上海交通大学生化课件：第11糖 （刘建华）

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11:Carbohydrates第11章：糖食物中的糖是重要的能源。淀粉是植物类食物，是葡萄糖的聚合物。淀粉断裂成葡萄糖。葡萄糖进一步分解产生ATP，以及其它分子合成的原料。糖是多羟基醛或多羟基酮。由于它们在生物体内有很多功能，因此地球大多数有机物质有糖参与。糖是能量储存物质、燃料、和代谢中间产物。核糖和脱氧核糖是核酸结构骨架的一部分。多糖是细菌和植物细胞壁的主要成分，是地球生物圈含量最多的有机物质之一。糖能够修饰很多蛋白质和脂质分子，它们参与细胞通讯，细胞与环境物质的相互作用等。糖参与细胞间相互作用的原因在于糖分子结构差异大。糖由单糖构成。单糖大多含有3

~

9个碳原子，这些单糖分子的大小和碳原子的立体结构不同。单糖分子相互联结起来形成寡糖。寡糖的可能数量使这类分子信息量很大。当寡糖与蛋白质结合使蛋白质产生不同的免疫原性。阐明连接于蛋白质分子上的寡糖结构及这种寡糖对蛋白质功能的影响是蛋白组学的一个巨大挑战。实际上，有人已经给这方面的内容取名为糖组学。最小的单糖是三碳糖(triose)，即三碳原子构成的二羟基酮或二羟基醛。二羟基丙酮有一个酮基，甘油醛有一个醛基。甘油醛有一个不对称碳原子，因此有立体异构体（D-甘油醛和L-甘油醛）。这两种异构体是对映

体(enantiomers)，相互之间成镜像体。前缀D-,L-表示这两种异构体的绝对构型。Fischer投影式：不对称碳原子朝向读者的化学键置于水平位置，而背离读者的化学键置于垂直位置。triosetetrosehexoseD-和L-构型只表示离羰基或醛基最远的那个不对称碳原子的构型pentose七碳糖（heptoses）D-赤藓糖(D-erythrose)和D-苏糖(D-thresoe)表示第三个碳原子有相同构型（它们都是D-型），但是它们第二个碳原子构型相反。因此是非对映体(diastereoisomers)，两者相互之间不是镜像。图11.2列出了一些常见的D-醛基糖。D-核糖（RNA的糖基组分）是五碳原子醛基糖。D-葡萄糖、D-甘露糖、和D-半乳糖是含量最多的六碳原子醛基糖。D-葡萄糖和D-甘露糖只是第二个碳原子的构型不同。只有一个不对称碳原子构型不同的糖称为差向异构体(epimers)。因此，D-葡萄糖和D-甘露糖的差向异构位点是C-2；而D-葡萄糖和D-半乳糖的差向异构位点是C-4。图11.2含有三个、四个、五个、六个碳原子的D-醛基糖。D-醛基糖有醛基（蓝色）、离醛基最远的不对称碳原子（红色）是D-型。每个碳原子的序号依据标准命名法标出。六碳原子以内的D-酮基糖。其中二羟基丙酮是最简单的酮基糖。酮基糖的不对称碳原子数目比相应的醛基糖少。D-果糖是含量最丰富的酮基糖。五碳糖和六碳糖环化成呋喃和吡喃结构核糖、葡萄糖、果糖，以及其它的糖在水溶液的构型主要是环状，而不是线状。原因是环状比线状稳定，能量低。成环的基础是醛基或酮基与羟基自动缩合，形成半缩醛（酮）。线状葡萄糖醛基与分子内

C-5的羟基自动缩合，形成半缩醛。产生六元环（类似吡喃，图11.4），因此称为吡喃糖。线状果糖分子的C-2是酮基，与分子内羟基缩合形成五元环状结构，因此称为呋喃糖。图11.4吡喃糖的形成。线状葡萄糖分子的C-5羟基攻击C-1醛基，形成分子内半缩醛。所形成的两个异头物分别称为a-和b-。新生羟基与平面CH2OH异侧。新生羟基与平面CH2OH异侧。图11.5呋喃糖的形成。线状果糖分子的C-5羟基攻击C-2酮基，形成分子内半缩酮。所形成的两个异头物分别称为a-和b-。此处只画出a-异构体。用Haworth投影式表示吡喃型葡萄糖和呋喃型果

糖结构（图11.4和11.5）。在这种投影结构式中，（1）没有特异标出环的碳原子；（2）环平面与纸平面垂直；（3）粗线朝向读者。与Fischer投影式类似，Howorth投影式是易于画绘的糖分子立体结构式。图11.6果糖的环状结构。果糖既能形成五元的呋喃糖，也能形成六元的吡喃糖。两种糖都有a-和b-结构。吡喃糖环的构型六元吡喃环不是平面结构，原因是饱和碳原子的几何形状是四面体。吡喃环构型有两个:椅式和船式（图11.7）。椅式吡喃环上的化学键有轴式（axial)和平式(equatorial)两种取向。轴式键与吡喃环平面几乎垂直，而平式键与吡喃环几乎平行。如果轴式取代基团位于吡喃环同侧，这些取代基团之间有立体障碍。相反，平式取代基不拥挤。b-D-吡喃型葡萄糖椅式结构多，船式结构少。原因在于椅式环上所有的轴式键连接基团都是氢原子，而较大基团如-OH,CH2OH都在平式键上，立体障碍小。图11.7

b-D-吡喃型葡萄糖椅式结构和船式结构。因椅式结构吡喃环连接的氢原子在轴式化学键上，立体障碍小，故这种结构占优势。缩写：a：轴键；e：平键。吡喃糖环构型也是折叠结构，要么是C-3，要么是C-2翘起，与C-5处于平面的同侧。这些构型分别叫C-3和C-2内折。图11.8b-D-核糖的信封构型。C-3内折和C-2内折的b-D-核糖的信封构型。有四个原子（用红色涂出）几乎在同一平面上。单糖与醇羟基或氨基形成的连接叫糖苷键单糖的半缩醛能够与羟基或氨基反应。在酸催化下，葡萄糖与甲醇反应。异头碳原子(C-1，使半缩醛）与甲醇的羟基反应糖缩醛，也叫糖苷。反应产物有两种，甲基a-D-吡喃葡萄糖苷和甲基b-D-吡喃葡萄糖苷。这两种糖苷的唯一区别就在于C-1的构型。C-1与羟基氧原子之间的化学键叫O-糖苷键。而C-1与氨基氮原子之间的化学键叫N-糖苷键。核苷的核糖与碱基之间的化学键就是N-糖苷键。图11.9列出了其它一些重要的修饰糖。C-1与氨基氮原子之间的化学键叫N-糖苷键。核糖与碱基之间的化学键就是N-糖苷键。由于缺乏游离醛基或酮基，糖苷（如甲基a-D-吡喃葡萄糖苷）就显得化学稳定。有游离的醛基或酮基的糖能够将二价铜离子转化成单价铜离子（即Fehling"sreaction)，因此利用这个反应就能检测具有还原性质的糖。不能发生反应的糖叫非还原糖。还原糖常常能与其他分子发生非特异性结合。例如，具有还原性的葡萄糖能与血红蛋白结合形成糖基化血红蛋白。糖基化血红蛋白量的改变用来检测糖尿病治疗的效果（糖尿病是血糖水平过高的疾病）。血红蛋白的糖基化修饰不影响血红蛋白的氧结合能力。图11.9修饰单糖。可以用其它化学基团（红色）替代羟基的修饰糖。细胞表面常常有这些修饰糖。磷酸化糖：能量产生和生物合成的关键中间产物糖的磷酸化修饰与糖代谢关联密切，是常见的糖修饰。（1）葡萄糖降解获取能量的第一步是将葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖。后续代谢中间体还有几个磷酸化糖，如二羟基丙酮磷酸，甘油醛-3-磷酸。（2）磷酸化使糖带阴离子，与脂质双层膜交联而不会自动离开细胞。（3）磷酸化使糖易于与其它分子连接。例如多磷酸化的核糖衍生物是嘌呤和嘧啶核苷酸生物合成的中间体。单糖连接成复杂的糖用O-糖苷键将二个或多个糖分子连接的产物是寡糖。麦芽糖(maltose，图11.10）是一个葡萄糖的C-1碳原子（a-型）与另一个葡萄糖的C-4羟基形成O-糖苷键的二糖。这个糖苷键处于吡喃平面下方。因此麦芽糖的糖苷键是a-1,4-糖苷键。因单糖有多个羟基，可形成的糖苷键多样，能产生多种多样的异构体，使糖成为结构极为复杂的生物分子。拐角是碳原子吗？蔗糖、乳糖和麦芽糖是最常见的二糖，用O-糖苷键连接，在自然界含量丰富（图11.11）。蔗糖可以从甘蔗(cane)和甜菜(beet)中获取。葡萄糖与果糖的异头碳原子之间用糖苷键连接，形成蔗糖。因此蔗糖不是还原糖（它们没有醛基或酮基）。用蔗糖酶能将蔗糖转化成单糖。乳糖是奶汁的糖分，是b-1,4-糖苷键连接半乳糖和葡萄糖的产物。人类乳糖酶和细菌b-糖苷酶能将乳糖降解成半乳糖和葡萄糖。麦芽糖是两个a-D-葡萄糖分子用a-1,4-糖苷键连接的产物。淀粉水解产生麦芽糖，麦芽糖酶又能将麦芽糖水解成葡萄糖。蔗糖酶、乳糖酶和麦芽糖酶位于小肠表皮细胞的外层（图11.12）。图11.12小肠微绒毛的电子显微镜图谱。内皮细胞膜向外凸起的微绒毛有水解糖的乳糖酶和其它酶。糖原和淀粉是糖的储存形式寡糖进一步聚合成更大的多糖。多糖在能量储存和维持生物体结构完整性方面起非常重要的作用。如果所有的组分都是一样的，这种聚合物叫均聚物。动物体内最常见的均聚物是糖原。糖原是能量存储的形式，由葡萄糖聚合形成的分支链聚合物。葡萄糖之间的连接多数是a-1,4-糖苷键。但是大约每10个葡萄糖单位就有一个分支，分支处是a-1,6-糖苷键（图11.13）。淀粉是植物碳水化合物的营养储存物。淀粉

分直链淀粉(amylose)和支链淀粉(amylopectin)两类。直链淀粉只有a-D-1,4-糖苷键。支链淀粉含有a-D-1,4-糖苷键和a-D-1,6-糖苷键。a-D-1,6-糖苷键构成支链淀粉的分支。每30个a-D-1,4-糖苷键就有一个a-D-1,6-糖苷键。因此支链淀粉与糖原类似，只是分支程度比糖原低些。

人类消化的糖类，一半以上来自淀粉。a淀粉酶能迅速降解直链淀粉和支链淀粉。唾液腺和胰

脏能分泌a淀粉酶。纤维素是植物主要的结构组分，是葡萄糖的线性聚合物纤维素是植物体内葡萄糖的另一种主要聚合物，起结构作用而不是营养作用。纤维素是生物圈含量最丰富的有机物之一。每年地球合成和降解的纤维素达1015

Kg。纤维素是b-1,4-糖苷键连接的葡萄糖聚合物，b构型使淀粉能形成很长的直链聚合物。平行排列的直链纤维素分子之间用氢键连接，形成纤维。a-1,4糖苷键连接的淀粉和糖原的分子结构与纤维素就明显不同。纤维素是直链，而糖原和淀粉形成中空的螺旋。a和b糖苷键连接形成葡萄糖聚合物结构的差异具有重要的意义。b-糖苷键连接的直链纤维素适于构建高拉力强度的纤维，而

a-糖苷键连接的淀粉和糖原适于储存葡萄糖。尽管哺乳动物缺乏纤维素酶因此不能消化木质纤维和植物纤维，但是纤维素和其他植物纤维仍然是我们每日膳食的重要组分

之一。膳食纤维产生饱感；可溶性纤维如pectin(果胶)能延缓食物通过肠道的运动，使营养的消化与吸收达到最佳状态。不溶性纤

维（如纤维素）能增加消化产物穿过大肠的速度。增加速度可以

大大缩短我们接触膳食毒素的时间。图11.4糖苷键决定多糖结构。b-1,4-糖苷键有利于多糖形成直链结构，这种结构适于充当结构物质。a-1,4-糖苷键有利于多糖链的扭曲成螺旋，使之适合充当储存分子。葡糖胺聚糖是由二糖单位重复构建的阴离子多糖蛋白多糖是蛋白质与葡糖胺聚糖(或称氨基葡聚糖、粘多糖，glycosaminoglycan)的连接产物。多糖组分占整个分子质量的95%以上，因此蛋白多

糖更像多糖。蛋白多糖是粘联组织的粘联润滑剂和结构成分。在其他组织，蛋白多糖参与细胞与胞外基质的粘附、作为结合因子刺激细胞繁殖。蛋白多糖的性质主要取决于葡糖胺聚糖。很多葡糖胺聚糖由二糖重复单位构成，每个单位有氨基葡萄糖或氨基半乳糖（图11.15）。在重复单位内至少有一个糖含有带负电荷的羧基或硫酸基。动物主要的葡糖胺聚糖是硫酸软骨素(chondrotin

sulfate，硫酸角质素(keratin

sulfate)，肝素(heparin)，硫酸肤素(dermatan

sulfate)，和乙酰透明质酸(hyaluronan)不能降解葡糖胺聚糖的患者患有粘多糖储积病（muco-polysaccharidoses)，患者骨骼变形、寿命短。胺基（蓝色），负电荷基团（红色），各结构单位右边是葡糖胺衍生物。蛋白多糖aggrecan和胶原蛋白是软骨的关键成分。胶原蛋白的三股螺旋提供软骨的结构支架和拉伸强度，而蛋白多糖充当撞击（shock）的吸收剂。Aggrecan的蛋白组分很大，有2397个氨基酸残基，有三个球状结构域，葡糖胺聚糖的粘附位点处在球状结构域2和结构域3之间的伸展区。在这个区域有高度重复的氨基酸序列，这些高度重复的氨基酸序列是硫酸角质素和硫酸软骨素的连接位点。第一个球状结构域与乙酰透明质酸（hyaluronan）非共价相互作用将很多aggrecan结合起来，构成非常长的纤维（图11.16）。水分子吸附于葡糖胺聚糖的阴离子上，因此能够缓冲外在压力（变形压击使被吸附的水分子又喷出散开，抵消外力的撞击；外压力消除，葡糖胺聚糖又重新吸附水分子）。软骨的胶原蛋白和aggrecan发生蛋白降解会产生骨关节炎(osteoarthritis)。图11.16软骨蛋白多糖的结构。（A）软骨蛋白多糖的电子显微图谱。中央是乙酰透明质酸，蛋白多糖单体有规则地排列在乙酰透明质酸的两侧。（B）软骨蛋白多糖的示意图，其中G是球状蛋白结构域。负责寡糖组装的酶：糖基转移酶糖链组装模式与我们前面介绍的多肽和寡核苷酸组装模式是不同的。多肽链和核酸合成是模板控制单体排列序列，单一组装机器负责催化所有单体的连接。糖基转移酶对进入连接反应的糖有不同程度的特异性。因此产生不同的糖苷键需要各种各样的糖基转移酶。糖基转移酶催化反应的通式如图11.7。要加入的糖基来自活化的糖核苷酸。糖核苷酸是很多反应得中间体。这种反应形成糖苷键既可能

维持糖苷碳原子的构型，也可能翻转这个碳原

子的构型。一个糖基转移酶催化形成糖苷键有立体选择性。图11.17糖基转移酶催化反应的通式。需要加入的糖基来自糖核苷酸（这里是UDP-葡萄糖）。糖基的受体是X(可以是单糖，也可以是复杂的多糖，或蛋白质的苏氨酸或丝氨酸残基)。图11.18A，B，O寡糖抗原的结构。（图上半部分）采用符号表示糖结构式是人们普遍使用的表示方法。各个关键构件用符号表示（列在方框内）。特殊的糖基转移酶催化单糖添加到O-抗原的反应。双亲的各方都提供了一种糖基转移酶给孩子。A-型糖基转移酶能够将N-乙酰半乳糖添加到O-抗原，而B-型糖基转移酶能够将半乳糖添加到O-抗原。这些糖基转移酶有354个几乎完全相同的氨基酸残基（只有4个氨基酸残基不同）。O-型糖基转移酶是上述糖基转移酶的突变型，不能将半乳糖或N-乙酰半乳糖加入O-抗原。糖与蛋白连接成糖蛋白糖与蛋白质共价连接成糖蛋白。（1）糖蛋白糖成分所占的质量百分比比蛋白多糖低得多。（2）很多糖蛋白是细胞膜组分，作用是细胞粘联、精子与卵子结合。还有些可溶性糖蛋白，如那些分泌到细胞外的蛋白质，包括血清蛋白质。（3）糖蛋白的糖基要么用N-糖苷键与蛋白的天冬酰胺连接，要么用O-糖苷键与蛋白的苏氨酸或丝氨酸连接（图11.9）。天冬酰胺连接糖基需要Asn-X-Ser或Asn-X-Thr序列（其中x是除Pro外任何一种氨基酸）。因此利用氨基酸序列可以推测潜在的糖基化位点。但是，并不是所有的潜在位点都会被糖基化。哪些潜在位点被糖基化取决于蛋白质的结构，以及表达这种蛋白质的细胞种类。其它糖基进一步连接于核心寡糖导致糖蛋白寡糖部分结构更加多样化（图11.20）。图11.19蛋白质和糖之间连接的糖苷键。糖与天冬酰胺侧链连接

(N-糖苷键)或与丝氨酸或苏氨酸侧链连接(O-糖苷键)。糖苷键用红色表示。A图11.20

N-B连接的寡糖。五糖核心（灰色阴影区域）是所有N-连接寡糖所共有的，是形成各种N-连接寡糖的基础。图中画出了两个这样的结构：（A）高甘露糖型；（B）复杂型。图中指出了这些物质的化学结构示意图和化学式。血清糖蛋白能显著改进贫血（anemia），尤其是

癌症化疗导致的贫血。肾脏分泌红细胞生成素

(erythropoietin,EPO),能刺激红细胞生成。EPO有165个氨基酸残基，有三个天冬酰胺和一个丝氨酸残基发生糖基化（图11.21）。成熟EPO有40%的质量是糖。糖基化能够促进蛋白质在血液中的稳定性。因为肾脏能迅速排除血液的没有糖基化的EPO，所以没有糖基化的EPO活性只有糖基化

的EPO的10%。重组EPO能够治疗贫血。有些运

动员用重组EPO增加红细胞数量，从而增加血液携带氧的容量。实验室检测EPO的糖基化差异就能够区分重组EPO和天然EPO，从而确定运动员体内是否服用EPO药物。图11.21与红细胞生成素连接的寡糖。红细胞生成素有三个天冬酰胺残基和一个丝氨酸残基与寡糖连接。蛋白结构按大致比例绘出。教至此处。蛋白质糖基化在由内质网（endoplasmicreticulum）和高尔基复合体(Goligi

complex)构成的管道内发生。蛋白质糖基化发生于内质网和高尔基体构成的管腔中，即细胞运输蛋白质的器官（图11.22）。粘附于内质网膜（面向细胞质的膜面）的核糖体负责蛋白质合成。N-糖苷键连接的糖基化在ER开始，在

Golgi体内继续。而O-糖苷键连接

的糖基化只发生于Golgi复合体。图11.22高尔基复合体和内质网膜。电镜照片显示高尔基复合体和相邻的内质网膜。面向细胞质的内质网膜上黑色点状物是核糖体。最终连接于蛋白质天冬酰胺的大寡糖，先连接于多萜醇磷酸酯上。多萜醇磷酸酯处于ER膜上，有大约20个异戊二烯(C5)单位。多萜醇磷酸酯分子末端的磷酸是活化寡糖连接处，然后寡糖转位于合成多肽特定位点的天冬酰胺。ER的管道面负责糖的活

化、寡糖复合物的转移。因此，处于细胞质的蛋白质是不会参与这一糖基化途径的。ER管道内或ER膜上的蛋白质会运输到高尔基复合体。在高尔基复合体内，糖蛋白的糖单位会发生改变、修饰。这里形成O-连接的糖单位，而在ER形成的N-连接的糖在高尔基复合体内发生不同的修饰。高尔基复合体是细胞主要的

分拣中心。（图11.23）。图11.23高尔基复合体是分拣中心。高尔基复合体是蛋白质定位于溶酶体、分泌泡、或细胞质膜的分拣中心。高尔基复合体的cis面（指面向细胞核的那一面）接受内质网送来的泡，trans面（指面向细胞质膜的那一面）将不同的泡运输到不同的目的地。这些泡也能将蛋白质从高尔基体的一个区域运送到高尔基体的另一区域。糖基化错误会致病尽管大多数蛋白质糖基化的功能还不清楚，但是现有数据显示糖基化对于蛋白质加工、稳

定性、和定位是非常重要的。例如，(1)糖基化是人的钾离子通道（允许钾离子通过细胞膜的通道）稳定所必需。糖基化能够阻止该蛋白的降解。(2)膜蛋白不当糖基化导致肌肉异常。实际上现有数据证实糖基化异常导致的人类严重遗传病，这类疾病叫先天性糖基化异常

疾病。这些疾病显示蛋白质正确糖基化修饰是非常重要的。粘脂病：mucolipidosisII或I-cell

disease，是溶疾病，患者有严重的精神运动障碍和骨骼变形。病因：患者血液含有很高水平的葡糖胺聚糖降解酶。正常人群中，这套酶应该定位在溶酶体。也就是说，I-cell疾病将这套消化酶运错了地方。结构基础：正常