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1、糖和糖生物化学,Carbohydrates and Glycobiochemistry,Carbohydrates,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黏附。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、S
2、tructural and Biological Active.,Words Related to“Sugar”,Sweet（糖果）Sugar（糖、食糖）Carbohydrate（碳水化合物，糖）Saccharide（糖类）,可为mono-、oligo-、poly-修饰。Glycose（单糖、葡萄糖、葡糖）Glucose(葡萄糖）-ose(.糖）,Fructose,GalactoseOligosaccharide（寡糖）Polysaccharide(多糖）Glycan多糖、（多）聚糖Glycogen(糖原、糖元）、Glyco-或Glycan-（糖）Glycoside,Glycolipid,Gl
3、ycoprotein,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Ganoderma lucidum polysaccharide、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
4、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CH2On；1870年,Colley、1883年,Tollens设想葡萄糖的结构式直链多羟基醛；1881年,Emil Fischer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
5、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
6、为多羟基醛、多羟基酮或它们的衍生物的物质。,Composition,Major element:C、H、O。Minor element:N、S、P et al.单糖分子多符合通式：CH2On，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。,Classification I,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,xylulos
7、e、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-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-酮糖,阿洛酮糖,果糖,山梨糖,塔格糖,Classification II,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。,Classificatio
8、n III,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。,Classification IV,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Polysaccharides complex糖与脂、蛋白等共价相连
9、组成：蛋白多糖Protein polysaccharides；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）。,Chemical Structure of Glucose,Element
10、Composition：C、H、O.C：40%、H：6.7%、O：53.3%;Experimental Formula：CH2O;冰点降低及沸点升高法测得分子量为180Molecular Formula：CH2O6，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
11、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-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,Configuration of Sugar I,构型是指一个分子由
12、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。,Configuration of Sugar II,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antipode，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
13、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Optical Rotation,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
14、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 II,3葡萄糖的水溶液
15、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，不生成缩醛（acetals），仅生成半缩醛（semiacetals），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,Mechanism of Mutarotation,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
16、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。,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。,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。两种氧环式都有和两种构型，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
17、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。,吡喃糖的构象,axial,equatorial,-D-吡喃葡萄糖的构象,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，成环方式与葡萄糖的一致，两者为差向异构体。,三、四、五、六碳糖-醛糖,六碳-醛糖,阿洛糖,阿卓糖,古洛糖,艾杜糖,塔罗糖,六碳-酮糖,阿洛酮糖,果糖,山梨糖,塔格糖,葡萄糖家族,氨基糖,脱氧糖,酸性糖,单糖的主要化学性质,单糖的化学性质主要体
18、现在多羟基醛及多羟基酮的化学结构特征上，具有一切羟基及多羟基的反应，如氧化、酯化、缩醛反应；也由醛基或羰基的反应；同时还有基团间相互影响而产生的一些特殊的反应。,Oxidative Reaction,一定条件下（视氧化剂强弱），葡萄糖C1上的-醛基及C6上的甲羟基可被氧化，形成葡萄糖酸(gluconic acid)、葡萄糖醛酸(glucuronic acid)及葡萄糖二酸(glucaric acid)，都有较强的酸性，能成盐并形成或内酯。,葡萄糖为溴水氧化,可区别酮糖和醛糖,葡萄糖为硝酸氧化,电解氧化（制备糖酸）,高碘酸氧化,还原糖和非还原糖,凡是对斐林试剂(Fehlings reagent)
19、、土伦试剂(Tollens reagent)及班尼迪特试剂(Benedict reagent)呈阳性反应的糖被称为还原糖，呈阴性反应的糖为非还原糖。斐林试剂（硫酸酮和碱性酒石酸钾钠）土伦试剂（硝酸银的氨水溶液）班尼迪特试剂（柠檬酸、硫酸铜、碳酸钠配制成）,葡萄糖被Fehling或Tollens试剂氧化,Fehling reagentTollens reagentBenedict reagent,葡萄糖为葡萄糖氧化酶氧化,血糖Blood sugar的测定,葡萄糖含有醛基，具还原性，能被弱氧化剂（如碱性Cu2+）氧化，生成葡萄糖酸，兰色Cu2+溶液被还原为砖红色的Cu2O。最常用的为Benedic
20、t 试剂（班氏试剂、检糖试剂），正常人尿液用班氏试剂检测为阴性，当血糖浓度高于160-180 mg/dL时为阳性反应。特异性差。,葡萄糖,果糖,醛糖和酮糖都可以与Benedict试剂反应,血糖Blood sugar的测定,Benedict试剂对所有还原糖都有反应，用于检测血糖不精确。目前多采用对葡萄糖特异性的葡萄糖氧化酶法、佐以过氧化物酶及无色还原剂染料检测血糖，既特异又准确。,葡萄糖氧化酶专一性氧化D-葡萄糖生成葡萄糖酸，同时生成的过氧化氢与染料分子（苯甲胺）作用显色。,生成的颜色深浅与被氧化的葡萄糖的量成正比,Reductive reaction,葡萄糖C1上的-CHO可被还原为-OH而生
21、成山梨醇Sorbitol，山梨醇聚积在糖尿病患者的晶状体可引起白内障。甘露糖甘露醇用于治疗脑水肿引起的渗透性利尿剂 核糖核醇Vit B2的组成成分,甘露糖的还原反应,果糖的还原反应,甘露糖醇,葡萄糖醇,H,OH,Esterification,单糖分子中的-OH，特别是异头碳上的半缩醛羟基能与磷酸、硫酸、乙酸酐等脱水生成酯。,酯化反应,葡萄糖的磷酸酯,-D-吡喃葡萄糖-1-磷酸酯-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯,代谢过程中的磷酸酯,成苷（Glycosidation）,单糖环状结构中的半缩醛羟基比其他羟基活泼，可与其他分子的-OH（或活性H原子）反应，缩去一分子水而成糖苷（又称甙或配糖体）。由葡萄糖衍
22、生的糖苷叫葡萄糖苷，失水时形成的键叫糖苷键。苷似醚但不是醚，它比一般的醚键易形成，也易水解。糖苷无变旋现象，无还原糖的反应。,半缩醛羟基和一般羟基 I,1、酸催化下，只有糖的半缩醛羟基能与另一分子醇反应形成醚键。但用威廉森反应可使糖上所有的羟基（包括半缩醛的羟基）形成醚。最常用的甲基化试剂是：（1）30%NaOH+(CH3)2SO4（2）Ag2O+CH3I,半缩醛羟基和一般羟基 II,2、糖苷从结构上看是缩醛，在碱性条件下是稳定的，但可用温和的酸性条件水解，生成糖和配基。而普通的醚键在温和的酸性条件下是稳定的，只有在强的HX作用下才分解。3、酶也能促使糖苷水解，而且是立体专一的（例如，从酵母中
23、分离得到的-D-葡萄糖苷酶只能水解-D-吡喃葡萄糖苷，而从杏仁中得到的-D-葡萄糖苷酶只水解-D-葡萄糖苷。,脎（Osazone）的形成（苯肼反应，phentlhydrazine reaction）,醛糖的醛基可与苯肼反应生成苯腙（phenylhydrazone），过量的苯肼进一步与苯腙反应生成脎（osazone），每个脎分子中含2分子苯肼，第三个苯肼被转化为苯胺和氨。脎的溶解度小，易成结晶，不同糖脎晶体形状不同、熔点不同，可作为糖的定性鉴定。,一分子含半缩醛羟基的糖和三分子苯肼反应，在糖的1,2-位形成二苯腙（称为脎）的反应称为成脎反应。,葡萄糖成脎和果糖成脎,生成糖脎的反应是发生在C1和C
24、2上，不涉及其他的碳原子，所以，如果仅在第二碳上构型不同而其他碳原子构型相同的差向异构体，必然生成同一个脎。例如，D-葡萄糖、D-甘露糖、D-果糖的C3、C4、C5的构型都相同，因此它们生成同一个糖脎。,成脎反应的应用,1.用以鉴别各种糖，不同的糖脎结晶形状不同，熔点不同，形成的速度也不同。糖脎都是黄色晶体。2.用于研究糖的构型，葡萄糖、甘露糖、果糖具有相同的糖脎，这说明这三个糖除第一和第二个碳原子构型不同外，其它碳原子的构型完全相同。3.可以将葡萄糖转变成果糖。,糖的递增反应-克里安尼氰化增碳法,糖的递降反应,差向异构化,糖酸的差向异构化,糖酸在类似的条件下也能发生差向异构化,糖复合物中的单
25、糖,主要有：D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖和D-木糖。D-Glc：一般不存在于糖蛋白及蛋白聚糖中，绝大多数糖脂中存在。D-Gal：乳汁中与Glc形成乳糖、糖蛋白、糖脂、硫酸角质素类糖胺聚糖、与L-Gal以糖苷键连成琼脂糖（agrose）大分子。D-Man：主要以甘露聚糖形式存在于植物中。D-Xyl：蛋白多糖、糖胺聚糖、植物糖蛋白。,糖复合物中的单糖衍生物 I,甲基糖类，是6-脱氧己糖，亲脂性增强。L-fucose存在于大多糖蛋白的糖链、分子量较大的糖脂及血型抗原中，不存在于糖胺聚糖中。抗生素中也有存在。氨基糖类 重要的是2-氨基己糖，包括:2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖D-glucosam
26、ine,GlcN 2-N-乙酰葡萄糖胺2-N-acetylglucosamine,GlcNAc 2-N-乙酰半乳糖胺2-N-acetylgalactosamine,GalNAc 存在于几丁质、糖胺聚糖粘多糖中。,胞壁酸,常见单糖及其衍生物的缩写,阿比可糖,糖复合物中的单糖衍生物 II,糖醛酸类，主要四种：D-葡萄糖醛酸、D-甘露糖醛酸、D-半乳糖醛酸及L-艾杜糖醛酸L-Iduronic acid唾液酸sialic acid，代表一类神经氨糖酸Neuraminic acid，广泛存在于细菌和动物组织中，糖脂和糖蛋白的组成成分。,单糖的物理性质,旋光度，一切糖类都有不对称C，都具旋光性；甜度，各种糖甜度不一，但都有甜度，程度不同；溶解度，多羟基增加了单糖的溶解度，热水中更大，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。,
