生物化学第7章糖类和糖生物学

1、第七章第七章 糖类和糖生物学糖类和糖生物学糖类的化学本质、命名和分类糖类的化学本质、命名和分类单糖的结构和性质单糖的结构和性质重要的单糖和单糖衍生物重要的单糖和单糖衍生物寡糖寡糖多糖多糖糖缀合物糖缀合物寡糖结构的分析寡糖结构的分析一、糖类的化学本质、命名和分类一、糖类的化学本质、命名和分类 糖类物质是多羟基糖类物质是多羟基(2(2个或以上个或以上) )的醛类的醛类(aldehyde)(aldehyde)或酮类或酮类(Ketone)(Ketone)化合物，以及它们化合物，以及它们的衍生物或聚合物。的衍生物或聚合物。醛糖(aldose) 酮糖(ketose)实验式实验式：(CH2O)n 糖类的生物

2、学功能糖类的生物学功能 提供能量，植物的淀粉和动物的糖原都提供能量，植物的淀粉和动物的糖原都是能量的储存形式。是能量的储存形式。 物质代谢的碳骨架，为蛋白质、核酸、物质代谢的碳骨架，为蛋白质、核酸、脂类的合成提供碳骨架。脂类的合成提供碳骨架。 细胞的骨架。纤维素、半纤维素、木质细胞的骨架。纤维素、半纤维素、木质素是植物细胞壁的主要成分，肽聚糖是素是植物细胞壁的主要成分，肽聚糖是细胞壁的主要成分。细胞壁的主要成分。 细胞间识别和生物分子间的识别。细胞间识别和生物分子间的识别。 糖类物质根据它们的聚合度分类如下：糖类物质根据它们的聚合度分类如下： 单糖单糖 （monosaccharide） 寡糖寡

3、糖 （oligosaccharide） 多糖多糖 （polysaccharide） 同多糖（同多糖（homopolysaccharide） 杂多糖（杂多糖（heteropolysaccharide） 结合糖结合糖(复合糖，糖缀合物，复合糖，糖缀合物，glycoconjugate) 二、单糖的结构和性质二、单糖的结构和性质 最简单的糖是甘油醛和二羟丙酮最简单的糖是甘油醛和二羟丙酮甘油醛(Glyceraldehyde)二羟丙酮(Dihydroxyacetone)1、单糖的链式结构 甘油醛有两种立体异构形式甘油醛有两种立体异构形式(Stereoismeric form) L-甘油醛甘油醛D-甘油醛甘

4、油醛 以甘油醛的两种光学异构体作对照，其以甘油醛的两种光学异构体作对照，其他单糖的光学异构体与之比较而规定为他单糖的光学异构体与之比较而规定为D D型或型或L L型。型。L-葡萄糖D-葡萄糖 自然界中单糖结构分开链、半缩醛环状两种形式，自然界中单糖结构分开链、半缩醛环状两种形式，天然情况以环状占绝大多数。天然情况以环状占绝大多数。2、单糖的环式结构与构象CH0CHOHCHOHCHCHCH2OHOHOHO O开链环状半缩醛（Haworth结构式） D-D-葡萄糖环化形成吡喃葡糖葡萄糖环化形成吡喃葡糖 D-D-果糖环化形成呋喃果糖果糖环化形成呋喃果糖由由FischerFischer写成写成Hawo

5、rthHaworth式：式： 顺时针画平面，左上右下，氧桥一端反向顺时针画平面，左上右下，氧桥一端反向 单糖由直链结构变成环状结构后，羰基单糖由直链结构变成环状结构后，羰基碳原子成为新的手性中心，导致碳原子成为新的手性中心，导致C1C1差向差向异构化异构化, ,产生两个非对映异构体。这种羰产生两个非对映异构体。这种羰基碳上形成的差向异构体称为基碳上形成的差向异构体称为异头物异头物（anomeranomer）。在环状结构中，半缩醛碳）。在环状结构中，半缩醛碳原子也称异头碳原子（原子也称异头碳原子（anomeric carbon anomeric carbon atomatom）或异头中心。异头碳

6、的羟基与最）或异头中心。异头碳的羟基与最末的手性碳原子的羟甲基具有相反取向末的手性碳原子的羟甲基具有相反取向的异构体称为的异构体称为-异头物异头物，具有相同取向，具有相同取向的称的称-异头物异头物。 在溶液中，糖的链状结构和环状结构之间可以相互转在溶液中，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，最后达到一个动态平衡，称为变旋现象变旋现象（mutarotationmutarotation）。异头物在水溶液中通过直链（开）。异头物在水溶液中通过直链（开链）形式可以互变（差向异构化），经一定时间后达链）形式可以互变（差向异构化），经一定时间后达到平衡。这就是产生变旋现象

7、的原因。到平衡。这就是产生变旋现象的原因。 例如：从乙醇水溶液中结晶出的例如：从乙醇水溶液中结晶出的D-GlucoseD-Glucose称为称为-D-D-(+)Glucose (+)Glucose (2020D D=+113=+113) ) ，从吡啶溶液中结晶，从吡啶溶液中结晶出的出的D-glucoseD-glucose称为称为-D-D-(+)glucose(+)glucose(2020D D=+18.7=+18.7) )。将。将-D-(+)Glucose-D-(+)Glucose与与-D-(+)glucose-D-(+)glucose分别溶于水中，放置一段时间后，分别溶于水中，放置一段时间后

8、，其旋光率都逐渐转变为其旋光率都逐渐转变为+52.7+52.7C C。原因就是葡萄糖的。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，其中定的平衡，其中型占型占36%36%， 型占型占63%63%，链式占，链式占1%1%。 HaworthHaworth结构式虽能正确反映糖的环状结构，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。的环状结构，它反映出了糖环的折叠形结构。 物理性质：物理性质： 旋光性旋光性 甜度甜度 溶解性溶

9、解性3、单糖的物理和化学性质 化学性质：化学性质： 氧化反应氧化反应 醛基氧化：醛糖酸醛基氧化：醛糖酸(aldonic acid)(aldonic acid) 伯醇基氧化：糖醛酸伯醇基氧化：糖醛酸(uronic acid)(uronic acid) 醛基、伯醇基同时氧化：醛糖二酸醛基、伯醇基同时氧化：醛糖二酸(aldaric acid)(aldaric acid) 能被弱氧化剂能被弱氧化剂( (如如FehhingFehhing试剂、试剂、BenedictBenedict试剂试剂) )氧化的糖称为还原性糖，所有的单糖都是还原氧化的糖称为还原性糖，所有的单糖都是还原性糖。性糖。l形成糖酯形成糖酯蔗

10、糖酯 形成糖苷形成糖苷单糖半缩醛羟基与另一个分子（例如醇、糖、嘌呤或嘧啶）的羟基、胺基或巯基缩合形成的含糖衍生物 除了单糖外，还存在一些在生物学上很除了单糖外，还存在一些在生物学上很重要的单糖衍生物。重要的单糖衍生物。 A A、单糖磷酸酯、单糖磷酸酯三、重要的单糖衍生物三、重要的单糖衍生物 B B、糖醇、糖醇 是原来单糖的羰基氧被还原生成的是原来单糖的羰基氧被还原生成的多羟基醇。多羟基醇。山梨糖醇是葡萄糖转化为果糖代谢途山梨糖醇是葡萄糖转化为果糖代谢途径的中间产物，甘露醇临床上用于降低颅内压和径的中间产物，甘露醇临床上用于降低颅内压和治疗急性肾功能衰竭。木糖醇甜度是木糖的两倍，治疗急性肾功能衰

11、竭。木糖醇甜度是木糖的两倍，是无糖的咀嚼胶的成分，甘油醇和肌醇都是脂的是无糖的咀嚼胶的成分，甘油醇和肌醇都是脂的重要成分，核糖醇参与核黄素（维生素重要成分，核糖醇参与核黄素（维生素B2B2）的组）的组成。成。D-葡萄醇D-甘露醇D-木糖醇D-甘油醇肌醇D-核醇 C C、糖酸、糖酸 是由醛糖衍生的羧酸，葡萄是由醛糖衍生的羧酸，葡萄糖通过醛糖的糖通过醛糖的C1C1氧化可生成氧化可生成葡糖酸葡糖酸，通，通过过C6C6的氧化产生的氧化产生葡糖醛酸葡糖醛酸。 D D、脱氧糖、脱氧糖 脱氧糖是指分子的一个或多个羟脱氧糖是指分子的一个或多个羟基被氢原子取代的单糖。基被氢原子取代的单糖。2-2-脱氧脱氧-D-

12、D-核糖是由核糖是由于于DNADNA合成的构建分子，合成的构建分子，L-L-岩藻糖和岩藻糖和L-L-鼠李糖鼠李糖是细胞壁的主要成分。是细胞壁的主要成分。 乌本苷 E E、氨基糖、氨基糖 是分子中一个羟基被氨基取代是分子中一个羟基被氨基取代的单糖，自然界中最常见的是的单糖，自然界中最常见的是C2C2上的羟基被取上的羟基被取代的代的2-2-脱氧氨基糖。氨基糖及其衍生物是许多脱氧氨基糖。氨基糖及其衍生物是许多天然寡糖和多糖的重要组成成分。天然寡糖和多糖的重要组成成分。D-葡糖氨D-半乳糖氨四、寡糖四、寡糖 二糖是最简单的寡糖，是由二糖是最简单的寡糖，是由2 2分子单糖通过糖分子单糖通过糖苷键缩合而成

13、。苷键缩合而成。一个糖苷键是由一个糖分子的一个糖苷键是由一个糖分子的异头碳与一个醇、一个胺或一个巯基缩合形成异头碳与一个醇、一个胺或一个巯基缩合形成的缩醛键。含有糖苷键的化合物称为糖苷。的缩醛键。含有糖苷键的化合物称为糖苷。常常见的二糖有蔗糖、乳糖、麦芽糖、纤维二糖等。见的二糖有蔗糖、乳糖、麦芽糖、纤维二糖等。常见的二糖常见的二糖 A A、蔗糖、蔗糖 俗称食糖，是最重要的二糖。俗称食糖，是最重要的二糖。形成并广泛存在于光合植物中，不存在形成并广泛存在于光合植物中，不存在于动物中。于动物中。蔗糖（葡萄糖-, (1-2)-果糖苷） 蔗糖的性质蔗糖的性质 物理性质：白色结晶，易溶于水，很甜。物理性质

14、：白色结晶，易溶于水，很甜。有旋光性，无变旋现象。有旋光性，无变旋现象。 化学性质：无还原性，不能成脎。化学性质：无还原性，不能成脎。 B B、乳糖、乳糖 主要存在于哺乳动物的乳汁中主要存在于哺乳动物的乳汁中乳糖（半乳糖- -(1-4)-葡萄糖苷） C C、麦芽糖、麦芽糖 主要是作为淀粉和其它葡聚糖的主要是作为淀粉和其它葡聚糖的酶促降解产物（次生寡糖）存在，在自然界中酶促降解产物（次生寡糖）存在，在自然界中少量存在天然的麦芽糖（初生寡糖）。少量存在天然的麦芽糖（初生寡糖）。麦芽糖(葡萄糖- -(1-4)-葡萄糖苷) D D、纤维二糖、纤维二糖 纤维素的降解产物和基本纤维素的降解产物和基本结构单

15、位，自然界中不存在游离的纤维二糖。结构单位，自然界中不存在游离的纤维二糖。纤维二糖（葡萄糖- (1-4)-葡萄糖苷）二糖结构与性质对比蔗糖乳糖麦芽糖纤维二糖组成1Glc1Fru1Gla1Glc 2Glc2Glc糖苷键,(1-2)-(1-4)-(1-4)-(1-4)变旋-+还原性-+区分寡糖的结构特点 参与组成的单糖单位 参与成键的碳原子位置 参与成键的异头碳羟基构型 单糖单位次序五、多糖五、多糖 多糖也称聚糖，是由多个单糖分子缩合脱水而多糖也称聚糖，是由多个单糖分子缩合脱水而形成的。形成的。 多糖根据是由一种还是多种单糖单位组成可以多糖根据是由一种还是多种单糖单位组成可以分为同多糖和杂多糖分为

16、同多糖和杂多糖 自然界中最丰富的同多糖是淀粉和糖原（贮存自然界中最丰富的同多糖是淀粉和糖原（贮存同多糖）、纤维素（结构同多糖）。它们都是同多糖）、纤维素（结构同多糖）。它们都是由葡萄糖组成。由葡萄糖组成。 A A、淀粉、淀粉 是植物生长期间以淀粉粒形是植物生长期间以淀粉粒形式贮存于细胞中的贮存多糖，也是植物式贮存于细胞中的贮存多糖，也是植物性食物中重要的营养成分。性食物中重要的营养成分。 天然淀粉一般含有两种组分：天然淀粉一般含有两种组分：直链淀粉（直链淀粉（amyloseamylose）和和支链淀粉（支链淀粉（amylopectinamylopectin）。 淀粉链倾向形成有规淀粉链倾向形成

17、有规则的螺旋构象。则的螺旋构象。 由于由于 1 1，4 4连接，淀粉分子中每一个残基与连接，淀粉分子中每一个残基与下一个残基都成一定角度，因此淀粉链倾向于下一个残基都成一定角度，因此淀粉链倾向于形成有规则的螺旋构象。通过形成有规则的螺旋构象。通过X X射线衍射分析射线衍射分析发现，发现，直链淀粉的二级结构是一个左手螺旋，直链淀粉的二级结构是一个左手螺旋，每圈螺旋含每圈螺旋含6 6个葡萄糖残基。个葡萄糖残基。碘分子正好可以碘分子正好可以嵌入到螺旋的中心空道，与面向圈内的羟基氧嵌入到螺旋的中心空道，与面向圈内的羟基氧相互作用，形成稳定的淀粉相互作用，形成稳定的淀粉- -碘络合物。产生碘络合物。产生

18、特征性的蓝色需要特征性的蓝色需要3636个残基，也就是个残基，也就是6 6个螺旋。个螺旋。支链淀粉中的短串碘分子比直链淀粉中的长串支链淀粉中的短串碘分子比直链淀粉中的长串碘分子吸收更短波长的光，因此支链淀粉遇碘碘分子吸收更短波长的光，因此支链淀粉遇碘呈紫色。呈紫色。 -淀粉酶淀粉酶是一种内切葡糖苷酶，随机作用于是一种内切葡糖苷酶，随机作用于淀粉内部的淀粉内部的 -1,4-1,4-糖苷键，产物主要是葡萄糖苷键，产物主要是葡萄糖。糖。 - -淀粉酶淀粉酶是一种外切葡糖苷酶，专门从淀粉是一种外切葡糖苷酶，专门从淀粉的非还原端开始断裂的非还原端开始断裂 -1,4-1,4-糖苷键，逐个除糖苷键，逐个除去

19、二糖单位，产物是去二糖单位，产物是 麦芽糖。麦芽糖。 -淀粉酶-淀粉酶 B B、糖原、糖原 是在动物与细菌中发现的贮存多是在动物与细菌中发现的贮存多糖。与支链淀粉类似，也是带有分支的葡萄糖糖。与支链淀粉类似，也是带有分支的葡萄糖残基聚合物，只是分支程度更高，分支更短，残基聚合物，只是分支程度更高，分支更短，每隔每隔8-128-12个葡萄糖残基便有一个分支。个葡萄糖残基便有一个分支。 C C、纤维素、纤维素 许多许多 -D-D-葡萄糖分子以葡萄糖分子以 - -(1-4)(1-4)糖苷键相连而成糖苷键相连而成得直链葡聚糖。纤维得直链葡聚糖。纤维二糖可以看作它的二二糖可以看作它的二糖单位。糖单位。降

20、解纤维素的纤维素降解纤维素的纤维素酶主要存在于微生物酶主要存在于微生物中，一些反刍动物可中，一些反刍动物可以利用其消化道内的以利用其消化道内的微生物消化纤维素，微生物消化纤维素，产生的葡萄糖供自身产生的葡萄糖供自身和微生物共同利用。和微生物共同利用。纤维素链中，每纤维素链中，每个残基相对于前个残基相对于前一个残基翻转一个残基翻转180180度，使链采度，使链采取完全伸展的构取完全伸展的构象。相邻，平行象。相邻，平行的伸展链在残基的伸展链在残基环面的水平向通环面的水平向通过链内和链间的过链内和链间的氢键形成片层结氢键形成片层结构，环面的垂直构，环面的垂直向靠其余氢键和向靠其余氢键和环的疏水内核之

21、环的疏水内核之间的范德化力维间的范德化力维持。持。 D、几丁质（chitin）：是N-乙酰-D-葡糖胺的同聚物。是许多无脊椎动物外骨骼的主要结构物质六、糖缀合物六、糖缀合物 糖与非糖物质共价结合形成的复合物称结糖与非糖物质共价结合形成的复合物称结合糖合糖( (复合糖，糖缀合物复合糖，糖缀合物) )，包括糖蛋白与，包括糖蛋白与蛋白聚糖、肽聚糖（蛋白聚糖、肽聚糖（peptidoglycanpeptidoglycan），糖），糖脂脂(glycolipids) (glycolipids) 等。等。 肽聚糖肽聚糖可以看作是由胞壁肽这一基本单可以看作是由胞壁肽这一基本单位重复排列构成的。胞壁肽是一个含四位

22、重复排列构成的。胞壁肽是一个含四肽侧链的二糖单位。肽侧链的二糖单位。 是细菌细胞壁的主要成分。革兰氏阳性是细菌细胞壁的主要成分。革兰氏阳性细菌胞壁所含的肽聚糖占干重的细菌胞壁所含的肽聚糖占干重的50-80%50-80%，革兰氏阴性细菌胞壁所含的肽聚糖占干革兰氏阴性细菌胞壁所含的肽聚糖占干重的重的1-10%1-10%。这一差异使革兰式染色容易。这一差异使革兰式染色容易从革兰氏阴性细菌中被脱色剂（如从革兰氏阴性细菌中被脱色剂（如95%95%乙乙醇）洗去。醇）洗去。NAM, N-乙酰胞壁酸 NAC, N-乙酰葡糖胺 糖蛋白糖蛋白是由短的寡糖链与蛋白质共价相是由短的寡糖链与蛋白质共价相连构成的分子。其

23、总体性质更接近蛋白连构成的分子。其总体性质更接近蛋白质。糖蛋白中的糖链变化较大，含有丰质。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、酶富的结构信息。寡糖链往往是受体、酶类的识别位点。类的识别位点。糖肽链的连接类型糖链的生物学功能 糖链在蛋白质新生肽链折叠和缔合中的糖链在蛋白质新生肽链折叠和缔合中的作用作用 糖链影响糖蛋白的分泌和稳定性糖链影响糖蛋白的分泌和稳定性 糖链参与分子识别和细胞识别糖链参与分子识别和细胞识别The sugar code （糖密码） Cells use specific oligosaccharides to encode important info

24、rmation about intracellular targeting of proteins, cell-cell interaction, tissue development, and extracellular signals. Branched structures, not found in nucleic acids or proteins, are common in oligosaccharides. With the reasonable assumption that 20 different monosaccharide subunits are available

25、 for construction of oligosaccharides, we can calculate that 1.44 x1015 different hexameric oligosaccharides are possible. （ 6.4 x107 (206) different hexapeptides possible with the 20 common amino acids, 4,096 (46) different hexanucleotides with the four nucleotide subunits. ）Lectins Are Proteins Th

26、at Read the Sugar Code and Mediate Many Biological Processes Lectins（凝集素）（凝集素）, found in all organisms, are proteins that bind carbohydrates with high affinity and specificity . Lectins serve in a wide variety of cell-cell recognition,signaling, and adhesion processes and in intracellular targeting

27、of newly synthesized proteins. In the laboratory, purified lectins are useful reagents for detecting and separating glycoproteins with different oligosaccharide moieties. Selectins（选择素） are a family of plasma membrane lectins that mediate cell-cell recognition and adhesion in a wide range of cellula

28、r processes. One such process is the movement of immune cells (T lymphocytes) through the capillary wall, from blood to tissues, at sites of infection or inflammationLectin-Carbohydrate Interactions Are Very Strong and Highly Specific The high density of information in oligosaccharides provides a sugar code with an essentially unlimited number of unique “words” small enough to be read by a single protein. In their carbohydratebinding sites, lectins hav