第1章　糖　類

1.1　復習筆記

一、糖類

1糖類的存在與來源

糖類主要存在于植物、細菌和動物中。糖類的根本來源是綠色細胞進行的光合作用。

2糖類的生物學作用

（1）作為生物體的結構成分

植物的根、莖、葉中含有大量的糖類，纖維素和果膠，昆蟲外骨骼的殼多糖等，他們是構成生物體細胞壁的主要成分。

（2）作為生物體的主要能源物質

糖類能為生命活動提供能量，例如糖原和淀粉是生物體內能量的貯藏物。

（3）在生物體內轉變為其他物質

糖類可作為中間代謝物，在生物體內合成其他的生物分子，如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等。

（4）作為細胞識別的信息分子

糖蛋白的糖鏈在生物體內起信息分子的作用，包括細胞黏著、免疫保護、代謝調控等。

3糖類的元素組成和化學物質

（1）從化學角度看，糖類是由多羥基的醛或多羥基的酮及其衍生物組成。

（2）絕大多數糖類的實驗式為（CH₂O）_n或C_n（H₂O）_m，但也有例外，如鼠李糖C₆H₁₂O₅屬于糖類、乙酸C₂H₄O₂不屬于糖類。

4糖的分類

糖類物質可根據它們的聚合度進行以下的分類（表1-1）。

表1-1　糖的分類與實例

二、旋光異構

1異構現象（isomerism）

同分異構又稱異構，是指兩個或多個具有相同的化學式但結構和性質均不相同的化合物的現象。這兩個或多個化合物之間互稱為同分異構體，這種現象稱為同分異構現象。同分異構主要有兩種類型：結構異構和立體異構（表1-2）。

表1-2　同分異構的分類

2旋光性

旋光性又稱光學活性或旋光度，是指旋光物質使平面偏振光的偏振面發生旋轉的能力。能夠使偏振面向右旋的稱為右旋光物質，向左旋的稱為左旋光物質。

3不對稱碳原子

不對稱碳原子又稱手性碳原子或手性中心，是指與4個不同的原子或原子基團共價連接而失去對稱性的四面體碳。分子不能同自己的鏡像疊合，稱這種分子具有手性或稱之為手性分子，具有手性碳的分子為手性分子。

4構型

構型是指不對稱碳原子的4個取代基在空間的相對取向。有D型和L型兩種。

三、單糖的結構

單糖屬于鏈狀結構，其分子式為C₆H₁₂O₆。

1D系單糖和L系單糖

（1）單糖構型是指分子中離羰基最遠的那個手性碳原子的構型，若投影式中此C原子上的—OH與D（＋）-甘油醛-C2-OH有相同的取向，即—OH在右側，此糖稱D型糖，反之為L型糖。

（2）單糖除二羥丙酮外，都含有手性碳原子。含n個手性碳的化合物，旋光異構體的數目為2n，組成2n/2對對映體。

（3）任一旋光化合物都只有一個對映體。

（4）旋光方向與程度是由整個分子的立體異構體而不是某一C的構型決定的。

2單糖的環狀結構

（1）變旋現象

變旋現象是指許多單糖、新配制的溶液發生旋光度改變的現象。變旋是由于分子立體結構發生某種變化的結果。

（2）環狀半縮醛

①形成

醇與醛或酮可以發生快速且可逆的親核加成形成半縮醛。多羥基醛或酮的單糖分子能形成這種環狀結構，同時含有羥基和羰基的單糖可以發生分子內親核加成，形成環狀半縮醛。

②性質

半縮醛物質對堿穩定，無還原性和無羰基反應，但容易被酸水解。

（3）α和β異頭物

單糖由直鏈結構變成環狀結構后，羰基碳原子成為新的手性中心，導致C1差向異構化，產生兩個非對映異構體，這種羰基碳上形成的差向異構體稱異頭物，異頭碳的羥基與最末的手性碳原子的羥基具有相同取向的異構體稱α異頭物，具有相反取向的稱β異頭物。α和β異頭物不是對映體。

①標示異頭碳的構型時，必須同時指出糖的構型（D系或L系）。

②異頭物在水溶液中通過直鏈形式可以互變（差向異構化），經一定時間后達到平衡。

（4）吡喃糖和呋喃糖

開鏈的單糖形成環狀半縮醛時，常出現五元環和六元環的結構。六元環的為吡喃糖，五元環的為呋喃糖。D-葡萄糖主要以吡喃糖存在，呋喃糖次之。對葡萄糖而言，吡喃型比呋喃型穩定。

3單糖的構象

（1）構象定義

構象是指由于單鍵可旋轉引起的組成原子的不同排列。不同的構象由于繞單鍵旋轉可以迅速互變，不同的構象體通常不容易分離出來。

（2）構象體描繪方法

構象的描繪方法有鋸架式和紐曼投影式兩種。如圖1-1所示，鋸架式是從某角度觀察分子，式中各直線表示碳原子的價鍵。紐曼投影式是從碳-碳鍵的軸向觀察分子，用圓圈表示被觀察的碳原子，前后兩個原子重疊，因而只畫出前面一個。

圖1-1　乙烷的構象

（3）構象分析

碳-碳單鍵的旋轉受到相鄰碳上的取代基團之間的非共價相互作用的約束，因此有機分子只采用幾種占優勢的構象。從實驗和理論兩個方面對分子的構象進行分析，找出占優勢的構象體，稱為構象分析。

（4）吡喃糖和呋喃糖的構象

①吡喃糖的構象有椅式和船式構象，其中椅式構象最穩定；呋喃糖有信封式和折疊式構象。

②吡喃糖和呋喃糖結構C1上的羥基在下側為α型，羥基在上側為β型。

③除葡萄糖外，幾乎所有的己醛糖，α異頭物比β異頭物更穩定。

四、單糖的性質

表1-3　單糖的物理和化學性質

五、重要的單糖和單糖衍生物

1單糖

表1-4　常見的單糖和它重要的衍生物

2單糖磷酸酯

單糖磷酸酯又稱磷酸化單糖，是很多代謝途徑中的中間參加者，廣泛的存在于細胞中。

（1）單糖磷酸酯參與的代謝反應

①糖酵解途徑的中間物：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-磷酸和二羥丙酮磷酸。

②戊糖磷酸途徑和光合作用的Calvin循環中的中間物：D-赤蘚糖-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）水解原則

磷酸酯的水解原則上可以是C-O鍵或P-O鍵發生斷裂。

3糖醇

糖醇是由單糖的羰基被還原而生成，以下是幾種糖醇的種類及應用（表1-5）。

表1-5　糖醇的種類及應用

4糖酸

根據氧化條件不同，醛糖可以被氧化成醛糖酸、糖二酸和糖醛酸三類糖酸。

（1）糖二酸在自然界極少見，在植物界廣泛存在的L（＋）-酒石酸可看成是D-蘇糖的糖二酸。

（2）醛糖酸和糖醛酸都可形成穩定的分子內脂。

①生物體內不存在游離的醛糖酸。

②抗壞血酸（Vc）是醛糖酸的衍生物，屬蘇糖型。只有L-抗壞血酸具有生物活性，是生物體內重要的抗氧化劑。

③常見的糖醛酸有D-葡萄醛酸，D-半乳糖醛酸和甘露糖醛酸。

5脫氧糖

脫氧糖是指分子中的一個或多個羥基被氫原子取代的單糖，廣泛地分布在植物、細菌和動物中。高等植物含有多種甲基戊糖即6-脫氧己醛糖，如L-鼠李糖、L-巖藻糖、D（＋）-毛地黃毒素糖、泊雷糖、阿比可糖等。

6氨基糖

氨基糖是分子中一個羥基被氨基取代的單糖，是胞壁酸和神經酰胺的組成成分。少數氨基糖的氨基是游離的，但大多數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

糖苷是以酚類、甾醇或含氮堿等為配基的單糖或寡糖衍生物。大多有苦味或特殊香氣，其中一些還有劇毒物質，但微量時可作藥用。如苦杏仁苷、毛地黃苷、烏本苷、黑芥子硫苷酸鉀、花色素苷、橘皮苷、蕓香苷、根皮苷、皂苷等等。

六、寡糖

1定義

寡糖是是指由2～20個單糖通過糖苷鍵連接而成的糖類物質。寡糖中以雙糖分布最普遍，意義也較大。

2常見的二糖

二糖（雙糖）是由2分子單糖縮合而成，是最簡單的寡糖。

表1-6　常見的二糖及其性質

3其他簡單寡糖

（1）三糖

棉子糖是一種三糖，廣泛分布于高等植物界，它完全水解時產生葡萄糖、果糖和半乳糖各1分子，為非還原糖，所有的異頭碳參與糖苷鍵的形成。常見的三糖還有：龍膽糖、龍膽三糖、松三糖。

（2）四糖、五糖、六糖

四糖，水蘇糖；五糖，毛蕊花糖；六糖，筋骨草糖。

4環糊精

環糊精又稱環直鏈淀粉，是芽孢桿菌屬的某些種中的環糊精葡糖基轉移酶作用于淀粉（以直鏈淀粉為佳）生成，由葡萄糖單位通過α-1,4糖苷鍵連接而成，屬非還原糖。

七、多糖

多糖又稱聚糖，是指由許多個單糖單位構成的糖類物質，縮合時單糖分子以糖苷鍵相連。多糖屬于非還原糖，不呈現變旋現象，無甜味，一般不能結晶。由于所含的單糖單位數目不確定，往往沒有確定的分子量。組成上多糖一般不具有復雜性，即構成多糖的單糖單位種類很少，按照復雜程度將多糖分為同多糖和雜多糖（表1-7）。

表1-7　多糖的分類及性質

八、糖蛋白及其糖鏈

1糖蛋白的概述和含糖量

糖蛋白是分支的寡糖鏈與多肽鏈共價相連所構成的復合糖，主鏈較短，多數情況下，糖的含量小于蛋白質。寡糖鏈常常是具分支的雜糖鏈，不呈現重復的雙糖系列。不同的糖蛋白中含糖量變化很大，糖蛋白中糖可以均勻地沿蛋白質的多肽鏈分布，或集中在多肽鏈的特定區域。

2糖肽鍵的類型及糖鏈分類

（1）糖肽鍵定義

糖肽鍵是指糖蛋白中寡糖鏈的還原端殘基與多肽鏈的氨基酸殘基以多種形式共價連接形成的連鍵。

（2）糖肽鍵類型（表1-8）

表1-8　糖肽鍵的類型

（3）糖鏈分類

糖鏈可分為N-連接的糖鏈和O-連接的糖鏈兩類。

①N-糖鏈（N-聚糖）

所有的N-糖鏈都含有一個共同的結構花式，稱為核心五糖，也稱三甘露糖基核心。根據相連與三甘露糖基核心上的糖基結構與位置，N-糖鏈又可分為三類：復雜性、高甘露糖型和雜合型。

②O-糖鏈（O聚糖）

O-糖鏈的結構比N-糖鏈簡單，但連接形式比N-糖鏈復雜得多。

3糖鏈的生物學功能

（1）糖蛋白N-糖鏈參與新生肽鏈的折疊，糖鏈有助于維持亞基的正確構象和相互識別締合。

（2）糖鏈影響糖蛋白的分泌、穩定性和生物活性。

（3）糖鏈參與分子識別和細胞識別。

①糖鏈與血漿中老蛋白的清除的機制有關；

②糖鏈幫助精卵識別；

③糖鏈與與細胞黏著相關，細胞黏著是多細胞生物中細胞有相互識別而聚集成細胞群的能力。

4糖鏈與糖蛋白的生物活性（表1-9）

表1-9　糖鏈與糖蛋白生物活性關系

5血型物質

（1）概述

血型物質，即血型抗原。從紅細胞膜中提取的血型抗原被稱為凝集原。凝集素又稱同種紅細胞凝集素，是一類非抗體的蛋白質或糖蛋白，是凝集原的抗體，一般為IgM類。凝集素的功能主要有以下幾個方面：

①凝集素結構含有糖類識別域，能與糖類專一地非共價結合。

②凝集素具有凝集細胞和沉淀聚糖和復合糖的作用。

③凝集素對被結合的單糖殘基的種類具有專一性，有些凝集素還對殘基的異頭構型、糖苷鍵類型以及寡糖鏈的結構或構象具有專一性。

（2）ABO血型系統

凝集原A和B以糖脂和糖蛋白等形式存在。凝集素α可與凝集原A發生凝集，凝集素β可與凝集原B發生凝集。輸血時血型不合會引起紅細胞凝集，因此臨床上力求輸同型血。ABO血型與凝集原、凝集素的相互關系見表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）

糖胺聚糖又稱黏多糖、氨基多糖或酸性多糖。它屬于雜多糖，為不分支的長鏈聚合物，由含己糖醛酸和己糖胺成分的重復二糖單位構成。是動、植物，以及高等動物結締組織中的一類結構多糖。

（1）分類

糖氨聚糖根據單糖殘基、殘基間連鍵以及二硫鍵的位置主要可分為透明質酸（HA）、硫酸軟骨素（CS）和硫酸皮膚素（DS）、硫酸角質素（KS）以及硫酸乙酰肝素（HS）和肝素（Hp）四類。

（2）生物學作用

①糖胺聚糖的親水性很強，有助于保持疏松結締組織中的水分；

②糖胺聚糖是多價陰離子，能調節K＋、Na＋、Ca2＋在組織中的分布；

③糖胺聚糖的透明質酸有很大的黏滯性，附在關節面上具有潤滑和保護作用；

④對于創傷愈合有促進作用。

2蛋白聚糖（PG）

蛋白聚糖是由一條或多條糖胺聚糖和一個核心蛋白共價連接而成的特殊的糖蛋白。含糖胺聚糖鏈和一些N-或O-連接的寡糖鏈。不僅分布于細胞外基質，也存在于細胞表面以及細胞內的分泌顆粒中。

（1）核心蛋白

核心蛋白是指與糖胺聚糖共價結合的多肽鏈。核心蛋白具有以下幾個特點：

①多數核心蛋白含有幾個不同的結構域；

②所有的核心蛋白都含有相應的糖胺聚糖結合結構域；

③某些蛋白聚糖可通過核心蛋白中的特定結構域，錨定在細胞表面或細胞外基質的大分子上；

④有些核心蛋白還含有具有特異相互作用的結構域。

（2）連接區（寡糖鏈）

除透明質酸外，所有糖胺聚糖鏈的延伸都是在一個與核心蛋白共價連接的連接區（寡糖鏈）上進行的。

（3）蛋白聚糖分類

蛋白聚糖可以分為大分子聚集型胞外基質蛋白聚糖、小分子富含亮氨酸胞外基質蛋白聚糖和跨膜胞內蛋白聚糖三類。

十、糖鏈的結構分析

1寡糖鏈結構分析的一般步驟

圖1-2　寡糖鏈結構分析的一般步驟

（1）糖蛋白的分離純化

分離純化糖蛋白的方法與分離提純蛋白質的方法與技術相同。

（2）從糖蛋白釋放完整的聚糖

可用酶法水解（肽-N-糖苷酶F水解）或用化學法（如肼解）斷裂糖肽鍵或酰胺鍵。

（3）聚糖的分離純化

將聚糖混合物用凝膠滲透層析（GPC）除去蛋白質，再用高效液相色譜（HPLC）特別是用HPAEC-PAD分離純化聚糖。

（4）聚糖的純度鑒定和相對分子質量測定

①聚糖純度的鑒定：可采用超離心、電泳、HPGPC等多種物理方法進行。

②聚糖相對分子質量的測定：可采用蒸氣壓法、滲透壓法、端基法、黏度法、光散射法、質譜法、HPGPC等方法進行。

（5）單糖組成的測定

從第（3）步提純得到的完整聚糖鏈，經鑒定為均一的純品后，用酸加熱徹底水解或在1mol HCl/L無水甲醇（80～100℃）中進行甲醇解，生成的單糖混合物或單糖甲基糖苷混合物可用GLC（氣液色譜）、HPLC或TLC（薄層層析）等方法作定性鑒定和定量測定。

（6）完整聚糖鏈的序列測定

根據高碘酸氧化或甲基化分析確定糖苷鍵的位置，用專一性糖苷酶確定糖苷鍵的構型。糖鏈序列可采用外切糖苷酶連續斷裂或FAB-MS等方法加以測定。

2用于糖鏈結構測定的一些方法（表1-11）

表1-11　糖鏈結構測定的方法

3儀器測定法

紅外光譜（IR）、激光拉曼光譜、質譜（MS）和核磁共振（NMR）等技術。