（物理化学专业论文）糖苷类化合物的合成及其立体结构研究.pdf

糖酱类化食物的合成及立体结构研究 摘要 本文以基本生命物质糖( 木糖、葡萄糖、半乳糖3 种单糖) 为出发原料，以糖 基异硫氰酸酯为中间体，对硫脲、二茂铁、席夫碱等活性小分子进行糖基能修饰， 含窟2 t - - - - 个系弼糖营裳纯含物，其缩梅分剐经承、hn m r 秘元綮分析迸行确定； 会残势培养y - 个薪型糖萤类佬舍物故擎晶，用x - 射线餐瓣分辑技术测定了冀键 长、键角、扭蓝角等参数，确认了他会物蛇空闻缝棱及槐象。具体硬突内容与磷究 成果如下： ( 1 ) 从d 葡萄糖、d 半乳糖和d 术糖3 种单糖出发，设计合成了含肖上述糖 鏊、硫酰腙和二茂铁结构的新型功能化合物n - ( 1 一二茂铁皿乙基氨基) 。p d _ 吡喃糖 蘩硫骤。 ( 2 ) 辩含鸯双酸j l 绪梅静纯合物进彳亍糖鏊亿移饰，合藏了具宥嵩凌对称双虢_ | l 缝构熬赣型糖营类纯仑兹，强麓逶邀生念甥震戆弓l 入使双酸辨类纯舍戆豹玺兹活性 鸯赝改善。 ( 3 ) 设计并合成了系列新型半乳糖基希夫碱类化合物，既含有生命物质半乳糖， 又含有生物活性綦团异硫氰酸酯及c = n 蕤团，期望通过生命物质的引入能使含硫脲 基希夫碱化台物的生物活性有避一步的改善。 ( 4 ) 研究了糖苷类纯含物的单酯培养环境，培养了3 个半乳糖苷粪化合伤的新 肇鑫，并焉妊羹雩线鬈射分辑按零测定了其糖确结构及键长、键角、怒瀚角等参数， 确认了其空闯结构及槐象。三个掰擎晶分裂魏：d 己基水2 ，3 , 4 , 6 * 强。积乙酿基移d 毗嗪半乳糖基硫代甲酸乙懿、舭氨基- v o ( 2 ，3 ，4 ，6 一嫂- 岱乙酰基移d 毗髓半孥l 糖基) 硫脲和苯甲醛缩- 氨基- 0 2 ，3 ，4 ，6 - 四0 - 7 , 酰基莎d - 毗喃半乳糖基硫脲。 ( 5 ) 研究了糖苷化合物的构型和反威过程中构型的转化，探讨了糖苷化台物的 生物活性及热稳定性。 美键词糖苷含成表征x 射线衍射分析技术晶体结构 s t u d i e so nt h es y n t h e s i sa n ds t e r e o s t r u c t u r eo fg l y c o s y l c o m p o u n d s a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，g l y c o s y l h a sb e e ni n d u c t e di n t ot h es t r u c t u r e so ft h i o u r e a , d i a c y l h y d r a z i n e ，f e r r o c e n e ，e m p l o y i n gt h r e em o n o s a c c h a r i d e si n c l u d i n gx y l o s e ，g l u c o s e a n d g a l a c t o s ea ss t a r t i n gm a t e r i a l s ，a n du s i n gg l y c o s y li s o t h i o e y a n a t e s a su s e f u l i n t e r m e d i a t e s t h r e es e r i e so fg l y c o s i d e sh a v eb e e nd e s i g n e d ，s y n t h e s i z e d ，a n d c h a r a c t e r i z e db ym e a n so fe l e m e n t a la n a l y s i s ，i ra n d1 hn m r t h r e en o v e ls i n g l ec r y s t a l s o fg l y c o s y lc o m p o u n d sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yp r e p a r e da n ds t u d i e db yx r a yd i f f r a c t i o n t e c h n i q u e t h e i rc r y s t a ls t r u c t u r e sa r er e p o r t e dp r e c i s e l y , i n c l u d i n gb o n dl e n g t h s ，b o n d a n g l e s ，t o r s i o na n g l e sa n ds oo n s o m ep r o p e r t i e so fg l y c o s i d e sa r ea l s od i s c u s s e dh e r e t h ec o n t e n t sa n dt h ep r i m a r yc o n t r i b u t i o n so ft h er e s e a r c ha r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) s e v e r a ln o v e l h i g h l ys y m m e t r i cc a r b o h y d r a t ec o m p o u n d sb e a r i n g d i a c y l h y d r a z i n ef r a m e w o r kh a v eb e e ns y n t h e s i z e dv i aaf i v e s t e pp r o c e d u r e ，u t i l i z i n g d g l u c o s e ，d - g a l a c t o s ea n dd - x y l o s ea ss t a r t i n gm a t e r i a l s ，r e s p e c t i v e l y t h e yh a v eb e e n e x p e c t e dt od i s p l a yv a r i o u sb i o a c t i v i t i e s 【2 ) s e v e r a ln o v e ln - o f e r r o c e n y l e t h y l i d e n e ) a m i n o 一n 1 - 8 - d g l y c o p y r a n o s y l t h i o u r e ah a v e b e e n e f f i c i e n t l ys y n t h e s i z e dv i aas i x s t e pp r o c e d u r e ，u t i l i z i n gt h r e e m o n o s a c c h a d d e s ( d - g l u c o s e ，d - g a l a c t o s e a n d d x y l o s e ) a ss t a r t i n gm a t e r i a l s ， r e s p e c t i v e l y t h e yh a v eb e e np r e l i m i n a r i l yd e t e r m i n e dt od i s p l a yb i o l o g i c a la c t i v i t y a g a i n s tc e r a i nf u n g i ( 3 ) as e r i e so fn o v e ls c h i f fb a s ec o m p o u n d sb e a r i n gg a l a c t o s y lh a v e b e e n s y n t h e s i z e d t h e i n d u c t i o no fl i f em a t t e rm a ye f f i c i e n t l y i m p r o v et h e i rb i o l o g i c a l a c f i v i t i e s 2 ( 4 ) t h r e en o v e ls i n g l ec r y s t a l so fg l y c o s y lc o m p o u n d sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l y p r e p a r e da n ds t u d i e db yx - r a yd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e t h e i rc r y s t a ld a m sa r er e p o r t e d p r e c i s e l y ，i n c l u d i n gb o n dl e n g t h s ，b o n da n g l e s ，t o r f i o na n g l e sa n ds oo n ，s ot h a tt h e i r s t r u c r t r e sa n dc o n f i g u r a t i o n sa r ec o n f i r m e d t h ec r y s t a l sa l e ：0 - e t h y l - n - ( 2 ，3 ，4 ，6 一 t e t r a 0 a c e t y l 声- d - g a l a c t o p y r a n o s y l ) t h i o c a r b a m a t e ，4 - ( 2 ，3 ，4 ，6 - t e t r a o - a c e t y l 伊d - g a l a c t o p y r a n o s y l ) t h i o s e m i c a r b a z i d e ，a n db e n z a l d e h y d e1 - ( 2 ，3 ，4 ，6 t e t r a - o a c e t y l - - d g a l a c t o p y r a n o s y l ) t h i o s e m i c a r b a z o n e ( 5 ) t h ec o n f i g u r a t i o no ft h eg l y c o s i d e sa n dt h e i rt r a n s f o r m a t i o ni nr e a c t i o na r e r e p o r t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h eb i o l o g i c a la c t i v i t i e sa n dt h c m m ls t a b i l i t yo fs o m e g l y c o s i d e s a r ea l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：g l y c o s i d e ，s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o n , x r a yd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e ， c r y s t a ls t r u c r n 蛩 青岛科技大学研究生学位论文 第一章绪论 在生命活动的过程中，糖作为能量物质及结构物质的作用早已被人们所熟 悉。随着分子生物学及细胞生物学的发展，糖的其它诸多生物功能不断被认识。 糖不仅可以以多糖或游离寡糖的形式直接参与生命过程，而且可以作为糖复合 物，如糖蛋白、蛋白多糖及糖脂等参与许多重要的生命活动。此外，糖复合物还 与许多疾病，如癌症、细菌和病毒感染等疾病有着密切的关系。有关糖的研究将 成为未来生命科学中的中心研究课题之一i i j 。 糖、蛋白质、核酸是涉及生命活动本质的三类重要生物分子。由于糖分子自 身的结构特点，使得对糖的研究工作非常复杂，因此糖类的研究远落后于蛋白质 和核酸的研究水平。目前在糖化学中顺序测定的分析技术、合成方法和空间结构 技术等，从总体上讲还只相当于6 0 7 0 年代蛋白质和核酸的研究水平 2 】。对糖类 的研究工作与对蛋白质和核酸的研究工作相比，不论是在我国，还是在国外都是 一个薄弱环节。但由于糖的许多引人瞩目的生物功能，使得近几年来关于糖的研 究逐步活跃起来，尤其是关于糖生物学的研究取得了突飞猛进的进展，英国、美 国、日本等国家在糖类研究工作方面进展较快。糖生物学与糖化学研究已成为2 1 世纪生命科学前沿和热点领域。糖链结构与功能的阐明将是后基因组时代生命科 学研究的核心内容之一，对人类健康的维护和疾病的防治将产生深远影响。 1 糖类研究的历史回顾 糖类的研究已有百年的历史。许多研究成果表明，糖类是生物体内除蛋白质 和核酸以外的又一类重要的生物分子，尤其是一类重要的信息分子。 1 1 糖类和血型 众所周知，血型在输血、组织和器官的移植以及法医鉴定中是必须注意的。 人类的a b o 血型以及相关血型抗原性是由糖链决定的【3 1 。a 型和b 型抗原决定 簇的不同只是在于糖蛋白和糖脂中糖链的非还原端的一个糖残基：a 型为乙酰 氨基半乳糖( g a l n ac ) ；b 型为半乳糖( g 曲。从分子结构看，两者差别只是一个糖 糖苷类化合物的合成及其立体结构研究 残基c 2 上的基团：a 型为n - k , 酰氨基；b 型为羟基。a 型血的个体，他们的血液 中含有抗b 型糖链结构的抗体；b 型血的个体，其血液中则有抗a 型糖链结构的 抗体。一旦输入不同血型的血液，就有可能引起免疫反应。o 型血的个体的相应 的糖链结构少了a 、b 抗原非还原端的g a l 或g a l n a e 。为此，这样的糖链结构不 会和抗a 或抗b 的抗体结合引起免疫反应。 造成这些a b o 血型抗原决定簇结构细微差别的根源是，a 型和b 型个体的 等位基因分别表达了两个不同的糖基转移酶，a 酶和b 酶。它们的一个底物，糖 基接受体是相同的；但是，另个底物，糖基供体则不同，分别为u d p g a l n a c 和u d p g a l 。经研究发现，a 酶和b 酶的e d n a 只有4 个碱基的差异；在这两个 酶的氨基酸序列上，也只有4 个残基的不同【4 】。用不同组合排列方法改变这4 个 不同的碱基，得到1 6 种不同的酶，它们可以具有不同程度的a 酶和b 酶的活性。 而0 型血个体的这些等位基因表达的产物因缺失一个核苷酸，所得到的蛋白质变 成了一个没有酶活性的产物。 这样的血型抗原物质不仅存在于一些红细胞的表面，而且也存在于一些表皮 细胞的表面。表皮细胞表面的血型抗原糖链结构和红细胞表面的血型抗原糖链结 构是一致的1 5 】。 1 2 糖链和细胞表面的特征 在多细胞生物的细胞外表面覆盖着一层糖链，通常也称为糖被。在日文中将 其形象地描述为细胞的颜面。细胞表面的糖链也可比拟为大地表面的植被。糖蛋 白上多分支n 一糖链( 分支数可为2 5 ) 则像树上粗大的树枝，0 糖链是细小的 树枝；膜糖蛋白的胞外肽链如树干，穿越质膜的肽段和胞内肽段则是树根；糖蛋 白根深而叶茂。而糖脂的脂质插a j i 旨双层的外层，其糖链犹如小革。在细胞表面 还包裹着一层作为细胞间质组分的蛋白聚糖。最近发现一些蛋白聚糖也能整合到 质膜中。这些不同组成和结构的糖蛋白、糖脂和蛋白聚糖被统称为糖复合物。在 细胞表面形成分支的糖链宛如天线，正是它们在细胞问传递信息。这些糖链参与 了细胞间的粘附，例如作为细菌、病毒等病原体的受体，或是作为激素等信息分 子的接受体。 常规验血时，在一般显微镜下只能对红血球和自血球进行计数。但是，在高 倍显微镜下，它们不只是一个小圆球，而且能清晰地观察到其细胞表面的糖被。 青岛科技大学研究生学位论文 在这些细胞表面存在着结构不同、数目不等的糖复合物。在红血球表面数目。较多 的一种糖蛋白是载糖蛋自a ( g l y c o p h o r i na ，也译为血型糖蛋白a ) 。据推算，每个 红血球表面约有5 0 万个这种糖蛋白。它的肽链由1 3 1 个氨基酸组成，含糖量约 6 0 。在肽链n 末端的1 5 肽上就带有9 条0 ；睹链，红妞球表面8 0 的唾液酸( s i a ) 集中在这种糖蛋白韵表面。载糖蛋白还与m n 血型有关。在白血球表面存在着另 一种唾液酸含萋极高的糖蛋白自唾液酸蛋白( 1 e u c o s i a l i n ) ，它的唾液酸含量占 白血球的唾液酸总量的8 5 。其肽链含有3 8 1 个氨基酸残基，n 端肽段中有8 0 多个o 糖链。这种糖蛋白在粒细胞、单棱细胞和t 细胞表面都有。表面携带着大 量的唾液酸，为这些血细胞表面提供了众多的负电荷，进而避免了它们在血管中 流动时可能发生的相互粘附以及和血管内皮细胞的粘附。 1 3 糖链莉疾病 最近研究表明，糖复合物表面糖链结构的变化将导致免疫细胞的免疫调节功 能的改变，这将与疾病的发生与治疗相关。从方法学上看，1 9 7 5 年m i l s t v i n 等创 建的单克隆抗体技术，不仅对免疫学研究作出了众多贡献，而且也被越来越广泛 地应用于糖链的检测和鉴定，以及相关疾病的诊断。1 9 8 5 年f e i z i 发表了题为“应 用单克隆抗体确认糖蛋白和糖脂的糖链是癌发育抗原”的文章。后来在日本出版的 糖工程学一书中有一章“糖链韵免疫工程”详细介绍了单克隆抗体在糖链和疾 病研究中的应用。( 1 ) 过去a b o ( h ) 和l e w i s 血型都是用多克隆抗体鉴定的。目前 运用单克隆抗体鉴定的试剂也已普及。( 2 ) 各种自身免疫疾病均有相应的自身抗 原。已知糖链作为自身抗原的疾病有：自身免疫性甲状腺炎、红斑狼疮等，也有 人认为糖尿病也与此有关。( 3 ) 肿瘤标记物的鉴定。已知2 - - 3 s i a l e x 主要是肺癌 和卵巢癌等肿瘤的标记性糖链抗原； 2 - - , - 3 s i a l e a 主要是消化系统胰腺、肝脏、 胃和大肠等肿瘤舶标记性糖链抗原。国际瘸发育生物学和医学会( i s o b m ) 举办了 多次组织分化研讨会，1 9 9 7 年举行的第6 届研讨会的主要对象是s 湖j e a 单克隆 抗体。对一系列单吏隆抗体加以比较鉴定，以便能确定它们的相对价值，从中选 出适用的单克隆抗体用于胰腺癌、肝癌和胄肠道癌症的监测。 免疫球蛋白g ( i g g ) 的糖链和类风湿病的关系是诸多糖链和疾病关系研究的 较为透彻的一个例子。i g o 占总免疫球蛋白的8 0 ，其糖含量路大于3 。i g g 在 体液免疫中韵功能早已阐明，但是其糖链的功能却鲜为人知。直至1 9 8 1 年， 糖苷类化合物的合成及其立体结构研究 d e i s e n h o f e r 用x 一射线晶体衍射分析确定了糖基化位点以及糖链的结构。糖链是二 天线的复杂型n 一糖链。1 9 8 5 年，木幡阳发现类风湿病人i g g 糖链中的g a l 低于 正常人，据此提出了“糖病理学”的学科新分支，即研究糖链失常与疾病关系的学 科。此后，他和英国著名的糖生物学家d w e k 多年合作，终于确证了这种缺乏g a l 的i g g 发生了构象变化，被人体作为异物，而产生相应的抗体，在血管和关节等 部位出现了免疫复合物的沉积，从而引发类风湿。糖链结构的改变在这种疾病中 是病因而不是结果。 1 4 糖链和多细胞生物的生命现象 6 0 年代发展起来的分子生物学，在核酸及其直接表达产物蛋白质水平上阐明 生命现象，已取得突出的进展和重大的成就。如人类基因组和水稻基因组的研究 已有了重大进展。酿酒酵母和美丽线虫等低等生物的基因组测定业已完成，但试 图利用它们来阐明多细胞生物的生命现象还是远远不够的。 原核单细胞( 例如大肠杆菌) 的分裂，经过对数生长期，在几小时内就可达 到每毫升1 0 8 1 0 9 个细胞。而高等生物受精卵的分裂，不仅要相互结合，还必 需保持合理的空间配置和时间进程。在不同的时期可以出现不同的生物分子。糖 链的结构也在发育过程中发生变化。例如在8 - - 1 6 细胞期出现了l e x 抗原。为此， 这类抗原被称为阶段特异胚抗原( s t a g e - s p e s i f i ce m b r y o n i ca n t i g e n ，s s e a ) 。l e x 抗 原也被称为s s e a - 1 ，它可能和桑椹期的致密过程有关。1 9 8 5 年，f e i z i 等首先提 出了“糖分化抗原”的概念，即在发育过程中细胞糖蛋白和糖脂所携带的糖类抗原 的改变是通过有序地逐个增加或减少糖残基来完成的。 人类大约有4 0 5 0 亿个细胞，这些细胞又组成了许许多多的细胞集团。每 个集团的细胞以不同的方式相互粘附，细胞和基质之间也存在着相互识别和相互 作用，集团之间又相互识别、相互作用和相互制约，调节和控制着高等生物沿着 固有的空间轴和时间轴井然有序地发展。在如此复杂的发展过程中所需的极其巨 大的“生物信息”只能由所含信息量比核酸和蛋白质大几个数量级的糖链分子来承 担，这就导致了“糖生物学”的诞生【6 1 。 2 糖生物学正在成为生命科学的新前沿 2 1 糖生物学的崛起 4 青岛科技大学研究生学位论文 糖生物学( g l y c o b i o l o g y ) 这一个名词的提出是在1 9 8 8 年。牛津大学d w e k 教授 在当年的生化年评中撰写了以“糖生物学”为题豹综述，这标志了糖擞物学这 一薮黟分支学秘我诞生。瓣一年牛津大攀骚剁成功了k 一耱链匏结擒分辑投，纛爨 商品化。 将糖生物学推向生命军沣学前沿的重大事件发生予1 9 9 0 年。有3 家实验室几 乎固黠发现搬管内皮细胞，自囊球糕黔分子i ( e l a m - i ) ，鼹来改褒为瓢选凝豢 f e s e l e c t i n ) 。这一位- t 内皮细胞表面的分子能识别白赢球表颇的四糖s i a - l e x 。当 组织受整| 损伤时，鑫斑球耨肉皮缀艇稻辩，并沿壁滚动，终蔼穿遗血管麓，进入 受损组织，以便杀灭入侵的异物，但是，过多的白血球则引起炎癜以及继发的瘸 变。后来又发现了这一家族中的其它成员：p - 选凝素和l - 选凝素。这一发现首次 溪甥了炎症过程畜糖类霹籀关懿蕤缝合殛鑫参与。凳令入皖豫静惫，在肄瘗和大 肠癌细胞的表面也发现了s i a - l e x 。进入血液循环系统的癌细胞可能借助了类似 于上述的机制穿过衄管，谶而导致肿瘤的转移。紧接着又出现了以这一黧础研究 残暴爻菝据戆秀发萋陲生产蒎炎秘撬瓣瘸药甥弱热灞。戳糖禽名戆蕊厂惑应运褥 生。美阑s c r i p p s 研究所的华裔科学家壬启辉( c h j - h u e yw o n g ) ，在这期间首先廒 沼3 种不同的糖基转移酶，酶促合成了s i a - l e x 。 爨簧糖生物学綦础研究的发震，属于糖生猕学磺究的方法积基本搜本，戳及 把基础研究所得的成果进步转化为生产技术椁方面的研究也倍受燕视，“糖工 疆学”的兴趣落是极为自然豹了。 2 , 2 各藿致黪对壤囊物学疆窕熬支持 世界各国对糖生物学研究都绘予高度重税，几个史要国家在这研究领域投 入了大壤的入力和物力，并取得了相应的成绩。 2 2 。l 英餮在穰生物学领域开震的工于# 英嚣牛津大学的生化蓉是世爨上最大豹生纯系之一，搦骞鬟懿最先遴戆糖链 结构测定的设备。分布于整幢大楼的十余台高分辨率核磁共振仪，数台试剂( 以外 韬糖营赫为主) 阵到分析法测定糖链结构的糖颓序仪以及快速原子袭击电离质谱 和基质辅助激光解吸瞧离飞行时阕质谱等，再配合熹分辨率x 射线麓射，霹在一 周内测出糖链的全部结构甚至立体构象。1 9 8 8 年，牛津大学研制成功了n 糖链 戆结穆分辑仅，曩己巍品纯。牟津大学爨敝衽剜予1 9 9 1 年餐聱j 了“g l y c o b i o l o g y ” 糖苷类化合物的合成及其立体结构研究 专业杂志，1 9 9 2 年将生化系的g l y c o b i o l o g y u n i t 改称为糖生物学研究所。牛津大 学借助于先进的仪器设备和雄厚的技术力量，在糖生物学领域做出了举世瞩目的 工作，特别在免疫糖生物学和病毒糖生物学领域的研究成果处于国际领先地位【_ ”。 2 2 2日本在糖生物学领域开展的工作 日本政府和学术界认为，他们在蛋白质和核酸等领域已落后于欧美发达国 家，因而对糖类研究给予相当的重视，希望能在糖类这一学科上和欧美一争高下。 在1 9 8 8 年日本就建立了一个论坛：“糖类正在来临的时代”，并创干0 了糖科学和 糖工程学动态杂志。此后还出版了很多专著和专辑。1 9 9 8 年1 2 月目文期刊蛋 白质核酸酵素又出版了一期糖生物学专辑。在这一专辑中共刊登了5 3 篇文章， 除了作为附录的最后一篇文章是介绍各种类型的糖链结构外，其它的文章被分为 5 个专题：糖链信号的产生、糖链信号的破译、生物活性糖链和邻近方式的信号 转导、参与分化和疾病发生的糖链识别及糖工程学和糖生物学的前沿和应用嘞。 日本政府对糖生物学的研究给予了大力支持，1 9 8 9 年日本政府科学技术厅提出关 于“糖工程基础与应用研究推进战略”的咨询，经过专家评议提出了详尽的推进战 略方案，并于1 9 9 1 年由科技厅、厚生省、农林水产省、通商产业省等联合实施“糖 工程前沿计划”，这是投资数百亿日元的1 5 年计划，包括糖工程和糖生物学( 分为 “糖分子生物学”和“糖细胞生物学”) 。同时，成立了“糖工程研究协议会” 作为协调机构，主席为a k o b a t a ，该协议会编辑出版了糖工程学专著。由 于对该领域的重视，日本已取得大量研究成果，走在该研究领域的国际前列。日 本经济产业省又启动一项人体细胞糖链的研究，寻找合成糖链的酶基因，然后解 析糖链的功能，仅糖基转移酶的克隆就投资8 0 亿日元。 2 2 3 美国在糖生物学领域开展的工作 美国能源部资助佐治亚大学于1 9 8 6 年创建复合糖研究中心和复合糖结构数 据库，其计算机计划称c a r b b a n kv r o j e c t ，1 9 9 0 年底仅有糖结构数据6 x 1 0 3 个，到 1 9 9 6 年该数据库已有记录4 2 1 0 4 多个，目前该数据库已移至g l y c o m i n d s ( w w w g l y c o m i n d s n e t ) 。在线虫基因组研究完成后，作为基因组和蛋白质组研究的延伸， 美国新罕布什大学化学系的结构生物学研究中心启动了一项“线虫糖组学研究”计 划，分析测定线虫的糖组( g i y c o m e ) ( 定义为细胞内所有的糖链组分) 、开展糖组学 ( g l y c o m i c s ) 研究( 即研究糖链的表达和调控) ，目的在于确定基因所携带的遗传信 6 青岛科技大学研究生学位论文 息与其功能之间豹关系。美国s c r i p p s 研究所的p a u l s o n 和u s c d 的v a r k i 等几位 著名糖生物学家组织了一个“功能糖组学”研究项目，向美国n 1 h n i g m 申请基 金，于2 0 0 1 年9 月正式启动，参与该计划的4 l 位科学家来自美国、英国、德国、 法国、加拿大、丹麦、瑞典和俄罗斯的2 7 个研究机构，是一个多学科、多机构 的国际性计划，项目的总体目标是阐明由蛋白质糖链相互作用所介导的细胞 通讯机制。其它包括印度、台湾等国家和地区也都有相应的计划1 9 】。 2 2 4 歌湖在糖生物学领域开展的工作 欧洲也不甘落后，为协调欧洲的糖研究与开发，强化欧洲在糖的研究成果转 化为商品方西与美目竞争的能力，1 9 9 3 年1 1 月歇盟成立了欢洲耱工作小组，其 任务是起草“欧洲糖研究开发平台”的报告，该报告起草过程中广泛征询了歃洲各 国从事糖研究与生产的研究机构和公司的意见，并于1 9 9 4 年6 月提交欧盟负责 科技钓第十二司d o x i h 歃盟遂在其1 9 9 4 1 9 9 8 年的研究计划中启动了“欧洲耱 研究开发平台”，由歇盟和企业投资，其二级平台有；天然多塘、有机原材料糖、 分子识别过程中的糖缀合物、动物来源的糖聚合物、微生物来源的糖聚合物及糖 和食品，平台的职能是：通讯、信息共享、协调及知识管理，该计划得到了欧洲 研究机构和企业的大力支持。 2 2 5 我凰在糖生攒学锾域的赫进展 我国也在寡糖合成 方法、结构测定以及生 物活性寡塘、糖缀合物 韵应用研究等方面进 行了积极的探索并取g t 得了很大的进展，活跃 了我国糖化学的发展。 惠永正研究员和 触如- a o g w - i 俞飙研究员在成功合成固氮信号分子的基础上，先后又完成了树脂糖苷啊c o l o r i n a 的全合成和强抗癌活性的甾体皂昔o s w - 1 的全合成。这两个化合物的合成都 是在国际上育竞争性的工作，但该小组均抢先一步成为第一个完成。i h c o l a 曲a 的全合成简报发表于a n s e mc k e m 【l o l ，全文发表于j ：o r g c h e m o i l 。o s w - 1 也 7 糖苷类化合物的合成及其立体结构研究 发表于jo r g c h e m 【1 2 】，美国s c r i p s 研究所所长ps c h u l t z 获悉后专门来信 索取样品，要求合作。他们还发展了一些糖苷化和保护基团的方法【l 。 牛膝多糖是我国首次报道的具有免疫活性的小分子多糖。田庚元小组从牛膝 中分离、提取得到的一种小分子多糖化合物一牛膝多糖，药理试验表明它具有提 高机体免疫功能、升高白细胞、抑制肿瘤转移和保护肝脏功能，长期服用无任何 毒副作用。牛膝多糖已获发明专利， 并开发成卫生部批准的保健食品，1 9 9 5 年 被批准列为国家新药“1 0 3 5 ”工程的预选项目，1 9 9 7 年获中国科学院发明二等 奖。从2 0 0 0 年6 月起，开始生产牛膝多糖新药。 在寡糖合成和糖苷化方法学上，生态环境中心的孔繁祚小组【1 4 】和北京医科大 学的蔡孟深1 1 5 j 6 也做了大量出色的工作。 吴毓林小组在由糖合成手性天然化合物的研究中，利用价廉易得的单糖和羟 基酸作为手性源进行脂链化合物的合成，共合成了手性天然产物或其前体及类似 物三十多个，包括：花生四烯酸5 一脂氧化酶代谢物一白三烯a 4 和b 4 ；花生四烯 酸8 脂氧化酶代谢物- - h 印o x i l i nb 3 和t f i o x i l mb 3 ；花生四烯酸5 ，1 5 一脂氧化酶 代谢物- n 氧三醇( l x a 4 和b 4 ) ；抗稻瘟病介质；库蚊产卵地引诱剂；番荔枝内 酯类化合物；鞘氨醇类及其它一些化合物，其中一些化合物是国际上首次合成。 本成果已通过专家鉴定，评审专家认为本项目达到国际先进水平，其中相当一部 分达到了国际领先水平。 2 3 近年来糖生物学的突飞猛进【6 l 一门学科的发展情况最容易从大型国际会议和著名学者的言论中反映出来。 最近美国每隔二年召开一次“糖工程”会议。在1 9 9 3 年首届“糖工程”会议上，著名 的糖生物学家、会议的主持人h a n 说，生物化学中最后一个重大的前沿，糖生物 学的时代正在加速来临。在第2 届会议时，又说，糖生物学是生物化学和生物医 学交叉点的前沿。 1 9 9 6 年在米兰召开的第1 8 届国际糖化学讨论会上，v o nb o e e k e l 等报告合成 了肝素中抗凝活性碎片五糖的模拟物，其活性是天然产物的2 倍，因此，他 获得了以糖化学先驱w h i s t l e r 命名的奖项。 自1 9 9 1 年结构生物学当代见解杂志( c u r r e mo p i n i o no ns t r u c t u r eb i o l o g y 、 创刊以来，每年的第5 期上都有“糖类和糖复合物”为题的专辑。1 9 9 5 年的主编f e i z i 青岛科技大学研究生学位论文 为专辑加了个副标题“寡糖配体和糖结构数据库的时代已经来临”。这预示了一个 新的转变：前几年是以选凝素和细胞粘附分子等糖结合蛋白为主角；而今则是这 些蛋白质的配体寡糖链粉墨登场，真正的糖类分子将在舞台上扮演主角。 1 9 9 7 年在苏黎士召开的第1 4 届糖复合物国际年会上，h a r t 因他的发现而获 奖，就他们的发现作了专题报告。报告的内容以综述的形式登载于1 9 9 7 年的生 化年评上。他和合作者发现了在细胞质和核内特有的o g i c n a c 糖基化。这种 糖基化仅在核质内的蛋白质上接上单个o g i e n a e ，但可以发生这种修饰的蛋白 质非常广泛，包括核孔蛋白、r n a 聚合酶、转录因子、染色体蛋白。而且这种糖 基化是可逆的动态调节，可以和磷酸化发生置换。这些结果均表明，o g i e n a e 糖基化具有和蛋白质磷酸化相似的生物学意义。在第1 4 届糖复合物年会上，还 出现了“免疫糖生物学”、“神经糖生物学”和“植物糖生物学”等新的分支学 科和前沿领域。 1 9 9 8 年5 月于德国召开“国际糖生物工程讨论会”。这次讨论会下设3 个分支： ( 1 ) 糖生物学。包括糖蛋白和糖脂合成的分子生物学、糖基转移酶的分子生物学、 细胞内的通路和投送受体、分化发育和基因治疗、免疫学和神经生物学、寄主和 病原体的相互作用、糖基化和疾病；( 2 ) 糖化学。涉及的内容有化学合成、组合 合成、酶法合成、分子相互作用和结构分析、数据库和网络；( 3 ) 糖生物工程。 有关的方面为：发展糖药物的重组工具、表达系统、宿主和载体、宿主细胞的糖 基化工程、糖蛋白生产系统、生物工程工序、药理学和诊断、重组和天然糖蛋白 的糖信号及其在体内的命运和靶向性、质控和分子技术、法规条例。 一些发展中国家也给予糖生物学以一定的重视，并竞相主办国际性会议。 1 9 9 7 年在爱尔兰的g a l w a y 曾召开过皇家化学学会糖类春季讨论会，1 9 9 7 年在波 兰华沙召开了鞘糖脂和鞘氨醇的结构、代谢和功能的国际讨论会，1 9 9 9 年1 月印 度在b a n g a l o r e 主办第5 届国际真核细胞表面生物大分子生物功能讨论会。 3 糖化学与糖生物学对人类健康的关系 1 0 0 多年前德国著名科学家e f i s h e r 就开始研究糖类。1 9 2 3 年m h e i d e l b e r g e r 和t o s w l d 提出细菌的抗原是由糖类物质组成而不是蛋白质。从上 世纪6 0 年代起，人们发现糖类物质具有多方面和复杂的生物活性，如细胞间的 相互通讯、识别作用，胚胎的发生、转移，信号的传递，细胞的运动与黏附，抗 9 糖苷类化合物的合成及其立体结构研究 微生物的黏附与感染及调节机体的免疫功能等等。2 0 世纪7 0 年代开始了糖化学 ( c a r b o h y d r a t ec h e m i s t r y ) 和生物化学交叉研究，因此诞生了糖生物学 ( g l y c o b i o l o g y ) 这门新学科。 糖生物学研究的领域是糖化学、糖链生物合成、糖链在生物体系中的功能、 糖链操作技术等。在后基因时代d n a 重组技术在糖生物学中得到应用，重组技 术使参与寡糖和蛋白聚糖组装、加工和降解过程的酶分子鉴定以及对识别糖分子 结构的植物、动物凝集素的鉴定成为可能。糖分子能促进新生蛋白质折叠和辨别 淋巴细胞、粒细胞在循环中穿行的方向，聚糖组装错误引发遗传性疾病等都说明 了研究糖复合物是生命科学的一个重要的分支。糖复合物( g l y c o c o n j u a t e ) 是糖 类和蛋白质或脂类形成的共价结合物，近年来又发现了蛋白质一糖一脂质三者的 共价结合物。g l y c o c o n j u g a t e 也可译为糖缀合物( 结合物) 或复合糖 ( c o m p l e xc a r b o h y d r a t e ) 。 糖类在生物体中不仅作为能源( 如淀粉和糖原) 或结构组分( 如蛋白聚糖或 纤维素) ，而且担负着极为重要的生物功能。一个含有4 个特定糖基的四糖在理 论上可有3 万余种异构体。这是因为肽的连接都是氨基酸的a 氨基和n 一羧基连接 的肽键，一个氨基酸残基只能在氨基侧链各形成一个肽链，一般不会形成分支肽 链，核苷酸也都是3 ，5 磷酸二酯键连接，也不可能存在分支的核酸。但是寡糖中 二个糖基的互相连接可以有1 2 、l 一3 、1 4 、1 6 等不同方式，一个糖残基 和相邻残基有时可形成4 个糖苷键，从而使糖链分支，而且糖基还有n ，d 异头 碳构型，更造成了连接键的复杂性。可以说，具有相同残基数量的寡糖和肽或寡 核苷酸相比，前者含有更多的信息。越来越多的事实证明，糖复合物中的寡糖是 体内重要的信息分子，对人类的疾病的发生、发展和预测起着重要的作用，同时 也是一类重要的治疗药物。 糖类物质作为药物的主要功能有以下几个方面。 ( 1 ) 多糖、寡糖药物降血糖的作用 有些多糖是p 受体激动剂，通过第二信使将信息传递到线粒体，使糖的氧化 利用加速，引起降血糖。糖类物质降血糖的另一个机理是由于糖类药物都极易溶 于水，口服后在肠道内吸水膨胀占据肠道空间并形成膜覆盖住肠道，减缓食物的 吸收速度，控制住餐后血糖的飙升。德国拜耳集团研制开发的阿卡波糖是一种肠 道u 一葡萄糖苷酶抑制剂，它抑制肠道a 一葡萄糖昔酶，阻断从食物中水解单糖降低 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 胰岛葡萄糖替酶的负担。 ( 2 ) 对免疫系统的影响 糖类物质能维持机体免疫系统的动态平衡，当机体免疫系统受损或功能低下 对多糖和寡糖能刺激各种免疫细胞成熟、分化和繁殖，使机体免疫系统恢复平衡， 免疫系统又能行使正常的监视、消灭外源性异物的功能，这些异物包括病原微生 物、癌细胞、自身衰老死亡的细胞等。 ( 3 ) 抗辐射 动物实验证明有些多糖能辩激造m 干细胞、粒细胞一聚噬细胞集落和脊髓中 造血细胞的产生，所以具有抗辐射升高白细胞的作用。 ( 4 ) 抗病毒作用 多糖具有抗艾滋病病毒的作用。h i v - 1 病毒对人体的侵袭首先是对辅助性淋 巴细胞( 即c d 4 细胞) 的吸附。某些硫酸化韵多糖能阻断h i v 对辅助性淋巴细 胞( 即c d 4 细胞) 的黏附，起到屏蔽效应。对蝰门螺旋杆菌的抗菌作用与抗病毒 机理相似，也是阻止幽门螺旋杆菌依附到胃肠道，防止了细菌的感染。 ( 5 ) 抗类风湿关节炎的糖类药物 缺乏i g g 半乳糖型分子的人是类风湿关节炎侵袭的对象，同样也包括肺结 核、麻风、病菌性回肠炎和类肉瘤韵病人。美国g r e e n w i s h 制药公司已开发出以 糖类为基础的治疗类风澡关节炎的药物，其中w g 8 0 1 2 6 在1 9 9 4 年就开始y t l i 期临床试验，是具有免疫调节、抗增殖和抗炎特征的糖类药物。 ( 6 ) 以糖类物质为基础的疫苗 寡糖与载体蛋白质耦合所得的疫苗被验证是高效的。如b 型流感噬血杆 菌引起幼儿急性下呼吸道感染，这种流感病毒致死率达1 0 ，还在6 0 的患儿中 引起细菌性脊髓灰质炎( 脑膜炎) ( 病毒引起的脊髓灰质炎导致小儿麻痹) ，存活 下来的儿童也往往带有终身残疾。在2 0 世纪9 0 年代，研究证明一种由h i b 衍生 的寡糖和蛋白质载体耦合缀合物形式韵疫苗，h i b 疫苗在发达国家已成为计划免 疫的疫苗，h i b 感染韵发病率下降了9 5 。还有癌疫苗也是以糖为基础的疫苗， 这些疫苗是用癌细胞表面存在的寡糖免疫制成的。 中医中药是中国的国宝，中草药含有大量的水溶性物质，就是多糖和寡糖。 中草药传统的服药途径是水煎，水煎过程即是提取糖的过程，进入到病人体内的 中草药组分是糖类物质，其作用多方面、持久温和，与多糖寡糖起的作用相似。 糖苷类化台物的合成及其立体结构研究 把生命科学的最新进展、研究成果、新技术应用到糖类药物研究与开发上，就会 创造出为人类健康做出贡献的新药，同时也会给中药现代化开拓新方向、新领域、 新技术。 4 糖苷类化合物研究进展 糖苷( g l y c o s i d e s ) 是糖在自然界存在的重要形式，广泛存在于生物体内， 其中很多由于具有特殊的生物活性而担负着重要的生物功能。糖苷是糖的半缩醛 羟基与配基缩合失去一分子水或其它小分子化合物而形成的一类具有广泛生理 活性的化合物。糖苷中糖部分称为糖基，非糖部分称为配基。糖苷易溶于水、酒 精、丙酮或其他有机溶剂。水不溶解物质经与糖结合转变成糖苷，水溶解性增高， 糖苷的这种性质对除去动物体内许多具有毒性的苯酚化合物很重要。这些苯酚化 合物转变成糖苷后，能溶解于水，易与尿一并排出体外。例如，2 烷基一l ，4 萘氢 醌为一种止血剂，若以它作为配基生成糖苷后，溶解度会显著增加，提高了临床 应用效果1 7 】。许多糖苷药品也是利用这个性质，增强溶解性，降低毒性。 4 1 糖苷键的化学合成方法研究进展 在糖苷合成中，复杂的保护策略、糖端基碳的活化方式及形成产物的立体选 择性控制是十分关键的问题。糖合成化学发展至今，尚不足百年历史，多种合成 糖苷、寡糖方法的出现和发展也是近2 0 年的事情。由于糖在生命活动过程中的 重要作用，糖苷、寡糖的合成得到很快的发展。综合d 糖基化方法，按照糖端基 上的官能团不同，可以把糖基供体大致分为以下几种：卤代糖、硫糖苷、1 o 乙 酰糖、原酸酯、1 - o 一和1 善碳酸酯、4 一戊烯基、1 , 2 内醚糖和烯糖等1 8 】。下面对于 近年来发展的且评价较好的几种方法作一综述。 ( 1 ) 溴苷和氯苷给体法 k o e n i g s k n o r r 法报道于1 9 0 1 年，是最早发现的糖苷化方法之一，作为经典 反应，至今仍被广泛应用 1 9 1 。该法的特点是以溴苷或氯苷为糖基给体，在银、汞 等重金属离子的活化下，与受体发生糖苷化反应。常用的促进剂银盐包括a g o t f , a 9 2 0 、a g c 0 3 、a g c l 0 4 等，汞盐包括h g ( c n ) 2 、h g b r 2 、h g c l 2 、h g l 2 等【2 0 1 。 童墨型垫盔堂堡塞生堂堡堡塞 ( 2 ) 氟苷给体法 作为