糖類與糖生物學

1、關于糖類和糖生物學第一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一、糖類的化學本質、命名和分類糖類物質是多羥基(2個或以上)的醛類(aldehyde)或酮類(Ketone)化合物，以及它們的衍生物或聚合物。醛糖(aldose) 酮糖(ketose)實驗式：(CH2O)n 第二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月糖類的生物學功能提供能量，植物的淀粉和動物的糖原都是能量的儲存形式。物質代謝的碳骨架，為蛋白質、核酸、脂類的合成提供碳骨架。細胞的骨架。纖維素、半纖維素、木質素是植物細胞壁的主要成分，肽聚糖是細胞壁的主要成分。細胞間識別和生物分子間的識別。第三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年

2、6月糖類物質根據(jù)它們的聚合度分類如下：單糖 （monosaccharide）寡糖 （oligosaccharide）多糖 （polysaccharide） 同多糖（homopolysaccharide） 雜多糖（heteropolysaccharide）結合糖(復合糖，糖綴合物，glycoconjugate) 第四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二、單糖的結構和性質最簡單的糖是甘油醛和二羥丙酮甘油醛(Glyceraldehyde)二羥丙酮(Dihydroxyacetone)1、單糖的鏈式結構第五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月甘油醛有兩種立體異構形式(Stereoismer

3、ic form) L-甘油醛D-甘油醛第六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月以甘油醛的兩種光學異構體作對照，其他單糖的光學異構體與之比較而規(guī)定為D型或L型。L-葡萄糖D-葡萄糖第七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月自然界中單糖結構分開鏈、半縮醛環(huán)狀兩種形式，天然情況以環(huán)狀占絕大多數(shù)。2、單糖的環(huán)式結構與構象O開鏈環(huán)狀半縮醛（Haworth結構式）第八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月D-葡萄糖環(huán)化形成吡喃葡糖第九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月D-果糖環(huán)化形成呋喃果糖第十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月由Fischer寫成Haworth式：順時針畫平

4、面，左上右下，氧橋一端反向第十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月單糖由直鏈結構變成環(huán)狀結構后，羰基碳原子成為新的手性中心，導致C1差向異構化,產(chǎn)生兩個非對映異構體。這種羰基碳上形成的差向異構體稱為異頭物（anomer）。在環(huán)狀結構中，半縮醛碳原子也稱異頭碳原子（anomeric carbon atom）或異頭中心。異頭碳的羥基與最末的手性碳原子的羥甲基具有相反取向的異構體稱為-異頭物，具有相同取向的稱-異頭物。第十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月在溶液中，糖的鏈狀結構和環(huán)狀結構之間可以相互轉變，最后達到一個動態(tài)平衡，稱為變旋現(xiàn)象（mutarotation）。異頭物在水溶液

5、中通過直鏈（開鏈）形式可以互變（差向異構化），經(jīng)一定時間后達到平衡。這就是產(chǎn)生變旋現(xiàn)象的原因。例如：從乙醇水溶液中結晶出的D-Glucose稱為-D-(+)Glucose (20D=+113) ，從吡啶溶液中結晶出的D-glucose稱為-D-(+)glucose(20D=+18.7)。將-D-(+)Glucose與-D-(+)glucose分別溶于水中，放置一段時間后，其旋光率都逐漸轉變?yōu)?52.7C。原因就是葡萄糖的不同結構形式相互轉變，最后，各種結構形式達到一定的平衡，其中型占36%， 型占63%，鏈式占1%。第十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Haworth結構式雖能正確反

6、映糖的環(huán)狀結構，但還是過于簡單，構象式最能正確地反映糖的環(huán)狀結構，它反映出了糖環(huán)的折疊形結構。第十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月物理性質：旋光性甜度溶解性3、單糖的物理和化學性質第十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月化學性質：氧化反應 醛基氧化：醛糖酸(aldonic acid) 伯醇基氧化：糖醛酸(uronic acid) 醛基、伯醇基同時氧化：醛糖二酸(aldaric acid) 能被弱氧化劑(如Fehhing試劑、Benedict試劑)氧化的糖稱為還原性糖，所有的單糖都是還原性糖。第十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2

7、022年6月形成糖酯蔗糖酯第十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月形成糖苷單糖半縮醛羥基與另一個分子（例如醇、糖、嘌呤或嘧啶）的羥基、胺基或巰基縮合形成的含糖衍生物第十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月除了單糖外，還存在一些在生物學上很重要的單糖衍生物。A、單糖磷酸酯三、重要的單糖衍生物第二十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月B、糖醇 是原來單糖的羰基氧被還原生成的多羥基醇。山梨糖醇是葡萄糖轉化為果糖代謝途徑的中間產(chǎn)物，甘露醇臨床上用于降低顱內壓和治療急性腎功能衰竭。木糖醇甜度是木糖的兩倍，是無糖的咀嚼膠的成分，甘油醇和肌醇都是脂的重要成分，核糖醇參與核黃素（維生素B

8、2）的組成。D-葡萄醇D-甘露醇D-木糖醇D-甘油醇肌醇D-核醇第二十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月C、糖酸 是由醛糖衍生的羧酸，葡萄糖通過醛糖的C1氧化可生成葡糖酸，通過C6的氧化產(chǎn)生葡糖醛酸。第二十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月D、脫氧糖 脫氧糖是指分子的一個或多個羥基被氫原子取代的單糖。2-脫氧-D-核糖是由于DNA合成的構建分子，L-巖藻糖和L-鼠李糖是細胞壁的主要成分。 烏本苷第二十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月E、氨基糖 是分子中一個羥基被氨基取代的單糖，自然界中最常見的是C2上的羥基被取代的2-脫氧氨基糖。氨基糖及其衍生物是許多天然寡糖和

9、多糖的重要組成成分。D-葡糖氨D-半乳糖氨第二十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月四、寡糖二糖是最簡單的寡糖，是由2分子單糖通過糖苷鍵縮合而成。一個糖苷鍵是由一個糖分子的異頭碳與一個醇、一個胺或一個巰基縮合形成的縮醛鍵。含有糖苷鍵的化合物稱為糖苷。常見的二糖有蔗糖、乳糖、麥芽糖、纖維二糖等。第二十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月常見的二糖A、蔗糖 俗稱食糖，是最重要的二糖。形成并廣泛存在于光合植物中，不存在于動物中。蔗糖（葡萄糖-, (1-2)-果糖苷）第二十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月蔗糖的性質 物理性質：白色結晶，易溶于水，很甜。有旋光性，無變旋現(xiàn)象。

10、 化學性質：無還原性，不能成脎。第二十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月B、乳糖 主要存在于哺乳動物的乳汁中乳糖（半乳糖- -(1-4)-葡萄糖苷）第二十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月C、麥芽糖 主要是作為淀粉和其它葡聚糖的酶促降解產(chǎn)物（次生寡糖）存在，在自然界中少量存在天然的麥芽糖（初生寡糖）。麥芽糖(葡萄糖- -(1-4)-葡萄糖苷) 第二十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月D、纖維二糖 纖維素的降解產(chǎn)物和基本結構單位，自然界中不存在游離的纖維二糖。纖維二糖（葡萄糖- (1-4)-葡萄糖苷）第三十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二糖結構與性質對比

11、蔗糖乳糖麥芽糖纖維二糖組成1Glc1Fru1Gla1Glc2Glc2Glc糖苷鍵,(1-2)-(1-4)-(1-4)-(1-4)變旋-+還原性-+第三十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月區(qū)分寡糖的結構特點參與組成的單糖單位參與成鍵的碳原子位置參與成鍵的異頭碳羥基構型單糖單位次序第三十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月五、多糖多糖也稱聚糖，是由多個單糖分子縮合脫水而形成的。多糖根據(jù)是由一種還是多種單糖單位組成可以分為同多糖和雜多糖自然界中最豐富的同多糖是淀粉和糖原（貯存同多糖）、纖維素（結構同多糖）。它們都是由葡萄糖組成。第三十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月A、

12、淀粉 是植物生長期間以淀粉粒形式貯存于細胞中的貯存多糖，也是植物性食物中重要的營養(yǎng)成分。第三十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月天然淀粉一般含有兩種組分：直鏈淀粉（amylose）和支鏈淀粉（amylopectin）。第三十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月淀粉鏈傾向形成有規(guī)則的螺旋構象。第三十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月由于 1，4連接，淀粉分子中每一個殘基與下一個殘基都成一定角度，因此淀粉鏈傾向于形成有規(guī)則的螺旋構象。通過X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉的二級結構是一個左手螺旋，每圈螺旋含6個葡萄糖殘基。碘分子正好可以嵌入到螺旋的中心空道，與面向圈內的羥基氧

13、相互作用，形成穩(wěn)定的淀粉-碘絡合物。產(chǎn)生特征性的藍色需要36個殘基，也就是6個螺旋。支鏈淀粉中的短串碘分子比直鏈淀粉中的長串碘分子吸收更短波長的光，因此支鏈淀粉遇碘呈紫色。 第三十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月-淀粉酶是一種內切葡糖苷酶，隨機作用于淀粉內部的 -1,4-糖苷鍵，產(chǎn)物主要是葡萄糖。 -淀粉酶是一種外切葡糖苷酶，專門從淀粉的非還原端開始斷裂 -1,4-糖苷鍵，逐個除去二糖單位，產(chǎn)物是 麥芽糖。 -淀粉酶-淀粉酶第三十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月B、糖原 是在動物與細菌中發(fā)現(xiàn)的貯存多糖。與支鏈淀粉類似，也是帶有分支的葡萄糖殘基聚合物，只是分支程度更高，分

14、支更短，每隔8-12個葡萄糖殘基便有一個分支。第三十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月C、纖維素 許多 -D-葡萄糖分子以 -(1-4)糖苷鍵相連而成得直鏈葡聚糖。纖維二糖可以看作它的二糖單位。第四十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月降解纖維素的纖維素酶主要存在于微生物中，一些反芻動物可以利用其消化道內的微生物消化纖維素，產(chǎn)生的葡萄糖供自身和微生物共同利用。第四十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月纖維素鏈中，每個殘基相對于前一個殘基翻轉180度，使鏈采取完全伸展的構象。相鄰，平行的伸展鏈在殘基環(huán)面的水平向通過鏈內和鏈

15、間的氫鍵形成片層結構，環(huán)面的垂直向靠其余氫鍵和環(huán)的疏水內核之間的范德化力維持。第四十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月D、幾丁質（chitin）：是N-乙酰-D-葡糖胺的同聚物。是許多無脊椎動物外骨骼的主要結構物質第四十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月六、糖綴合物糖與非糖物質共價結合形成的復合物稱結合糖(復合糖，糖綴合物)，包括糖蛋白與蛋白聚糖、肽聚糖（peptidoglycan），糖脂(glycolipids) 等。第四十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月肽聚糖可以看作是由胞壁肽這一基本單位重復排列構成的。胞壁肽是一個含四肽側鏈的二糖單位。是細菌細胞壁的主要成

16、分。革蘭氏陽性細菌胞壁所含的肽聚糖占干重的50-80%，革蘭氏陰性細菌胞壁所含的肽聚糖占干重的1-10%。這一差異使革蘭式染色容易從革蘭氏陰性細菌中被脫色劑（如95%乙醇）洗去。第四十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月NAM, N-乙酰胞壁酸 NAC, N-乙酰葡糖胺 第四十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月糖蛋白是由短的寡糖鏈與蛋白質共價相連構成的分子。其總體性質更接近蛋白質。糖蛋白中的糖鏈變化較大，含有豐富的結構信息。寡糖鏈往往是受體、酶類的識別位點。第四十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月糖肽鏈的連接類型第五

17、十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月糖鏈的生物學功能糖鏈在蛋白質新生肽鏈折疊和締合中的作用糖鏈影響糖蛋白的分泌和穩(wěn)定性糖鏈參與分子識別和細胞識別第五十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月The sugar code （糖密碼）Cells use specific oligosaccharides to encode important information about intracellular targeting of proteins, cell-cell interaction, tissue development, and extracellular signals

18、.第五十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Branched structures, not found in nucleic acids or proteins, are common in oligosaccharides.With the reasonable assumption that 20 different monosaccharide subunits are available for construction of oligosaccharides, we can calculate that 1.44 x1015 different hexameric olig

19、osaccharides 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. ）第五十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Lectins Are Proteins That Read the Sugar Code and Mediate Many Biological ProcessesLectins（凝集素

20、）, 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 of newly synthesized proteins. In the laboratory, purified lectins are useful

21、 reagents for detecting and separating glycoproteins with different oligosaccharide moieties.第五十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Selectins（選擇素） are a family of plasma membrane lectins that mediate cell-cell recognition and adhesion in a wide range of cellular processes. One such proces

22、s is the movement of immune cells (T lymphocytes) through the capillary wall, from blood to tissues, at sites of infection or inflammation第五十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Lectin-Carbohydrate Interactions Are Very Strong and Highly SpecificThe high density of information in oligosacc

23、harides 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 have a subtle molecular complementarity that allows interaction only with their correct carbohydrate cognates. The result is extraordina