第01章糖的化学.ppt

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1、第 一 章 糖的化学,一、糖的概念与分布及主要生物学作用,（一）糖的概念与分布 糖即碳水化合物，其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。 糖在植物占80% 动物占 2 % 微生物占10%30%,（二）糖的主要生物学作用,1.糖是人和动物的主要能源物质，也是生命必需的物质： (CH2O)n CO2+H2O+能量,2.糖还具有结构功能 纤维素 粘多糖 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,根据其水解产物，糖主要可分为三大类:,单 糖 (monosacchride) 寡 糖 (oligosacchride) 多 糖 (po

2、lysacchride),二 、糖的分类,1.单糖是体内多种代谢途径的参与者,（1）体内单糖可来自于外源摄入和糖复合物分解 （2）体内各单糖均可通过糖酵解途径分解 （3）单糖衍生物是体内多种代谢途径的中间物或产物 （4）核苷酸单糖是糖复合物合成的原料,单糖是不能被分解成更小分子的糖，如葡萄糖 (glucose) 、果糖(fructose)和核糖(ribose)等,-D-核糖 -D- 2-脱氧核糖 -D-木糖 -D-芹菜糖,戊糖, -L-阿拉伯糖 -D-阿拉伯糖 D-核酮糖 D-木酮糖,-D-甘露糖 -D-果糖 -L-山梨糖,-D-葡萄糖 -D-半乳糖 - L -半乳糖,己糖,2.二糖是常见的寡

3、糖,水解后产生10个以下单糖的糖称为寡糖。,常见的二糖有：,麦芽糖 (maltose)： 葡萄糖 葡萄糖,蔗 糖 (sucrose)： 葡萄糖 果糖,乳 糖 (lactose)： 葡萄糖 半乳糖,三糖：棉籽糖,3.多糖是自然界糖类物质的主要存在形式,完全水解后产生10个以上单糖的糖称为多糖，也称聚糖，有同多糖、杂多糖之分。,常见的多糖有：,淀粉 (starch),糖原 (glycogen),纤维素 (cellulose),第二节 多糖的化学,动、植物的主要结构支持物 生物体主要能量来源 工业重要多聚物的原料来源 广谱免疫调节剂,一、多糖的分类,（一） 多糖按其来源分类： 1.植物多糖 2.动物

4、多糖 3.微生物多糖 4.海洋生物多糖 5.人工合成多糖。,（二）多糖按其在生物体内的生理功能分类： 1.贮存多糖 淀粉、糖原 2.结构多糖 水不溶性多糖，纤维素,（三）多糖按其组成成分的分类 1同聚多糖（均一多糖） 由同一种单糖缩合而成，如淀粉、糖原、纤维素、几丁质等。,2杂聚多糖（不均一多糖） 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 也称为糖胺聚糖，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。 如透明质酸、肝素、硫酸软骨素等,4结合糖 也称糖复合物或复合糖，是指糖和蛋白质、脂质等非糖物质结合的复合分子。,（1）糖

5、蛋白：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。,连接方式,糖蛋白糖链分N-连接聚糖与O-连接聚糖,O,N,定义： 由一种或多种糖胺聚糖(glycosaminoglycan)以共价键连接核心蛋白组成的大分子糖复合物。,（2）蛋白聚糖由糖胺聚糖共价连接于核心蛋白所组成,蛋白聚糖的结构：,硫酸软骨素(chordroitin sulfate) 硫酸皮肤素(dermatan sulfate

6、) 硫酸角质素(keratan sulfate) 透明质酸(hyaluronic acid) 肝素(heparin) 硫酸类肝素(heparan sulfate),体内重要的糖胺聚糖（6种）：,糖胺聚糖是含己糖醛酸和己糖胺组成的重复二糖单位,重要的糖胺聚糖,(3)糖脂 1)鞘糖脂 2)甘油糖脂 3)磷酸多萜醇糖脂 4)类固醇糖脂,单半乳糖基二酰甘油,(4)脂多糖,胎盘脂多糖、细菌脂多糖,二、重要多糖的化学结构与生理功能,淀粉颗粒,（一）淀粉是植物细胞多糖的储存形式, -1,4糖苷键, -1,6糖苷键,（二）糖原是动物细胞多糖的储存形式,（二 ）糖原是动物细胞多糖的储存形式,*与支链淀粉相比，糖

7、原的分支程度更高, -1,4糖苷键, -1,6糖苷键,(三)葡聚糖 酵母菌及某些细菌中的贮存多糖 多个葡萄糖缩合而成同聚多糖 -1,6糖苷键,（四） 纤维素是植物的结构多糖,-1,4糖苷键,(五)琼 胶（agar） 细菌培养基凝固剂,(六)几丁质（chitin）,(七)粘多糖 1.透明质酸,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,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。,2.硫酸软骨素,3.肝素,(八)细菌多糖,1.肽聚糖 又称胞壁质（m

8、urein），是构成细菌细胞壁基本骨架的主要成分。 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。,三、多糖分离、纯化及降解的原理,(一)多糖提取分离 第一类 难溶于水 0.5mol/L NaOH 乙醇 第二类 易溶于温水 7080 氯仿：正丁醇（4：1）乙醇 第三类 粘多糖的提取 (1) 碱液抽提法 (2) 蛋白水解酶消化法,(二)多糖的纯化 1.分级沉淀法 2.季铵盐络合法 3.离子交换层析法 4.制备性区带电泳 5.固定化凝集素的

9、亲和层析法,（三）多糖的降解 1.化学降解法: 亚硝酸控制降解法 2.酶法降解 3.辐射降解法,四、多糖理化性质测定,(一)多糖的含量测定 硫酸-蒽酮法 620nm (二)多糖的纯度分析 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,(三)多糖的分子量测定 1.凝胶柱层析法 2.特性粘度法 = K M 2,五、多糖结构分析的基本原理,物理方法： 红外光谱 磁共振光谱 质谱 X-射线衍射 化学方法 ：化学降解法

10、 酶降解法 免疫化学法 放射化学法,（一）多糖组成成分分析 1. 酸水解 13mol/L硫酸或2mol/L三氟乙酸 ,80100,68小时 产物用纸层析、薄层层析和气相层析鉴定 2. 乙酰解 乙酐：乙酸：水（10：10：1） 3. 甲醇解 +无水甲醇氯化氢甲基糖苷乙酰基衍生物气相层析,（二）多糖结构的甲基化分析 Hakomori法,（三）多糖结构的过碘酸氧化及Smith降解 过碘酸氧化是选择性氧化降解，作用于1,2-二羟基和1,2,3-三羟基而生成醛或甲醛、甲酸。 1-2 糖苷键:,1-3 糖苷键:,1-4糖苷键:,1-6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

11、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

12、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 内切-D-半乳糖苷酶 内切-N-乙酰-D-氨基半乳糖酶 肽-N-聚糖水解酶,六、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、转运和保护普遍起作用。 糖链与成熟酶活性的关系因酶而异。,2.糖链与激素活性 FSH (促卵泡激素) LH(促黄体激素) TSH (促甲状腺激素) EPO（促红细胞生成素）,3.糖链与抗体(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

13、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

14、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拟糖多肽 4随机肽库,二、糖基化工程, 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 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人为的操作（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

15、有目的地改变糖蛋白的生物学功能。, 糖型是指相同的多肽链上共价相连着不同的聚糖结构。,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 阐明糖蛋白中糖链的结构和功能； 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，主要包括糖基化和去糖基化,