糖和糖生物化學(xué)

糖和糖生物化學(xué)第1頁/共99頁糖和糖生物化學(xué)CarbohydratesandGlycobiochemistry第2頁/共99頁Carbohydrates

碳水化合物是地球上最豐富的分子，每年光合作用可轉(zhuǎn)化超過1000億噸的CO2和H2O為纖維素和其他植物產(chǎn)物。一些碳水化合物（糖和淀粉）是世界上絕大部分地區(qū)的食物來源，碳水化合物的氧化是多數(shù)非光合細(xì)胞的中心產(chǎn)能途徑。不溶性碳水化合物聚合物是細(xì)菌和植物細(xì)胞壁以及動(dòng)物結(jié)締組織的結(jié)構(gòu)和保護(hù)成分。其他碳水化合物聚合物潤滑骨骼關(guān)節(jié)，參加細(xì)胞間的識(shí)別和黏附。更復(fù)雜的碳水化合物聚合物共價(jià)結(jié)合蛋白質(zhì)和脂作為信號(hào)分子決定決定這些分子在細(xì)胞中的定位和代謝命運(yùn)—糖復(fù)合物。

Functions：Energy、StructuralandBiologicalActive.第3頁/共99頁WordsRelatedto“Sugar”Sweet（糖果）Sugar（糖、食糖）Carbohydrate（碳水化合物，糖）Saccharide（糖類）,可為mono-、oligo-、poly-修飾。Glycose（單糖、葡萄糖、葡糖）Glucose(葡萄糖）-ose(..糖）,Fructose,GalactoseOligosaccharide（寡糖）Polysaccharide(多糖）Glycan[多糖、（多）聚糖]Glycogen(糖原、糖元）、Glyco-或Glycan-（糖…）

Glycoside,Glycolipid,Glycoprotein第4頁/共99頁糖的世界I食用糖[蔗糖]（sucrose)醫(yī)療用糖[glucose及其衍生物，如葡萄糖酸的鈉、鉀、鈣、鋅鹽等]；綠色植物的皮、桿等多糖[cellulose]；種子及塊根、塊莖中的糖[starch]；動(dòng)物體內(nèi)的貯藏多糖[glycogen]；昆蟲、蟹、蝦等外骨骼糖[chitin]；真菌的糖[香菇多糖Lentinan

、茯苓多糖Pachymaran

、靈芝多糖Ganodermalucidumpolysaccharide

、昆布多糖Laminarine等]；第5頁/共99頁糖的世界II細(xì)菌、酵母的細(xì)胞壁糖;結(jié)締組織中的糖[肝素、透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素等];核酸的糖、脂多糖[糖脂]、糖蛋白[蛋白聚糖]中的糖;細(xì)胞膜及其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的糖;血型糖;生物活性糖分子。第6頁/共99頁糖的研究簡史I1843年,Dumas測定糖的實(shí)驗(yàn)式為[CH2O]n；1870年,Colley、1883年,Tollens設(shè)想葡萄糖的結(jié)構(gòu)式[直鏈多羥基醛]；1881年,EmilFischer分析單糖結(jié)構(gòu)，人工合成了當(dāng)時(shí)已知的所有己糖和戊糖；1846年,Dubrunfont提出葡萄糖溶液有變旋現(xiàn)象；第7頁/共99頁糖的研究簡史II1893年,Fischer提出葡萄糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；1895年,Tanret發(fā)現(xiàn)存在三種葡萄糖結(jié)構(gòu)形式，各自的旋光性不同；1926年,W.N.Haworth提出葡萄糖投影式；1928年,Malaprada發(fā)明過碘酸氧化法測定糖的結(jié)構(gòu)；1932年,Fleury和Lange把過碘酸方法完善化用于糖化學(xué)的研究；第8頁/共99頁糖的研究簡史III1933年,N.A.Saeuson提出端基差向異構(gòu)體，以表示還原糖及糖苷的、兩種異構(gòu)體；1950年,R.E.Reeves證明己糖的椅式構(gòu)象；1950s后,生物化學(xué)最新的理論和方法用于糖生物化學(xué)的研究，尤其在結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究上取得了重要突破，發(fā)展和興起了糖化學(xué)和糖生物化學(xué)的研究時(shí)代，特別在糖復(fù)合物的研究上掀開了生命科學(xué)研究的又一個(gè)熱點(diǎn)。

第9頁/共99頁Definition

多羥基醛[Polyhydroxyaldehyde]多羥基酮[Polyhydroxyketone]多羥基醛或多羥基酮的衍生物[Derivatives]；可以水解為多羥基醛、多羥基酮或它們的衍生物的物質(zhì)。第10頁/共99頁CompositionMajorelement:C、H、O。Minorelement:N、S、Petal.單糖分子多符合通式：[CH2O]n，僅從通式上并不能判斷某分子是否就是糖，即：符合通式的不一定是糖，如CH3COOH[乙酸]，CH2O[甲醛]，C3H6O3[乳酸]；是糖的不一定都符合通式，如C5H10O4[脫氧核糖]，C6H12O5[鼠李糖]。第11頁/共99頁ClassificationI單糖[monosaccharides]，不能水解為其他糖的糖，按碳原子數(shù)分為： 丙糖[glyceraldehyde]

丁糖[erythrulose,threose]

戊糖[xylose,xylulose、ribose、ribulose、deoxyribose]

己糖[glucose,fructose,galactose]第12頁/共99頁第13頁/共99頁酮糖阿洛酮糖山梨糖塔格糖第14頁/共99頁五碳糖—醛糖核糖阿拉伯糖木糖來蘇糖第15頁/共99頁六碳--醛糖阿洛糖阿卓糖古洛糖艾杜糖塔羅糖葡萄糖半乳糖甘露糖第16頁/共99頁六碳--酮糖阿洛酮糖果糖山梨糖塔格糖第17頁/共99頁ClassificationII寡糖[Oligosaccharides]可以水解為其他糖的糖[2—十幾個(gè)單糖]，包括：二糖[Disaccharides](sucrose、maltose、lactose)。三糖[Trisaccharides]棉籽糖其他寡糖[血型糖、活性糖等]。第18頁/共99頁ClassificationIII多糖[Polysaccharides]可水解為多個(gè)單糖或單糖衍生物的糖，包括：同多糖[homoglycans,homopolysaccharides]水解為同一單糖的高分子聚合物[淀粉、糖元、纖維素、幾丁質(zhì)、糖苷等]。異[雜]多糖[heteroglycans,heteropolysaccharides]水解產(chǎn)物不止一種單糖或單糖衍生物[透明質(zhì)酸、肝素、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素等]。第19頁/共99頁ClassificationIV糖的衍生物指糖的氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物、氨基取代物及糖苷化合物等，如，氨基葡萄糖、N-乙酰氨基葡萄糖、糖的硫酸酯等；多糖復(fù)合物[Polysaccharidescomplex]糖與脂、蛋白等共價(jià)相連組成：蛋白多糖[Proteinpolysaccharides]；糖蛋白[Glycoproteins]；糖脂[Glycolipids]。第20頁/共99頁葡萄糖家族氨基糖脫氧糖酸性糖胞壁酸第21頁/共99頁單糖的結(jié)構(gòu)

單糖的結(jié)構(gòu)如葡萄糖、果糖等已在上個(gè)世紀(jì)由被譽(yù)為“糖化學(xué)之父”的費(fèi)歇爾（Fischer）及哈沃斯（Haworth）等化學(xué)家的不懈努力而確定。當(dāng)時(shí)十六個(gè)己醛糖都經(jīng)合成得到，其中的十二個(gè)是費(fèi)歇爾一個(gè)人獲得的（1890年完成合成）。費(fèi)歇爾被譽(yù)為“糖化學(xué)之父”，也因此獲得了1902年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（38歲出成果，50歲獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，歷時(shí)12年）。第22頁/共99頁ChemicalStructureofGlucoseElementComposition：C、H、O. C：40%、H：6.7%、O：53.3%;ExperimentalFormula：[CH2O];

冰點(diǎn)降低及沸點(diǎn)升高法測得分子量為180MolecularFormula：

[CH2O]6，即C6H12O6第23頁/共99頁葡萄糖直鏈結(jié)構(gòu)的證據(jù)與Fehling試劑（堿性酒石酸銅試劑）或其他醛試劑反應(yīng)醛基；與乙酸酐反應(yīng)，產(chǎn)生有5個(gè)乙?；难苌?個(gè)羥基存在；與鈉汞齊（Na、Hg的合金）作用，被還原為一種具有6個(gè)羥基的山梨醇（Sorbitol，glucitol），后者是一個(gè)6C構(gòu)成的直鏈醇。結(jié)論：葡萄糖的六個(gè)碳是連成直鏈結(jié)構(gòu)的分子。

第24頁/共99頁葡萄糖的直鏈結(jié)構(gòu)

一般一個(gè)碳原子不能與兩個(gè)羥基同時(shí)結(jié)合，這樣是不穩(wěn)定的，根據(jù)這一性質(zhì)，如果羰基是個(gè)醛基，則它的結(jié)構(gòu)式應(yīng)是：氧化后得到相應(yīng)的酸，碳鏈不變。而酮氧化后會(huì)引起碳鏈的斷裂，應(yīng)用這一性質(zhì)就可確定是醛糖或酮糖。葡萄糖用HNO3氧化后生成四羥基己二酸，稱葡萄糖二酸，因此葡萄糖是醛糖。第25頁/共99頁確定羰基的位置

葡萄糖與HCN加成后水解生成六羥基酸，后者被HI還原后得正庚酸，進(jìn)一步證明葡萄糖是醛糖。同樣的方法處理果糖，最后的產(chǎn)物是α-甲基己酸。因此，果糖的羰基在第二位。第26頁/共99頁

葡萄糖有四個(gè)手性碳原子，有16個(gè)對映異構(gòu)體。所以，只測定糖的構(gòu)造式是不夠的，還必須確定它的構(gòu)型。葡萄糖和果糖的構(gòu)造式第27頁/共99頁ConfigurationofSugar

I

構(gòu)型是指一個(gè)分子由于其各原子特有的空間排列而使該分子具有特定的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個(gè)物質(zhì)由一種構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N構(gòu)型時(shí)，要求有共價(jià)鍵的斷裂或重新形成。表明一種物質(zhì)應(yīng)有其特定的構(gòu)型。第28頁/共99頁ConfigurationofSugar

II

單糖的構(gòu)型以甘油醛為參照標(biāo)準(zhǔn)，甘油醛C2為手性碳，與其相連的-OH在右邊的被定為D型、在左邊的被定為L型，D型和L型互為立體異構(gòu)體，是一對對映體[antipode]，具有對映體的結(jié)構(gòu)又稱手性結(jié)構(gòu)。單糖的構(gòu)型由于手性碳通常不止一個(gè)，特規(guī)定：離羰基最遠(yuǎn)的不對稱C上的-OH方向決定糖的構(gòu)型，在右邊的被定為D型、在左邊的被定為L型。第29頁/共99頁對映異構(gòu)體的球棍模型第30頁/共99頁費(fèi)歇爾投影式

和透視式透視式投影式第31頁/共99頁甘油醛[醛糖]和

二羥丙酮[酮糖]第32頁/共99頁D-葡萄糖[醛糖]

和D-果糖[酮糖]第33頁/共99頁核糖[醛戊糖]和2-脫氧核糖[醛戊糖]第34頁/共99頁單糖的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)及表示方法，19世紀(jì)末20世紀(jì)初，費(fèi)歇爾（Fischer）對糖進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，確定了葡萄糖的結(jié)構(gòu)。第35頁/共99頁差向異構(gòu)體（Epimers)

葡萄糖與甘露糖、葡萄糖與半乳糖，兩兩之間除一個(gè)不對稱C（分別是C2和C4上的-OH位置）有所不同外，其余部分的結(jié)構(gòu)完全相同，這種僅有一個(gè)不對稱C原子構(gòu)型不同，兩鏡像非對映體異構(gòu)物稱為差向異構(gòu)體（epimers）。

第36頁/共99頁差向異構(gòu)體第37頁/共99頁糖的旋光性[OpticalRotation]

葡萄糖及絕大多數(shù)糖都有使平面偏振光發(fā)生偏轉(zhuǎn)的能力，即糖的旋光性，因?yàn)樘嵌季哂惺中蕴?。糖的旋光性和旋光度由糖分子中的所有手性碳上的羥基方向所決定。 糖的旋光性以右旋（以d或+表示）或左旋（以l或-表示）。第38頁/共99頁糖的構(gòu)型與旋光性—不同概念

糖的構(gòu)型與旋光性之間不一定呈“一致”對應(yīng)，即D型糖不一定是右旋糖、L型糖也不一定是左旋糖，兩者的規(guī)定性不同。對于葡萄糖來說，D型正好是右旋，即D-[+]-Glc、L型也正好是左旋，即L-[-]-Glc。天然葡萄糖為右旋，屬于D型。第39頁/共99頁葡萄糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)I

葡萄糖的某些物理、化學(xué)性質(zhì)不能用糖的鏈狀結(jié)構(gòu)解釋，即葡萄糖沒有表現(xiàn)出典型的直鏈[醛類]特性，如：1．缺少Schiff化反應(yīng)，不能使被H2SO3漂白的品紅轉(zhuǎn)呈紅色；2．不能與NaHSO3起加成反應(yīng)；第40頁/共99頁葡萄糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)II3．

葡萄糖的水溶液有變旋現(xiàn)象。解釋：葡萄糖與常見的醛分子不一樣，不能與2分子醇作用而只能與1分子醇反應(yīng)，不生成縮醛（acetals），僅生成半縮醛（semiacetals），意味著分子中已有半縮醛（羥）基存在。第41頁/共99頁縮醛[醛縮醇]和

縮酮[酮縮醇]半縮醛縮醛半縮酮縮酮第42頁/共99頁葡萄糖成環(huán)變旋作用第43頁/共99頁MechanismofMutarotation第44頁/共99頁變旋現(xiàn)象（Mutarotation）

醛糖的C1或酮糖的C2成環(huán)時(shí)產(chǎn)生和一對差向異構(gòu)體，在水溶液中很快互相轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌衔?，溶解過程會(huì)發(fā)生旋光度的改變--變旋現(xiàn)象，這是和異頭物自發(fā)互變所導(dǎo)致的。新配制的葡萄糖[]D20=+112，平衡時(shí)為+52.7。型約占36.2%、型約占63.8%。醛式直鏈的比例極少，故對Schiff化反應(yīng)不靈敏。

第45頁/共99頁第46頁/共99頁吡喃葡萄糖和呋喃果糖第47頁/共99頁水平放倒，原基團(tuán)左上右下將碳鏈水平位置彎成六邊形狀以C4-C5為軸旋轉(zhuǎn)120°使C5上的羥基與醛基接近，成環(huán)。第48頁/共99頁果糖的結(jié)構(gòu)D-果糖為2-己酮糖，其C3、C4、C5的構(gòu)型與葡萄糖一樣。第49頁/共99頁果糖成環(huán)時(shí)，可由C5上的羥基與C2的羰基形成呋喃式環(huán)，也可由C6上的羥基與羰基形成吡喃式環(huán)。兩種氧環(huán)式都有α和β兩種構(gòu)型，因此，果糖可能有五種構(gòu)型。第50頁/共99頁葡萄糖的構(gòu)象[Conformation]

構(gòu)象指一個(gè)分子中，不改變共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，僅靠單鍵的旋轉(zhuǎn)或扭曲而改變分子中基團(tuán)在空間的排布位置，而產(chǎn)生不同的排列方式。根據(jù)X-射線晶體分析，葡萄糖吡喃環(huán)與環(huán)己烷的椅式結(jié)構(gòu)相似，-葡萄糖的可能構(gòu)象有2種椅式（A，B）和6種船式，主要是A椅式。

第51頁/共99頁吡喃糖的構(gòu)象axialequatorial第52頁/共99頁-D-吡喃葡萄糖的構(gòu)象第53頁/共99頁其他單糖的結(jié)構(gòu)除葡萄糖外，其他己糖如果糖、半乳糖等同樣有環(huán)式和直鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。果糖為己酮糖，異頭碳在C2，成環(huán)時(shí)由C2上的-C=O與C6或C5上的-OH縮合而成。半乳糖與葡萄糖的差異僅在C4上的-OH構(gòu)型不同，成環(huán)方式與葡萄糖的一致，兩者為差向異構(gòu)體。第54頁/共99頁三、四、五、六碳糖--醛糖第55頁/共99頁六碳--醛糖阿洛糖阿卓糖古洛糖艾杜糖塔羅糖第56頁/共99頁六碳--酮糖阿洛酮糖果糖山梨糖塔格糖第57頁/共99頁葡萄糖家族氨基糖脫氧糖酸性糖第58頁/共99頁單糖的主要化學(xué)性質(zhì)

單糖的化學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在多羥基醛及多羥基酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征上，具有一切羥基及多羥基的反應(yīng)，如氧化、酯化、縮醛反應(yīng)；也由醛基或羰基的反應(yīng)；同時(shí)還有基團(tuán)間相互影響而產(chǎn)生的一些特殊的反應(yīng)。第59頁/共99頁OxidativeReaction

一定條件下（視氧化劑強(qiáng)弱），葡萄糖C1上的-醛基及C6上的甲羥基可被氧化，形成葡萄糖酸(gluconicacid)、葡萄糖醛酸(glucuronicacid)及葡萄糖二酸(glucaricacid)，都有較強(qiáng)的酸性，能成鹽并形成或內(nèi)酯。第60頁/共99頁葡萄糖為溴水氧化可區(qū)別酮糖和醛糖第61頁/共99頁葡萄糖為硝酸氧化第62頁/共99頁第63頁/共99頁電解氧化（制備糖酸）第64頁/共99頁高碘酸氧化第65頁/共99頁還原糖和非還原糖

凡是對斐林試劑(Fehling’sreagent)、土倫試劑(Tollen’sreagent)及班尼迪特試劑(Benedictreagent)呈陽性反應(yīng)的糖被稱為還原糖，呈陰性反應(yīng)的糖為非還原糖。斐林試劑（硫酸酮和堿性酒石酸鉀鈉）土倫試劑（硝酸銀的氨水溶液）班尼迪特試劑（檸檬酸、硫酸銅、碳酸鈉配制成）第66頁/共99頁葡萄糖被Fehling或Tollens試劑氧化FehlingreagentTollensreagentBenedictreagent第67頁/共99頁葡萄糖為葡萄糖

氧化酶氧化第68頁/共99頁血糖[Bloodsugar]的測定

葡萄糖含有醛基，具還原性，能被弱氧化劑（如堿性Cu2+）氧化，生成葡萄糖酸，蘭色Cu2+溶液被還原為磚紅色的Cu2O。最常用的為Benedict試劑（班氏試劑、檢糖試劑），正常人尿液用班氏試劑檢測為陰性，當(dāng)血糖濃度高于160-180mg/dL時(shí)為陽性反應(yīng)。特異性差。第69頁/共99頁葡萄糖果糖醛糖和酮糖都可以與Benedict試劑反應(yīng)第70頁/共99頁血糖[Bloodsugar]的測定

Benedict試劑對所有還原糖都有反應(yīng)，用于檢測血糖不精確。目前多采用對葡萄糖特異性的葡萄糖氧化酶法、佐以過氧化物酶及無色還原劑染料檢測血糖，既特異又準(zhǔn)確。第71頁/共99頁

葡萄糖氧化酶專一性氧化D-葡萄糖生成葡萄糖酸，同時(shí)生成的過氧化氫與染料分子（苯甲胺）作用顯色。生成的顏色深淺與被氧化的葡萄糖的量成正比第72頁/共99頁Reductivereaction葡萄糖C1上的-CHO可被還原為-OH而生成山梨醇[Sorbitol]，山梨醇聚積在糖尿病患者的晶狀體可引起白內(nèi)障。甘露糖甘露醇[用于治療腦水腫引起的滲透性利尿劑]

核糖核醇[VitB2的組成成分]第73頁/共99頁甘露糖的還原反應(yīng)第74頁/共99頁果糖的還原反應(yīng)甘露糖醇葡萄糖醇HOH第75頁/共99頁Esterification

單糖分子中的-OH，特別是異頭碳上的半縮醛羥基能與磷酸、硫酸、乙酸酐等脫水生成酯。

第76頁/共99頁酯化反應(yīng)第77頁/共99頁葡萄糖的磷酸酯α-D-吡喃葡萄糖-1-磷酸酯

α-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯第78頁/共99頁代謝過程中的磷酸酯第79頁/共99頁成苷（Glycosidation）

單糖環(huán)狀結(jié)構(gòu)中的半縮醛羥基比其他羥基活潑，可與其他分子的-OH（或活性H原子）反應(yīng)，縮去一分子水而成糖苷（又稱甙或配糖體）。由葡萄糖衍生的糖苷叫葡萄糖苷，失水時(shí)形成的鍵叫糖苷鍵。

苷似醚但不是醚，它比一般的醚鍵易形成，也易水解。糖苷無變旋現(xiàn)象，無還原糖的反應(yīng)。第80頁/共99頁第81頁/共99頁半縮醛羥基和一般羥基I1、酸催化下，只有糖的半縮醛羥基能與另一分子醇反應(yīng)形成醚鍵。但用威廉森反應(yīng)可使糖上所有的羥基（包括半縮醛的羥基）形成醚。最常用的甲基化試劑是：（1）30%NaOH+(CH3)2SO4（2）Ag2O+CH3I第82頁/共99頁半縮醛羥基和一般羥基II2、糖苷從結(jié)構(gòu)上看是縮醛，在堿性條件下是穩(wěn)定的，但可用溫和的酸性條件水解，生成糖和配基。而普通的醚鍵在溫和的酸性條件下是穩(wěn)定的，只有在強(qiáng)的HX作用下才分解。3、酶也能促使糖苷水解，而且是立體專一的（例如，從酵母中分離得到的α-D-葡萄糖苷酶只能水解α-D-吡喃葡萄糖苷，而從杏仁中得到的β-D-葡萄糖苷酶只水解β-D-葡萄糖苷。第83頁/共99頁脎（Osazone）的形成

（苯肼反應(yīng)，phentlhydrazinereaction）醛糖的醛基可與苯肼反應(yīng)生成苯腙（phenylhydrazone），過量的苯肼進(jìn)一步與苯腙反應(yīng)生成脎（osazone），每個(gè)脎分子中含2分子苯肼，第三個(gè)苯肼被轉(zhuǎn)化為苯胺和氨。脎的溶解度小，易成結(jié)晶，不同糖脎晶體形狀不同、熔點(diǎn)不同，可作為糖的定性鑒定。

第84頁/共99頁一分子含半縮醛羥基的糖和三分子苯肼反應(yīng)，在糖的1,2-位形成二苯腙（稱為脎）的反應(yīng)稱為成脎反應(yīng)。第85頁/共99頁葡萄糖成脎和果糖成脎第86頁/共99頁

生成糖脎的反應(yīng)是發(fā)生在C1和C2上，不涉及其他的碳原子，所以，如果僅在第二碳上構(gòu)型不同而其他碳原子構(gòu)型相同的差向異構(gòu)體，必然生成同一個(gè)脎。例如，D-葡萄糖、D-甘露糖、D-果糖的C3、C4、C5的構(gòu)型都相同，因此它們生成同一個(gè)糖脎。第8