北京化工大学生物化学课件糖类的结构和功能

1、生物化学生物化学 杨杨 晶晶 生命科学与技术学院生命科学与技术学院 北京化工大学科技大厦西配楼北京化工大学科技大厦西配楼613613室室 010-64451636010-64451636 教材：教材： 1 1、张洪渊等，生物化学（第三版）化学工业出版社，张洪渊等，生物化学（第三版）化学工业出版社， 2006年年 2 2、罗纪盛等，生物化学简明教程（第三版）高等教育、罗纪盛等，生物化学简明教程（第三版）高等教育 出版社出版社19991999年年 参考书：参考书：1. 1. 沈同，王镜岩沈同，王镜岩 著。生物化学（第二著。生物化学（第二/ /三版）三版） 高等教育出版社，高等教育出版社， 1990

2、/20021990/2002年年 2. Biochemistry (second edition)2. Biochemistry (second edition) Hames & Hooper Hames & Hooper 课时安排：课时安排：8080学时学时 绪论：绪论： 1 1学时学时 第一章：糖类第一章：糖类 4 4学时学时 第二章：蛋白质化学第二章：蛋白质化学 8 8学时学时 第三章第三章: : 核酸化学核酸化学 6 6学时学时 第四章：脂质和生物膜第四章：脂质和生物膜 4 4学时学时 第五章：酶第五章：酶 8 8学时学时 第六章：维生素和辅酶第六章：维生素和辅酶 4 4学时学时 期中

3、考试：期中考试： 2 2学时学时 第七章：生物氧化第七章：生物氧化 5 5学时学时 第八章：糖代谢第八章：糖代谢 8 8学时学时 第九章：脂质代谢第九章：脂质代谢 8 8学时学时 第十章：氨基酸代谢第十章：氨基酸代谢 8 8学时学时 第十一章：核酸代谢第十一章：核酸代谢 6 6学时学时 第十二章：蛋白质生物合成第十二章：蛋白质生物合成 6 6学时学时 期末考试期末考试 2 2学时学时 绪绪 论论 1、生物化学发展史简述、生物化学发展史简述 生物化学的研究始于生物化学的研究始于18世纪下半叶，但作为一门独立世纪下半叶，但作为一门独立 的学科是在的学科是在20世纪初。世纪初。 （1）生物化学研究的

4、开始）生物化学研究的开始 18世纪生物化学发展历程：世纪生物化学发展历程： 拉瓦锡拉瓦锡：动物热理论：动物热理论呼吸相当于不发光的燃烧呼吸相当于不发光的燃烧 （1783年，生化开始年）年，生化开始年） 普利斯特列普利斯特列 ：光合现象：光合现象 舍勒舍勒 ：在：在1770年发现了酒石酸，之后又从膀胱结石中年发现了酒石酸，之后又从膀胱结石中 分离出尿酸。分离出尿酸。 (2) 19世纪科学发展大大加快，成果不断涌现世纪科学发展大大加快，成果不断涌现 1828年维勒（李比西的学生）人工合成了第一个有年维勒（李比西的学生）人工合成了第一个有 机物机物尿素，证明有机物可以人造。尿素，证明有机物可以人造。

5、 1838年：年：施来登与施旺施来登与施旺发表细胞学说发表细胞学说 1860年：年：巴斯德巴斯德对酒精发酵进行了研究，提出发酵对酒精发酵进行了研究，提出发酵 是由酵母菌或细菌引起的，此研究为后来的糖代谢和是由酵母菌或细菌引起的，此研究为后来的糖代谢和 呼吸作用研究奠定了基础。呼吸作用研究奠定了基础。 1871年：年：米切尔米切尔发表文章分离出核素，即发表文章分离出核素，即DNA 1897年：年：Buchner用酵母无细胞提取液发酵成功，用酵母无细胞提取液发酵成功， 证明酶的存在。证明酶的存在。 (3) 20世纪初，在酶、代谢机理方面的研究发展较快。世纪初，在酶、代谢机理方面的研究发展较快。 1

6、905年：年：Knoop提出了脂肪酸的提出了脂肪酸的b-氧化作用。氧化作用。 1937年：年：Krebs提出了三羧酸循环的假说提出了三羧酸循环的假说 1944年：年：Avery，Maeleod和和McCarty完成了肺炎完成了肺炎 球菌转化试验，证明球菌转化试验，证明DNA是遗传物质。是遗传物质。 1953年：年：Watson和和Crick利用利用X射线衍射分析了射线衍射分析了 DNA结构，提出了结构，提出了DNA结构的双螺旋结构模型结构的双螺旋结构模型 这一发现为生物的遗传研究奠定了分子基础。这一发现为生物的遗传研究奠定了分子基础。 2、生物化学的涵义：、生物化学的涵义： 生物化学是生物化学

7、是 研究生命现象化学本质的科学。研究生命现象化学本质的科学。 它主要是利用化学的理论和方法研究生命现象。它主要是利用化学的理论和方法研究生命现象。 3、生物化学的研究对象和目的、生物化学的研究对象和目的 研究生物体内的化学分子构成，分子结构、性质、研究生物体内的化学分子构成，分子结构、性质、 功能及其在体内代谢过程。功能及其在体内代谢过程。 糖类的结构及功能糖类的结构及功能 本章内容本章内容 一、糖的命名与分类一、糖的命名与分类 二、单糖的结构、构型与性质二、单糖的结构、构型与性质 （重点及难点重点及难点） 三、寡糖，三、寡糖，重点学习二糖重点学习二糖 四、多糖，四、多糖，重点学习淀粉、糖原重

8、点学习淀粉、糖原 糖是自然界存在的一类有机物，广泛存在于动、糖是自然界存在的一类有机物，广泛存在于动、 植物及微生物体内，尤其以植物含量最多，约占干植物及微生物体内，尤其以植物含量最多，约占干 重重80%以上。以上。 一切生物体维持生命活动所需的能量来源；一切生物体维持生命活动所需的能量来源； 生物体合成其它化合物的基本原料生物体合成其它化合物的基本原料C源；源； 参与细胞识别和信息传递；参与细胞识别和信息传递； 与免疫、血型、细胞间联系有关。与免疫、血型、细胞间联系有关。 糖的生理功能：糖的生理功能： 一、糖的定义、分类及功能一、糖的定义、分类及功能 糖是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和衍生物

9、的糖是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和衍生物的 总称，它包括多羟醛、多羟酮、它们的缩聚物及总称，它包括多羟醛、多羟酮、它们的缩聚物及 其衍生物。其衍生物。 例如：例如： 葡萄糖为多羟基醛葡萄糖为多羟基醛醛糖醛糖（aldose） 果糖为多羟基酮果糖为多羟基酮酮糖酮糖（ketose） 1糖（糖（saccharide）的定义）的定义 3糖的分类糖的分类 按组成及水解情况按组成及水解情况能否水解和水解后的产物分为：能否水解和水解后的产物分为： 单糖：不能被水解为更小的单位，具有一个自由的醛单糖：不能被水解为更小的单位，具有一个自由的醛 基基(酮基酮基)以及两个以上以及两个以上OH。 寡糖：由寡糖：由2-

10、10个单糖缩合而成，水解后产生单糖。个单糖缩合而成，水解后产生单糖。 如：蔗糖、麦芽糖、乳糖等。如：蔗糖、麦芽糖、乳糖等。 多糖：由多个单糖缩合而成，水解后产生多个单糖。多糖：由多个单糖缩合而成，水解后产生多个单糖。 如：如： 淀粉、纤维素、糖原等。淀粉、纤维素、糖原等。 二、单糖的定义及分类二、单糖的定义及分类 具有一个自由的醛基具有一个自由的醛基(或酮基或酮基)以及两个以上羟基的以及两个以上羟基的 糖类物质称为单糖。糖类物质称为单糖。 按含有羰基官能团的种类分为：醛糖和酮糖按含有羰基官能团的种类分为：醛糖和酮糖 甘油醛甘油醛二羟基丙酮二羟基丙酮 按所含碳原子的数目分类按所含碳原子的数目分类

11、 醛糖醛糖酮糖酮糖 丙糖丙糖 丁糖丁糖赤藓糖赤藓糖 戊糖戊糖木酮糖木酮糖 核酮糖核酮糖 己糖己糖半乳糖半乳糖 甘露糖甘露糖 庚糖庚糖 景天庚酮糖景天庚酮糖 辛糖辛糖 辛酮糖辛酮糖 （1）单糖的开链结构及）单糖的开链结构及D、L构型构型 例如：甘油醛分子（最简单的单糖）例如：甘油醛分子（最简单的单糖） * * 三、单糖的化学结构三、单糖的化学结构 （2）单糖的旋光性）单糖的旋光性 1）单糖分子中含有不对称碳原子，且分子本身内部不对称）单糖分子中含有不对称碳原子，且分子本身内部不对称 2）单糖可使平面偏振光的偏振面发生旋转的性质。）单糖可使平面偏振光的偏振面发生旋转的性质。 比旋光度或旋光率：比旋

12、光度或旋光率： 旋光物质在一定条件下可使偏振光的偏振面旋转到一定的角度。旋光物质在一定条件下可使偏振光的偏振面旋转到一定的角度。 表示方法：表示方法： tD。 比旋光度或旋光率比旋光度或旋光率 t D = D t c * L L：旋光管的长度，单位厘米：旋光管的长度，单位厘米 C：为：为100mL溶液中含溶质的克数溶液中含溶质的克数 以钠光灯为光源，温度为以钠光灯为光源，温度为t时测得的旋转角度时测得的旋转角度 t D 物质的右旋性常用物质的右旋性常用d或（或（+）表示，）表示， 物质的左旋性常用物质的左旋性常用l或（或（-）表示。）表示。 其他单糖都以甘油醛为标准比较。其他单糖都以甘油醛为标

13、准比较。 3C以上的糖有以上的糖有2个以上不对称碳个以上不对称碳C*，故构型的确定以距醛基，故构型的确定以距醛基 （或酮基）最远的（或酮基）最远的C*为准：在该为准：在该C*上的上的OH在右边为在右边为D-型糖，型糖， 在在C*上的上的OH在左边为在左边为L-型糖。型糖。 单糖的旋光异构体单糖的旋光异构体 理论上含有理论上含有n个手性碳原子个手性碳原子 的单糖有的单糖有2n个旋光异构体。个旋光异构体。 * * * * 如己醛糖，开链结构如己醛糖，开链结构 有有24 =16个旋光异构体；环状个旋光异构体；环状 结构有结构有25 =32个旋光异构体。个旋光异构体。 醛糖醛糖 酮糖酮糖 变旋性质：旋

14、光度自行改变的现象变旋性质：旋光度自行改变的现象 CHO HO - C - H CH2OH HHO CH2OH H - C - OH H - C - OH H - C - OH C H - C-OH H - C-OH HO - C-H H - C O HOH CH2OH C H - C-OH H - C-OH HO - C-H H - C O （3）单糖的环状结构与）单糖的环状结构与-构型构型 五个碳以上单糖除直链结构外还可通过醛（酮）基与其它碳五个碳以上单糖除直链结构外还可通过醛（酮）基与其它碳 原子上的羟基成环生成半缩醛形式，形成环状结构。如葡萄糖原子上的羟基成环生成半缩醛形式，形成环状结

15、构。如葡萄糖 分子分子 C1-C4成五元环成五元环 呋喃糖呋喃糖 C1-C5成六元环成六元环 吡喃糖吡喃糖 成环后，成环后，C1也成为不对称也成为不对称C*原子，半缩醛羟基可有两种不同的原子，半缩醛羟基可有两种不同的 排列方式，由此产生排列方式，由此产生和和两种异构体。两种异构体。、-的确定：的确定： -型型：半缩醛羟基与决定：半缩醛羟基与决定DL构型的羟基同侧为构型的羟基同侧为 -型；型； -型型：半缩醛羟基与决定：半缩醛羟基与决定DL构型的羟基不同侧为构型的羟基不同侧为-型。型。 异头物：异头物：只是在羰基碳原子上构型不同的同分异构体。只是在羰基碳原子上构型不同的同分异构体。 异头碳：异头

16、碳：决定异头现象的碳原子。决定异头现象的碳原子。 * Fischer式结构式结构 O CH 2 OH H H OH HOH H OH H O CHO HO - C - H CH 2OH HOH CH 2OH HO H - C - OH H - C - OH H - C - OH C H - C - OH H - C - HO - C - H CH 2OH H - C O HO HO H H H H H OH OH 1 2 3 4 5 6 * * * * 从开链或环式改写成哈沃斯式，要将左侧原子从开链或环式改写成哈沃斯式，要将左侧原子 或原子团写在上方，右侧原子或原子团写在下方。或原子团写在上方

17、，右侧原子或原子团写在下方。 Haworth投影式投影式 OH OH 和和异头物异头物 （anomers, & b） 异头C（anomeric C1） w (OH below the ring) w b (OH above the ring). H O OH H OHH OH CH2OH H -D-glucose OH HH O OH H OHH OH CH2OH H H OH b-D-glucose 2 3 4 5 6 11 6 5 4 3 2 63%36% （4）、构象式构象式(立体结构立体结构)： O O a e e e a a a e e e a a CH2OH HO HO H H H

18、 H H OH OH 船式构象船式构象 椅式构象椅式构象 O H HO H HO H OH OH H H OH O H HO H HO H H OH H OH OH -D-glucopyranoseb-D-glucopyranose 1 6 5 4 3 2 椅式构象椅式构象： 二二. .单糖的理化性质单糖的理化性质 1. 物理性质：物理性质： 旋光性：旋光性： 变旋性变旋性：一种旋光物质由于有不同的构型，在溶：一种旋光物质由于有不同的构型，在溶 液中其比旋光度可发生改变，最后达到某一比旋光度液中其比旋光度可发生改变，最后达到某一比旋光度 值即恒定不变，这种现象称为变旋性。值即恒定不变，这种现象

19、称为变旋性。 Mutarotation变旋现象：旋光度改变的现象 原因：不同结构形式的葡萄糖可互变，各种形式原因：不同结构形式的葡萄糖可互变，各种形式 最后达到一定的平衡所致。最后达到一定的平衡所致。 l溶解度溶解度：单糖都是无色结晶，羟基（多）：单糖都是无色结晶，羟基（多） 在水溶液中溶解度很大，不溶于乙醇，丙在水溶液中溶解度很大，不溶于乙醇，丙 酮。酮。 l甜度甜度：单糖都有甜味，果糖：单糖都有甜味，果糖170，蔗糖，蔗糖100， 转化糖转化糖130 单糖分子除了具有上述的旋光性和变旋性外，由于其分子单糖分子除了具有上述的旋光性和变旋性外，由于其分子 结构上存在醛基，酮基，羟基等官能团，因

20、此在特定条件下可结构上存在醛基，酮基，羟基等官能团，因此在特定条件下可 以发生氧化还原反应，酯化反应，形成糖苷等反应。以发生氧化还原反应，酯化反应，形成糖苷等反应。 （1）氧化反应）氧化反应 RCHO 2Ag(NH3)2+2OH-RCOO- 2Ag3NH3 NH4+ H2O RCHO2Cu2+ 5OH-RCOO-Cu2O 3H2O 斐林氏反应斐林氏反应 杜伦氏反应杜伦氏反应 二、单糖的化学性质二、单糖的化学性质 果糖也是还原糖，原因在于其果糖也是还原糖，原因在于其-羟甲基酮在羟甲基酮在 碱性条件下可通过酮碱性条件下可通过酮-烯醇式互变异构转变成醛：烯醇式互变异构转变成醛： CH-OH C -

21、OHC = O CH2OHCHO C - OH 稀OH稀OH 单糖的醛基和伯醇基都易被氧化单糖的醛基和伯醇基都易被氧化 （2）酯化反应）酯化反应 单糖具有多个醇性羟基，故具有醇的性质。尤其是半缩单糖具有多个醇性羟基，故具有醇的性质。尤其是半缩 醛羟基更活泼，容易与酸反应生成酯。醛羟基更活泼，容易与酸反应生成酯。 （3）形成糖苷）形成糖苷 环状单糖是一种半缩醛，它的半缩醛羟基与另一含环状单糖是一种半缩醛，它的半缩醛羟基与另一含 羟基化合物（或其他非羟基化合物）缩合生成的缩羟基化合物（或其他非羟基化合物）缩合生成的缩 醛类物质，称为糖苷。醛类物质，称为糖苷。 + 糖基糖基 配基或配糖体配基或配糖体

22、 糖基：提供半缩醛羟基的糖糖基：提供半缩醛羟基的糖 本节要点本节要点 1、单糖中葡萄糖、果糖的开链式和环式结构、单糖中葡萄糖、果糖的开链式和环式结构 （Fischer投影式和投影式和Haworth投影式）投影式） 2、d和和l，D和和L， 和和b b的定义和含义的定义和含义 3、变旋性和旋光性、变旋现象和旋光现象、变旋性和旋光性、变旋现象和旋光现象 4、单糖的化学性质、单糖的化学性质 三、寡糖三、寡糖 1、寡糖的命名、寡糖的命名 若干个单糖间若都以糖苷键相连接，单糖基数为若干个单糖间若都以糖苷键相连接，单糖基数为210个构成个构成 的糖类物质，称为寡糖或低聚糖。的糖类物质，称为寡糖或低聚糖。

23、按结构命名，考虑以下几个方面：按结构命名，考虑以下几个方面： （1）单糖种类）单糖种类 （2）连接方式）连接方式 （3）糖苷键构型）糖苷键构型 （4）糖苷键连接的方向用箭头表示，由糖基的半缩醛羟基指）糖苷键连接的方向用箭头表示，由糖基的半缩醛羟基指 向配基糖的位置向配基糖的位置 （1）蔗糖）蔗糖： 葡萄糖葡萄糖果糖果糖。 广泛存在植物，甜菜，甘蔗中最多。广泛存在植物，甜菜，甘蔗中最多。 因为葡萄糖与果糖结合成蔗糖后其醛基和酮基都完全丧失，因此，因为葡萄糖与果糖结合成蔗糖后其醛基和酮基都完全丧失，因此， 蔗糖没有还原性。蔗糖没有还原性。 O H OH H H OHH OH CH2OH H CH2

24、OH H CH2OH OH H H HO O O 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 蔗糖 -葡萄糖（葡萄糖（12）果糖苷）果糖苷 或或 b b-果糖（果糖（21）葡萄糖苷）葡萄糖苷 比较重要的三个寡糖：比较重要的三个寡糖：蔗糖、麦芽糖、乳糖蔗糖、麦芽糖、乳糖 蔗糖的水解产物：果糖和葡萄糖。蔗糖的水解产物：果糖和葡萄糖。 果糖比旋光度为果糖比旋光度为-92.4 葡萄糖比旋光度为葡萄糖比旋光度为+52.5 蔗糖比旋光度为蔗糖比旋光度为+66.5 在水解过程中蔗糖由右旋变为左旋的过程，称为在水解过程中蔗糖由右旋变为左旋的过程，称为转化转化； 转化作用所生成的等量葡萄糖和果糖的混合物称为转化

25、糖转化作用所生成的等量葡萄糖和果糖的混合物称为转化糖 转化的定义转化的定义 （2）麦芽糖麦芽糖：葡萄糖葡萄糖 葡萄糖葡萄糖，谷物发芽的种子中含，谷物发芽的种子中含 有麦芽糖淀粉水解后大多能得到麦芽糖。有麦芽糖淀粉水解后大多能得到麦芽糖。还原性糖还原性糖 O H OH H H OHH OH CH2OH H O H OH H H OHH OH CH2OH H O 纤维二糖纤维二糖 葡萄糖葡萄糖（14）葡萄糖苷，纤维素的水解产物）葡萄糖苷，纤维素的水解产物 （3）乳糖乳糖：半乳糖半乳糖葡萄糖葡萄糖， 主要存在于动物乳汁中，还原性糖。主要存在于动物乳汁中，还原性糖。 O OH H H H OHH OH

26、 CH2OH H O O H H OH H OHH OH CH2OH H b b-半乳糖（半乳糖（14）葡萄糖苷）葡萄糖苷 三糖：三糖：棉子糖棉子糖 具有旋光性，无还原性具有旋光性，无还原性 O H H H O H H H OH OH H H HO O CH2OH H OH H HOH H H O CH 2 HOH 2C HO O CH 2OH OH HO -半乳糖半乳糖 -葡萄糖葡萄糖 -果糖果糖 -1-1，6 6糖苷键糖苷键 ，-（1 2）糖苷键）糖苷键 本节要点本节要点 （1）寡糖结构式的表示方式）寡糖结构式的表示方式 （2）掌握常见几种寡糖的化学组成，化学性质）掌握常见几种寡糖的化学组

27、成，化学性质 四、多糖四、多糖 多糖是由多个单糖基以糖苷键相连而形成的高聚物，包含多糖是由多个单糖基以糖苷键相连而形成的高聚物，包含 20个以上单糖分子，是一类结构复杂的大分子物质，广泛的存个以上单糖分子，是一类结构复杂的大分子物质，广泛的存 在于动物，植物中。在于动物，植物中。 多糖的共性：无还原性、无变旋现象，无甜味，大多不溶于水。多糖的共性：无还原性、无变旋现象，无甜味，大多不溶于水。 常见的几种多糖：淀粉、糖原、纤维素等。常见的几种多糖：淀粉、糖原、纤维素等。 （1）淀粉：）淀粉：由多个由多个-D-葡萄糖组成。存在于植物的根茎和种子葡萄糖组成。存在于植物的根茎和种子 中。中。直链淀粉：

28、直链淀粉：-D-葡萄糖，以葡萄糖，以-1，4糖苷键相连。糖苷键相连。 直链淀粉直链淀粉 直链淀粉分子的空间构象是卷曲成螺旋形的，每一回转为直链淀粉分子的空间构象是卷曲成螺旋形的，每一回转为6个个 葡萄糖基，淀粉在水溶液中混悬时就形成这种螺旋圈。葡萄糖基，淀粉在水溶液中混悬时就形成这种螺旋圈。 支链淀粉：支链淀粉：-D-葡萄糖，以葡萄糖，以-1，4糖苷键相连成主糖苷键相连成主 链，链， 分支处以分支处以-1，6糖苷键相连。糖苷键相连。 每支链平均含有每支链平均含有24-30个葡萄糖基，每两个分支点的距离平均个葡萄糖基，每两个分支点的距离平均 约为约为11-12个葡萄糖残基；支链数目可达个葡萄糖残

29、基；支链数目可达50-70个。个。 化学性质：化学性质： 无还原性；无还原性； 淀粉淀粉+碘碘变色反应；变色反应； 聚合度为聚合度为20左右，与碘形成左右，与碘形成红色红色络合物络合物 聚合度为聚合度为20-60，与碘形成，与碘形成紫红色紫红色络合物络合物 聚合度大于聚合度大于60，与碘形成，与碘形成蓝色蓝色络合物络合物 淀粉水解最终生成葡萄糖，水解程度可用碘加以检测：淀粉水解最终生成葡萄糖，水解程度可用碘加以检测： 淀粉淀粉 糊精糊精 麦芽糖麦芽糖 葡萄糖葡萄糖 蓝蓝 蓝紫蓝紫红色红色 无色无色 无色无色 （2）糖原）糖原: 动物淀粉动物淀粉 存在：动物体的肝脏（肝糖原），肌肉（肌糖原）存在

30、：动物体的肝脏（肝糖原），肌肉（肌糖原）, ,肾脏（肾糖原肾脏（肾糖原) 结构：以结构：以-D-葡萄糖为基本单元，相对分子质量很大，相当于葡萄糖为基本单元，相对分子质量很大，相当于3 万个葡萄糖单位。主链上每万个葡萄糖单位。主链上每3-5个葡萄糖基就有一个分支，支链长个葡萄糖基就有一个分支，支链长 度一般由度一般由10-14个葡萄糖单位组成。个葡萄糖单位组成。 (14)苷键和苷键和 (16)苷键连接苷键连接 与支链淀粉相似但分支多而短。糖原整体分子呈球形。与支链淀粉相似但分支多而短。糖原整体分子呈球形。 性质：与碘反应呈性质：与碘反应呈红色红色 无还原性。无还原性。 （3）纤维素）纤维素 存在：植物细胞壁或支撑组织，是地球上最丰富的有机物。存在：植