复旦生物化学课件13-糖与糖生物化学1

糖和糖生物化学CarbohydratesandGlycobiochemistryCarbohydrates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CO2和H2O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粘附。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、StructuralandBiologicalActive.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Ganodermalucidumpolysaccharide、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[CH2O]n；–1870年,Colley、1883年,Tollens设想葡萄糖的结构式[直链多羟基醛]；–1881年,EmilFischer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,W.N.Haworth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；–1950年，R.E.Reeves证明己糖的椅式构象；–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•Majorelement:C、H、O。•Minorelement:N、S、Petal.•单糖分子多符合通式：[CH2O]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CH3COOH[乙酸]，CH2O[甲醛]，C3H6O3[乳酸]；•是糖的不一定都符合通式，如C5H10O4[脱氧核糖]，C6H12O5[鼠李糖]。ClassificationI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糖--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糖--酮糖阿洛酮糖果糖山梨糖塔格糖ClassificationII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]。ClassificationIII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]。ClassificationIV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[Polysaccharidescomplex]糖与脂、蛋白等共价相连组成：•蛋白多糖[Proteinpolysaccharides]；•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）。ChemicalStructureofGlucose•ElementComposition：C、H、O.C：40%、H：6.7%、O：53.3%;•ExperimentalFormula：[CH2O];冰点降低及沸点升高法测得分子量为180•MolecularFormula：[CH2O]6，即C6H12O6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HNO3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α-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ConfigurationofSugarI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。ConfigurationofSugarII单糖的构型以甘油醛为参照标准，甘油醛C2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[Enantiomers]，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C2和C4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[OpticalRotation]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H2SO3漂白的品红转呈红色；2．不能与NaHSO3起加成反应；葡萄糖的环状结构II3．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，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OHOHHOHOHOCH2OHOOHHHOHOHOCH2OHOHHOHOHOHOCH2OHOHOHHOHOHOCH2OH-D-glucose-D-glucoseMechanismofMutarotation变旋现象（Mutarotation）醛糖的C1或酮糖的C2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[]D20=+112，平衡时为+52.7。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D-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。D-fructose果糖成环时，可由C5上的羟基与C2的羰基形成呋喃式环，也可由C6上的羟基与羰基形成吡喃式环。两种氧环式都有α和β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。椅式船式环己烷的构象吡喃糖的构象axialequatorial-D-吡喃葡萄糖的构象葡萄糖的构象式OHHHCH2OHOHOHOHHHOHOHHHCH2OHOHOHOHHHOH-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖OHHHHHOHOHHOHOCH2OHOH?H?H?H?HOHOHHOHOCH2OHOH?H?H?H?H?CH2OHOHOHOHHOOHH?H?H?H?CH2OHOHOHOHHO稳定性:（1）（3）（4）（2）(1)(2)(3)(4)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C2，成环时由C2上的-C=O与C6或C5上的-OH缩合而成。•半乳糖与葡萄糖的差异仅在C4上的-OH构型不同