糖和苷

人民卫生出版社《天然药物化学》糖和苷章节的总结整理，包括单糖的立体化学、糖和苷的分类、糖和苷的化学性质、糖苷的结构鉴定等。

糖和苷

• 糖类
  • 葡萄糖（glucose）
    • 自然界存量最多且最重要的化合物之一
    • 天然葡萄糖水溶液旋光向右，又称右旋糖（dextrose）
    • 人体重要生理活性物质
      • 正常人血液中含量可达0.08~0.1% 人和动物所需能量的50%来自葡萄糖
  • 概述
    • 糖的含义
      • 具有Cx（H2O）y的通式，亦称碳水化合物，是多羟基醛和多羟基酮及其衍生物、聚合物的总称
    • 存在
      • 自然界分布极广，占植物干重的80%-90%
    • 生物活性
      • 糖类化合物具有抗肿瘤、增强免疫力、抗感染等活性
      • 糖苷类生物活性多样
    • 糖类药物举例
      • 抗感染药物
        • 链霉素
        • 庆大霉素
        • 新霉素
      • 降血糖药物
        • 阿卡波糖
        • 伏格列波糖
      • 植物多糖及菌类多糖
        • 免疫调节、抗肿瘤、降血糖
• 单糖的立体化学
• 糖和苷的分类
  • 糖的结构与分类
    • 根据其能否水解和分子量大小分
      • 单糖
      • 低聚糖
      • 多糖
    • 单糖的类型
      • 五碳醛糖（aldopentoses）
        • 核糖：Rib
        • 木糖：Xyl
        • 来苏糖：Lyx
        • 阿拉伯糖：Ara
      • 甲基无碳醛糖（methyl aldopentoses）
        • 呋糖：Fuc
        • 鼠李糖：Rha
      • 六碳醛糖（aldohexoses）
        • 阿洛糖：All
        • 葡萄糖：Glc
        • 甘露糖：Man
        • 半乳糖：Gal
      • 六碳酮糖（ketohexoses，hexuloses）
        • 果糖：Fru
      • 支碳链糖
        • 芹糖：Api
      • 去氧糖（deoxysugars）
      • 糖醛酸（uronic acid）
      • 糖醇
    • 低聚糖
      • 按有无游离的醛基或酮基分
        • 还原糖：含有游离醛基或半缩醛羟基
        • 非还原糖：不含游离的醛基或半缩醛羟基
      • 按组成低聚糖的单糖基数目
        • 二糖
        • 三糖
        • 四糖
    • 多聚糖
      • 分类
        • 按功能分
          • 水不溶的
            • 直糖链型，主要形成动植物的支持组织，如纤维素、甲壳素
          • 溶于热水
            • 形成胶体溶液多支链型，动植物的贮存养料，如淀粉、肝糖原
        • 按组成分
          • 由一种单糖组成：均多糖
            • 在糖名后加字尾-an
            • 几种糖名按字母顺序排列后，再加字尾-an
          • 由二种以上单糖组成：杂多糖
        • 按来源分
          • 植物多糖
          • 菌类多糖
          • 动物多糖
      • 举例
        • 淀粉（starch）
          • 糖淀粉：1α→4连接的D-吡喃葡萄糖
          • 胶淀粉：1α→4连接，但有1α→6的分支链
        • 纤维素（cellulose）
          • 组成植物细胞壁的主要成分
          • 1β→4连接的直链葡萄糖
        • 肝素（heparin）
          • 高度硫酸酯化的右旋多糖，有强的抗凝血作用
        • 硫酸软骨素（chondrotin sulfate）
        • 透明质酸（hyaluronic acid，HA）
          • 又称玻尿酸
          • 是理想的保湿剂，改善皮肤营养代谢，常用于各种化妆品
  • 苷类化合物结构与分类
    • 含义
      • 苷类（glycosides）是糖或糖的衍生物与另一非糖物质通过糖的端基碳原子连接而成的一类化合物
      • 苷中的非糖部分称为苷元（genin）或配基（aglycone）
    • 苷的结构
      • 苷元（配基）：非糖的物质，常见的有黄酮，蒽醌，三萜等
      • 苷键：将二者联结起来的化学键，可通过O，N，S等原子或直接通过C-C键相连
      • 糖（或其衍生物）：主要为单糖，常为葡萄糖、阿拉伯糖、鼠李糖、果糖、葡萄糖醛酸等
    • 苷类化合物的分布规律
      • 分布广泛，各结构类型的苷类在植物中的分布情况有差异
      • 对大多数中草药而言，根及根茎往往是苷类分布的一个重要部位
    • 生物活性
      • 苷类化合物多具有广泛的生物活性
    • 苷的分类
      • 根据苷键原子的不同
        • 氧苷
          • 醇苷
          • 酚苷
          • 酯苷
          • 氰苷
            • 主要是指α-羟基腈的苷
            • 多为水溶性，在酸和酶催化时易于水解，生成的苷元α-羟基腈不稳定，立即分解为醛（酮）和氢氰酸（HCN）
          • 吲哚苷
            • 较少，指吲哚醇和糖形成的苷
        • 硫苷
        • 氮苷
        • 碳苷
          • 溶解度小，难以水解
      • 根据所含单糖基的数目不同
        • 单糖苷、双糖苷、三糖苷等
      • 根据苷元连接的糖链的数目不同
        • 单糖链苷、双糖链苷、三糖链苷
      • 根据在植物体内的存在状况不同
        • 原生苷
        • 次生苷
      • 根据特殊性质或生理作用分类
        • 皂苷
        • 强心苷
• 糖和苷的化学性质
  • 糖的化学性质
    • 氧化反应
      • 过碘酸反应
        • 适用范围：邻二醇、α-氨基醇、α-羟基醛（酮），邻二醇和某些活泼次甲基
        • 特点：作用缓慢且选择性高，反应几乎定量进行，得到稳定的最终降解产物
      • 四醋酸铅反应
        • 反应机制与过碘酸相似
        • 作用能力比过碘酸强
        • 立体选择性更高
        • 需要在有机溶剂中进行
    • 糠醛形成反应
      • 单糖在浓酸加热作用下，失去3分子水，生成具有呋喃环结构的糠醛衍生物
      • Molisch反应
        • 常用的糖、苷的检测反应
        • 样品+α-奈酚+浓硫酸→有色环
    • 羟基反应
      • 糖的羟基反应包括：醚化反应、酰化反应、缩酮（醛）反应以及与硼酸的络合反应
      • 羟基的活泼性
        • 半缩醛羟基＞伯醇基＞C2-OH＞其他仲醇基
        • eq-OH＞ax-OH
      • 醚化反应
        • Haworth法
        • Kuhn改良法
        • 箱守（Hakomori）法
      • 酰化反应
        • 糖的乙酰化无选择性，但端羟基的乙酰化条件不同可得到不同立体化学的酯
      • 缩酮和缩醛反应
        • 缩酮反应：一般酮类易与顺式邻二醇羟基形成五元环状物
        • 缩醛反应：醛类易与1,3-二醇羟基生成六元环状物
        • 糖与丙酮生成的五元环缩酮称为异丙叉衍生物，又称丙酮加成物
  • 苷类化合物的性质
    • 物理状态
      • 形态：均为固体，无定形粉末状物或结晶
      • 多具有吸湿性
      • 刺激性
        • 有些苷类对黏膜具有刺激作用
      • 苷类具有旋光性
        • 多数呈左旋，但水解后因为生成的糖常右旋，因此混合物右旋
      • 溶解性
        • 与糖基数目有关，随着糖基增多而增大
    • 化学性质：苷键的裂解
      • 酸催化水解
        • 苷键易被稀酸催化水解，反应一般在水或稀醇中进行
        • 影响水解难易度的因素
          • N最易接受电子，N苷最易水解；C苷最难
          • 当N处于酰胺或嘧啶环上时，N苷也难于酸水解
          • 呋喃糖苷较吡喃糖苷的水解速率大50~100倍
          • 酮糖较醛糖易水解
          • 吡喃糖苷中，吡喃环C5上的取代基越大越难水解
          • 2位取代基影响
            • 2-氨基糖＜2-羟基糖＜6-去氧糖＜2-去氧糖＜2,6-二去氧糖
          • 芳香属苷（如酚苷）水解比脂肪属苷容易得多
          • 苷元为小基团者，苷键横键易水解；苷元为大基团者，苷键竖键易水解
          • 苷原子上的电子云密度 苷原子的空间环境
        • 双相水解
          • 对酸不稳定的苷元，为了防止水解引起苷元结构改变，可用此法
          • 在水解液中加入与水不互溶的有机溶剂
      • 乙酰解反应
        • 为了确定糖与糖之间的连接位置，常用乙酰解开裂一部分苷键，保留另一部分苷键，然后鉴定得到的乙酰化单糖和乙酰化低聚糖
      • 碱催化水解和β-消除反应
        • 一般苷对碱稳定，但酯苷、酚苷、氰苷、烯醇苷和β-吸电子基取代的苷可被碱水解
        • 有时得到的是脱水苷元
      • 酶催化水解
        • 酶促反应专属性高，条件温和，能够获得原苷元
        • 常用酶
          • 转化糖酶：只水解β-果糖苷键
          • 麦芽糖酶：只水解α-D-葡萄糖苷键
          • 杏仁苷酶：只水解β-六碳醛糖苷键
          • 蜗牛酶：只水解β-苷键
        • 在植物中苷和水解该苷的酶往往共存，但存在于细胞的不同位置
      • 过碘酸裂解反应（Smith降解法，氧化开裂法）
        • 用过碘酸钠氧化邻二醇
        • 反应条件温和、易得到原苷元
        • 适用于苷元不稳定的苷和C-苷
        • 不适用于苷元上也有1,2-二元醇
      • 糖和苷的理化检识
        • Molisch反应
          • 含糖化合物均为阳性
        • 菲林反应和多伦反应
          • 样品呈阳性，存在还原糖
          • 水解后阳性，说明有多糖或苷类
        • 苯胺邻苯二甲酸酯反应
        • 水解反应
          • 苷类水解成苷元和糖，利用苷元性质进行检测
            • 糖的检识：纯化后进行
            • 苷的检识：排除游离糖的干扰
• 糖苷的结构鉴定
  • 纯度鉴定
  • 分子量的测定
  • 糖的种类和比例的测定
    • 氢谱、碳谱核磁数据分析
      • 端基质子信号
      • 特征氢谱、碳谱信号（如甲基或羧基）
      • 碳谱数据
    • 将苷键全部水解后用色谱法检测
      • 纸色谱法
      • 采用GC或HPLC对单糖进行定性、定量分析
  • 糖的连接位置的测定
    • 苷元和糖之间连接位置的确定
      • 碳谱是确定苷元与糖之间连接位置的有效方法，苷元羟基因与糖结合成苷，可产生苷化位移
        • 苷化位移（glycosidation shift）：糖与苷元成苷后，苷元的α-C、β-C和糖的端基碳的化学位移值发生了改变
      • 苷化位移值和苷元结构有关，与糖的种类无关
      • 同五异十其余七
      • 酚苷、酯苷比较特殊，苷元α-碳和糖端基碳均向高场位移
    • 糖与糖之间连接位置的确定
      • 1D-，2D-NMR方法（简单低聚糖）
      • 化学方法：首先将单糖全甲基化，然后水解苷键
  • 糖链连接顺序的确定
    • 质谱法
    • 二维核磁（2D-NMR）法
  • 苷键构型的测定
    • 利用酶水解进行测定
    • 利用核磁方法确定
      • 利用端基碳的化学位移差
        • 端基碳上连α-OH的较带β-OH的，信号移向高场（减小）
      • 利用偶合常数
        • 偶合常数大小与两个质子的两面角有关
          • 两面角90°，J=0Hz
          • 两面角60°，J=4Hz
          • 两面叫0或180°，J=8~12Hz
    • 利用2D-NMR谱
  • 单糖绝对构型的去顶
    • 苷键水解后测定单糖的比旋光
    • 色谱法（GC/HPLC，手性衍生化）
• 糖和苷的提取分离
  • 提取
    • 植物体内，苷类常与水解酶共存，提取时需要抑制酶的活性
      • 加入碳酸钙，或用甲醇、乙醇或沸水提取，同时避免与酸或碱接触
    • 单糖、低聚糖、糖苷：用水或稀醇提取
    • 多糖提取：水或稀碱液提取
  • 分离方法
    • 糖类的分离
      • 色谱分离
        • 大孔树脂柱色谱
        • 纤维柱色谱
        • 离子交换色谱
        • 凝胶柱色谱
        • 纸色谱
      • 季铵盐沉淀（多用于酸性多糖的分离）
      • 分级沉淀或分级溶解（多糖在不同浓度的甲醇或丙酮中有不同的溶解度）
      • 电泳方法
    • 苷类的分离
      • 色谱分离
        • 大孔树脂
        • 葡聚糖凝胶
        • 硅胶
        • 反相键合相硅胶（ODS）
        • 离子交换