生物化学-第三章 糖类

1、第三章第三章 糖类糖类 糖类（糖类（carbohydrate）是四大类生物大分子之一。）是四大类生物大分子之一。 糖类广泛地存在于生物界，特别是植物界。糖类物质糖类广泛地存在于生物界，特别是植物界。糖类物质 占植物干重的占植物干重的85%-90%。占细菌的。占细菌的10%-30%，动物，动物 的小于的小于2%。动物体内糖的含量虽然不多，但其生命活。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类。动所需能量主要来源于糖类。 糖类是地球上数量最多的一类有机化合物。地球糖类是地球上数量最多的一类有机化合物。地球 的生物量干重的的生物量干重的50%以上是由葡萄糖的聚合物构成的。以上是由

2、葡萄糖的聚合物构成的。 地球上糖类物质的根本来源是绿色细胞进行的光合作地球上糖类物质的根本来源是绿色细胞进行的光合作 用。用。 第一节第一节 通论通论 一、糖类的组成及化学本质一、糖类的组成及化学本质 糖类物质主要是由碳、氢、氧组成，其分子式通常以糖类物质主要是由碳、氢、氧组成，其分子式通常以 Cn(H2O)n表示。由于一些糖分子中氢和氧原子数之比往往是表示。由于一些糖分子中氢和氧原子数之比往往是 2 1，刚好与水分子中氢、氧原子数的比例相同，过去误认为，刚好与水分子中氢、氧原子数的比例相同，过去误认为 此类物质是碳与水的化合物，故有此类物质是碳与水的化合物，故有“碳水化合物碳水化合物”之称。

3、之称。 实际上，有些糖如鼠李糖（实际上，有些糖如鼠李糖（C6H12O5）和脱氧核糖）和脱氧核糖 （C5H10O4）等，它们分子中氢、氧原子数之比并非）等，它们分子中氢、氧原子数之比并非2 1。而。而 一些非糖物质，如甲醛（一些非糖物质，如甲醛（CH2O）、乳酸（）、乳酸（C3H6O3）和乙酸）和乙酸 （C2H4O2）,它们分子中氢、氧原子数之比却都是它们分子中氢、氧原子数之比却都是2 1。因此。因此 称糖为碳水化合物并不恰当。只是人们已习惯这样称呼了。称糖为碳水化合物并不恰当。只是人们已习惯这样称呼了。 糖类物质是含多羟基的醛类或酮类化合物。葡萄糖和果糖类物质是含多羟基的醛类或酮类化合物。葡萄

4、糖和果 糖是最为典型的例子。它们的链状结构是：糖是最为典型的例子。它们的链状结构是： 葡萄糖含有一个醛基，六个碳原子，称己醛糖；而葡萄糖含有一个醛基，六个碳原子，称己醛糖；而 果糖含有一个酮基，六个碳原子，称己酮糖。果糖含有一个酮基，六个碳原子，称己酮糖。 二、糖的命名与分类二、糖的命名与分类 1 . 通俗名称通俗名称 个别糖的命名，多数是根据糖的来源给个别糖的命名，多数是根据糖的来源给 予一个通俗名称，如葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、棉予一个通俗名称，如葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、棉 子糖和壳多糖等。子糖和壳多糖等。 2. 根据结构根据结构 醛糖或酮糖醛糖或酮糖 3. 根据聚合度根据聚合度 （1）

5、单糖）单糖 单糖是不能被水解成更小分子的糖类，也称简单糖是不能被水解成更小分子的糖类，也称简 单糖，如葡萄糖、果糖、核糖等。单糖，如葡萄糖、果糖、核糖等。 （2）寡糖）寡糖 能水解成少数（能水解成少数（2-6个）单分子的糖，以双糖个）单分子的糖，以双糖 存在最为广泛。蔗糖、麦芽糖和乳糖是其中的代表。存在最为广泛。蔗糖、麦芽糖和乳糖是其中的代表。 （3）多糖）多糖 水解时产生水解时产生20个以上单糖分子的糖类。其中以个以上单糖分子的糖类。其中以 淀粉、糖原和纤维素最为重要。淀粉、糖原和纤维素最为重要。 三、糖类的生物学作用三、糖类的生物学作用 1. 作为生物体的结构成分作为生物体的结构成分 植物

6、的根、茎、叶含有大量的纤维素、半纤维素和果胶物植物的根、茎、叶含有大量的纤维素、半纤维素和果胶物 质等，这些物质构成植物细胞壁的主要成分。属于杂多糖的肽质等，这些物质构成植物细胞壁的主要成分。属于杂多糖的肽 聚糖是细菌细胞壁的结构多糖。昆虫和甲壳类的外骨骼也是一聚糖是细菌细胞壁的结构多糖。昆虫和甲壳类的外骨骼也是一 种糖类物质，称壳多糖。种糖类物质，称壳多糖。 2. 作为生物体内的能源物质作为生物体内的能源物质 糖在生物体内（或细胞内）通过生物氧化释放出能量，供糖在生物体内（或细胞内）通过生物氧化释放出能量，供 生命活动的需要。生物体内作为能量贮存的糖类有淀粉、糖原生命活动的需要。生物体内作为

7、能量贮存的糖类有淀粉、糖原 等。等。 3. 在生物体内转变为其他物质在生物体内转变为其他物质 有些糖是重要的中间代谢物，糖类物质通过这些中间物为有些糖是重要的中间代谢物，糖类物质通过这些中间物为 合成其它生物分子如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等提供碳骨架。合成其它生物分子如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等提供碳骨架。 4. 作为细胞识别的信息分子作为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，它们的糖蛋白是一类在生物体内分布极广的复合糖，它们的 糖链可能起着信息分子的作用，并因此出现了一门新的学科，糖链可能起着信息分子的作用，并因此出现了一门新的学科， 称糖生物学。称糖生物学。 四、旋光异构

8、四、旋光异构 1. 异构现象异构现象 同分异构或称异构（同分异构或称异构（isomerism）, 是指存在是指存在 两个或多个具有相同分子量的化合物的现象。两个或多个具有相同分子量的化合物的现象。 （1）结构异构）结构异构 由于分子中原子连接的次序不同造成的。由于分子中原子连接的次序不同造成的。 （2）立体异构）立体异构 具有相同的结构式，但原子在空间的分布不具有相同的结构式，但原子在空间的分布不 同。分为几何异构（顺反）和光学异构。同。分为几何异构（顺反）和光学异构。 2. 旋光性（旋光性（optical activity） 当光通过尼科尔棱镜时，当光通过尼科尔棱镜时， 由于棱镜的结构只允许

9、沿某一由于棱镜的结构只允许沿某一 平面振动的光波通过，平面振动的光波通过， 其他光波都被阻断，这种光称平面偏其他光波都被阻断，这种光称平面偏 振光。振光。 当偏振光通过旋光物质的溶液后，光的偏振面会向右当偏振光通过旋光物质的溶液后，光的偏振面会向右 （顺时针，（顺时针，+）或向左（逆时针，）或向左（逆时针，-）旋转，使偏振面向右旋）旋转，使偏振面向右旋 的物质称右旋光物质，如（的物质称右旋光物质，如（+）-甘油醛；左旋的称左旋光物甘油醛；左旋的称左旋光物 质，如（质，如（-）-甘油醛。甘油醛。 3. 不对称碳原子不对称碳原子 是指与四个不同的原子或原子基团共价连接因而失去对是指与四个不同的原子

10、或原子基团共价连接因而失去对 称性的四面体碳，也称手性碳原子、不对称中心或手性中心。称性的四面体碳，也称手性碳原子、不对称中心或手性中心。 第二节、单糖第二节、单糖 单糖的种类很多，其中以葡萄糖（游离的、结合形式单糖的种类很多，其中以葡萄糖（游离的、结合形式 的）数量最多，在自然界分布也广。的）数量最多，在自然界分布也广。 葡萄糖可以游离存在于水果、谷类、蔬菜和血液中，葡萄糖可以游离存在于水果、谷类、蔬菜和血液中， 也可以结合形式存在于麦芽糖、蔗糖、淀粉、糖原也可以结合形式存在于麦芽糖、蔗糖、淀粉、糖原 、纤维、纤维 素及其他葡萄糖衍生物中。素及其他葡萄糖衍生物中。 一、葡萄糖的结构一、葡萄糖

11、的结构 1. 葡萄糖的链状结构葡萄糖的链状结构 葡萄糖的分子式为葡萄糖的分子式为C6H12O6。 葡萄糖葡萄糖+Fehling试剂试剂 含醛基含醛基 葡萄糖葡萄糖+乙酸酐乙酸酐五乙酸酯五乙酸酯 含含5个羟基个羟基 葡萄糖葡萄糖+钠汞齐钠汞齐 山梨醇（含六个羟基直链醇）山梨醇（含六个羟基直链醇） 直直 链醇链醇 由此可知葡萄糖的链状结构是：由此可知葡萄糖的链状结构是： 2. 葡萄糖的构型葡萄糖的构型 一个碳原子和四个不同的原子或基团相连时，形成两种一个碳原子和四个不同的原子或基团相连时，形成两种 不同的空间排布，构成两类不同的构型。不同的空间排布，构成两类不同的构型。 单糖的构型是以甘油醛为基准

12、进行比较而确定的。单糖的构型是以甘油醛为基准进行比较而确定的。 D、L是指构型，是指构型，“+”、“-”指旋光方向。指旋光方向。D与与“+”、 L与与 “-”并无必然联系。并无必然联系。D-葡萄糖和葡萄糖和D-果糖旋光方向分别为果糖旋光方向分别为 “+” 和和“-”，而，而L-葡萄糖和葡萄糖和L-果糖旋光方向却均为果糖旋光方向却均为“-”。构型。构型 与与 旋光方向是两种概念。旋光方向是两种概念。 3. 葡萄糖的构象葡萄糖的构象 前已证明葡萄糖的链状结构，随后发现葡萄糖的某些前已证明葡萄糖的链状结构，随后发现葡萄糖的某些 物理、化学性质不能用葡萄糖的链状结构来解释，从而提物理、化学性质不能用葡

13、萄糖的链状结构来解释，从而提 出葡萄糖具有存在环状结构的可能。出葡萄糖具有存在环状结构的可能。 （1）不能与）不能与Schiff(品红品红- 亚硫酸亚硫酸)发生紫红色反应。发生紫红色反应。 （2）醛类能与）醛类能与NaHSO3起加成反应，而葡萄糖不能。起加成反应，而葡萄糖不能。 葡萄糖以两种具有不同旋光率的形式存在，这两种旋葡萄糖以两种具有不同旋光率的形式存在，这两种旋 光率反映葡萄糖以环状糖苷形式存在。将两种葡萄糖分别光率反映葡萄糖以环状糖苷形式存在。将两种葡萄糖分别 溶于水后，不同结构形式的葡萄糖互变，最后达平衡。溶于水后，不同结构形式的葡萄糖互变，最后达平衡。 -D-(+)-葡萄糖和葡萄

14、糖和-D-(+)-葡萄糖分别占总糖含量的葡萄糖分别占总糖含量的36% 和和63%，而链式结构的葡萄糖仅占总糖含量的，而链式结构的葡萄糖仅占总糖含量的1%以下。以下。 二、单糖的物理性质与化学性质二、单糖的物理性质与化学性质 1. 物理性质物理性质 （1）旋光性）旋光性 糖类都具有旋光性，这是鉴定糖的一个重要糖类都具有旋光性，这是鉴定糖的一个重要 指标，许多单糖在水中都有变旋现象。指标，许多单糖在水中都有变旋现象。 （2）甜度）甜度 各种糖的甜度不等，常以蔗糖的甜度为标准各种糖的甜度不等，常以蔗糖的甜度为标准 （100）进行比较。）进行比较。 （3）溶解度）溶解度 单糖分子有多个羟基，具有水溶性

15、，尤其在单糖分子有多个羟基，具有水溶性，尤其在 热水中溶解度极大，不溶于乙醚、丙醇等有机溶剂。热水中溶解度极大，不溶于乙醚、丙醇等有机溶剂。 某些糖、糖醇及其他增甜剂的相对甜度某些糖、糖醇及其他增甜剂的相对甜度 2. 化学性质化学性质 （1）异构化（弱碱作用）异构化（弱碱作用） （2）单糖的氧化）单糖的氧化 醛基具有还原性，此反应常用于检验还原糖，临醛基具有还原性，此反应常用于检验还原糖，临 床上用于尿糖（葡萄糖）的定性及半定量测定。床上用于尿糖（葡萄糖）的定性及半定量测定。 单糖氧化成糖二酸并测定其旋光性，推测单糖的手性构型。单糖氧化成糖二酸并测定其旋光性，推测单糖的手性构型。 （3）单糖的

16、还原）单糖的还原 （4）形成糖）形成糖月月杀杀 糖糖月月杀为黄色结晶，难溶于水。各种糖生成的糖杀为黄色结晶，难溶于水。各种糖生成的糖月月杀杀 结晶形状与熔点都不相同，因此常用糖结晶形状与熔点都不相同，因此常用糖月月杀的生成鉴定各杀的生成鉴定各 种不同的糖。种不同的糖。 （5）形成糖苷）形成糖苷 单糖的半缩醛羟基很容易与醇及酚的羟基反应，失单糖的半缩醛羟基很容易与醇及酚的羟基反应，失 水而生成缩醛式衍生物，统称糖苷。水而生成缩醛式衍生物，统称糖苷。 糖苷与糖的性质很不相同。糖是半缩醛，容易变成糖苷与糖的性质很不相同。糖是半缩醛，容易变成 游离醛，从而给出醛的各种反应。糖苷属缩醛，一般不游离醛，从

17、而给出醛的各种反应。糖苷属缩醛，一般不 显示醛的性质。显示醛的性质。 （6）形成糖酯与糖醚 第三节第三节 寡糖寡糖 寡糖是由寡糖是由2-20个单糖通过糖苷键连接而成的糖类物质。个单糖通过糖苷键连接而成的糖类物质。 一、双糖一、双糖 1. 麦芽糖麦芽糖 麦芽糖大量存在于发芽的谷粒，特别是麦芽中。淀粉、麦芽糖大量存在于发芽的谷粒，特别是麦芽中。淀粉、 糖原被淀粉酶水解也可产生少量麦芽糖。它是由两个葡萄糖原被淀粉酶水解也可产生少量麦芽糖。它是由两个葡萄 糖分子缩合失水而成，糖苷键型为糖分子缩合失水而成，糖苷键型为（14）。）。 麦芽糖分麦芽糖分 子内有一个游离的苷羟基，具子内有一个游离的苷羟基，具

18、有还原性。且能成有还原性。且能成月杀，极易杀，极易 被酵母发酵。被酵母发酵。 如两分子葡萄糖按如两分子葡萄糖按（1 6）糖苷键型缩合、失水，则生）糖苷键型缩合、失水，则生 成异麦芽糖。它存在于分枝淀成异麦芽糖。它存在于分枝淀 粉和糖原中。粉和糖原中。 2. 蔗糖蔗糖 日常食用的糖主日常食用的糖主 要是蔗糖。甘蔗、甜要是蔗糖。甘蔗、甜 菜、胡萝卜和有甜味菜、胡萝卜和有甜味 的果实里面都富含有的果实里面都富含有 蔗糖。甘蔗含蔗糖约蔗糖。甘蔗含蔗糖约 20%。蔗糖是由一分子葡萄糖和一分子果糖按。蔗糖是由一分子葡萄糖和一分子果糖按 、（12） 键型缩合、失水形成的。它是植物机体糖的运输形式。键型缩合、

19、失水形成的。它是植物机体糖的运输形式。 蔗糖很甜，易结晶，易溶于水，较难溶于乙醇。它没有蔗糖很甜，易结晶，易溶于水，较难溶于乙醇。它没有 游离的醛基，因此没有还原性。游离的醛基，因此没有还原性。 3. 纤维二糖纤维二糖 它是纤维素它是纤维素 的基本结构单位。的基本结构单位。 水解纤维素可得水解纤维素可得 到纤维二糖。它到纤维二糖。它 是由两个分子是由两个分子-D-葡萄糖按葡萄糖按（14）键型相连而成。与麦）键型相连而成。与麦 芽糖不同，它是芽糖不同，它是 -葡萄糖苷。葡萄糖苷。 二、三糖二、三糖 棉子糖棉子糖 三、环糊精三、环糊精 环糊精是酶作用于淀粉生成，一般由环糊精是酶作用于淀粉生成，一般

20、由6、7或或8个葡萄个葡萄 糖单位通过糖单位通过（14）糖苷键连接而成。）糖苷键连接而成。 第四节第四节 多糖多糖 多糖也称聚糖，是由很多个单糖单位构成的糖类物多糖也称聚糖，是由很多个单糖单位构成的糖类物 质。自然界中糖类主要以多糖形式存在。多糖是高分子质。自然界中糖类主要以多糖形式存在。多糖是高分子 化合物，相对分子量极大，从化合物，相对分子量极大，从30 000到到400 000 000。它。它 们大多不溶于水，虽然酸或碱能使之转变为可溶性的，们大多不溶于水，虽然酸或碱能使之转变为可溶性的， 但分子会遭受降解，因此多糖的纯化是十分困难的。但分子会遭受降解，因此多糖的纯化是十分困难的。 多糖

21、属于非还原糖，不呈现变旋现象，无甜味，一多糖属于非还原糖，不呈现变旋现象，无甜味，一 般不能结晶。般不能结晶。 根据生物来源的不同，有植物多糖、动物多糖和微根据生物来源的不同，有植物多糖、动物多糖和微 生物多糖等。生物多糖等。 一、淀粉一、淀粉 淀粉是植物生长期间以淀粉粒形式贮存于细胞中的贮淀粉是植物生长期间以淀粉粒形式贮存于细胞中的贮 存多糖。它在种子、块茎和块根等器官中含量特别丰富。存多糖。它在种子、块茎和块根等器官中含量特别丰富。 天然淀粉含有两种组分：直链淀粉和支链淀粉。天然淀粉含有两种组分：直链淀粉和支链淀粉。 直链淀粉的螺旋结构，直链淀粉直链淀粉的螺旋结构，直链淀粉-碘络合物碘络合物 二、糖原二、糖原 糖原又称动物淀粉，它糖原又称动物淀粉，它