第9章 多糖

化学工业出版社第八章多糖一、多糖的结构与组成二、多糖的分类和命名三、多糖的分离与分子量的测定四、多糖化学结构研究五、多糖的生理作用六、天然多糖化合物化学工业出版社糖、核酸和蛋白质是生命体中最重要的三类大分子量物质，但对这三种物质的认识程度却有很大的不同，其中对糖的结构与功能的认识远远落后于对核酸和蛋白质的认识，主要原因有两方面：随着分离分析和化学手段突飞猛进的发展，使人们对糖的结构有了全新的了解，糖化学这门经典学科在21世纪又涣发出新的活力。①糖的化学较核酸和蛋白质复杂。核酸和蛋白质:通过磷酸二酯键和酰胺键相连的线性分子；糖:糖苷键(α、β两种立体异构形式)相连，单糖有数个羟基形成支链结构。因此，糖的分离、结构分析和化学合成都较困难。②糖在生物体中的合成也远比核酸和蛋白质复杂。核酸和蛋白质合成:模板控制、高度精确的过程；糖链：合成或断裂由特定糖基转移酶或水解酶控制，是不精确的。化学工业出版社一、多糖的结构与组成多糖为单糖组成的天然高分子化合物，约三百种。在水里不能形成真溶液，只能形成胶体溶液。1.多糖的结构多糖的结构与低聚糖相似，都是单糖通过糖苷键组成。从化学结构考虑，多糖为多个单糖分子经失水缩聚而成。因单糖存在方式多：D-、L-型；环状(五员、六员环)；α-、β-式，以最稳定方式存在。如此多糖似乎很多，很复杂，实际并不复杂。天然多糖有一定重复规律性。例：纤维素是由D-葡萄糖经由β-1,4-糖苷键联结而成的直链分子，这种结构在整个分子中重复。其它复杂多糖也有一定的重复规律性。化学工业出版社多糖的组成组成多糖的单糖和糖醛酸有以下几种：(1)己糖：主要有D-葡萄糖，D-甘露糖，D-果糖，D-半乳糖。少数为L-半乳糖，D-艾杜糖，L-阿卓糖。(2)戊糖：最重要的是D-木糖。(3)其他单糖：除已糖、戊糖外，近年发现多糖中含稀有的脱水糖、二脱氧糖、庚糖、辛糖等。(4)己糖醛酸：D-葡萄糖醛酸，D-半乳糖醛酸，D-甘露糖醛酸，L-古罗糖醛酸，L-艾杜糖醛酸等。例：OOCH3OHHOHOHCOOH化学工业出版社含糖醛酸特征糖醛酸与带阳离子高分子如蛋白质结合成盐，使蛋白质沉淀。利用此特征于分离水溶性杂质，得纯酸性多糖。若多糖中既含糖醛酸又含氨基糖，且两者几乎相等，则此多糖具有两性。糖醛酸因含-COOH，所以在水中离子化程度大，离子化的羧基与水成氢键能力大，使多糖具有高溶解度。可调增大pH值使多糖沉淀出来，原因是羧基离子化程度降低，水化程度降低，多糖分子间的排斥作用减少到一定程度而析出。化学工业出版社直链多糖与支链多糖根据链连接方式可分为直链多糖与支链多糖。直链多糖与支链多糖的区别：用溶剂(如水)配成胶体溶液，涂于玻板上，干燥成膜。支链多糖形成的膜脆弱，易碎裂；直链多糖形成的膜强度高，聚合度越大，膜强度越高(聚合度50)。对于水不溶性糖可先乙酰化，用氯仿溶解所得乙酰酯成膜性质。来源不同的同一种多糖物性不同：分子量大小，颗粒大小，溶解度、折光率等物性有差异。非水溶性多糖与酸成酯，再用有机溶剂萃取。化学工业出版社多糖的三类功能(1)支持组织的多糖(结构物质)：分子间氢键结合力强，一般不溶于水，浸在水中不膨胀，与化学试剂不易反应。如纤维素、木聚糖、甲壳素等。(2)营养性多糖(贮藏食物)：氢键结合力弱，易吸水膨胀成胶体溶液，易与化学试剂发生化学反应。如淀粉、菊糖、糖原等。(3)其他功能的多糖：在生物体内不是以游离的多糖形式存在，而是与蛋白质结合成蛋白糖。如透明质酸、肝素等。化学工业出版社二、多糖的分类和命名1.多糖的分类(1)同聚多糖由同一种单糖聚合而成，又称均多糖。主要包括：阿拉伯聚糖、木聚糖等戊聚糖。淀粉，纤维素，琼脂，菊粉，果胶等己聚糖。(2)杂聚多糖由不超过四种的不同种单糖聚合而成，又称杂多糖，有二杂多糖、三杂多糖、四杂多糖。例如存在于动物软组织中的二杂多糖多聚半乳糖氨基葡萄糖醛酸。化学工业出版社多糖的命名：(1)俗名(以来源命名)淀粉，纤维素，糖原，果胶，甲壳质。缺点：不能表示化学组成和结构。(2)普通命名法(简称)同聚多糖：多聚葡萄糖(简称葡聚糖)，多聚半乳糖(半乳聚糖)，多聚果糖(果聚糖)；杂聚多糖：IUPAC法先后次序无规则，一般：存在于主链中的单糖放在后面，存在于支链中的单糖放前面；仅有直链的杂聚多糖则主要的单糖放在后面。例多聚葡萄甘露糖表示含甘露糖为主的多糖或主链为甘露糖组成、葡萄糖位于支链的多糖。。化学工业出版社直链黑曲霉菌α-1,3-；α-1,4-直链海藻β-1,3-；β-1,4-直链真菌α-1,4-；α-1,6-多聚果糖直链菊芋β-1,2-例菊芋中的菊糖是由30多个D-果糖β-1,2连接，末端连一个D-葡萄糖。部分同聚多糖的糖苷键种类和来源:化学工业出版社三、多糖的分离与分子量的测定1.多糖的分离各种多糖在生物体中都是与其它物质共同存在，应将需要的多糖先分离成纯粹的状态，以便于其分子量的测定和结构的研究。多糖的分离较复杂，无统一的分离方法，可分成水溶性多糖和水不溶性多糖两类进行分离。(1)水溶性多糖的分离方法1：用水或稀酸、稀碱、盐溶液等提取，然后用电泳法或离子交换树脂法除去无机盐类，葡聚糖凝胶除小分子。方法2：用水溶解后，加有机溶剂(乙醇、丙酮、吡啶)，使多糖沉淀，也可用冷冻干燥法分离出来。化学工业出版社：用分步结晶方法。例与铜盐形成不溶络合物，与季铵盐生成不溶的盐。季铵盐可与多糖形成沉淀，改变盐浓度和pH值，不同的酸性多糖可分别沉淀出来。中性多糖可先与H3BO3形成络合物，再被季铵盐沉淀。常用季铵盐：溴化十六烷基三甲基铵氯化十六烷基吡啶铵H3CNC16H33BrCH3CH3H3CNC16H33BrCH3CH3NC16H33Cl化学工业出版社(2)水不溶性多糖的分离A.用水或有机溶剂除去杂质。例用碱液处理木材纤维素除去半纤维素。B.用离子交换吸附柱分离多糖。此步蛋白质也被吸附。pH=6,阴离子交换柱吸附酸性多糖。pH7,阴离子交换柱吸附中性多糖。分子大小不同的多糖用不同型号的葡聚糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶分离，电泳法也能分离。C.除去蛋白质。用酶法、有机溶剂变性法等方法除去。例：利用蛋白酶水解，然后用渗析法、吸附法或用乙醇沉淀法分离所生成氨基酸或肽。化学工业出版社(3)多糖纯度的判别主要有以下三种方法：A.用两种以上不同方法分离多糖样品，如得到相同物性的多糖，则可判定为纯的多糖。B.用两种以上不同方法分离多糖得不同部分都具有相同成分和性质，则为纯多糖。例：90%乙醇(组份1)；75%乙醇(组份2)。两组份相同则为纯多糖。C.高速离心沉淀法和电泳法等。例电泳法：样品中加H3BO3生成络合物，增加电荷，改变其电泳性质测定。化学工业出版社多糖分子量测定都为平均分子量，表示大小分子量的平均值。数量平均分子量MN：根据分子大小的相对数量求得。重量平均分子量Mw：根据分子大小的相对重量求得。计算方法：MN=Ni—长度i分子的分子量。Mw=Mi—具有i长度的分子数量。ΣMiNiiΣNiiiΣMiNiiΣMi2Ni化学工业出版社(1)测分子量样品要求A.多糖溶于适当溶剂。B.保持多糖分子在溶液中能完全均匀地分散存在。C.与溶剂不发生反应。D.在溶液中不降解。例：被溶物质溶剂纤维素铜铵及乙二胺溶液淀粉乙二胺溶液加适量碱在上述溶剂中仍难免降解，为免降解可用多糖的衍生物醋酸酯或硝酸酯。化学工业出版社(2)测定分子量方法渗透压力法：溶液的渗透压力与浓度成下比，与分子量成反比。测MN(分子量104~106)；粘度法：高分子化合物的分子大，其溶液的粘度高，随分子量的增大，粘度增高的程度大。测MW(分子量104)；光散射：当一束光通过溶液发生光散射现象。若溶质分子小，则散射是对称的，若溶质分子大过射入光线波长约1/20或1/15，则散射是不对称的，向前方向的散射光最强，向后的散射光最弱，测定散射光的不对称程度，可测定容质的分子量大小。测Mw(分子量大小不限103~108)；超速离心(冷冻离心)沉淀法：测MW(分子量3×104)，-70℃；等温蒸馏法：测MN(分子量103~2×104)。化学工业出版社四、多糖化学结构研究1.步骤与方法(1)步骤①先将多糖完全水解成单糖。②用纸色谱，薄层层析色谱等确定单糖种类，再用甲基化方法确定糖单位的环形结构，糖苷键位置，非还原端基的比例。③部分水解成低聚糖并确定低聚糖种类、组成，以此确定是否为杂多糖，进一步确定糖苷键的形式。④确定分子量，分子形状等。化学工业出版社(2)方法①化学方法：通过水解，甲基化，高碘酸氧化等方法来确定单糖的种类、结构，糖苷键位置，非还原端基的比例，链平均长度等。②物理方法：用液相色谱，凝胶色谱，红外光谱和核磁共振谱，X-衍射等分离并确定结构。测定多糖分子量：渗透压法，粘度法，超速离心沉降法，光散射法。IR图谱：羰基1725~1729cm-1强α-糖苷键844±8cm-1中强β-糖苷键891±7cm-1中强β-D-葡萄糖胺1601cm-1强吸收NMR图谱：可确定多糖构象。化学工业出版社完全水解多糖用无机酸在适当条件下能完全水解，定量地转变成单糖，分离和分析单糖种类能确定多糖是由何种单糖组成。一般pH=3~4，常用HCl，温度50℃。(1)完全水解的难易规律①五元环糖苷键比六元环易水解。②α-糖苷键比β-糖苷键易水解。③多聚六元环戊糖比多聚六元环己糖易水解，速度相差10~1000倍。④氨基取代或糖醛酸增加不易水解。复杂多糖具有水解难易不同的糖苷键则用分级水解。化学工业出版社淀粉与糖原的水解：直链，支链中α-1,4-糖苷键水解难易相同。但具支链的α-1,6-糖苷键难切割，据此可确定有多少支链。环形α-1,4-糖苷键结构比直链α-1,4-糖苷键难得多，据此可判断环糊精或一般淀粉。(2)水解条件①多聚六环己糖用1NHCl煮沸。②纤维素或其它水不溶性多糖β-糖苷键需分二步。③多聚阿拉伯糖，多聚果糖用0.01N无机酸，85℃左右水解15~25小时。④糖醛酸中-COOH用LiAlH4还原为-CH2OH，较易用酸水解。化学工业出版社(3)水解产物的检测纸色谱：50~500mg多糖样品水解，灵敏度1~5μg。纤维色谱：可分离8~10种单糖。气相色谱：样品量更少，更灵敏。(鉴别D-，L-糖：需制成衍生物再测定。)电泳纸色谱：用H3BO3缓冲液pH=10，H3BO3与糖形成络合物。例可把古罗糖，甘露糖分离开来(其它方法不能分离)。高压液相色谱：样品量少，灵敏，适用面广。······化学工业出版社部分水解常用无机酸、醋酸、酶，控制水解反应进行到一定程度，水解产物包括单糖、二糖、三糖和其它低聚糖。单、二、三、四聚糖可用活性炭:硅藻土(1:1)混合柱分离，水解液中和后上柱，水洗脱，先得单糖，再用乙醇水溶液洗脱，并逐步提高乙醇浓度(40%，60~65%)，二、三、四聚糖相继被洗脱，分离开来。再用纸层析，薄板层析检测。根据低聚糖的结构可以了解多糖分子中糖苷键的种类和构型——此法称为“键分析”。但部分水解的键分析方法不能确定多糖分子中支叉的数量或不同糖苷键的比例，结合甲基化法才行。化学工业出版社甲基化法多糖经甲基化得到甲基取代多糖，再经水解得甲基单糖，用色谱法分