生物化学第1章糖类

1、一、引言一、引言二、单糖二、单糖三、寡糖三、寡糖四、多糖四、多糖五、复合糖五、复合糖第1章 糖类 糖是多羟基醛或多羟基酮，而糖类是糖及其糖是多羟基醛或多羟基酮，而糖类是糖及其衍生衍生物物、或水解时能产生这些化合物的物质的总称。、或水解时能产生这些化合物的物质的总称。 大多数糖类物质只由大多数糖类物质只由c、h、o三种元素组成，三种元素组成，其实验式为其实验式为(ch2o)n，因此过去曾误认为这类物质是因此过去曾误认为这类物质是碳的水合物，碳水化合物（碳的水合物，碳水化合物（carbohydrate）因之得名。）因之得名。后来发现有些糖，如鼠李糖（后来发现有些糖，如鼠李糖（c6h12o5）和脱氧

2、核糖）和脱氧核糖（c5h10o4）等，它们的分子中）等，它们的分子中h和和o的原子数之比并的原子数之比并非非2:1，而一些非糖物质，如甲醛（，而一些非糖物质，如甲醛（ch2o）、乙酸）、乙酸（c2h4o2）和乳酸（）和乳酸（c3h6o3）等，它们分子中的）等，它们分子中的h和和o之比却都是之比却都是2:1，所以，所以“碳水化合物碳水化合物”这一名称并这一名称并不恰当。不恰当。一、引言糖类的名称 在英文中，较简单的糖类常称为在英文中，较简单的糖类常称为sugar或或saccharide， saccharide一词常被冠以词头，用作一词常被冠以词头，用作糖的类别名称，如糖的类别名称，如monosa

3、ccharide（单糖）、（单糖）、disaccharide （二糖）（二糖） 、oligosaccharide（寡糖）、（寡糖）、polysaccharide（多糖）等。在复合糖中，以（多糖）等。在复合糖中，以glyco-为词头，如为词头，如glycolipid（糖脂） 、（糖脂） 、glycoprotein（糖蛋白）等。（糖蛋白）等。 尽管尽管“碳水化合物碳水化合物”这个词不确切，但这个词不确切，但“糖糖类类”和和“碳水化合物碳水化合物”这两个词现在还是通用。这两个词现在还是通用。糖类的存在与来源 糖类是地球上数量最多的一类有机化合物。糖类是地球上数量最多的一类有机化合物。地球的生物量干重

4、的地球的生物量干重的50%以上是由糖的聚合物构以上是由糖的聚合物构成的。糖类物质按干重计占植物的成的。糖类物质按干重计占植物的85%90%，占细菌的占细菌的10%30%，在动物中小于，在动物中小于2%。 地球上糖类物质的根本来源是绿色细胞进行地球上糖类物质的根本来源是绿色细胞进行的光合作用。的光合作用。1. 作为生物体的结构成分作为生物体的结构成分2. 作为生物体内的主要能源物质作为生物体内的主要能源物质3. 在生物体内转变为其他物质在生物体内转变为其他物质4. 作为细胞识别的信息分子作为细胞识别的信息分子糖类的生物学作用糖类的命名与分类 具体某一种糖的命名，常见的糖多数是根据糖的具体某一种糖

5、的命名，常见的糖多数是根据糖的来源给予一个通俗名称，如葡萄糖、果糖、蔗糖等。来源给予一个通俗名称，如葡萄糖、果糖、蔗糖等。 根据糖分子中含有醛基还是酮基，分别称为醛糖根据糖分子中含有醛基还是酮基，分别称为醛糖和酮糖。和酮糖。 根据糖分子的碳原子数目，可称为三碳糖（丙根据糖分子的碳原子数目，可称为三碳糖（丙糖）、四碳糖（丁糖）、五碳糖（戊糖）等。糖）、四碳糖（丁糖）、五碳糖（戊糖）等。 根据糖类物质的聚合度，可分为单糖、寡糖（二根据糖类物质的聚合度，可分为单糖、寡糖（二糖、三糖、四糖等）和多糖。糖、三糖、四糖等）和多糖。 糖类物质与其他非糖物质的共价结合物，称为复糖类物质与其他非糖物质的共价结合

6、物，称为复合糖或糖复合物。有糖脂、糖蛋白、蛋白聚糖等。合糖或糖复合物。有糖脂、糖蛋白、蛋白聚糖等。二、单 糖最简单的糖最简单的糖是甘油醛和是甘油醛和二羟基丙酮二羟基丙酮甘油醛甘油醛甘油醛的对映体甘油醛的对映体单糖的相对构型三碳醛糖三碳醛糖投影式投影式透视式透视式四碳醛糖以离羰基以离羰基碳最远的碳最远的那个手性那个手性碳原子的碳原子的构型为该构型为该糖分子的糖分子的dl构型构型赤藓糖赤藓糖赤藓糖苏糖苏糖五碳醛糖阿拉伯糖阿拉伯糖木糖木糖核糖核糖来苏糖来苏糖六碳醛糖阿洛糖阿洛糖阿卓糖阿卓糖葡萄糖葡萄糖甘露糖甘露糖古洛糖古洛糖艾杜糖艾杜糖半乳糖半乳糖塔罗糖塔罗糖三碳酮糖和四碳酮糖赤藓酮糖赤藓酮糖五碳酮

7、糖核酮糖核酮糖木酮糖木酮糖六碳酮糖阿洛酮糖阿洛酮糖果糖果糖山梨糖山梨糖塔格酮糖塔格酮糖表异构体 在含两个以上不对称碳原子的化合物中，只有一个不对在含两个以上不对称碳原子的化合物中，只有一个不对称碳原子构型相反的一对化合物称为表异构体。称碳原子构型相反的一对化合物称为表异构体。缩醛和缩酮单糖分子内形成半缩醛 异 头 碳 的异 头 碳 的羟基与最末的羟基与最末的手性碳原子的手性碳原子的羟基具有相同羟基具有相同取向的异构体取向的异构体称为称为异头物，异头物，具有相反取向具有相反取向的称为的称为异头物。异头物。吡喃糖和呋喃糖吡喃吡喃呋喃呋喃吡喃糖两种可能的椅式构象醛糖氧化成糖酸环式结构环式结构链式结构

8、链式结构单糖衍生物葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸葡萄糖酸葡萄糖酸葡萄糖酸内酯葡萄糖酸内酯单糖衍生物胞壁酸胞壁酸半乳糖胺半乳糖胺葡糖胺葡糖胺甘露糖胺甘露糖胺乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸单糖衍生物n-乙酰乙酰神经氨酸神经氨酸唾液酸唾液酸6-脱氧脱氧-l-半乳糖半乳糖 6-脱氧脱氧-l甘露糖甘露糖鼠李糖鼠李糖岩藻糖岩藻糖2脱氧核糖脱氧核糖单糖衍生物糖醇糖醇山梨醇山梨醇甘露醇甘露醇木糖醇木糖醇甘油甘油肌醇肌醇核糖醇核糖醇若干种单糖及其衍生物的缩写单糖单糖缩写缩写单糖衍生物单糖衍生物缩写缩写阿拉伯糖阿拉伯糖ara葡糖酸葡糖酸glca果糖果糖fru葡糖醛酸葡糖醛酸glcua岩藻糖岩藻糖fuc半乳糖胺半乳

9、糖胺galn半乳糖半乳糖gal葡糖胺葡糖胺glcn葡萄糖葡萄糖glcn-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺galnac来苏糖来苏糖lyxn-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺glcnac甘露糖甘露糖man胞壁酸胞壁酸mur鼠李糖鼠李糖rhan-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸murnac核糖核糖ribn-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸neunac木糖木糖xyl（唾液酸）（唾液酸）sia单糖之间可以糖苷键连接糖与其他基团以糖苷键连接 ouabain amygdalin乌本（箭毒）苷乌本（箭毒）苷 苦杏仁苷苦杏仁苷糖基糖基（龙胆二糖）（龙胆二糖）配基配基糖基糖基（l-鼠李糖）鼠李糖）配基配基三、寡 糖 两个至若干个单糖以糖苷键连接起来的物

10、质称两个至若干个单糖以糖苷键连接起来的物质称为寡糖，更多个单糖以糖苷键连接起来的物质称为为寡糖，更多个单糖以糖苷键连接起来的物质称为多糖。寡糖与多糖之间并没有严格的分界。多糖。寡糖与多糖之间并没有严格的分界。 常见的寡糖是二糖。有游离半缩醛羟基的二糖常见的寡糖是二糖。有游离半缩醛羟基的二糖具有还原性，没有游离半缩醛羟基的二糖没有还原具有还原性，没有游离半缩醛羟基的二糖没有还原性。性。几种双糖的结构乳糖乳糖麦芽糖麦芽糖蔗糖蔗糖海藻糖海藻糖四、多 糖 多糖在水溶液中不形成真溶液，只能形成胶多糖在水溶液中不形成真溶液，只能形成胶体，没有甜味，也无还原性，有旋光性，但无变体，没有甜味，也无还原性，有旋

11、光性，但无变旋现象。根据组成多糖的单糖种类，将由同一种旋现象。根据组成多糖的单糖种类，将由同一种单糖连接形成的多糖称为同多糖，而将由两种以单糖连接形成的多糖称为同多糖，而将由两种以上不同的单糖形成的多糖称为杂多糖。上不同的单糖形成的多糖称为杂多糖。多糖的结构杂多糖杂多糖同多糖同多糖淀 粉直链直链淀粉分子量约淀粉分子量约1万万-200万，万，250-260个个d-葡萄糖分葡萄糖分子，以子，以 （14）糖苷键）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显蓝色。在天然淀粉中约有碘显蓝色。在天然淀粉中约有20-30%的淀粉为直链淀的淀粉为直链淀粉。粉。支链淀粉中除了支链淀粉中除了 （14

12、）糖苷键构成糖链以外，在）糖苷键构成糖链以外，在分支点处存在分支点处存在 （16）糖苷键，遇碘显紫红色。）糖苷键，遇碘显紫红色。在在天然淀粉中约有天然淀粉中约有70-80%的淀粉为支链淀粉。支链淀粉的淀粉为支链淀粉。支链淀粉的分子量较直链淀粉大得多，一般平均由的分子量较直链淀粉大得多，一般平均由6000个个d-葡葡萄糖残基组成，分子量为萄糖残基组成，分子量为1百万左右。百万左右。starch直链淀粉非还原端非还原端还原端还原端amylose支链淀粉amylopectin支链淀粉分支处的连接支链淀粉分支处的连接淀粉与碘的显色反应 由于由于1,4连接，淀粉分子中的每个葡萄糖残基连接，淀粉分子中的每

13、个葡萄糖残基与下一个残基都成一定角度。根据与下一个残基都成一定角度。根据x射线衍射分析，射线衍射分析，直链淀粉的二级结构是一个左手螺旋，每圈螺旋含直链淀粉的二级结构是一个左手螺旋，每圈螺旋含6个残基，螺距个残基，螺距0.8nm，直径，直径1.4nm。碘分子正好能嵌。碘分子正好能嵌入螺旋中心，每圈可容纳一个碘分子（入螺旋中心，每圈可容纳一个碘分子（i 2），通过朝），通过朝向圈内的羟基氧（提供未共享电子对）和碘（提供空向圈内的羟基氧（提供未共享电子对）和碘（提供空轨道）之间的相互作用形成稳定的深蓝色淀粉碘络轨道）之间的相互作用形成稳定的深蓝色淀粉碘络合物。产生特征性的蓝色需要约合物。产生特征性的

14、蓝色需要约36个即个即6圈葡萄糖残圈葡萄糖残基。支链淀粉螺旋（约基。支链淀粉螺旋（约2530个残基）中的短串碘分个残基）中的短串碘分子比直链淀粉螺旋中的长串碘分子吸收更短波长的光，子比直链淀粉螺旋中的长串碘分子吸收更短波长的光，因此支链淀粉遇碘呈紫色到紫红色。因此支链淀粉遇碘呈紫色到紫红色。直链淀粉的二级结构糖 原 糖原为动物体内贮存的主要多糖，此多糖相糖原为动物体内贮存的主要多糖，此多糖相当于植物体内贮存的淀粉，所以糖原也称为动物当于植物体内贮存的淀粉，所以糖原也称为动物淀粉；高等动物的肝脏和肌肉组织中含有较多的淀粉；高等动物的肝脏和肌肉组织中含有较多的糖原。糖原。 糖原分子具有较多的分支结

15、构。支链淀粉的糖原分子具有较多的分支结构。支链淀粉的分支结构是以分支结构是以24个葡萄糖残基为其分支的长度，个葡萄糖残基为其分支的长度，但糖原的分支结构则是平均以但糖原的分支结构则是平均以12个葡萄糖残基为个葡萄糖残基为其分支的长度其分支的长度 。glycogen叶绿体中的淀粉粒（直径约（直径约1m）肝细胞中的糖原颗粒（直径约（直径约0.1m）纤维素 纤维素分子是许多葡萄糖残基以纤维素分子是许多葡萄糖残基以1,4糖苷键连接的直链糖苷键连接的直链分子。纤维素链中每个残基相对于前一个残基翻转分子。纤维素链中每个残基相对于前一个残基翻转180，使链，使链采取完全伸展的构象。相邻、平行的伸展链通过链内

16、和链间的采取完全伸展的构象。相邻、平行的伸展链通过链内和链间的氢键形成片层结构，片层之间靠其余氢键及环的疏水内核间的氢键形成片层结构，片层之间靠其余氢键及环的疏水内核间的范德华力维系。这样若干条链聚集成紧密的有周期性晶格的分范德华力维系。这样若干条链聚集成紧密的有周期性晶格的分子束，称为微晶或胶束。多个这样的胶束平行地形成微纤维。子束，称为微晶或胶束。多个这样的胶束平行地形成微纤维。微纤维长数微米，直径微纤维长数微米，直径3.510nm，一般含，一般含600012000个葡萄个葡萄糖残基。纤维素是植物细胞壁的主要成分。糖残基。纤维素是植物细胞壁的主要成分。-1,4-linked d-gluco

17、se unitscellulose纤维素分子链内外的氢键几丁质（壳多糖）chitin 壳多糖主要存在于壳多糖主要存在于真菌细胞壁和许多无脊真菌细胞壁和许多无脊椎动物的外骨骼中。椎动物的外骨骼中。n-乙酰乙酰-d-葡糖胺以葡糖胺以14糖苷键相连糖苷键相连右旋糖苷 右旋糖苷的主链是右旋糖苷的主链是1,6连接的葡聚糖（主连接的葡聚糖（主链占链占95%） ，支链为，支链为1,3连接的单个葡萄糖基连接的单个葡萄糖基或异麦芽糖基。因菌种或或异麦芽糖基。因菌种或菌株的不同，还有菌株的不同，还有1,2或或1,4连接的分支。右连接的分支。右旋糖苷的分子量大小差异旋糖苷的分子量大小差异很大。很大。 右旋糖苷右旋糖

18、苷是酵母和细是酵母和细菌的贮存多菌的贮存多糖。糖。dextran肽聚糖staphylococcus aureus金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌细胞壁的结构细胞壁的结构一种革兰氏阳性细菌一种革兰氏阳性细菌 肽聚糖是细菌细胞壁肽聚糖是细菌细胞壁的重要成分。的重要成分。peptidoglycan琼 脂 琼脂俗称洋菜，是从红藻类石花菜属及其他属的某些海琼脂俗称洋菜，是从红藻类石花菜属及其他属的某些海藻中提取出来的一种多糖混合物，从琼脂中分离出两个组分，藻中提取出来的一种多糖混合物，从琼脂中分离出两个组分，一个称为琼脂糖（一个称为琼脂糖（agarose），另一个称为琼脂胶。），另一个称为琼脂胶。 琼脂糖是

19、琼脂的主要成分，它是由琼脂糖是琼脂的主要成分，它是由d-吡喃半乳糖和吡喃半乳糖和3,6-脱水脱水-l-吡喃半乳糖两个单位交替组成的线性链。吡喃半乳糖两个单位交替组成的线性链。 琼脂胶是琼脂糖的衍生物，单糖残基被不同程度地被硫琼脂胶是琼脂糖的衍生物，单糖残基被不同程度地被硫酸基、甲氧基、丙酮酸等所取代。其实琼脂糖只是含这些取酸基、甲氧基、丙酮酸等所取代。其实琼脂糖只是含这些取代基最少的琼脂组分。琼脂是多种具有相同主链但不同程度代基最少的琼脂组分。琼脂是多种具有相同主链但不同程度被荷负电基团取代的多糖混合物。被荷负电基团取代的多糖混合物。agar果胶物质 果胶物质主要存在于植物的初生细胞壁和细胞之

20、间的中层内。果胶物质主要存在于植物的初生细胞壁和细胞之间的中层内。果胶物质是细胞壁的基质多糖。在浆果、果实和茎中最丰富。果胶物质是细胞壁的基质多糖。在浆果、果实和茎中最丰富。 果胶物质包括两种酸性多糖和三种中性多糖：多聚半乳糖醛果胶物质包括两种酸性多糖和三种中性多糖：多聚半乳糖醛酸、多聚鼠李半乳糖醛酸；阿拉伯聚糖、半乳聚糖和阿拉伯半乳酸、多聚鼠李半乳糖醛酸；阿拉伯聚糖、半乳聚糖和阿拉伯半乳聚糖。羧基不同程度被甲酯化的线性多聚半乳糖醛酸或多聚鼠李聚糖。羧基不同程度被甲酯化的线性多聚半乳糖醛酸或多聚鼠李半乳糖醛酸称为果胶（半乳糖醛酸称为果胶（pectin），完全去甲酯化的果胶称为果胶），完全去甲酯

21、化的果胶称为果胶酸，羧基大部分被甲酯化的果胶称为果胶酯酸。提取前存在于植酸，羧基大部分被甲酯化的果胶称为果胶酯酸。提取前存在于植物中与纤维素和半纤维素等结合的水不溶性的果胶物质称为原果物中与纤维素和半纤维素等结合的水不溶性的果胶物质称为原果胶。原果胶受植物体内多聚半乳糖醛酸酶（也称果胶酶）的作用胶。原果胶受植物体内多聚半乳糖醛酸酶（也称果胶酶）的作用或提取过程中经稀酸处理，则转变为水溶性的果胶。或提取过程中经稀酸处理，则转变为水溶性的果胶。pectic substance半纤维素 半纤维素被定义为碱溶性的细胞壁多糖，也即半纤维素被定义为碱溶性的细胞壁多糖，也即除去果胶物质后的残留物能被除去果胶

22、物质后的残留物能被15%naoh提取的多提取的多糖。这些多糖大多数都具有侧链，分子大小为糖。这些多糖大多数都具有侧链，分子大小为50400个单糖残基，在细胞壁中与微纤维非共价结合个单糖残基，在细胞壁中与微纤维非共价结合成为细胞壁的另一类基质多糖。成为细胞壁的另一类基质多糖。 半纤维素大量存在于植物的木质化部分，在木半纤维素大量存在于植物的木质化部分，在木材中占干重的材中占干重的15%25%，农作物秸秆中占，农作物秸秆中占25%45%。 半纤维素主要有：木聚糖、葡甘露聚糖和半乳半纤维素主要有：木聚糖、葡甘露聚糖和半乳葡甘露聚糖、木葡聚糖等葡甘露聚糖、木葡聚糖等hemicellulose几种糖胺聚

23、糖硫酸皮肤素硫酸皮肤素硫酸角质素硫酸角质素肝素肝素透明质酸透明质酸软骨素软骨素-4-硫酸硫酸软骨素软骨素-6-硫酸硫酸五、复合糖 蛋白聚糖是一类特殊的糖蛋白，由一条或多条糖蛋白聚糖是一类特殊的糖蛋白，由一条或多条糖胺聚糖链和一个核心蛋白共价连接而成。蛋白聚糖是胺聚糖链和一个核心蛋白共价连接而成。蛋白聚糖是细胞表面或细胞外基质的大分子。蛋白聚糖细胞表面或细胞外基质的大分子。蛋白聚糖分子有较分子有较强的亲水性，分子内间隙中和分子周围结合着相当量强的亲水性，分子内间隙中和分子周围结合着相当量的水分子。上述这些特性，使的水分子。上述这些特性，使蛋白聚糖蛋白聚糖分子在承受压分子在承受压力时，具有可逆的可

24、压缩性。因此，在结缔组织中力时，具有可逆的可压缩性。因此，在结缔组织中蛋蛋白聚糖白聚糖起着减少摩擦、抗御冲击等保护作用；并且提起着减少摩擦、抗御冲击等保护作用；并且提供一定的粘性、弹性和亲水性，和胶原蛋白一起，对供一定的粘性、弹性和亲水性，和胶原蛋白一起，对包埋于结缔组织中的细胞和器官，有机械支持功能。包埋于结缔组织中的细胞和器官，有机械支持功能。蛋白聚糖蛋白聚糖 proteoglycan 硫酸软骨素通过三糖桥与核心蛋白连接，木硫酸软骨素通过三糖桥与核心蛋白连接，木糖的异头碳与丝氨酸的羟基成糖苷键。糖的异头碳与丝氨酸的羟基成糖苷键。蛋白聚糖的结构硫酸软骨素硫酸软骨素核心蛋白核心蛋白三糖桥三糖桥

25、多配体蛋白聚糖的结构三糖连接桥三糖连接桥乙酰肝素乙酰肝素硫酸软骨素硫酸软骨素蛋白聚糖聚集体 许 多 蛋 白 聚许 多 蛋 白 聚糖在连接蛋白糖在连接蛋白的辅助下，通的辅助下，通过非共价键与过非共价键与透明质酸链结透明质酸链结合。合。 寡糖结合到蛋白质上形成糖蛋白。许多膜内在蛋寡糖结合到蛋白质上形成糖蛋白。许多膜内在蛋白和分泌蛋白是糖蛋白。白和分泌蛋白是糖蛋白。 组成糖链的单糖种类、数量、单糖的构型、单糖组成糖链的单糖种类、数量、单糖的构型、单糖之间的连接方式等不同，可以组成天文数字的不同结之间的连接方式等不同，可以组成天文数字的不同结构的分子（或糖蛋白的组分），非常适合成为具有特构的分子（或糖

26、蛋白的组分），非常适合成为具有特定意义的信息分子，发挥各种生物学功能。定意义的信息分子，发挥各种生物学功能。 糖蛋白中的组成糖链的单糖残基通常有糖蛋白中的组成糖链的单糖残基通常有fuc、gal、man、 galnac、and sia（or neunac）。）。糖蛋白glycoproteins 糖链可以与蛋白质中的糖链可以与蛋白质中的ser或或thr的羟基结合的羟基结合（o-糖链），或与糖链），或与asn的酰胺基结合（的酰胺基结合（n-糖链）。糖链）。 一个糖蛋白分子上往往结合多条糖链。一个糖蛋白分子上往往结合多条糖链。糖链可糖链可以相当均匀地沿蛋白质的多肽链分布，或集中在多以相当均匀地沿蛋白质的多肽链分布，或集中在多肽链的特定区域。糖链的长度一般不超过肽链的特定区域。糖链的长度一般不超过15个单糖个单糖残基，在某些情况下糖链仅由残基，在某些情况下糖链仅由12个单糖残基组成。个单