糖生物学
生物化学教程糖类和糖生物学
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（二）糖类的生物学作用
糖类是细胞中非常重要的一类有机化合物。糖类的生物 学作用概括起来主要有以下几个方面： 1．作为生物体的结构成分 植物的根、茎、叶中的纤维素、半纤维素等，细菌细 胞壁的肽聚糖，昆虫和甲壳类的外骨骼等。 2．作为生物体内的主要能源物质 糖原、淀粉等通过贮存或生物氧化释放出能量，为生 物体供生命活动的需要。
醛 • Molisch reaction:
糠醛或羟甲基糠醛＋α－萘酚-----红紫色化合物,鉴别糖类 物质. • Seliwanoff reaction: • 酮糖＋HCl+间苯二酚-----迅速出现红色（大约20秒） • 醛糖＋HCl+间苯二酚-----加热后缓慢出现红色（大约2分 钟）用来鉴别酮糖或醛糖。
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. 环糊精分子的结构像一个轮胎 （图l-2其2特） 点是所有葡萄糖残基的C6羟基都在大环一 面的边缘，而C2和C3的羟基位于大环的另 一面的边缘。环糊精分子作为单体垛叠起来 形成圆筒形的多聚体。
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环糊精的结构
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缩合形成缩醛的衍生物称为糖苷，这种糖 苷的配体可以是糖，也可以是非糖物质。 与糖形成糖苷如淀粉、纤维素等与非糖物 质形成核苷等。糖苷的性质比较稳定不易 发生化学反应和被氧化。
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• 7、单糖的脱水; （与无机酸反应或呈色反应） 在强酸作用下戊糖脱水生成糠醛。己糖脱水生成5－羟甲基糠
七、多糖
（一）同多糖 （二）杂多糖
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（一）同多糖 1、淀粉（starch）
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 ）
糖生物学领域的关键研究成果与未来发展趋势
糖生物学领域的关键研究成果与未来发展趋势糖生物学是研究生物体内糖分子的结构、功能和代谢等方面的学科。
在研究糖生物学的过程中，科学家们发现糖不仅仅是一种能量来源，它还在很多生物学过程中发挥着重要的作用。
越来越多的研究表明，糖生物学对于疾病的发生和治疗有着至关重要的作用。
下面，我们将介绍糖生物学领域的关键研究成果与未来发展趋势。
一、关键研究成果1. 糖基化修饰的发现糖基化修饰是指糖分子与蛋白质、脂肪等分子相结合形成复合物，这种修饰可以改变它们的结构和功能。
糖基化修饰已经被证明在很多生物学过程中起着关键的作用，比如细胞表面的识别和信号传递等。
2. 糖复合物的组成分析通过对糖复合物的组成分析，科学家们已经发现了很多糖复合物的结构和功能，比如肿瘤标志物等。
这些发现有助于人们更好地了解疾病的机制，为疾病的诊断和治疗提供了更多的可能性。
3. 糖代谢与疾病的关系对于糖代谢和疾病的关系的研究已经成为糖生物学的重要内容之一。
例如糖尿病、癌症等疾病都与糖代谢有着密切的联系。
这些研究成果有助于人们更好地了解疾病的发生机制和治疗方法。
4. 糖生物学在药物研发中的应用糖生物学在药物研发中的应用已经越来越受到人们的关注。
随着对糖分子结构和功能的深入研究，人们对于糖类药物的研究和开发也越来越多。
这些研究成果有望为疾病的治疗提供全新的选择。
二、未来发展趋势1. 糖复合物的高通量分析糖复合物的高通量分析已经成为糖生物学研究的一个重要方向。
高通量分析技术可以快速、准确地分析糖复合物的结构和功能，为疾病的诊断和治疗提供更为精确的信息。
2. 糖生物学与代谢组学的结合代谢组学是研究生物体内代谢产物的结构和功能等方面的学科。
糖生物学和代谢组学的结合有望为未来的医学研究提供更为准确的信息，为疾病的诊断和治疗提供更为有效的手段。
3. 糖生物学与人工智能的结合人工智能在医学领域的应用已经取得了很多的进展。
糖生物学的研究也可以结合人工智能技术实现更为准确的数据分析和模型预测，为疾病的诊断和治疗提供更为智能化的解决方案。
糖与糖生物学
一，糖与糖生物学1.名词解释:Biomacromolecule[baɪɒmækrɒ'məlekju:l]：生物大分子，一些相对分子质量（Mr）在5000以上的多聚体。
Metabolism [mɪˈtæbəˌlɪzəm]:新陈代谢,(生物体内发生的各种酶促反应的总和或总称)——上册定义；（生物体内进行的所有化学变化的总称，是生物体一切生命活动的基础。
）——下册定义Transcription [trænˈskrɪpʃən]：转录,指DNA的一股链上的遗传信息传递给RNA的过程Chiral molecule [ˈkaɪrəl ˈmɑlɪˌkjul]:手性分子，分子本身不能和自己的镜像叠合，没有对称面、对称中心、四重交替对称轴三种对称元素。
Conformation [ˌkɑ:nfɔ:rˈmeɪʃn]：构象，一个分子所采取的特定形态Configuration [kənˌfɪgjəˈreɪʃn]：构型，分子中原子的固定空间排列Hydrogen bond[ˈhaɪdrədʒən bɑnd]：氢键，一种静电相互作用，由裸露氢核与另一个电负性大的原子间的静电吸引引发Carbohydrate[ˌkɑ:rboʊˈhaɪdreɪt]：碳水化合物（糖类）：多羟醛，多羟酮或其衍生物，或水解能产生这些化合物的多聚体Glycobiology[ɡlaɪkoʊb'ɪɒlədʒɪ]：糖生物学，研究糖缀合物结构和功能的学科Monosaccharide[ˌmɒnə'sækəraɪd]：单糖，不能被水解成更小分子的糖类Glycoconjugate[ɡlɪkoʊkəndʒʊ'ɡeɪt]：糖缀合物（糖复合物），糖类物质与蛋白质或脂质等生物分子借共价键形成的缀合物，如：糖蛋白，蛋白聚糖，糖脂，脂多糖Strutural polysaccharide [ˌpɒlɪ'sækəˌraɪd]：多聚糖（多糖），水解时产生10多个以上单糖分子的糖类,包括同多糖和杂多糖Cellulose[ˈseljuloʊs]：纤维素，一种纤维状不溶于水的物质，其葡萄糖残基由B-1,4糖苷键连接，存在于植物细胞壁中。
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。
第四讲 糖生物学
糖生物学
糖类---第三类生物大分子 糖类---第三类生物大分子 --• 糖类是自然界中广泛存在的有机分子 ， 是一 糖类是自然界中广泛存在的有机分子， 类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物； 类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物； • 葡萄糖、淀粉和糖原是动物主要的能量来源 葡萄糖、 • 纤维素和甲壳质则是生物量最多的两种多糖 • 在生物体中 ， 糖类还可以和其它类型的分子 在生物体中， 形成糖复合物
糖链结构
糖链的多样性和复杂性
• 理论上，由n个不同己糖残基构成线性糖链的 理论上， 数目N n！ 数目N = n！× 2nr ×2n a× 4n-1。由4个核苷 酸组成的寡核苷酸，可能的序列仅有24 24种 酸组成的寡核苷酸，可能的序列仅有24种；而 个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3 由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3 万多种。 万多种。 • 一个六糖的异构体数目比六肽和六聚核苷酸多 4194304倍 26 ×26 × 46-1 倍，即4194304倍 • 正是由于糖链结构的复杂性，使其可能包含的 正是由于糖链结构的复杂性， 信息量比核酸和蛋白质大了几个数量级。 信息量比核酸和蛋白质大了几个数量级。
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、糖的结构特征
• 组成糖类的单糖具有多个可以反应的羟基 和一个羰基（醛基或酮基） 和一个羰基（醛基或酮基） • 单糖中存在着多个不对称碳原子，因此同 单糖中存在着多个不对称碳原子， 样组分的单糖可以有多个异构体 • 自然界中的单糖几乎都是以吡喃环和呋喃 环的形成存在，成环时， 环的形成存在，成环时，在异头碳上又产 生了α和 两种异构体 生了 和β两种异构体
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
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
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。
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。
第章糖类和糖生物学
除羰基外，单糖分子中的羟基也能被氧化。 在不同的条件下，可产生不同的氧化产物。醛 糖可用三种方式氧化成相同原子数的酸：
（1）在弱氧化剂，如溴水作用下形成相应的醛 糖酸。溴的氧化作用对酮糖无影响，因此可将 酮糖与醛糖分开。
（2）在较强的氧化剂，如硝酸作用下，除醛基 被氧化外，伯醇基也被氧化成羧基，生成葡萄 糖二酸；
为了更好地表示糖的环式结构， 哈武斯（Haworth,1926）设 计了单糖的透视结构式。 1. 碳原子按顺时针方向编号，氧 位于环的后方； 2. 环平面与纸面垂直，粗线部分 在前，细线在后；
3.将费歇尔式中左右取向的原子 或基团改为上下取向，原来在 左边的写在上方，右边的在下 方；
4. D-型糖的末端羟甲基在环上方， L－型糖在下方；
3.戊糖
(1).D-核糖（ribose）
D-核糖是核糖核酸的重要组成 成分。核糖以其醛基与嘌呤或嘧啶 的氮原子结合，而其2、3、5位的 羟基可与磷酸连接。核糖在衍生物 中总以呋喃糖形式出现。它的衍生 物核醇是某些维生素(B2)和辅酶的 组成成分。
细胞核中还有D-2-脱氧核糖， 它是DNA的组分之一。它和核糖一 样，以醛基与含氮碱基结合，但因2 位脱氧，只能以3，5位的羟基与磷 酸结合。
为更小分子的糖类，也称简单糖，如葡萄 糖、果糖和核糖等；
寡糖(oligosaccharide):是由2—20 个单糖通过糖苷键连接而成的糖类物质；
多糖(polysaccharide)：是水解时产 生20个以上单糖分子的糖类；包括同多糖、 杂多糖。
（二）糖类与蛋白质、脂质等生物分子形 成的共价结合物如糖蛋白、蛋白聚糖和 糖脂等，总称复合糖或糖复合物 (glycoconjugate)。
D-葡萄糖的比旋光度为＋52.5度，呈片状 结晶。
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
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。
糖生物学研究及其应用
糖生物学研究及其应用糖生物学是研究糖类化合物的结构、功能、合成及其在生物过程中的作用的学科。
随着科学技术的不断进步，糖生物学研究的应用越来越广泛，不仅在医药领域有很大的作用，还在生物技术、食品工业、环境科学等领域得到广泛应用。
一、糖类化合物的重要性糖类化合物不仅是生物体内的重要分子，而且还广泛存在于天然产物、工业材料和环境污染物中，具有广阔的应用前景。
糖类化合物在生物体内不仅作为能量来源，还参与细胞膜的结构和功能、激素及酶的生物合成、免疫反应、分子识别以及信号传递等生命活动。
糖类化合物的空间结构和化学性质能够决定其生物学功能，其在细胞信号传导、癌症发生等生理和病理过程中扮演着至关重要的角色。
二、糖生物学研究的重要意义糖生物学是在生命科学领域的一个新兴学科，其对于深入了解生物体内糖类化合物的合成、代谢和功能具有重要的意义。
糖生物学的研究已经成为了当今世界生命科学领域颇受关注的热点和前沿领域，其研究成果已经推动了很多领域的进步。
三、糖生物学在医学上的应用1.发展基于糖的药物药物研究者发现，一些肿瘤细胞表面的糖类化合物具有相对稳定的结构，这些糖类化合物可被某些抗体识别并攻击，从而抑制癌细胞的生长和扩散。
这种抗体疗法的研究就是基于糖的生物学知识开发的。
2.诊断器具的开发糖类化合物是细胞表面上的重要标记，除了抗体，很多细胞表面分子只会与特定种类、构型、序列的糖类化合物相互作用。
因此，生物芯片上结构复杂的糖类化合物可以用于检测肿瘤标志物、病原体等。
3.糖尿病及心血管疾病的研究糖尿病和心血管疾病是两大慢性疾病，是现代医学研究的重点。
很多糖类化合物的代谢和合成与这两种疾病有关。
研究者发现，改变糖类化合物在机体内的代谢和分解，可以缓解糖尿病、心脏病等慢性病的症状。
四、糖生物学在生物技术上的应用糖生物学在现代生物技术研究中也发挥着越来越重要的作用。
其中，糖类化合物在生物材料的组装、合成和改性中都具有重要的作用。
1.合成复杂构象的生物材料通过工程菌、酵母等载体，进行糖基化作用，生产出一些复杂构象的蛋白质材料。
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。
糖生物学和糖化学研究现状
糖生物学和糖化学研究现状糖是一类重要的生物分子，它们广泛存在于细胞内或外，并参与了多种生命过程。
研究糖的生物学功能以及糖分子结构与功能之间的关系，被称为糖生物学或者糖化学。
在过去的几十年，糖生物学与糖化学也迎来了快速发展，为人类健康和疾病治疗提供了重要的支持。
一、糖的结构及其生物功能糖是由碳、氢和氧组成的单糖或多糖。
生物体内常见的单糖有葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖等几十种，它们可以通过不同的酶催化途径合成或降解，起到多种生物效应。
糖具有多种生物功能，例如，多糖如淀粉、糖原和纤维素是植物细胞壁和动物肠道微生物生长的重要能源和结构材料；多糖也是毒素和抗原的主要成分，可以参与动植物的生物防御作用。
同样的，单糖如葡萄糖、半乳糖和甘露糖等则是能量代谢的重要组成部分，参与葡萄糖酵解和糖信号传导等重要生物过程。
二、糖生物学的研究进展糖生物学的研究进展主要体现在以下几个方面：1.糖基化修饰和生物活性糖可以通过糖基转移酶与非酶的催化，将糖与另一类生物分子如蛋白质、核酸等发生共价修饰。
这种修饰被称为糖基化，它可以调节受修饰分子的稳定性、空间结构、亲水性等性质，并影响其生物学功能。
近年来的研究表明，糖基化修饰在生物体内具有重要的生物学功能，包括调节干扰素信号、细胞凋亡、细胞周期、细胞粘附等多种生物过程。
同时，糖基化与许多疾病的发生发展密切相关，如糖尿病、神经退行性疾病、心血管疾病等，成为目前糖生物学研究的热点。
2.糖信号转导糖作为细胞能量代谢和生命活动的重要组成部分，它的浓度和代谢状况对生物体内的各种生物过程具有重要的调控作用。
近年来的研究揭示了糖信号转导的机制，即糖分子通过糖信号转导通路传递信息，影响细胞的增殖、存活、分化、迁移等过程。
糖信号转导包括许多分子参与，如胰岛素样生长因子、细胞外糖基化酶、核糖核酸识别蛋白等，它们都可以通过影响糖转运、糖酵解和糖基化修饰等途径，调控细胞外基质信号转导和细胞内信号转导。
3.醣化细胞壁的产生和调控植物细胞壁是由细胞壁素、半纤维素和醣类组成，醣类主要是葡萄糖、木糖、木寡糖、纤维素等。
糖生物学基础理论
H H -D-甘露糖（Man）
H
H
NH-CO-CH3
-1,3 糖苷键
N-乙酰- -D-葡萄 糖胺（GlcNAc）
糖链结构的复杂性：
核酸和蛋白质可以储存大量的生物信息，是以分
子量大为基础，而糖类作为信息分子则是以其结构多
样性为特征。
单糖和氨基酸（核苷酸）形成异构体数目的比较
单体种类和数目 XX XY 肽（多核苷酸） 类异构体数目 1 糖类异构体数目 11
H H CH3 H OH
CH2OH HO H
O OH
OH H H
O OH
H
O
H OH
HO
HO
OH H H NH-CO-CH3
H
OH H H
NH-CO-CH3
L-岩藻糖（Fuc）
N-乙酰- -D-葡萄 糖胺（GlcNAc）
甲基糖类
N-乙酰- -D-半乳糖 胺（GalNAc）
氨 基 糖 类
COOH H H
相关的糖结合蛋白参与。
更令人吃惊的是 ——
在肺癌细胞和结肠癌细胞表面也发现同样的四糖 （sia-Lex）。可能同样的机制导致肿瘤的转移。 继之，产生以该研究成果被产业化的热潮，“糖 工程”（glycotechnology）也运应而生。 “糖工程” 研究的是糖生物学的方法论和基本技 术，以及把基础研究获得的知识进一步转化为生产技 术等。 1998年在德国召开的国际糖生物学讨论会上又更 改为糖生物工程（glycobiotechnology）。
P
R R
P
P
Man-( Man）2 -GlcNH2 OH
P
细胞质
内质网 腔面 N
有 关 合 成 酶 系
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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。
糖生物学
Glycobiology
生命科学中的新前沿
历史背景和概况
什么是糖生物学？
糖生物学Glycobiology这个词是在1988年牛 津大学Rademacher et al.《生化年评》中提出 的，这标志糖生物学这一新的分支学科的诞生。 科学家把研究生物体内多糖的科学叫做“糖生 物学”，沿袭“基因组学”和“蛋白质组学” 的概念有人把这们学科叫做“糖原组学”。 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
类
别
• 糖蛋白 Glycoprotein • 蛋白聚糖 Proteoglycan • 糖脂 Glycolipid
• 细胞外基质 Extracellular Matrix
糖
•概
蛋
Glycoprotein
白
述
• 糖蛋白的结构 • 合成
基本结构单元 单糖
糖：多羟醛polyhydroxyaldehydes或多羟酮 polyhydroxyketones ， 碳水化合物是较大分子化合物，可水解成这 两种单糖： 醛糖和酮糖。 单糖可以存在于开链或环的形式。
聚糖的生物合成，利用和更新
UDP-GlcNAc transferas
GPI锚d1结构
糖类研究逐渐成为热门话题
• 糖生物学之所以落后于基因和蛋白质的研究， 在于以前研究人员缺乏研究糖类分子的有效 工具，以及糖分子本身的复杂性。 • 美国麻省理工学院糖原生物学家萨西赛克哈 兰说：“目前我们尚未破译其密码，我们仅 处于揭示糖奥秘的初始阶段”。 • 21世纪生命科学的研究焦点是对多细胞生物 的高层次生命现象的解释，因此，对生物体 内细胞识别和调控过程的信息分子——糖类 的研究是必不可缺的。
• 美国能源部于1986年资助佐治亚大学创建了 复合糖类研究中心，建立复合糖类数据库， 相关的计划也称为“糖库计划”。 • 1990年底已收集了6000个糖结构数据，1992 年增加到9200个，1992年底有关的记录增加 到22000份，1996年增加到42000份。 • 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。其目的是携带 欧洲各国的糖类研究和开发，以强化欧洲在 糖类基础研究以及将研究成果转化为商品方 面与美国、日本的竞争能力。
The A, B, and H Blood Group Structures
Type-2 A, B, and H blood group structures
Type-3 A, B, and O(H) blood group structures
Type-4 A, B, and O(H) blood group structures
Oligosaccharides, Polysaccharides, and Glycoconjugates
聚糖的生物学作用的一般分类
N-连接： •连接方式 O-连接：
N-连接糖蛋白
1. 定义
糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天氡
酰胺氮以共价键连接称N-连接糖蛋白。
2. 糖基化位点
• 最近美国每隔二年召开一次“糖工程”会议。 在1993年首届“糖工程”会议上，著名的糖生 物学家、会议的主持人Hart说，生物化学中最 后一个重大的前沿，糖生物学的时代正在加速 来临。在第2届会议时，又说，糖生物学是生物 化学和生物医学交叉点的前沿。 • 1996年在米兰召开的第18届国际糖化学讨论会 上，von Boeckel等报告合成了肝素中抗凝活性 碎片——五糖的模拟物，其活性是天然产物的2 倍，因此，他获得了以糖化学先驱Whistler命 名的奖项。
各国政府对糖生物学研究的支持
• 1989年，日本创刊了《糖科学与糖工程动 态》杂志。同年，日本政府科学技术厅提 出关于“糖工程基础与应用研究推进战略” 的咨询 • 1991年由科学技术厅、厚生省、农林水产 省和通商产业省联合实施“糖工程前沿计 划”，总投资百亿日元，为期15年。该计 划包括：糖工程和糖生物学。后者又分为 糖分子生物学、糖细胞生物学。同时，成 立了“糖工程研究协议会”作为协调机构。 这协议会编辑出版了专著《糖工程学》。
组成糖蛋白分子中糖链的单糖
葡萄糖 半乳糖 甘露糖、 N-乙酰半乳糖胺、 N-乙酰葡糖胺、 岩藻糖 N-乙酰神经氨酸。
名
词
Glycan，多聚糖：泛指任何糖或聚合糖类， 在游离形式或连接到另一分子， saccharide or carbohydrat互换使用。
Glycoconjugate，复合糖：一个分子中的一 个或多个聚糖单位共价连接到非糖体上。 Glycocalyx，(细胞被膜)多糖-蛋白质复合 物
脊椎动物高尔基体的聚糖多样化
N-连接寡糖的合成
• 合成场所：在粗面内质网和高尔基体中，与蛋 白质合成同时进行。 • 以长萜醇为糖链载体，先将UDPGlcNAc分子中的 GlcNAc转移至长萜醇，后再逐个加上糖基，至 形成14个糖基的长萜醇焦磷酸寡糖结构，作为 一个整体转移至天冬氨酸的酰胺氮上。 • 寡糖链进一步依次在内质网和高尔基体中进行 加工，形成成熟的各种N－连接寡糖。 • 每一步加工都由特异的糖基转移酶或糖苷酶催 化完成，糖基必须活化为UDP或UDP的衍生物。
多萜醇
• Structure of the Dol-P lipid
长萜醇-P-P寡糖的合成
Biosynthesis of the dolichol oligosaccharide precursor.
多萜醇对新生的前体蛋白的转移
GPI锚转移至新合成多肽模型
聚糖生物合成相关问题
有些大的糖链是在细胞质内膜面并翻转跨越到 另一边，但大部分伸展链在内质网或高尔基内 部。 无论如何，任何分子最终将面临内部分泌 直到20世纪80年代中期，普遍教条是糖复合物， 如糖蛋白和糖脂出现在细胞的外表面，在细胞 器内表面的和分泌分子中。 然而，在过去二十 年里，已经很清楚某些种类的糖缀合物的合成 和居住在胞浆和胞核内。 与不同类别的多聚糖独特的核心区域相反，不 同类别的多聚糖核心区外多聚糖结构序列往往 不同。
N-连接糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三个氨基酸残基
的序列子称为糖基化位点。
3. N-连接寡糖结构（三型）
①高甘露糖型 ②复杂性 都有一个五糖核心
③杂合型
Man
Man
Man
GlcNAc
GlcNAc
AsnN-连接糖链结构源自核心结构高甘露糖型
复杂型
杂合型
一些低聚糖在N -糖蛋白的联系
动物聚糖的共同基本核心结构
Microheterogeneity ：蛋白糖基化一个 共同特点
• 蛋白质的糖基的微不均一性是最引人入胜的和令人沮 丧的现象 。 异质性即糖基化位点和糖基化程度上可能 有很大的不同， • 微不均一性表明在特定细胞蛋白质合成特定的糖基类 型。 • 不同蛋白质和细胞类型不同，糖基化不同。因此，特 定蛋白糖基形式 可有效地作为独特的分子种。 • 异质性可能被解释为在高尔基体新合成糖蛋白是通过 迅速多个，顺序，部分竞争的糖基化反应。 • 从实际的角度来看， 微不均一性提出完整的结构糖的 分析是一项艰巨的任务。 • 从功能的角度来看，这种非均质性的意义上仍不清楚。 这可能是一种多样性的，识别功能多样化和/或微生物 和寄生虫逃避
单糖生物合成和互变
糖核苷酸转运蛋白
Nucleotide transport in Golgi and ER
• • • • • • • • • • • • Nucleotide CMP-Sia GDP-Fuc UDP-Gal PAPS GDP-Man UDP-GlcNAc UDP-GalNAc UDP-Xyl ATP UDP-GlcA UDP-Glc ER – – – – – ++ ++ ++ +++ ++++ ++++ Golgi +++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ ++++ +