生物化学：糖类和糖生物学

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糖类和糖生物学

• 引言
  • 来源
    • 糖类物质的根本来源是绿色细胞的光合作用
      • 广泛地存在于生物界，特别是植物界。糖类物质占植物干重的85%和90%，动物的生命活动的主要来源于糖类
  • 生物学作用
    • 结构成分
    • 主要的能源来源
    • 中间代谢物
    • 信息分子
  • 化学本质
    • 由碳、氢、氧三种主要的元素组成，有些还有氮、硫、磷
    • 定义
      • 糖类是多羟醛、多羟酮或其衍生物，或水解时能产生这些化合物的多聚体
  • 命名与分类
    • 命名
      • Sugar或saccharide(常被冠以词头，如monosaccharide单糖）
    • 分类（根据聚合度分类）
      • 单糖（monosaccharide)
        • 是不能被水解成更小分子多糖类，如 葡萄糖、果糖、核糖等
      • 寡糖（oligosaccharide)
        • 是由2个到10个单糖单位组成的糖类
      • 多糖（polysaccharide)
        • 水解时产生20多个以上的单糖分子的糖类
        • 同多糖
          • 水解时只产生一种单糖或单糖衍生物
        • 杂多糖
          • 水解时产生两种及以上的单糖和单糖衍生物
      • 糖缀合物（glycoconjugate)或糖复合物
        • 如糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂和脂多糖等
• 单糖的结构和性质
  • 单糖是单一的多羟基醛或多羟基酮
  • 单糖的开链结构
    • 最简单的糖是三碳糖：甘油醛和二羟基丙酮
    • 醛糖
      • 碳链的末端的碳原子以双链与氧结合形成羰基、其他每个碳原子都有一个羟基
    • 酮糖
      • 羰基在除碳链末端的任一其他位置以双键与氧结合形成羰基(酮基形式)，其他每个碳原子都 有一个羟基。
    • Fischer投影式
      • 在纸面上表示糖的立体结构的方法
  • 单糖的立体化学
    • 旋光异构
      • 同分异构（isomorphism）
        • 概念
          • 存在两个或者多个具有相同数量和种类的原子并因而具有相同相对分子质量和化合物的现象
        • 结构异构
          • 由于分子中原子连接的次序不同造成
            • 碳架异构体
            • 位置异构体
            • 功能异构体
        • 立体异构
          • 几何异构
            • 由于分子中双键或环的存在或其他限制原子间的自由旋转引起的
          • 旋光异构
            • 分子中存在手性造成的
      • 旋光性(optical activity)
        • 物质具有的使经过的偏振光旋转一定角度的能力
      • 不对称碳原子
        • 手性中心
        • 指与四个不同的原子或原子基团共价连接并因失去对称性的四面体碳
      • 构型
        • 立体异构体中原子或取代基团的空间排列关系
        • D型
        • L型
      • 构象
        • 分子中由于共价单键的旋转所表现出的原子或基团的不同空间排布
    • 单糖的构型
      • 分子中里羰基最远的那个手性碳原子的构型
  • 单糖的环状结构
    • 环状半缩醛的形成
      • 醇与醛或酮可以发生快速且可逆的亲核加成形成半缩醛。
      • 羟基和羰基的单糖可以发生分子内亲核加成，形成环状半缩醛
    • 单糖羰基的差向异构物：α和β异头物
      • 单糖羰基碳的差向异构化，单糖由直链结构变成环状结构后，羰基碳原子成为新的手性中心，导致C1差向异构化，产生两个非对映异构体，这种羰基碳上形成的差向异构体称异头物，异头碳的羟基与最末的手性碳原子的羟基具有相同取向的异构体称α异头物，具有相反取向的称β异头物。
      • 标示异头碳的构型时，必须同时指出糖的构型
      • 异头物在水溶液中通过直链形式可以互变（差向异构化），经一定时间后达到平衡
    • 单糖的两种环状结构：吡喃糖和呋喃糖
      • 单糖有两种环状结构，开链的单糖形成环状半缩醛时，常出现五元环和六元环的结构
      • 吡喃糖
        • 己糖含氧六元环
      • 呋喃糖
        • 戊糖含氧五元环
  • 单糖的构象
    • 吡喃糖的构象
      • 椅式构象
      • 船式构象
      • 椅式比船式稳定
        • 在船式构象中存在C-C键的重叠和不相邻原子间的作用力
    • 呋喃糖的构象
      • 信封式构象
  • 单糖的物理和化学性质
    • 物理性质
      • 旋光性
      • 溶解度
      • 甜度
    • 化学性质
      • 异构化（弱碱的作用）
        • 温室中碱催化的烯醇化作用的结果
      • 单糖的氧化
        • 醛基氧化成醛糖酸
        • 伯醇基氧化成糖醛酸
        • 醛基、伯醇同时氧化形成醛糖二酸
        • 例
      • 单糖的还原
        • 单糖可以被还原成相应的糖醇
      • 糖脎反应（亲核反应）
        • 发生在醛糖和酮糖的链状结构上
      • 脂化作用
        • 单糖可以看作多元醇，可与酸作用生成酯
          • 磷酸酯：糖代谢的中间产物
      • 甲基化和乙酰化
      • 糖苷化
        • 单糖环状结构上的半缩醛羟基与醇或酚的羟基缩合失水成为缩醛式衍生物
      • 糖醛反应（与无机酸的反应）
      • 高碘酸氧化反应
• 重要的单糖和单糖衍生物
  • 单糖
    • 丙糖
      • D-甘油醛
        • 具有光学活性的最简单的单糖
      • 二羟丙酮
        • 无光学活性
    • 丁糖
      • D-赤藓糖
      • D-赤藓酮糖
      • 代谢中戊糖磷酸途径和光合固定CO2的Calvin循环中的重要中间物
    • 戊糖
      • D-核糖
        • RNA的组成成分
      • 2-脱氧-D-核糖
        • DNA的组成成分
      • D-核酮糖
      • D-木酮糖
      • 它们的5-磷酸酯参与戊糖酸途径和Calvin循环
    • 己糖
      • D-葡萄糖
        • 右旋糖，在生理学和医学上也叫血糖
        • 能被人体直接利用和吸收
      • D-甘露糖
        • 以甘露聚糖的形式存在植物细胞壁中
      • D-果糖
        • 自然界中最丰富的酮糖
    • 庚糖和辛糖
      • 发现的不多，了解的功能比较少
  • 单糖磷酸脂
    • 单糖磷酸酯又称磷酸化单糖，是很多代谢途径中的中间参加者，广泛的存在于细胞中。
    • 糖酵解途径的中间物
    • 戊糖磷酸途径和光合作用的Calvin循环中的中间物
    • 核糖糖苷的磷酸酯
  • 糖醇
    • 糖醇是由单糖的羰基被还原而生成
      • 如山梨醇（D-葡萄醇）、肌醇、木糖醇、核糖醇
    • 是生物体的代谢产物
  • 糖酸
    • 根据氧化条件不同，醛糖可以被氧化成醛糖酸和糖醛酸，分子内都可形成稳定的内酯
      • 常见的糖醛酸有D-葡萄醛酸、D-半乳糖醛酸和甘露糖醛酸，D-葡萄醛酸是糖醛酸途径中的重要中间物
  • 脱氧糖
    • 分子的一个或多个羟基被氢原子取代的单糖
  • 氨基糖
    • 分子中一个羟基被氨基取代的单糖，是胞壁酸和神经酰胺的组成成分
      • 氨基糖及其衍生物有葡糖胺、N-乙酰葡糖胺、半乳糖胺以及N-乙酰半乳糖胺
  • 糖苷
    • 糖苷是以酚类、甾醇或含氮碱等为配基的单糖或寡糖衍生物
• 寡糖
  • 寡糖的结构
  • 常见的二糖
    • 蔗糖
    • 乳糖
    • 麦芽糖
  • 其他简单寡糖
    • 棉子糖
    • 水苏糖
      • 四糖
  • 环糊精
  • 分类
    • 初生寡糖
      • 生物体内以游离的形式存在
    • 次生寡糖
      • 是高级寡糖，结构复杂；主要功能作为糖缀合物的信息成分
• 多糖
  • 多糖又称聚糖，是指由许多个单糖单位构成的糖类物质，缩合时单糖分子以糖苷键相连
  • 作为燃料储存形式的同多糖
    • 淀粉
      • 通过（α1→4）糖苷键连接
    • 糖原
      • 又称动物淀粉
      • 是通过（α1→4）连接的葡萄糖残基多聚物，并有（α1→6）的分支
    • 右旋糖酐
      • 是一类细菌和酵母的贮存多糖，也用作胞外的粘合物质
  • 起结构作用的同多糖
    • 纤维素
      • 通过（β1→4）糖苷键连接的
    • 壳多糖
  • 影响同多糖折叠的因素
  • 植物细胞壁的基质杂多糖
    • 果胶物质
      • 包括两种酸性多糖：聚半乳糖醛酸和聚鼠李半乳糖醛酸和三种中性多糖：阿拉伯聚糖、半乳聚糖和阿拉伯半乳聚糖
      • 生长在植物的细胞壁和细胞之间的中层的物质
    • 半纤维素
    • 琼脂
  • 细菌细胞壁的结构杂多糖
    • 肽聚糖
    • 磷酸糖
    • 脂多糖
    • 荚膜多糖
  • 脊椎动物胞外基质的结构杂多糖
    • 糖胺聚糖
• 糖缀合物
  • 蛋白聚糖
    • 基本结构
      • 由一个所谓核心蛋白和一个或多个与之共价连接的糖胺聚糖组成
    • 蛋白聚糖聚体
  • 糖蛋白
    • 糖蛋白是分支的寡糖链与多肽链共价相连所构成的缀合物
    • 糖蛋白
      • 糖肽键
        • 糖肽键是指糖蛋白中寡糖链的还原端残基与多肽链的氨基酸残基以多种形式共价连接形成的链键
        • ① N- 糖苷键型：寡糖链（ GlcNAC 的β - 羟基） 与 Asn 的酰胺基、 N- 未端的 a - 氨基、 Lys 或 Arg 的 W- 氨基相连
        • ② O- 糖苷键型：寡糖链（ GalNAC 的α - 羟基） 与 Ser丝氨酸 、 Thr苏氨酸，酪氨酸和羟基赖氨酸、羟脯氨酸的羟基相连。
        • ③ S- 糖苷键型：以半胱氨酸为连接点的糖肽键。
        • ④ 酯糖苷键型：以天冬氨酸、谷氨酸的游离羧基为连接点。
      • 糖链
        • 是葡萄糖、半乳糖等单糖分子按特定序列形成的链状物。
    • 黏蛋白
      • 一类分泌糖蛋白或膜蛋白，可以含有大量的O-连接型寡糖链
  • 糖脂和脂多糖
    • 神经节苷脂：真核细胞的一类糖脂
• 糖类作为生物信息分子：糖密码
  • 糖链的生物学功能是多种多样的
    • 分子识别
      • 定义
        • 生物分子间的选择性互相作用
      • 要求
        • 两个分子的结合部位是互补的
        • 两个结合部位有相应的基因，相互间能产生足够的作用力，使两者非共价地结合在一起
    • 糖链与血循环中的蛋白质的寿命
    • 糖链与细胞-细胞识别和黏着
      • 多细胞生物中细胞具有互相识别而聚集成群的能力
    • 寡糖链与淋巴细胞归巢
      • 淋巴细胞归巢
        • 循环血液中的淋巴细胞群倾向于回到它原先的淋巴细胞组织中
  • 凝集素是阅读糖密码和介导多种生物学过程的蛋白质
  • 凝集素-糖相互作用是高专一性和多价的
  • 凝集素
    • 指一种从各种植物，无脊椎动物和高等动物中提纯的糖蛋白或结合糖的蛋白
  • 血型决定簇是寡糖
• 聚糖的结构分析
  • 聚糖结构分析的策略
    • 糖蛋白的分离纯化
    • 从糖蛋白中释放完整的聚糖
    • 聚糖的纯化
    • 聚糖纯度鉴定和分子质量测量
    • 聚糖的单糖组成测定
    • 聚糖的测序
    • 分析步骤
  • 用于聚糖分析的一些方法
    • 化学方法
      • 高碘酸氧化
        • 测定直链多糖聚合度、支链多糖的分支数目；确定糖苷键的位置
      • 甲基化分析
        • 确定各单糖的连接位置
      • 寡糖顺序降解
        • 推断被降解的单糖结构
    • 酶方法
      • 外切糖苷酶作用
      • 内切糖苷酶作用
    • 仪器测定法
      • 红外光谱（IR）
      • 激光拉曼光谱
      • 质谱（MS）
      • 核磁共振(NMR)
    • 糖链结构测定方法