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1、第二章 糖 和 苷,糖 saccharide,sugar(-ose);碳水化合物 carbohydrate苷 glycoside(-oside);苷元 aglycone,genin通式:Cm(H2O)n;含有多个羟基的醛或酮植物光合作用的产物天然成分的初始原料分布广泛,结构多样药物的重要来源生物信息的载体;细胞间的识别,1.Carbohydrate and proteins were long viewed quite differently.Proteins were considered particularly important.However,corresponding proper
2、ties of carbohydrates were not established;they were assumed to have only structural,protective,and energy-storing functions.2.The large number of biological polymers in which carbohydrate and proteins are chemically linked to each other by a covalent bond(glycoproteins 糖蛋白)were not recognized until
3、 the beginning of the 1950s.,Introduction:,3.The covalently linked glycoconjugates(糖缀合物)of carbohydrate and proteins,lipids(glycolipids 糖脂)or phospholipids(glycophospholipids 糖磷脂)are ubiquitous and occur,for example,as components of cell membranes.4.The biological information in these substances is
4、carried mainly by the carbohydrate part-(glycobiology 糖生物学).Protein-bound carbohydrate have been identified as ligands that are involved in cell-cell interactions and are recognition sites for viruses and bacteria.,Isomeric possibilities for peptide,nucleic acid and saccharide,a35deoxyribo-or ribonu
5、cleic acid.bhexopyranoses(Glu,Gal,Man,),胞质溶胶,糖苷化合物的临床应用,1.植物:天然黄酮苷、三萜皂苷、甾体皂苷、强心苷、多糖,2.动物:肝素,3.微生物:核苷类抗病毒药:齐多夫定(AZT),拉米夫定 氨基糖苷类抗生素:链霉素、卡那霉素 大环内酯类抗生素:红霉素、罗红霉素 糖肽类抗生素:万可霉素、博莱霉素 蒽醌类抗生素:多柔比星 表柔比星(毒性降低25%),糖链结构对母体分子的生理活性起重要甚至关键作用,脱氧野尻霉素(deoxynojirimycin,DNJ),米格列醇(miglitol)a-葡萄糖苷酶抑制剂治疗型糖尿病,阿卡波糖(acarbose)a-
6、葡萄糖苷酶抑制剂治疗型糖尿病,Valienamine,4.氮杂糖,第一节 单糖的立体化学,1.单糖结构的表示方法-Fischer,Haworth投影式2.糖的环合-呋喃糖和吡喃糖3.D-和L-型糖4.异头碳的立体化学-确定糖苷键的构型5.糖的构象,异头碳,端基碳(anomeric carbon)差向异构体(epimer)端基差向异构体(anomer),chair conformation 优势构象式,Haworth projection,Mills projection,Fischer projection,Zig-zag projection(锯齿),1,2,3,4,5,6,单糖结构的表示方
7、法,D-glucose,a-D-glucose,b-D-glucose,异头碳,葡萄糖:椅式的、六元的、多羟基取代的含氧环,1)糖链上下排列，取代基左右排列；2)羰基一侧在上；3)上下排列的基团一律在面后，左右排列的基团一律在面上。将形成的半缩醛的Fischer投影式向右倾倒90度就得Haworth投影式，右侧基团在环下，左侧基团在环上。,Fischer式和Haworth式的关系,碳链卷曲,C4-C5旋转90,D-Glc,b-D-Glcf,a-D-Glcf,b-D-Glcp,a-D-Glcp,5,4,呋喃糖和吡喃糖,4,5,在溶液中达到平衡,结晶化 98以下,结晶化 98以上,糖的变旋,变旋现
8、象-一种构型的糖，其旋光度在溶液中会改变，最终达到一恒定值的现象。其化学本质是-一种环状结构可通过开链结构转化为另一种环状结构。,aD=+52.7,差向异构体,阿洛糖,阿卓糖,赤鲜糖,4,5,古洛糖,艾杜糖,塔罗糖,苏糖,4,5,a-L-鼠李糖,b-L-鼠李糖,从Haworth式判断醛糖的构型,五碳吡喃型糖:C4-OH在面下则为D型糖五碳呋喃型糖:C4-R在面上为D型糖六碳吡喃型糖:C5-R在面上为D型糖,磷酸氟达拉宾9-b-D-阿拉伯糖基-2-氟腺嘌呤,糖的构型(configuration),从Fischer式判断糖的构型:最后一个手性中心上的OH在右侧为D型糖,在左侧为L型糖。,4,异头碳
9、的立体化学,b 为相对构型，-D型 与 b-L型；-L型 与 b-D型 C1绝对构型相同 首先判断糖的构型,然后确定端基碳(异头碳)的构型,chair,boat,Skew扭曲式,half chair 半椅式,信封式(envelope),糖的构象(conformation),吡喃糖各构象的稳定性:椅式扭曲式船式,Glucose Conformation,第二节 糖与苷的分类,一.单糖类,（一）五碳醛糖(aldoses),L-阿拉伯糖,D-来苏糖,D-木糖,D-核糖,L-Ara,D-Lyx,D-Xyl,D-Rib,（三）六碳酮糖(ketoses),（二）六碳醛糖,D-葡萄糖,D-甘露糖,D-半乳糖
10、,D-阿洛糖,D-Glc,D-Man,D-Gal,D-All,D-果糖,D-Fru,L-山梨糖,D-Sor,（四）甲基五碳醛糖,（五）支碳链糖,L-夫糖,L-鼠李糖,D-鸡纳糖,L-Fuc,L-Rha,D-Gui,D-芹糖,D-金缕梅糖,L-链霉糖,D-Api,D-Ham,L-Str,（六）氨基糖,2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖,2-氨基-2-去氧-D-半乳糖,2-甲氨基-2-去氧-L-葡萄糖,D-glucosamine,D-galactosamine,N-乙酰神经胺酸,N-acetyl-neuraminic acid,（七）去氧糖,（八）糖醛酸,红霉糖,碳霉糖,L-cadinose,L-my
11、carose,D-葡萄糖醛酸,D-半乳糖醛酸,D-GlcA,D-GalA,D-2-脱氧核糖,D-deoxyribose,（九）糖醇,（十）环醇,L-卫茅醇,L-evonymitol,D-山梨醇,D-sorbitol,D-甘露醇,D-mannitol,环己六醇（肌醇）,inositol,甘油糖,三碳醛糖,四碳醛糖,赤藓糖,苏阿糖,核糖,阿拉伯糖,木糖,来苏糖,阿洛糖,阿卓糖,葡萄糖,甘露糖,古洛糖,艾杜糖,半乳糖,太洛糖,五碳醛糖,六碳醛糖,低聚糖类(oligosaccharide),由2-9个单糖基通过苷键键合而成的直糖链或支糖链的聚糖称低聚糖 糖链的表示法,双糖,三糖,四糖,五糖,蔗糖,棉子
12、糖,水苏糖,毛蕊糖,多聚糖类,（一）植物多糖,1.淀粉（starch),糖淀粉（amylose)：,胶淀粉（amylopectin)：,a14连接的D-葡萄糖吡喃聚糖,溶于热水成透明溶液,聚合度：300 350,遇碘显蓝色,a14+a15连接的D-葡萄糖吡喃聚糖,遇热水成粘胶状,聚合度：3000(支链25）,遇碘显紫红色,均多糖：,杂多糖：,由一种单糖组成的多糖,由二种以上单糖组成的多糖,2.纤维素（cellulose),b14连接的D-葡萄糖吡喃聚糖,聚合度：3000 5000,不易被酸碱水解,3.果聚糖（fructans),D-果糖-b14-D-葡萄糖聚糖,聚合度：35,4.半纤维素（he
13、micellulose),杂多糖,5.树胶（gum),杂多糖,6.粘液质（mucilage),杂多糖,（二）动物多糖,1.糖原（glycogan),2.甲壳素（chitin),3.肝素（heparin),4.硫酸软骨素（chondrotin sulfate),5.透明质酸（hyaluronic acid),（三）其它,a-Cyclodextrina-环糊精,植保素,ABO血型:人类的主要血型,血 型,红血球表面,血清中,A型,B型,O型,A抗原,B抗原,H抗原(A，B抗原的前体),抗B抗体,抗A抗体,抗A,抗B抗体,A抗原,B抗原,H抗原,四.苷 类,Glycoside-糖或糖的衍生物如氨基糖
14、，糖醛酸等的端基碳上的羟基与另一非糖物质(苷元aglycone或配基genin)的羟基、氨基和巯基缩合失水形成的化合物称为苷(甙)。Glycosidic bond-糖残基和糖配基所连接的键。分为-glycosidic bond和b-glycosidic bond，它决定糖的构型。,糖和苷的物理化学性质比较,根据在生物体内存在的形式分为原生苷和次生苷。根据糖基的个数分为单糖苷，双糖苷，三糖苷等。根据糖链的数目分为单糖链苷，双糖链苷等。根据苷元分为黄酮苷，香豆素苷，蒽醌苷等。根据生理活性分为强心苷等。根据具有的特殊性质分为皂苷等。根据苷键原子分为氧苷，硫苷，氮苷，碳苷等。,苷的种类,（一）氧苷(O
15、-苷),1.醇苷,红景天苷,毛茛苷,2.酚苷,天麻苷,秦皮素,氰苷,一类a-羟腈的苷,除-羟氰苷外还有g-羟氰苷和氧化偶氮基类，这类氰苷在酸、酶作用下不产生HCN。,酯苷（酰苷）,R=Glc(12)Glc(12)Glc,R=Glc(12)Glc,瓜子金皂苷乙：,瓜子金皂苷丁：,28,吲哚苷,靛苷,靛蓝,（二）硫苷（S-苷）,（三）氮苷,萝卜苷,腺苷,鸟苷,（四）碳苷-稳定,牡荆素,芦荟素,氧化反应-CHO 的氧化反应-银镜反应(Tollen reaction)Fehling reagent 邻二羟基的氧化反应-过碘酸反应还原反应成脎反应糠醛形成反应羟基的反应-醚化,酰化,缩醛(酮)化差向异构化
16、糖苷化反应,第三节 糖的化学性质,-CHO 的氧化反应 银镜反应(Tollen reaction)Ag+Ag Fehling reaction Cu2+Cu2O,还原糖，邻二酚羟基，邻三酚羟基(+)。水解前(-)，水解后(+)低聚糖，多糖，苷。,一.氧化反应,结 构,鉴定糖的还原性。血液和尿液中glucose的含量测定。,应 用,过碘酸反应,过碘酸反应的特点：,+,过碘酸反应用于糖的鉴定：,四醋酸铅反应：,作用更强、选择性更高,二.还原反应,还原剂:H2/Ni(工业)NaBH4(实验室),三.成脎(osazone)反应,应用:,分离提纯(晶形好,易提纯)鉴别糖的类型(特定的熔点)研究糖的构型(
17、C-2差向异构体及互变异构体形成相同的脎),四.糠醛形成反应应用：糖和苷的显色,五碳糖,甲基五碳糖,六碳糖,六碳糖醛酸,R=H,R=CH3,R=CH2OH,R=COOH,糠醛,5-甲基糠醛,5-羟甲基糠醛,5-羧基糠醛,糠醛可与许多酚、芳胺以及具有活性次甲基的化合物缩合，形成有色物质。糖的许多显色剂就是根据这一原理制备的。常用的酸有硫酸，磷酸，三氯醋酸，草酸等。酚和胺有苯酚，间苯二酚，萘酚，苯胺，二苯胺，氨基酚，蒽酮等。,反应特点:（1）单糖，低聚糖，多糖，苷均可反应，与Tollen,Fellin反应不同。（2）糖不同生成糠醛衍生物的难易就不同,缩合产物的颜色就不同，可以用于糖的种类的鉴别。（
18、3）邻苯二甲酸-苯胺，PC、TLC显色剂，最低检出量0.05g，可定量比色。D-葡萄糖（醛糖）灰绿色 D-果糖（酮糖）深红色 L-鼠李糖（甲基五碳糖）浅绿色 D-核糖（五碳糖）蓝色 苯胺-二苯胺磷酸试剂，喷雾，85 烤10分钟。,五.羟基反应 活性:端羟基伯羟基仲羟基,（一）醚化反应,Haworth法：,Purdic法：,箱守法：,硅醚化：TBDMS,TBDPS,TES三苯甲基醚：Tr,（二）酰化反应,试剂:Ac2O 催化剂:醋酸钠,氯化锌,吡啶.RT 即可全乙酰化，选择性不大,可用作保护剂，检查是否有邻二醇羟基，对酸稳定，对碱不稳定，可与缩醛缩酮互补。,Cl-CO-Cl+C-OH C-O 环
19、状酯(光气)C-OH C-O,C=O,（三）缩酮和缩醛化反应,（四）硼酸的络合反应,+,H3BO3,硼酸在水溶液中是平面三叉体(不稳定)，故是弱酸。但与1,2或1,3二羟基形成络合物后硼原子具有四面体结构，使酸度增加，导电度增加。因此可以进行酸碱中和滴定，用于离子交换法分离、薄层、电泳分离鉴定等。邻二酚羟基 呋喃环顺二羟基 吡喃1,3 a,a二羟基 多元醇 吡喃a,e二羟基,六.差向异构化,差向异构体(epimer):多手性中心的旋光异构体中,那些只有一个手性中心的构型相反的异构体。差向异构化(epimerization)：使多手性中心的分子其中一个手性碳的构型发生转化（碱性）,烯醇,七.糖苷
20、化反应（glycosidation）,糖苷化反应机理：,Anomeric effect(异头碳效应),Thermodynamically controlled More stable,Dipole-dipole interaction(环氧与苷键氧原子偶极-偶极作用),Repulsion of lone electron pairs(孤对电子间的相互排斥),Kinetically controlled Rapid formation,按水解程度可分为全水解和部分水解；按所用方法可分为均相水解和双相水解(可保护苷元)；按所用催化剂可分为酸解，甲醇解，醋解，碱解，酶 解，过碘酸裂解。,第四节 苷键
21、的裂解,苷键为缩醛结构，对酸、碱、酶比较敏感。,探索苷元与糖、糖与糖的连接方式以及苷键的构型,一.酸催化水解,H,水解的难易程度规律：,1.N-苷 O-苷 S-苷 C-苷,N原子为酰胺或在嘧啶环上时，则很难水解。,酚苷（烯醇苷）醇苷,苷键原子：,糖：,2,6-二去氧糖2-去氧糖6-去氧糖糖苷2-氨基糖 2,6二去氧糖用0.02 0.05 N HCl就可水解,糖：,呋喃糖苷 吡喃糖苷,酮糖苷 醛糖苷,吡喃糖苷中C5-R越大越难水解 五碳糖 甲基五碳糖 六碳糖 七碳糖 糖醛酸,苷元：,苷元为小基团:苷键 e(易于质子化)a;苷元为大基团:a(体积大)e,水解的方法：,溶 剂：,催化剂：,水液或稀醇
22、,稀盐酸、稀硫酸、乙酸、甲酸,操作方法：,一般法,密封法,双相法,仙客来皂苷元A,仙客来皂苷元 D,乙酰解反应,常用试剂：醋酐+酸 所用酸如：H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸（ZnCl2、BF3）等。反应条件：一般是在室温放置数天。反应机理：与酸催化水解相似，以CH3CO+(乙酰基，Ac）为进攻 基团。,AcO-+Ac+,+,b-苷键葡萄糖双糖的乙酰解易难程度:(16)(1 4)(1 5)(1 2),乙酰解反应易发 生糖的端基异构化。,Holotoxin A的乙酰解,Holotoxin A,乙酰解可以断开一部分苷键而保留另一部分 苷键。,用途,酰化可以保护苷元上的-OH，使
23、苷元增加亲脂 性，可用于提纯和鉴定。,碱催化水解和b-消除反应,酯苷 酚苷 烯醇苷-吸电子基取代的苷,一般苷键对稀碱是稳定的，但某些特殊的苷易为碱水解.,如：,4-羟基香豆素苷,水杨苷,海韭菜苷,蜀藜苷,C1-OH与C2-OH：反式易水解，其产物为1,6-葡萄糖酐；顺式产物为正常的糖。利用水解产物可判断苷键构型,苯酚-葡萄糖苷,1,6-葡萄糖酐,在13或14连接的聚糖中，还原端的游离醛（或酮）邻位氢活化而与3-O-或4-O-苷键起消除反应。这样碱能使多糖还原端的单糖逐个被剥落，对非还原端则无影响。剥落生成的是-羟基糖酸。,-消除反应：,苷键的-位有吸电子基团者，使-位氢活化，在碱液中与苷键起消
24、除反应而开裂，称-消除反应。,作用机理：,+,Dulcoside A,+,1 3 连结聚糖,3-脱氧-D-核己糖酸,3-脱氧-D-阿拉伯糖酸,1 3 连结聚糖,3-脱氧糖酸,1 4 连结聚糖,3-脱氧-2-羟甲基糖酸,用途：可从多糖剥落反应生成的糖酸中了解还原糖的取代方式。,四.酶催化水解反应,酶催化水解的特点：,1.条件温和,2.专属性高,常见的酶：,转化糖酶,b-D-Fru,麦芽糖酶,a-D-Glc,纤维素酶,b-D-Glc,杏仁苷酶,b-六碳醛糖苷键,+,穿心莲内酯19-b-D-葡萄糖苷,穿心莲内酯,五.过碘酸裂解反应（Smith降解法）,+,+,ROH,人参皂苷Rb1,第五节 糖的核磁
25、共振性质,一.糖的1H-NMR性质,糖与苷的结构研究中需要解决的问题：,1.糖的种类,2.糖的氧环大小,3.糖的端基碳的构型,4.糖的连接位置,5.糖的连接顺序,化学位移：,端基质子,d 4.3 6.0,糖环质子,d 3.2 4.2,d 1.0 ppm,五碳糖甲基质子,d 1.33(d,3H,J 6.4 Hz,H-6),d 4.64(d,1H,J 1.6 Hz,H-1),H,O,H,C,3,H,O,O,R,1,8,0,0,H,O,H,C,3,O,R,O,H,6,0,0,O,H,H,C,3,H,O,O,R,6,0,0,J1,2：,二面角1800,二面角600,6 8 Hz,2 4 Hz,优势构象
26、为4C1式,甘露糖，鼠李糖，呋喃型糖无法用J1,2值判断苷键构型。,用1H-NMR判断糖苷键构型:可通过H-1与H-2的偶合常数来判断苷键的构型,用1H-NMR能够判断一些糖苷键构型，但还有一些糖由于其结构上的原因，而无法利用1H-NMR来判断相对构型。如：,再如：,端基碳：d 95-105 ppm b-D、-L:103106;-D、b-L:97101 可用于判断苷键构型，但规律性不强；酰苷,叔醇苷,个别酚苷 98；端基碳的个数可判断连有几个糖 CH2OH 62，C6 唯一仲碳，最高场；DEPT(CH2)CHOH 68-85，糖环碳C2、C3和C4 CH3 18,甲基五碳糖,有几个信号表示有几
27、个甲基五碳糖 呋喃糖 d 吡喃糖 d b-D呋喃果糖C4 75.4；b-D吡喃果糖C4 70.5,二.糖的13C-NMR性质（一）化学位移,(二)13C-NMR在糖链结构测定中的应用 端基碳97106 ppm 一般在13C-NMR谱中：,d 17.9(C-6),d 99.0(C-1),b-紫罗兰酮的DEPT 谱,吡喃型糖:优势构象为C1式 b-D、-L:C1-H 为 a 键,JC1-H1=160-165 Hz,-D、b-L:C1-H 为 e 键,JC1-H1=170-175 Hz，在确定苷键构型时,鼠李糖优势构象为1C式，故与此相反,（二）偶合常数 JC1-H1,（二）苷化位移,苷化位移(g1
28、ycosylation shift):糖的端基羟基当有烷基或酰基取代以后，端基碳(C1)和苷元的a-C的化学位移均向低场(d值增大)移动，而相邻的碳(b-C)稍向高场(d值减小)移动，偶而也有稍向低场移动，对其余碳的影响不大。,1.伯醇苷 C-1位与糖的甲苷比向高场位移1.2(-1.2)ppm C位与没成苷的苷元比向低场位移8(+8)ppm C位与没成苷的苷元比向高场位移4(-4)ppm,104.4-1.1,105.5,72.1 23.7+7.3-3.3,64.8 27.0,2.环醇苷,a 碳：,同五异十其余七,b 碳：,同小异大,第六节 糖链的结构测定,1.纯度测定,2.分子量测定,3.单糖
29、的鉴定,4.糖连接位置的测定,5.糖连接顺序的测定,6.苷键构型及氧环的确定,一.结构测定,一、糖链结构的测定 1.纯度测定,多糖:官能团分析法(-COOH，-NH2，-SO3H，-CHO)的摩尔比恒定；比旋度法(比旋度恒定)；水解法(糖组成恒定)；色谱法。苷:理化常数(熔点，熔距，晶形等)；TLC,2.分子量测定 多糖:沉降法;光散射法;粘度法;渗透压法;质谱法:电喷雾质谱(ESI-MS)、基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)苷:FD-MS、FI-MS、FAB-MS,低聚糖、多糖的结构分析，首先要了解由哪些单糖所组成，各种单糖之间的比例如何。一般是将苷键全水解，用PC
30、检出单糖的种类，经显色后用薄层扫描仪求得各种糖的分子比。纸色谱(PC):溶剂系统:正丁醇:醋酸:水(BAW)=6:4:3 显色剂:邻苯二甲酸-苯胺 也可用GLC或HPLC对单糖定性定量。GLC常以甘露醇或肌醇为内标，用已知单糖作标准。,3.单糖的鉴定,4单糖之间的连接位置 将糖链全甲基化水解甲基化单糖的定性和定量(气相层析)判断依据:甲基化单糖中游离-OH的部位就是连接位置 糖环羟基全甲基化的单糖为末端糖 13C-NMR测定：主要归属各碳信号，以确定产生苷化位移的碳-连接的位点。,5糖链连接顺序 缓和水解法：将糖链水解成较小的片段，然后分析这些低聚糖的连接顺序。质谱分析。6苷键的构型 分子旋光
31、差（Klyne法）酶催化水解方法 1H-NMR判断糖苷键的相对构型 其它,二.结构测定实例:皂角苷A的结构测定,1.HR-FAB-MS,1831.7649 M-H-,2.13C-NMR,DEPT,碳总数，碳的种类,3.计算分子式,C82H128O45,4.1H,13C-NMR,糖端基信号单糖数9,6.碱水解,三糖苷双糖链苷,5.水解，TLC,GC分析,单糖种类，比例,六糖链酯苷,苷元(已知物)的结构,测定方法或手段,结 论,8.2D-NMR,糖连接顺序,9.偶合常数JH1-H2以及JC1-H1,苷键构型,10.化学位移,糖的氧环结构,7.ESIMS-MS,部分糖连接顺序,测定方法或手段,结 论,第七节 提取分离,1.提取,2.多糖的分离 1)季铵盐沉淀法 2)分解沉淀或分级溶解法 3)层析法:离子交换色谱,凝胶柱色谱,3.实例:商陆多糖的提取,单糖,低聚糖及其苷类:水,稀醇/水,醇多糖:热水,稀KOH,稀HOAc,材料 醇浸膏 不溶物 水液 亲脂性杂质,MeOH(EtOH)热提,热水反复溶解,Et2O萃取,系统溶剂提取法,Et2O萃取液 水液(苷元,部分单糖苷)EtOAc液(单糖苷,双糖苷),(如叶绿素,树脂物),EtOAc萃取,n-BuOH萃取,n-BuOH液(双糖苷,三糖苷),水液(水溶性杂质),水液,
