第3章-糖化学生物学

第3章本章内容1.概述2.糖的结构和分类3.糖的合成4.糖和蛋白质的相互作用5.糖的序列分析和糖组学6.糖的生物应用3.1概述糖又称碳水化合物，是多羟基醛、酮或其缩合物，自然界存在最多的一类有机化合物。如葡萄糖、蔗糖及淀粉等均属于此类化合物.C、H、O三种元素通式表示组成糖C6(H2O)6光合作用呼吸作用6CO2+6H2OC6H12O6+O2植物的光合作用动植物的呼吸作用糖仅仅是能量存储物质吗？输血17世纪80年代的英国，有位医生曾经给一个生命垂危的年轻人输羊血，奇迹般的挽救了他的生命。19世纪80年代，北美的一位医生给一位濒临死亡的产妇输人血，产妇起死回生。糖蛋白肽链的骨架上连接着一些糖的侧链，糖链是特异性决定簇。3.1.1糖生物学糖能量物质1891年德国化学Fischer阐明了糖的结构构型英国化学Haworth糖的环状结构构象糖生物化学基础的奠定1950年Luis发现糖核苷二磷酸的作用生物体内糖缀合物的合成需要糖苷酸为供体维持生命活动所需能量的重要来源。糖还有许多其它生理作用,如构成植物的支撑组织、作为肌体中其它有机物的合成原料等。细胞识别和信号转导。作用糖化学糖生物学生物化学糖生物学以寡糖和糖缀合物为研究对象，以糖化学、免疫学及分子生物学为手段，研究寡糖链作为生物信息分子在多细胞、高层次生命中的功能的学科。寡糖特点结构功能复杂。寡糖蛋白质分离后才可进行研究。功能只有在特定的缀合物中才能表现。糖基转移酶糖结构l糖基转移酶的专一性l一种酶一种糖苷键主要研究内容3.1.2糖生物学的意义糖作为信息分子和调分子在生物体的各项生命活动及病理机制中的作用。后基因组糖蛋白质核酸糖类分子20世纪的两大发现血型和配型输血青霉素疾病与细胞表面糖结构流感病毒与宿主表面糖链结合感染受精表面糖链识别糖的作用受精增殖分化神经系统和免疫系统稳态维持炎症病理学分子生物学免疫学神经生物学糖生物学3.2糖的结构和分类糖类单糖多糖糖复合物糖蛋白(glycoprotein)蛋白聚糖(proteoglycan)糖脂(glycolipids)1)单糖：不能水解的多羟基醛、酮，如葡萄糖、果糖等；2)低聚糖：一分子的低聚糖可以水解为几分子的单糖(2~10)，故低聚糖是由几个单糖缩合成的物质，如蔗糖、麦芽糖等；3)多糖：一分子多糖可以水解为数千个单糖，是由许多单糖形成的聚合物(10个以上的单糖),如淀粉、纤维素等。根据能否水解和水解后生成的物质分三类3.2.1单糖天然单糖：D-型结构：环状、链状常见：葡萄糖、果糖、半乳糖，衍生物包括核糖和脱氧核糖。单糖结构和表示方法：依据所含的羰基可分为醛糖和酮糖二类。天然的单糖以含四、五及六个碳原子的糖最为普遍。CHOCHOHCHOHCH2OHCH2OHCCHOHCH2OHOCHOCHOHCHOHCHOHCH2OHCH2OHCCHOHCHOHCH2OHOCHOCHOHCHOHCHOHCHOHCH2OHCH2OHCCHOHCHOHCHOHCH2OHO1.单糖的结构、构型和构象1)结构(1)写法:写单糖结构时,一般将羰基写在上端,碳链的编号从醛基或靠近酮基的一端开始。CHOCHOHCHOHCHOHCHOHCH2OHCH2OHCCHOHCHOHCHOHCH2OHO123456123456己醛糖己酮糖123456(2)结构的确定:以葡萄糖为例A.元素分析实验式为CH2O,分子量测定后得知分子式为C6H12O6;B.葡萄糖能起银镜反应、与HCN加成，表明C=O基的存在；2)构型(1)相对构型由单糖的构造式可知,分子中有手性碳原子，故有旋光异构体。最初人们是通过甘油醛的构型来确定其相对构型的.CHOCH2OHOHHCHOCH2OHHHOD-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛由L-甘油醛可以导出另一系列的单糖，称为L-系列.单糖中,以D-葡萄糖和D-果糖最为重要。CHOOHHHOHOHHOHHCH2OHCHOHHOHOHHHOHHOCH2OHCH2OHOHOHOHHOHHCH2OHD-葡萄糖L-葡萄糖D-果糖(2)构型的表示方法CHOOHHHOHOHHOHHCH2OHCHOOHHHOHOHHOHHCH2OHCHOCH2OHD-系列D-(-)-赤藓糖D-(-)-苏阿糖核糖树胶糖木糖异木糖3)单糖的环状结构NMR测定证明结晶态的单糖以环状结构存在的。D-葡萄糖环化C1异头碳HHHOHHOHHOCH2HOHOHOHHOHHHOHHOCH2HOHOHOa-D-葡萄糖b-D-葡萄糖4)单糖的构象2.成脎反应单糖与过量的苯肼作用，生成脎。CHOCHOHCHOHCH2OHn1)C6H5NHNH22)-H2OCHCHOHCHOHCH2OHNNHC6H5n腙1)C6H5NHNH22)-H2OCHCCHOHCH2OHNNHC6H5NNHC6H5n脎CH2OHCCHOHCH2OHOn1)C6H5NHNH22)-H2OCH2OHCCHOHCH2OHNNHC6H5n1)C6H5NHNH22)-H2OCHCCHOHCH2OHNNHC6H5NNHC6H5n1)这是a-羟基醛酮的典型反应，苯肼在此为氧化剂.2)无论醛、酮糖，反应均发生在C1和C2上，其它原子不参与反应。3.2.2二糖级寡糖糖苷键(glycosidicbond)一个环状单糖半缩醛（或半缩酮）羟基与另一个分子的羟基、胺基或巯基之间缩合形成的缩醛键或缩酮键。常见的糖苷键O-糖苷键N-糖苷键寡糖2-10个糖苷键聚合而成的化合物。寡糖构象测试方法：X射线晶体学（XRD）核磁共振（NMR）3.2.3多糖动植物细胞膜、微生物细胞壁的大分子同聚多糖细菌多糖蛋白聚糖（1）同聚多糖淀粉：麦芽糖构成的链状结构。糖原动物体内纤维素:葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而形成的葡聚糖，是植物细胞壁的主要成分。生物燃料纤维素乙醇蛋白聚糖是一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白形成的大分子糖复合物化合物。糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节滑液、粘液、眼玻璃体等组织。（2）蛋白聚糖蛋白聚糖的结构组成核心蛋白糖胺聚糖糖胺糖醛酸葡萄糖胺半乳糖胺葡萄糖醛酸艾杜糖醛酸核心蛋白均含有结合糖胺聚糖的结构域核心蛋白（coreprotein）为与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。核心蛋白均含有相应的糖胺聚糖取代结构域，一些蛋白聚糖通过这一结构锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中。透明质酸连接蛋白核心蛋白硫酸角质素硫酸软骨素糖蛋白亚基骨骺软骨蛋白聚糖聚合物蛋白聚糖聚合物透明质酸（玻尿酸）起到保持细胞水分；保护细胞不受病原菌的侵害；加快恢复皮肤组织，提高创口愈合再生能力，减少疤痕；增强免疫力等作用；拥有强大的吸水能力和保湿功能增强皮肤长时间的保水能力化妆品行业蛋白聚糖是细胞间基质重要成分在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白以特殊方式连接，构成基质的特殊结构。这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。抗凝血（肝素）参与细胞识别结合与分化（细胞表面的硫酸素）维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等1.构成细胞外基质2.其它功能血栓栓塞性疾病心肌梗死、心血管手术聚糖作为信息分子作用特异的聚糖结构被细胞用来编码若干重要信息，诸如糖蛋白的胞内定向转运、细胞与细胞的相互作用、组织与器官发育以及细胞外信号转导等。3.2.4糖缀合物与糖基化单糖、寡糖或多糖与蛋白质和脂质连接形成糖缀合物。包括糖蛋白和糖脂。聚糖糖蛋白和糖脂中糖的部分糖缀合物合成的场所：内质网和高尔基体研究聚糖的种类通过N原子与蛋白质连接的聚糖通过O原子与蛋白质连接的聚糖与脂质连接的聚糖一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋白质。蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性。分布细胞膜、溶酶体、细胞外液3.2.4.1糖蛋白葡萄糖(Glu)半乳糖(Gal)甘露糖(Man)N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)岩藻糖(Fuc)N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)N-乙酰神经氨酸(NeuAc)（一）糖蛋白聚糖分为N-连接和O-连接型两种一、糖蛋白糖链的结构聚糖中单糖的种类：糖蛋白糖链的N-连接型和O-连接型连接方式N-连接：O-连接：（二）N-连接糖基化糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天氡酰胺氮以共价键连接称N-连接糖蛋白。N-连接糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三个氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。有共同多肽链但携带不同聚糖的糖蛋白分子称为糖型。（三）N-连接聚糖可分为3型①高甘露糖型②复杂性③杂合型都有一个五糖核心ManManManGlcNAcGlcNAcAsnN-连接糖基化步骤①脂连接前体寡糖的形成②寡糖整体转移到多肽③寡糖的加工再加工场所：内质网高尔基体（四）O-连接糖基化糖蛋白糖链与蛋白部分的丝/苏氨酸残基的羟基相连，称为O-连接糖蛋白。O-连接寡糖有N-乙酰半乳糖与半乳糖构成核心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再接上岩藻糖、N-乙酰葡萄糖胺等单糖。O-连接寡糖结构场所：高尔基体O-连接寡糖在N-乙酰半乳糖基转移酶的作用下，在多肽链的丝/苏氨酸的羟基上连接上N-乙酰半乳糖胺，然后逐个加上糖基直至O-连接寡糖链的形成。O-连接寡糖合成Ser/ThrGalNAc二、糖蛋白分子中聚糖的功能保护糖蛋白不受蛋白酶的水解，延长其半衰期；蛋白质的聚糖也可起屏障作用，影响糖蛋白的作用；聚糖还可以避免蛋白质中抗原决定簇被免疫系统识别而产生抗体。（一）聚糖可影响糖蛋白生物活性（二）糖蛋白聚糖加工可参与新生肽链折叠参与新生肽链的折叠并维持蛋白质的正确的空间构象；（三）糖蛋白聚糖可参与维系亚基聚合具有功能的糖蛋白的二聚体，往往依靠糖-蛋白或糖-糖相互作用维系亚基的聚合和构象。（四）聚糖对蛋白质在细胞内的投送和分泌中的作用有些蛋白质的投送信号存在于肽链内，但有些是与其糖链有关。（五）糖蛋白聚糖具有分子间的识别作用聚糖中单糖分子连接的多样性是聚糖起到分子识别作用的基础。受体与配体识别和结合也需聚糖的参与。细胞表面糖复合物的聚糖还能介导细胞-细胞的结合。糖基甘油脂糖鞘脂：糖链、脂肪酸和神经鞘氨醇的长链碱基3部分组成。3.2.4.2糖脂真核细胞膜的组分生长、发育、分化衰老、凋亡信号转导神经鞘氨醇最新一代保湿剂水溶性脂质物质，它和构成皮肤角质层的物质结构相近，能很快渗透进皮肤，和角质层中的水结合，形成一种网状结构，锁住水分。神经系统绝缘轴突中髓鞘质25%糖合成影响发育、神经缺陷化学全合成糖鞘脂的关键方式神经鞘氨醇与糖基直接相连神经鞘氨醇与糖相连，后用脂肪酸进行N酰基化神经鞘氨醇偶联寡糖3.3糖的合成糖基连接方式12141316α-构型、β-构型结构复杂3.3.1糖的保护基—OH、—NH2、—C=O数量庞大满足的条件：①便宜、稳定、无毒，引入条件适合；②反应过程中稳定；③脱除高效且条件条件温和；④脱除后，易与产物分离。保护基的正交性同时存在多种保护基时，脱除一种不对其他产生影响。羟基和氨基的保护基种类？脱除条件有哪些？3.3.2寡糖的液相合成1.线性合成：逐步接长缺点：用于分子量小的寡糖合成，步骤多、工作量大、风险高。2.收敛式合成先合成小的寡糖片段，以收敛式组装完成合成。优点：寡糖片段天然存在；成本低，单糖片段后期引入；步骤少。适用于分子量较大的寡糖合成3.双向合成4.“一锅法”多步反应可以从相对简单易的的原料出发，不经中间体的分离，在一个反应器中完成，直接获得产物。3.3.3寡糖的固相合成多个羟基，如何选择，与树脂相连？端基羟基连接到树脂上影响因素保护基的电子效应，脱保护条件；形成糖苷键的区域和立体选择性；溶剂效应、糖基供体的影响固相载体不溶性可溶性：聚乙二醇（MPEG）均相进行，不需过量反应试剂糖基化试剂路易斯酸、亲硫试剂……连接臂决定保护基和偶联条件目前仍无通用的方法，问题多多3.3.4酶促寡糖合成优点：高立体和区域选择性酶类糖苷酶糖基合成酶糖基转移酶（1）糖基转移酶非尿苷酰转移酶尿苷酰转移酶糖基供体的差异合成过程一个单糖基转移到另一个糖基受体合成的关键尿苷酰转移酶经核苷酸活化的单糖获得对应的糖基核苷酸来源少（2）糖苷酶