第3章 糖化學(xué)生物學(xué)

第3章糖的化學(xué)生物學(xué)本章內(nèi)容

1.概述

2.糖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)

3.糖的合成

4.糖和蛋白質(zhì)的相互作用

5.

糖的序列分析和糖組學(xué)6.糖的生物應(yīng)用3.1概述

糖又稱(chēng)碳水化合物，是多羥基醛、酮或其縮合物，自然界存在最多的一類(lèi)有機(jī)化合物。

如葡萄糖、蔗糖及淀粉等均屬于此類(lèi)化合物.

C、H、O三種元素通式表示

組成糖C6(H2O)6光合作用呼吸作用糖僅僅是能量存儲(chǔ)物質(zhì)嗎？輸血17世紀(jì)80年代的英國(guó)，有位醫(yī)生曾經(jīng)給一個(gè)生命垂危的年輕人輸羊血，奇跡般的挽救了他的生命。19世紀(jì)80年代，北美的一位醫(yī)生給一位瀕臨死亡的產(chǎn)婦輸人血，產(chǎn)婦起死回生。糖蛋白肽鏈的骨架上連接著一些糖的側(cè)鏈，糖鏈?zhǔn)翘禺愋詻Q定簇。3.1.1糖生物學(xué)糖能量物質(zhì)1891年德國(guó)化學(xué)Fischer闡明了糖的結(jié)構(gòu)構(gòu)型英國(guó)化學(xué)Haworth糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)象糖生物化學(xué)基礎(chǔ)的奠定1950年Luis發(fā)現(xiàn)糖核苷二磷酸的作用生物體內(nèi)糖綴合物的合成需要糖苷酸為供體維持生命活動(dòng)所需能量的重要來(lái)源。糖還有許多其它生理作用,如構(gòu)成植物的支撐組織、作為肌體中其它有機(jī)物的合成原料等。細(xì)胞識(shí)別和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

作用糖化學(xué)糖生物學(xué)生物化學(xué)糖生物學(xué)以寡糖和糖綴合物為研究對(duì)象，以糖化學(xué)、免疫學(xué)及分子生物學(xué)為手段，研究寡糖鏈作為生物信息分子在多細(xì)胞、高層次生命中的功能的學(xué)科。寡糖特點(diǎn)結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜。寡糖蛋白質(zhì)分離后才可進(jìn)行研究。功能只有在特定的綴合物中才能表現(xiàn)。糖基轉(zhuǎn)移酶糖結(jié)構(gòu)糖基轉(zhuǎn)移酶的專(zhuān)一性一種酶一種糖苷鍵

主要研究?jī)?nèi)容3.1.2糖生物學(xué)的意義

糖作為信息分子和調(diào)分子在生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)及病理機(jī)制中的作用。后基因組糖蛋白質(zhì)核酸糖類(lèi)分子20世紀(jì)的兩大發(fā)現(xiàn)血型和配型輸血青霉素疾病與細(xì)胞表面糖結(jié)構(gòu)流感病毒與宿主表面糖鏈結(jié)合感染受精表面糖鏈識(shí)別糖的作用受精增殖分化神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)維持炎癥病理學(xué)分子生物學(xué)免疫學(xué)神經(jīng)生物學(xué)糖生

物學(xué)3.2

糖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)糖類(lèi)單糖多糖糖復(fù)合物

糖蛋白(glycoprotein)蛋白聚糖(proteoglycan)糖脂(glycolipids)單糖：不能水解的多羥基醛、酮，如葡萄糖、果糖等；2)低聚糖：一分子的低聚糖可以水解為幾分子的單糖(2~10)，故低聚糖是由幾個(gè)單糖縮合成的物質(zhì)，如蔗糖、麥芽糖等；

3)多糖：一分子多糖可以水解為數(shù)千個(gè)單糖，是由許多單糖形成的聚合物(10個(gè)以上的單糖),如淀粉、纖維素等。根據(jù)能否水解和水解后生成的物質(zhì)分三類(lèi)3.2.1單糖

天然單糖：

D-型

結(jié)構(gòu)：環(huán)狀、鏈狀

常見(jiàn)：葡萄糖、果糖、半乳糖，衍生

物包括核糖和脫氧核糖。單糖結(jié)構(gòu)和表示方法：

依據(jù)所含的羰基可分為醛糖和酮糖二類(lèi)。天然的單糖以含四、五及六個(gè)碳原子的糖最為普遍。1.單糖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型和構(gòu)象結(jié)構(gòu)(1)寫(xiě)法:寫(xiě)單糖結(jié)構(gòu)時(shí),一般將羰基寫(xiě)在上端,碳鏈的編號(hào)從醛基或靠近酮基的一端開(kāi)始。己醛糖己酮糖123456(2)結(jié)構(gòu)的確定:以葡萄糖為例

元素分析實(shí)驗(yàn)式為CH2O,分子量測(cè)定后得知分子式為C6H12O6;葡萄糖能起銀鏡反應(yīng)、與HCN加成，表明C=O基的存在；2)構(gòu)型相對(duì)構(gòu)型

由單糖的構(gòu)造式可知,分子中有手性碳原子，故有旋光異構(gòu)體。最初人們是通過(guò)甘油醛的構(gòu)型來(lái)確定其相對(duì)構(gòu)型的.D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛由L-甘油醛可以導(dǎo)出另一系列的單糖，稱(chēng)為L(zhǎng)-系列.

單糖中,以D-葡萄糖和D-果糖最為重要。D-葡萄糖L-葡萄糖D-果糖(2)構(gòu)型的表示方法D-系列D-(-)-赤蘚糖D-(-)-蘇阿糖核糖樹(shù)膠糖木糖異木糖3)單糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)NMR測(cè)定證明結(jié)晶態(tài)的單糖以環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在的。D-葡萄糖環(huán)化C1異頭碳a-D-葡萄糖b-D-葡萄糖

4)單糖的構(gòu)象2.成脎反應(yīng)

單糖與過(guò)量的苯肼作用，生成脎。腙脎這是a-羥基醛酮的典型反應(yīng)，苯肼在此為氧化劑.無(wú)論醛、酮糖，反應(yīng)均發(fā)生在C1和C2上，其它原子不參與反應(yīng)。3.2.2二糖級(jí)寡糖

糖苷鍵(glycosidicbond)

一個(gè)環(huán)狀單糖半縮醛（或半縮酮）羥基與另一個(gè)分子的羥基、胺基或巰基之間縮合形成的縮醛鍵或縮酮鍵。

常見(jiàn)的糖苷鍵O-糖苷鍵

N-糖苷鍵

寡糖

2-10個(gè)糖苷鍵聚合而成的化合物。寡糖構(gòu)象測(cè)試方法：

X射線晶體學(xué)（XRD）核磁共振（NMR）3.2.3多糖

動(dòng)植物細(xì)胞膜、微生物細(xì)胞壁的大分子

同聚多糖細(xì)菌多糖蛋白聚糖（1）同聚多糖淀粉：

麥芽糖構(gòu)成的鏈狀結(jié)構(gòu)。糖原動(dòng)物體內(nèi)纖維素:葡萄糖分子通過(guò)β-1,4-糖苷鍵連接而形成的葡聚糖，是植物細(xì)胞壁的主要成分。生物燃料

纖維素乙醇蛋白聚糖是一條或多條糖胺聚糖以共價(jià)鍵與核心蛋白形成的大分子糖復(fù)合物化合物。糖占比例大，約一半以上，具有多糖性質(zhì)。分布于軟骨、結(jié)締組織、角膜基質(zhì)、關(guān)節(jié)滑液、粘液、眼玻璃體等組織。（2）蛋白聚糖

蛋白聚糖的結(jié)構(gòu)組成核心蛋白糖胺聚糖糖胺糖醛酸葡萄糖胺半乳糖胺葡萄糖醛酸艾杜糖醛酸核心蛋白均含有結(jié)合糖胺聚糖的結(jié)構(gòu)域核心蛋白（coreprotein）為與糖胺聚糖鏈共價(jià)結(jié)合的蛋白質(zhì)。核心蛋白均含有相應(yīng)的糖胺聚糖取代結(jié)構(gòu)域，一些蛋白聚糖通過(guò)這一結(jié)構(gòu)錨定在細(xì)胞表面或細(xì)胞外基質(zhì)的大分子中。透明質(zhì)酸連接蛋白核心蛋白硫酸角質(zhì)素硫酸軟骨素糖蛋白亞基骨骺軟骨蛋白聚糖聚合物蛋白聚糖聚合物透明質(zhì)酸（玻尿酸）

起到保持細(xì)胞水分；保護(hù)細(xì)胞不受病原菌的侵害；加快恢復(fù)皮膚組織，提高創(chuàng)口愈合再生能力，減少疤痕；增強(qiáng)免疫力等作用；擁有強(qiáng)大的吸水能力和保濕功能

增強(qiáng)皮膚長(zhǎng)時(shí)間的保水能力化妝品行業(yè)蛋白聚糖是細(xì)胞間基質(zhì)重要成分在基質(zhì)中蛋白聚糖和彈性蛋白、膠原蛋白以特殊方式連接，構(gòu)成基質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)。這與細(xì)胞的粘附、遷移、增殖和分化等有關(guān)?？鼓ǜ嗡兀﹨⑴c細(xì)胞識(shí)別結(jié)合與分化（細(xì)胞表面的硫酸素）維持軟骨機(jī)械性能（硫酸軟骨素）等1.構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)2.其它功能血栓栓塞性疾病心肌梗死、心血管手術(shù)聚糖作為信息分子作用

特異的聚糖結(jié)構(gòu)被細(xì)胞用來(lái)編碼若干重要信息，諸如糖蛋白的胞內(nèi)定向轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞與細(xì)胞的相互作用、組織與器官發(fā)育以及細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。3.2.4糖綴合物與糖基化

單糖、寡糖或多糖與蛋白質(zhì)和脂質(zhì)連接形成糖綴合物。

包括糖蛋白和糖脂。聚糖糖蛋白和糖脂中糖的部分糖綴合物合成的場(chǎng)所：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體研究聚糖的種類(lèi)通過(guò)N原子與蛋白質(zhì)連接的聚糖通過(guò)O原子與蛋白質(zhì)連接的聚糖與脂質(zhì)連接的聚糖一種或多種糖以共價(jià)鍵連接到肽鏈上的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)含量較多，糖所占比例變動(dòng)大，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)的特性。分布細(xì)胞膜、溶酶體、細(xì)胞外液3.2.4.1糖蛋白葡萄糖(Glu)半乳糖(Gal)甘露糖(Man)N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)巖藻糖(Fuc)N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)N-乙酰神經(jīng)氨酸(NeuAc)（一）糖蛋白聚糖分為N-連接和O-連接型兩種一、糖蛋白糖鏈的結(jié)構(gòu)聚糖中單糖的種類(lèi)：糖蛋白糖鏈的N-連接型和O-連接型連接方式N-連接：O-連接：（二）N-連接糖基化

糖蛋白的糖鏈與蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天氡酰胺氮以共價(jià)鍵連接稱(chēng)N-連接糖蛋白。N-連接糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三個(gè)氨基酸殘基的序列子稱(chēng)為糖基化位點(diǎn)。有共同多肽鏈但攜帶不同聚糖的糖蛋白分子稱(chēng)為糖型。（三）N-連接聚糖可分為3型①高甘露糖型②復(fù)雜性③雜合型都有一個(gè)五糖核心ManManManGlcNAcGlcNAcAsnN-連接糖基化步驟脂連接前體寡糖的形成寡糖整體轉(zhuǎn)移到多肽寡糖的加工再加工場(chǎng)所：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體（四）O-連接糖基化糖蛋白糖鏈與蛋白部分的絲/蘇氨酸殘基的羥基相連，稱(chēng)為O-連接糖蛋白。

O-連接寡糖有N-乙酰半乳糖與半乳糖構(gòu)成核心二糖，核心二糖可重復(fù)延長(zhǎng)及分支，再接上巖藻糖、N-乙酰葡萄糖胺等單糖。O-連接寡糖結(jié)構(gòu)場(chǎng)所：高爾基體

O-連接寡糖在N-乙酰半乳糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下，在多肽鏈的絲/蘇氨酸的羥基上連接上N-乙酰半乳糖胺，然后逐個(gè)加上糖基直至O-連接寡糖鏈的形成。O-連接寡糖合成Ser/ThrGalNAc二、糖蛋白分子中聚糖的功能保護(hù)糖蛋白不受蛋白酶的水解，延長(zhǎng)其半衰期；蛋白質(zhì)的聚糖也可起屏障作用，影響糖蛋白的作用；聚糖還可以避免蛋白質(zhì)中抗原決定簇被免疫系統(tǒng)識(shí)別而產(chǎn)生抗體。

（一）聚糖可影響糖蛋白生物活性（二）糖蛋白聚糖加工可參與新生肽鏈折疊參與新生肽鏈的折疊并維持蛋白質(zhì)的正確的空間構(gòu)象；

（三）糖蛋白聚糖可參與維系亞基聚合具有功能的糖蛋白的二聚體，往往依靠糖-蛋白或糖-糖相互作用維系亞基的聚合和構(gòu)象。（四）聚糖對(duì)蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的投送和分泌中的作用有些蛋白質(zhì)的投送信號(hào)存在于肽鏈內(nèi)，但有些是與其糖鏈有關(guān)。（五）糖蛋白聚糖具有分子間的識(shí)別作用聚糖中單糖分子連接的多樣性是聚糖起到分子識(shí)別作用的基礎(chǔ)。受體與配體識(shí)別和結(jié)合也需聚糖的參與。細(xì)胞表面糖復(fù)合物的聚糖還能介導(dǎo)細(xì)胞-細(xì)胞的結(jié)合。糖基甘油脂糖鞘脂：糖鏈、脂肪酸和神經(jīng)鞘氨醇的長(zhǎng)鏈堿基3部分組成。3.2.4.2

糖脂真核細(xì)胞膜的組分生長(zhǎng)、發(fā)育、分化衰老、凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)神經(jīng)鞘氨醇最新一代保濕劑

水溶性脂質(zhì)物質(zhì)，它和構(gòu)成皮膚角質(zhì)層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)相近，能很快滲透進(jìn)皮膚，和角質(zhì)層中的水結(jié)合，形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鎖住水分。

神經(jīng)系統(tǒng)絕緣軸突中髓鞘質(zhì)25%糖合成影響發(fā)育、神經(jīng)缺陷化學(xué)全合成糖鞘脂的關(guān)鍵方式神經(jīng)鞘氨醇與糖基直接相連神經(jīng)鞘氨醇與糖相連，后用脂肪酸進(jìn)行N?；窠?jīng)鞘氨醇偶聯(lián)寡糖3.3糖的合成糖基連接方式12141316α-構(gòu)型、β-構(gòu)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜3.3.1糖的保護(hù)基

—OH、—NH2、—C=O數(shù)量龐大滿足的條件：便宜、穩(wěn)定、無(wú)毒，引入條件適合；反應(yīng)過(guò)程中穩(wěn)定；脫除高效且條件條件溫和；脫除后，易與產(chǎn)物分離。保護(hù)基的正交性

同時(shí)存在多種保護(hù)基時(shí)，脫除一種不對(duì)其他產(chǎn)生影響。羥基和氨基的保護(hù)基種類(lèi)？脫除條件有哪些？3.3.2寡糖的液相合成線性合成：逐步接長(zhǎng)缺點(diǎn)：用于分子量小的寡糖合成，步驟多、工作量大、風(fēng)險(xiǎn)高。

2.收斂式合成先合成小的寡糖片段，以收斂式組裝完成合成。優(yōu)點(diǎn)：寡糖片段天然存在；成本低，單糖片段后期引入；步驟少。適用于分子量較大的寡糖合成3.雙向合成

4.“一鍋法”

多步反應(yīng)可以從相對(duì)簡(jiǎn)單易的的原料出發(fā)，不經(jīng)中間體的分離，在一個(gè)反應(yīng)器中完成，直接獲得產(chǎn)物。

3.3.3寡糖的固相合成多個(gè)羥基，如何選擇，與樹(shù)脂相連？

端基羥基連接到樹(shù)脂上影響因素保護(hù)基的電子效應(yīng)，脫保護(hù)條件；形成糖苷鍵的區(qū)域和立體選擇性；溶劑效應(yīng)、糖基供體的影響固相載體不溶性可溶性：聚乙二醇（MPEG）均相進(jìn)行，不需過(guò)量反應(yīng)試劑糖基化試劑

路易斯酸、親硫試劑……連接臂決定保護(hù)基和偶聯(lián)條件目前仍無(wú)通用的方法，問(wèn)題多多3.3.4酶促寡糖合成優(yōu)點(diǎn)：高立體和區(qū)域選擇性酶類(lèi)糖苷酶糖基合成酶糖基轉(zhuǎn)移酶（1）糖基轉(zhuǎn)移酶

非尿苷酰轉(zhuǎn)移酶尿苷酰轉(zhuǎn)移酶糖基供體的差異合成過(guò)程一個(gè)單糖基轉(zhuǎn)移到另一個(gè)糖基受體合成的關(guān)鍵尿苷酰轉(zhuǎn)移酶經(jīng)核苷酸活化的單糖獲得對(duì)應(yīng)的糖基核苷酸來(lái)源少（2）糖苷酶

催化糖苷鍵水解的酶，也稱(chēng)糖基水解酶。兩種模式：逆水解反應(yīng)和轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)缺點(diǎn)：產(chǎn)物復(fù)雜，難分離（3）糖基合成酶

能催化糖苷鍵形成的蛋白質(zhì)，是糖苷酶的衍化物。糖基合成酶水解糖苷鍵突變糖基轉(zhuǎn)移酶缺點(diǎn)突變問(wèn)題；產(chǎn)物仍會(huì)轉(zhuǎn)化為不同長(zhǎng)度；對(duì)糖基供體不總是專(zhuān)一性。3.4糖和蛋白質(zhì)的互作3.4.1凝集素（Lectin）一類(lèi)能使紅細(xì)胞或其他細(xì)胞凝集的糖蛋白或結(jié)合糖的蛋白質(zhì)。來(lái)源：植物，無(wú)脊椎動(dòng)物和高等動(dòng)物

分類(lèi)C-型P-型S-型I-型正五聚蛋白特點(diǎn)專(zhuān)一識(shí)別細(xì)胞膜表面的單糖和寡糖一種凝集素具有對(duì)某一種特異性糖基專(zhuān)一性結(jié)合的能力。化學(xué)應(yīng)用

凝集素可為熒光素、酶和生物素等所標(biāo)記。

lectinlabeling(red)ofbloodvesselsandotherstructuresinahumaneye凝集素用于腫瘤診斷治療糖基改變腫瘤細(xì)胞異常分化凝集素測(cè)試流感病毒

流行性感冒是流感病毒引起的急性呼吸道感染，傳染性強(qiáng)、傳播速度快的疾病。每年數(shù)萬(wàn)人死亡。

黑死病

14世紀(jì)7500萬(wàn)人死亡

2500萬(wàn)為歐洲人，三分之一的人死于黑死病。癥狀：黑色、疼痛、滲血和膿汁的腫瘤；高燒不退且精神錯(cuò)亂；感染后的48小時(shí)內(nèi)死亡。

西班牙型流行性感冒

10億人感染，2千5百萬(wàn)到4千萬(wàn)人死亡H1N1

組成NAHA

人流感病毒分為

甲（A）乙（B）丙（C）

細(xì)胞表面感染凝集素細(xì)胞膜表面糖鏈感染糖類(lèi)藥物抗病毒藥物神經(jīng)氨酸酶打破細(xì)胞壁復(fù)制達(dá)菲：神經(jīng)氨酸苷酶抑制劑存在問(wèn)題流感和禽流感無(wú)法治愈；抗藥性問(wèn)題。研究的重點(diǎn)3.5糖序列分析和糖組學(xué)糖組學(xué)則包括聚糖種類(lèi)、結(jié)構(gòu)鑒定、糖基化位點(diǎn)分析、蛋白質(zhì)糖基化的機(jī)制和功能等研究。糖組是指一種細(xì)胞或一個(gè)生物體中全部聚糖種類(lèi)。蛋白質(zhì)組學(xué)

基因組學(xué)糖組學(xué)糖序列分析方法

酶法分析N-連接寡糖結(jié)構(gòu)；采用凝集素分離、分析寡糖和糖綴合物；質(zhì)譜MS和核磁共振NMR測(cè)定結(jié)構(gòu)。3.6糖的生物應(yīng)用3.6.1糖的標(biāo)記糖綴合物合成機(jī)理不明。熒光分子同位素?zé)晒獾鞍證lick反應(yīng)最有效的標(biāo)記法步驟：將被官能化（疊氮化）修飾過(guò)的單糖分子通過(guò)生物的同化作用，酶催化下引入到綴合物中；通過(guò)正交性反應(yīng)將熒光分子以共價(jià)方式結(jié)合到糖綴