糖類和糖生物學

關(guān)于糖類和糖生物學第1頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月一、糖類的化學本質(zhì)、命名和分類糖類物質(zhì)是多羥基(2個或以上)的醛類(aldehyde)或酮類(Ketone)化合物，以及它們的衍生物或聚合物。醛糖(aldose)

酮糖(ketose)實驗式：(CH2O)n第2頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月糖類的生物學功能提供能量，植物的淀粉和動物的糖原都是能量的儲存形式。物質(zhì)代謝的碳骨架，為蛋白質(zhì)、核酸、脂類的合成提供碳骨架。細胞的骨架。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是植物細胞壁的主要成分，肽聚糖是細胞壁的主要成分。細胞間識別和生物分子間的識別。第3頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月糖類物質(zhì)根據(jù)它們的聚合度分類如下：單糖（monosaccharide）寡糖（oligosaccharide）多糖（polysaccharide）同多糖（homopolysaccharide）雜多糖（heteropolysaccharide）結(jié)合糖(復合糖，糖綴合物，glycoconjugate)

第4頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月二、單糖的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)最簡單的糖是甘油醛和二羥丙酮甘油醛(Glyceraldehyde)二羥丙酮(Dihydroxyacetone)1、單糖的鏈式結(jié)構(gòu)第5頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月甘油醛有兩種立體異構(gòu)形式(Stereoismericform)

L-甘油醛D-甘油醛第6頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月以甘油醛的兩種光學異構(gòu)體作對照，其他單糖的光學異構(gòu)體與之比較而規(guī)定為D型或L型。L-葡萄糖D-葡萄糖第7頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月自然界中單糖結(jié)構(gòu)分開鏈、半縮醛環(huán)狀兩種形式，天然情況以環(huán)狀占絕大多數(shù)。2、單糖的環(huán)式結(jié)構(gòu)與構(gòu)象O開鏈環(huán)狀半縮醛（Haworth結(jié)構(gòu)式）第8頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月D-葡萄糖環(huán)化形成吡喃葡糖第9頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月D-果糖環(huán)化形成呋喃果糖第10頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月由Fischer寫成Haworth式：順時針畫平面，左上右下，氧橋一端反向第11頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月單糖由直鏈結(jié)構(gòu)變成環(huán)狀結(jié)構(gòu)后，羰基碳原子成為新的手性中心，導致C1差向異構(gòu)化,產(chǎn)生兩個非對映異構(gòu)體。這種羰基碳上形成的差向異構(gòu)體稱為異頭物（anomer）。在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，半縮醛碳原子也稱異頭碳原子（anomericcarbonatom）或異頭中心。異頭碳的羥基與最末的手性碳原子的羥甲基具有相反取向的異構(gòu)體稱為α-異頭物，具有相同取向的稱β-異頭物。第12頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月在溶液中，糖的鏈狀結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)之間可以相互轉(zhuǎn)變，最后達到一個動態(tài)平衡，稱為變旋現(xiàn)象（mutarotation）。異頭物在水溶液中通過直鏈（開鏈）形式可以互變（差向異構(gòu)化），經(jīng)一定時間后達到平衡。這就是產(chǎn)生變旋現(xiàn)象的原因。例如：從乙醇水溶液中結(jié)晶出的D-Glucose稱為α-D-(+)Glucose([α]20D=+113°)，從吡啶溶液中結(jié)晶出的D-glucose稱為β-D-(+)glucose([α]20D=+18.7°)。將α-D-(+)Glucose與β-D-(+)glucose分別溶于水中，放置一段時間后，其旋光率都逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?52.7°C。原因就是葡萄糖的不同結(jié)構(gòu)形式相互轉(zhuǎn)變，最后，各種結(jié)構(gòu)形式達到一定的平衡，其中α型占36%，β型占63%，鏈式占1%。第13頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Haworth結(jié)構(gòu)式雖能正確反映糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但還是過于簡單，構(gòu)象式最能正確地反映糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它反映出了糖環(huán)的折疊形結(jié)構(gòu)。第14頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月物理性質(zhì)：旋光性甜度溶解性3、單糖的物理和化學性質(zhì)第15頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月化學性質(zhì)：氧化反應醛基氧化：醛糖酸(aldonicacid)

伯醇基氧化：糖醛酸(uronicacid)

醛基、伯醇基同時氧化：醛糖二酸(aldaricacid)

能被弱氧化劑(如Fehhing試劑、Benedict試劑)氧化的糖稱為還原性糖，所有的單糖都是還原性糖。第16頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月形成糖酯蔗糖酯第18頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月形成糖苷單糖半縮醛羥基與另一個分子（例如醇、糖、嘌呤或嘧啶）的羥基、胺基或巰基縮合形成的含糖衍生物第19頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月除了單糖外，還存在一些在生物學上很重要的單糖衍生物。A、單糖磷酸酯三、重要的單糖衍生物第20頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月B、糖醇是原來單糖的羰基氧被還原生成的多羥基醇。山梨糖醇是葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖代謝途徑的中間產(chǎn)物，甘露醇臨床上用于降低顱內(nèi)壓和治療急性腎功能衰竭。木糖醇甜度是木糖的兩倍，是無糖的咀嚼膠的成分，甘油醇和肌醇都是脂的重要成分，核糖醇參與核黃素（維生素B2）的組成。D-葡萄醇D-甘露醇D-木糖醇D-甘油醇肌醇D-核醇第21頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月C、糖酸是由醛糖衍生的羧酸，葡萄糖通過醛糖的C1氧化可生成葡糖酸，通過C6的氧化產(chǎn)生葡糖醛酸。第22頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月D、脫氧糖脫氧糖是指分子的一個或多個羥基被氫原子取代的單糖。2-脫氧-D-核糖是由于DNA合成的構(gòu)建分子，L-巖藻糖和L-鼠李糖是細胞壁的主要成分。烏本苷第23頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月E、氨基糖是分子中一個羥基被氨基取代的單糖，自然界中最常見的是C2上的羥基被取代的2-脫氧氨基糖。氨基糖及其衍生物是許多天然寡糖和多糖的重要組成成分。D-葡糖氨D-半乳糖氨第24頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月四、寡糖二糖是最簡單的寡糖，是由2分子單糖通過糖苷鍵縮合而成。一個糖苷鍵是由一個糖分子的異頭碳與一個醇、一個胺或一個巰基縮合形成的縮醛鍵。含有糖苷鍵的化合物稱為糖苷。常見的二糖有蔗糖、乳糖、麥芽糖、纖維二糖等。第25頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月常見的二糖A、蔗糖俗稱食糖，是最重要的二糖。形成并廣泛存在于光合植物中，不存在于動物中。蔗糖（葡萄糖-α,β(1-2)-果糖苷）第26頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月蔗糖的性質(zhì)物理性質(zhì)：白色結(jié)晶，易溶于水，很甜。有旋光性，無變旋現(xiàn)象。化學性質(zhì)：無還原性，不能成脎。第27頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月B、乳糖主要存在于哺乳動物的乳汁中乳糖（半乳糖-β-(1-4)-葡萄糖苷）第28頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月C、麥芽糖

主要是作為淀粉和其它葡聚糖的酶促降解產(chǎn)物（次生寡糖）存在，在自然界中少量存在天然的麥芽糖（初生寡糖）。麥芽糖(葡萄糖-α-(1-4)-葡萄糖苷)第29頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月D、纖維二糖

纖維素的降解產(chǎn)物和基本結(jié)構(gòu)單位，自然界中不存在游離的纖維二糖。纖維二糖（葡萄糖-β(1-4)-葡萄糖苷）第30頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月二糖結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對比蔗糖乳糖麥芽糖纖維二糖組成1Glc1Fru1Gla1Glc2Glc2Glc糖苷鍵α,β(1-2)β-(1-4)α-(1-4)β-(1-4)變旋-+++還原性-+++第31頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)分寡糖的結(jié)構(gòu)特點參與組成的單糖單位參與成鍵的碳原子位置參與成鍵的異頭碳羥基構(gòu)型單糖單位次序第32頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月五、多糖多糖也稱聚糖，是由多個單糖分子縮合脫水而形成的。多糖根據(jù)是由一種還是多種單糖單位組成可以分為同多糖和雜多糖自然界中最豐富的同多糖是淀粉和糖原（貯存同多糖）、纖維素（結(jié)構(gòu)同多糖）。它們都是由葡萄糖組成。第33頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月A、淀粉

是植物生長期間以淀粉粒形式貯存于細胞中的貯存多糖，也是植物性食物中重要的營養(yǎng)成分。第34頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月天然淀粉一般含有兩種組分：直鏈淀粉（amylose）和支鏈淀粉（amylopectin）。第35頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月淀粉鏈傾向形成有規(guī)則的螺旋構(gòu)象。第36頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月由于α–1，4連接，淀粉分子中每一個殘基與下一個殘基都成一定角度，因此淀粉鏈傾向于形成有規(guī)則的螺旋構(gòu)象。通過X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉的二級結(jié)構(gòu)是一個左手螺旋，每圈螺旋含6個葡萄糖殘基。碘分子正好可以嵌入到螺旋的中心空道，與面向圈內(nèi)的羥基氧相互作用，形成穩(wěn)定的淀粉-碘絡合物。產(chǎn)生特征性的藍色需要36個殘基，也就是6個螺旋。支鏈淀粉中的短串碘分子比直鏈淀粉中的長串碘分子吸收更短波長的光，因此支鏈淀粉遇碘呈紫色。第37頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月α-淀粉酶是一種內(nèi)切葡糖苷酶，隨機作用于淀粉內(nèi)部的α-1,4-糖苷鍵，產(chǎn)物主要是葡萄糖。β-淀粉酶是一種外切葡糖苷酶，專門從淀粉的非還原端開始斷裂α-1,4-糖苷鍵，逐個除去二糖單位，產(chǎn)物是β–麥芽糖。β-淀粉酶α-淀粉酶第38頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月B、糖原

是在動物與細菌中發(fā)現(xiàn)的貯存多糖。與支鏈淀粉類似，也是帶有分支的葡萄糖殘基聚合物，只是分支程度更高，分支更短，每隔8-12個葡萄糖殘基便有一個分支。第39頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月C、纖維素

許多β-D-葡萄糖分子以β-(1-4)糖苷鍵相連而成得直鏈葡聚糖。纖維二糖可以看作它的二糖單位。第40頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月降解纖維素的纖維素酶主要存在于微生物中，一些反芻動物可以利用其消化道內(nèi)的微生物消化纖維素，產(chǎn)生的葡萄糖供自身和微生物共同利用。第41頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維素鏈中，每個殘基相對于前一個殘基翻轉(zhuǎn)180度，使鏈采取完全伸展的構(gòu)象。相鄰，平行的伸展鏈在殘基環(huán)面的水平向通過鏈內(nèi)和鏈間的氫鍵形成片層結(jié)構(gòu)，環(huán)面的垂直向靠其余氫鍵和環(huán)的疏水內(nèi)核之間的范德化力維持。第43頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月D、幾丁質(zhì)（chitin）：是N-乙酰-?-D-葡糖胺的同聚物。是許多無脊椎動物外骨骼的主要結(jié)構(gòu)物質(zhì)第44頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月六、糖綴合物糖與非糖物質(zhì)共價結(jié)合形成的復合物稱結(jié)合糖(復合糖，糖綴合物)，包括糖蛋白與蛋白聚糖、肽聚糖（peptidoglycan），糖脂(glycolipids)等。第45頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月肽聚糖可以看作是由胞壁肽這一基本單位重復排列構(gòu)成的。胞壁肽是一個含四肽側(cè)鏈的二糖單位。是細菌細胞壁的主要成分。革蘭氏陽性細菌胞壁所含的肽聚糖占干重的50-80%，革蘭氏陰性細菌胞壁所含的肽聚糖占干重的1-10%。這一差異使革蘭式染色容易從革蘭氏陰性細菌中被脫色劑（如95%乙醇）洗去。第46頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月NAM,N-乙酰胞壁酸NAC,N-乙酰葡糖胺第47頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月糖蛋白是由短的寡糖鏈與蛋白質(zhì)共價相連構(gòu)成的分子。其總體性質(zhì)更接近蛋白質(zhì)。糖蛋白中的糖鏈變化較大，含有豐富的結(jié)構(gòu)信息。寡糖鏈往往是受體、酶類的識別位點。第49頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月糖肽鏈的連接類型第50頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月糖鏈的生物學功能糖鏈在蛋白質(zhì)新生肽鏈折疊和締合中的作用糖鏈影響糖蛋白的分泌和穩(wěn)定性糖鏈參與分子識別和細胞識別第51頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Thesugarcode（糖密碼）Cellsusespecificoligosaccharidestoencodeimportantinformationaboutintracellulartargetingofproteins,cell-cellinteraction,tissuedevelopment,andextracellularsignals.第52頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Branchedstructures,notfoundinnucleicacidsorproteins,arecommoninoligosaccharides.Withthereasonableassumptionthat20differentmonosaccharidesubunitsareavailableforconstructionofoligosaccharides,wecancalculatethat1.44x1015differenthexamericoligosaccharidesarepossible.（6.4x107(206)differenthexapeptidespossiblewiththe20commonaminoacids,4,096(46)differenthexanucleotideswiththefournucleotidesubunits.）第53頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月LectinsAreProteinsThatReadtheSugarCodeandMediateManyBiologicalProcessesLectins（凝集素）,foundinallorganisms,areproteinsthatbindcarbohydrateswithhighaffinityandspecificity.Lectinsserveinawidevarietyofcell-cellrecognition,signaling,andadhesionprocessesandinintracellulartargetingofnewlysynthesizedproteins.Inthelaboratory,purifiedlectinsareusefulreagentsfordetectingandseparatingglycoproteinswithdifferentoligosaccharidemoieties.第54頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Selectins（選擇素）

areafamilyofplasmamembranelectinsthatmediatecell-cellrecognitionandadhesioninawiderangeofcellularprocesses.Onesuchprocessisthemovementofimmunecells(Tlymphocytes)throughthecapillarywall,frombloodtotissues,atsitesofinfectionorinflammation第56頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月Lectin-CarbohydrateInteractionsAreVeryStrongandHighlySpecificThehighdensityofinformationinoligosaccharidesprovidesasugarcodewithanessentiallyunlimitednumberofunique“words”smallenoughtobereadbyasingleprotein.Intheircarbohydratebindingsites,lectinshaveasubtlemolecularcomplementaritythatallowsinteractiononlywiththeircorrectcarbohydrateco