糖类和苷类

第四章 糖类,一、糖类的定义及分类 糖是具有多羟基的醛、酮或能水解成多羟基醛或酮的化合物。,单糖的结构式,单糖的立体化学,D-葡萄糖的两种构型,单糖的立体化学,单糖的分类及结构,蔗糖,低聚糖,海藻糖,樱草糖,二 糖,低聚糖,二糖：槐糖三糖：棉子糖四糖：水苏糖五糖：毛蕊糖六糖以上：环糊精,低聚糖,环糊精：由68个葡萄糖环状缩合，呈结晶状；其中六聚体、七聚体和八聚体分别称为、-环糊精；其具有良好的水溶性，环状分子内侧具有疏水性，有包结客体分子的性能，可增加客体分子的溶解性，保护客体分子。,二、苷类的定义及分类 苷又称配糖体，是由糖或糖的衍生物与另一非糖物质通过端基碳原子连接而成的化合物。 构成苷类常见的糖：单糖、双糖、低聚糖。 分类：生物体内：原苷、次生苷； 连接糖基的个数：单糖苷、双糖苷等； 连接糖链的个数：单糖链苷、双糖链苷、三糖链苷等； 苷键原子的不同：氧苷、硫苷、氮苷、碳苷等。,二、苷类的定义及分类,三、糖类和苷类的物理性质 单糖及低聚糖溶于水，尤其在热水中溶解度极大，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。各种糖的甜度通常以蔗糖的甜度定为100为标准进行比较，如乳糖为16、葡萄糖为74.3、果糖为173.3等。所有的单糖都有旋光性和变旋现象（二羟丙酮除外），而多糖及苷元无变旋现象，也没有甜味及还原性。多糖溶于水或热水（纤维素、半纤维素、壳多糖除外），但在水中不形成真溶液，只能形成胶体。苷在水中的溶解度与苷元的性质有关。,四、糖类和苷类的化学性质侧重与糖的分离和结构测定方面。,糠醛形成反应,氧化反应 反应条件：单糖分子中具有醛（酮）、伯醇、仲醇、邻二醇等结构。氧化剂：溴水、硝酸、过碘酸和四醋酸铅等。氧化的部位：溴水氧化糖的醛基，使成羧基； 硝酸氧化糖的醛基和糖的端基羟基，使成糖二酸； 糖上羟基被氧化顺序：仲羟基伯羟基10;自然界很少存在n为1030的多糖。多糖也用一级、二级、三级、四级结构来明确描述三维空间结构，其活性不但与立体结构有关，也存在活性中心，还与其结合的蛋白质、色素、金属离子等有关，故多分支的杂多糖结构确定远比蛋白质困难。,多糖的3D模型,构成多糖的通常的单糖,（二）按习惯可分为纤维素、几丁质、半纤维素、果胶、树胶与黏胶等。,均多糖：由同一种单糖缩合而成的多糖，如淀粉、糖原、纤维素等葡聚糖类，菊糖等果聚糖类。均多糖的命名：多糖+an如葡聚糖glucan，果聚糖为fructan。杂多糖：由不同类型的单糖缩合而成的；如半乳糖甘露糖胶、阿拉伯胶和果胶等。杂多糖的命名：将几种糖名称按顺序排列后+an，如葡萄甘露聚糖为glucomannan，半乳甘露聚糖为galactomannan等。用聚合度DP表示多糖中单糖数目。杂多糖中具有粘性的又称为黏杂多糖，黏杂多糖可溶于热水，冷后呈呈冻状的成分称作黏胶质。,几种天然存在的多糖,（一）淀粉 淀粉是植物的贮藏养料。通常由直链的糖淀粉和支链的胶淀粉组成，二者的组成比例约为1(34）。淀粉分子呈螺旋状结构，每一螺环由六个葡萄糖组成。淀粉之所以遇碘呈色，是由于碘分子和离子进入螺环通道中形成了有色包结化合物。 色调与聚合度有关，通过显色反应可获知淀粉的水解程度。 聚合度为46不呈色； 为1218呈红色； 为2025呈紫红色，光吸收在530550nm; 为50以上呈蓝色，光吸收在620680nm。,（二）纤维素 纤维素是14结合的直链葡聚糖。它是由D-葡萄糖以反向邻接聚合而成的高分子，聚合度30005000，分子结构呈直线状，结构较稳定，不易为稀酸或碱水解。,（三）果聚糖 果聚糖是由蔗糖与一个或多个果糖相连接的聚合物，是水溶性的、非还原性多糖，也是重要的储藏性碳水化合物之一。聚合度最小的果聚糖是果聚三糖（DP=3），已知有1-蔗果三糖等三种。以1-蔗果三糖为基本单位，连接1个或多个呋喃果糖形成的果聚糖为菊糖。菊糖（菊淀粉）在菊科和桔梗科植物中特别多，是一种颗粒结晶体，易潮解，可溶于热水，微溶于冷水或有机溶剂。据报道其有增强吞噬细胞的吞噬能力的活性。由于人体中无果聚糖，故临床上常用作肾清除率测定的标示物。,（四）半纤维素 是一类在支链上连有糖醛酸，不溶于水，但能被稀碱溶解，极易被酸水解的多糖。其与纤维素、木质素共同筑建了植物细胞壁，是植物的支持组织。（五）植物胶是存在于高等植物不同器官的一类黏多糖，可溶于热水，冷后呈凝胶状。根据来源植物胶可分为植物籽胶、树胶、果胶、根块类胶等。树胶是植物受伤后或被毒菌类侵袭后的分泌物，干后成半透明块状物。,（六）黏液质和黏胶质 粘液质是一类存在于植物薄壁组织的黏液细胞或黏液道/腔内的粘多糖，是植物的正常生理产物,起着保持植物水分的作用。 粘胶质为多分支结构的黏多糖,可溶于热水，冷后呈冻状，有些具有较好的生物活性如人参果胶对S180瘤株具有一定的抑制作用。 常见含黏液质的植物有葱、白芨、黄精、知母、山药等。黏液质有滑润肠壁、通解大便、防护创面、抑菌止血的作用。,膳食纤维的概念,主要成分是来自植物细胞壁的复合碳水化合物 非淀粉多糖，也可称之为非-葡聚糖的多糖，包括纤维素、半纤维素、果胶、抗性淀粉、菊糖及亲水胶体物质如树胶等组分，另外还包括植物细胞壁中所含有的木质素。 膳食纤维主要存在于谷、薯、豆类及蔬菜、水果等植物性食品中，称为谷物类纤维、豆类纤维、水果纤维、蔬菜纤维、生化合成或转化类纤维；水产植物海藻如海带、紫菜、海白菜等亦富含膳食纤维，还有真菌类纤维。,膳食纤维的分类,根据溶解性不同，膳食纤维可分为水溶性纤维（SDF） 水不溶性纤维（IDF）两大类。 水溶性膳食纤维减缓糖被吸收的速度，避免突然的高血糖现象，对稳定糖尿病患者的病情有所帮助。它们还能与胆酸结合并随粪便排出，有助于降低胆固醇，减少因高胆固醇所衍生的心脏病、高血压等症状。 水不溶性膳食纤维能吸收水分，软化粪便，增加粪便的体积，能刺激肠的蠕动，加速排便，以减少粪便中有害物质与肠道接触的时间，降低患肠癌的几率。,（一）膳食纤维对防治人类疾病的重要性,膳食纤维的特性及生理功能,膳食纤维在体内有降血脂、降血糖、通便、减肥、防止结肠癌等多种功能，食用高纤维含量的饮食在一定程度上可预防高脂血症、高血压病、心脏病、糖尿病及肥胖病等的发生。,膳食纤维中的代表纤维素，可以发生水解，但较淀粉困难。 膳食纤维特性概括起来是膨胀作用、持水能力、胶体形成、离子交换、改善胃肠微生物菌落和产热低。,（二）膳食纤维生理特征,膳食纤维的生理功能,1、防止热能摄入过多，预防肥胖； 2、增加排泄物的体积，促进肠道蠕动，预防便秘和肠道疾病； 3、降低血胆固醇及血脂水平； 4、减少胆石症的发生； 5、降低血糖功能； 6、能改善肠道菌群组成，使食物容易被消化吸收； 7、提高免疫力功能； 8、降低血压作用； 9、抗氧化、清除自由基； 10、减少体内某些激素，防治癌症。,麻黄及麻黄果多糖,麻黄中多糖的分子量及组成,怀牛膝多糖： 从怀牛膝的根部提取的多糖，具有分子量小，水溶性好，毒性低的优点，具有抗癌、抗放射、抗肝炎、抗衰老、抗凝血等活性。,人参：我国人参产量占世界的70%，出口量占世界60%；人参从2009年5月1日，国家质监总局将人参从药品中除名，改为药食产品，野山参也不作为濒危保护植物，人参一般六年收获。,人参多糖：人参多糖注射液、参肽注射液。,黄芪多糖：三年收获，秋季采集植株的侧根。黄芪多糖：治疗慢性肝炎、白细胞减少等症； 人、兽、水产均有使用。,当归多糖：提高免疫力，抗肿瘤，防辐射，护肝、补血，治疗糖尿病等方面有功效。,茯苓多糖：茯苓聚糖（pachyman），含量最高可达75%，为一种具有（16）吡喃葡萄糖聚糖支链的（13）吡喃葡萄糖聚糖，切断支链成（13）葡萄糖聚糖，称茯苓次聚糖（pachymaran），常称为茯苓多糖。,茯苓多糖具抗肿瘤活性羧甲基茯苓糖具免疫促进及抗肿瘤作用；可制成口服、外用（化妆品）；可用于人、兽、水产等方面。,猴头菇多糖：猴头菇含有的多糖，能抑制癌细胞中遗传物质的合成，从而预防和治疗消化道癌症和其他恶性肿瘤；能助消化，对胃炎、胃癌、食道癌、胃溃疡、十二指肠溃疡等消化道疾病的疗效令人瞩目；猴头菇具有提高肌体免疫力的功能，可延缓衰老。,猴头菇多糖：口服液、胶囊、片剂、颗粒剂。,云芝多糖：云芝子实体内含有一种抗癌物质。该菌药用，去湿、化痰、疗肺疾。治疗慢性支气管炎、迁延性慢性肝炎等有疗效。云芝可作为肝癌免疫治疗的药物。,云芝多糖：菌丝体提取的多糖和从发酵液中提取的多糖均具有强烈的抑癌性。对小白鼠肉瘤180和艾氏癌的抑制率分别为80%和100%。,木耳多糖：木耳含酸性粘多糖， 由L-岩藻糖、L-阿拉伯糖、D-木糖、D-甘露糖、D-葡萄糖和葡萄糖醛酸等单糖组成，呈灰白色丝状。木耳多糖降血糖、降血脂、提高细胞免疫和体液免疫功能，抗肿瘤、抗衰老、抗氧化。,紫菜多糖已被证明具有抗肿瘤、防治心血管疾病等显著疗效。藻类多糖主要指藻类植物的的黏杂多糖，是藻类细胞间质的构成物质，其在热水中形成胶体溶液，冷后成凝胶状，广泛用于医药、食品、轻工等行业。从性质与结构上可大致分为琼脂、卡拉胶、褐藻胶、褐藻糖胶、红藻淀粉和海带淀粉等。由昆布多糖，海带多糖、羊栖菜多糖、海蒿子多糖等8种多糖制成的复方海藻多糖是有前途的抗癌中药制剂。,（一）紫菜多糖：紫菜的主要成分是紫菜多糖和蛋白质。紫菜多糖是多糖研究领域中极为重要的一个组成部分， 它属于半乳聚糖硫酸酯， 主要由半乳糖、3,6-内醚半乳糖和硫酸基等组成， 占紫菜干质量的20%40%， 是紫菜的主要成分之一。,2010年赵保力等进行紫菜多糖的化学成分研究,（二）卡拉胶 卡拉胶是一种红藻多糖，主要来自于卡帕藻、麒麟菜、角叉菜、杉藻和银杏藻等红藻类型，其分子基本骨架是以（13）-b-D-半乳糖基-（14）-3,6-内醚（或不内醚化）-a-D-半乳糖为重复二糖的多糖结构。卡拉胶目前主要用于食品工业，牙膏、水溶涂料、农药乳剂和固定化酶等的生产和制备中。 （三）褐藻胶 褐藻胶主要来自海带、巨藻、墨角藻、昆布和马尾藻等褐藻类型，在褐藻的细胞壁中以金属盐类形式存在，其有机多糖部分由D-甘露糖醛酸和L-古罗糖醛酸两种组分构成。 褐藻胶目前主要应用在食品工业、纺织工业、医药卫生和科学研究等方面。,（四）琼脂 琼脂是一种重要的海藻多糖，来自于红藻，也称“冻粉”、“凉粉” 等。 琼胶糖的化学结构是由1,3连接的-D-吡喃半乳糖与1,4连接的3,6-内醚-L-吡喃半乳糖反复交替连接的链形分子中性糖。,（五）海带多糖硫酸酯 褐藻和红藻中含有一定量的硫酸多糖，已证实具有不同程度的抗凝血和抗高血脂活性。,（六）世界海藻多糖的年产量 到21世纪初，全世界的海藻胶年产量经估算大致为：褐藻胶4.5万吨，卡拉胶2.5万吨，半精制卡拉胶3万吨，琼胶1.5万吨。 褐藻糖胶、红藻淀粉、海带淀粉、绿藻多糖及大叶藻胶等，它们不仅在藻体中含量相对较低，应用也很有限，工业利用价值不大。,一、动物多糖化学成分 （一）糖原 糖原主要存在于肌肉和肝中，遇碘呈红褐色，其主要作用是为动物及许多细菌和真菌贮存养料。,（二）甲壳素 1811年由法国学者布拉克诺(Braconno)发现，1823年由欧吉尔(Odier)从甲壳动物外壳中提取，并命名为CHITIN，译名为几丁质。外观及性质：淡米黄色至白色，溶于浓盐酸/磷酸/硫酸/乙酸,不溶于碱及其它有机溶剂,也不溶于水。,（二）甲壳素 甲壳素主要存在于昆虫、甲壳类动物的外壳中，许多真菌和酵母菌的细胞壁中也有，经酶解后其不同聚合度的低聚糖。 甲壳素是药物片剂及胶囊剂的优良辅料；甲壳素还是制造人造皮肤、人工韧带和人造骨的优良原料；已有将甲壳素及其衍生物用于抗肿瘤、抗衰老、抗动脉粥样硬化和心血管疾病等药物研发方面的报道。,（三）肝素 以前欧美国家曾大量从牛、羊肝脏中提取，但后来由于疯牛病盛行，加之多年的实验表明只有从健康生猪小肠中提取出来的肝素才与人体内的肝素分子结构一致，猪小肠就逐渐成为肝素的主要来源，中国是生猪第一生产大国。肝素是一种硫酸氨基葡聚糖，属黏多糖类物质，平均分子量12000。由二种二糖单元A和B聚合而成，具有很强的抗凝血作用，其钠盐主要用于预防和治疗血栓。,（三）肝素,海普瑞生产间,肝素钠注射液,（四）硫酸软骨素 糖胺聚糖的一种，由D-葡糖醛酸和N-乙酰氨基半乳糖以-1,4-糖苷键连接而成的重复二糖单位组成的多糖，并在N-乙酰氨基半乳糖的C-4位或C-6位羟基上发生硫酸酯化。大量存在于动物软骨中,从猪、牛、鸡、鲨鱼的软骨中提取的酸性黏多糖。,（四）硫酸软骨素 滴眼液:硫酸软骨素对角膜胶原纤维具有保护作用，能促进基质中纤维的增长，增强通透性，改善血液循环，加速新陈代谢，促进渗透液的吸收及炎症的消除。,（四）硫酸软骨素 应用于关节炎,作为治疗关节疾病的药品常与氨基葡萄糖配合使用，具有止痛，促进软骨再生的功效，可以从根本改善关节问题。硫酸软骨素具有降低血脂，改善动脉粥状硬化的作用。,（五）透明质酸（Hyaluronic acid、HA） 玻尿酸，原来就以胶状形态存在于人体皮肤的真皮组织中，负责储存水分、增加皮肤容积，让皮肤看起来饱满、丰盈、有弹性。但玻尿酸会随着年龄增长而消失，使皮肤失去储水的能力，逐渐变得暗沉、老化，并形成细小的皱纹。,（五）透明质酸（Hyaluronic acid、HA） 1934年美国哥伦比亚大学眼科教授Meyer等首先从牛眼玻璃体中分离出该物质。透明质酸由双糖单位(葡萄醛酸-N-乙硫氨基葡糖) 组成的直链高分子多醣是一种组织中自然存在的物质。玻尿酸的结构主要是由双醣(disaccharide)、乙硫氨基葡醣(N-acetyl-Dglucosamine)以及葡醣醛酸(D-glucuronic aicd)所共同组成的多醣类。平均分子量介于105-107道耳顿（Dalton）之间。,（五）透明质酸（Hyaluronic acid、HA） 玻尿酸可说是皮肤的保湿因子，他具有可以吸收500-1000倍体积的能力，比起胶原蛋白分子只能携带30倍的水分，可以说是当今文献中最强的保湿物质。除了保湿后膨胀体积的特性外，加上生物稳性、不易转移及不容水性，也使得玻尿酸成为很好的组织填充物的选择。,我国首次从鲍鱼中分离出鲍鱼多糖，具有明显的体内抗肿瘤生长作用，已申请发明专利。其他的一些海洋多糖药物，如海参多糖、珍蚌多糖等都具有良好的海洋新药开发前景。,相对分子质量测定常用的方法有凝胶色谱法、蒸汽压渗透计法、端基法、粘度法、光散射法、渗透压法和超滤法等。凝胶色谱法是比较常用的方法，用已知分子量样品作标准，建立标准曲线，求得待测多糖的相对分子质量。注意：多糖相对分子质量只代表相似链长的平均而不是确切的分子大小。往往用不同的方法会得到不同的相对分子质量。,物理分析方法,UV光谱法：检测多糖中是否含有蛋白质、核酸、多肽类。IR光谱法：确定吡喃糖的苷键构型及常规观察其他官能团。GC：分析多糖水解后单糖的组成及比例。NMR：主要用于确定多糖结构糖苷键的构型以及重复结构中单糖的数目。MS：鉴定各种甲基衍生物的碎片、确定各种单糖残基的连接位置。 电喷雾电离质谱、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱和快原子轰击质谱还可以测定糖链的相对分子质量及糖链的一级结构。,化学分析方法,酸水解：鉴定多糖的单糖组成常用的方法。甲基化法：阐明单糖的连接方式(键型)、重复结构中某种单糖的数目、末端糖的性质及分支点的位置等。过碘酸氧化：确定多糖中各种单糖的键型及其比例。Smith降解：阐明多糖中单糖的部分连接顺序和键型。,生物学方法,酶学方法：即利用各种特异性糖苷酶水解多糖分子得到寡糖片段，再与其他定性、定量方法联用推测多糖的结构。 免疫学方法：根据多糖抗原与蛋白质抗体的特异性，制备对抗未知多糖的抗体，来阐明未知多糖的结构。,多糖最主要和最重要的生物活性之一。目前己发现100多种中药多糖具有免疫促进作用。这些多糖通过对机体的细胞免疫、体液免疫和对补体系统、细胞因子的影响而产生免疫调节作用。香菇多糖体内给药能诱生IFN。柴胡多糖、刺五加多糖、羧甲基茯苓多糖、平盖灵芝多糖和银耳多糖等都能诱生干扰素。莪术多糖、三七多糖可诱导巨噬细胞分泌TNF-a。云芝多糖可提高小鼠腹腔巨噬细胞中TNF-a基因的表达。,免疫调节作用,研究表明，中药多糖具有肯定的抗肿瘤作用，且几乎没有毒性。 香菇多糖、裂褶菌多糖、猪苓多糖、云芝多糖等一批质量稳定、疗效确切、毒性和不良反应小的多糖类药物已用于临床。 香菇多糖除对移植癌的生长有抑制作用外，对原发性自身癌的生长有强抑制作用，对化学致癌及病毒致癌也有抑制效果。对于不能手术或再发性胃癌患者，与氟脲嘧啶并用，可延长生存期。目前临床上使用的均为从菌类等低等植物中提取的多糖。 近年来，越来越多的具有抗肿瘤作用的高等植物多糖也被发现，如:苦楝多糖、桔梗多糖、库拉索芦荟多糖、黄皮树多糖，海枣多糖等。,降血糖活性,研究表明，一些多糖能够促进胰岛分泌胰岛素，影响糖代谢酶的活性，抑制糖异生，而产生降血糖作用。薏苡仁多糖能显著降低正常小鼠及四氧嘧啶和肾上腺素所致的高血糖小鼠的血糖。人参多糖有降血糖作用。香菇胞外多糖可显著降低链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠血浆中的Glu、总胆固醇和甘油三酯水平。,抗病毒活性,硫酸葡聚糖、角叉菜胶、肝素、硫酸软骨素等对艾滋病病毒(HIV)具有抑制作用，这些多糖大都含有硫酸基。1987年，德国Bayer公司研制的木聚糖硫酸酯对爱滋病有较好的疗效。科学家们还进一步发现硫酸化多糖能从多个环节和步骤干扰HIV对宿主细胞的侵袭，并对HIV有很高的选择性抑制作用。甘草多糖对牛艾滋病毒BIV、腺病毒、柯萨奇病毒均有较明显的抑制作用。中药夏枯草中分离出来的硫酸化多糖具有显著抗HIV的作用。,抗衰老活性,由于多糖类化合物可以增强机体的免疫功能，可作为自由基清除剂，在一定程度上延缓衰老，防治老年病。如刺五加多糖可延长果蝇平均寿命11.7-30%；枸杞多糖可延长家蚕五龄期寿命14%。此外，具有抗衰老作用的还有香菇、银耳、黑木耳、猴头菌、波叶大黄、黄芪、红芪、人参等生药中的多糖。,防治动脉粥样硬化作用,研究发现，多种多糖具有抗凝血和降血脂的活性，可使动脉粥样硬化病程减慢、病变减弱、已形成的病变停止发展，起到防治动脉粥样硬化的作用。 (1)降血脂：南瓜多糖可升高正常及糖尿病小鼠的高密度脂蛋白。茶叶多糖可增强卵磷脂胆固醇酰基转移酶的活性，有利于胆固醇的清除。枸杞多糖对实验性高脂血症大鼠的血脂有明显影响，可显著降低血清胆固醇、甘油三酯含量，而对高密度脂蛋白有升高作用,防治动脉粥样硬化作用,(2)抗凝血：多种硫酸多糖，如藻酸、昆布多糖、海带多糖等具有抗凝血作用。这些多糖可通过抑制凝血蛋白酶原转变为凝血酶，产生抗凝血作用。(3)降血压：皮果衣多糖、褐藻多糖具有降压作用。,多糖研究中存在的问题,我国多糖资源十分丰富，具有巨大的开发潜力，然而，多糖本身也还有一些问题尚待进一步研究解决，如有的多糖类化合物在天然产物中含量低，分离提取困难;有的多糖质量标准不易控制，特别是从菌类植物经发酵后提取的多糖，而多糖的结构测定及合成都有自身的难度和特殊性。这些问题制约了多糖的开发利用。 应该看到，尽管我国活性多糖研究方面取得了不少成就和进展，但与国际研究相比，在多糖结构鉴定、构象分析、构效关系研究、生物活性测试等方面，差距仍然很大。总的来说，我国多糖研究的基础较弱，还没有形成一个相对完整的学科研究体系。,多糖的应用前景,多糖作为药物始于1943年。此后，多糖在药物