第11章生化(刘建华)

图11.12 小肠微绒毛的电子显微镜图谱。内皮细胞膜向外凸起的 微绒毛有水解糖的乳糖酶和其它酶。
糖原和淀粉是糖的储存形式 寡糖进一步聚合成更大的多糖。多糖在能量储存和维持生物 体结构完整性方面起非常重要的作用。如果所有的组分都是一样 的，这种聚合物叫均聚物。动物体内最常见的均聚物是糖原。糖 原是能量存储的形式，由葡萄糖聚合形成的分支链聚合物。葡萄 糖之间的连接多数是a-1,4-糖苷键。但是大约每10个葡萄糖单位 就有一个分支，分支处是a-1,6-糖苷键（图11.13）。
糖参与细胞间相互作用的原因在于糖分子结构 差异大。糖由单糖构成。单糖大多含有3 ~ 9个 碳原子，这些单糖分子的大小和碳原子的立体 结构不同。单糖分子相互联结起来形成寡糖。 寡糖的可能数量使这类分子信息量很大。当寡 糖与蛋白质结合使蛋白质产生不同的免疫原性 。阐明连接于蛋白质分子上的寡糖结构及这种 寡糖对蛋白质功能的影响是蛋白组学的一个巨 大挑战。实际上，有人已经给这方面的内容取 名为糖组学。
五碳糖和六碳糖环化成呋 喃和吡喃结构
核糖、葡萄糖、果糖，以及其它 的糖在水溶液的构型主要是环状， 而不是线状。原因是环状比线状稳 定，能量低。成环的基础是醛基或 酮基与羟基自动缩合，形成半缩醛 （酮）。线状葡萄糖醛基与分子内 C-5的羟基自动缩合，形成半缩醛 。产生六元环（类似吡喃，图11.4 ），因此称为吡喃糖。线状果糖分 子的C-2是酮基，与分子内羟基缩 合形成五元环状结构，因此称为呋 喃糖。
拐角是碳原子吗？
蔗糖、乳糖和麦芽糖是最常见的二糖，用O-糖苷键连接，在自然 界含量丰富（图11.11）。蔗糖可以从甘蔗(cane)和甜菜(beet)中获 取。葡萄糖与果糖的异头碳原子之间用糖苷键连接，形成蔗糖。 因此蔗糖不是还原糖（它们没有醛基或酮基）。用蔗糖酶能将蔗 糖转化成单糖。
乳糖是奶汁的糖分，是b-1,4-糖苷键连接半乳糖和 葡萄糖的产物。人类乳糖酶和细菌b-糖苷酶能将乳糖 降解成半乳糖和葡萄糖。麦芽糖是两个a-D-葡萄糖分 子用a-1,4-糖苷键连接的产物。淀粉水解产生麦芽糖， 麦芽糖酶又能将麦芽糖水解成葡萄糖。蔗糖酶、乳糖 酶和麦芽糖酶位于小肠表皮细胞的外层（图11.12）。
胺基（蓝色），负电荷基团（红色），各结构单位右边是葡糖胺衍生物
蛋白多糖aggrecan和胶原蛋白是软骨的关键成分。胶 原蛋白的三股螺旋提供软骨的结构支架和拉伸强度， 而蛋白多糖充当撞击（shock）的吸收剂。Aggrecan的 蛋白组分很大，有2397个氨基酸残基，有三个球状结 构域，葡糖胺聚糖的粘附位点处在球状结构域2和结构 域3之间的伸展区。在这个区域有高度重复的氨基酸序 列，这些高度重复的氨基酸序列是硫酸角质素和硫酸 软骨素的连接位点。第一个球状结构域与乙酰透明质 酸（hyaluronan）非共价相互作用将很多aggrecan结合 起来，构成非常长的纤维（图11.16）。水分子吸附于 葡糖胺聚糖的阴离子上，因此能够缓冲外在压力（变 形压击使被吸附的水分子又喷出散开，抵消外力的撞 击；外压力消除，葡糖胺聚糖又重新吸附水分子）。 软骨的胶原蛋白和aggrecan发生蛋白降解会产生骨关 节炎(osteoarthritis) 。
淀粉是植物碳水化合物的营养储存物。淀粉 分直链淀粉(amylose)和支链淀粉(amylopectin)两 类。直链淀粉只有a-D-1,4-糖苷键。支链淀粉 含有a-D-1,4-糖苷键和a-D-1,6-糖苷键。a-D1,6-糖苷键构成支链淀粉的分支。每30个a-D1,4-糖苷键就有一个a-D-1,6-糖苷键。因此支链 淀粉与糖原类似，只是分支程度比糖原低些。 人类消化的糖类，一半以上来自淀粉。a淀粉酶 能迅速降解直链淀粉和支链淀粉。唾液腺和胰 脏能分泌a淀粉酶。
C-1与氨基氮原子之间的化学键 叫N-糖苷键。核糖与碱基之间 的化学键就是N-糖苷键。
由于缺乏游离醛基或酮基，糖苷（如甲基a-D-吡喃 葡萄糖苷）就显得化学稳定。有游离的醛基或酮基的糖 能够将二价铜离子转化成单价铜离子（即Fehling's reaction)，因此利用这个反应就能检测具有还原性质的 糖。不能发生反应的糖叫非还原糖。
磷酸化糖：能量产生和生物合成的关键中间产物
糖的磷酸化修饰与糖代谢关联密切，是常见的糖修饰。（1） 葡萄糖降解获取能量的第一步是将葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖。 后续代谢中间体还有几个磷酸化糖，如二羟基丙酮磷酸，甘油醛3-磷酸。（2）磷酸化使糖带阴离子，与脂质双层膜交联而不会自 动离开细胞。（3）磷酸化使糖易于与其它分子连接。例如多磷酸 化的核糖衍生物是嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的中间体。
单糖与醇羟基或氨基形 成的连接叫糖苷键
单糖的半缩醛能够与羟基或 氨基反应。在酸催化下，葡萄糖 与甲醇反应。异头碳原子(C-1， 使半缩醛）与甲醇的羟基反应糖 缩醛，也叫糖苷。反应产物有两 种，甲基a-D-吡喃葡萄糖苷和 甲基b-D-吡喃葡萄糖苷。这两 种糖苷的唯一区别就在于C-1的 构型。C-1与羟基氧原子之间的 化学键叫O-糖苷键。而C-1与氨 基氮原子之间的化学键叫N-糖 苷键。核苷的核糖与碱基之间的 化学键就是N-糖苷键。图11.9列 出了其它一些重要的修饰糖。
动物主要的葡糖胺聚糖是硫酸软骨素 (chondrotin sulfate) ， 硫酸角质素(keratin sulfate)，肝素 (heparin)，硫酸皮 肤素 (dermatan sulfate)，和乙酰透明质酸 (hyaluronan)。 不能降解葡糖胺聚糖的患者患有粘多糖储积病（mucopolysaccharidoses)，患者骨骼变形、寿命短。
图11.2 含有三个、四个、五个、六个碳原子的D-醛基糖。D醛基糖有醛基（蓝色）、离醛基最远的不对称碳原子（红色 ）是D-型。每个碳原子的序号依据标准命名法标出。
六碳原子以内的D-酮 基糖。其中二羟基丙 酮是最简单的酮基糖 。酮基糖的不对称碳 原子数目比相应的醛 基糖少。D-果糖是含 量最丰富的酮基糖。
吡喃糖环的构型
六元吡喃环不是平面结构，原因是饱和碳原 子的几何形状是四面体。 吡喃环构型有两个: 椅式和船式（图11.7）。 椅式吡喃环上的化学键有轴式（axial) 和平式 (equatorial)两种取向。轴式键与吡喃环平面几乎 垂直，而平式键与吡喃环几乎平行。如果轴式 取代基团位于吡喃环同侧，这些取代基团之间 有立体障碍。相反，平式取代基不拥挤。b-D-吡 喃型葡萄糖椅式结构多，船式结构少。原因在 于椅式环上所有的轴式键连接基团都是氢原子 ，而较大基团如-OH, CH2OH都在平式键上，立 体障碍小。
单糖连接成复杂的糖
用O-糖苷键将二个或多个糖分子连接的产物是寡糖。麦芽糖 (maltose ，图11.10）是一个葡萄糖的C-1碳原子（a-型）与另一个 葡萄糖的C-4羟基形成O-糖苷键的二糖。这个糖苷键处于吡喃平面 下方。因此麦芽糖的糖苷键是a-1,4-糖苷键。因单糖有多个羟基， 可形成的糖苷键多样，能产生多种多样的异构体，使糖成为结构极 为复杂的生物分子。
还原糖常常能与其他分子发生非特异性结合。例如，具 有还原性的葡萄糖能与血红蛋白结合形成糖基化血红蛋 白。糖基化血红蛋白量的改变用来检测糖尿病治疗的效 果（糖尿病是血糖水平过高的疾病）。血红蛋白的糖基 化修饰不影响血红蛋白的氧结合能力。
图11.9 修饰单糖。可以用其它化学基团（红色）替代 羟基的修饰糖。细胞表面常常有这些修饰糖。

最小的单糖是三碳糖(triose)，即三碳原子构成的二羟基 酮或二羟基醛。二羟基丙酮有一个酮基，甘油醛有一 个醛基。甘油醛有一个不对称碳原子，因此有立体异 构体（D-甘油醛和L-甘油醛）。这两种异构体是对映 体(enantiomers)，相互之间成镜像体。前缀D-, L-表示 这两种异构体的绝对构型。
用Haworth投影式表示吡 喃型葡萄糖和呋喃型果 糖结构（图11.4和11.5） 。在这种投影结构式中 ，（1）没有特异标出环 的碳原子；（2）环平面 与纸平面垂直；（3）粗 线朝向读者。与Fischer 投影式类似，Howorth 投影式是易于画绘的糖 分子立体结构式。
图11.6 果糖的环状结构。果糖既能形成五元的呋喃糖， 也能形成六元的吡喃糖。两种糖都有a- 和b-结构。
图11.2列出了一些常见的D-醛基糖。D-核糖（RNA的糖基组 分）是五碳原子醛基糖。D-葡萄糖、D-甘露糖、和D-半乳糖 是含量最多的六碳原子醛基糖。D-葡萄糖和D-甘露糖只是第 二个碳原子的构型不同。只有一个不对称碳原子构
型不同的糖称为差向异构体(epimers)。因此，
D-葡萄糖和D-甘露糖的差向异构位点是C-2；而D-葡萄糖和 D-半乳糖的差向异构位点是C-4。
Fischer投影式：不对称碳原子
朝向读者的化学键臵于水平 位臵，而背离读者的化学键 臵于垂直位臵。
七碳糖（heptoses）
triose
tetrose
pentose
hexos e D-和L-构型只表示离羰基或醛基最远的那个不对称碳原子的构型。
D-赤藓糖 (D-erythrose)和D-苏糖(D-thresoe)表示第三个碳原 子有相同构型（它们都是D-型），但是它们第二个碳原子构 型相反。因此是非对映体(diastereoisomers)，两者相互之间 不是镜像。
新生羟基与平面CH2OH 异侧。
图11.4 吡喃糖的形成。线状葡萄糖分子的C-5羟基攻击C-1醛基， 形成分子内半缩醛。所形成的两个异头物分别称为a- 和b- 。
新生羟基与平面CH2OH 异侧。
图11.5 呋喃糖的形成。线状果糖分子的C-5羟基攻击C-2 酮基，形成分子内半缩酮。所形成的两个异头物分别 称为a- 和b- 。此处只画出a-异构体。
图11.4 糖苷键决定多糖结构。b-1,4-糖苷键有利于多糖形成直链 结构，这种结构适于充当结构物质。a-1,4-糖苷键有利于多糖链 的扭曲成螺旋，使之适合充当储存分子。
葡糖胺聚糖是由二糖单位重复构建的阴离子多糖 蛋白多糖是蛋白质与葡糖胺聚糖(或称氨基葡聚 糖、粘多糖，glycosaminoglycan)的连接产物。多 糖组分占整个分子质量的95%以上，因此蛋白多 糖更像多糖。蛋白多糖是粘联组织的粘联润滑剂 和结构成分。在其他组织，蛋白多糖参与细胞与 胞外基质的粘附、作为结合因子刺激细胞繁殖。 蛋白多糖的性质主要取决于葡糖胺聚糖。很多 葡糖胺聚糖由二糖重复单位构成，每个单位有氨 基葡萄糖或氨基半乳糖（图11.15）。在重复单位 内至少有一个糖含有带负电荷的羧基或硫酸基。
缩写：a：轴键；e：平键。
图11.7 b-D-吡喃型葡萄糖椅式结构和船式结构。因椅式结构吡喃环 连接的氢原子在轴式化学键上，立体障碍小，故这种结构占优势。
吡喃糖环构型也是折叠结构，要么是C-3，要么是C-2翘起，与C5处于平面的同侧。这些构型分别叫C-3和C-2内折。 图11.8 b-D-核糖的信封构型。C-3内折和C-2内折的b-D-核糖的 信封构型。有四个原子（用红色涂出）几乎在同一平面上。
纤维素是植物主要的结构组分，是葡萄糖的线性聚合物 （1）纤维素是植物体内葡萄糖的另一种主要聚合物，起结构作用 而不是营养作用。纤维素是生物圈含量最丰富的有机物之一。每 年地球合成和降解的纤维素达1015 Kg。 （2）纤维素是b-1,4-糖苷键连接的葡萄糖聚合物，b构型使淀粉能 形成很长的直链聚合物。平行排列的直链纤维素分子之间用氢键 连接，形成纤维。a-1,4糖苷键连接的淀粉和糖原的分子结构与纤 维素就明显不同。纤维素是直链，而糖原和淀粉形成中空的螺旋 。 （3）a和b糖苷键连接形成葡萄糖聚合物结构的差异具有重要的意 义。b-糖苷键连接的直链纤维素适于构建高拉力强度的纤维，而 a-糖苷键连接的淀粉和糖原适于储存葡萄糖。 （4）尽管哺乳动物缺乏纤维素酶因此不能消化木质纤维和植物纤 维，但是纤维素和其他植物纤维仍然是我们每日膳食的重要组分 之一。膳食纤维产生饱感；可溶性纤维如pectin (果胶)能延缓食物 通过肠道的运动，使营养的消化与吸收达到最佳状态。不溶性纤 维（如纤维素）能增加消化产物穿过大肠的速度。增加速度可以 大大缩短我们接触膳食毒素的时间。
第11章：糖
Chapter 11: Carbohydrates
食物中的糖是重要的能源。淀粉是植物类食物，是 葡萄糖的聚合物。淀粉断裂成葡萄糖。葡萄糖进一步 分解产生ATP，以及其它分子合成的原料。
糖是多羟基醛或多羟基酮。由于它们在
生物体内有很多功能，因此地球大多数有机物 质有糖参与。 •糖是能量储存物质、燃料、和代谢中间产物。 •核糖和脱氧核糖是核酸结构骨架的一部分。 •多糖是细菌和植物细胞壁的主要成分，是地球 生物圈含量最多的有机物质之一。 •糖能够修饰很多蛋白质和脂质分子，它们参与 细胞通讯，细胞与环境物质的相互作用等。