生物化學(xué)原理——糖

1、 糖 糖分為單糖、寡糖和多糖。 單糖，從化學(xué)結(jié)構(gòu)看是多羥基的醛或酮。例如最豐富的六碳糖葡萄糖， 寡糖是少量單糖的聚合物，如常見的二糖麥芽糖、乳糖、蔗糖等。 多糖是一般指的是單糖數(shù)目在20個以上的單糖聚合物，包括同多糖和雜多糖。如果糖鏈共價結(jié)合一個肽鏈、蛋白質(zhì)或脂，則形成肽多糖、蛋白多糖、糖蛋白或糖脂。單糖 單糖是多羥基的醛或酮，分為醛糖和酮糖。最小的單糖是三碳糖，即含有3個碳原子的糖，也稱為丙糖。含4、5、6、7個碳原子的糖則分別稱為丁糖、戊糖、己糖和庚糖。三碳醛糖稱之甘油醛，甘油醛是個手性分子，分子中的C-2是個不對稱碳。三碳酮糖稱為二羥丙酮，它沒有不對稱碳，是個非手性分子。其它所有單糖都可

2、以看作是甘油醛和二羥丙酮這兩個單糖的碳鏈的加長，都是手性分子。羥基左側(cè)為L型，右側(cè)為D型。將H-C-OH或OH-C-H插入到甘油醛C1和C2之間，可生成D-赤蘚糖或 D-蘇糖。依此類推，可生成五碳醛糖或六碳醛糖。象醛糖那樣，也可以將將H-C-OH或OH-C-H插入到C1和C2之間，分別生成相應(yīng)的多一個碳的酮糖。 但同樣數(shù)目碳的酮糖比醛糖的手性碳數(shù)少，例如酮丁糖有D-赤蘚酮糖和L-赤蘚酮糖 ，而醛丁糖則有4個立體異構(gòu)體醛可與醇先形成半縮醛，形成的半縮醛再結(jié)合一個醇可以形成縮醛。同樣，酮也可以經(jīng)兩步反應(yīng)形成縮酮。 從葡萄糖Fisher投影式看，葡萄糖是個醛，與醇應(yīng)當可發(fā)生縮醛反應(yīng)，但卻只能與一分子

3、醇反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖C-1的醛基與C-5的羥基發(fā)生分子內(nèi)反應(yīng)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的衍生物，稱為半縮醛。由于成環(huán)，羰基碳（ C -1）變成了不對稱碳（稱為異頭碳），由此產(chǎn)生了和兩個立體異構(gòu)體（分別稱為異頭物和異頭物）。a-構(gòu)型中OH位于異頭碳右側(cè)，b -構(gòu)型中OH位于異頭碳左側(cè)。環(huán)化的醛糖或酮糖可以呈現(xiàn)兩種異頭構(gòu)型中的一種，即a-或b-構(gòu)型。a-構(gòu)型和b-構(gòu)型之間的轉(zhuǎn)換就是變旋現(xiàn)象。在溶液中，有能力形成環(huán)結(jié)構(gòu)的醛糖和酮糖，不同環(huán)式和開鏈形式處于平衡中。處于平衡中的單糖的各種不同形式的豐度反映了每種形式的相對穩(wěn)定性。在單糖分子中，含有5個以上碳原子的醛糖和含有6個以上碳原子的酮糖的羰基在溶液中都可以與分

4、子內(nèi)的一個羥基反應(yīng)形成環(huán)式半縮醛或環(huán)式半縮酮。環(huán)式單糖可以是5元環(huán)或6元環(huán)結(jié)構(gòu)，環(huán)結(jié)構(gòu)中的一員是氧。六元環(huán)糖類似于吡喃，所以又稱之為吡喃糖，而五元環(huán)糖類似于呋喃，稱之為呋喃糖。 單糖構(gòu)象環(huán)中的每個原子的原子軌道都是sp3-雜化（四面體）的，實際上不是一個平面。例如吡喃環(huán)傾向于椅式構(gòu)象或船式構(gòu)象。由于在椅式構(gòu)象中可以使環(huán)內(nèi)原子的立體排斥減到最小，所以椅式構(gòu)象比船式更穩(wěn)定。在椅式構(gòu)象中，每個原子的取代基均呈四面體排布，而在兩種可能的椅式構(gòu)象中，環(huán)中取代基-CH2OH處于赤道（平伏）位置的是主要構(gòu)象。只有-D-葡萄糖的所有5個非氫取代基-CH2OH和-OH能同時處于赤道（平伏）位置。一些單糖衍生物

5、A.磷酸糖 磷酸丙糖和5-磷酸核糖是最簡單的磷酸糖。常見的還有葡萄糖-1-磷酸和葡萄糖-6-磷酸等。B. 脫氧糖 2-脫氧-D-核糖是用于DNA合成的構(gòu)件分子。6-脫氧己糖L-巖藻糖（6-脫氧-L-半乳糖）和L-鼠李糖（6-脫氧-L-甘露糖）廣泛存在于植物、動物和微生物中，并且常出現(xiàn)在寡糖和多糖中。C. 氨基糖 氨基糖一般是由原來單糖上的羥基被氨基取代后形成的，有時氨基被乙?；?N-乙酰葡萄糖胺是同多糖幾丁質(zhì)的單體。N-乙酰神經(jīng)氨酸是許多糖蛋白的重要成分，也是稱之神經(jīng)節(jié)苷脂脂類的成分。D. 糖醇 所謂糖醇是原來單糖的羰基氧被還原生成的多羥基醇。 甘油和肌醇都是脂的重要成分，核醇是FMN和FA

6、D的成分，也是磷壁酸的成分，磷壁酸是一個復(fù)雜的聚合物，常出現(xiàn)在某些Gram-陽性細菌的細胞壁中。 E. 糖酸 糖酸是由醛糖衍生的羧酸，通過醛糖的C-1的氧化可以生成葡糖酸，或者是通過最高編號的碳的氧化產(chǎn)生葡糖醛酸F. 糖苷 單糖的半縮醛（或半縮酮）羥基可以與另一個化合物形成縮醛（或縮酮），也稱為糖苷。 連接糖與另一個化合物的化學(xué)鍵稱為糖苷鍵，該化合物可以是一個醇、一個胺、一個堿基（嘌呤或嘧啶）或另外一個糖等。 糖的異頭碳可能通過O、N、C與這些化合物連接，根據(jù)連接類型，糖苷又分為O-苷、N-苷或C-苷等。糖的還原作用單糖和大多數(shù)多糖都含有一個可反應(yīng)的羰基，容易被較弱的氧化劑（例如Fe3或Cu2

7、+）氧化。能夠使鐵離子或銅離子還原的糖稱為還原糖。如葡萄糖可使Cu2+還原為Cu1+，葡萄糖氧化為葡萄糖酸。 上面反應(yīng)也稱為Fehling反應(yīng)，是Fehling試劑（含有酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉和CuSO4）與葡萄糖的反應(yīng)，葡萄糖被氧化成葡糖酸，而Cu2+離子被還原為Cu+。 另一個用于檢測還原糖的試劑是Tollens試劑，即銀氨試劑（Ag(NH3)2）作為氧化劑。如果將銀氨試劑加入燒瓶中，當有還原糖時，Ag被還原為金屬Ag，并被沉積在燒瓶內(nèi)壁上，形成銀鏡。 寡糖 寡糖指的是由幾個單糖分子通過糖苷鍵連接形成的聚合物。二糖（麥芽糖、異麥芽糖、乳糖、纖維二糖和蔗糖）是O-糖苷鍵共價連接的兩個單糖的產(chǎn)物

8、。 一個單糖的羥基與另一個單糖的異頭碳反應(yīng)時就形成O-糖苷鍵。麥芽糖就是由一個葡萄糖的C-1（異頭碳）與另一個葡萄糖C-4形成的糖苷鍵構(gòu)成的。麥芽糖是兩個葡萄糖通過一個-糖苷鍵形成的二糖。糖苷鍵是通過一個葡萄糖的半縮醛羥基與第二個葡萄糖的C-4上的羥基反應(yīng)形成的。糖苷鍵連接的異頭碳必須是a-構(gòu)型，但第二個葡萄糖殘基可以呈現(xiàn)a或b異構(gòu)體。 異麥芽糖也是由兩個葡萄糖通過一個-糖苷鍵形成的二糖，但糖苷鍵是通過一個葡萄糖的半縮醛羥基與第二個葡萄糖的C-6上的羥基反應(yīng)形成的。纖維二糖（b-D-葡萄糖基-（1®4）-D-葡萄糖）是纖維素中的重復(fù)的二糖單位，纖維素降解可以釋放出纖維二糖。纖維二糖與

9、麥芽糖的區(qū)別就在于糖苷鍵，纖維二糖中是b糖苷鍵，而麥芽糖中是a糖苷鍵。第二個葡萄糖殘基也可以呈現(xiàn)為 a 或 b異構(gòu)體。 乳糖（b-D-半乳糖基-（1®4）-D-葡萄糖）是奶中主要的糖，乳糖只在泌乳的乳腺中合成。 由于乳糖中存在著葡萄糖半縮醛羥基的緣故，乳糖也存在著a異構(gòu)體和 b 異構(gòu)體，也是具有還原性的還原糖。乳糖不耐受性 乳糖（也稱為奶糖）是在體內(nèi)小腸中經(jīng)乳糖酶（ b-D-半乳糖酶）水解為組成它的單糖葡萄糖和半乳糖后，被吸收進入血液。半乳糖經(jīng)酶催化可以轉(zhuǎn)換為葡萄糖，葡萄糖作為能源被利用。 有些人乳糖酶水平低，當他們喝牛奶或食用含乳糖的食物后會有惡心、腹痛、腹脹、腹瀉、產(chǎn)氣增多等不良

10、反應(yīng)。這是由于乳糖經(jīng)由消化道到達結(jié)腸，結(jié)腸中細菌使乳糖發(fā)酵產(chǎn)生大量的CO2、H2和刺激性有機酸引起疼痛性消化不適，這樣的現(xiàn)象稱為乳糖不耐受性。 蔗糖（a-D-吡喃葡萄糖基-（1®2）-b-D-呋喃果糖苷），或稱為食糖，是在自然界中發(fā)現(xiàn)的最豐富的二糖，它只在植物中合成。 蔗糖與其它3種二糖的區(qū)別在糖苷鍵，蔗糖中的糖苷鍵是由兩個異頭碳連接形成的。蔗糖中的吡喃葡萄糖和呋喃果糖殘基被固定，無論那個殘基都不存在游離的半縮醛羥基。 蔗糖是個非還原糖。淀粉和糖原 淀粉和糖原是葡萄糖的同多糖。植物和真菌中貯存最多的葡萄糖同多糖稱為淀粉，而在動物中稱為糖原。 淀粉又分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉是沒

11、有分支的大約由 100 至 1000個D-葡萄糖通過a（1®4）糖苷鍵連接形成的聚合物，可以形成螺旋結(jié)構(gòu)。支鏈淀粉還含有a（1®6）糖苷鍵。 直鏈淀粉 有規(guī)律的重復(fù)單位形成的聚合物 ，a（1®4）糖苷鍵連接，形成左手螺旋結(jié)構(gòu)，每一轉(zhuǎn)含有6個葡萄糖殘基。碘分子可以填充到淀粉螺旋的內(nèi)部，復(fù)合物呈現(xiàn)藍色。 a-淀粉酶室內(nèi)且糖苷酶，隨機催化a（1®4）-D-糖苷鍵水解。b-淀粉酶室外切糖苷酶，可從植物支鏈淀粉游離的非還原端一次水解下麥芽糖。兩種酶均只作用于 a（1®4）-D-糖苷鍵。去分支酶水解a（1®6）糖苷鍵。纖維素和幾丁質(zhì) 纖維素和幾丁

12、質(zhì)是結(jié)構(gòu)同多糖。纖維素中的葡萄糖殘基是通過b（1®4）糖苷鍵連接的，而不是a（1®4）糖苷鍵。 幾丁質(zhì)是在昆蟲和甲殼綱的外骨骼中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)同多糖，也存在于大多數(shù)真菌和許多藻類的細胞壁中。幾丁質(zhì)是由b（1®4）連接的N-乙酰葡糖胺殘基（GlcNAc）組成的。每個 GlcNAc相對于毗鄰的殘基旋轉(zhuǎn)180°。相鄰鏈的GlcNAc殘基相互形成氫鍵，導(dǎo)致具有很大強度的線性微原纖維的形成。 幾丁質(zhì)常常與非多糖化合物，例如蛋白質(zhì)和無機材料緊密聯(lián)系在一起。幾丁質(zhì)的部分去乙?；梢陨擅撘阴ざ嗵牵且环N帶正電荷的無毒的聚合物。脫乙酰殼多糖可以用作處理廢水和工業(yè)廢液的吸附

13、劑，也可用作食品保存或美容的包膜。 三種復(fù)合糖：肽聚糖、糖蛋白和蛋白糖 （1 ）肽聚糖 細胞壁是包圍著整個細菌的一種相對剛性的結(jié)構(gòu)。一般來說，Gram（革蘭氏）陽性菌的細胞壁比Gram陰性菌的壁厚。 Gram陽性菌和Gram陰性菌的細胞壁的主要成分是連有一個肽的聚糖，稱為肽聚糖。 肽聚糖是由N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）和N-乙酰胞壁酸（MurNAc）交替組成的雜多糖，其中MurNAc連接著相關(guān)的肽。 MurNAc是一個9碳糖，由D-乳酸通過醚鍵連接在GlcNAc的C-3上。 金黃色葡萄球菌中肽聚糖的肽成分是一個4肽，它的氨基酸殘基序列L-Ala-D-Isoglu-L-Lys-D-Ala, 其

14、中Isoglu代表異谷氨酸，它是通過g-羧基與L-賴氨酸連接的。L-丙氨酸通過酰胺鍵與聚糖的N-乙酰胞壁酸中的乳酸基上的羧基連接。4 肽通過一個連接肽與相鄰的肽聚糖分子上的另一個4肽交聯(lián)，連接肽由 5個甘氨酸殘基構(gòu)成的。伸展的交聯(lián)肽聚糖必須將肽聚糖轉(zhuǎn)變成一個巨大的分子，并賦予細胞壁以適度的剛性。 蛋白水解酶大多對L-氨基酸具有專一性，因此肽聚糖中的D-氨基酸對蛋白酶具有抗性。 而存在于眼淚以及蛋清中的溶菌酶可以催化肽聚糖的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡糖胺之間的b（1®4）鍵的水解，使得細菌細胞壁降解，所以溶菌酶具有殺菌作用。 細菌用溶菌酶處理可以形成原生質(zhì)體（沒有了細胞壁的細菌），沒有

15、了細胞壁保護，滲透壓的微小變化都有可能引起原生質(zhì)體的破裂。青霉素 青霉素之所以殺菌是由于青霉素的結(jié)構(gòu)類似于轉(zhuǎn)肽酶的底物末端的二肽 D-Ala-D-Ala，而轉(zhuǎn)肽酶催化肽聚糖合成的最后反應(yīng)。 青霉素結(jié)合在轉(zhuǎn)肽酶的活性部位，抑制轉(zhuǎn)肽酶的活性，阻止了肽聚糖的進一步合成，所以青霉素的抗菌作用就是抑制了細菌細胞壁合成中的一步反應(yīng)。 對青霉素有抗性的細菌是由于它們中含有b-內(nèi)酰胺酶（青霉素酶），該酶可以催化青霉素的b-內(nèi)酰胺環(huán)開環(huán)，導(dǎo)致青霉素失活。編碼b-內(nèi)酰胺酶的基因一般是位于抗性細菌的質(zhì)粒中。人沒有與青霉素專一結(jié)合的酶，所以青霉素對人沒有毒性，可以用于臨床治療，但青霉素的副反應(yīng)要高度重視。三種主要類型

16、糖蛋白 肽和寡糖之間的鍵的性質(zhì)，糖蛋白分為二種主要類型： N-糖苷鍵型糖蛋白、 O-糖苷鍵型糖蛋白。 數(shù)的O-糖苷鍵型糖蛋白中，N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）殘基通過O-糖苷鍵與一個絲氨酸或蘇氨酸殘基連接形成。在大多數(shù)的O-糖苷鍵型糖蛋白中，N-乙酰半乳糖胺殘基通過O-糖苷鍵與一個絲氨酸或蘇氨酸殘基相連。在N-糖苷鍵型糖蛋白中，N-乙酰葡糖胺殘基通過N-糖苷鍵與一個天冬酰胺殘基相連。血型抗原 人們所熟悉的O、A、B和AB血型的區(qū)別在于血型抗原的不同，即與紅細胞膜蛋白連接的O-聯(lián)聚糖的不同。 A、B血型抗原中，除了具有與O型同樣的聚糖成分外，A型多出一個GalNAc（ N-乙酰半乳糖胺），而B型多一個Gal（半乳糖）。 在具有A型抗原的個體，其血液中含有抗B抗體； 而具有B型抗原的個體的血液中含有抗A抗體； 同時含有A抗原和B抗原的AB型個體的血液中，既沒有抗A抗體，也沒有抗B抗體； 但O型個體，雖然不攜帶A抗原，也不攜帶B抗原，但其血液中含有抗A抗體和抗B抗體。 因此，如果將A型血輸給B型個體，那么A型血紅細胞就會與B型個體血液中的抗A抗體發(fā)生抗原-抗體反應(yīng)，導(dǎo)致輸入的紅細胞凝集，導(dǎo)致致死性血管堵塞。 蛋白聚糖 糖胺聚糖與核心蛋白和連接蛋白相互作用形成蛋白聚糖。蛋白聚糖是結(jié)締組織（例如軟骨