨著聚合度增高，水溶性下降，一般難溶于冷水以及乙醇（70%乙醇即可形成沉淀）、丙酮等有機溶劑，可溶于熱水成膠體溶液。

2.1.2.3　化學性質

糖的化學性質在普通有機化學中已有所涉及，以下介紹的主要是一些與糖的分離和結構測定密切相關的化學反應。

（1）氧化反應

單糖分子中有醛（酮）、醇羥基和鄰二醇等結構，可以與一定的氧化劑發生氧化反應，一般都無選擇性。如Ag+、Cu2+、溴水可使醛氧化為羧基，硝酸可使醛酮及伯醇氧化為糖二酸。

以過碘酸為氧化劑，不僅能氧化鄰二醇，而且能氧化α-氨基醇、α-羥基醛（酮）、鄰二酮和某些活性次甲基。通過測定反應中過碘酸的消耗量以及最終的降解產物，在推測糖的結構和連接位置上具有重要的意義?；痉磻缦拢?/p>

（2）糠醛形成反應

單糖在濃酸作用下失去三分子水，生成具有呋喃環結構的醛類化合物。由五碳糖生成的是糠醛，由甲基五碳糖生成的是5-甲基糠醛，由六碳糖生成的是5-羥甲基糠醛。這些糠醛衍生物和許多芳胺、酚類可縮合成有色物質，可借此反應來檢識糖類和苷類化合物的存在。許多糖的顯色劑就是根據這一原理配制而成的，如Molish反應試劑就是α-萘酚和濃硫酸。

（3）羥基反應

在糖及苷類化合物的分離和結構鑒定中，為了降低其親水性、判斷糖與糖以及糖與苷元連接位置的需要，往往要對糖上的羥基進行醚化、?；戎苽涑裳苌?。從糖的結構看，活性最高的是半縮醛羥基，但該羥基在苷類化合物中多已被苷化；其次是伯醇基；仲醇基更次。仲醇基中又以C2-OH較活潑，糖的羥基反應包括醚化、酯化、縮醛縮酮化以及與硼酸的絡合反應等。其中以乙?；苌镙^為常見，常用的試劑有Ac2O-吡碇、Ac2O-NaAc、Ac2O-ZnCl等。

2.1.3　檢識

2.1.3.1　化學方法

（1）Molish反應

取樣品的提取液1mL，加5%α-萘酚乙醇液1～3滴，搖勻后沿試管壁緩緩加入濃硫酸，若在兩液面間有紫色環產生，說明樣品組成中含有糖類或苷類。但Molish反應陽性僅能說明樣品中含有游離或結合的糖，卻不能判定是苷類還是游離糖或其他形式的糖。

（2）費林反應和多倫反應

樣品與費林試劑或多倫試劑反應呈陽性，說明存在還原糖，而非還原糖和苷類則呈陰性反應。將反應液濾液酸水解后再進行費林反應或多倫反應，如果為陽性反應，說明存在多糖或苷類。

2.1.3.2　色譜法

糖類和苷類的色譜檢識主要有薄層色譜和紙色譜，薄層色譜常用的吸附劑是硅膠、反相硅膠，也可用纖維素進行薄層色譜。

（1）薄層色譜

硅膠薄層色譜常用極性較大的含水溶劑系統為展開劑，如正丁醇-乙酸-水（4∶5∶1，上層）、氯仿-甲醇-水（65∶35∶10，下層）、乙酸乙酯-正丁醇-水（4∶5∶1，上層）等三元溶劑系統。由于糖的吸附性強，點樣量不宜過多（一般小于5μg），否則斑點拖尾會比較明顯，Rf值下降。若用硼酸溶液或一些無機鹽的水溶液，如0.3mol/L的磷酸氫二鈉或磷酸二氫鈉的水溶液，代替水調制吸附劑進行鋪板，就能顯著提高點樣量，并可改善分離效果。

（2）紙色譜

糖的極性較大，其紙色譜一般用水飽和的有機溶劑為展開劑，如正丁醇-乙酸-水（4∶5∶1，上層）、水飽和的苯酚等。其Rf值與溶劑的含水量有關，在含水量少的溶劑系統展開時Rf值很小。因此在配制展開劑時特別是多元組分的展開劑時應特別注意，其混合比例力求準確，并須用標準品同時點樣作為對照。單糖中，一般碳原子數目少的糖Rf值比碳原子多的大。碳原子數目相同，則酮糖比醛糖的大，去氧糖則更大。分子組成相同的糖，構象式中豎鍵羥基多的比橫鍵羥基多的Rf值大。

（3）顯色

糖的薄層色譜或紙色譜所用的顯色劑其顯色原理主要是利用糖的還原性或由于形成糖醛后引起的呈色反應。噴顯色劑后一般要在100℃左右加熱數分鐘至斑點顯現。

常用的PC顯色劑有苯胺-鄰苯二甲酸試劑、三苯四氮鹽試劑（TTC試劑）、間苯二酚-鹽酸試劑、雙甲酮-磷酸試劑等，這些顯色劑對不同的糖往往顯不同的顏色。TLC的顯色劑除紙色譜應用的以外，常用的還有茴香醛-硫酸試劑、苯胺-二苯胺磷酸試劑、酚-硫酸試劑等。