《糖的化学》课件.ppt

第一章 糖的化学,内 容,重点内容,糖的分类和功能多糖的分类重要多糖的化学结构与生理功能。,第一节 糖的化学,一、糖的概念糖类是自然界存在的一大类具有 广谱化学结构和生物功能的有机化合物。它由碳、氢及氧3种元素组成，其分子式是（CH2O）n。一般把糖看作多羟基醛或多羟基酮及其聚合物和衍生物的总称。,二、糖的分布分布：分布极广、含量较多 几乎所有动物、植物、微生物体 生物细胞内、血液中：葡萄糖或由葡萄糖等单糖物质组成的多糖（如肝糖原、肌糖原）,生物界中含糖的比例,80%,2%,10%,30%,0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,植物,人和动物,微生物,微生物,三、糖的生物学作用,1.糖是人和动物的主要能源物质 通过氧化而放出大量能量贮存：淀粉、糖原2.糖类还具有结构功能纤维素粘多糖几丁质3.糖具有复杂的多方面生物活性与功能戊糖核苷酸1，6-二磷酸果糖治疗急性心肌缺血性休克多糖类免疫系统增强剂，抗肿瘤作用,四、糖的分类根据糖类分子含糖单位的数目,单糖：葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖低聚糖（寡糖）：麦芽糖、蔗糖、乳糖多糖：淀粉、糖原、纤维素糖复合物（复合糖）：糖脂、糖蛋白,（一）单糖,概念:不能被水解成更小分子的糖称为单糖。单糖是糖类中最简单的一种，是组成糖类物质的基本结构单位。特点:单糖是糖类物质的基本结构单位。种类:丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖,丙糖：甘油醛和二羟丙酮,甘油醛,二羟丙酮,丁糖,D-赤藓糖和D-赤藓酮糖 其磷酸酯是糖代谢的重要中间产物,-D-核糖-D-2-脱氧核糖-D-木糖-D-芹菜糖-L-阿拉伯糖-D-阿拉伯糖 D-核酮糖 D-木酮糖,戊 糖,己糖,-D-葡萄糖-D-甘露糖-L-山梨糖,-D-半乳糖-D-果糖-L-半乳糖,D-葡萄糖（G),己糖：葡萄糖和果糖,葡萄糖的两种形式,-D-葡萄糖,-D-葡萄糖,D-果糖,-D-果糖,（二）寡 糖,概念:由单糖缩合而成的短链结构（一般含26个单糖分子）特点:二糖是存在最为广泛的一类寡糖，蔗糖（sucrose）、麦芽糖（maltose）、乳糖（lactose）。单糖和寡糖能溶于水，多有甜味,麦芽糖:两分子葡萄糖1-4糖苷键缩合而成,-D-葡萄糖环,-D-葡萄糖环,-D-果糖环,蔗 糖：非还原糖乳 糖：还原糖麦芽糖：还原糖海藻糖：非还原糖,乳糖：一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成,蔗糖：一分子葡萄糖一分子果糖1-4糖苷键缩合而成,低聚糖,分类普通低聚糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖、麦芽三糖和麦芽四糖等功能性低聚糖：低聚果糖、大豆低聚糖、低聚半乳糖、低聚木糖等,可被机体消化吸收，不是肠道有益细菌双歧杆菌的增殖因子。,不能被机体消化吸收而直接进入大肠，是双歧杆菌的增殖因子，对调整菌群结构、维持肠道功能、提高机体健康水平具有重要作用。,（三）多 糖,1.多糖的分类,许多单糖分子缩合而成的长链结构,（1）按照来源分类 植物多糖水溶性多糖，如中药材中提取:当归多糖、枸杞多糖、水不溶性多糖，如淀粉、纤维素等。动物多糖从动物的组织、器官及体液中分离、纯化得到的多糖 水溶性的粘多糖：肝素、硫酸软骨素、透明质酸、猪胎盘脂多糖等 微生物多糖香菇多糖，茯苓多糖，银耳多糖，猪苓多糖，云芝多糖 对肿瘤治疗及调节机体免疫效果显著 海洋生物多糖 从海洋、湖泊生物体内分离、纯化得到的多糖。甲壳素（壳多糖、几丁质）、螺旋藻多糖等。,（2）按生理功能分类,储存多糖：又称贮能多糖，淀粉和糖原分别是植物和动物的最主要贮存多糖结构多糖：水不溶性多糖 几丁质、纤维素,（3）多糖按照其组成成分的分类,1同聚多糖（均一多糖）（homopolysaccharide）由一种单糖缩合而成淀粉、糖原、纤维素、几丁质2杂聚多糖（不均一多糖）（heteropolysaccharide）由不同类型的单糖缩合而成，肝素、透明质酸、大黄多糖、当归多糖、茶叶多糖等3粘多糖（mucopolysaccharide）也称为糖胺聚糖（glycosaminoglycan）是一类含氮的不均一多糖，通常为糖醛酸及氨基己糖或其衍生物，有的还含有硫酸。透明质酸、肝素、硫酸软骨素等,4结合糖 也称糖复合物（glycoconjugate）或复合糖，是指糖和蛋白质、脂质等非糖物质结合的复合分子。（1）糖蛋白（glycoproteins）：糖与蛋白质以共价键结合的复合分子。糖的含量一般小于蛋白质。结合的方式：1）和含羟基的氨基酸（丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸等）以糖苷形式结合，称为O连接。2）糖和天冬酰胺的酰胺基连接，称为N连接。常见的糖蛋白：人红细胞膜糖蛋白、血浆糖蛋白、粘液糖蛋白等。（2）蛋白聚糖（proteoglycan）是一类由糖与蛋白质结合形成的非常复杂的大分子糖复合物，其中蛋白质含量一般少于多糖。（3）糖脂（glycolipids）糖脂是糖类通过其还原末端以糖苷键与脂类连接起来的化合物，其组成和总体性质以脂为主体。根据脂质部分不同：1）分子中含鞘氨醇的鞘糖脂（glycosphingolipids），又分中性和酸性鞘糖脂两类，分别以脑苷脂和神经节苷脂为代表。2）分子中含甘油酯的甘油糖脂（glycoglycerolipids）。3）由磷酸多萜醇衍生的糖脂。4）由类固醇衍生的糖脂。功能：参与细胞与细胞间相互作用和识别，参与细胞生长调节、癌变和信息传递以及与生物活性因子的相互作用，细胞标记和抗原及免疫学功能等。（4）脂多糖（lipopolysaccharide）在脂多糖中以糖为主体成分，常见的脂多糖:胎盘脂多糖，细菌脂多糖等。,同聚多糖与杂聚多糖,同聚多糖,杂聚多糖,支链结构,直链结构,直链结构,支链结构,2.重要多糖的化学结构与生理功能,（1）淀粉是高等植物的贮存多糖直链淀粉-1,4糖苷键 支链淀粉-1,6糖苷键,直链淀粉空间结构为空心螺旋状,支链淀粉,-1,4糖苷键,-1,6糖苷键,-1,4糖苷键,-1,6糖苷键,（2）糖 原glycogen,糖原是动物体内的贮存多糖，主要存在肝及肌肉中。由-D-葡萄糖构成的同聚多糖，结构与支链淀粉相似，带有-1，6分支点的-1，4-葡萄糖多聚物,但分支比支链淀粉多,（3）葡聚糖dextran,葡聚糖又称右旋糖酐。是酵母菌及某些细菌中的贮存多糖。由多个葡萄糖缩合而成的同聚多糖，葡萄糖之间几乎均为-1，6连接作为代血浆,（4）纤维素cellulose,是构成细胞壁和支撑组织的重要成分。由许多-D-葡萄糖苷-1，4-糖苷键连接而成的直链同聚多糖,纤维素分子的-D-葡萄糖连接方式,纤维素,（5）琼 胶,琼胶又称琼脂，是一些海藻所含的多糖，其单糖组成为L-及D-半乳糖。,D-半乳糖以-1，3-糖苷键连接成短链（含9个D-半乳糖单位）再与L-半乳糖以1，4-糖苷键项链，L-半乳糖C6结合一硫酸基,溶解,断裂,聚合,琼脂凝胶形成过程,（6）几丁质,几丁质又称甲壳素或壳多糖，是虾、蟹和昆虫甲壳的主要成份，由N-乙酰氨基葡萄糖通过-1，4糖苷键连接起来的同聚多糖,-1,4糖苷键,（7）粘多糖类1透明质酸hyaluronic acid 存在于动物的结缔组织、眼球的玻璃体、角膜、关节液中。具有很强的吸水性，在水中能形成黏度很大的胶状液，故有粘合与保护细胞的作用。,透明质酸,葡萄糖醛酸与N-乙酰氨基葡萄糖以-1，3键连接成二糖单位，后者再以-1，4键同另一个二糖单位连成线性结构。,是体内最多的粘多糖，软骨的主要成份，具有降血脂和抗凝血的作用。,2）硫酸软骨素chondroitin sulfate,硫酸软骨素A：葡萄糖醛酸-1，3-N-乙酰氨基半乳糖-4-硫酸酯,硫酸软骨素B：艾杜糖醛酸-1，3-N-乙酰氨基半乳糖-4-硫酸酯,硫酸软骨素C：葡萄糖醛酸-1，3-N-乙酰氨基半乳糖-4-硫酸酯,最早在肝中发现，也存在于肺、血管壁、肠粘膜等组织中，是动物体内天然抗凝血物质,3）肝 素,硫酸氨基葡萄糖、葡萄糖醛酸和艾杜糖醛酸的硫酸酯,粘多糖的组成成分及分布,名称 主要组成成分 分布,透明质酸硫酸软骨素A硫酸软骨素B硫酸软骨素C软骨素硫酸角质素肝素硫酸类肝素,乙酰葡萄糖胺，D-葡萄糖醛酸乙酰葡萄糖胺，D-葡萄糖醛酸，硫酸乙酰葡萄糖胺，L-艾杜糖醛酸，硫酸乙酰葡萄糖胺，D-葡萄糖醛酸，硫酸乙酰葡萄糖胺，D-葡萄糖醛酸，乙酰葡萄糖胺，D-半乳糖，硫酸磺酰葡萄糖胺，D-葡萄糖醛酸，硫酸乙酰葡萄糖胺，D-葡萄糖醛酸，硫酸,眼球玻璃体、脐带、关节软骨、骨皮肤、腱、心瓣膜软骨、期待、腱皮肤角膜、肋骨肝、肺、肾、肠粘膜等肝、肺等,（8）细菌多糖,1）肽聚糖peptidoglycan又称胞壁质murein，是构成细菌细胞壁骨架的主要成份。多糖与氨基酸链相连的多糖复合物。由于氨基酸链不像蛋白质那样长，因此，此聚合物称为肽聚糖。,2）脂多糖 革兰阴性菌的细胞壁含有低于10%的肽聚糖，尚含有脂多糖。一般由外层低聚糖链、核心多糖及脂质三部分组成。,革兰氏阳性菌,肽聚糖层,革兰氏阴性菌,脂多糖,肽聚糖层,糖复合物（复合糖）,糖蛋白：广义的指蛋白质与糖以共价键结合的复合分子。,糖类与非糖物质的结合物,糖链和肽链有两种连接方式：N-糖苷键和O-糖苷键。,糖脂：一类含有糖基的脂质化合物。,第二节多糖的分离、纯化及降解,一、多糖的提取与分离,1、第一类难溶于水，可溶于稀碱液的主要是胶类，如木聚糖及半乳糖等。0.5mol/LNaOH水溶液提取，提取液经中和及浓缩等步骤，最后加入乙醇，即得粗糖沉淀物2、第二类易溶于温水，难溶于冷水的多糖7080热水提取，提取液用氯仿：正丁醇（4：1）混合除去蛋白质，经透析、浓缩后再加入乙醇即得粗多糖产物。3、第三类粘多糖的提取碱液提取法蛋白水解酶消化法,二、多糖的降解 1 化学降解法：亚硝酸控制降解法 2 酶法降解：肝素酶法 3 辐射降解法,三多糖的理化性质测定（一）多糖的含量测定总糖的含量测定可采用硫酸蒽酮法或硫酸萘酚法（二）多糖的纯度分析：多糖属于高分子化合物，其纯度不能用小分子化合物的标准判断，即使是一种多糖纯品，其微观也并不均一。通常所说的多糖纯品实质上是一定分子量范围的均一组分。其纯度只代表相似链长的平均分布。1.电泳法：可用醋酸纤维素膜电泳、玻璃纤维纸电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳及琼脂糖电泳等。2.凝胶柱层析法：常用Sephadex G-150、G-200或DEAE-纤维素3.紫外扫描法：多糖的紫外特征吸收应在200nm。4.其他方法：HPLC、示差折射法（三）多糖的分子量测定 凝胶柱层析法 特性粘度法 多糖其他重要的理化性质测定还包括比旋光度测定和溶解度测定,四、多糖的结构分析（包括单糖组成，单糖之间的连接位置，连接顺序等）（一）多糖组成成分的分析:有何种单糖组成及单糖之间的比例 1 酸水解 2 乙酰解 3 甲醇解（二）多糖结构的甲基化分析 常用的甲基化方法是Hakomori法，反应式如下：R-OH+CH3SO-CH2-Na+R-O-Na+CH3SOCH3（多糖类）（二甲亚磺酰负碳离子）R-O-Na+CH3IR-O-CH3+NaI（甲基化多糖）,（三）多糖结构的过碘酸氧化及Smith降解11，2-连接糖苷键21，3-连接糖苷键,31，4-连接糖苷键,41，6-连接糖苷键,（四）多糖结构的酶降解测定法1 外切糖苷酶 只能切下多糖非还原末端的一个多糖，并对单糖组成和糖苷键有专一性要求，因而通过水解达到糖链的逐步降解，提供有关单糖的组成、排列顺序及糖苷键的或构型的信息-D-半乳糖甘酶（-D-galactosidase）-D-半乳糖苷酶（-D-galactosidase）-D-甘露糖苷酶（-D-mannosidase）-D-甘露糖苷酶（-D-mannosidase）-L-岩藻糖苷酶（-L-fucosidase）N-乙酰-D-氨基己糖酶（N-acetyl-D-hex-osaminidase）N-乙酰-D-氨基半乳糖酶（N-acetyl-D-galactosaminidase）,2内切糖苷酶 内切糖苷酶可水解糖链内部的糖苷键，释放多糖链片段，有时还可将长的多糖链切断为较短的寡糖片段，以利于结构分析内切-N-乙酰-D-氨基葡萄糖酶（endo-Nacetyl-D-glucosaminidase）内切-D-半乳糖苷酶（endo-Dgalactosidase）内切-N-乙酰-D-氨基半乳糖酶（endo-D-galactosaminidase）肽-N-聚糖水解酶,五、糖链与糖蛋白的生物活性1.糖链与酶活性糖链在酶的新生肽链折叠、转运和保护等方面普遍起作用。但糖链与成熟酶活性的关系因酶而异。2.糖链与激素活性 糖蛋白激素主要有腺垂体促激素类包括FSH（促卵泡激素），LH（促黄体激素）和TSH（促甲状腺激素）以及胎盘绒毛膜促性腺激素和红细胞生成素（erythropoietion,Epo）等。3.糖链与IgG活性 每分子IgG平均含糖链约三条，其中两条存在于Fc段每条重链的Asn297位，其余位于Fab段的高变异区的Asn-X-Ser/Thr位点。4糖链介导的细胞识别功能 糖链的分子内功能主要包括正确的折叠细胞内定位生物学活性溶解性抗原性生物学半衰期和蛋白酶敏感性，糖链的分子间功能主要包括对溶酶体的靶向性组织靶向性细胞间黏附和结合病原体。,第三节以糖类为基础的药物研究,一、以糖类为基础的药物（一）以糖类为基础的药物以糖类为基础的药物研究和设计大致可分为这样几个阶段：（1）有关的生命现象研究；（2）阐明其分子基础；（3）从有关的糖复合物中找出有效的寡糖，并测定其结构；（4）开发更有效的衍生物；（5）寻找有效的非糖类模拟化合物。（二）糖类药物的设计与应用1 糖库的建立和糖链的合成2 设计多价的糖药物3 以糖类导向和定位的药物4 用糖类提高药物在体内的寿命（三）糖类药物的模拟1 寻找糖类模拟物的目的2 模拟糖链3 随机肽库4 拟糖多肽,二、糖基化工程（一）蛋白质糖基化 蛋白质的糖基化就是在多肽主链上共价附加糖基，它与磷酸化，甲基化，酰基化等过程同属真核细胞蛋白质翻译后加工过程。糖基化对重组蛋白质关键生物属性的影响主要包括以下几个方面：1对蛋白质溶解性和稳定性的影响2 对生物活性的影响3 对药代动力学的影响4 对免疫原性的影响,（二）糖基化工程的概念 糖型是指相同的多肽链上共价相连着不同的聚糖结构。在深入研究糖蛋白中糖链结构、功能以及两者关系基础上发展起来的糖基化工程主要是通过认为的操作（包括增加、删除或调整）蛋白质上的寡糖链，使之产生合适的糖型，从而达到有目的地改变糖蛋白的生物学功能。糖基化工程具有如下优点：（1）增加合成或分泌的效率；（2）增加溶解性；（3）延长生物学半衰期；（4）增强生物学活性；（5）增强稳定性和蛋白酶抗性；（6）降低异质性；（7）降低抗原性；（8）靶向进入或离开特定组织；（9）有利于纯化和质量控制；（10）有助于结晶。,研究糖基化工程的意义(一）阐明糖蛋白中糖链的结构和功能；（二）改变糖型，生产合乎人们需要的治疗性或实验性糖蛋白。（三）糖基化工程的研究方法 选择特异的宿主细胞（例如细菌、酵母、昆虫和哺乳动物细胞）、应用哺乳动物糖基化突变型、利用突变来删除或增加糖基化位点、利用糖基化抑制剂何以糖苷酶或糖基转移酶处理纯化的糖蛋白。（四）糖基化工程在糖蛋白药物研制中的应用 糖蛋白药物 糖蛋白新药的研制方法：化学修饰，糖基化工程，主要包括糖基化（glycosylations）和去糖基化（deglycosylations）,