第三章 糖和苷类

第三章糖和苷类CarbohydrateorSaccharidesandglycosides第一节糖类化合物一.概述糖和苷是自然界分布很广的两大类成分。中草药中存在的糖类成分有两个特点：1、几乎所有的中药（矿物药除外）都含有糖或苷，并几乎占植物体内有机物总量的85～90﹪。2、除葡萄糖和葡萄糖醛酸对人体有营养和解毒作用，香菇、灵芝、人参、黄芪等所含多糖有一定抗肿瘤及提高免疫活性作用外，大多数糖至今还未发现有别的显著的生理活性。二.糖类的结构与分类单糖低聚糖多糖(一)单糖(Monosaccharides)1.中草药中常见的单糖及构型单糖是糖类可被水解的最小糖单位。按含糖或醛基的不同又可分为（1）常见的单糖中草药中存在最多的是己糖和戊糖，最常见的是以下几种五碳醛糖六碳醛糖六碳酮糖：去氧糖甲基五碳醛糖（6-去氧糖）2，6-去氧糖（主要存在于强心苷）去氧糖由于比2－羟基糖少氧，理化性质也有不同。此外还有一些特殊的糖及衍生物以上要能分出是哪个结构类型的糖，其中glc，gal，rha，fru等最好记忆一下。单糖由于有手性碳，因此有旋光异构体，我们复习一下糖的构型。（2）单糖的构型以glu为例复习一下单糖构型确定的方法确定D或L型看离羰基C最远的手性碳上的－OH的位置，右为D－型，左为L－型。成环状半缩醛结构后，端基C上的－OH与决定D或L手性C上的－OH同侧为ß—型异侧为α—型。单糖Hawarth式的绝对构型主要看成环C上的取代基，向上为D—型向下为L—型。端基异构体看端基C上—OH与成环C上取代基同侧为ß—型异侧为α—型。因此可以总结为：（二）低聚糖(Oligosaccharides)由2～9个单糖经苷键聚合而成的糖为低聚糖。例如自然界的三糖（指游离糖）一般说是以蔗糖为基本结构，再接上另一个糖而成非还原糖，称蔗糖系列或蔗糖族，例：而四糖基本上是以棉子糖为基本结构再接上两个糖而成，非还原糖（指游离糖）称棉子糖族或棉子糖系列。（三）多聚糖(Polysaccharides)多聚糖由10个以上的单糖聚合而成,简称多糖。一般由几百至几千个单糖组成。聚合方式有支链型分子,也有直链型分子。多糖的分类有二种方法，一种是按多糖在生物体内的功能分类：组织结构多糖(水不溶)：纤维素，甲壳素贮藏养料多糖（水溶性）：淀粉，菊糖，果胶，粘液质，树胶。另一种是按多糖的分子结构分类：

习惯以化学结构进行的分类，我们主要按结构分类顺序看看中药中常见的多糖：1.均多糖（homosaccharides）（1）纤维素（cellulose）纤维素是由D—glu以1ß4苷键反向连接聚合而成的直链葡聚糖，聚合度为3000～5000，分子主要约200，000～500，000，与半纤维素等形成细胞壁，组成植物的支持组织。从结构中可以看出由于各个糖都是反向连接，因此大基团（伯醇基）相距较远，斥力小，对称性强，结构紧密，并排列成绳索状，分子量大。因此：不溶于水（冷或热）和有机溶剂，稀酸或碱水难以水解。只能用：发烟HCl（36％）加压水解成D—glu。醋酐—浓H2SO4乙酰解成八乙酰纤维二糖。(2)淀粉（Starch）淀粉是植物的贮藏养料。按结构又可分为支链淀粉和支直链淀粉。A.直链淀粉（糖淀粉amylose）由D—glu以1ß4苷键直线聚合成螺旋状，聚合度为300～350（随来源不同而有差异）。不溶于冷水及有机溶剂，溶于热水且澄明。B.支链淀粉（胶淀粉amylopectin）分子大于直链淀粉，聚合度为3000左右（随来源不同而有差异）。分子结构中除有1α4苷键相连的糖链外，还有1α6苷键相连的支链，也呈螺旋状，支链多达几百条，平均支链只为25个glu单位。支链淀粉不溶于冷水及有机溶剂，溶于热水呈胶体溶液。支链淀粉与直链淀粉在淀粉中的比例为1：3～4。因此,淀粉不溶于冷水和乙醇等有机试剂，溶于热水呈粘胶状。淀粉由于是螺旋结构因此能与I2络和显色。且随聚合度不同其色调也不同。聚合度4～6不显色20～50紫色或蓝紫12～18红色50以上蓝色

纤维素和淀粉这两种葡聚糖是植物界分布最广的多糖，但没有特殊的生物活性认为是无效成分，常常除去，特例是淀粉，在中药提取液中形成糊状胶体溶液很难过滤。因此含淀粉量高的中药提取时，多采用乙醇提，使淀粉不溶出，避免干扰。(3)其它葡聚糖在植物界除纤维素，淀粉这两种葡聚糖外还存在其它一些葡聚糖，并且常随来源而定名。如昆布多糖（20个D－glu经1ß3苷键聚合），末端接一个甘露醇（但仍归葡聚糖）。香菇多糖1ß3聚合糖，分子量80万～105万，对S180瘤株有较强的抑制作用。我们国内已重视对此类有1ß3葡聚糖的研究。但因糖属水溶性成分，较难提纯鉴定，因此在中药中发现其它的葡聚糖还是不多的。由果糖聚合而成，若分子中既有一个别的糖仍还是归为果聚糖。(4)果聚糖2.杂多糖（heterosaccharides）(1)半纤维素（hemecellulase）

半纤维素是指与纤维素和木质素共同组成细胞壁的一类不溶于水而能被稀碱（2～20﹪NaOH）溶出的酸性多糖。如：因此半纤维素并不是指的一种结构的多糖，而是指一类不同结构的多糖，是随提取来源而来的定义。不同来源的半纤维素所含的糖有木聚糖、甘露聚糖等均多糖或葡萄甘露聚糖等杂多糖，并多连有糖醛酸，分子量多在万到十几万之间。一般半纤维素不溶于水和有机溶剂。易溶于稀的碱水（在酸水中不溶）。如：禾本科植物所含的半纤维素主要是由D—木糖1ß→4连成主链，在C1～C3处连有L—阿拉伯糖和D—glu的分支糖链。(2)树胶（gum）

树胶是植物受到外界伤害后分泌的物质，多为无定形的质脆透明或半透明的固体。如阿拉伯胶等。由于树胶常和蛋白质、淀粉、树脂、挥发油等伴存于植物体内，加上分子较大，提取分离很困难，因此其化学结构至今不十分清楚，仅了解：分子中多含有D—半乳糖醛酸或葡D—萄糖醛酸，此外多含有D—gal、D－man、D—xyl、L－ara、L—Rha这五种糖中的两种糖，且多为支链杂多糖。例：阿拉伯胶的主要部分结构由D—半乳糖1ß→3接成主链。C6上连有L—Rha、L－ara、D－gluA。可溶于冷水呈胶体溶液或悬浮液，不溶于乙醇等有机溶剂。(3)粘液质（mucilage）和粘胶质（pecticsubstance）

粘液质：是植物体正常生理状态的分泌产物，化学组成与树胶相似，如车前子胶就是中药车前子中存在的一种粘液质。白芨，南五味子中也都含有粘液质。

粘液质难溶于冷水，溶于热水呈胶体溶液，难溶于乙醇等有机溶剂。

粘胶质：中药中存在粘胶质的主要是果胶，果胶主要存在于植物的果实中。是由D—galA1α4连接而成。平均每4个半乳糖醛酸羧基就有1个形成甲酯。分子量在在150，000～300，000。可溶于冷水，溶于热水及稀酸水冷后呈冻状。不溶于乙醇等有机溶剂。3．菌类多糖（1）猪苓多糖（polyporuspolysaccharide）是从多孔菌科真菌猪苓［Polyporusumbellatus(Pers.)Fr.］中提得的，以1β→3、1β→4、1β→6键结合的葡聚糖，支链在C3和C6位上。药理实验证明，能显著提高荷瘤小鼠巨噬细胞的吞噬能力，促进抗体形成，是良好的免疫调节剂，具有抗肿瘤转移和调节机体细胞免疫功能的作用。此外，对慢性肝炎也有良好的疗效。(2)茯苓多糖（pachyman）是多孔菌科真菌科真菌茯苓［Poriacocos（Schw.）Wolf］中提得的一种多糖，为具有1β→6吡喃葡萄糖为支链的1β→3葡聚糖。茯苓多糖本身无抗肿瘤活性，若切断其所含的1β→6吡喃葡聚糖支链，成为单纯的1β→3葡聚糖（称为茯苓次聚糖pachymaran）则具有显著的抗肿瘤作用。(3)灵芝多糖是从多孔菌科真菌赤芝[Ganodermalunidum(leyss.exFr.)karst]中提得20多种多糖。有葡聚糖（1β→6，1β→3等）、杂多糖（1β→6，1β→3阿拉伯半乳聚糖等）及肽多糖。就抗肿瘤活性而言，灵芝多糖间并无差异，但多糖的三维螺旋结构遭破坏则影响其活性。4．动物多糖（1）肝素（heparin）是一种含有硫酸酯的粘多糖，它的组分是氨基葡萄糖、艾杜糖醛酸和葡萄糖醛酸。（2）透明质酸（hyaluronicacid）是由D-葡萄糖醛酸1β→4和乙酰D-葡萄糖胺1β→3连接而成的直链酸性粘多糖。（3）硫酸软骨素（chondroitinsulfate）是从动物的软骨组织中得到的酸性粘多糖，有A、B、C、D、E、F、H等多种。（4）甲壳素（chitin）是组成甲壳类昆虫外壳的多糖，其结构和安定性与纤维素类似。由N-乙酰葡萄糖胺以1

→4反向连接成直线状结构。肝素广泛分布于哺乳动物的内脏、肌肉和血液里，作为天然抗凝血物质受到高度重视，国外用于预防血栓疾病，并已形成了一种肝素疗法。透明质酸广泛存在于动物的各种组织中，在哺乳动物体内，以玻璃体、脐带和关节滑液中含量最高，鸡冠的含量与滑液相似。透明质酸可用于视网膜脱离手术，并作为天然保湿因子，广泛用于化妆品中。不溶于水，对稀酸和碱稳定。甲壳素经浓碱处理，可得脱乙酰甲壳素（chitosan）。甲壳素及脱乙酰甲壳素应用非常广泛，可制成透析膜、超滤膜，用作药物的载体具有缓释，持效的优点，还可用于人造皮肤、人造血管、手术缝合线等。第二节苷类（glycosides）一.概述糖或糖的衍生物（氨基糖，糖醛酸）与非糖物质经糖的端基碳原子以苷键连接而成的化合物称为苷（苷，配糖体）。非糖部分称作苷元，配基（aglycone,genin）二.结构分类苷类成分结构种类非常多的，其分类方法也很多。按苷键所处的立体化学状态分按苷元连糖的多少及类型分连糖个数分:单糖苷、二糖苷、三糖苷、四糖苷…。糖链的类型分：直链糖苷（苷元连直链糖）。支链糖苷（苷元连支链糖）。连糖链的多少分:单糖链苷(苷元与一串糖成苷)。双糖链苷(苷元不同的两个部位与两串糖成苷)。按苷是否水解分原苷（原生苷）：在植物体内原始状态存在未经水解的苷。次级苷（次生苷）：原生苷经水解去部分糖的苷。按苷元结构种类分黄酮苷，香豆素苷，甾体皂苷…按苷键原子不同分天然苷的苷键原子有0、N、S、C，因此可分为O—苷、S—苷、N—苷、C—苷（一）O—苷（发现的数量最多）O—苷是中药中存在最多的一种苷，数量远比别的苷要多。O—苷化合物种类也很多，按苷元结构又可分为：1.醇苷：糖与苷元中的醇羟基缩合形成的苷。如：中药中的强心苷、皂苷、萜苷都属于醇苷。2.酚苷糖与苷元酚—OH缩合形成的苷。酚苷类化合物在中药苷类成分中为数最多。如：中药中的黄酮苷，香豆素苷，蒽醌苷等都属此类。3．酯苷结构中苷键可看作具半缩醛结构或酯键样结构，因此易为稀酸或稀碱水解。4.氰苷糖与α—羟腈类化合物的羟基缩合而形成的苷。结构中可以看出有氰基，因此酶解或水解这种苷时可生成HCN（cyanogenicglycoside生氰的苷，由此得名）。所以若服用过量含有氰苷的中药是会中毒甚至丧命的。氰苷很不稳定，遇到酸、碱立刻水解5.吲哚苷糖与苷元吲哚醇中的羟基缩合形成的苷。（二）S—苷糖的端基C与苷元以C—S苷键相连的苷。在十字花科植物中存在最多，在白花菜科，南美金莲花科中也有存在。异硫氰酸脂结构酶解后的苷元即吃生萝卜后生成的气味HO－N=C氰酸O=C=NH异氰酸O=C=N－R异氰酸酯S=C=N－R异硫氰酸酯（芥子油）（三）N—苷糖的端基C与苷元以C—N苷键相连而成的苷。如：N—苷在中药中发现的不是很多，是生化研究的对象。（四）C—苷糖的端基C直接以C—C苷键与苷元相连而成的苷。C—苷的苷元都是具有被活化的芳H的，从而能与糖的端基C上的—OH缩合而成C—苷。如：糖与苷元直接以C—C相连，则水溶性低，水解难。三、苷的一般性质（一）性状一般少糖苷多为结晶，多糖苷多为无定形粉末。具吸湿性，含糖越多吸湿性越强（如皂苷），苷多无味，少数具甜或苦味。苷的颜色随苷元不同而不同，苷比相应的苷元色浅。（二）旋光性糖具*C有旋光性，苷连糖，故具有旋光性（无论苷元是否有旋光性），多数苷呈左旋。苷类水解后由于生成的糖是右旋的，因而使水解混合液呈右旋。苷类旋光度的大小取决于苷元、糖及苷键的结构，因此可利用某些苷的旋光度及相应苷元的旋光度计算苷键构型。（三）溶解性苷是由苷元与糖经苷链相连而成，苷的溶解性与此3个结构片断的水溶性及脂溶性关系很大：因此用低极性至高极性的不同溶剂提取中药，在各个提取部位都有提出苷的可能（石油醚部位除外）。从提取分离的角度来说，糖是水溶性成分，而苷也有一定的水溶性。因此提取分离苷比提取分离生物碱以及苷元都要难。（四）苷键的裂解1.酸催化水解反应（1）水解历程苷键属缩醛结构，因此可被稀酸（3～5％或更高的稀酸水或稀酸的醇溶液）催化水解。我们以O—苷为例说明水解过程：苷原子上的电子云密度大（即碱度大）吸引H＋力强，易水解，反之难水解。苷原子周围的结构空间位阻小，H＋易进攻，易水解，反之难水解。水解中间体和生成物的稳定性高，易水解，反之难水解。依照这些影响苷水解的因素，我们可以总结出苷键酸催化水解的规律。（2）酸催化水解规律①不同苷原子组成的苷键水解难易顺序为N—苷>O—苷>S—苷>C—苷（高浓度强酸，长时间加热才部分水解）C无未共用电子对，故最不易水解。N的电负性低于O，给出电子的能力强于O，对H＋的吸引力强于O。S为16号元素，原子半径大于O，形成的H＋佯盐不稳定。②呋喃糖比吡喃糖易水解（水解通常大50～100倍）。因五元环的平面性，各取代基都处于重叠位置，环张力较大，而水解后生成的水解中间体要比呋喃糖苷稳定，因此水解容易进行。③酮糖较醛糖易水解因酮糖多为呋喃糖，醛糖多为吡喃糖。④吡喃糖苷中，吡喃环C5上取代基越大越难水解，水解速度为：五碳糖>甲基五碳糖>六碳糖>七碳糖>糖醛酸苷因空间位阻大⑤氨基糖、去氧糖和羟基糖的水解难易顺序为：2，3－去氧糖>2－去氧糖>3－去氧糖>羟基糖>2－氨基糖因2，3位有羟基或氨基存在，使得苷键原子周围空间位阻增大，同时羟基和氨基也竞争吸引H＋，因此难水解。⑥芳香族苷比脂肪族苷易水解虽氧可与苯环形成P－π供轭（电子云向苯环移动），但糖上的—OH有较强的吸电子作用，结果使使P－π供轭的电子云反而向氧移动，增加了氧上未共用电子对的密度，因此易水解。两相酸水解：如：仙客来皂苷的水解如：以上为建议机理，并没有成定论。2．碱催化水解苷键属缩醛结构，因此一般稀碱水是难以水解苷键的，所以我们很少用碱水解苷键。但酯苷，酚苷，烯醇苷，成苷羟基具β—吸电子基取代的苷的苷键有类似酯的性质，均可被碱水解。3．乙酰解：用醋酐分别与H2SO4，HClO4,Lewis酸（ZnCl2，BF3等）组成的混合溶剂裂解苷键的反应称乙酰解。机理：与酸水解相似，但是以为进攻基团进攻苷原子。特点：反应不加热，条件比酸水解温和，故不可能将所有苷键全部切断，只能切断一部分苷键（相对不太稳定的苷键），保留另一部分苷键，而得到一部分乙酰化的低聚糖。用TLC或GC检出乙酰化的低聚糖和乙酰化单糖，并可对照酸水解后TLC（GC）检出的全部单糖，来定出苷中部分糖的连接顺序。如HolotoxinA（三萜皂苷，抗真菌）的乙酰解根据乙酰解产物，即可推出HolotoxinA四个单糖的连接顺序。4．氧化开裂法（Smith降解水解法）由于开链缩醛水解时不用加热，反应条件温和。苷元在这种条件下不会发生结构上的变化。因此可得到结构完整的苷元（特别是C—苷）。那么对于在加热条件下苷元结构易发生变化的苷，可用此法水解得到结构完整的苷元。特点：如：人参皂苷Rg1的水解显然只有Smith降解水解法才能得到真正的苷元。另外从Smith降解水解法所得水解产物多元醇，有助于推测C—苷中所连糖的结构类型：5．酶水解反应

选用一定的酶（工具酶）水解苷键的反应。酶催化水解有两个特点：

如：转化糖酶（β－果糖苷酶）：水解β－果糖苷键麦芽糖酶：水解α－葡萄糖苷杏仁苷酶（苦杏仁苷酶）：水解β－葡萄糖苷键樱叶酶：水解樱叶苷利用工具酶可测再检识可知蔗糖由果糖和glu组成，而且果糖是以β—苷键与glu相连。经检识除可知苦杏仁苷由2个glu和杏仁腈组成外，还可知2个苷键中一个是β—苷键，另一个是氰苷。一般可用注意：并不是所有的α—糖苷酶或β—糖苷酶都能将所有相应的构型苷键切断，即能用工具酶切断的苷键应是相应的α—苷键或β—苷键，但不被工具酶所切断的苷，则不一定就不是相应的α—苷键或β—苷键。第三节糖和苷的提取及分离一．提取（一）糖类的提取1.提取注意（1）杀酶加热回流或加入无机盐（如碳酸钙）破坏酶活性。（2）中和酸若有酸性成分共存，碳酸钙、碳酸钠等中和。（3）防霉变低温保存提取液。2.方法(1)提取单糖及低聚糖（2）多糖以及大分子量的低聚糖除用水及稀醇外（中性多糖），还可用稀碱、稀盐溶液或二甲基亚砜提取（酸性多糖）。用乙醇、甲醇、丙酮（中性多糖）或乙酸、盐酸、铜盐（酸性多糖）沉淀纯化。（二）苷类的提取1.提取注意（1）提取原生苷：防苷键裂解，鲜药材迅速干燥，用沸水、甲醇、乙醇提取，或碳酸钙拌匀药材沸水提取以杀酶，不用或少用强酸或碱防苷键水解。(2)提次级苷:保酶活性（温度，湿度），先酶解，再提取。(3)中和酸:若有酸性成分共存，碳酸钙、碳酸钠等中和。(4)防霉变:苷的水提液长时间放置应冷藏或加防腐剂。2．提取也可先用沸水提，但水提液中糖类杂质较多，给后来的提取分离造成过滤等诸多麻烦，但工厂多用沸水，再用乙醇沉淀除去多糖类，成本低。大量的苷的水提液可用大孔树脂吸附纯化替代正丁醇萃取纯化。（三）苷元的提取苷元多属脂溶性成分，可用亲脂性有机溶剂提取。注意防止苷元酸水解时的结构变化。有时也可先提取出总苷，再将总苷水解为苷元，继用亲脂性有机溶剂提取。二、糖和苷类的分离(一)糖的分离糖类化合物极性均较大，一般要经色谱法才能拿到单体（含量很高的单糖或二糖，有可能用结晶法拿）。1．单糖和低聚糖常用于分离糖的色谱法有活性炭、大孔吸附树脂、纤维素等，硅胶及反相硅胶也有运用。2．多糖分级沉淀法凝胶色谱(二)苷的分离（纯化）设计分离苷的基本构思是利用苷元结构及糖的种类，数目，苷键的位置不同所引起的溶解性，酸碱性，极性及分子量等理化性质的差异，选择相应的方法将苷与杂质分离。1．非色谱法(1)沉淀法（2）铅盐沉淀法如:（3）色谱法非极性大孔树脂用得较多，极性及中等极性大孔树脂近年来也逐渐有所应用。目前银杏叶提取物等许多苷的部位性