生物化学--糖类

生物学功能 - 主要储能分子- 基本合成原料 (前体 /碳架 )- 机体结构组分 (糖聚合物 )- 参与细胞识别、通讯、生长及分化等糖 类 Carbohydrates/Saccharides自然界分布最广且含量最为丰富的一类生物分子，主要经由光合作用生成：光合生物在将太阳能转换为化学能的同时使大气中的CO2还原而得(Cellulose 97%)概念 多羟基醛 /酮及其缩聚物和某些衍生物分类 - 单糖：不能被水解成更小分子的简单糖类，可再分为丙糖 庚糖等- 寡糖：少量单糖残基以糖苷键连接而成的短链，水解后产生单糖，可再分为二糖 六糖等- 多糖：约 20个以上单糖残基组成的长链，水解后产生单糖或其衍生物，可再分为同多糖、杂多糖和复合糖 /结合多糖- 常见单糖和寡糖多有后缀 -ose- 寡糖中大多数三糖以上者在细胞内并不单独存在，通常都与非糖分子如蛋白质 /脂质结合成复合糖- 聚糖 (寡糖和多糖 )不能以经验式 Cn(H2O)n表示：每形成一个糖苷键都要脱去 1分子 H2OMono-Oligo-Poly-Homo-Hetero- Complex C.丙糖最简单己糖最常见- 链式结构中除了羰基 C以双键方式与 O结合外，其余的均与 -OH连接- 羰基 C=O：在 C链的一端为 醛糖 aldose在其它部位则为 酮糖 ketose- 3C = triose, 4C = tetrose, 5C = pentose 6C = hexose (eg. aldo- or ketohexose) 甘油醛 二羟丙酮果糖 Fru9-1构建核酸的分别是戊醛糖(RNA)和脱氧戊醛糖 (DNA)核糖Rib葡萄糖Glc1. 单糖 Monosaccharides 单糖具有不对称中心- 除二羟丙酮外 ，所有单糖都带有一或多个不对称 C*- 以 甘油醛为例：中间的 C为 手性中心，故具有两个不同的光学异构体 (互为镜像，不能重叠 )- 为 方便起见，指定其中之一为 D型 对映体 ，另一个则为 L型甘油醛 构型 9-2chiral C*- 构型的区分以离羰基 C最远的 C*为 依据- 具有 n个 C*的分子有 2n个 立体异构体(Vant Hoffs law) 单糖的 D/L构型- 醛 己糖 的 C2, C3, C4和 C5均为手性中心，故有24 = 16种 可能 的 异构体(8个 D型 和 8个 L型 )- 生物体的己糖大多为D型 异构体123456D构型 -OH朝右L构型 -OH朝左- configuration一个分子中各原子所特有的固定空间排列，使该分子能以这种立体化学形式被分离构型改变时必须有共价键的断裂和重新形成MIRROR甘油醛赤藓糖核糖葡萄糖 甘露糖 半乳糖Series of D-aldoses苏糖阿拉伯糖 木糖 来苏糖阿洛糖 阿卓糖 古洛糖 艾杜糖 塔洛糖= 甘油醛 的碳链加长物 (+ -CHOH)(cf. Fig. 6-1)- 比 相应的同 C数醛糖少一个 C*- 4C和 5C的 酮糖在其相应的醛糖英文名中加入 “ul”：eg. D-ribulose = ketopentosecorresponding to D-riboseSeries of D-ketoses 二羟丙酮核酮糖 木酮糖果糖赤藓酮糖阿洛酮糖 山梨糖 塔格糖= 二羟丙酮 的碳链加长物 (+ -CHOH)(the only monosaccharide without a chiral C*)仅有 一个 C*构型不同的同 C数糖分子互为差向异构体 差向异构体 Epimers9-4(cf. p208)Glc and Fru are also epimers? 普通单糖具有环状结构 - 新制备 Glc溶于水时比旋随时间延长而变：+112 +52.7- 重结晶后再溶于水时比旋亦发生相应变化：+19 +52.7实验观察推论 - 结晶态 Glc可能具有不同于溶解态的形式研究证实- 丁醛糖 (4C)和所有 5C以上的单糖在水溶液中均主要以 环状结构的形式存在：羰基 C与分子内的某个羟基 O之间形成共价连接而环化，是为半缩醛 /酮 (故仅能与一分子醇反应 !)- 环状半缩醛 /酮比其链式结构多一个 C*而具有两种立体异构形式，是为 异头物 (anomer)；相应的异头 C则是惟一一个 与两个 O结合 、与醛 /酮糖中的羰基 C一样为单糖中氧化数最高的(cf. p209) (半 )缩醛 /酮的形成 (羰基的醇加成 )新 形成 的 C*如果 2nd个醇和 1st个一样，则半缩醛 /酮中新生成的 C*在缩醛 /酮中即消失9-5半缩醛半缩酮缩醛缩酮醛酮OO来自醛或酮的羰基O 环式 D-葡萄糖的形成(=分子内环化成半缩醛 )9-6在 Haworth式中，无论是D-型还是 L-型，凡异头 C的 -OH与末端 -CH2OH呈反式的均为 异头物，呈顺式的则为 异头物C*的氧化数仍然是最高的 : 与 O共享 4e亲核攻击变旋(需经由开链结构 )吡喃葡糖Emil Fischer 1852-1919Walter N. Haworth1883-1950 (cf. Fig. 6-2)环式半缩醛可以是五 /六元杂环结构，分别类似于呋喃 /吡喃环，但并不具有双键D-Glc的吡喃糖型和 D-Fru的呋喃糖型异头碳为 C-1异头碳为 C-29-7吡喃呋喃吡喃葡糖呋喃果糖- 醛 己糖也可形成五元环式的 呋喃醛糖 (C-1与 C-4的 -OH反应 )，但 其稳定性要比六元环式的 吡喃醛糖 低得多 同一种单糖可具有不同的环式结构- 酮 己糖亦可形成六元环的吡喃糖 (C-2与 C-6的 -OH反应 )呋喃糖型吡喃糖型C-5的 -OH攻击羰基 CC-4的 -OH攻击羰基 CA 13C NMR study of D-glucose in water detected five species: -pyranose (38.8%) -pyranose (60.9%)-furanose (0.14%) -furanose (0.15%) and the hydrate of the open-chain form (0.0045%)- 和 异头物 在水溶液中 可以通过 开链结构而相互转换 (= 变旋 Mutarotation)- 常温下 D-Glc溶液达到平衡时 (+52.7)，其混合物中含有 36%的 -和 64%的 -吡喃糖型异头物，仅有很少一部分以呋喃糖型或开链式存在 差向异构化：异头物的相互转换(cf. Tab. 6-1 & Fig. 6-2)Conformations of -D-glucopyranose 单糖的 构象conformation- 一个分子中不改变共价键结构、原子仅在单键周围旋转所产生的空间排列，表现为一组连续变化的结构而不是单个的可分离的立体化学形式- 构象改变时不要求共价键断裂和重新形成- 椅式构象通常要比船式等的构象更稳定：平伏 /赤道键 的稳定性高于 轴 /直立键2种 6种自学 单糖的理化性质 物理性质除二羟丙酮外，所有单糖都具有旋光性，是鉴定糖的重要指标；通常用比旋光度 /旋光率来衡量物质的旋光性： tD = tD 100 / (L C)- 旋光性 optical activity 各种糖的甜度不同，常以蔗糖的定为 100为标准进行比较： eg. Fru的为 173.3， Glc的为 74.3， Lac的为 16 - 甜度 sweetness - 溶解度 solubility 单糖中的多个羟基可增加其水溶性 (尤其在加热时 )，但不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂 (cf. p211)自学 化学性质作为多羟基的醛 /酮，单糖不仅具有醇羟基和羰基性质 (eg. 醇羟基的成酯、成醚、成缩醛等反应和羰基的一些加成反应 )，同时还具有因醇羟基和羰基的 互相影响 而产生的一些特殊反应- 与酸反应 (脱水，可用于糖的鉴定 )与强酸共热时，戊糖可脱水生成 糠醛 (呋喃醛 )；己糖则分解成甲酸、 CO2、乙酰丙酸及少量 羟甲基糠醛 多元醇可与酸作用生成酯，例如糖代谢中的多种中间产物都是糖的 磷酸酯- 酯化作用 (糖代谢活性形式 )- 弱碱作用醇羟基在弱碱作用下可解离而烯醇化，例如 Glc、 Fru和甘露糖三者可通过 1,2-烯醇式 -Glc相互转化自学- 形成糖苷 (聚糖 )单糖的 半缩醛羟基 /苷羟基 易与醇 /酚的羟基反应、失水而形成更为稳定的缩醛式衍生物 糖苷 ： 不与苯肼反应，不易被氧化，无变旋现象，对碱稳定 (但遇酸易水解 )- 氧化作用 (还原糖 )某些弱氧化剂 (如氧化铜的碱性溶液 )与单糖作用时会使其羰基 被氧化，例如用 Fehling/Benedict试剂 测定糖含量；而单糖的 羟基 在不同条件下亦可被氧化成相应的氧化物- 还原作用单糖有 游离羰基 而易被还原：在钠汞齐及硼氢化钠类还原剂作用下， 醛糖 还原成糖醇， 酮糖 则还原成两个同分异构的羟基醇 (non-C*C*) 自学单糖脎衍生物的熔点- 为什么 葡萄糖与甘露糖 的糖脎以及半乳糖与塔洛糖 的糖脎熔点相同？- 生成糖脎 (cf. Fig. 6-4)单糖的自由羰基能与 3分子 苯肼作用生成糖脎 (难溶于水的黄色结晶 )， 可利用糖脎形状和熔点的不同来鉴定各种糖 - Glc脎为黄色细针状- Mal脎呈长薄片形+ 苯胺将与腙基碳相邻的醇基 (醛糖C2/酮糖 C1)氧化成羰基苯腙酮苯腙H2O自学 糖的鉴别- 鉴别糖与非糖Molisch试剂 ： -萘酚与糠醛生成紫红色缩合物 (反应很灵敏，滤纸屑也会造成假阳性 )蒽酮试剂：反应呈蓝绿色，在 620nm有吸收，常用于测定总糖 (Trp有干扰 )- 鉴别醛 /酮糖Seliwanoff试剂 (间苯二酚 )：酮糖在 20-30秒内生成鲜红色，醛糖反应慢且颜色浅，增加浓度或长时间煮沸才有较弱的红色 (但蔗糖容易水解而显色 )- 鉴定戊糖Bial反应 ：甲基间苯二酚与戊糖生成深蓝 /鲜绿色沉淀，可溶于正丁醇；己糖生成不溶性的灰绿或棕色沉淀- 鉴定单糖Barford反应：微酸条件下与铜反应，单糖在 3分钟内即可显色，寡糖则要 20分钟以上 自学 某些单糖衍生物具有重要的生物学作用9-9- 某个 -OH被另一基团所取代- 某个 C被氧化成羧基胞壁酸N-乙酰胞壁酸葡糖胺N-乙酰葡糖胺乳酸基G6P半乳糖胺 甘露糖胺岩藻糖 鼠李糖葡糖醛酸 葡糖酸 葡糖酸内酯 N-乙酰神经氨 (糖 )酸甘油基(cf. p217)磷酸化的保糖 /活化作用 二糖由两个单糖通过糖苷键连接而成 - 一个糖的异头 C和另一个糖的 -OH反应 可 形成 O-糖苷键= 半缩醛 (吡喃 Glc的 C1*)与醇 (2nd个 Glc的 C4位 -OH)反应生成缩醛- 提供半缩醛 -OH的糖部分为糖基 ，与之缩合者 (亦可能是糖 )为 配基 ，而两者之间的连接即为 糖苷键 (/型 )- 糖苷键可以是 O-苷、 N-苷、S-苷或 C-苷，自然界中以前两者最为常见9-11(cf. p218)糖基水解 缩合麦芽糖2. 寡糖 Oligosaccharides普通二糖 Disaccharides均无游离的异头 C9-12海藻糖- 麦芽糖和纤维二糖 均为 次生寡糖 ，分别由淀粉和纤维素降解而得，其 Glc残基分别经由 -/-糖苷键连接- 乳糖 仅由泌乳期的乳腺合成异构体的甜度及溶解度均更高 (异构体口感好 )- 蔗糖 仅由植物合成，因 Glc和Fru残基的异头 C均参与糖苷键的形成而 无还原性和变旋(海藻糖亦如此 )乳糖(半乳糖苷 )蔗糖(葡糖苷 )- Glc等的 异头 C可以被 Cu2+之类的弱氧化剂 氧化 ，前提是必须处于开链状态，即在C1位具有 游离 羰基 C- 能够还原 Cu2+的糖都是还原糖红色沉淀 大多数寡糖 (和单糖 )都是还原剂 9-10异头 C的氧化是Fehling反应的基础-Glc氧化酶 葡糖酸 -内酯测定 H2O2即可确定血糖含量- 异头 C一旦参与了糖苷键的形成就 不能 再以开链方式存在：不再具有还原性，也不能成脎- 具有游离 异头 C (未参与糖苷键形成 )的二糖或寡糖链末端 为 还原端 ，由其决定 聚糖的构型- O-糖苷键对碱稳定，但容易被弱酸水解Non-reducing endReducing end/ by mutarotation糖苷键型 聚糖构型Storage/Structural- 与 蛋白质不同，多糖通常并没有确切的分子量 (?)9-133. 多糖 Polysaccharides 淀粉 Starch (plant & fungi)为直链和支链淀粉的混合物，前者为 (1 4)糖苷键 连接的 Glc线形聚合物，后者还有分支处 (每隔 24-30个残基 )的 (1 6)键 糖原 Glycogen (animal & bacteria)以 (1 4)糖苷键 连接的 Glc聚合物，分支处 (每隔 8-12个残基 )为(1 6)键， 平均分子量可达数百万，占肝脏湿重 10% 储存多糖：糖原和淀粉直链淀粉Amylose支链淀粉Amylopectin9-14- 储存多糖必须是不溶性的 ，否则将导致非常高的 Glc梯度而使之吸收需要耗费大量的自由能- 肝 糖原 (0.01M) 0.4 M Glc叶绿体淀粉大颗粒( 1.0 m)肝糖原小颗粒( 0.1m)淀粉颗粒中混合有直链及支链结构9-15/16- 大分子多糖仅有一个 还原端 ，故实际上均无还原性和变旋，无甜味，一般也不结晶- 淀粉 /糖元的降解与合成均由非还原端 进行- (1 4)糖苷键 的曲折构象使得淀粉 /糖元呈紧密左手螺旋结构(eg. 直链淀粉 6 Glc/turn)(1 4)糖苷键(1030%)(7090%)残基数 60遇碘呈 蓝