糖化学2

糖化学(二）1糖的化学修饰•是指糖及其复合物通过化学方法对其结构进行衍生化或转化。•降低其毒性，提高生物活性和生物利用使应用更为安全有效。•改变其理化性能，扩宽其应用领域，改善其应用效果。•降低成本，合理利用资源。1.1一般修饰方法•糖基分子中主要官能团是羟基(氨基糖，有氨基)，多糖分子中，还有羧基等官能团。•糖类的化学修饰主要是这些官能团的化学改造，包括酰化、酯化、醚化、氮烃基化、席夫碱形成，羟乙基化、羧基的反应，季铵盐的形成，接枝共聚、氧化、还原等。1.1.1单糖的反应1）简单醇的反应：（1）生成醚和酯的反应：ROHCH3I+Ag2O或（CH3）2SO4+NaOHROCH3Ac2OPyROCCH3O酯醚例：OOHOHOHCH2OHOHNaOH,H2O（CH3)2SO4OOCH3OCH3OCH3CH2OCH3OCH3HCl，H2O100℃,1hrOOCH3OCH3OCH3CH2OCH3OHOOAcOAcOAcCH2OAcOAc(Ac)2O吡啶，0oC（2）生成环状缩醛或缩酮：OHHHOHH3CCOCH3OHHOCH3CH3顺式1，2－环己二醇丙酮倾向于生成5员环反式不能反应苯甲醛六员环例：OOHHHHOHOHOHHOHH3CCOCH3OOHOHOOHOHH3CCH3H3CH3C半乳糖1.CH3OH,H2.PhCHO,HOOHHHOHOHOCH3HOPhH*糖的吡喃式可以重排成呋喃式，然后保护：OHHOHHOHOHHOHOHOCHHOHHOHOHHCH2OHHOHH3CCOCH3OCHHOHHOOHCH2OHOH3CH3CCH3H3C1.NaOH(CH3)2SO42.HCl,H2OOHHOHH3COHOHHOHOH2）单糖的氧化反应：上述都是醛的反应，但酮也可以反应，因为：CH2OHOCHOHCOHCHOHCOH①②③TollensAg(NH3)2Ag（银镜反应）FehlingCuSO4+酒石酸钾钠NaOHCu2O红色BenedictCuSO4+柠檬酸+Na2CO3Cu2O红色（1）鉴别反应（2）与溴水的反应（pH＝6）OOHOHOHCH2OHOHBr2,H2OOOHOHOHCH2OHOCOOHOHHOOHOHCH2OHOHOCH2OHOHOHD－葡萄糖D－葡萄糖酸－δ－内酯D－葡萄糖酸－γ－内酯酮糖Br2,H2OX（3）用硝酸氧化：CHOOHHOOHOHCH2OH稀HNO3100℃COOHOHHOOHOHCOOHOOoOHOHHHOHHD－葡萄糖D－葡萄糖二酸稀硝酸的氧化作用比溴水强，能使醛糖氧化成糖二酸。OOHOHOHCH2OHOCH3HIO4OHCOHCOOHCH2OHOCH3HIO4OHCOHCOCH2OHOCH3+HCOOH（4）用高碘酸氧化：氧化邻二醇糖类象其他有两个或更多的在相邻的碳原子上有羟基或羰基的化合物一样，也能被高碘酸所氧化，碳碳键发生断裂。反应定量进行，每破裂1个碳碳键消耗1摩尔高碘酸。因此，此反应是研究糖类结构的重要手段之一。3）还原反应：单糖的羰基用还原剂还原成多元醇（糖醇）山梨醇、甘露醇等多元醇，有轻微的甜味和吸湿性，用于化妆品和药物中。酮糖则被还原成一对差向异构体CH2OHOHHOOHHHOHCH2OHCHOHOHHOHHOHHOHCH2OHCH2OHHOHHHOOHHHOHCH2OHNaBH4NaBH4山梨醇（D－葡萄醇）L－山梨糖L－艾杜糖醇4）生成糖脎的反应：CHOOHHOOHOHCH2OHC6H5NHNH2HCNHOOHOHCH2OHNNHNHC6H5C6H5HOCHOHOOHOHCH2OHC6H5NHNH2D-(+)-葡萄糖D-(+)-葡萄糖脎D-(+)-甘露糖CH2OHOHOOHOHCH2OHC6H5NHNH2例如D-(+)-葡萄糖D-(+)-甘露糖D-(-)-果糖成脎反应特点：α-羟基醛和α-羟基酮的特有反应。第二个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。因此成脎反应可用于确定糖的构型。不同的糖脎晶形不同，在反应中生成的速度也不同。由此可鉴定糖。5）醛糖的递升和递降（生成高一级和低一级的醛糖）CHOHCNCNOHCNHO①Ba(OH)2②H3OCOOHOHCOOHHONa-Hg,H2OPH=3-5CHOOHCHOHOD－(+)葡萄糖D－(+)甘露糖递升：1.递升——将低一级的糖经与HCN加成而增加一个碳原子后，在水解、还原生成高一级的糖的方法称为递升。递降：CHO电解氧化COOH2O,Fe3COOHO－CO2CHOCOHHROHCOHHRNHOHCOAcHRNHOAcNH2OHAC2ONaOAcNH3,H2O和其他碱COAcRNHOAcB：CROAcHN原路线酯水解CROHHNHCN加成的逆反应CRHO+NH4Ac进攻路线CH3ONaCRHOWohl法：2.递降——从高一级糖减去一个碳原子而成低一级糖的方法称为递降。常用的递降法为沃尔（Wohl）递降法。糖分子中的活泼半缩醛羟基与其它含羟基的化合物（如醇、酚），含氮杂环化合物作用，失水而生成缩醛的反应称为成苷反应。其产物称为配糖物，简称为“苷”或“甙”，全名为某糖某苷（甙）。注意：①苷似醚不是醚，它比一般的醚键易形成，也易水解。②苷用酶水解时有选择性③糖苷没有变旋光现象，没有还原糖的反应。④糖苷在自然界的分布极广，与人类的生命和生活密切相关。6）成苷反应（生成配糖物）7）甲基化反应（成醚）将葡萄糖甲苷再甲基化（用硫酸二甲酯和氢氧化钠）可得到五-O-甲基葡萄糖。此反应可用于推测糖的环状结构的大小。OHOHOOHOHOH(CH3O)2SO2OH3COH3COOCH3OCH3CH2OCH3NaOH•氨基葡萄糖的化学修饰•氨基葡萄糖的化学修饰在降低抗癌药物的毒性方面有显著作用，因而引起人们的关注。•含有5-氟尿嘧啶的氨基葡萄糖的衍生物，如所示：OCH2OR1OR2OR3NHCONCH2CH2ClR4NO•这一系列化合物显示了优越的抗癌活性，而且低毒，对各种癌症(如白血病)具有良好的预防和治疗作用。结构中R1、R2、R3可以相同又可以不相同，表示H原子或C原子数为2－22的烷氧基(但Rl、R3并非都表示H原子)，如：甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、丁氧基、异丁氧基等，尤以甲氧基最好，或碳原子数为2－22的酰基，最好是8－18的酰基，如：丙酰基、丁酰基、丙丁酰基、戊酰基、异戊酰基、己酰基、辛酰基、癸酰基、十四(烷)酰基等等。•R4表示C原子数为1－4的烷氧基或5-FU,R2表示H或乙酰基。OCH2OR1OR2OR3NHCONCH2CH2ClR4NO2糖胺聚糖（Glycosaminoglycan)“Average”Proteoglycan•onehyaluronicacid•100coreproteins•50keratansulfatechains(250disaccharideunits/chain)•100chondroitinsulfatechains(1000disaccharideunits/chain)•Molecularweight:tensofmillions•lengthofhyaluronicacid•numberandkindofcoreprotein•degreeofsubstitutionofcoreprotein•distributionofpolysaccharidechains•lengthofglycosaminoglycanchains•degreeofsulfationVariable2.1存在形式及其分布Fig11.5TheGlycocalyxFormsaCarbohydrateLayeronCellSurfaces肝素体内合成示意图肝素体内合成过程肝素结构中的主要双糖单位OHHHOSO3HOHHCOOOHHOHNHSO3HOHCH2OSO3HO肝素结构中的五糖序列ONHCOCH3OHCH2OSO3-OOHOHCO2-ONHSO3-OSO3-CH2OSO3-OOSO3-OHONHSO3-OHCH2OSO3-OHOHCOOOOOO肝素结构中的次要双糖单位OHHHOXHOHHCOOOHHOHNHYHOHCH2OXHOX=SO3orH,Y=SO3,-COCH3orH肝素的结构中的十二糖片段Twomodelsofheparin,theyhavedifferentconformation.肝素12糖结构模型X=SO－3orH,Y=SO－3,AcorHThemajordisaccharidesequenceofheparansulfateTheminordisaccharidesequenceofheparansulfateHeparansulfateDermatansulfateStructureofdermatansulfatefragmentONHCOCH3OCH2OYOOOOSO3OONHCOCH3CH2OHOOSO3OONHCOCH3CH2OHOOOSO3SO3XSO3COOn_COOOHCOOOHOX=SO3orH,Y=HorSO3OOHChondroitin4-sulfateChondroitin6-sulfateHyaluronicacidKeratansulfate2.2肝素的结构及其与活性的关系•肝素是由糖醛酸(L-艾杜糖醛酸，IdoA和D-葡糖醛酸，GlcA)和己糖胺(-D-葡糖胺，GIcN)以及它们的衍生物(乙酰化、硫酸化)组成的具有不同链长的多糖链混合物。•肝素是由许多不同组分组成的非均一性的混合物。未分级肝素(unfractionatedheparin，UFH)的分子量为3000-30000，平均分子量为12000-15000。•多糖链主要由两个结构单位构成：•结构单位I是一五糖序列，•GlcNHSO3-6-OS03GlcAGlcNSO3,6-OS03IdoA-2-OSO3GIcNSO3-6-0S03•结构单位II为三硫酸双糖单位•IdoA-2-OSO3GlcNS03-6-0S03，此结构单位为重复单位。•肝素可以与抗凝血酶III(antithrombinIII，AT-III)的一些赖氨酸残基相结合，产生一种复合物肝素AT-III，该复合物与丝氨酸蛋白酶的亲和力比单纯的AT-III强。•肝素的主要作用是加强AT-III中和已激活的凝血因子。小剂量的肝素-AT-III能使FXa失活，从而防止凝血酶原转变为凝血酶；•大剂量的肝素-AT-III则灭活凝血酶和早期凝血反应的凝血因子，因而防止纤维蛋白原转变为纤维蛋白。内源性凝血过程及肝素的作用位点肝素五糖与AT-III的结合位点肝素分子中不同的结构片段具有不同的活性肝素的结构示意图肝素的结构与活性的关系2.3肝素的理化性质•2.3.1物理性质•肝素为白色粉末，有引湿性。肝素或其钠盐及钙盐易溶于水，不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。游离酸在乙醚中有一定溶解性。•肝素的分子是趋于螺旋形的纤维状分子，维持这种分子形状的键是分子内氢键和疏水键等。这种结构与肝素的抗凝活性密切相关，结构破坏，抗凝活性丧失。•2.3.2化学性质•1)降解和水解反应•肝素的糖苷键可以被亚硝酸、肝素酶、过氧化物以及高碘酸等降解从而制得LMWH。•肝素分子上的N-硫酸基对酸水解敏感，肝素在温热的稀酸中会失活，温度越高，pH值越低，失活越快。•在碱性条件下，N-硫酸基相当稳定，但艾杜糖醛酸上的2-0-硫酸基可被水解，从而也会使其失去活性。•2)氧化反应•肝素与氧化剂(过氧化氢、高锰酸钾、高碘酸）反应可被降解成酸性产物。使用氧化剂进行精制时，一般会影响肝素的收率。•3）酯化反应肝素分子中的游离羟基可以被酯化，如经硫酸化，则抗凝活性下降，而乙酰化则不影响抗凝活性。•肝素分子中艾杜糖醛酸上的羧基可用卤代烷烃酯化，在碱性条件下发生降解反应而生成LMWH。•4）中和反应•肝素呈酸性，其聚阴离子能与各种阳离子反应生成盐。这些阳离子包括金属离子和各种有机阳离子：有机碱、碱性染料、阳离子表面活性剂、聚阳离子和蛋白质等。•如，有机碱有十五烷基溴化