糖生物学

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。
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
本项目的研究内容： 以肿瘤细胞膜特征糖链结构研究为切入点，以特征糖链 在肿瘤转移过程中的信号转导作用为核心研究内容，通 过基因、酶、糖链、信号转导4个层面，系统分析肿瘤细 胞膜特征糖链对信号转导的影响及其作用机制，阐释特 征糖链结构与功能变化的相关性；结合人工模拟合成糖 链与外源性糖链（海洋生物糖）类似物对肿瘤细胞信号 转导作用及其机制的探讨，佐证特征糖链结构与功能的 关系。
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
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
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
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
糖链的多样性和复杂性
由4个核苷酸组成的寡核苷酸，可能的序列 仅有24种； 而由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则 多达3万多种。 正是由于糖链结构的复杂性，使其可能包含 的信息量比核酸和蛋白质大了几个数量级。
（一）糖蛋白的糖链结构
糖型（glycoform）：
带有某种糖链结构的糖蛋白，
具有相同肽链而糖链结构不同的糖蛋白。这
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:
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;
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
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
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。
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
• 2、糖苷键的类型
N-糖苷键和O-糖苷键
2、糖肽键的类型
1）N-糖肽键：乙酰葡萄糖胺的半缩醛基C1原 子与多肽链上Asn酰胺N原子共价相连
N （AA）Asn 多肽链
乙酰葡萄糖胺 GlcNAc- Asn
H
一般由6个到数十个糖基连接成糖链，糖 链有分支，存在于血浆蛋白，细胞膜和胞 质的糖蛋白也普遍存在。
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)
Leabharlann Baidu
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
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。
(3)天线数（1-5）
R=GlcNAcβ1 →4GlcNAcβ→Asn
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。
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
糖组学(糖蛋白)------涉及单个个体的全部糖蛋白结 构分析，确定编码糖蛋白的基因和蛋白质糖基化的 机制． 糖组学主要解决4个方面问题： a．什么基因编码糖蛋白，即基因信息； b．可能糖基化位点中实际被糖基化的位点，即糖基 化位点信息； C．聚糖结构，即结构信息； d．糖基化功能，即功能信息
日本：10多年前由政府资助实施了“糖工程
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）
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
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
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
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
至关重要。
只有分子质量大于9 ×104 的分子能形成三股螺
旋。三股螺旋结构靠β-2葡萄糖苷的分支来稳定。
低分子质量(小于5 ×104 ) 的裂褶菌多糖既无三
股螺旋也无抗肿瘤活性。
理化性质与生物活性的关系
提高水溶性能增强多糖的生物活性。
水溶性D-葡聚糖是一种有抗肿瘤活性、无 过长支链、不易被人体内D-葡聚糖酶很快水 解的多糖