糖生物学
7.糖类
邻苯甲酰磺酰亚胺
天冬氨酰苯丙氨酸甲酯
（五）单糖的主要化学反应
单糖为多羟基醛/酮，因此它的化学反应体现在-OH 和醛基或酮基上。 醛基或酮基：氧化，还原 羟基：成酯，成苷
糖是世界上存在最多 的一类有机化合物， 也是人类所需要的最 基础的物质
肌糖原－能源 结缔组织－结构糖
动物干重2％
韧带－结构糖
糖蛋白、糖脂、信息分子糖
细胞表面识 别标记－糖
2.糖的化学本质
① 多羟基醛/酮 ② 多羟基醛/酮的衍生物 ③ 可以水解为多羟基醛/酮或 它们衍生物的物质 甘油醛 二羟丙酮 定义： 糖是多羟基的醛类或酮类化合物，以及它们的衍生物或聚 合物的总称 含有不同碳原子数的单糖都有其醛糖和酮糖形式
植物：含糖量占其干重的 85-90%
淀粉颗粒 糖原颗粒
动物：含糖量不超过干重的 2% 糖类占人体全部供能量的 70%
与膜蛋白和膜脂相连的糖——通信天线
4.糖生物学（Glycobiology）
——生命科学中的新前沿 过去一直认为糖类化合物结构简单，功能单调，只 是作为支持组织或能源贮存作用，加之深入研究糖类 结构时也遇到困难，所以很长时间不被重视。 近三十年发现，细胞的通讯、识别、细胞调节等都 直接依赖糖复合物，所有有人认为糖类物质同样是生 物信息的携带者。 多糖同蛋白质、核酸一样是生命现象中的并列的三 种重要的生物大分子，目前对多糖的研究现在已成为 一门热门科学。
• 氨基糖，也称糖胺（单糖上的羟基被氨基取代，有时 氨基被乙酰化 ）
糖生物学
糖类和血型
• 众所周知人类的主要血型是ABO型，是 1900年Landsteiner发现的。这一发现在 第一次世界大战期间对抢救伤员作出了重 大贡献Landsteiner因发现ABO血型而获得 1930年诺贝尔生理和医学奖。 • 经过许多免疫学家半个多世纪的研究， 1960年Witkins确定了ABO(H)的抗原决定 簇是糖类，并测定了有关糖类的结构。
一个分子生物学的扩展
糖类药物
• 以糖类为基础的抵抗疾病的药物来源很广，多数 是天然存在的化合物，例如糖苷类。 • 以糖类为基础的药物的作用位点是在细胞表面， 这类药物干扰整个细胞和机体。科学家认为，糖 类药物是副反应相对较小的药物之一。它们不仅 可以作为治疗疾病的药物，也可作为保健食品。 • 以糖类为基础疫苖 • 以糖类为基础的药物，不仅可用于人与动物，还 可以用作农药，比起传统的化学农药来，以糖类 为基础的生化农药对环境的污染更小。
• 己糖胺 Hexosamines ，N-乙酰半乳糖胺(GalNAc) • 五碳糖Pentoses：木糖 xylose (Xyl) • 脱氧已糖，Deoxyhexoses:岩藻糖(Fuc) • 己糖胺 Hexosamines :N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc) • 九碳糖酸: N-乙酰神经氨酸(NeuAc) • 糖醛酸，Uronic Acids：glucuronic acid (GlcA) and iduronic acid (IdA).
聚糖更新
• 像活细胞的所有组成部分，多聚糖不断更新。 • 介导反应的酶：exoglycosidases或 endoglycosidases 。 • 一些单位可被删除，然后添加到没有降解的链上。 • 最后完成降解在溶酶体内，由一系列的糖苷酶降 解。降解的单糖常出溶酶体进入细胞质再利用。 • ER -高尔基途径聚糖聚合相对缓慢，细胞核和细 胞质多聚糖可能会更动态，并迅速。
生物化学第7章 糖类和糖生物学
• 糖类物质根据它们的聚合度分类如下： • • • • • • 单糖 （monosaccharide） 寡糖 （oligosaccharide） 多糖 （polysaccharide） 同多糖（homopolysaccharide） 杂多糖（heteropolysaccharide） 结合糖(复合糖，糖缀合物，glycoconjugate)
• α-淀粉酶是一种内切葡糖苷酶，随机作用于 淀粉内部的 α-1,4-糖苷键，产物主要是葡萄 糖。 • β -淀粉酶是一种外切葡糖苷酶，专门从淀粉 的非还原端开始断裂 α-1,4-糖苷键，逐个除 去二糖单位，产物是β –麦芽糖。 β -淀粉酶 α-淀粉酶
• B、糖原 是在动物与细菌中发现的贮存多 糖。与支链淀粉类似，也是带有分支的葡萄糖 残基聚合物，只是分支程度更高，分支更短， 每隔8-12个葡萄糖残基便有一个分支。
二糖结构与性质对比
蔗糖 组成 糖苷键 乳糖 麦芽糖 纤维二糖 2Glc β-(1-4)
1Glc1Fru 1Gla1Glc 2Glc α,β(1-2) β-(1-4) α-(1-4)
变旋
还原性
-
+
+
+
+
+
+
区分寡糖的结构特点
• • • • 参与组成的单序
乌本苷
• E、氨基糖 是分子中一个羟基被氨基取代 的单糖，自然界中最常见的是C2上的羟基被取 代的2-脱氧氨基糖。氨基糖及其衍生物是许多 天然寡糖和多糖的重要组成成分。
D-葡糖氨
D-半乳糖氨
四、寡糖
• 二糖是最简单的寡糖，是由2分子单糖通过糖 苷键缩合而成。一个糖苷键是由一个糖分子的 异头碳与一个醇、一个胺或一个巯基缩合形成 的缩醛键。含有糖苷键的化合物称为糖苷。常 见的二糖有蔗糖、乳糖、麦芽糖、纤维二糖等。
糖生物学与糖化学【精选】
糖与蛋白质、脂类和核酸一样，是组成细胞的重要成分，核酸分子中也不能没有核糖，从分子生物学的研究知道，糖不但是细胞能量的主要来源，在细胞的构建、细胞的生物合成和细胞生命活动的调控中，均扮演着重要的角色。
糖生物学(glycobiology)是研究聚糖及其衍生物的结构,化学,生物合成及生物功能的科学。
蛋白质、核酸和多糖是构成生命的三类大分子，蛋白质和核酸的研究已经成为生命科学中的热点问题。
科学家对糖的研究早在19世纪就已开始，但由于糖链结构的复杂多变，物理和化学分析手段的滞后，百余年来科学界对糖的认识几乎没有多大进展。
随着分子生物学的兴起，从20世纪60年代开始，物理和化学技术的发展，终于使糖的研究进入了新阶段。
到了90年代糖生物学才发展起来的生物化学中的最后的一个巨大学术前沿领域。
糖生物学是研究糖缀合物糖链的结构、生物合成和生物学功能的一门科学。
其研究的范围包括糖的化学结构、性质，糖链在细胞中的生物合成，糖链在生命系统中的功能，糖链的基因程序和分子操作。
糖生物学有着广阔的应用前景，它是生物化学和生物医学学科交叉的新前沿。
生物学家发现，糖结构的微小差异可能对生物功能有重大影响。
事实上，糖涉及到从胚胎发育到免疫系统控制的每一件事情。
在所有器官中，糖无所不在。
对糖生物学的深入研究可能会产生新药，或改进现有药物的疗效。
例如，加有适量糖的、基于蛋白质的药物，可能产生更有效的治疗，以及减少所需药物剂量。
糖生物学是生物化学的一个重要方面，在人体结构、功能、代谢、调节和疾病发生中起着十分重要的作用，并已取得很多进展。
1 糖生物学研究的现状和特点1.1对糖结构的研究糖链结构与功能的阐明将是后基因组时代生命科学研究的核心内容之一，对人类健康的维护和疾病的防治将产生深远影响。
糖链的结构具有惊人的多样性、复杂性和微观不均一性，其一级结构的内容不仅包括糖基的排列顺序，还包括各糖基的环化形式、各糖基本身异头体的构型、各糖基间的连接方式以及分支结构的位点和分支糖链的结构。
糖生物学的主要内容
第一章：序言糖生物学：广义来说，糖生物学可定义为研究自然界广泛分布的糖类（糖链和聚糖）其结构、生物合成及生物学的一门学科糖缀合物：单糖、寡糖或多糖与蛋白质和脂质连接形成糖缀合物一种酶，一连键规则：由于糖基转移酶对供体和接纳体有严格的专一性要求，在特异的连键上一种酶只能添加一种形式的糖微不均一性:在一种特殊型细胞中的一种给定蛋白质的任何给定糖基化位点上合成的聚糖的精确结构中发现有一定范围的变化聚糖功能的研究方法：1 应用凝集素或抗体对特异聚糖的定域或干扰2 利用糖基化的代谢抑制或变更3 发现特异性受体的天然聚糖配体4 发现识别特异聚糖的受体5 可溶性聚糖或结构模拟物的干扰6 应用糖苷酶去除特异的聚糖结构7 对天然或遗传工程的聚糖突变株进行研究8 对天然或遗传工程的聚糖受体突变株的研究第二章：糖的结构和性质α-D-吡喃葡萄糖 α-D-吡喃半乳糖 β-D-吡喃甘露糖单糖的物理、化学性质第三章：单糖代谢转运子的分类：易扩散转运子（GLUT ）特点：不需能量 ，Km=2-20mmol/l能量依赖型转运子特点：需能，转运效率高 （1）离子偶联型：钠-葡萄糖转运子SGLT,Km=1mmol/l （2）ATP 依赖的磷酸化偶联型：Km 微摩尔数量级（细菌）胞内单糖的来源：（1）胞外糖源（2）胞内糖源（补救途径）单糖在细胞的代谢过程（以Man 为例）细胞外的Man 被细胞膜上的甘露糖转运子转移到细胞内，在细胞质中在甘露糖激酶的作用下形成Man-6-P 。
在磷酸变位酶的作用下Man-6-P 转变为Man-1-P ，Man-1-P 与GTP 反应，脱去一个焦磷酸，生成GDP-Man 。
GDP-Man 被糖核苷酸转运子转移到内质网和高尔基体中，进行糖缀合物的合成，最后为分泌到细胞膜或分泌到细胞外这是胞外糖源途径，单糖在细胞内的代谢还有另一种途径，即补救途径溶酶体中的糖缀合物被水解酶水解，产生的甘露糖被转运到细胞之内，按照胞外糖源途径参与代谢。
糖类和糖生物学
船式
椅式
O
CH2OH
HO
HO
OH
OH
O
CH2OH
HO
HO
OH
OH
O
CH2OH
OH
OH
OH
OH
单糖的物理性质
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右旋和左旋。
在旋光率数值前加“+”和“-”分别表示
04
旋光度（DtD）的表示方法
比旋光度（旋光率）：
03
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4、成脎反应
单糖与苯肼作用，先羰基与苯肼生成苯腙；苯肼过量时，生成不溶于水的黄色结晶，叫糖脎 （过量） 苯肼
醛糖或酮糖的成脎反应，都发生在C1和C2上。 同碳数的单糖，只是C1和C2 不同，其它C原子的构型相同，与苯肼反应得到相同的脎。
成酯反应
生物体内，糖在酶的作用下形成一些单酯或二酯。其中最重要的是磷酸酯，它们在生物代谢过程中起着重要的作用。
支链淀粉
2,3-二甲基葡萄糖
2,3,4,6-四甲基葡萄糖
2,3,6-三甲基葡萄糖
糖链结构测定的常用方法
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高碘酸氧化
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化学法
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甲基化分析：甲醚基 糖醇 乙酰化
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测定直链多糖的聚合度和支链多糖的分支数目
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寡糖顺序降解
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确定糖苷键的位置
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酶法
+52.70
+1120
+18.70
乙醇溶液
吡啶溶液
D-葡萄糖的变旋光现象，用其链状结构是无法解释的。
糖生物学
糖链数目差异很大，4-30个不等。
（二） 糖链与蛋白连接方式
N-连接：糖基1位C上-OH与肽链上Asn的 酰氨基相连。 O-连接：糖基1位C上-OH与肽链上丝、苏 羟基相连。 糖分支犹如天线状，称二、三、四、五天线 结构，不均匀结合蛋白表面。
（一）N—连接糖蛋
1.定义 糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列 的天冬酰胺氮以共价键连接称N—连接糖蛋 白。 2.糖基化位点 N—连接糖蛋白中的Asn-X-Ser/Thr三个氨 基酸残基的序列子称为糖基化位点。
（二）O—连接糖蛋白 1.定义 糖蛋白糖链与蛋白部分的丝/苏氨酸残基的羟基相连， 称为O—连接糖蛋白。
2.O—连接寡糖结构 O—连接寡糖有N—乙酰半乳糖与半乳糖构成核心二糖， 核心二糖可重复延长及分支，再接上岩藻糖、N—乙 酰葡萄糖胺等单糖。 3.O—连接寡糖合成 O—连接寡糖在N—乙酰半乳糖基转移酶的作用下，在 多肽链的丝/苏氨酸羟基上连接上N—乙酰半乳基，然 后逐个加上糖基直至O—连接寡糖链的形成。
（3）硫酸角质素（KS）: 半乳糖+乙酰氨基葡萄 糖 (Gal- GlcNAc) 单个KS很少大于4万（80个重复二糖）, 无糖醛酸。 （4）硫酸乙酰肝素（HS）及肝素（Hep）: HS 葡 萄 糖 醛 酸 + 乙 酰 氨 基 葡 萄 糖 (GlcUAGlcNAc) Hep : 艾 杜 糖 醛 酸 + 乙 酰 氨 基 葡 萄 糖 (idoUAGlcNA) |a 1→3|单个分子量10万
三 与医学关系
“细胞颜面 ”，糖被、植被，传递信息、受体， 每个红细胞表面50万个糖蛋白、表面唾液酸 （负电），避免在血管内粘付。 血型 各型的抗原决定簇差异为糖链非还原末 端糖基，A—N-乙酰氨基半乳糖，B—半乳糖， O—无此末端糖基。 糖链改变，可产生自身抗体，→ 自身免疫性 疾病。 恶性肿瘤的恶性行为（侵袭、转移等）与其细 胞表面糖复合物的组成、结构密切相关。 病原微生物的感染有种属与组织专一性。 神经系统富含脂类，糖脂为重要成分。
生物化学第一章糖类
D-阿卓糖
D-葡萄糖
D-甘露糖
D-半乳糖
D-古洛糖
D-艾杜糖
The
4 aldohexose has four chiral centers, thus has
2 =16 isomers.
第二十三页，共94页
D-塔洛糖
三、单糖的环状结构
许多单糖，新配制的溶液会发生旋光度的改变，
这种现象称变旋。从乙醇水溶液中结晶出的D（+）- glucose 称为α-型（[α]20D= +112.2°），
2+
3+
Hg 和Bi 等）如Fehhing试剂（酒石酸钾钠、NaOH和CuSO4）、Benedict
2+
试剂（柠檬酸、NaCO3和CuSO4 ）中的Cu 是一种弱氧化剂，能使醛糖的
醛基氧化成羧基，产物称醛糖酸，金属离子自身被还原。
能使氧化剂还原的糖称为还原性糖，所有的醛糖都是还原性糖。
Benedict试剂常被用作尿糖的定性与半定量测试。
2. 寡糖：是由2~20个单糖通过糖苷键连接而成的糖
类物质。包括二糖、三糖、四糖、五糖和六糖
等。
第七页，共94页
五、旋光异构
1. 同分异构或称异构（isomerism）是指存在两个或多个具有
相同数目和种类的原子并因而具有相同相对分子质量的化合
物的现象。同分异构有相同的组成，故具有相同的分子式。
同分异构主要有两种：结构异构和立体异构。
classic sugar test—Fehling’s test that was used to test of excess sugar in blood and
urine of diabetics.
糖生物学的研究范畴
糖生物学的研究范畴糖生物学是研究糖的形成、代谢、功能和调控的学科领域。
糖是生物体内重要的能量来源，也是细胞膜的组成成分，在维持生物体的正常功能和代谢过程中起着重要作用。
糖生物学的研究范畴涉及糖的合成、降解、转运、信号传递等多个方面，对于揭示糖与生物体健康、疾病等方面的关系具有重要意义。
糖生物学的研究范畴主要包括以下几个方面：1. 糖的合成与降解：糖的合成和降解是糖代谢的核心过程。
糖合成主要通过光合作用和糖异生途径进行，而糖降解则通过糖酵解和呼吸作用进行。
糖生物学研究了糖的合成和降解途径、关键酶的调控机制以及其在生物体内的功能。
2. 糖的转运与储存：糖在生物体内的转运和储存是维持能量平衡的重要过程。
糖生物学研究了糖在细胞内和细胞间的转运机制，以及糖在细胞内的储存形式和调控机制。
3. 糖的信号传递：糖作为一种重要的信号分子，在生物体内参与了多个信号通路的调控。
糖生物学研究了糖在信号传递中的作用机制，例如通过糖基化修饰调控蛋白的功能，以及糖作为信号分子参与的生物学过程。
4. 糖与疾病的关系：糖的异常代谢与多种疾病的发生和发展密切相关。
糖生物学研究了糖代谢异常与糖尿病、肥胖症、心血管疾病等疾病的关系，为疾病的预防和治疗提供了理论基础。
糖生物学的研究方法主要包括生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学等多个学科的交叉应用。
通过这些方法，研究者可以揭示糖的合成途径、降解途径以及相关酶的结构和功能，进而探索糖在生物体内的作用机制和调控网络。
糖生物学的研究对于人类健康和疾病的防治具有重要意义。
通过深入研究糖的代谢和调控机制，可以为糖尿病、肥胖症、心血管疾病等疾病的预防和治疗提供理论依据。
此外，在农业领域，糖生物学的研究也有助于提高作物的产量和品质，为粮食安全和农业可持续发展做出贡献。
糖生物学是一个重要的研究领域，它涉及糖的合成、降解、转运、信号传递等多个方面。
糖生物学的研究对于揭示生物体的代谢机制、疾病发生机理以及农业生产等具有重要意义。
糖生物学
分支度与生物活性的关系
多糖分支与活性的关系并不是一种线性
关系,分支度适中的多糖往往具有较高的
活性,而分支度过高或过低的多糖其活性
都有限。
高级结构与生物活性的关系
多糖二级或三级结构比一级结构在活性
方面起更大的决定作用
研究结果表明:高分子质量的β-1 ,3-D-葡萄糖
的高度有序结构(三股螺旋) ,对于免疫调节活性
4、活性多糖的构效关系
一级结构与生物活性的关系
糖苷键型和单糖连接方式对多糖活性的 影响远远大于单糖的组成。
具有1→3连接方式的多糖大多具有生物活 性,部分1→6连接方式的多糖也具有生物活 性,而1→2，1→4 等连接方式的多糖很少 具有活性。
侧链基团与生物活性的关系
多糖的活性与其分子中某些化学基团有
Carbohydrates
一、糖生物学概念的提出
• 糖的功能:
• 生物体的能源 • 结构支架材料(植物的纤维、昆虫的几丁质、 高等动物结缔组织的粘多糖)
• 淋巴细胞表面的糖基是使它正确进入淋巴
组织的决定因子,如果用岩藻糖酶处理淋巴
细胞后,后者不能进入脾脏改进入肝脏
内质网中新 合成的溶酶 体酶靠糖链 上的6-磷酸 甘露糖标记， 得以通过胞 内分发系统 进入行使功 能。
研究领域： 糖化学、糖链生物合成、糖链在复杂生物 系统中的功能和糖链操作技术，其应用研 究部分则属于糖工程。
各国政府对糖生物学研究的支持
美国能源部（1986）资助佐治亚大学创建了复 合糖类研究中心(CCRC)，建立复合糖类数据库 (CCSD)。
2001年9月：启动 “功能糖组学”研究，目标： 阐明由蛋白质-糖链相互作用所介导的细胞通讯 机制。
2）O-糖肽键：乙酰半乳糖胺的半缩醛 基C1原子与多肽链上Ser、Thr、Hyl羟基 的O原子共价相连
第四讲 糖生物学
卵白蛋白的糖形
三、蛋白聚糖
一些蛋白质的肽链上， 一些蛋白质的肽链上，连接了一些含有重复二糖 结构单元的很长的糖链， 结构单元的很长的糖链，这类糖链被称为糖胺 聚糖， 聚糖，因为重复单元中含有氨基葡萄糖或氨基 半乳糖，而且在不同的部位具有硫酸取代基。 半乳糖，而且在不同的部位具有硫酸取代基。
（一）蛋白聚糖的结构特征
糖链立体结构的多样性
（三）糖类的分类
根据糖类的组分可以为两大类 –简单糖类和复合糖类 简单糖类和复合糖类 • 简单糖类 –只有糖残基，而无其它类型的组分 只有糖残基， 只有糖残基 • 复合糖类 –除了糖残基外，还有其它组分，例如肽 除了糖残基外， 除了糖残基外 还有其它组分， 类、脂质等
常见的复合糖类
（一）糖的结构与构象
双 糖
多 糖
（二） 糖链结构的复杂性
• 形成糖链时，各个单糖之间可以有多种不同 形成糖链时， 的连接方式： 的连接方式：1-2，1-3，1-4和1-6等,异头体 又可以以α 两种方式连接。 又可以以α和β两种方式连接。如纤维素和 淀粉，结构和性质截然不同，因为前者是β 淀粉，结构和性质截然不同，因为前者是β葡萄聚糖，后者是α 1-4葡萄聚糖，后者是α-1-4葡萄聚糖 • 糖链还可以出现分支结构，糖链在生物合成 糖链还可以出现分支结构， 后，还可能发生修饰和改变
（三）蛋白聚糖的多样性和复杂性
• 同样结构的糖胺聚糖链可以连接在不同 的肽链上， 的肽链上，在同一条肽链上又可以接有 不同的糖胺聚糖链， 不同的糖胺聚糖链，后者的数量有可以 有很大的差异。 有很大的差异。
软骨蛋白聚糖
从电子显微镜拍摄的照片看， 从电子显微镜拍摄的照片看，软 骨蛋白聚糖的形状象羽毛或 是实验室中的瓶刷子。 是实验室中的瓶刷子。中心 的透明质酸链穿过聚集体， 的透明质酸链穿过聚集体， 带有糖胺聚糖的核心蛋白粘 附在透明质酸链的侧面， 附在透明质酸链的侧面，象 是透明质酸链长出的支链。 是透明质酸链长出的支链。 透明质酸是通过非共价键 主要静电相互作用） （主要静电相互作用）与核 心蛋白相互作用， 心蛋白相互作用，这些相互 作用又被大量的连接蛋白与 透明质酸和核心蛋白的相互 作用（也主要是静电作用） 作用（也主要是静电作用） 所稳定。 所稳定。每个核心蛋白大约 共价结合100个分子的硫酸软 共价结合 个分子的硫酸软 骨素。 骨素。
糖生物学：吴玉
Carbohydrates and Glycobiology
TOPICS Searching for medicine’s sweet spot Saving lives with sugar Sugar separates humans from apes Glycosylation and the immune system Toward automated synthesis of oligosaccharides and glycoproteins Glycoprotein structure determination by mass spectrometry Chemical glycobiology Intracellular functions of N-link glycan
CMP-唾液酸
接纳体
寡糖 单糖 蛋白质 脂类(脑酰胺)
GDP-岩澡糖
GDP-甘露糖 UDP-半乳糖 UDP-N-乙酰半乳糖胺
UDP-N-乙酰葡糖胺 UDP-葡萄糖 UDP-葡糖醛酸 UDP-木糖 多萜醇-P-葡萄糖
多萜醇-P-甘露糖
多萜醇-P-P-(葡萄糖3-甘露糖9-N-乙酰葡糖胺)
糖基转移酶(glycosyltransferase)
•
•
供体--核苷糖
受体--糖
•
酶-- 糖基转移酶催化
聚糖的生物合成主要是由糖基转移酶介导
除少数例外,糖基转移酶催化的转糖基反应,
是将高能核苷酸糖供体(如GDP-岩藻糖或 CMP-唾液酸)中的单糖成分转移到被称作接 纳体的前体物质上.
糖基供体 糖基转移酶 糖基-接纳体
第3章 糖化学生物学
骨骺软骨蛋白聚糖聚合物
透明质酸（玻尿酸）
起到保持细胞水分； 保护细胞不受病原菌的侵害； 加快恢复皮肤组织，提高创口愈合再生能力 ，减少疤痕； 增强免疫力等作用 ；
化妆品行业
拥有强大的吸水能力和保湿功能 增强皮肤长时间的保水能力
蛋白聚糖是细胞间基质重要成分
1. 构成细胞外基质 在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白 以特殊方式连接，构成基质的特殊结构。这与 细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。 2. 其它功能 抗凝血（肝素） 参与细胞识别结合与分化（细胞表面的硫酸素） 维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等
第3章
本章内容
1. 概 述 2. 糖的结构和分类 3. 糖的合成 4. 糖和蛋白质的相互作用 5. 糖的序列分析和糖组学
6.糖的生物应用
3.1 概 述
糖又称碳水化合物，是多羟基醛、酮或其缩 合物，自然界存在最多的一类有机化合物。
如葡萄糖、蔗糖及淀粉等均属于此类化合物.
组成
C、H、O三种元素
通式表示
维持生命活动所需能量的重要来源。
糖还有许多其它生理作用, 如构成植物的支撑组 织、作为肌体中其它有机物的合成原料等。
细胞识别和信号转导。
糖化学
生物 化学
糖生 物学
糖生物学
以寡糖和糖缀合物为研 究对象，以糖化学、免疫学 及分子生物学为手段，研究 寡糖链作为生物信息分子在 多细胞、高层次生命中的功 能的学科。
光合作用
糖
C6(H2O)6
呼吸作用
6 CO2 + 6 H2O
植物的光合作用 动植物的呼吸作用
C6H12O6 + O2
糖仅仅是能量存储物质吗？
输血
17世纪80年代的英国，有位医生曾经给一个生 命垂危的年轻人输羊血，奇迹般的挽救了他的 生命。 19世纪80年代，北美的一位医生给一位濒临死 亡的产妇输人血，产妇起死回生。
化学糖生物学
化学糖生物学
化学糖生物学是一个跨学科领域，它结合了化学和生物学的知识，研究糖类分子在生物体系中的结构、功能和代谢。
糖类分子在生物体内扮演着重要的角色，参与了许多生物过程，如细胞识别、信号传递、免疫反应等。
化学糖生物学的研究旨在揭示糖类分子的化学结构与其生物功能之间的关系，以及糖类分子在生物体内的代谢途径和调控机制。
化学糖生物学的研究内容包括：
1. 糖类分子的合成和结构分析：研究糖类分子的合成方法和化学结构，以及其结构与功能之间的关系。
2. 糖类分子与生物大分子的相互作用：研究糖类分子与蛋白质、核酸等生物大分子之间的相互作用，以及其在生物体内的识别和信号传递过程中的作用。
3. 糖类分子的代谢和调控：研究糖类分子在生物体内的代谢途径和调控机制，以及其在疾病发生和治疗中的作用。
4. 糖类药物的开发：利用化学糖生物学的研究成果，开发新型糖类药物，用于治疗各种疾病。
生物化学第三章 糖类的结构和功能
二、糖的生物化学功能
⒈主要能量来源：例如，生物氧化产生ATP ⒉生物合成的碳素骨架：例如，合成氨基酸的α—酮酸、合
成核酸的核糖等。 ⒊结构物质：例如纤维素和半纤维素，甲壳素等。
三、糖类研究的历史及现状
18世纪后叶至19世纪20年代是糖类研究的第一个繁荣时期 。一大批糖被分离、纯化和表征；糖的结构、立体构型与光 学关系的法则及环状结构被建立。
吡喃
α-D-葡萄糖
β-D-葡萄糖
当形异 头碳羟基，该-OH有α型和β型两种异构体。 C1上羟基在环上方为β；在下方为α。这两种 异构体并非对映体，只是在异头碳羟基方向 不同而已，称为异头物。α型和β型可以通过 直链式而相互转变。
七、生成糖脎
糖的游离羰基能 与3分子苯肼反 应生成脎
糖脎为黄色结晶 ，难溶于水，各 种糖脎的形状与 熔点都不同，用 于鉴定糖。
九、脱氧作用
• 生成脱氧糖如D-2-脱氧核糖，L-鼠李糖、L-岩藻糖。 • 糖的显色反应
反应名称
酚试剂
适勇用于糖开类始，才反能找应到颜成色
功的路
莫利希反应 塞里万若夫反应 托伦氏反应 拜尔式反应
单糖的重要衍生物有糖醇、糖醛酸、氨基糖、 糖苷及糖脂。
糖醇：是糖分子内的醛基、酮基还原后的产物 。较稳定，有甜味。广泛分布于植物界的有甘 露醇、山梨醇。
甘露醇
由甘露糖等经镍催化加氢制 得，做片剂填充剂，用于易 吸湿药物防潮及干燥；冻干
勇于开始，才能找到成
功针的剂路载体；咀嚼片矫味剂， 使片剂溶解时吸热，口腔产 生清凉舒适感
许多糖苷是中药的有效成分，例如苦杏仁苷
黑芥子硫苷酸钾，十字花科的很多植物中，结构式如下
在辣根和芥菜籽内的酶作用下，水解为葡萄糖和异硫 氰酸烯丙酯（CH2=CH-N=C=S），产生辛辣味。
糖类和糖生物学
6)、差向异构体(epimer)：
又称表异构体，只有一个不对称碳原子上的基 团排列方式不同的非对映异构体，如D-葡萄糖与 D-甘露糖及D-半乳糖。
2、单糖的环状结构
1)、单糖的环状结构的证据
①、变旋现象(mutarotation):一般醛类在水溶
3．可作为生物体的结构物 质。
如纤维素、它是构成 植物细胞壁的主要成份。 几丁质和肽聚糖是构成微 生物细胞壁的主要成份。 还有些多糖作为动物细胞 外的间质中的构造分子。
4. 作为细胞、生物体的贮藏物质 如植物里合成淀粉，动物细胞中有糖原等。
5．可作为细胞识别的 信息分子。
参与细胞与细胞 的识别（分子识别） 与细胞通讯；
D-果糖在水溶液中主要以呋喃糖存在，吡喃糖 次之。
练习：以下化合物中(1)哪个是半缩酮形式的酮糖？(2)哪 个是吡喃戊糖？(3) 哪个是α-D-醛糖？ (4)哪个是β-L醛糖?
答案：（1）C；（2）D；（3）B; (4) D
3、单糖的构象
1）、构象(conformation)：由 于分子中的某个原子(基团)绕 C-C单键自由旋转而形成的不 同的暂时性的易变的空间结构 形式。空间位置的改变，不涉 及共价键的断裂。
处于最低能位状态的构象 叫优势构象。
2）、构象的描绘方法
各种不同的构象由 于绕单键旋转可以迅 速互变
3）、吡喃糖的构象
吡喃糖环常采取 椅式(chair)和船式 (boat)构象。
吡喃葡萄糖船式的内能比椅式高，因此椅式构象远 比船式构象稳定
椅式构象有两种可以互换的可能形式
椅式构象有两种可以互换的可能形式，互换 结果是每个C上的直立键和平伏键互换
糖生物学研究和应用
糖生物学研究和应用糖生物学是分子生物学的一个分支，主要研究的是糖的结构、功能以及它们在生物中的作用。
可以说，糖生物学对我们的生命起着重要的作用。
一、糖的作用糖是构成我们身体的重要物质之一，它有许多重要的生物功能。
首先，糖是细胞呼吸的重要物质，它可以被分解成能量，进而驱动细胞的生命活动。
其次，糖还参与了细胞信号转导和细胞黏附作用。
在人体内，糖与蛋白质结合后可以形成重要的生物分子，如O-和N-糖基化的蛋白质，它们参与了生长发育、免疫和代谢等重要的生物过程。
二、糖生物学的研究糖的结构非常复杂，需要用到一系列技术来对其进行研究。
糖分析技术是糖生物学研究的基础，其中最常用的技术就是色谱分析。
通过色谱分析可以对糖的种类、含量和结构进行精确测定。
在糖生物学研究中，还需要用到核磁共振、质谱、电泳、光谱等多种分析技术，这些技术可以从分子水平上深入了解糖的结构和功能。
在研究中，可以发现不同的糖结构对生物体的影响也不同。
在肿瘤细胞中，一些糖链会被过度表达，这种现象称之为增强了N-糖基化，对肿瘤细胞的免疫逃逸和促进生长发育有着很大的作用。
在神经发育中，糖分子在结构和功能上的变化也可能导致神经发育障碍。
因此，糖生物学的研究可以更好地理解生物分子之间的作用，并提供新的治疗途径。
三、糖生物学的应用1、糖尿病的治疗糖尿病是目前影响全球人口数量最多的慢性疾病之一，糖尿病患者身体内的胰岛素分泌不足或无法利用胰岛素，导致血糖升高。
现有糖尿病治疗方法有限，糖生物学研究为新的治疗方法提供了可能。
通过研究糖代谢的通路和糖在胰岛素分泌和利用中的作用，可以为新型糖尿病药物的开发提供新的思路。
2、疾病标志物的筛查许多疾病会影响糖的结构和含量，这些变化可以成为疾病的临床标志物。
研究疾病标志物可以帮助医生更早地诊断疾病，更好地进行治疗。
通过研究肿瘤细胞中糖链的改变，可以为肿瘤治疗提供新的靶向方法；通过研究神经疾病中糖链的变化，可以更早地诊断和治疗神经疾病。
糖和生物化学——糖生物学和糖基面
糖和生物化学——糖生物学和糖基面糖是人类生活中不可或缺的营养素，具有重要的生物学功能，但它的作用范围可能比大家想象的还要更多。
糖不仅仅是我们平常见到的食用糖，它在生物体内还扮演着许多重要的角色，在生命体系中起到了至关重要的作用。
研究糖生物学和糖基面，可以帮助我们更好地了解生命的起源和发展，探索疾病的病因和治疗方法。
糖生物化学糖生物学是生物化学的一个分支，研究糖在生命体系中的生化反应、代谢途径、生物活性等方面的内容。
糖在人类生活中的角色大家都非常清楚，比如说它是我们生活中重要的能量源，还是烘焙、酿酒、腌制等方面的必不可少的原料。
但事实上，糖在生物体内的功能和生化活动还远不止于此。
例如，一些生物糖分子中含有特殊的结构单元，能够辅助蛋白质、核酸等生物大分子完成一些特殊的生化作用。
有的糖类分子具有生物信息传递、免疫反应等功能，对于人体的免疫系统和生命保持平衡起到了至关重要的作用。
此外，糖作为生物大分子的核心构成部分之一，在生化代谢的途径中广泛存在。
在常见的能量代谢途径中，糖通过酵解、三羧酸循环等途径，形成ATP等能量化合物，为生物体提供能量。
另一方面，在人体代谢功能失调的情况下，糖也可能积累起来，引发一些代谢性疾病，比如糖尿病等。
糖生物化学的研究对于我们更好地了解复杂的生物体系，探索疾病的发病机制和治疗方法，都有着非常重要的作用。
糖基面关于糖基面的研究，起源与生物基础研究领域中的糖分子识别功能有关。
糖基面是指大分子表面所暴露出的和糖相关的蛋白质、脂质、核酸等生物大分子所拥有的糖基的结构。
由于其具有重要的生物学活性，糖基面成为可以促进生物分子相互作用、控制细胞信号传递、调节生物活性等的重要介体。
近年来，糖分子在细胞和生物分子相互识别中的作用已被逐渐重视。
糖分子与其他生物分子的相互作用可以发生在细胞表面、胞内和胞外环境中。
这些相互作用能够控制细胞活性、细胞外基质生产以及中枢神经系统中的细胞交互等生理作用。
其中，一些糖基面受体和糖基面酶是能够调节炎症、毒瘤和免疫反应等重要生物过程的关键因子。
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前沿计划”。2001年4月：启动了一项计划，
仅用于克隆糖基转移酶基因的年经费就达 到20亿日元（约2千万美元）。 欧盟1994～1998年的研究计划中有一项“欧 洲糖类研究开发网络”计划(European Carbohydrate Plaform)
糖生物学与糖化学-特征糖链结构与功能 及其调控机制（973项目）
密切的关系,而这些化学基团可通过人为
的化学反应来添加和消除。
多糖的结构修饰-----提高多糖的活性和
研究多糖构效关系的有力手段。
修饰手段----多糖衍生化,如降解、硫酸化、磺 酰化、乙酰化、烷基化等,有可能大大提高多糖 的生物活性。 其他----磷酸酯化、硬脂酰化、棕榈酰化、二乙 基氨基乙基化、碘化、氨化等 多糖常因分子质量大、粘度高、溶解度低等,影 响其应用。
糖类物质可以根据其水解情况分为：
Monosaccharide Oligosaccharide Polysaccharide 单糖 寡糖 多糖
在生物体内： 均一多糖 homopolysaccharide 杂多糖 heteropolysaccharide 糖复合物 glycoconjugate
二、多糖
量＞95%
糖脂 Glycolipid: ：由糖通过其半缩醛
羟基以糖苷键与脂质相连的化合物。
生物体内的糖蛋白的类别
人体蛋白中至少1/3是糖蛋白,存在于不同组织和 细胞中,特别是细胞表面膜上含量丰富. 许多膜蛋白和分泌蛋白是糖蛋白
血浆糖蛋白、免疫糖蛋白、激素糖蛋白 酶糖蛋白、卵清糖蛋白、细胞膜糖蛋白 结构糖蛋白、毒素糖蛋白
糖类作为信息分子
在受精、发生、发育、分化，神经系统和免疫系统衡
态的维持等方面起着重要作用
炎症和自身免疫疾病、老化、癌细胞的异常增殖和转
换、病原体感染
植物和病原体相互作用
植物与根瘤菌共生等生理和病理过程都有糖类的介导
以1843年杜马(Dumas)提出糖类实验式． ↓ 19世纪8O年代(Fischer) 单糖分子结构 ↓ 1897年 (Buchner)发现酵母无细胞提取液糖→酒精 ↓ 2O世纪3O年代糖酵解途径的基本阐明 ↓ 2O世纪60年代中叶细胞信息的职能 ↓ 2O世纪8O年代下半叶对糖类分子的研究终于形成一个明显 的新高潮 ↓ 20世纪末由几个糖生物学家同时提出了“糖组”的概念
活性决定部位与生物活性的关系：
活性多糖的生物活性体现在与其受体相互识别、 相互作用的过程中。
当多糖与受体作用时,往往是其中的特异性寡 聚糖片段与受体相结合。
推测:多糖象蛋白质和酶一样,可能在多糖分子 中存在一个或几个寡糖片段的活性中心。
Hiroako K等在对中药多糖活性决定部位研究的 基础上进行归纳总结发现,具有抗补体活性的甘 草多糖、柴胡多糖、当归多糖的活性部分都表现 出含半乳糖醛酸聚糖区和带中性糖侧链的鼠李半 乳糖醛酸中心(ramified 区) ,且分支区与抗补 体作用、促进有丝分裂和调节巨嗜细胞Fc 受体 兴奋性的活性有关。
膜蛋白中的糖
糖蛋白及糖链
蛋白质 糖蛋白
多糖 多糖中多为糖的衍生物，如N-乙酰氨基多糖等（常 见的糖是半乳糖或甘露糖）
寡糖链多是分支的，一般仅含有15个以下的单糖， 分子量在540-3200。但糖链数目变化很大
糖链的多样性和复杂性
DNA中，G-C → 一种结构 糖链中，Man → Gal Man 可以和 Gal的C2、C3、C4、C6连接→4 Man → Gal可以用αβ连接→8 甘露糖残基可以以呋喃糖或吡喃糖形式→16
Carbohydrates
一、糖生物学概念的提出
• 糖的功能:
• 生物体的能源 • 结构支架材料(植物的纤维、昆虫的几丁质、 高等动物结缔组织的粘多糖)
• 淋巴细胞表面的糖基是使它正确进入淋巴
组织的决定因子,如果用岩藻糖酶处理淋巴
细胞后,后者不能进入脾脏改进入肝脏
内质网中新 合成的溶酶 体酶靠糖链 上的6-磷酸 甘露糖标记， 得以通过胞 内分发系统 进入行使功 能。
一概念是糖蛋白研究中所特有的
1、糖链中单糖的种类及连接方式
葡萄糖Glc、半乳糖Gal、甘露糖Man 岩藻糖Fuc、 葡萄糖胺GlcN 、半乳糖胺GalN 木糖Xyl、阿拉伯糖Ara、 N-乙酰神经氨酸NeuNAc、 葡萄糖醛酸GlcUA 乙酰氨基葡萄糖GlcNAc
2、连接方式——糖肽键
糖蛋白中的寡糖链的还原端残基与多 肽链的氨基酸残以多种形式共价连接， 形成的连键称为糖肽键或糖苷键
4、活性多糖的构效关系
一级结构与生物活性的关系
糖苷键型和单糖连接方式对多糖活性的 影响远远大于单糖的组成。
具有1→3连接方式的多糖大多具有生物活 性,部分1→6连接方式的多糖也具有生物活 性,而1→2，1→4 等连接方式的多糖很少 具有活性。
侧链基团与生物活性的关系
多糖的活性与其分子中某些化学基团有
三级结构 多糖链一级结构的重复顺序,由于糖残 基中的羟基、羧基、氨基以及硫酸基之 间的非共价相互作用,导致有序的二级结 构空间形成有规则而粗大的构象; 四级结构：
多糖链间非共价键结合形成的聚集体。
3、多糖的结构研究方法
完整的多糖结构分析包括对多糖的 一级结构和高级结构的分析。
一级结构分析的方法:
化学法(如酸水解、过碘酸氧化、Smith 降解、碱 降解、甲基化反应、乙酰解等)
物理法(包括高效液相色谱法、气相色谱法、红外
光谱法、核磁共振谱法、质谱分析法等)
生物法(主要是酶化学方法)
多糖的二级、三级结构：
Х射线衍射法 荧光法 毛细管电泳法 13C NMR 及2D NMR 旋光度(ORD) 和圆二色谱(CD) 快原子轰击质谱(FAB2MS) 色质联用( GC-MS) 酶技术-NMR 等
均一多糖： 淀粉、糖原、纤维素、壳多糖 不均一多糖(杂多糖)： 果胶物质、半纤维素、海藻多糖、真菌多 糖等
1、目前研究较多的功能性多糖
植物多糖：南瓜多糖、茶叶多糖、枸杞多糖，西洋 参多糖、大枣多糖等----增强免疫功能 藻类多糖：螺旋藻多糖、岩藻依聚糖、海带多糖、 多管藻多糖、极大螺旋藻多糖等——硫酸基,因 此具有较好的抗凝血和抗病毒作用
三、糖复合物(糖缀合物)：
糖蛋白 Glycoproteins 蛋白聚糖 Glycoproteins 糖脂 Glycolipid
糖蛋白Glycoproteins: 由糖和多肽或蛋白 质以共价键连接而成的结合蛋白。糖含量 1%—80%。不多于15个单糖残基
蛋白聚糖 Glycoproteins ：含大量糖胺聚 糖并与多肽骨架连接的高分子物质。糖含
分支度与生物活性的关系
多糖分支与活性的关系并不是一种线性
关系,分支度适中的多糖往往具有较高的
活性,而分支度过高或过低的多糖其活性
都有限。
高级结构与生物活性的关系
多糖二级或三级结构比一级结构在活性
方面起更大的决定作用
研究结果表明:高分子质量的β-1 ,3-D-葡萄糖
的高度有序结构(三股螺旋) ,对于免疫调节活性
通过硫酸化、磺酰化、磷酸化或羧甲基 化等化学修饰方法可以提高多糖的水溶性。 β-1 ,3-D-葡聚糖不溶于水,如果将它 部分羧甲基化,使其水溶性提高,则它的抗 肿瘤活性也明显提高。
分子质量与生物活性的关系
相对分子质量在100～200 kDa 之间的多 糖活性最强。同时研究发现,来源相同、 相对分子质量范围为5～10 kDa 的多糖 都不具备生物活性。
1988，Raymond Dwek 提出 糖生物学(Glycobiology) 的概念 (Annuel Review of Biochemistry) 1991，国际性杂志《 Glycobiology》创刊 糖生物学：研究糖缀合物糖链的结构、生物合成和 生物学功能的一门学科。 涉及到学科：分子生物学、细胞生物学、病理学、 免疫学、神经生物学等
真菌类多糖：
169种担子菌的多糖有抗癌活性。
国内研究比较多的有：
香菇多糖、裂褶菌多糖、灰树花多糖、 茯苓多糖、奇果菌多糖、猪岑多糖、灵芝 多糖及木耳多糖、虫草多糖、酵母葡聚糖 等——抗肿瘤功能。
动物类多糖：主要是来源于多种哺 乳动物的多糖，如肝磷脂、硫酸软骨素 海藻糖化的硫酸软骨素等——抗凝血活 性 细菌类多糖：肺炎球菌荚膜多糖、 脑膜炎球菌荚膜多糖、流感杆菌荚膜多 糖等，——疫苗
2）O-糖肽键：乙酰半乳糖胺的半缩醛 基C1原子与多肽链上Ser、Thr、Hyl羟基 的O原子共价相连
Ser、Thr、Hyl O （AA） 多肽链
乙酰半乳糖胺
GalNAc- O
乙酰半乳糖胺与Hyl羟基形成O-糖肽键， 主要存在于胶原蛋白中 乙酰半乳糖胺与Ser和Thr羟基形成O-糖肽
键，主要存在于粘蛋白中，在免疫球蛋白
2、多糖的结构层次
结构分类同蛋白质和核酸的分类方法。
单糖是多糖的组成单元,单糖之间脱水形
成糖苷键,并以糖苷键线性或分支形成寡糖
或多糖的结构也可分为一级、二级、三级
和四级。
一级结构：
单糖残基的组成、排列顺序、相邻单糖 残基的连接方式、异头物的构型及糖链 有无分支、分支的位臵和长短等; 二级结构： 多糖骨架链间以氢键结合所形成的各种 聚合体,关系到多糖分子中主链的构象, 不涉及侧链的空间排布;
及胎球蛋白中也发现
乙酰葡萄糖胺
O-GalNAc和N-聚糖的主要区别
3、糖链的分类：
1）N-糖链 ⑴五糖核心 通常由一个分支的五糖核心和不同数量的外链 组成 Manα1→6（Manα1→3） Manβ1→4GlcNAcβ1→4GlcNAc（乙酰氨基 葡萄糖），
乙酰葡萄糖胺
（2）分型
高甘露糖型：五糖核心以外全部是Man 复合型:除三甘露糖基核心外，不含Man，可以高度 岩藻糖基化、磷酸化或硫酸化，某些还含多唾液 酸成分 杂合型:具有高甘露糖型和复合型两种类型