聚糖化学

第四章，聚糖的化学•糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物，多糖由多个单糖聚合而成，又可分为同聚多糖和杂聚多糖。•同聚多糖由同一种单糖构成，杂聚多糖由两种以上单糖构成。•糖链与蛋白质或脂类物质构成的复合分子称为结合糖，其中的糖链一般是杂聚寡糖或杂聚多糖。•糖类作为生物体的生物大分子之一，其生理作用长期以来一直被认为只是机体的供能物质和构成植物的结构物质。科学家对糖类物质的研究，远远滞后于对蛋白质和核酸的研究。糖是生物信息分子•直到20世纪70年代后，随着分子生物学的发展，人们逐步认识到，糖类是涉及生命活动本质的重要生物大分子之一。•大量的研究已表明，各种错综复杂的生命现象的产生与疾病的形成过程均包含了许多分子变化和复杂的代谢过程，其中糖蛋白的糖链在受精、发生、发育、分化、炎症与自身免疫疾病，在癌细胞异常增殖及转移，病原体感染，植物与病原体相互作用，豆科植物与根瘤菌的共生过程中，都起到重要作用。•糖生物学的研究方兴未艾，成为继蛋白质，核酸后又一热点领域。糖生物学•1988年，牛津大学生化系的R.Dwek在《生化年评》(AnnualReviewofBiochemistry)上,发表了题为“glycobiology”的综述，提出了糖生物学这一名称。•糖生物学研究的显著特点是与化学、计算机科学等的紧密交叉结合。糖链结构分析、糖链合成方法学上的研究，是糖生物学得以发展的基础。目前，新的糖链结构数据仍呈直线上升，然而对其功能仍知之甚少。•糖链功能的研究以分子生物学、细胞生物学、病理学、免疫学、神经生物学、发育生物学等学科的进展为基础，而糖生物学的进展又会大大推动这些学科的发展。2001年，化学糖生物学(chemicalglycobiology)这一名词开始出现，标志着这一新兴学科领域的正式诞生。第一节糖类物质的多样性•糖与人类健康关系密切，以糖生物学研究为基础的糖药物，包括糖类及可通过与糖类、糖类相关结合蛋白和酶相互作用的化合物。糖药物的研究和开发，毫无疑问将成为新药开发的重要领域。•组成糖链的单糖结构较简单，但其空间构型有很多形式，并且单糖间的连接方式也多种多样，因此，糖链的结构具有惊人的多样性和复杂性。一、糖种类的多样性•目前，已经发现的天然单糖有200多种，以五碳、六碳单糖最多见。多数单糖在生物体内是呈结合状态，仅葡萄糖、果糖等少数几种单糖可以以游离状态存在。脱氧糖•单糖除了存在D-、L-构型、醛糖和酮糖以外，单糖分子的一个或二各羟基可为氢原子取代得到脱氧糖。二、糖衍生物的多样性•1.糖醇糖的羰基被还原（加氢）生成相应的糖醇，如葡萄糖加氢生成山梨醇。常见的糖醇有甘露醇和山梨醇，它们广泛分布于各种植物组织中。2.糖醛酸•糖的醛基被氧化成羧基时生成糖酸；糖的末端羟甲基被氧化成羧基时生成糖醛酸。重要的糖醛酸有D-葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸。葡萄糖醛酸是肝脏内的一种解毒剂，半乳糖醛酸存在于果胶中。3.氨基糖•单糖的羟基（一般为C2）可以被氨基取代，形成糖胺或称氨基糖。自然界中存在的氨基糖都是氨基己糖，如-D-2-氨基葡萄糖（葡萄糖胺，Glucosamine）和-D-2-氨基半乳糖（半乳糖胺，Galactosamine）。氨基糖衍生物•N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramicacid,NAM）是胞壁酸(muramicacid)与乙酰基结合的产物，是肽聚糖的主要构成成分。•N－乙酰神经氨酸（N-acetylneuraminicacid）是神经氨酸与乙酰基结合形成的化合物，又称唾液酸。4.糖苷•主要存在于植物的种子、叶子及皮内。在天然糖苷中的糖苷基有醇类、醛类、酚类、固醇和嘌呤等。如能引起溶血的皂角苷，有强心剂作用的乌本苷，以及能引起葡萄糖随尿排出的根皮苷。苦杏仁苷也是一种毒性物质。5.糖酯•单糖羟基还可与酸作用生成酯。糖的磷酸酯是糖在代谢中的活化形式。糖的硫酸酯存在于糖胺聚糖中。三、糖聚合物的多样性•糖类具有多个羟基，糖苷键又有α、β构型之分，单糖的连接可能产生数目很大的异构体，如由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3万多种。如葡萄糖的二糖异构体有11种。第二节多糖•多糖是来自于高等植物、动物细胞膜、微生物的细胞壁中的天然大分子物质，是所有生命有机体的重要组成成分与维持生命所必须的结构材料。•多糖的结构是其生物活性的基础，认识和了解多糖的结构有助于更好地利用和开发多糖。作为一类生物大分子，层次的分类沿用了蛋白质的分类法，也可分为一级、二级、三级和四级结构。•-淀粉酶可将淀粉水解为麦芽糖。乙酰溴化物与淀粉作用也生成乙酰麦芽糖，由此可见淀粉的组成单位是麦芽糖。•用热水处理淀粉或用极性溶剂处理淀粉都可以将淀粉分为两种成分；一,种为可溶部分，称为直链淀粉；另一种为不溶部分，称为支链淀粉。1、淀粉一、均一多糖直链淀粉•直链淀粉(amylose)是由1，4糖苷键连接的α-葡萄糖残基组成的。以碘液处理产生蓝色，光吸收在620-680nm。直链淀粉分子量从几万到十几万，平均约在60，000左右，相当于300－400个葡萄糖分子缩合而成，是一条不分支的长链。它的分子通常卷曲成螺旋形，每一圈有六个葡萄糖分子。支链淀粉•支链淀粉(amylopectin)的分子量在20万以上，含有1300个葡萄糖或更多。与碘反应呈紫色，光吸收在530-555nm。支链淀粉中的D-葡萄糖也可同样通过-1,4-糖苷键连接成一条长链。但是支链淀粉在此主链上尚可通过-1,6-糖苷键形成分支的例链。此侧链一般含有24-30个D-葡萄糖残基。据研究，支链淀粉至少含有300个-1,6-糖苷键。2，糖原•糖原为动物体内贮存的主要多糖，此多糖相当于植物体内贮存的淀粉，所以糖原也称为动物淀粉；高等动物的肝脏和肌肉组织中含有较多的糖原。•人类肝脏中的糖原含量可达肝脏于重的百分之—十左右。软体动物也含有糖原，甚至于在玉米和一些细菌中也曾发现能合成类似糖原的多糖成分。糖原的结构•糖原分子具有铰多的分支结构。支链淀粉的分支结构是以24个葡萄糖残基为其分支的长度，但糖原的分支结构则是平均以12个葡萄糖残基为其分支的长度。3，纤维素•纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。植物体内约有50％的碳存在于纤维素的形式。•估计地球上绿色植物每年大约净产有机物15-20×1010。吨，其中纤维素占三分之一至二分之一。•棉花、亚麻、芋麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。木材中的纤维素则常与半纤维素和木质素共同存在。纤维素的结构•由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的直链，天然纤维素为无臭、无味的白色丝状物。纤维素不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。不溶于水。4，几丁质（壳多糖）•几丁质也大量存在于昆虫和甲壳类动物的甲壳之中。于是几丁质(chitin)可称为甲壳质。•虾、蟹壳个富含的甲壳质是一种白色、无定形的半透明物质。据研究资料估计白然界中每年生成的几丁质约有一百亿吨。•在天然聚合物中几丁质的贮存量占第二位，仅次子纤维素。几丁质的结构•几丁质的水解产物为2-氨基-D-葡萄糖(简称为葡糖胺)。目前认为几丁质是由乙酰氨基葡萄糖聚合而成的多糖。因此几丁质(甲壳质)也可称为聚乙酰氨基葡糖(或壳多糖)。•几丁质分子为2-乙酰氨基-2-脱氧--D-吡喃葡糖的同聚物；各个残基都是通过-l，4-糖苷键的形式联接成不分支的长链结构。二、糖胺聚糖和蛋白聚糖•粘多糖，也叫糖胺聚糖，它与蛋白质结合构成蛋白聚糖，又称粘蛋白。它存在于软骨、腱等结缔组织中，构成组织间质。各种腺体分泌出的起润滑作用的粘液多富含粘多糖。在维持细胞环境的相对稳定性和正常生理功能都起着重要作用。•肝素为体内自然存在的抗血凝物质。人体和动物的生长、组织修复、抗菌、抗炎、抗过敏、成骨、组织老化、动脉硬化和胶原病等都与糖胺聚糖有密切关系。1，糖胺聚糖•糖胺聚糖是由特定二糖单位多次重复构成的杂聚多糖，因其二糖单位中都含有己糖胺而得名。•不同糖胺聚糖的二糖单位不同，但一般都由一分子己糖胺和一分子己糖醛酸或中性糖构成。单糖之间以1-3键或1-4键相连。•糖胺聚糖是高分子量的胶性物质，分子量可达500万。•糖胺聚糖按其分布和组成分为以下五类：硫酸软骨素，硫酸皮肤素，硫酸角质素，肝素和透明质酸。其中除角质素外，都含有糖醛酸；除透明质酸外，都含有硫酸基。（1）透明质酸•分布于结缔组织、眼球的玻璃体、角膜、细胞间质、关节液、恶性肿瘤组织和某些细菌壁中，有自由及与蛋白质结合两种类型。•透明质酸的分子为链形，无分支，其单位结构是D-葡糖醛酸同N-乙酰葡糖胺以β-1,3-糖苷键连接成二糖单位。后者以β-1,4-糖苷健同另一二糖单位连接。（2）硫酸软骨素•为软骨的主要成分，结缔组织、筋腱、皮肤、心瓣膜、唾液中也含有。硫酸软骨素是由D-葡糖醛酸与N-乙酰半乳糖胺硫酸酯以-1,3-糖苷键连接成的二糖单位的多聚物，由于硫酸酯的位置不同分为软骨素-4-硫酸（硫酸软骨素A）和软骨素-6-硫酸（硫酸软骨素C）。治疗肾炎、急慢性肝炎、偏头痛、动脉硬化及冠心病等（3）硫酸皮肤素•又称硫酸软骨素B，最初是从猪皮肤中分离出来的，后来发现它存在于许多动物组织，如猪胃粘膜、脐带、肌腱、脾、脑、心瓣膜、巩膜、肠粘膜等中。它的结构与软骨素-4-硫酸相似，只不过二糖单位中的D-葡糖醛酸基被L-艾杜糖醛酸基取代。（4）硫酸角质素•硫酸角质素首先从角膜的蛋白水解液中分离出来，它是由N-乙酰萄糖胺和D-半乳糖构成的二糖单位的多聚物，其N-乙酰葡糖胺的C-6位上硫酸酯化。（5）肝素•最初从肝脏和心脏提取得到，由于肝脏中的含量最为丰富，故得此名。实际上它广泛分布于哺乳动物组织和体液中。猪肠粘膜中含量十分丰富，肺、脾和肌肉中含量亦很高，肾、胸腺和血液中的含量则比较少些。•肝素的化学结构比较复杂，它是由D-葡糖胺和L-艾杜糖醛酸或D-葡糖醛酸构成的二糖单位的多聚物。•肝素的生物学作用是抗凝血和加速血浆中三酰甘油的清除。目前输血时，广泛以肝素为抗凝剂，临床上也常用于防止血栓形成。2，蛋白聚糖•蛋白聚糖是由蛋白质和糖胺聚糖通过共价键连接而成的大分子复合物。蛋白聚糖含糖量比糖蛋白高，但它与糖蛋白的主要差别不在于糖部分所占的比例比较高，而在于糖的结构和性质不同。•蛋白聚糖中的糖胺聚糖与蛋白质之间的连接有3种类型：①D-木糖与丝氨酸羟基之间形成的O-糖苷键；②N-乙酰半乳糖胺与苏氨酸或丝氨酸之间形成的O-糖苷键；③N-乙酰葡糖胺与天冬酰胺氨基之间形成的N-糖苷键。木糖－丝氨酸连接键是结缔组织蛋白聚糖所特有的。•在蛋白聚糖的分子结构中，蛋白质分子居于中间，构成一条主链，称为核心蛋白，糖胺聚糖分子排列在蛋白质分子的两侧。这种结构称为蛋白聚糖的“单体”。单体的糖胺聚糖链的分布是不均匀的。•软骨蛋白聚糖是由硫酸角质素和硫酸软骨素与核心蛋白共价结合在一起形成蛋白聚糖单体，由蛋白聚糖单体、连接蛋白和透明质酸形成蛋白聚糖聚集体。1肽聚糖•肽聚糖是以N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）与乙酰胞壁酸（NAM）组成的多糖链为骨干与四肽连接所成的杂多糖。•NAG与NAM之间的连接为β-1，4苷键。胞壁酸的羧基与四肽的L-丙氨酸的氨基相连。三、细菌多糖•这里所指的细菌多糖包括作为细菌胞壁的杂多糖，如肽聚糖、磷壁酸、脂多糖和有抗原性的多糖（如肺炎菌多糖）。•所有细菌和蓝藻的细胞壁都含有肽聚糖。革兰氏阳性细菌细胞壁所含的肽聚糖占其干重的50％～80％，革兰氏阴性细菌细胞壁的肽聚糖含量占其干重的1％～10％。肽聚糖的功用是保护细菌细胞不易被破坏。2，磷壁酸•磷壁酸一词代表两类从革兰氏阳性细菌提出的含磷丰富的化合物。一类是以甘油磷酸为基本单位的多聚物，称甘油磷壁酸，一类是以核糖醇磷酸为基本单位的多聚物，称核糖醇磷壁酸。甘油磷壁酸的结构又分下列三个类型：•核糖醇磷壁酸分子的基本结构单位是核糖醇磷酸。在基本结构单位外还含有D-丙氨酸糖或氨基糖。其通式可表示如下：第三节糖蛋白•糖蛋白在自然界中的分布十分广泛，不仅存在于脊椎动物和无脊推动物中，也存在于植物、单细胞有机体和病毒中。•在高等动物中大部分糖类聚合物往往都与蛋白质共价连接，在低等动物以及植物中情况