生物化學原理——糖

1、 糖 糖分為單糖、寡糖和多糖。 單糖，從化學結構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。如果糖鏈共價結合一個肽鏈、蛋白質或脂，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。羥基左側為L型，右側為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個立體異構體醛可與醇先形成半縮醛，形成的半縮醛再結合一個醇可以形成縮醛。同樣，酮也可以經(jīng)兩步反應形成縮酮。 從葡萄糖Fisher投影式看，葡萄糖是個醛，與醇應當可發(fā)生縮醛反應，但卻只能與一分子

3、醇反應。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)反應形成環(huán)狀結構的衍生物，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體（分別稱為異頭物和異頭物）。a-構型中OH位于異頭碳右側，b -構型中OH位于異頭碳左側。環(huán)化的醛糖或酮糖可以呈現(xiàn)兩種異頭構型中的一種，即a-或b-構型。a-構型和b-構型之間的轉換就是變旋現(xiàn)象。在溶液中，有能力形成環(huán)結構的醛糖和酮糖，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)結構，環(huán)結構中的一員是氧。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)傾向于椅式構象或船式構象。由于在椅式構象中可以使環(huán)內(nèi)原子的立體排斥減到最小，所以椅式構象比船式更穩(wěn)定。在椅式構象中，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象中，環(huán)中取代基-CH2OH處于赤道（平伏）位置的是主要構象。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。 上面反應也稱為Fehling反應，是Fehling試劑（含有酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉和CuSO4）與葡萄糖的反應，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上的羥基反應形成的。糖苷鍵連接的異頭碳必須是a-構型，但第二個葡萄糖殘基可以呈現(xiàn)a或b異構體。 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異構體和 b 異構體，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。這是由于乳糖經(jīng)由消化道到達結腸，結腸中細菌使乳糖發(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，可以形成螺旋結構。支鏈淀粉還含有a（1®6）糖苷鍵。 直鏈淀粉 有規(guī)律的重復單位形成的聚合物 ，a（1®4）糖苷鍵連接，形成左手螺旋結構，每一轉含有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 纖維素和幾丁

12、質是結構同多糖。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。 幾丁質是在昆蟲和甲殼綱的外骨骼中發(fā)現(xiàn)的結構同多糖，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180°。相鄰鏈的GlcNAc殘基相互形成氫鍵，導致具有很大強度的線性微原纖維的形成。 幾丁質常常與非多糖化合物，例如蛋白質和無機材料緊密聯(lián)系在一起。幾丁質的部分去乙?；梢陨擅撘阴ざ嗵?，是一種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構。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個甘氨酸殘基構成的。伸展的交聯(lián)肽聚糖必須將肽聚糖轉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體的破裂。青霉素 青霉素之所以殺菌是由于青霉素的結構類似于轉肽酶的底物末端的二肽 D-Ala-D-Ala，而轉肽酶催化肽聚糖合成的最后反應。 青霉素結合在轉肽酶的活性部位，抑制轉肽酶的活性，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。 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粒中。人沒有與青霉素專一結合的酶，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，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，導致輸入的紅細胞凝集，導致致死性血管堵塞。 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。蛋白聚糖是結締組織（例如軟骨