糖与糖生物化学

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,1,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,糖和糖生物化学,Carbohydrates and Glycobiochemistry,Carbohydrates,碳水化合物是地球上,最丰富,的分子，每年光合作用可转化,超过1000亿吨的CO,2,和H,2,O,为纤维素和其他植物产物。一些碳水化合物（糖和淀粉）是世界上绝大部分地区的,食物来源,，碳水化合物的氧化是多数非光合细胞的,中心产能途径,。不溶性碳水化合物聚合物是细菌和植物细胞壁以及动物结缔组织的,结构和保护,成分。其他碳水化合物聚合物,润滑骨骼关节,，参加细胞间的,识别和黏附,。更复杂的碳水化合物聚合物共价结合蛋白质和脂作为,信号分子,决定决定这些分子在细胞中的,定位和代谢命运,糖复合物,。,Functions,：Energy、Structural and Biological Active.,Words Related to “Sugar”,Sweet（糖果）,Sugar（糖、食糖）,Carbohydrate（碳水化合物，糖）,Saccharide（糖类）,可为mono-、oligo-、poly-修饰。,Glyc,ose,（单糖、葡萄糖、葡糖）,Gluco,se,(葡萄糖）-,ose,(.糖）,Fruct,ose, Galact,ose,Oligo,saccharide（寡糖）,Poly,saccharide(多糖）,Glycan多糖、（多）聚糖,Glycogen(糖原、糖元）、Glyco-或Glycan-（糖）,Glycoside, Glycolipid, Glycoprotein,糖的世界 I,食用,糖蔗糖（sucrose),医疗,用糖glucose及其衍生物，如葡萄糖酸的钠、钾、钙、锌盐等；,绿色植物的,皮,、,杆,等多糖cellulose；,种子,及,块根,、,块茎,中的糖starch；,动物体内的,贮藏多糖,glycogen；,昆虫、蟹、虾等,外骨骼糖,chitin；,真菌,的糖香菇多糖,Lentinan,、茯苓多糖,Pachymaran,、灵芝多糖,Ganoderma lucidum polysaccharide,、,昆布多糖,Laminarine,等；,糖的世界 II,细菌、酵母的,细胞壁糖;,结缔组织中的糖,肝素、透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等;,核酸,的糖、,脂多糖,糖脂、,糖蛋白,蛋白聚糖中的,糖;,细胞膜,及其他细胞结构中的,糖;,血型糖;,生物活性糖,分子。,糖的研究简史 I,1843年, Dumas测定糖的,实验式,为CH,2,O,n；,1870年, Colley、1883年, Tollens设想葡萄糖的,结构式,直链多羟基醛；,1881年,Emil Fischer,分析单糖,结构,，,人工合成,了当时已知的所有己糖和戊糖；,1846年, Dubrunfont提出葡萄糖溶液有,变旋现象,；,糖的研究简史 II,1893年,Fischer,提出葡萄糖的,环状结构,；,1895年, Tanret发现存在,三种葡萄糖,结构形式，各自的旋光性不同；,1926年, 提出葡萄糖,投影式,；,1928年, Malaprada发明,过碘酸氧化法,测定糖的结构；,1932年, Fleury和Lange把,过碘酸方法完善化,用于糖化学的研究 ；,糖的研究简史 III,1933年, N.A.S,aeuson提出,端基差向异构体,，以表示还原糖及糖苷的,、,两种异构体；,椅式构象,；,1950s后,生物化学最新的理论和方法用于,糖生物化学,的研究，尤其在,结构与功能,关系的研究上取得了重要突破，发展和兴起了,糖化学和糖生物化学,的研究时代，特别在,糖复合物,的研究上掀开了生命科学研究的又一个热点。,Definition,多羟基,醛,Polyhydroxyaldehyde,多羟基,酮,Polyhydroxyketone,多羟基,醛,或多羟基,酮,的,衍生物Derivatives,；,可以,水解,为多羟基醛、多羟基酮或它们的衍生物的物质。,Composition,Major element:,C、H、O,。,Minor element: N、S、P et al.,单糖分子,多符合,通式,：CH,2,O,n,，仅从通式上并不能判断某分子是否就是糖，即：,符合通式的不一定是糖,，如CH,3,COOH乙酸，CH,2,O甲醛，C,3,H,6,O,3,乳酸；,是糖的不一定都符合通式,，如C,5,H,10,O,4,脱氧核糖，C,6,H,12,O,5,鼠李糖。,Classification I,单糖,monosaccharides,，,不能水解,为其他糖的糖，按碳原子数分为：,丙糖,glyceraldehyde,丁糖,erythrulose, threose,戊糖,xylose,xylulose、 ribose、 ribulose、deoxyribose,己糖,glucose, fructose, galactose,酮 糖,阿洛酮糖,山梨糖,塔格糖,五碳糖,醛糖,核糖,阿拉伯糖,木糖,来苏糖,六碳-,醛糖,阿洛糖,阿卓糖,古洛糖,艾杜糖,塔罗糖,葡萄糖,半乳糖,甘露糖,六碳-,酮糖,阿洛酮糖,果糖,山梨糖,塔格糖,Classification II,寡糖,Oligosaccharides, 可以水解为其他糖的糖2十几个单糖，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。,Classification III,多糖,Polysaccharides,可水解为多个单糖或单糖衍生物的糖，包括,：,同多糖,homoglycans, homopolysaccharides,水解为,同一单糖,的高分子聚合物淀粉、糖元、纤维素、几丁质、糖苷等。,异杂多糖,heteroglycans, heteropolysaccharides,水解产物,不止一种单糖或单糖衍生物,透明质酸、肝素、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等。,Classification IV,糖的衍生物,指糖的,氧化产物、还原产物、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；,多糖复合物,Polysaccharides complex,糖与脂、蛋白等共价相连组成：,蛋白多糖,Protein polysaccharides,；,糖蛋白,Glycoproteins,；,糖脂,Glycolipids,。,葡萄糖家族,氨基糖,脱氧糖,酸性糖,胞壁酸,单糖的结构,单糖的结构如葡萄糖、果糖等已在上个世纪由被誉为“糖化学之父”的,费歇尔,（Fischer）及,哈沃斯,（Haworth）等化学家的不懈努力而确定。当时十六个己醛糖都经合成得到，其中的十二个是费歇尔一个人获得的（1890年完成合成）。费歇尔被誉为“糖化学之父”，也因此获得了,1902年的诺贝尔化学奖,（38岁出成果，50岁获诺贝尔化学奖，历时12年）。,Chemical Structure of Glucose,Element Composition,：C、H、O.,C：40%、H：6.7%、O：53.3%;,Experimental Formula,：CH,2,O;,冰点降低及沸点升高法测得,分子量,为180,Molecular Formula,：,CH,2,O,6,，即C,6,H,12,O,6,葡萄糖直链结构的证据,与,Fehling试剂,（,碱性酒石酸铜试剂）,或其他醛试剂,反应,醛基；,与,乙酸酐,反应，产生有5个乙酰基的衍生物,5个羟基存在；,与,钠汞齐,（Na、Hg的合金）作用，被还原为一种具有6个羟基的山梨醇（Sorbitol，glucitol），后者是一个6C构成的直链醇。,结论,：葡萄糖的六个碳是连成,直链结构,的分子。,葡萄糖的直链结构,一般,一个碳原子不能与两个羟基同时结合,，这样是不稳定的，根据这一性质，如果羰基是个醛基，则它的结构式应是：,氧化后得到相应的酸，碳链不变。而酮氧化后会引起碳链的断裂，应用这一性质就可确定是醛糖或酮糖。葡萄糖用HNO,3,氧化后生成四羟基己二酸，称葡萄糖二酸，因此葡萄糖是,醛糖,。,确定羰基的位置,葡萄糖与,HCN,加成后水解生成六羟基酸，后者被,HI,还原后得正庚酸，进一步证明,葡萄糖是醛糖,。,同样的方法处理果糖，最后的产物是-甲基己酸。,因此，,果糖的羰基在第二位,。,葡萄糖有,四个手性碳原子,，有,16个对映异构体,。所以，只测定糖的构造式是不够的，还必须确定它的,构型,。,葡萄糖和果糖的构造式,Configuration of Sugar,I,构型是指一个分子由于其各,原子特有的空间排列而使该分子具有特定的立体化学结构,。当一个物质由一种构型转变为另一种构型时，要求有,共价键的断裂或重新形成,。表明一种物质应有其特定的构型。,Configuration of Sugar,II,单糖的构型,以甘油醛为参照标准,，甘油醛C,2,为手性碳，与其相连的,-OH在右边,的被定为,D型,、在,左边,的被定为,L型,，D型和L型互为立体异构体，是一对对映体antipode，具有对映体的结构又称手性结构。,单糖的构型由于手性碳通常不止一个，特,规定,：,离羰基最远的不对称C上的-OH方向决定糖的构型,，在,右边的被定为D型,、在,左边的被定为L型,。,对映异构体的球棍模型,费歇尔投影式和透视式,透视式,投影式,甘油醛,醛糖,和二羟丙酮,酮糖,D-葡萄糖,醛糖,和D-果糖,酮糖,核糖,醛戊糖,和2-脱氧核糖,醛戊糖,单糖的链式结构及表示方法，19世纪末20世纪初，费歇尔,（Fischer）,对糖进行了系统的研究，确定了葡萄糖的结构。,差向异构体,（,Epimers,),葡萄糖与甘露糖、葡萄糖与半乳糖，两两之间除一个不对称C（分别是C,2,和C,4,上的-OH位置）有所不同外，其余部分的结构完全相同，这种,仅有一个不对称C原子构型不同,，两镜像非对映体异构物称为差向异构体（epimers）。,差向异构体,糖的旋光性,Optical Rotation,葡萄糖及绝大多数糖都有,使平面偏振光发生偏转,的能力，即糖的旋光性，因为糖都具有,手性碳,。糖的旋光性和旋光度由糖分子中的,所有手性碳上的羟基方向所决定,。糖的旋光性以右旋（以d或+表示）或左旋（以l或-表示）。,糖的构型与旋光性,不同概念,糖的构型与旋光性之间,不一定呈“一致”对应,，即D型糖不一定是右旋糖、L型糖也不一定是左旋糖，,两者的规定性不同,。对于葡萄糖来说，D型正好是右旋，即D-+-Glc、L型也正好是左旋，即L-Glc。天然葡萄糖为右旋，属于D型。,葡萄糖的环状结构 I,葡萄糖的某些物理、化学性质,不能用糖的链状结构解释,，即葡萄糖没有表现出典型的直链醛类特性，如：,1,缺少Schiff化反应,，不能使被H,2,SO,3,漂白的品红转呈红色；,2,不能与NaHSO,3,起加成反应,；,葡萄糖的环状结构 II,3葡萄糖的水溶液有,变旋现象,。,解释,：葡萄糖与常见的醛分子不一样，,不能与2分子醇作用而只能与1分子醇反应,，不生成缩醛（acetals），仅生成,半缩醛,（semiacetals），意味着分子中已有半缩醛（羟）基存在。,缩醛,醛缩醇,和缩酮,酮缩醇,半缩醛,缩醛,半缩酮,缩酮,葡萄糖成环,变旋作用,Mechanism of Mutarotation,变旋现象,（,Mutarotation,）,醛糖的C,1,或酮糖的C,2,成环时产生,和,一对差向异构体，在,水溶液中很快互相转变为混合物,，溶解过程会发生,旋光度的改变,-,变旋现象,，这是,和,异头物自发互变所导致的。新配制的葡萄糖,D,20,=+112,。,型约占36.2%、,型约占63.8%。醛式直链的比例极少，故对Schiff化反应不灵敏。,吡喃葡萄糖和呋喃果糖,水平放倒，原基团左上右下,将碳链水平位置弯成六边形状,以C4-C5为轴旋转120使C5上的羟基与醛基接近，成环。,果糖的结构,D-果糖为2-己酮糖，其C3、C4、C5的构型与葡萄糖一样。,果糖成环时，可由,C,5,上的羟基与C,2,的羰基形成呋喃式环,，也可由,C,6,上的羟基与羰基形成吡喃式环,。两种氧环式都有和两种构型，因此，果糖可能有五种构型。,葡萄糖的构象,Conformation,构象指一个分子中，,不改变共价键结构，仅靠单键的旋转或扭曲,而改变分子中,基团在空间的排布位置,，而产生不同的排列方式。根据X-射线晶体分析，葡萄糖吡喃环与环己烷的椅式结构相似，,-葡萄糖的可能构象有2种椅式（A，B）和6种船式，主要是A椅式。,吡喃糖的构象,ax,ial,eq,uatorial,-D-吡喃葡萄糖的构象,其他单糖的结构,除葡萄糖外，其他己糖如果糖、半乳糖等同样有,环式,和,直链式,结构。,果糖为己酮糖，异头碳在C,2,，成环时由C,2,上的-C=O与C,6,或C,5,上的-OH缩合而成。,半乳糖与葡萄糖的差异仅在C,4,上的-OH构型不同，成环方式与葡萄糖的一致，两者为差向异构体。,三、四、五、六碳糖-,醛糖,六碳-,醛糖,阿洛糖,阿卓糖,古洛糖,艾杜糖,塔罗糖,六碳-,酮糖,阿洛酮糖,果糖,山梨糖,塔格糖,葡萄糖家族,氨基糖,脱氧糖,酸性糖,单糖的主要化学性质,单糖的化学性质主要体现在,多羟基醛,及,多羟基酮,的化学结构特征上，具有,一切羟基及多羟基的反应,，如氧化、酯化、缩醛反应；也由,醛基或羰基的反应,；同时还有,基团间相互影响,而产生的一些特殊的反应。,Oxidative Reaction,一定条件下（视氧化剂强弱），葡萄糖,C,1,上的-醛基及C,6,上的甲羟基可被氧化,，形成,葡萄糖酸,(glu,conic,acid)、,葡萄糖醛酸,(glu,curonic,acid)及,葡萄糖二酸,(glu,caric,acid)，都有较强的酸性，能成,盐,并形成,或,内酯,。,葡萄糖为溴水氧化,可区别酮糖和醛糖,葡萄糖为硝酸氧化,电解氧化（制备糖酸）,高碘酸氧化,还原糖和非还原糖,凡是对,斐林试剂,(Fehlings reagent)、,土伦试剂,(Tollens reagent)及,班尼迪特试剂,(Benedict reagent)呈阳性反应的糖被称为还原糖，呈阴性反应的糖为非还原糖。,斐林试剂（,硫酸酮和碱性酒石酸钾钠,）,土伦试剂（,硝酸银的氨水溶液,）,班尼迪特试剂（,柠檬酸、硫酸铜、碳酸钠配制成,）,葡萄糖被Fehling或Tollens试剂氧化,Fehling reagent,Tollens reagent,Benedict reagent,葡萄糖为葡萄糖氧化酶氧化,血糖,Blood sugar,的测定,葡萄糖含有醛基，具还原性，能被弱氧化剂（如碱性Cu,2+,）氧化，生成葡萄糖酸，兰色Cu,2+,溶液被还原为砖红色的Cu,2,O。最常用的为,Benedict 试剂,（班氏试剂、检糖试剂），正常人尿液用班氏试剂检测为阴性，当血糖浓度高于160-180 mg/dL时为阳性反应。特异性差。,葡萄糖,果糖,醛糖和酮糖都可以,与Benedict试剂反应,血糖,Blood sugar,的测定,Benedict试剂对所有还原糖都有反应，用于检测血糖不精确。目前多采用对葡萄糖特异性的,葡萄糖氧化酶法,、佐以,过氧化物酶及无色还原剂染料,检测血糖，既特异又准确。,葡萄糖氧化酶专一性氧化D-葡萄糖生成葡萄糖酸，同时生成的过氧化氢与染料分子（苯甲胺）作用显色。,生成的颜色深浅与被氧化的葡萄糖的量成正比,Reductive reaction,葡萄糖C,1,上的-CHO可被还原为-OH而生成,山梨醇,Sorbitol，山梨醇聚积在糖尿病患者的晶状体可引起,白内障,。,甘露糖,甘露醇用于治疗脑水肿引起的渗透性利尿剂,核糖,核醇Vit B,2,的组成成分,甘露糖的还原反应,果糖的还原反应,甘露糖醇,葡萄糖醇,H,OH,Esterification,单糖分子中的-OH，特别是异头碳上的半缩醛羟基能,与磷酸、硫酸、乙酸酐等脱水生成酯,。,酯化反应,葡萄糖的磷酸酯,-D-,吡喃葡萄糖-1-磷酸酯,-D-,吡喃葡萄糖-6-磷酸酯,代谢过程中的磷酸酯,成苷,（Glycosidation）,单糖环状结构中的,半缩醛羟基比其他羟基活泼,，可与其他分子的-OH（或活性H原子）反应，缩去一分子水而成糖苷（又称甙或配糖体）。,由葡萄糖衍生的糖苷叫葡萄糖苷，失水时形成的键叫,糖苷键,。,苷似醚但不是醚，它比一般的醚键易形成，也易水解。,糖苷,无变旋现象,，,无还原糖的反应,。,半缩醛羟基和一般羟基 I,1、,酸催化,下，只有糖的,半缩醛羟基能与另一分子醇反应,形成醚键。但用威廉森反应可使糖上所有的羟基（包括半缩醛的羟基）形成醚。,最常用的甲基化试剂是：,（1）30% NaOH + (CH,3,),2,SO,4,（2）Ag,2,O + CH,3,I,半缩醛羟基和一般羟基 II,2、糖苷从结构上看是,缩醛,，在,碱性条件下是稳定,的，但可用,温和的酸性条件水解,，生成糖和配基。而普通的醚键在温和的酸性条件下是稳定的，只有在强的HX作用下才分解。,3、,酶也能促使糖苷水解,，而且是,立体专一,的（例如，从酵母中分离得到的-D-葡萄糖苷酶只能水解-D-吡喃葡萄糖苷，而从杏仁中得到的-D-葡萄糖苷酶只水解-D-葡萄糖苷。,脎,（,Osazone,）,的形成,（,苯肼反应，phentlhydrazine reaction,）,醛糖的醛基可,与苯肼,反应生成,苯腙,（phenylhydrazone），过量的苯肼进一步与苯腙反应生成,脎,（osazone），每个脎分子中含2分子苯肼，第三个苯肼被转化为苯胺和氨。,脎的溶解度小，易成结晶，不同糖脎晶体形状不同、熔点不同，可作为,糖的定性鉴定,。,一分子,含半缩醛羟基的糖,和,三分子苯肼,反应，在糖的1,2-位形成二苯腙（称为脎）的反应称为,成脎反应,。,葡萄糖成脎和果糖成脎,生成糖脎的反应是,发生在C1和C2,上，不涉及其他的碳原子，所以，如果仅在第二碳上构型不同而其他碳原子构型相同的差向异构体，必然生成同一个脎。例如，D-葡萄糖、D-甘露糖、D-果糖的C3、C4、C5的构型都相同，因此它们生成同一个糖脎。,成脎反应的应用,1. 用以,鉴别各种糖,，不同的糖脎结晶形状不同，熔点不同，形成的速度也不同。糖脎都是黄色晶体。,2. 用于,研究糖的构型,，葡萄糖、甘露糖、果糖具有相同的糖脎，这说明这三个糖除第一和第二个碳原子构型不同外，其它碳原子的构型完全相同。,3. 可以,将葡萄糖转变成果糖,。,糖的递增反应,- 克里安尼氰化增碳法,糖的递降反应,差向异构化,糖酸的差向异构化,糖酸在类似的条件下也能发生差向异构化,糖复合物中的单糖,主要有：D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖和D-木糖。,D-Glc,：一般不存在于糖蛋白及蛋白聚糖中，绝大多数糖脂中存在。,D-Gal,：乳汁中与Glc形成乳糖、糖蛋白、糖脂、硫酸角质素类糖胺聚糖、与L-Gal以糖苷键连成琼脂糖（agrose）大分子。,D-Man,：主要以甘露聚糖形式存在于植物中。,D-Xyl,：蛋白多糖、糖胺聚糖、植物糖蛋白。,糖复合物中的单糖衍生物 I,甲基糖类,，是6-脱氧己糖，亲脂性增强。L-fucose存在于大多糖蛋白的糖链、分子量较大的糖脂及血型抗原中，不存在于糖胺聚糖中。抗生素中也有存在。,氨基糖类,重要的是2-氨基己糖，包括:,2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖D-glucosamine, GlcN,2-N-乙酰葡萄糖胺2-N-acetylglucosamine, GlcNAc,2-N-乙酰半乳糖胺2-N-acetylgalactosamine, GalNAc,存在于几丁质、糖胺聚糖粘多糖中。,胞壁酸,常见单糖及其衍生物的缩写,阿比可糖,糖复合物中的单糖衍生物 II,糖醛酸,类，主要四种：D-葡萄糖醛酸、D-甘露糖醛酸、D-半乳糖醛酸及L-艾杜糖醛酸,L-Iduronic acid,唾液酸,sialic acid,，代表一类神经氨糖酸,Neuraminic acid,，广泛存在于细菌和动物组织中，糖脂和糖蛋白的组成成分。,单糖的物理性质,旋光度,，一切糖类都有不对称C，都具旋光性；,甜度,，各种糖甜度不一，但都有甜度，程度不同；,溶解度,，多羟基增加了单糖的溶解度，热水中更大，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。,