[王镜岩生物化学第三版笔记]第一章 糖.pdf

第一章 第一章 糖糖 一 糖的概念一 糖的概念 糖类物质是多羟基 2 个或以上 的醛类 aldehyde 或酮类 Ketone 化合物 以及它们的衍生 物或聚合物 据此可分为醛糖 aldose 和酮糖 ketose 还可根据碳层子数分为丙糖 triose 丁糖 terose 戊糖 pentose 己糖 hexose 最简单的糖类就是丙糖 甘油醛和二羟丙酮 由于绝大多数的糖类化合物都可以用通式 Cn H2O n 表示 所以过去人们一直认为糖类 是碳与水的化合物 称为碳水化合物 现在已经这种称呼并恰当 只是沿用已久 仍有许多 人称之为碳水化合物 二 糖的种类二 糖的种类 根据糖的结构单元数目多少分为 1 单糖 不能被水解称更小分子的糖 2 寡糖 2 6 个单糖分子脱水缩合而成 以双糖最为普遍 意义也较大 3 多糖 均一性多糖 淀粉 糖原 纤维素 半纤维素 几丁质 壳多糖 不均一性多糖 糖胺多糖类 透明质酸 硫酸软骨素 硫酸皮肤素等 4 结合糖 复合糖 糖缀合物 glycoconjugate 糖脂 糖蛋白 蛋白聚糖 糖 核苷酸 等 5 糖的衍生物 糖醇 糖酸 糖胺 糖苷 三 糖类的生物学功能三 糖类的生物学功能 1 提供能量 植物的淀粉和动物的糖原都是能量的储存形式 2 物质代谢的碳骨架 为蛋白质 核酸 脂类的合成提供碳骨架 3 细胞的骨架 纤维素 半纤维素 木质素是植物细胞壁的主要成分 肽聚糖是细胞 壁的主要成分 4 细胞间识别和生物分子间的识别 细胞膜表面糖蛋白的寡糖链参与细胞间的识别 一些细胞的细胞膜表面含有糖分子或寡 糖链 构成细胞的天线 参与细胞通信 2 红细胞表面 ABO 血型决定簇就含有岩藻糖 第一节 单糖第一节 单糖 一 单糖的结构一 单糖的结构 1 单糖的链状结构单糖的链状结构 确定链状结构的方法 葡萄糖 a 与 Fehling 试剂或其它醛试剂反应 含有醛基 b 与乙酸酐反应 产生具有五个乙酰基的衍生物 c 用钠 汞剂作用 生成山梨醇 图 2 最简单的单糖之一是甘油醛 glyceraldehydes 它有两种立体异构形式 Stereoismeric form 图 7 3 这两种立体异构体在旋光性上刚好相反 一种异构体使平面偏振光 Plane polarized liyot 的偏振面沿顺时针方向偏转 称为右旋型异构体 dextrorotary 或 D 型异构体 另一种异构 体则使平面偏振不的编振机逆时针编转 称左旋异构体 levorotary L 或 L 型异构体 像甘油醛这样具有旋光性差异的立体异构体又称为光学异构体 Cptical lsmer 常用 D L 表示 以甘油醛的两种光学异构体作对照 其他单糖的光学异构构与之比较而规定为 D 型或 L 型 差向异构体差向异构体 epimer 又 又称表异构体 只有一个不对称碳原子上的基因排列方式不同的 非对映异构体 如 D 等等糖与 D 半乳糖 链状结构一般用链状结构一般用 Fisher 投影式表示 碳骨架 竖直写 氧化程度最高的碳原子在上方 投影式表示 碳骨架 竖直写 氧化程度最高的碳原子在上方 2 单糖的环状结构单糖的环状结构 在溶液中 含有 4 个以上碳原子的单糖主要以环状结构 单糖分子中的羟基能与醛基或酮基可逆缩合成环状的半缩醛 emiacetal 环化后 羰基 C 就成为一个手性 C 原子称为端异构性碳原子 anomeric carbon atom 环化后形成的两种非对 映异构体称为端基异构体 或头异构体 anomer 分别称为 型及 型头异构体 环状结构一般用环状结构一般用 Havorth 结构式表示 结构式表示 3 用 FisCher 投影式表示环状结构很不方便 Haworth 结构式比 Fischer 投影式更能正确反 映糖分子中的键角和键长度 转化方法 画一个五员或六员环 从氧原子右侧的端基碳 anomerio carbon 开始 画上半缩醛羟基 在 Fischer 投影式中 右侧的居环下 左侧居环上 构象式 构象式 Haworth 结构式虽能正确反映糖的环状结构 但还是过于简单 构象式最能正确地反映 糖的环状结构 它反映出了糖环的折叠形结构 3 几种重要的单糖的链状结构和环状结构几种重要的单糖的链状结构和环状结构 1 丙糖 D 甘油醛 二羟丙酮 2 丁糖 D 赤鲜糖 D 赤鲜酮糖 3 戊糖 D 核糖 D 脱氧核糖 D 核酮糖 D 木糖 D 木酮糖 4 己糖 D 葡萄糖 型及 型 D 果糖 5 庚糖 D 景天庚酮糖 4 变旋现象变旋现象 在溶液中 糖的链状结构和环状结构 之间可以相互转变 最后达到一个动态平衡 称为变旋现象 从乙醇水溶液中结晶出的D glucose称为 D Glucose 20D 113 从吡啶 溶液中结晶出的D glucose称为 D glucose 20D 18 7 将 D 葡萄糖与 D 葡萄糖分别溶于水中 放置一段时间后 其旋光率都逐渐转变为 52 7 C 原因就是 葡萄糖的不同结构形式相互转变 最后 各种结构形式达到一定的平衡 其中 型占 36 型占 63 链式占 1 图图 5 葡萄糖的变旋葡萄糖的变旋 5 构型与构象构型与构象 构型 构型 分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的 较定的立体结构 如 D 甘油醛与 L 甘油醛 D 葡萄糖和 L 葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型 D 葡萄糖和 D 葡萄糖是环状葡萄糖的两种构型 一般情况下 构型都比较稳定 一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂 原子 基 4 团 间的重排和新共价键的重新形成 图图 3 甘油醛的构型 甘油醛的构型 构象 构象 由于分子中的某个原子 基团 绕 C C 单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变 的空间结构形式 不同的构象之间可以相互转变 在各种构象形式中 势能最低 最稳定的 构象是优势对象 图图 1 3 吡喃型己糖构象吡喃型己糖构象 6 构型与旋光性构型与旋光性 旋光性是分子中具有不对称结构的物质的一种物理性质 显然 构型不同旋光性就不同 构型是人为规定的 旋光性是实验测出的 因此 构型与旋光性之间没有必然的对应规律 每一种物质的旋光性只能通过实验来确 定 二 单糖的物理化学性质二 单糖的物理化学性质 一 物理性质 一 物理性质 旋光性 是鉴定糖的一个重要指标 甜度 以蔗糖的甜度为标准 溶解性 易溶于水而难溶于乙醚 丙酮等有面溶剂 二 化学性质 二 化学性质 1 变旋变旋 图 7 11 在溶液中 糖的链状结构和环状结构 之间可以相互转变 最后达到一个动态平衡 称为变旋现象 三者间的比例因糖种类而异 只有链状结构才具有下述的氧化还原反应 2 糖醛反应糖醛反应 与酸的反应与酸的反应 1 Molish 反应 5 Molish 反应可以鉴定单糖的存在 2 Seliwannoff 反应 据此区分酮糖与醛糖 还可利用溴水区分醛糖与酮糖 3 氧化反应氧化反应 氧化只发生在开链形式上 在氧化剂 金属离子如Cu2 酶的作用下 单糖可以发生几种类型的氧化 图图 7 12 醛基氧化 糖酸 aldonic acid 伯醇基氧化 醛酸 uronic acid 醛基 伯醇基同时氧化 二酸 alduric acid 能被弱氧化剂 如 Fehhing 试剂 Benedict 试剂 氧化的糖称为还原性糖 所有的单糖都是 还原性糖 单糖氧化形成的羟基可以进一步形成环状内酯 Lactone 内酯在自然界中很普遍 如 L 抗坏血酸 L ascorbio acid 又称 VC Vitamcn c 就是 D 葡萄糖酸的内酯衍生物 分子量 176 1 它在体内是一种强还原剂 豚鼠 guinea pig 猿 ape 和人不能合成 Vc 从能合成 Vc 的肝脏微粒体中分离到合成 Vc 的三种酶 人和猿缺乏 gulonolactone oxidase 缺乏抗坏血酸将导致坏血病 scurvy 龄龈 gum 腿部等开始出血 肿胀 逐渐扩展到全身 柑橘类果实 citrus frait 中含有丰富的 Vc 4 还原反应还原反应 单糖可以被还原成相应的糖醇 Sugar alcohol D 葡萄糖被还原成 D 葡萄糖醇 又称山犁醇 D Sorbitol 糖醇主要用于食品加工业和医药 山犁醇添加到糖果中能延长糖果的货架期 因为它能 防止糖果失水 用糖精处理的果汁中一般都有后味 添加山犁醇后能去除后味 人体食用后 山犁醇在肝中又会转化为果糖 5 异构化异构化 在弱碱性溶液中 D 葡萄糖 D 甘露糖和 D 果糖 可以通过烯醇式相互转化 enediol 6 intermediate 图图 7 15 D 葡萄糖异构化为 D 甘露糖后 由于其中的一个手性碳原子的构型发生变化 又称差向 异构化 epimerization 6 酯化酯化 生物体中最常见也是最重要的糖酯是磷酸糖酯和硫酸糖酯 磷酸糖酯及其衍生物是糖的代谢活性形式 糖代谢的中间产物 硫酸糖酯主要发现于结缔组织的蛋白聚糖中 Proteo glycan 由于硫酸糖酯带电荷 因此 它能结合大量的水和阳离子 葡萄糖的核苷二磷酸酯 如 UDPG 参与多糖的生物合成 7 糖苷化糖苷化 单糖环状结构上的半缩醛羟基与醇或酚的羟基缩合失水成为缩醛式衍生物 通称为糖苷 glycosides 8 糖脎反应糖脎反应 亲核加成亲核加成 糖脎反应发生在醛糖和酮糖的链状结构上 糖脎易结晶 可以根据结晶的形状 判断单糖的种类 三 重要的单糖三 重要的单糖 四 重要的单糖衍生物四 重要的单糖衍生物 1 糖醇糖醇 2 糖醛酸糖醛酸 单糖的伯醇基被氧化成 COOH 动物体内有两种很重要的糖醛酸 D 葡萄醛酸和差向异构物 L 艾杜糖醛酸 它们在 结缔组织中含量很高 glucuronic acid L iduronate 7 葡萄糖醛酸是肝脏内的一种解毒剂 它与类固醇 一些药物 胆红素 血红蛋白的降解物 结合增强其水溶性 使之更易排出体外 3 氨基糖氨基糖 糖胺 糖胺 amino sugar glycosamine 单糖的一个羟基 通常是C2位 被氨基取代 常见的氨基糖有 D 葡萄糖胺 D glucosamine 和 D 半乳糖胺 D galactosamine 氨基糖的氨基还经常被乙酰化形成 N 乙酰糖胺 4 糖苷糖苷 单糖的半缩醛羟基与其它分子的醇 酚等羟基缩合 脱水生成缩醛式衍生物 称糖苷 Glycoside 半缩醛部分是 Glc 称 Glc 糖苷 半缩醛部分是 Gal 称 Gal 糖苷 O 糖苷 N 糖苷 S 糖苷 糖苷物质与糖类的区别 糖是半缩醛 不稳定 有变旋 苷是缩醛 较稳定 无变旋 糖苷大多数有毒 5 脱氧糖脱氧糖 重要的有 6 脱氧 D 甘露糖 L 岩藻糖 L fucose 和 2 脱氧 D 核糖 岩藻糖常见于一些糖蛋白中 如红细胞表面 ABO 血型决定簇 第二节 双糖和三糖第二节 双糖和三糖 双糖在自然界中含量也很丰富 它是人类饮食中主要的热源之一 在小肠中 双糖必须 在酶的作用下水解成单糖才能被人体吸收 如果这些酶有缺陷的话 那么人体摄入双糖后由 于不能消化它就会出现消化病 未消化的双糖进入大肠 在渗透压的作用下从周围组织夺取 水分 腹泻 diarrhea 结肠中的细菌消化双糖 发酵 产生气体 气胀和绞痛或痉孪 最常见的 双糖消化缺陷是乳糖过敏 就是由于缺乏乳糖酶 Lactose 解决办法就是乳糖酶处理食物或 避免摄入乳糖 一 麦芽糖一 麦芽糖 maltose malt sugar 它是直链淀粉的水解中间物 麦芽糖 在自然界中似乎并不存在天然的麦芽糖 结构 结构 两分子 葡萄糖 1 4 糖苷键 8 麦芽糖 葡萄糖 1 4 葡萄糖苷 麦芽糖 葡萄糖 1 4 葡萄糖苷 性质 性质 变旋现象 在水溶解中形成 和开链的混合物 具有还原性 能成脎 异麦芽糖 异麦芽糖 1 6 键型 支链淀粉和糖元的水解产物 二 蔗糖二 蔗糖 植物的茎 叶都可以产生蔗糖 它可以在整个植物体中进行运输 也是光合产物的运输 形式之一 结构 结构 葡萄糖 果糖 1 2 糖苷键 无异构体 蔗糖 葡萄糖 1 2 果糖苷 性质 蔗糖 葡萄糖 1 2 果糖苷 性质 无变旋现象 无还原性 不能成脎 三 乳糖三 乳糖 顾名思义 主要存在于哺乳动物的乳汁中 结构 结构 半乳糖 1 4 糖苷键 或 葡萄糖 两种异构体 Lactose 半乳糖半乳糖 1 4 葡萄糖苷葡萄糖苷 lactose 半乳糖半乳糖 1 4 葡萄糖苷葡萄糖苷 性质 性质 有变旋现象 具有还原性 能成脎 四 纤维二糖四 纤维二糖 cellobiose 纤维素的降解产物和基基本结构单位 自然界中不存在游离的纤维二糖 结构 结构 两分子 葡萄糖 1 4 糖苷键 纤维二糖纤维二糖 葡萄糖葡萄糖 1 4 葡萄糖苷葡萄糖苷 9 性质 性质 具有变旋现象 具有还原性 能成脎 五 海藻糖五 海藻糖 两分子 D Glc 在C1上的两个半缩醛羟基之间脱水 由 1 1 糖苷键构成 六 棉子糖六 棉子糖 三糖三糖 P31 结构结构 非还原性三糖 第三节 第三节 寡糖寡糖 寡糖是指含有 2 10 个单糖单元的糖类 它们常常与蛋白质或脂类共价结合 以糖蛋白或 糖脂的形式存在 连接它们的共价键类型主要两大类 N 糖甘键型和 O 糖苷键型 N 糖苷键型 寡糖链与多肽上的 Asn 的氨基相连 这类寡糖链有三种主要类型 高甘露糖型 杂合型和复杂型 图图 7 29 O 糖苷键型 寡糖链与多肽链上的 Ser 或 Thr 的羟基相连 或与膜脂的羟基相连 第四节 第四节 多糖多糖 多糖是由多个单糖分子缩合脱水而形成的 由于构成它的单糖的种类 数量以及连接方 式的不同 多糖的结构极其复杂而且数量 种类庞大 多糖是重要的能量贮存形式 如淀粉和糖原等 和细胞的骨架物质 如植物的纤维素和动 物的几丁质 此外多糖还有更复杂的生理功能 如粘多糖和血型物质等 大部分的多糖类物质没有固定的分子量 多糖的大小从一定程度上可以反映细胞的代谢 状态 例如 当血糖水平高时 如饭后 肝脏就合成糖原 glycogen 这时就分子量可达 2 107 当血糖水平下降时 肝脏中的酶类就水解糖原 把葡萄糖释放到血液中 多糖在水溶液中只形成胶体 虽然具有旋光性 但无变旋现象 也无还原性 多糖可以分为均一性多糖 由同一种单糖分子组成 和不均一性多糖 由两种或两种以上 单糖分子组成 10 一 均一性多糖一 均一性多糖 自然界中最丰富的均一性多糖是淀粉和糖原 纤维素 它们都是由葡萄糖组成 淀粉和 糖原分别是植物和动物中葡萄糖的贮存形式 纤维素是植物细胞主要的结构组分 1 淀粉淀粉 植物营养物质的一种贮存形式 也是植物性食物中重要的营养成分 直链淀粉 许多 葡萄糖以 1 4 糖苷键依次相连成长而不分开的葡萄糖多聚物 典型情况下由数 千个葡萄糖线基组成 分子量从 150000 到 600000 结构 长而紧密的螺旋管形 这种紧实的结构是与其贮藏功能相适应的 遇碘显兰色 图 7 30 图 7 30 支链淀粉 在直链的基础上每隔 20 25 个葡萄糖残基就形成一个 1 6 支链 不能形成螺旋管 遇碘显紫色 淀粉酶 淀粉酶 内切淀粉酶 淀粉酶 水解 1 4 键 外切淀粉酶 淀粉酶 1 4 脱 支酶 1 6 2 糖元糖元 与支链淀粉类似 只是分支程度更高 分支更 每隔 4 个葡萄糖残基便有一个分支 结 构更紧密 更适应其贮藏功能 这是动物将其作为能量贮藏形式的一个重要原因 另一个原 因是它含有大量的非原性端 可以被迅速动员水解 糖元遇碘显红褐色 3 纤维素纤维素 结构 许多 D 葡萄糖分子以 1 4 糖苷键相连而成直链 纤维素是植物细胞壁的主要 结构成份 占植物体总重量的 1 3 左右 也是自然界最丰富的有机物 地球上每年约生产 1011 吨纤维素 经济价值 木材 纸张 纤维 棉花 亚麻 完整的细胞壁是以纤维素为主 并粘连有半纤维素 果胶和木质素 约 40 条纤维素链相 互间以氢键相连成纤维细丝 无数纤维细丝构成细胞壁完整的纤维骨架 11 图图 7 33 降解纤维素的纤维素主要存在于微生物中 一些反刍动物可以利用其消化道内的微生物 消化纤维素 产生的葡萄糖供自身和微生物共同利用 虽大多数的动物 包括人 不能消化纤 维素 但是含有纤维素的食物对于健康是必需的和有益的 4 几丁质几丁质 壳多糖壳多糖 N 乙酰 D 葡萄糖胺以 1 4 糖苷链相连成的直链 5 菊菊 糖糖 inulin 多聚果糖 存在于菊科植物根部 6 琼琼 脂脂 Ager 多聚半乳糖 是某些海藻所含的多糖 人和微生物不能消化琼脂 几种均一多糖的结构 性质比较 P35 表 1 6 二 不均一性多糖二 不均一性多糖 不均一性多糖种类繁多 有一些不均一性多糖由含糖胺的重复双糖系列组成 称为糖胺聚糖 glyeosaminoglycans GAGs 又称粘多糖 mucopoly saceharides 氨基多糖等 糖胺聚糖是蛋白聚糖的主要组分 按重复双糖单位的不同 糖胺聚糖有五类 1 透明质酸 2 硫酸软骨素 3 硫酸皮肤素 4 硫酸用层酸 5 肝素 6 硫酸乙酰肝素 12 第五节 第五节 结合糖结合糖 glycoconjugate 糖与非糖物质共价结合形成的复合物称结合糖 复合糖 糖缀合物 包括糖脂 glycolipids 糖蛋白与蛋白聚糖 肽聚糖 peptidoglycan 糖 核酸 一 糖蛋白一 糖蛋白 糖蛋白是由短的寡糖链与蛋白质共价相连构成的分子 其总体性质更接近蛋白质 糖与 蛋白质之间以蛋白质为主 其一定部位上以共价健与若干短的寡糖链相连 这些寡糖链常常 是具分支的杂糖链 不呈现重复的双糖系列 一般由 2 10 个单体 少于 15 组成 未端成员常 常是唾液酸或 L 岩藻糖 一 组成 一 组成 D 葡萄糖 Glc D 甘露糖 Man D 半乳糖 Gal D 木糖 Xyl D 阿拉伯糖 Ara L 岩藻糖 Fuc 葡萄糖醛酸 GlcuA 艾杜糖醛酸 IduA N 乙 酰葡萄糖胺 GlcNAG N 乙酰半乳糖胺 GalNAC N 乙酰神经氨酸 NeuNAC 即 唾液酸 Sia 二 糖链与蛋白的连接方式 二 糖链与蛋白的连接方式 糖蛋白的糖肽连接键 简称糖肽键 糖肽链的类型可以概况为 N 糖苷键型 寡糖链 GlcNAC 的 的 羟基 羟基 与 Asn 的酰胺基 N 未端的 氨基 Lys 或 Arg 的 W 氨基相连 图图 15 O 糖苷键型 寡糖链 GalNAC 的 的 羟基 羟基 与 Ser Thr 和羟基赖氨酸 羟脯氨酸的 羟基相连 图图 16 S 糖苷键型 以半胱氨酸为连接点的糖肽键 酯糖苷键型 以天冬氨酸 谷氨酸的游离羧基为连接点 三 糖蛋白中糖链的结构 三 糖蛋白中糖链的结构 糖蛋白中的糖链变化较大 含有丰富的结构信息 寡糖链往往是受体 酶类的识别位点 13 1 N 糖苷键型 糖苷键型 N 连接 连接 N 糖苷键型主要有三类寡糖链 高甘露糖型 由 GlcNAc 和甘露糖组成 复合型 除了 GlcNAc 和甘露糖外 还有果糖 半乳糖 唾液酸 杂合型 包含 和 的特征 图图 17 五糖核心五糖核心 A 高甘露糖型 中国地仓鼠卵细胞膜 图 18 B N 乙酰半乳糖型 图 19 C 混合型 卵白蛋白的一种糖链 图 20 2 O 糖苷键型 糖苷键型 O 连接 连接 没有五糖核心 图 21 人血纤维蛋白溶酶原 图 22 人免疫球蛋白 IgA 四 糖蛋白的生物学功能 四 糖蛋白的生物学功能 1 糖蛋白携带某些蛋白质代谢去向的信息 糖蛋白寡糖链末端的唾液酸残基 决定着某种蛋白质是否在血流中存在或被肝脏除去的 信息 A 脊椎动物血液中的铜蓝蛋白 14 肝细胞能降解丢失了唾液酸的铜蓝蛋白 唾液酸的消除可能是体内 老 蛋白的标记方 式之一 B 红细胞 新生的红细胞膜上唾液酸的含量远高于成熟的红细胞膜 用唾液酸酶处理新生的红细胞 回 注机体 几小时后全部消失 而末用酶处理的红细胞 回注后 几天以后 仍能在体内正常存活 2 寡糖链在细胞识别 信号传递中起关键作用 淋巴细胞正常情况应归巢到脾脏 而切去唾液酸后 结果竞归巢到了肝脏 在原核中表达的真核基因 无法糖基化 糖蛋白可以是胞溶性的 也可以是膜结合型的 可以存在于细胞内在也可存在于细胞间 质中 糖蛋白在动植物中较为典型 脊柱动物中糖蛋白尤为丰富 金属转运蛋白 转铁蛋白 血铜蓝蛋白 凝血因子 补体系统 一些激素 促卵泡素 Follicle stimulating hormone FSH 前脑下垂体分泌 促进卵子和精子的发育 RNase 膜结合蛋白 如动物细胞膜的 Na K ATPase 主要组织相容性抗原 major histocompatibility antigen 细胞表面上介导供体 器官与受体器官交叉匹配的标识 绝大多数糖蛋白的寡糖是糖蛋白的功能中心 有些糖蛋白的糖对于糖蛋白自身成机体起 着保护作用或润滑作用 如牛的 RNaseB 糖蛋白 对热的抗性大于 RNaseA 大量的唾液酸能 增强唾液粘蛋白的粘性从而增强唾液的润滑性 南极鱼抗冻蛋白的糖组分能与水形氢键 阻 止冰品的形成从而提高了抗冻性 糖蛋白在细胞间信号传递方面着更为复杂的作用 Hiv的靶细胞结合蛋白GP120 是一个 糖蛋白 能与人类靶细胞表面的CD4受体结合从而附着在靶细胞表面 如果去掉GP120 的糖 部分则不能与CD4受体结合