楊建雄生物化學(xué)課件糖生物化學(xué)1

第1章糖類一、引言

(一)糖類的存在與來源碳水化合物是地球上最豐富的有機(jī)化合物，每年全球植物和藻類光合作用可轉(zhuǎn)換1000億噸CO2和H2O成為纖維素和其他植物產(chǎn)物。植物體85~

90%的干重是糖類?？偟恼f來，糖類在生物體內(nèi)所起的作用包括：能量物質(zhì)、結(jié)構(gòu)物質(zhì)和活性物質(zhì)。（二）糖類的生物學(xué)作用綠色植物的皮、桿等的多糖（纖維素、半纖維素和果膠物質(zhì)等）；昆蟲、蟹、蝦等外骨骼糖（幾丁質(zhì)）；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）；細(xì)菌細(xì)胞壁糖稱作結(jié)構(gòu)多糖；糧食及塊根、塊莖中的多糖（淀粉）；動物體內(nèi)的貯藏多糖（糖元）是重要的能源物質(zhì)；糖蛋白（蛋白聚糖）中的糖；細(xì)胞膜及其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的糖如血型糖；活性糖分子是重要的信息分子；醫(yī)療用糖（葡萄糖及其衍生物，如葡萄糖酸的鈉、鉀、鈣、鋅鹽等）；食用菌中的糖（香菇多糖、茯苓多糖、靈芝多糖、昆布多糖等）可以作為藥物使用；糖類是重要的中間代謝物，可以轉(zhuǎn)化為氨基酸、核苷酸和脂類。

糖類主要由C、H、O三種元素組成，有些還有N、S、P等。

單糖多符合結(jié)構(gòu)通式：（CH2O）n，但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）。糖類可以定義為：多羥基醛；多羥基酮；多羥基醛或多羥基酮的衍生物；可以水解為多羥基醛或多羥基酮或它們的衍生物的物質(zhì)。（三）糖類的元素組成和化學(xué)本質(zhì)（四）糖的命名與分類

單糖（monosaccharides）不能水解為其他糖的糖，按碳原子數(shù)分為：丙糖（甘油醛）；丁糖（赤蘚糖）；戊糖（木酮糖、核酮糖、核糖、脫氧核糖等）；己糖（葡萄糖、果糖、半乳糖等）等。

寡糖（oligosaccharides）可以水解為幾個(gè)至十幾個(gè)單糖的糖，一般包括：二糖（disaccharides）：蔗糖、麥芽糖、乳糖；三糖：（trisaccharides）棉籽糖和其他寡糖。

多糖（polysaccharides）可水解為多個(gè)單糖或其衍生物的糖，包括：同多糖（homoglycans,homopolysaccharides）水解為同一單糖的高分子聚合物，包括淀粉、糖元、纖維素、幾丁質(zhì)、糖苷等。異多糖（heteroglycans,heteropolysaccharides）水解產(chǎn)物不止一種單糖或單糖衍生物，包括透明質(zhì)酸、肝素、硫酸軟骨素、硫酸皮膚素等。

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，D-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（glycanproteins）、糖脂（glycanlipids）等。（三）糖類研究的簡史1843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；1881年，EmilFischer分析了單糖的結(jié)構(gòu)，人工合成了當(dāng)時(shí)已知的所有的己糖和戊糖；1846年，Dubrunfont提出葡萄糖溶液有變旋現(xiàn)象；1893年，F(xiàn)ischer正式提出葡萄糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)；1895年，Tanret發(fā)現(xiàn)三種葡萄糖，其旋光性不同；1926年，W．N．Haworth提出葡萄糖的Haworth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，F(xiàn)leury和Lange把這一方法完善化用于糖化學(xué)的研究；1933年，N．A．S

aeuson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，把生物化學(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)展或興起了糖化學(xué)或糖生物化學(xué)的研究時(shí)代，特別是糖復(fù)合物的研究上發(fā)起了生命科學(xué)研究的又一個(gè)熱點(diǎn)。二、旋光異構(gòu)（一）有關(guān)旋光異構(gòu)的幾個(gè)概念

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，是因?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）。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。表明一個(gè)物質(zhì)應(yīng)注明其特定的構(gòu)型。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，在投影式中與其相連的-OH在右邊的為右旋（D型）、在左邊的為左旋（L型），D型和L型互為立體異構(gòu)體，是一對對映體（entipode），具有對映體的結(jié)構(gòu)又稱手性結(jié)構(gòu)。單糖的構(gòu)型由于手性碳往往不止一個(gè)，因而規(guī)定：離羰基最遠(yuǎn)的不對稱C上的-OH方向判定糖的構(gòu)型，在右邊的為D型、在左邊的為L型。

糖的構(gòu)型與旋光性之間不一定相對應(yīng)，即D型不一定代表右旋、L型也不一定代表左旋，因?yàn)閮烧叩囊?guī)定不同。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。Threewaystorepresentthetwostereoisomersofglyceraldehyde.Thestereoisomersaremirrorimagesofeachother.Balland-stickmodelsshowtheactualconfigurationofmolecules.Byconvention,inFischerprojectionformulas,horizontalbondsprojectoutoftheplaneofthepaper,towardthereader;verticalbondsprojectbehindtheplaneofthepaper,awayfromthereader.（二）Fischer投影式三、單糖的結(jié)構(gòu)(一)單糖的鏈狀結(jié)構(gòu)單糖鏈狀結(jié)構(gòu)的的證據(jù):1.葡萄糖可與Fehling試劑或其他醛試劑反應(yīng)

醛基

2.葡萄糖與乙酸酐結(jié)合，產(chǎn)生有5個(gè)乙酰基的衍生物

5個(gè)羥基存在

3.葡萄糖與鈉汞齊（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，glocitol），后者是一個(gè)6C構(gòu)成的直鏈醇。證明葡萄糖的結(jié)構(gòu)是六個(gè)碳連成的直鏈分子。(二)D系單糖和L系單糖ThestructureandstereochemicalrelationshipsofD-aldoseshavingthreetosixcarbons.Theconfigurationineachcaseisdeterminedbythehighestnumberedasymmetriccarbon(showningray).Ineachrow,the“new”asymmetriccarbonisshowninred.阿羅酮糖山梨糖塔格糖ThestructureandstereochemicalrelationshipsofD-ketoseshavingthreetosixcarbons.Theconfigurationineachcaseisdeterminedbythehighestnumberedasymmetriccarbon(showningray).Ineachrow,the“new”asymmetriccarbonisshowninred.(三)單糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)

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，即不表現(xiàn)出典型的醛類特性，如：

1．Schiff化反應(yīng)不靈敏，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)

3．

葡萄糖水溶液有變旋現(xiàn)象醛糖的C1或酮糖的C2能產(chǎn)生

-和

-一對差向異構(gòu)體，在水溶液中很快互相轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌衔铮慈芙膺^程會發(fā)生旋光度的改變，即為變旋現(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%、而醛式直鏈的比例極低，因此對Schiff反應(yīng)不靈敏，但某些依賴于醛式分子的反應(yīng)，如加成、氧化等則可通過平衡移動完成。另外：葡萄糖與醛不一樣，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基存在。Formationofhemiacetalsandhemiketals.Analdehydeorketonecanreactwithanalcoholina1:1ratiotoyieldahemiacetalorhemiketal,respectively,creatinganewchiralcenteratthecarbonylcarbon.Substitutionofasecondalcoholmoleculeproducesanacetalorketal.Whenthesecondalcoholispartofanothersugarmolecule,thebondproducedisaglycosidicbond.葡萄糖的成環(huán)FormationofthetwocyclicformsofD-glucose.ReactionbetweenthealdehydegroupatC-1andthehydroxylgroupatC-5formsahemiacetallinkage,producingeitheroftwostereoisomers,theα

andβ

anomers,whichdifferonlyinthestereochemistryaroundthehemiacetalcarbon.Theinterconversionofandanomersiscalledmutarotation.Pyranosesandfuranoses.ThepyranoseformsofD-glucoseandthefuranoseformsofD-fructoseareshownhereasHaworthperspectiveformulas.Theedgesoftheringnearestthereaderarerepresentedbyboldlines.HydroxylgroupsbelowtheplaneoftheringintheseHaworthperspectiveswouldappearattherightsideofaFischerprojection.Pyranandfuranareshownforcomparison.D-Glucosecancyclizeintwoways,formingeitherfuranoseorpyranosestructures.D-Riboseandotherfive-carbonsaccharidescanformeitherfuranoseorpyranosestructures.(四)單糖的構(gòu)象

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。Conformationalformulasofpyranoses.(a)Twochairformsofthepyranosering.Substituentsontheringcarbonsmaybeeitheraxial(ax),projectingparalleltotheverticalaxisthroughthering,orequatorial(eq),projectingroughlyperpendiculartothisaxis.Twoconformerssucharethesearenotreadilyinterconvertiblewithoutbreakingthering.However,whenthemoleculeis“stretched”(byatomicforcemicroscopy),aninputofabout46kJofenergypermoleofsugarcanforcetheinterconversionofchairforms.Generally,substituentsintheequatorialpositionsarelessstericallyhinderedbyneighboringsubstituents,andconformerswithbulkysubstituentsinequatorialpositionsarefavored.Anotherconformation,the“boat”(notshown),isseenonlyinderivativeswithverybulkysubstituents.(b)Achairconformationofα-D-glucopyranose.四、單糖的性質(zhì)（一）單糖的物理性質(zhì)一切糖類都有不對稱C，都具旋光性,旋光用于單糖的鑒定；各種糖甜度不一，甜度與單糖的使用價(jià)值有關(guān)；溶解度與單糖的制備有關(guān)。多羥基增加了單糖的溶解度，熱水中溶解度更大。糖類不溶于乙醚、丙酮等有機(jī)溶劑。（二）單糖的化學(xué)性質(zhì)單糖的化學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在多羥基醛、或多羥基酮的化學(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)；也有醛基或羰基的反應(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)。1.在弱堿溶液中可進(jìn)行酮-稀醇互變2.Fehling試劑或Bennedict試劑使醛糖的醛基氧化成羧基，二價(jià)銅被還原成黃紅色的一價(jià)銅，可用于糖的定性定量。葡萄糖氧化為葡萄糖酸Sugarsasreducingagents.(a)OxidationoftheanomericcarbonofglucoseandothersugarsisthebasisforFehling’sreaction.Thecuprousion(Cu+)producedunderalkalineconditionsformsaredcuprousoxideprecipitate.Inthehemiacetal(ring)form,C-1ofglucosecannotbeoxidizedbyCu2+.However,theopen-chainformisinequilibriumwiththeringform,andeventuallytheoxidationreactiongoestocompletion.ThereactionwithCu2+isnotassimpleastheequationhereimplies;inadditiontoD-gluconate,anumberofshorter-chainacidsareproducedbythefragmentationofglucose.(b)BloodglucoseconcentrationiscommonlydeterminedbymeasuringtheamountofH2O2producedinthereactioncatalyzedbyglucoseoxidase.Inthereactionmixture,asecondenzyme,peroxidase,catalyzesreactionoftheH2O2withacolorlesscompoundtoproduceacoloredcompound,theamountofwhichisthenmeasuredspectrophotometrically.3.葡萄糖可在葡萄糖氧化酶的作用下生成糖醛酸，這一反應(yīng)在代謝中有重要作用。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CuSO4）氧化，生成葡萄糖酸等各種氧化產(chǎn)物，蘭色的Cu（OH）2被還原為磚紅色的Cu2O。最常用的堿性CuSO4溶液為Benedict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)。這一方法簡單，但特異性差。如改用對葡萄糖特異性的葡萄糖氧化酶、過氧化物酶及無色還原劑染料檢測葡萄糖，則特異性和準(zhǔn)確度明顯提高。4.強(qiáng)氧化劑如熱硝酸可將醛糖氧化成醛糖二酸，這一反應(yīng)可用于推定糖的構(gòu)型。一定條件下，葡萄糖C1上的-CHO氧化形成葡萄糖酸(gluconicacid)。C6上的-OH氧化形成葡萄糖醛酸(glucuronate)。二者均被氧化形成葡萄糖二酸(glucaricacid)。糖酸都有較強(qiáng)的酸性，能成鹽并形成

或

內(nèi)酯。5.醛糖或酮糖可被硼氫化鈉還原成糖醇，可用于化工生產(chǎn)；葡萄糖C1上的-CHO可被還原為-OH而成糖醇—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（用于治療腦水腫的滲透性利尿劑）核糖

核醇（VitB2的組成成分）6.酯化反應(yīng):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。7.脎（Osazone）的形成:醛糖的醛基可與苯肼反應(yīng)生成苯腙（phenylhydrazone），過量的苯肼可進(jìn)一步作用生成脎（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。8.在堿性條件下，糖的所有羥基可被酰氯或酸酐酯化，可用于糖的結(jié)構(gòu)鑒定。9.糖的甲基化反應(yīng)可用于糖的結(jié)構(gòu)分析。10.糖的半縮醛或半縮酮羥基與另一化合物生成的縮醛或縮酮稱為糖苷，糖苷的種類繁多，有一些有生理活性。11.單糖的脫水:戊糖與鹽酸共熱脫水生成糠醛，己糖則生成羥甲基糠醛，羥甲基糠醛與間苯二酚生成紅色縮合物，糠醛與間苯二酚生成朱紅色物質(zhì)，糠醛與甲基間苯二酚生成藍(lán)綠色物質(zhì)，糖類物質(zhì)脫水與蒽酮生成藍(lán)綠色物質(zhì)，這些反應(yīng)可用于糖的定性和定量測定。12.糖的高碘酸氧化:高碘酸及其鹽可以定量地氧化斷裂鄰二羥基、α-羥基醛等的碳-碳鍵，生成相應(yīng)的羰基化合物，順式鄰二羥基化合物比反式的氧化速度快，高碘酸的消耗量或甲酸的生成量可確定糖苷是呋喃型還是吡喃型，還可測定多糖的聚合度和分支數(shù)目。13.單糖鏈的延長和縮短:醛糖的醛可與HCN反應(yīng)生成氰醇腈基，再轉(zhuǎn)化為兩種亞胺，最后形成多一個(gè)碳原子的醛糖（兩種手性糖的混合物）。這一反應(yīng)的逆反應(yīng)可縮短糖連。五、重要的單糖和單糖衍生物

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