讲稿-合肥学院

第一章糖和糖化学第一节单糖糖是自然界分布最广泛、含量最丰富的生物有机分子。糖包括单糖和单糖的聚合物，糖的衍生物既包括简单的代谢物又包括与糖共价连接的蛋白质和脂分子。糖可以按照所含的单体数目分类。单糖是糖结构的单体，可以用经验公式（CH2O）n表示。其中n是3或大于3（n通常为5或6，但也可达到9）。寡糖是2到大约20个单糖残基的聚合物。而多糖中单糖数目都大于20。由相同糖构成的聚合物称为同多糖，由不同糖组成的聚合物（异多糖）。通常讲的简单糖是指单糖或二糖，而复杂糖指的是多糖和结合多糖。结合多糖是糖的衍生物，包括肽多糖、蛋白多糖、糖蛋白和糖脂。一.单糖分子结构：单糖是有甜味的、水溶性的白色结晶固体。单糖至少含有3个碳原子，是多羟基的醛或酮。单糖一般分为醛糖（aldoses）和酮糖（ketoses）两类。醛糖中氧化数最高的碳原子指定为C-1，它被画在醛糖的Fischer投影式的顶部。酮糖中氧化数最高的碳原子是C-2。最小的单糖是三碳糖－甘油醛（glyceraldehyde），甘油醛是个手性分子，分子中的C-2是个不对称碳。三碳酮糖称为二羟丙酮（dihydroxyacetone），它没有不对称碳，是个非手性分子。其它所有单糖都可以看作是这两个单糖的碳链的加长，都是手性分子。长链的醛糖和酮糖都可以认为是将一个手性的H-C-OH插入到甘油醛的羰基和相邻的醇基之间的延长产物。二.单糖环式结构研究表明，D-葡萄糖存在着两种类型，每一种都含有5个（而不是通常的4个）不对称碳。这个额外的不对称碳来自分子内的环化反应，这两个新的立体异构体称为异头物（anomers）。当醇与醛反应形成半缩醛，或醇与酮反应形成半缩酮时，由羰基的非手性的sp2-杂化碳原子形成一个sp3-杂化碳原子。三.单糖构象含有sp3-杂化（四面体）碳的环结构实际上不是一个平面，例如吡喃环倾向于椅式构象或船式构象。对于每个吡喃糖，都存在着6种不同的船式构象和2种不同的椅式构象。由于在椅式构象中可以使环内原子的立体排斥减到最小，所以椅式构象比船式更稳定。四.单糖的还原性单糖和大多数多糖都含有一个可反应的羰基，容易被较弱的氧化剂（例如Fe3＋离子或Cu2+离子）氧化为羧酸，这样的糖称为还原糖（reducingsugars）（下图）。这一特性常用于糖的分析，是Fehling反应的基础。利用Fehling反应可定性测定还原糖的存在，通过测定被糖溶液还原的氧化剂的量，也可估算出糖的浓度。第二节单糖衍生物一.磷酸糖磷酸丙糖和5-磷酸核糖是最简单的磷酸糖。在葡萄糖-1-磷酸中，由于磷酸基团是连在异头碳的氧上，所以磷酸形成了一个半缩醛磷酸，而不是一个醇磷酸。由于这一化学上的差异，所以用于水解葡萄糖-1-磷酸的ΔG要比水解葡萄糖-6-磷酸的ΔG更负。二.脱氧糖下图给出了4种脱氧糖，其中有3个是H取代了原来单糖的羟基后生成的。2-脱氧-D-核糖是用于DNA合成的构件分子。6-脱氧己糖L-岩藻糖（6-脱氧-L-半乳糖）和L-鼠李糖（6-脱氧-L-甘露糖）广泛存在于植物、动物和微生物中，并且常出现在寡糖和多糖中。三.氨基糖有很多糖是由原来单糖上的羟基被氨基取代后形成的，有时氨基被乙酰化。由葡萄糖和半乳糖形成的氨基糖经常出现在结合多糖中，N-乙酰葡萄糖胺也是同多糖几丁质的单体。而N-乙酰神经氨酸是由N-乙酰甘露糖胺和丙酮酸生成的，当该化合物环化形成吡喃时，来自丙酮酸成分的羰基与C-6的羟基反应。N-乙酰神经氨酸是许多糖蛋白的重要成分，也是称之神经节苷脂脂类的成分。神经氨酸和它的衍生物，包括N-乙酰神经氨酸都叫做唾液酸。四.糖醇所谓糖醇是原来单糖的羰基氧被还原，生成的多羟基醇。下图给出了5种糖醇的结构。甘油和肌醇都是脂的重要成分；核醇是FMN和FAD的成分，也是磷壁酸的成分，磷壁酸是一个复杂的聚合物，常出现在某些Gram-阳性细菌的细胞壁中。木糖醇是木糖的衍生物，它是无糖的咀嚼胶的成分。D-山梨糖醇是发生在某些组织中的由葡萄糖转化为果糖的代谢途径中的中间产物。五.糖酸糖酸是由醛糖衍生的羧酸，葡萄糖通过醛糖的C-1的氧化可以生成葡糖酸，或者是通过最高编号的碳的氧化产生葡糖醛酸。下图给出了D-葡萄糖的衍生物－D-葡糖酸和葡糖醛酸的结构。葡糖酸以开链的形式存在于碱性溶液中，当酸化时可以形成内酯。葡糖醛酸以吡喃糖形式存在，因此含有异头碳原子。糖酸是许多多糖的重要成分。第三节二糖单糖聚合物中的一级结构键称为糖苷键（glycosidicbond）。糖苷键是由糖分子的异头碳与醇、胺或巯基缩合形成的缩醛键。含有糖苷键的化合物称为糖苷（glycosides）。麦芽糖是由一个-糖苷键连接起来的两个D-葡萄糖构成的。糖苷键连接着一个残基的C-1与第二个残基的C-4上的氧。所以麦芽糖的命名是-D-吡喃葡糖酰-（1－4）-D-葡萄糖。纤维二糖（-D-葡萄糖基-（1－4）-D-葡萄糖）是葡萄糖的另一个二聚体。纤维二糖与麦芽糖的区别就在于糖苷键，纤维二糖中是糖苷键，而麦芽糖中是糖苷键。乳糖（-D-半乳糖酰-（1－4）-D-葡萄糖）是奶中主要的糖，它是纤维二糖的差向异构体。蔗糖（-D-吡喃葡糖酰-（1－2）--D-呋喃果糖苷），或称为食糖，是自然界中最丰富的二糖，它只在植物中合成。蔗糖与其它3种二糖的区别在糖苷键，蔗糖中的糖苷键是由两个异头碳连接形成的。蔗糖中的吡喃葡萄糖和呋喃果糖残基被固定，无论那个残基都不能自由地处于和异构体之间的平衡中。第四节多糖一.淀粉和糖原淀粉是植物和真菌中贮存最多的葡萄糖同多糖。在植物细胞中，淀粉以直链淀粉和支链淀粉的混合物形式贮存于直径3～100μm的颗粒中。直链淀粉没有分支，大约由100至1000个D-葡萄糖通过（1→4）糖苷键连接形成（下图a）。支链淀粉是直链淀粉上又带有分支的淀粉（下图b）。支链淀粉中除含有（1→4）糖苷键外，还含有分支点处的（1→6）糖苷键。平均每隔25个葡萄糖残基就出现一个分支，分支也称之侧链，大约含有15到25个葡萄糖残基，某些侧链本身还含有分支。饮食中的淀粉在胃肠道被-淀粉酶（-amylose）和去分支酶（debranchingenzyme）催化降解。动物和植物都含有-淀粉酶，而-淀粉酶存在于某些高等植物的种子和块茎中。两种淀粉酶都只作用于（1→4）-D-糖苷键。下图给出了和-淀粉酶作用于淀粉的部位。糖原是在动物和细菌中贮存的葡萄糖同多糖。糖原也是带有分支的葡萄糖残基的聚合物。与支链淀粉相同，糖原也含有（1→6）糖苷键，但分支出现的频率非常高，而且侧链含有的葡萄糖残基较少。二.纤维素植物细胞壁含有高百分比的结构同多糖纤维素，纤维素大约占生物圈中的有机物质的50％以上。不象贮存多糖那样位于细胞内，纤维素和其它结构多糖是由细胞内合成然后分泌出来的细胞外分子。象直链淀粉那样，纤维素是一个葡萄糖残基的线性同多糖，但纤维素中的葡萄糖残基是通过（1－4）糖苷键连接的，而不是（1-4）糖苷键（下图）。棉花纤维几乎都是纤维素，而木材纤维有一半是纤维素。纤维素分子大小变化很大，范围从300到15000个葡萄糖残基。三.几丁质几丁质（chitin）是在昆虫和甲壳纲的外骨骼中发现的结构同多糖，也存在于大多数真菌和许多藻类的细胞壁中。几丁质是一个线性的聚合物，是由（1-4）连接的N-乙酰葡萄糖胺残基（acetylglucosamine,GlcNAc）组成的（如下图）。相邻链的GlcNAc残基相互形成氢键，形成具有很大强度的线性微原纤维。第五节杂多糖一.肽聚糖肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分，是由连有小肽的聚糖成分组成的。聚糖成分由交替的N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine,GlcNAc）和N-乙酰胞壁酸（N-acetymuramicacid,MurNAc）通过（1－4）键连接形成的聚糖链。溶菌酶的功能是抗菌，它催化肽聚糖的MurNAc和GlcNAc之间的（1-4）键的水解，使得细菌细胞壁降解。二.糖蛋白糖蛋白是连有糖链的蛋白质，血浆蛋白质、膜蛋白、某些酶和一些激素都属于糖蛋白。糖蛋白中的糖链的长度变化很大，由1到30个糖残基组成，这些糖链有时决定了糖蛋白的结构和生物学作用。糖蛋白分为三种主要类型：O-糖苷键型糖蛋白（O-linkedglycoproteins）、N-糖苷键型糖蛋白（N-linkedglycoproteins）（下图）和连有磷脂酰肌醇-聚糖的糖蛋白（phosphatidylinositol-glycan-linkedglycoproteins）（如右图）。细胞膜和血浆中都发现有O-和N-糖苷键型的糖蛋白，而连有磷脂酰肌醇-聚糖的糖蛋白主要出现在质膜的外表面。三.蛋白聚糖蛋白聚糖（下图）是由糖胺聚糖和特殊的核心蛋白和连接蛋白相互作用形成的。蛋白聚糖是细胞外基质中的重要成分。软骨中的蛋白聚糖聚集体中含有透明质酸（hyaluronicacid）、硫酸角质素（keratansulfate）、硫酸软骨素（chondroitinsulfate）、连接蛋白（linkprotein）、核心蛋白（cornprotein）和大量的寡糖链。从电子显微镜拍摄的照片看，软骨蛋白聚糖的形状象羽毛或是实验室中的瓶刷子。中心的透明质酸链穿过聚集体，带有糖胺聚糖的核心蛋白粘附在透明质酸链的侧面，象是透明质酸链长出的支链。透明质酸是通过非共价键（主要静电相互作用）与核心蛋白相互作用，这些相互作用又被大量的连接蛋白与透明质酸和核心蛋白的相互作用（也主要是静电作用）所稳定。每个核心蛋白大约共价结合100个分子的硫酸软骨素。第二章脂和生物膜第一节脂结构、功能的多样性脂常被定义为不溶于水的（或微溶的）有机化合物。有些脂是疏水性分子（非极性的），有些脂是两性分子（同时含有非极性和极性基团）。脂结构、功能的多样性最简单的脂是脂肪酸，脂肪酸是通式为R-COOH的单羧酸。下图给出了主要类型的脂以及它们彼此之间的关系。含有磷酸基团的脂都归类于磷脂；含有鞘氨醇和糖成分的脂称之鞘糖脂，而由异戊二烯衍生出来的脂称之聚异戊二烯化合物，或称之类异戊二烯。萜指的是所有异戊二烯化合物，但通常被限制在植物中存在的化合物。两性脂（包括甘油磷脂和鞘磷脂）是所有生物膜的重要结构成分。在某些生物中，脂肪和油是作为细胞内用于代谢产能的贮存分子。脂肪可以使动物保温。蜡作为细胞壁、外骨骼和皮肤的成分给生物体提供一个保护表面的屏障。动物中固醇类激素可以调节许多代谢过程，前列腺素被用于调节血压、体温和平滑肌的收缩。神经节苷脂和其它的鞘糖脂都位于细胞表面，可能参与细胞的识别。第二节脂肪酸在微生物、植物和动物的脂中大约存在着100多种不同的脂肪酸。哺乳动物中常见的一些脂肪酸列在第一节列表中。大多数脂肪酸都有一个处于4.5～5.0范围内的pK值，所以它们在生理pH下可以离子化。根据IUPAC的标准命名，羧基碳被指定为C-1而其余的碳依次编号。但在通常的命名中，常使用希腊字母标记碳原子，与羧基毗邻的碳（IUPAC标准命名中的C-2）被指定为α碳，其余的碳依次用β、γ、δ、ε等字母表示。希腊字母ω常用于特指离羧基最远的碳原子，无论烃链有多长，实际上就是代表脂肪酸的末端碳（右图）。脂肪酸烃链的长度和不饱和度对脂肪酸的熔点影响很大。随着烃链长度的增加，饱和脂肪酸的熔点也随之增高。这是由于当烃链增加时，相邻烃链之间的VanderWaals相互作用也增强，所以融解时就需要更多的能量去破坏VanderWaals相互作用。从硬脂酸（18：0）、油酸（18：1）和亚麻酸（18：3）的结构可以看出，硬脂酸的饱和烃链是柔性的链，而含有双键的油酸和亚麻酸的烃链却表现出明显的弯曲形状，这是因为围绕双键的旋转受到阻碍。这种弯曲妨碍了紧密接触和有序结晶的形成，因此减少了烃链内的VanderWaals相互作用，所以cis不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸的熔点低。当脂肪酸的不饱和度增加时，脂变得更液体化。第三节三脂酰甘油脂肪酸可以作为代谢中的重要的燃料分子，脂肪酸氧化获得的能量（～37kj/g-1）比蛋白质或糖氧化产生的能量（