多糖化学

**章 绪论 糖、蛋白质、脂肪是生物界的三大基础物质，而多糖是糖类的主要存在形式，其含量*为丰富。多糖主要通过光合作用合成，广泛存在于自然界中，是含量*丰富的一类可再生生物资源。多糖（polysaccharide）是多元羟基的醛、酮聚合物或衍生物，由大量的单糖残基通过糖苷键连接形成的大分子聚合物。糖主要由碳、氢、氧三种元素组成，化学式可表示为Cx (H2O)y，其中x＞3，且氢、氧的比例为2∶1，近似于碳和水的化合物，因此也称为碳水化合物。虽然Cx (H2O)y化学式能用来表示糖，但有少数的糖及其衍生物不符合此化学式通式，如鼠李糖（C6H12O5）、氨基葡萄糖（C6H13O5N）、脱氧核糖（C5H10O4）等。另外，符合这种通式的化合物也并不一定都属于糖类，如甲醛（CH2O）、乙酸（C2H4O2）、乳酸（C3H6O3）等，它们的结构不属于糖类结构。因此，化学通式中碳原子数须大于3。多糖不仅满足人们日常的吃、穿、用，而且是现代工业不可缺少的原料与功能材料。例如，纤维素、壳聚糖、淀粉等在纺织、造纸、食品加工、日用品化工、生物医药工程等领域发挥越来越重要的作用。 **节 糖化学的发展历程 糖化学在有机化学形成一门学科之前就已经开始。1843年，杜马（Dumas）首次提出糖的实验式。19世纪80年代，“糖化学之父”费希尔（Fischer）对单糖分子结构及化学合成做了系统研究。随后霍沃思（Haworth）确定了单糖构型，掀起了糖化学的研究热潮。 由于糖类结构的复杂性和多样性，糖化学经历了“兴起—沉寂—兴起”的曲折历程。20世纪30年代，随着糖酵解途径的基本确定，以葡萄糖、淀粉、糖原和纤维素为主要研究对象的糖化学曾被认为得到完全研究；而在这一阶段，蛋白质结构与功能的研究吸引了大多数研究者的注意力和兴趣；随着脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构的确定，核酸的研究也进入了高潮时期。此时，糖化学的研究却经历了30年的停滞不前。直到20世纪60年代，由于放射性同位素示踪技术的发展，淋巴细胞归巢和血浆铜蓝蛋白半衰期研究有了新发现，拉开了糖蛋白、糖脂、蛋白聚糖等复合糖（complex carbohydrate）或糖缀合物（glycoconjugate）研究的序幕。这一时期，科学家们主要致力于揭示作为信息分子的糖类分子如何在细胞黏着、细胞信号、发育分化和调节中发挥作用。经过20年的积累和酝酿，到20世纪80年代下半叶，随着现代分离、分析技术的发展，如核磁共振技术、高效液相色谱、质谱技术，尤其是联用技术以及高场核磁共振与软电离技术的出现，糖化学的研究形成一个明显的新高潮。糖类结构的测定快速而准确，且与生物学（糖基水解酶、转移酶、抗体等）结合，使人们开始从更深层次了解糖类的结构与作用。 糖的结构比核酸和蛋白质的结构更复杂。对于糖类结构的研究，首先要确定组成糖链的单糖种类、比例、单糖之间的连接位置、糖链的直链与支链、糖链中糖基的排列顺序、糖苷键的构型等。糖类分子在生物体内确实参与了信息传递，但实际情况远比人们想象的复杂。与氨基酸组成的蛋白质相比，单糖连成的聚糖（glycan）在分子结构上要复杂得多。氨基酸之间的连接基本为氨基和羧基形成的肽键，一级结构是线型的；但单糖可在多个羟基上以两种可能的构型相连形成寡糖和多糖。4种不同的单糖，理论上可以形成35 000多种四糖，而4种不同的核苷酸或氨基酸，只能形成24种不同的四肽；并且糖链上结构的修饰，如甲基化、乙酰化、氨基化、硫酸化等，使得寡糖或多糖的结构比肽和寡聚核酸复杂得多。另外，蛋白质分子拥有明确而严格的氨基酸序列，由此决定了蛋白质分子的空间结构和功能活性。与此不同的是，即使连接在同一个蛋白质分子上的同一个位置的糖链，也并不是整齐划一的，而是有着不同构型的结构分布，被称为糖链结构上的“微观不均一性”。 从纯化学的角度来看，这些复杂的结构赋予了糖类化合物多样性的功能，即使多糖的结构发生微弱变化，也可能使其形态和功能差异很大。例如，相似的结构单元可形成性能迥异的壳聚糖、纤维素、海藻酸钠、淀粉、果胶等。 第二节 糖的来源、命名和分类 一、糖的来源 糖广泛存在于生物界中，是地球上数量*多的一类有机化合物；尤其在植物界中，按干重计，糖类物质占植物体质量的85%～90%，占微生物菌体质量的10%～30%，而在动物体中的含量小于2%。动物体内糖的含量虽然不多，但其生命活动所需能量主要来源于糖。糖在自然界中主要以游离糖和化合糖两种形式存在，如葡萄糖、蔗糖和果糖为游离糖，而糖脂、糖蛋白、核糖核苷酸等为化合糖。 地球上生物量干重的50%以上是由葡萄糖的聚合物构成的。自然界中无机碳转变为生物体内有机碳的途径包括植物的叶绿素光合作用、细菌的光合作用以及细菌的化能合成作用等。其中，光合作用是地球上糖类物质的主要来源，每年通过光合作用合成的糖类达4500亿t（以葡萄糖单元计）。光合作用形成的糖类不仅是地球上生物的主要能量来源，也是人类食物、能源和工业有机原料的重要来源。表1-1列出了糖类物质在自然界的存在情况[1]。 二、糖的命名和分类 糖可以根据其来源、聚合度或碳原子数、化学基团类型来命名。葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖、棉子糖、海藻糖、松三糖及壳聚糖是按来源命名的；己醛糖、庚酮糖是根据碳原子数和化学基团类型联合命名的。 糖类物质根据其聚合度可分为单糖及其衍生物、聚糖。其中，聚糖包括寡糖、多糖、DNA、核糖核酸（RNA）。这些聚糖的区别在于单糖单位连接桥的类型不同，如寡糖和多糖为聚缩醛，通过缩醛氧桥相连；而DNA和RNA为聚磷酸酯，通过磷酸酯桥连接。此外，还存在不少单糖的衍生物和寡糖的衍生物，如抗生物素。 单糖是不能被水解成更小分子的*简单的糖类化合物，如葡萄糖、果糖、木糖等。寡糖和多糖是由单糖组成的。单糖按照所含碳原子数目的不同，分为二碳糖、三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖、七碳糖等；以天干划分又可称为乙糖、丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖等。单糖是多元羟基醛或酮的化合物，因此又可以分为醛糖和酮糖两种。例如，葡萄糖是己醛糖，果糖是己酮糖。此外，还存在单糖的衍生物糖苷、糖酸、糖醛酸、糖二酸、酯、醚、脱氧糖、糖醇及氨基糖等。 寡糖又称低聚糖，是由两个或多个（2～10个）单糖通过糖苷键组成的，经水解反应可生成相应的单糖。按照水解后所生成单糖分子的数量，寡糖分为二糖、三糖、四糖等。例如，蔗糖经水解生成一个葡萄糖和一个果糖，麦芽糖经水解生成两个葡萄糖，都属于二糖。棉子糖经水解生成一个葡萄糖、一个果糖和一个半乳糖，属于三糖。寡糖又分为均寡糖和杂寡糖，前者是由同一种单糖组成的，如麦芽糖；后者是由不同类型单糖组成的，如蔗糖、棉子糖。根据还原性质，寡糖又可分为还原性寡糖（如麦芽糖）和非还原性寡糖（如蔗糖）。 多糖是由许多单糖经糖苷键连接形成的高分子化合物，含单糖的数量多，水解时产生10个以上的单糖分子。自然界中多糖分子水解生成的单糖数量一般大于100个，有的高达几千个，如纤维素、壳聚糖、淀粉。随着色谱分离技术的发展，许多复杂的糖类混合物能被轻松地分离，大大促进了多糖结构与性能的研究。水解时只产生一种单糖或单糖衍生物的多糖称为均多糖，如纤维素、壳聚糖、淀粉、糖原等；而水解时产生2种或2种以上的单糖或单糖衍生物的多糖称为杂多糖，如透明质酸、半纤维素等。目前，*复杂的杂多糖含有4种单糖，但尚未发现更多单糖组成的多糖。杂多糖又可进一步分为二杂多糖、三杂多糖、四杂多糖。由己糖或其衍生物组成的多糖称为己聚糖，如纤维素、壳聚糖、淀粉；而由戊糖或其衍生物组成的多糖称为戊聚糖，如半纤维素。由于多糖种类繁多，其分类方法较多。例如，按照来源不同，多糖可分为真菌多糖、植物多糖、动物多糖、藻类多糖和细菌多糖；按照多糖在生物体中功能不同，又可分为结构物质（植物体中的纤维素、动物体中的甲壳质）、能源储存物质（植物体中的淀粉、动物体中的糖原）。但后一种分类方法的缺点是，有时同一种多糖或结构相似的多糖可能分属于不同的类别。因此，目前常用的分类是按照其来源划分。 糖是细胞组成的重要有机化合物，在人和动物的生理过程中扮演着重要的作用，主要体现在以下几个方面[2]。 1.作为生物体的结构成分 植物的根、茎、叶含有大量的纤维素、半纤维素、淀粉、果胶、琼脂等，这些物质是构成植物细胞壁的主要成分。例如，植物体中50%以上的碳以纤维素的形式存在；昆虫、甲壳类的壳或外骨骼、真菌细胞壁是由壳聚糖构成的；微生物的细胞壁结构中含有杂多糖—肽聚糖。除以上几种结构多糖外，黏多糖是保证多种生理功能实现的重要物质；透明质酸具有高度黏性，能润滑关节，保护机体在受到强烈振动时不影响或损伤正常功能；硫酸软骨素在软骨中起结构支持作用。 2.作为生物体的主要能源物质 糖在生物体中（细胞内）通过生物氧化、分解释放能量，供生命活动需要。为保证能源和碳源的稳定可靠，生物体内存在大量储存型糖类物质，如淀粉、糖原等，前者为植物体的储存型多糖，后者为动物体的储存型多糖。 3.重要的中间代谢物 在生物体中，某些糖是生物体内合成的中间代谢物，糖类物质通过代谢途径转变为其他生物分子（如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等），提供活性成分和碳骨架。 4.细胞识别的信息分子 糖蛋白是一类在生物体内分布极广的复合糖，其结构中的糖链起着信息分子的作用。糖的生物学研究表明，细胞识别行为如黏着、接触抑制、归巢行为、免疫保护、代谢调控、形态发生等都与糖蛋白的糖链密切相关[3]。体内许多生物学反应的发生都需要质膜中含有特异的识别位点，即受体或选择素。受体分子往往含有若干条寡糖链，糖链的组分常为半乳糖、甘露糖。例如，某些微生物可通过特异性识别作用而选择性地定植于某一特定的器官或部位。这种特异性识别是在微生物表面的凝集素和宿主细胞表面某些寡糖的介导下完成的。在一些动物的胃肠道内，微生物表面的糖蛋白能够特异地识别肠膜上皮的寡糖受体，并与之结合，如甘露寡糖（酵母细胞壁的衍生物）、果寡糖（由蔗糖与果糖发生酶化反应合成）等。当含有上述寡糖的食物进入动物体内后，胃肠道中的致病菌就会与之结合，