糖生物学与糖的衍生物

糖生物学与糖的衍生物演示文稿第1页，共76页。糖生物学与糖的衍生物第2页，共76页。1988年，牛津大学生化系的德韦克（R.Dwek）在《生化年评》(AnnualReviewofBiochemistry)上,发表了题为“glycobiology”的综述，提出了糖生物学这一名称

第3页，共76页。糖链的多样性和复杂性由4个核苷酸组成的寡核苷酸，可能的序列仅有24种；而由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3万多种。正是由于糖链结构的复杂性，使其可能包含的信息量比核酸和蛋白质大了几个数量级。第4页，共76页。糖的多样性第5页，共76页。糖苷第6页，共76页。糖脂中的糖第7页，共76页。1.2均一多糖

多糖可以由一种单糖缩合而成，如戊糖胶(pentosan)，木糖胶(xylan),阿拉伯糖胶(arabinan)、己糖胶(淀粉、糖原、纤维素等)，称为均一多糖(homopolysaccharide)，也可以由不同类型的单体缩合而成,如结缔组织中的透明质酸，称为不均一多糖(heteropolysaccharide)。多糖在水溶液中不形成真溶液，只能形成胶体，无甜味，也无还原性，有旋光性，但无变旋现象。第8页，共76页。1淀粉

-淀粉酶可将淀粉水解为麦芽糖。乙酰溴化物与淀粉作用也生成乙酰麦芽糖，由此可见淀粉的组成单位是麦芽糖。用热水处理淀粉或用极性溶剂处理淀粉都可以将淀粉分为两种成分；一种为可溶部分，称为直链淀粉；另一种为不溶部分，称为支链淀粉。第9页，共76页。淀粉的特性直链淀粉分子量约1万-200万，250-300个葡萄糖分子，以（14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。支链淀粉中除了（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。第10页，共76页。直链淀粉的结构第11页，共76页。支链淀粉在天然淀粉中约有70-80%的淀粉为支链淀粉。支链淀粉的分子较直链淀粉大得多，一般平均由6000个a-葡萄糖残基组成。其分子量约为1百万左右。第12页，共76页。结构支链淀粉中的一些葡萄糖残基通过

-1,4-糖苷键连接成一条长链。支链淀粉在此主链上尚可通过a-1,6-糖苷键形成分支的侧链。此侧链一般含有25个a-葡萄糖残基。侧链内部的a-葡萄糖残基仍是通过

-1,4糖苷键而相互连接。使支链淀粉分子呈现复杂的树状分支结构。支链淀粉的所有分支点都具有

-1,6-糖苷键的结构。第13页，共76页。支链淀粉的结构第14页，共76页。2糖原

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淀粉；高等动物的肝脏和肌肉组织中含有较多的糖原。人类肝脏中的糖原含量可达肝脏干重的百分之十左右。软体动物也含有糖原，甚至于在玉米和一些细菌中也曾发现类似糖原的多糖成分。第15页，共76页。糖原的结构借助于甲基化作用已证明,糖原的主链骨架由

-D-呋喃葡糖残基通过a-1,4糖苷键联接构成。糖原分子具有较多的分支结构。分支结构平均以12个葡萄糖残基为其分支的长度,分支点都具有

-1,6-糖苷键的结构。第16页，共76页。糖原第17页，共76页。第18页，共76页。3纤维素

纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种天然有机物。无论一年生或多年生植物，尤其是各种木材都含有大量的纤维素。植物体内约有50％的碳以纤维素的形式存在。估计地球上绿色植物每年大约净产有机物15-20×1010吨，其中纤维素占三分之一至二分之一。棉花、亚麻、苎麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。木材中的纤维素则常与半纤维素和木质素共同存在。第19页，共76页。纤维素的结构由葡萄糖以

-1,4糖苷键连接而成的直链分子，天然纤维素为无臭、无味的白色丝状物。纤维素不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。第20页，共76页。植物中纤维素的存在形态第21页，共76页。4几丁质（壳多糖）几丁质大量存在于昆虫和甲壳类动物的甲壳之中。几丁质(chitin)也称为甲壳质。虾、蟹壳中富含的甲壳质是一种白色、无定形的半透明物质。据研究资料估计自然界中每年生成的几丁质约有一百亿吨。在天然有机物中几丁质的贮存量占第二位，仅次于纤维素。第22页，共76页。几丁质的结构几丁质的水解产物为2-氨基-D-葡萄糖(简称为葡糖胺)。目前认为几丁质是由乙酰氨基葡萄糖聚合而成的多糖。因此几丁质(甲壳质)也可称为聚乙酰氨基葡萄糖。由几丁质的提纯和部分水解作用可鉴定出几丁质中的寡糖成分，从而证明几丁质分子为2-乙酰氨基-

-D-呋喃葡萄糖的聚合物；各个残基都是通过

-l,4-糖苷键的形式联接成的不分支的长链结构。几丁质也可视为纤维素的类似物。相当于纤维素的C-2位置上的羟基由乙酰氨基置换。几丁质一般不单独存在，常与蛋白质进行共价的结合。

第23页，共76页。几丁质的分子结构第24页，共76页。5琼脂(agar)是某些海藻(如石花菜属)所含的多糖物质，主要成分是多聚半乳糖，含硫及钙。它是微生物培养基组分，也是电泳、免疫扩散的支持物之一。食品工业中常用来制造果冻、果酱等。l一2%的琼脂在室温下便能形成凝胶。第25页，共76页。1.3不均一多糖（杂多糖）一种以上单糖聚合形成的多糖。1、半纤维素大量存在于植物木质化部分，包括很多高分子的多糖。用稀酸水解则产生己糖和戊糖，所以它是多聚戊糖(如多聚阿拉伯糖、多聚木糖)和多聚己糖(如多聚半乳糖和多聚甘露糖)的混合物。

第26页，共76页。2、糖胺聚糖(glycosaminoglycan)

又称为糖胺多糖、粘多糖(mucopolysaccharides)、氨基多糖、酸性糖胺聚糖等。含有己糖胺和糖醛酸组分。这类物质存在于软骨、腔等结缔组织中，构成组织间质。各种腺体分泌的润滑粘液，多富含粘多糖。第27页，共76页。糖胺聚糖在组织成长和再生过程中，在受精过程中以及机体与许多传染病原(细菌、病毒)的相互作用上都起着重要作用。其代表性物质有透明质酸(hyaluronicacid)、软骨素4-或6-硫酸(chondroitin4-or6-sulfate)、硫酸皮肤素(dermatansulfate)、硫酸角质素(keratansuIfate)、肝素(heparin)及硫酸乙酰肝素等。第28页，共76页。第29页，共76页。糖胺聚糖的分子结构第30页，共76页。透明质酸(hyaluronicacid)透明质酸是糖胺聚糖中结构最简单的一种，它的结构中含有重复的二糖结构单位如下：第31页，共76页。透明质酸的功能在高等动物组织中发现的粘多糖唯有透明质酸同时存在于某些细菌中，如A型链球菌。其主要功能是在组织中吸着水，具有润滑剂的作用。它广泛分布于哺乳动物体内，特别是滑液、玻璃样体液中，也存在于关节液、疏松结缔组织、脐带、皮肤、动脉管壁心脏瓣膜、角膜以及雄鸡冠中。第32页，共76页。软骨素4-或6-硫酸(chondroitin4-or6-sulfate)分为软骨素-4-硫酸与软骨素-6-硫酸两类。两者间，除硫酸基位置不同，红外光谱差别较明显外，其他许多物理、化学性质都较接近。硫酸软骨素也含有重复的二糖单位，以软骨素-6-硫酸为例其结构单位如下：第33页，共76页。硫酸皮肤素(dermatansulfate)硫酸皮肤素最初是从猪皮中分离出来，后发现它存在于许多动物组织，如猪胃粘膜、脐带、肌腱、脾、脑、心瓣膜、肠粘膜、关节囊、纤维性软骨等中。它的结构与性质都与硫酸软骨素的相似，其二糖单位结构如下：第34页，共76页。硫酸角质素(keratansuIfate)

首先从角膜的蛋白水解液中分离出来，后证明它也存在于人的主动脉和人、牛的髓核中。婴儿几乎不含硫酸角质素，随着年龄的增大逐渐增加，直到20—30岁时，它的含量约占肋软骨中粘多糖总量的50%。硫酸角质素的重复二糖单位结构如下：第35页，共76页。肝素(heparin)肝中肝素含量最为丰富，因此得名。实际上，它广泛分布于哺乳动物组织和体液中。猪胃粘膜中含量十分丰富，肺、脾、肌肉和动脉壁肥大细胞中肝素含量也很高。肝素的二糖结构单位如下。除二糖重复单位外还含有糖醛酸分子。肝素的生物意义在于它具有阻止血液凝固的特性。目前输血时，广泛以肝素为抗凝剂，临床上也常用于防止血栓形成。第36页，共76页。1.4糖蛋白（glycoprotein）糖蛋白是一类由糖类同多肽或蛋白质以共价键连接而成的结合蛋白。是存在于几乎所有生物中的一组复杂多变的生物大分子。广泛分布于生物体的细胞内外液、细胞膜及其表面、交联组织和结缔组织中，组成了生物体内的酶、激素、免疫球蛋白、传递蛋白、细胞粘附分子、毒素、植物凝集素、血型物质、结构蛋白、细胞浆和核蛋白、细胞因子以及受体和补体等。广义上，糖与蛋白的结合物有：糖蛋白、糖肽、多糖-蛋白复合物、肽聚糖、蛋白多糖。（本节只涉及糖蛋白和蛋白多糖）第37页，共76页。第38页，共76页。

糖蛋白寡糖链以共价键形式与蛋白质结合。寡糖链多为糖的衍生物，如N-乙酰氨基寡糖等（常见的糖是半乳糖或甘露糖）寡糖链多是分支的，一般仅含有15个以下的单糖，分子量在540-3200。但糖链数目变化很大。第39页，共76页。糖蛋白的种类与分布

至今国内外生化界无明确而统一的分类标准。但较倾向于依据糖蛋白的分布与功能相结合的原则进行分类，可分为四类：粘液糖蛋白mucousglycoprotein、血清糖蛋白serumglycoprotein、结构糖蛋白structuralglycoprotein、膜糖蛋白membraneglycoprotein。郑集将糖蛋白分为12类

第40页，共76页。第41页，共76页。第42页，共76页。第43页，共76页。糖蛋白的结构一、糖链中糖苷键的类型（见表）1、N-糖苷键连接（天冬酰胺连接）糖链2、O-糖苷键连接（丝氨酸或苏氨酸连接）糖链二、糖类种类数量的差异糖蛋白中糖链的数目因糖蛋白种类的不同而差别很大。牛核糖核酸酶B及Dnase分子中只有一条寡糖链，羊颌下腺糖蛋白每分子中有800条糖链，连接在许多丝氨酸残基上。第44页，共76页。连接方式第45页，共76页。第46页，共76页。第47页，共76页。第48页，共76页。第49页，共76页。膜糖蛋白第50页，共76页。膜蛋白分子中的糖第51页，共76页。糖链的分支结构第52页，共76页。糖蛋白分子中的糖第53页，共76页。糖蛋白分子中的糖第54页，共76页。糖蛋白的生物学功能1、外源凝集素（植物凝集素，Lectin）（见表）2、免疫球蛋白：是血清中一组具有特异生物学功能的四条多肽链与糖链共价结合的糖蛋白。功能（见表）3、具有载体和运输作用的糖蛋白：传递蛋白、铜蓝蛋白、触珠蛋白、运皮质激素蛋白、甲状腺素结合球蛋白、糖脂电蛋白。4、血液凝固因子糖蛋白：血液凝固中的主要成分：纤维蛋白原、凝血酶原、第Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ因子等都是糖蛋白。第55页，共76页。第56页，共76页。第57页，共76页。5、糖蛋白激素：促性腺激素、促甲状腺激素、促红细胞生成素皆属糖蛋白。6、粘液分泌的糖蛋白（见表）7、细胞膜糖蛋白：种类多、含量高。第58页，共76页。第59页，共76页。糖蛋白的生物合成

包括多肽链的合成和糖链的合成。在内质网腔中多肽链延长的同时加上糖链，并在高尔基体中进行剪切和延伸，最终完成糖蛋白的合成和分泌（见图）。第60页，共76页。第61页，共76页。蛋白多糖的种类及组成（见表）第62页，共76页。第63页，共76页。1.5多糖分离提取及纯化的方法Δ分离提取水提法、碱提取法、酸提取法、酶提取法、盐提取法等。可用超声波或微波辅助提取。利用多糖难溶于有机溶剂的特性，用乙醇或丙酮从提取液中沉淀多糖。Δ脱蛋白用蛋白质沉淀剂来处理，如酚、三氯乙酸、鞣酸等。脱蛋白较好的方法是Sevage法，氯仿：戊醇（或丁醇）＝4∶1第64页，共76页。Δ脱色活性碳吸附法，H2O2氧化脱色法，次氯酸钠法。Δ纯化透析法，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）法，超滤法，DEAE－纤维素柱，凝胶柱层析法等。

Δ纯度鉴定薄层层析法，高效液相色谱法，DEAE-纤维素柱法，凝胶柱层析法，高速离心沉降法和电泳法。第65页，共76页。多糖的结构分析Δ包括：分子量范围、单糖的组成、连接键类型、单糖和糖苷键的构型及重复单元等。Δ单糖组成分析的第一步是将多糖的糖苷键完全断裂，方法有：盐酸水解、硫酸水解、甲酸解及三氟乙酸（TFA）催化的水解等，最常用的是三氟乙酸水解法。

Δ气相色谱法（GC），高效液相色谱（HPLC）法，红外光谱法（IR），核磁共振法（NMR），质谱法（MS），毛细管电泳法。第66页，共76页。

（1）酶水解方格星虫→用绞碎机打成糊状→加入等体积的0.2mol/LpH8.0的磷酸盐缓冲液→

0.15%胰蛋白酶→45℃恒温下搅拌酶解4h→pH调整至7.0→0.15%木瓜蛋白酶→在55℃恒温水浴下搅拌酶解4h。例子：方格星虫多糖的提取第67页，共76页。（2）去蛋白将酶解液加热至100℃保持5min，直至沉淀物不再增多→在25℃8000g下离心10min→

取上清液→旋转蒸发浓缩→加体积1/5的Sevage试剂（氯仿：正丁醇＝5：1）→剧烈振荡，8000g离心20min，保留上清→重复多次，直至用茚三酮试剂检测无颜色反应为止。（3）乙醇沉淀加乙醇至终浓度为70%，置于4℃下沉淀多糖→在4℃10000g的条件下离心10min→沉淀物为方格星虫粗多糖。（4）透析用截留分子量为10000以上的透析膜流水透析48h→用乙醇再沉淀多糖→离心→无水乙醇洗涤多次→真空冷冻干燥→得到方格星虫体壁粗多糖(SWP)和血液粗多糖(SBP)。第68页，共76页。

方格星虫多糖的纯化

用SephacrylS-400凝胶柱(1.6×30cm)层析：洗脱液：0.2moL/L的NaCl；流速：0.2mL/min，用自动分部收集器收集洗脱液，每管收集1mL；以苯酚-硫酸法跟踪检测，合并主峰部分；透析后冷冻干燥得到纯化的SWP和SBP。第69页，共76页。

(琼脂糖凝胶电泳法,HPGPC）（1）琼脂糖凝胶电泳法水平平板电泳槽：100mm×80mm×5mm；琼脂糖浓度：1%；电极缓冲液：0.2mol/L硼砂－NaOHbuffer（pH9.4）；点样量：30μL；恒定电流电泳：40～80mA；电泳时间：2.5h；固定液：0.1％CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）0.5h；染色液：0.1%甲苯胺蓝，染色时间2h后用7%乙酸脱色。方格星虫多糖纯度鉴定

第70页，共76页。（2）高效液相凝胶渗透色谱（HPGPC）法色谱柱：TSKG-5000PW×L凝胶柱，TSKG-3000PW×L凝胶柱；流动相：0.02mol/LKH2PO4溶液，pH6.0；流速：0.6mL/min；柱温：40℃；进样量：20μL；检测器：Waters2410示差