糖和糖苷PPT演示课件

Chaper3,1,本章基本内容,一、概述二、结构类型三、糖苷分类四、糖和苷的物理性质五、糖的化学性质六、苷键的裂解七、糖的提取分离八、糖的鉴定和糖链结构的测定,2,一、概述,糖类又称碳水化合物（carbohydrates），是植物光合作用的初生产物，是一类丰富的天然产物，如：蔗糖、粮食(淀粉)、棉布的棉纤维等。糖类、核酸、蛋白质、脂质生命活动所必需的四大类化合物。化学结构：多羟基内半缩醛(酮)及其缩聚物。根据其分子水解反应的情况，可以分为单糖、低聚糖和多糖。,3,一、概述,单糖：不能水解的最简单的多羟基内半缩醛(酮)。如葡萄糖等。低聚糖：水解后生成210个单糖分子的糖。如：蔗糖（D-葡萄糖-D果糖）麦芽糖（葡萄糖14葡萄糖）多糖：水解后能生成多个单分子的，称为多糖。如：淀粉、纤维素等,4,二、结构类型,糖的表示式单糖是多羟基醛或酮。从三碳糖至八碳糖天然界都有存在。以Fischer式表示如下：,5,二、结构类型,单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构，即成呋喃糖和吡喃糖。具有六元环结构的糖吡喃糖（pyranose）具有五元环结构的糖呋喃糖（furanose）糖处游离状态时用Fischer式表示苷化后成环用Haworth式表示,6,二、结构类型,Fischer与Haworth的转换及其相对构型,7,二、结构类型,Fischer式：（C1与C5的相对构型）C1-OH与原C5（六碳糖）或C4（五碳糖）-OH，顺式为，反式为。Haworth式：C1-OH与C5（或C4）上取代基之间的关系：同侧为，异侧为。,8,二、结构类型,糖的绝对构型（D、L）以-OH甘油醛为标准，将单糖分子的编号最大的不对称碳原子的构型与甘油醛作比较而命名分子构型的方法。,9,二、结构类型,Fischer式中最后第二个碳原子上-OH向右的为D型，向左的为L型。Haworth式中C5向上为D型，向下为L型。,10,二、结构类型,戊醛糖和已酮糖的绝对构型判断：吡喃型Haworth式，由于原构型标准（C4-OH和C5-OH）不参与成环，故可直接根据它们的位置判断构型。,11,二、结构类型,即：戊醛糖的C4或已酮糖的C5-OH处于环上者为L构型；环下者为D构型。,习惯上将D型糖中C1-OH处环上者为体，环下者为体。在L型糖中相反。,12,二、结构类型,已醛糖由Fischer转成呋喃型的Haworth，由于C5-C6部分成为环外侧链，判断构型时仍以C5为标准，C5-R者为D型糖；C5-S者为L型糖。,同样，将D型糖中C1-OH处环上者为体，环下者为体。在L型糖中相反。,13,14,二、结构类型,环的构象,15,二、结构类型,Angyal用总自由能来分析构象式的稳定性，比较二种构象式的总自由能差值，能量低的是优势构象。如：葡萄糖的二种构象式的比较：,16,三、糖苷分类,苷，又称配糖体，是糖或糖的衍生物（如氨基糖、糖醛酸等）与另一非糖物质（称为苷元或配基，aglyconeorgenin）通过糖的端基碳原子连接而成的化合物。,17,三、糖苷分类,糖匀体均由糖组成的物质。如单糖、低聚糖、多糖等。1常见单糖,18,三、糖苷分类,19,三、糖苷分类,2氨基糖是指单糖的伯或仲醇基置换成氨基的糖类。,20,三、糖苷分类,3糖醇单糖的醛或酮基还原成羟基后所得的多元醇。4去氧糖单糖分子的一个或二个羟基为氢原子代替的糖。,21,三、糖苷分类,5糖醛酸单糖分子中伯醇基氧化成羧基的化合物。,22,三、糖苷分类,糖杂体糖与非糖组成的化合物苷苷的分类：1按苷原子不同分类氧苷如：红景天苷,23,三、糖苷分类,氮苷：如腺苷。硫苷：如萝卜苷。碳苷：如牡荆素。,24,三、糖苷分类,2按苷元不同分类如：黄酮苷、蒽醌、香豆素、强心苷、皂苷等3按苷键不同分类醇苷：是通过醇羟基与糖端基羟基脱水而成的苷。如红景天苷。酚苷：是通过酚羟基而成的苷。如天麻苷。酯苷：苷元以-COOH和糖的端基碳相连接的是酯苷。如山慈菇苷A。氰苷：是指一类羟腈的苷。如野樱苷。,25,三、糖苷分类,26,三、糖苷分类,4按端基碳构型分苷，多为L型；苷，多为D型。5按连接单糖个数分1个糖单糖苷2个糖双糖苷3个糖叁糖苷,27,三、糖苷分类,6按糖链个数分1个位置成苷单糖链2个位置成苷双糖链7按生物体内存在分原级苷在植物体内原存在的苷；次级苷原级苷水解掉一个糖或结构发生改变。,28,四、糖和苷的物理性质,溶解性糖小分子极性大，水溶性好聚合度增高水溶性下降。多糖难溶于冷水，或溶于热水成胶体溶液。单糖极性双糖极性（与羟基和碳的分担比有关，即按-OH/C的分担情况而定）苷亲水性（与连接糖的数目、位置有关）苷元亲脂性,29,四、糖和苷的物理性质,味觉单糖低聚糖甜味。多糖无甜味（随着糖的聚合度增高，则甜味减小）苷类一般无味，也有苦、甜等（人参皂苷）（甜菊苷）,30,四、糖和苷的物理性质,旋光性及其在构型测定中的应用具有多个不对称碳原子用于苷键构型的测定（即、苷键）。多数苷类呈左旋，水解后的糖常呈右旋。利用旋光性测定苷键构型,31,五、糖的化学性质氧化反应,氧化反应单糖的分子有醛（酮）、伯醇、仲醇和邻二醇等结构，氧化条件不同其产物也不同。如：,32,五、糖的化学性质氧化反应,糖分子化学反应的活泼性：端基碳原子伯碳仲碳（即C1-OH、C6-OH、C2C3C4-OH）以过碘酸反应为例来了解糖的氧化反应的应用过碘酸反应主要作用于：邻二醇、-氨基醇、-羟基醛（酮）、邻二酮和某些活性次甲基等结构。,33,五、糖的化学性质氧化反应,邻羟基：,34,五、糖的化学性质糠醛形成反应,糠醛形成反应（Molish反应）,35,五、糖的化学性质糠醛形成反应（显色反应）,Molish反应：糖在浓硫酸或浓盐酸的作用下脱水形成糠醛及其衍生物，与-萘酚作用形成紫红色复合物，在糖液和浓硫酸的液面间形成紫环，因此又称紫环反应。自由存在和结合存在的糖均呈阳性反应。此外，各种糠醛衍生物、葡萄糖醛酸以及丙酮、甲酸和乳酸均呈颜色近似的阳性反应。因此，阴性反应证明没有糖类物质的存在；而阳性反应，则说明有糖存在的可能性，需要进一步通过其他糖的定性试验才能确定有糖的存在。Molish试剂：取5g-萘酚用95%乙醇溶解至100mL，临用前配制，棕色瓶保存。1%葡萄糖溶液；1%蔗糖溶液；1%淀粉溶液。,36,五、糖的化学性质糠醛形成反应（显色反应）,Molish反应：样品+浓H2SO4+-萘酚有色环多糖、低聚糖、单糖、苷类Molish反应=？,37,五、糖的化学性质糠醛形成反应（显色反应）,多糖、低聚糖、单糖、苷类Molish反应=？如果有单糖、低聚糖或苷存在，则在两种溶液的交界面可产生紫红色或其他颜色的环。反应阳性表明有各种游离的或结合的糖存在。再进行fehling反应，若有Cu2O沉淀，表明有还原糖存在。非还原性的低聚糖、多糖和苷类无法判断。酸水解后反应液中是有沉淀或絮状沉淀产生，说明有苷。作业：氰苷类的鉴定方法，苦杏仁苷鉴定的程序,38,五、糖的化学性质羟基反应,羟基反应糖的-OH反应醚化、酯化和缩醛（酮）化。反应活性：最高的半缩醛羟基（C1-OH）其次是伯醇基（C6-OH）仲醇次之。（伯醇因其处于末端的空间，对反应有利，因此活性高于仲醇。）,39,五、糖的化学性质羰基反应,羰基反应还原糖+苯肼糖腙（多为水溶性的）还原糖+3分子苯肼糖脎（较难溶于水）应用糖的鉴定、分离和纯化。,40,五、糖的化学性质硼酸络合反应,硼酸络合反应糖的邻二-OH可与许多试剂生成络合物，借生成络合物的某些物理常数的改变，可以有助于糖的分离、鉴定和构型推定。重要的如：硼酸络合物、钼酸络合物、铜氨离子络合物等。糖+硼酸络合物（酸性增加、可离子化）（H3BO3是接受电子对的Lewis酸）,41,五、糖的化学性质硼酸络合反应,硼酸络合反应的应用：络合后，中性可变为酸性，因此可进行酸碱中和滴定；可进行离子交换法分离；可进行电泳鉴定；在混有硼砂缓冲液的硅胶薄层上层析。,42,六、苷键的裂解,研究苷类的化学结构，必须了解苷元结构、糖的组成、糖和糖的连接方式，以及苷元和糖的连接方式等。为此必先使用某种方法使苷键切断。酸催化水解反应乙酰解反应碱催化水解和消除反应酶催化水解反应氧化开裂法（Smith降解法）,43,六、苷键的裂解酸催化水解反应,酸催化水解反应苷键属于缩醛结构，易为稀酸催化水解。水解反应是苷原子先质子化，然后断键生成阳碳离子或半椅型的中间体，在水中溶剂化而成糖。,44,六、苷键的裂解酸催化水解反应,酸水解的规律：苷原子不同，酸水解难易顺序：NOSC（C-苷最难水解，从碱度比较也是上述顺序）呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解。因五元呋喃环的颊性使各取代基处在重叠位置，形成水解中间体可使张力减小，故有利于水解。酮糖较醛糖易水解酮糖多为呋喃结构，而且酮糖端基碳原子上有-CH2OH大基团取代，水解反应可使张力减小。,45,六、苷键的裂解酸催化水解反应,吡喃糖苷中：吡喃环C5上取代基越大越难水解，水解速度为：五碳糖甲基五碳糖六碳糖七碳糖C5上有-COOH取代时，最难水解（因诱导使苷原子电子密度降低）氨基取代的糖较-OH糖难水解，-OH糖又较去氧糖难水解。2,3-二去氧糖2-去氧糖3-去氧糖羟基糖2-氨基糖,46,六、苷键的裂解酸催化水解反应,在构象相同的糖中:a键(竖键)-OH多则易水解。芳香属苷较脂肪属苷易水解。如：酚苷萜苷、甾苷（因苷元部分有供电结构，而脂肪属苷元无供电结构）苷元为小基团苷键横键比竖键易水解(ea)（横键易质子化）苷元为大基团苷键竖键比横键易水解(ae)（苷的不稳定性促使其易水解）,47,六、苷键的裂解乙酰解反应,乙酰解反应1常用试剂：醋酐+酸所用酸如：H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸（ZnCl2、BF3）等。2反应条件：一般是在室温放置数天。3反应机理：与酸催化水解相似，以CH3CO+(乙酰基，Ac）为进攻基团。,48,六、苷键的裂解乙酰解反应,乙酰解反应易发生糖的端基异构化。,49,六、苷键的裂解乙酰解反应,4反应速率：苷键邻位有电负性强的基团（如环氧基）可使反应变慢。-苷键的葡萄糖双糖的反应速率：（乙酰解易难程度）（16）（14）（13）（12）,50,六、苷键的裂解乙酰解反应,5用途所得产物为单糖、低聚糖及苷元的酰化物，增加了反应产物的脂溶性，有利于提取、精制和鉴定。乙酰解法可以水解一部分苷键而保留另一部分苷键。,51,六、苷键的裂解碱催化水解,碱催化水解和消除反应一般苷键对稀碱是稳定的，但某些特殊的苷易为碱水解，如：酯苷酚苷烯醇苷-吸电子基取代的苷,52,六、苷键的裂解碱催化水解,C1-OH与C2-OH：反式易水解，其产物为1,6-葡萄糖酐；顺式产物为正常的糖。利用水解产物可判断苷键构型,53,六、苷键的裂解碱催化水解,-消除反应：苷键的-位有吸电子基团者，使-位氢活化，在碱液中与苷键起消除反应而开裂，称。作用机理：在13或14连接的聚糖中，还原端的游离醛（或酮）邻位氢活化而与3-O-或4-O-苷键起消除反应。这样碱能使多糖还原端的单糖逐个被剥落，对非还原端则无影响。剥落生成的是-羟基糖酸。,54,六、苷键的裂解碱催化水解,-消除反应作用过程：,55,六、苷键的裂解碱催化水解,用途：可从多糖剥落反应生成的糖酸中了解还原糖的取代方式。3-O-代的糖可形成3-脱氧糖酸4-O-代的糖可形成3-脱氧-2-羟甲基糖酸二个以上取代的还原糖难生成糖酸,56,六、苷键的裂解酶催化水解反应,酶催化水解反应用酶水解苷键可以获知苷键的构型，可保持苷元结构不变的真正苷元。酶专属性高，选择性地催化水解某一构型的苷。如：苦杏仁酶（emulsin）水解-葡萄糖苷键纤维素酶（cellulase）同上麦芽糖酶（maltase）水解-葡萄糖苷键,57,六、苷键的裂解氧化开裂法,氧化开裂法（Smith降解法）可得到原苷元（除酶解外，其它方法可能得到的是次级苷元）试剂：过碘酸(HIO4)、四氢硼钠(NaBH4)、稀酸反应过程：,58,七、糖的提取分离提取,提取主要为溶剂法水、稀醇（单糖、低聚糖、多糖）糖类的提取可根据它们对乙醇和水的溶解度不同，而采用冷热水、冷热稀醇等条件。苷类分子的极性随着糖基的增多而增大。可根据其极性大小，来选择相适应的溶剂。破坏或抑制植物体内酶的方法：采集新鲜材料迅速加热干燥冷冻保存等,59,60,七、糖的提取分离分离,分离1活性炭柱色谱2纤维素色谱3离子交换柱色谱4凝胶柱色谱5季铵氢氧化物沉淀法6分级沉淀或分级溶解法7蛋白质除去法,61,七、糖的提取分离分离,1活性炭柱色谱概述用途分离水溶性物质较好如：氨基酸、糖类及某些苷类。特点：（对于活性炭柱色谱）上样量大，分离效果较好，适合大量制备；来源容易，价格廉；缺点：无测定其吸附力级别的理想方法。,62,七、糖的提取分离分离,分类：粉末状活性炭颗粒细，总表面积大，吸附力及吸附量大。颗粒状活性炭颗粒较上者大，吸附力及吸附量也较上者次之。锦纶-活性炭以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制成颗粒，吸附力最弱。,63,七、糖的提取分离分离,活性炭对物质的吸附规律对分子量大的化合物吸附力大于分子量小的化合物，即：多糖单糖活性炭在水溶液中的吸附力最强，在有机溶剂中吸附力较弱。洗脱顺序：H2O、10%、20%、30%、50%、70%乙醇液无机盐二糖三糖多糖单糖等,64,七、糖的提取分离分离,2纤维素色谱原理与PC相同，属分配层析。溶剂系统：水、丙酮、水饱和的正丁醇等。用水溶性的溶剂如HAc：H2O进行展开时，其原理属吸附层析。,65,七、糖的提取分离分离,3离子交换柱色谱除水提液中的酸、碱性成分和无机离子；制成硼酸络合物强碱性阴离子交换树脂（不同浓度硼酸盐液洗脱）,66,七、糖的提取分离分离,4凝胶柱色谱常用商品名称及型号：葡聚糖凝胶（商品名：SephadexG）G-10、G-15、G-200等10表示吸水量乘以10，即1.0ml/g的吸水量琼脂糖凝胶（Sepharose，Bio-GelA）聚丙烯酰胺凝胶（Bio-GelP）羟丙酰基交联葡聚糖凝胶（SephadexLH-20）（亲脂性，可在有机溶剂中进行分离的分子筛）,67,七、糖的提取分离分离,操作过程：除LH-20外，均在H2O中进行。将凝胶在适当的溶液中浸泡（多为洗脱剂）；待充分膨胀后装入层析柱；用洗脱液洗脱；收集、回收溶液，干燥。,68,七、糖的提取分离分离,洗脱溶剂的选择：分离中性物质水及电解质溶液（酸、碱、盐溶液及缓冲液）阻滞较大的组分水+有机溶液（水-甲醇、水-乙醇、水-丙酮等）LH-20可用有机溶液进行溶胀（如：CHCl3、丁醇、二氧六环等）(适用：有机物质的分离，如：脂类、固醇类等),69,七、糖的提取分离分离,5季铵氢氧化物沉淀法季铵氢氧化物是一类乳化剂。,70,七、糖的提取分离分离,6分级沉淀或分级溶解法在糖的水溶液中，逐步加入乙醇，即逐渐增大EtOH浓度，可得到各部分的沉淀物。为使多糖稳定，多糖通常在pH=7时进行酸性多糖在pH=24时进行处理酸性多糖时，为防酸水解苷键，操作宜迅速。,71,七、糖的提取分离分离,7蛋白质除去法用分级沉淀法得到的多糖，常夹杂有较多的蛋白质，为除之，通常选择能使蛋白质沉淀而使多糖不沉淀的试剂来处理，如：酚、三氯乙酸、鞣酸等。注意：处理时间要短，温度要低。（避免多糖降解）三氟三氯乙烷法和Sevag法（用氯仿：戊醇或丁醇4：1混合）在避免降解上有较好效果。,72,七、糖的提取分离分离,糖的提取分离实例地黄根中单糖和低聚糖的分离取鲜根热EtOH、H2O提阴阳离子交换树脂（除酸碱成分）得中性成分活性炭柱（15%HOAc处理）以H2O、稀EtOH（5、10、15、25%顺次洗脱）,经PC检定，合并D-葡萄糖D-半乳糖D-果糖蔗糖棉子糖甘露三糖水苏糖(四糖)毛蕊糖(五糖),73,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,糖的鉴定1纸层析展开系统：常用水饱和的有机溶剂展开。如：正丁醇：醋酸：水（4：1：5上层）BAW水饱和苯酚等溶剂系统。显色剂：邻苯二甲酸苯胺、硝酸银试剂(使还原糖显棕黑色)、三苯四氮唑盐试剂（单糖和还原性低聚糖呈红色）、3,5-二羟基甲苯盐酸试剂（酮糖呈红色）等。,74,糖的鉴定-纸色谱法：展开剂以正丁醇-乙醇-水和水饱和的苯酚两种系统应用最为普遍。正丁醇醋酸水简称BAW系统，B代表正丁醇，A代表醋酸，W代表水。比例为4：1：5的上层溶液。糖类的纸色谱常用显色剂有：硝酸银试剂；三苯四氮唑盐试剂；苯胺-邻苯二甲酸盐试剂；3，5-二羟基甲苯-盐酸试剂;过碘酸加联苯胺试剂等。在用纸层吸来进行分离，最常见的糖是葡萄糖和鼠李糖，这两个糖Rf值的大小一般的规律是，鼠李糖因为极性小于葡萄糖，在用纸色谱检识时，鼠李糖的Rf值一般大于葡萄糖。不同的糖Rf值的大小都会有比较大的差别。常用显色剂有：硝酸银试剂，使还原糖显棕黑色；三苯四氮唑盐试剂，使单糖和还原性低聚糖呈红色；苯胺一邻苯二甲酸盐试剂，使单糖中的五碳糖和六碳糖所呈颜色略有区别；3，5-二羟基甲苯-盐酸试剂，使酮糖和含酮糖的低聚糖呈红色；过碘酸加联苯胺，使糖、苷和多元醇中有邻羟基结构者呈蓝底白边。,75,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,2薄层层析可用（硼酸液+无机盐）+硅胶制板吸附剂：硅胶（用0.03M硼酸液或无机盐的水液代水制板）常用的无机盐：0.3M磷酸氢二钠或磷酸二氢钠0.02M乙酸钠0.02M硼酸盐缓冲液0.1M亚硫酸氢钠/H2O,76,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,硼酸与无机盐制板的特点：增加糖在固定相中的溶解度，使硅胶薄层吸附能力下降，利于斑点集中，又可增加样品的承载量。显色剂：除纸层析应用的以外，还用如：H2SO4/H2O或乙醇液茴香醛-硫酸试剂苯胺-二苯胺磷酸试剂等,77,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,3气相层析将糖制备成三甲基硅醚（增加其挥发性）将醛糖用NaBH4还原成多元醇（避免形成端基异构体）制成乙酰化物或三氟乙酰化物。4液相色谱填充材料化学修饰的硅胶优：不必制备成衍生物。适合分析对热不稳定、不挥发的低聚糖和多糖。分析单糖和低聚糖，其灵敏度不及气相层析。,78,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,5离子交换层析糖的硼酸络合物可进行离子交换层析优：不必制成衍生物，而直接用水溶液进行分离（与气相比较）糖自动分析仪：显色：3,5-二羟基甲苯-浓硫酸波长：425nm上样量：每种组成不超过1mg洗脱剂：四硼酸钾的缓冲溶液,79,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,糖链结构的测定主要解决的问题单糖的组成、糖之间的连接位置和顺序、苷键构型1单糖的组成2单糖之间连接位置的决定3糖链连接顺序的决定4苷键构型的决定513C-NMR在糖链结构测定中的应用,80,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,1单糖的组成低聚糖、多糖的结构分析，首先要了解由哪些单糖所组成，各种单糖之间的比例如何。一般是将苷键全水解，用PC检出单糖的种类，经显色后用薄层扫描仪求得各种糖的分子比。也可用GLC或HPLC对单糖定性定量。GLC常以甘露醇或肌醇为内标，用已知单糖作标准。,81,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,2单糖之间连接位置的决定将糖链全甲基化水解甲基化单糖的定性和定量（气相层析）（甲基化单糖中游离-OH的部位就是连接位置）13C-NMR测定：主要归属各碳信号，以确定产生苷化位移的碳。,82,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,3糖链连接顺序的决定缓和水解法：将糖链水解成较小的片段，然后分析这些低聚糖的连接顺序。质谱分析。4苷键构型的决定分子旋光差（klyne法）酶催化水解方法1H-NMR判断糖苷键的相对构型其它,83,八、糖的鉴定和糖链结构的测定,1H-NMR判断糖苷键的相对构型在糖的1H-NMR中：端基质子5.0ppm左右其它质子3.54.5ppm可通过C1-H与C2-H的偶合常数，来判断苷键的构型（、）例如：D-葡萄糖,84,八、糖的鉴定和