结构多糖与生物软组织

结构蛋白复习胶原角蛋白丝心蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白整联蛋白第4章生物结构多糖与生物软组织自然界中糖类通过光合作用合成特点：与基因密码无联系、合成简单、资源丰富光合作用糖的特点能源物质细胞结构物质参与新陈代谢等生理功能与基因密码无联系合成简单资源丰富1、能源

2、碳源

3、信息识别

4、结构成分糖的生物学作用韧带－结构糖结缔组织－结构糖

肌糖原－能源动物干重2％第4章生物结构多糖与生物软组织4.1糖4.2蛋白质与多糖的混合4.3黏液4.4柔性基质4.5海葵的骨架4.6雌性蝗虫的节间膜4.7皮肤4.8应力-应变性质4.9泊松比4.10断裂4.11水产生的刚化4.1糖4.1.1生物纤维4.1.2固溶胶4.1.3透明质酸4.1.4肝素俗称碳水化合物〔carbohydrate〕Cn(H2O)n〔n>2〕化学定义：多羟基醛或酮及其缩聚物和衍生物的总称。糖类的元素组成和化学本质葡萄糖是自然界中普遍存在并充分研究的一类糖。鼠李糖及岩藻糖〔C6H12O5)、脱氧核糖〔C5H10O4)4.1糖糖的分类根据分子使平面偏正光旋转的方向右旋〔正〕左旋〔负〕镜像构型：D型和L型，生物体中多为D型连接植物细胞的果胶中存在L-鼠李吡喃糖〔L-rhamnopyranose〕糖的分类单糖〔monosaccharide〕寡糖〔oligosaccharide〕多糖〔polysaccharide〕

根据聚合度不能被水解成更小分子的糖类水解产生20个以上单糖分子的糖类

原子组成、分子式、分子量相同

〔同分〕异构〔isomerism〕单糖的构象己糖的构象己糖-六碳糖任何具有重要机械性能的多糖都是由己糖构成。己糖的环状结构与构象分多羟基醛酮开链、半缩醛环状两种形式天然情况以环状占绝大多数。

吡喃环开链OHC=OHC-OHHO-CHHC-OHHC-OHHO-CH2D-〔+〕葡萄糖L-〔-〕葡萄糖对映体异构以葡萄糖为例开链吡喃环O半缩醛羟基仍具有醛基还原性环状分子的αβ构型〔异头碳〕吡喃环OHOOHOHH＝？新手性碳新异构型αβ吡喃葡萄糖的构象船式椅式OCH2OHHOHOOHOHOCH2OHHOHOOHOHOCH2OHOHOHOHOH己糖4C1αβ命名时为α〔β〕—D〔L〕—糖名椅式构象与糖命名名？α—D—葡萄糖名？β—D—葡萄糖平面结构空间构象通过分子上任意的羟基发生缩聚反响成键这些键按照α型或β型，以及在碳环上的位置命名形成分子内半缩醛，五元环或六元环六元环的半缩醛：吡喃糖糖的连接缩聚反响H2O【葡萄糖-α〔1→4〕葡萄糖苷】α—葡萄糖糖苷键14COC糖苷最小的糖单元通过改变侧链以改变其化学性质糖单元互相连接方式变化多端吡喃糖：5个反响点、2种构型、10种位置、100种方式实际采用的连接方式很少，说明糖单体的组装过程是受到严格控制的。纤维素的降解产物两个β-D-缩葡萄糖单元由β-1,4键连接纤维二糖〔cellobiose〕糖单元之间连接由于氢键而加强氢键可存在任意的H和O原子中间多糖比蛋白质具有更多的稳定构象单体在高分子中主要有两种组织顺序：周期式〔ABABAB….〕嵌段式〔AAAAABBBAAAABBBAA….〕

前者的组织富有规律性，后者单体以不同块状存在；混合连接的周期性链可形成从起伏的带状到拉长的中空螺旋状等多糖的很多结构包含不止一种结合方式和不止一种单体。直链淀粉〔amylose〕一级结构α〔1→4〕葡萄糖苷键空间结构支链淀粉〔amylopectin〕不可溶于热水可溶水冷水＞6,000个糖分子遇碘呈紫红色空间结构α〔1→4〕糖苷键

α（1→6）糖苷键糖与氨基酸在形成聚合体时表现不同：(1)多糖的侧链在大小、构象、极性、电荷等方面多样性远不及蛋白质，且无憎水性反响，因此存在高度亲水性氢键或者离子间相互作用的可能性。(2)多糖单体间可能存在的键的种类非常多，从而导致种类繁多的不同周期性结构。这些结构的糖链很长，使较弱吸引力在两条互补链中积累，结果足以到达稳定的兼顾的键所具有的强度3种重要的生物材料—

纤维、弹性固溶胶、粘弹性固溶胶都由多糖聚合而成在一定条件下，这三种状态可在一定条件下相互转化角叉菜和透明质酸制成纤维几丁质和纤维素制备胶4.1.1生物纤维〔1〕纤维素〔2〕几丁质〔壳多糖〕棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。一、纤维素纤维素〔cellulose〕是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。碳、氢、氧三种元素C：44.4%H：5.17%O：43.39%纤维素的组成作为动物、植物或细菌细胞的外壁支撑和保护物质，使细胞保持足够的抗张韧性和刚性。作为生物圈中维持自然界能量和营养物质平衡和稳定的存储物质。如果自然界中纤维素的含量不是如此巨大，纤维素的化学性质不是如此稳定，那么地球大气中的CO2含量将骤增。纤维素的生物学功能纤维素分子结构〔cellulose〕〔植物细胞壁结构多糖〕〔一大类生物资源〕葡萄糖β〔1→4〕糖苷键连接而成的无分支的多糖一级结构8000~10000分子微纤维核心中纤维分子分长链呈现Z形曲折构象相邻两个葡萄糖残基互成180°扭转构象，吡喃环各原子根本处于同一平面生成椅式构象纤维素的分子结构取自5个纤维素分子中的5个纤维二糖残基纤维素的晶胞结构纤维二糖残基纤维素的物理结构模式微晶区：纤维素微纤维的中部，，微纤维的排列大致平行，有一定规律，有序结构交织的无定形区：在微晶区外围的长带区域，微纤维排列呈无序结构二、几丁质〔壳多糖〕真菌细胞壁的常见组成局部，大量存在于昆虫和甲壳类动物的甲壳中，甲壳质，甲壳素甲壳素和壳聚糖的命名：甲壳素也叫几丁质〔chitin〕、甲壳质、聚乙酰氨基葡糖。甚至有人还叫过几丁、蟹壳素、明角质、壳蛋白等。相应的甲壳糖(chitosan)也叫壳多糖、壳聚糖、甲壳胺、几丁糖、几丁聚糖、蟹壳多糖等。目前用的较多的是甲壳素和壳聚糖。甲壳素的存在：甲壳素是一种动物多糖，存在于虾、蟹、昆虫等的壳内和蘑菇、真菌、细菌等细胞膜内，动物的关节、蹄、足等坚硬部位，被誉为人体的第六生命要素。甲壳素在自然界中的产量仅次于纤维素而居第二位，自然界每年生物合成的甲壳素估计有数十亿吨，从每年收获的甲壳类动物的废弃物中即可提取数近百万吨。人造皮肤等1811年发现甲壳素，1859年发现甲壳糖直到1910年全世界仅有20篇论文发表。1934年美国申请了首个有关甲壳糖的专利。20世纪70年代以前研究的中心在欧美，70年代后期重心便移到日本，80—90年代几乎每三年就有一个有关甲壳素的专利，上世纪末，日本年产甲壳素200吨，还要从中国进口千吨以上，现在美国也从中国进口千吨以上的甲壳素。目前，中国研究甲壳素的单位有上百家，生产厂也有原来的几十个开展到现在的300多家。开展史：一般与蛋白质络合或共价结合分子排列呈微纤维状，构象与纤维素相似几丁质的微纤维为晶体结构，Z形构象几丁质〔chitin〕的分子结构[2—N—乙酰—D—氨基葡萄糖β〔1→4〕糖苷]几丁质〔chitin〕的分子结构

N—乙酰—D—葡萄糖胺残基C-3的羟基与另一个残基糖苷基氧原子形成氢键纤维素和几丁质的性能

纤维素与几丁质都具有很高的弹性模量几丁质的干纤维弹性模量100GPa，比纤维素刚度更高〔乙酰基提供更多氢键，位阻减少连接流动性〕刚度也与单体数量有关，几丁质中氢键足够强的单体个数700，而纤维素为2500纤维素的应力松弛现象与典型的晶态材料一致，模量和滞后与应变速率无关，松弛速度比聚丁烯和胶原慢得多，是长链和高度的水合作用造成的4.1.2固溶胶

果胶，植物细胞壁和相邻细胞间的一类复杂的胶状多糖植物生长过程中起到润滑作用商业用胶：藻酸盐，从干海藻中提取单体：琼脂糖4.1.2固溶胶互相缠绕的螺旋，或是卷在另一个链上的螺旋，在水中结构稳定，对变形有弹性反响海藻酸简介repeatunit:(a)β-D-甘露醛酸(M)(b)α-L-古罗糖醛酸(G)1,4糖苷键形成嵌段共聚物CaOHOHOOOOHOOOH2+OOOO钙-海藻酸凝胶结构海藻酸在组织工程和临床中的应用用于疾病治疗

治疗返流性食管炎；降糖降脂；恢复血容量用于创伤修复材料

烧伤、烫伤敷料；止血材料药物缓释材料

助悬剂、增稠剂、乳化剂、微囊材料免疫隔离

海藻酸-壳聚糖；海藻酸-聚赖氨酸透明质酸〔Hyaluronic〕，通常写为HA，有称玻璃酸4.1.3透明质酸广泛存在于动物的皮肤，脐带，关节滑液，软骨，眼玻璃体，鸡冠，鸡胚，卵细胞和血管壁中。不同组织和细菌来源的HA无种属差异，由不同精制方法获得的HA，相对分子量不同，但无种属差异。HA是由D--葡萄糖醛酸和N--乙酰氨基葡萄糖的双糖单位重复连接构成的线形多糖。HA分子在空间上呈刚性的双螺旋柱形，在水溶液中，HA分子链上相邻的NH和COO-残基之间的“水桥〞作用，进一步加强其刚性：同时CH基团的连续定向排列，又在分子链上形成疏水区，为分子链内部相互缠绕和分子链间相互作用提供接点HA分子链的亲水和疏水特性，使得HA像“分子海绵〞一样，可以吸收和保持其自身重量上千倍的水份。HA比任何天然或合成的高分子都具有更强的吸水量。分子结构1〕作为保湿剂：HA和蛋白质的复合物对于皮肤的保湿起协同作用，HA成为化装品中活性成分传递的有效介质。2〕抗炎性，促进伤口愈合，组织修复和防止细胞感染等，对由于紫外线辐射，衰老，新陈代谢紊乱和外伤受到影响的皮肤有良好的修复保健作用。3〕创伤护理，皮肤保养和药物缓释等。它能为严重的烧伤提供一层保护膜，既能阻挡细菌，又能让氧气透过，还能在创伤和绷带之间形成隔离层，防止它们粘连。应用4.1.4肝素肝素首先从肝脏发现而得名，是一种酸性黏多糖。现在主要从牛肺或猪小肠黏膜提取。肺·心·肝·肌肉等组织中含量丰富，生理情况下血浆中含量甚微。无论在体内还是体外，肝素的抗凝作用都很强，故临床把它作为抗凝剂广泛使用。肝素(heparin,Hp)肝素是一种由葡萄糖胺，L-艾杜糖醛苷、N-乙酰葡萄糖胺和D-葡萄糖醛酸交替组成的黏多糖硫酸脂。4.2蛋白质与多糖的混合〔1〕蛋白聚糖〔2〕糖蛋白〔3〕蛋白质与多糖的相互作用4.2.1蛋白聚糖蛋白聚糖：1967年提出，由蛋白质和糖胺聚糖通过共价键相连〔透明质酸除外〕而构成。糖胺聚糖：长而不分枝的多糖链，具有羧基和硫酸基，根本结构单元是糖醛酸与乙酰胺基六糖组成的二糖特点：糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。分布：分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节滑液、粘液、眼玻璃体等组织。1.调节细胞外液的化学组成：糖胺聚糖对水有的亲和力较强，保持组织中的水分，具有较多的酸性基团，可调节阳离子分布。2.促进创伤愈合：糖胺聚糖有纤维增生现象3.润滑作用：糖胺聚糖有较大的粘滞性，缓冲组织之间的机械摩擦蛋白聚糖的功能

蛋白聚糖的结构组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糖胺聚糖

〔glycosaminoglycan,GAG〕一般含有氨基己糖或己糖醛酸也称粘多糖〔mucopolysaccharide〕[己糖醛酸己糖胺]n单糖残基带有羧基/硫酸基现以确定结构的糖胺聚糖有7种，主要存在于结缔组织中，起减磨、缓冲和保护作用。与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。〔1〕含有相应的糖胺聚糖结合结构域〔2〕一些蛋白聚糖通过这一结构锚定在细胞外表或细胞外基质的大分子中〔3〕有些含有具特异相互作用的结构域核心蛋白定义：种类很多，分子量从约2万~25万，不少已测得氨基酸序列。特点：肽链与糖链的联结糖肽连键的类型

1、O-糖肽键：D-木糖+丝氨酸Ser/苏氨酸Thr2、N-糖肽键

N-乙酰葡萄糖胺天冬酰胺-N原子

N-糖苷键除透明质酸外，糖胺聚糖链的延伸都是在一个与核心蛋白共价连接的连接区〔寡糖链〕上进行连接方式N-连接：O-连接：完整的蛋白聚糖分子量大，在溶液中呈高度伸展状态，负电荷使相邻片段排斥所致。蛋白聚糖的结构特点蛋白聚糖的种类〔1〕大分子聚集型胞外基质蛋白聚糖，如软骨蛋白聚糖〔2〕小分子富含亮氨酸胞外基质蛋白聚糖〔3〕跨膜胞内蛋白聚糖由于核心蛋白和糖胺聚糖两者多样性，种类很多，尚无统一的命名和分类方法。通常可分为假设干家族：蛋白聚糖聚集体蛋白聚糖呈“瓶刷状〞结构，以聚合体形式存在定义一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋白质。自然界中分布十分广泛，占各种天然蛋白质总数二分之一以上，如细胞膜、溶酶体、细胞外液分布4.2.2糖蛋白〔Glycoprotein〕特点：蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性。其一定部位上以共价键与假设干短的寡糖链相连，这些寡糖链常常是具分支的杂糖链，不呈现重复的双糖系列，一般由2-10个单体(少于15)组成形成糖蛋白的单糖的种类葡萄糖(Glu)半乳糖(Gal)甘露糖(Man)N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)岩藻糖(Fuc)N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)N-乙酰神经氨酸(NeuAc)糖与肽链结合上，20种氨基酸只有5种能与水化合成键：天冬氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸、丝氨酸、羟基脯氨酸糖蛋白作为普遍存在的生物高分子，具有以下生物学功能：作为机体内外外表额保护物及润滑剂。消化道、呼吸道、关节滑液中含有糖蛋白黏液。作为载体。与纤维素、激素、离子等结合，有助于这些物质在体内转移和分配。作为结构组分。作为组织骨架的一局部，构成亚细胞的组分。脑及其他神经组织中的蛋白起一种信息储存和传递神经冲动的作用。与抗体形成有关。可以是抗原决定簇，参与凝血过程。与动物适应一定的生活环境有关。南极鱼中存在“抗冻糖蛋白〞，与水反响后能引起血清冰点降低，适应海水低温。糖蛋白是细胞识别机理的必要组分，主要功能之一。实验说明，癌细胞的悪性生长和转移和外表糖蛋白的变化密切相关，细胞外表化学的改变造成了生长和位置控制的丧失。4.2.3蛋白质与多糖的相互作用

蛋白质中带正电的赖氨酸和精氨酸侧链与多糖中带负电的磺基和羰基离子间有相互作用，控制了胶原纤维的尺寸、方向和生长速度。将糖胺聚糖〔硫酸软骨素〕参加到胶原蛋白中会影响胶原纤维的形成。现象：原因：动物体中大量柔性的组织是由胶原纤维在蛋白质-多糖母中形成。实验研究4.3黏液

(1)

[植物]∶一种胶粘物质,主要来自各种植物种皮(褐藻、蜀葵、亚麻),类似树胶(阿拉伯树胶),在水中膨大而不溶解,成一种粘滑的团块

(2)[生理]∶粘膜所产生的一种富含粘蛋白的胶粘而滑润的分泌物

人和动植物体内分泌出来的黏稠液体。

蜗牛的黏液用来减少身体的摩擦。

来源4.3黏液腹足纲动物足上的黏液比高糖胶复杂的多，因为其中包含一定量的蛋白质，但不是纤维蛋白。黏液一种很奇特的生物材料。提高应变速率应变<0.1%停止再提高应变速率低黏液迅速愈合，网状结构恢复，变成固体是一种黏弹固体，网状结构黏性占支配地位，有很少的流动性表现类似于橡胶态固体网状结构破坏，变成流体黏液由暂时的网状结构组成，网状结构由单独的分子在分散点粘附构成，有低的刚度。这一液固循环被用于贯穿足底的收缩运动，静电作用的介入明显改变流动性能。十二烷硫酸钠〔SDS〕能消除分子间或分子内一切静电相互作用，参加或长期储存能能极大改变其性能，使剪切模量和粘性都下降。静电作用枯燥含水量降至70%以下，剪切模量突然上升10%时，50MPa干材料，1GPa（玻璃态模量），但仍有粘弹性结论4.4柔性基质剪切变稀可能是柔韧的生物材料的共同特点，类似于填充了可变的、分散的硬材料的橡胶机械性能。

柔韧的生物复合材料是相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中，填充物可达56%的体积分数，并与基质紧密结合。应变放大：填充颗粒附近高分子基体的变形量远大于远离颗粒处。如填充橡胶。应力软化效应：应变放大过程吸收能量，整体材料呈现滞后，滞后环面积表示内部重组消耗功，滞后环的面积大大减小，使前后的应力—应变曲线不重合。在一切柔性生物材料中都存在，有害的参加填充物，增大滞后，提高黏性，使材料更硬、更韧、强度更高消除方法：反复拉伸和恢复屡次〔约100次，指导应力-应变曲线重合〕。4.5海葵的中胶层海葵海葵的触手海葵的中胶层是一种不连续的胶原纤维和大量多糖组成的简单结缔组织。含盐5%,胶原6.7%,基质2%，水86%。基质中主要含中性的六元多糖及一些蛋白质。中胶层海葵的中胶层的胶原远程有序，力学性能主要取决与基质，胶原有一定影响，与胶原长度和位相有关。在较大应力下，胶原纤维取向变化，以便承受更大负载。载荷消失后能弹性恢复原形。海葵不同品种的中胶层存在差异〔形态、多糖性质〕。中胶层的特点4.6雌性蝗虫节间膜雌性蝗虫的可高度伸长的节间膜是一种力学性能与生物的生活方式相适应的材料。携带的卵处于脱水状态，为保持充足水分，雌性蝗虫必须把卵埋在地下8cm深，需要延展性极好的节间膜，应变可到达15%。节间膜由12%蛋白质，12%几丁质以及水构成。几丁质与拉伸方向垂直，对节间膜弹性恢复没奉献。蛋白质是弹性蛋白。几丁质作为重要填充物，促进软化。4.7皮肤皮肤的结构由表皮、真皮及皮下组织三局部构成1、表皮：形状不一、大小不一的鳞状上皮细胞由基底发育而成。按细胞形态，分5层：〔1〕角质层：最外层，厚度因人而异，前臂内侧较薄，掌、足处较厚。由数层角蛋白和角质脂肪细胞组成。〔2〕透明层：由1-2层无核、界限不明的透明细胞组成，角母蛋白〔3〕粒层：透明角质颗粒，由2-4层扁平的长斜方形或纺锤形细胞组成〔4〕棘层：发生层，表皮细胞最厚的一层，细胞间有空隙，贮有淋巴液〔5〕底层：决定肤色的色素细胞散布于这层，由一层圆柱状细胞组成，整齐排列〔2〕真皮位于表皮之下，由胶原纤维、弹力纤维、网状纤维以及纤维间的基质构成，向上伸出局部即乳头，含有丰富的血管和神经末梢，皮肤触觉敏感程度来源于此。〔3〕皮下组织真皮之下，由结缔组织纤维束和大量脂肪细胞构成，皮下脂肪层。1.防护机械性、物理性刺激2.防护化学物质的腐蚀3.防护生物性侵袭4.皮肤的调节作用5.皮肤的渗透能力和吸收作用6.皮肤的分泌和排泄作用皮肤的功能皮肤含大量胶原，占干重75%、多糖含量约为20%。

皮肤的结构各向异性，测试方向不同，响应也不同。真皮纤维处于高度无规状态，但拉伸时排列成行，并对伸展起阻止作用。皮肤的成分特点4.8应力-应变性质中胶层和大多数软的昆虫角质层都属此类；皮肤、血管、肠壁以及几乎所有的其它胶原组织都表现相似的应力—应变曲线。低模量区高模量区胶原弹性蛋白元大多数软组织可模型化为填充了纤维或粒子的弹胶体。更普遍的模型——纤维取向模型编织成互为45°的纤维拉长时，由于伸长方向取向的纤维数目增加，对伸长的抗力增加，直到所有纤维沿拉伸方向取向，此时模量增长为纤维的模量。实验结果：沿拉伸方向取向的胶原纤维数量随应变增加而呈直线增加。猪主动脉管壁拉伸实验验证〔拉伸过程胶原取向由X射线衍射跟踪推算〕评价此模型应注意：〔1〕在低应变下可能有纤维拉伸到极限而断裂，这意味着材料的强化机制是以有限的键断裂分散应变能，这在低应变下也是可行的。〔2〕在任何时刻，即使是高应变时，并非所有胶原纤维都承受载荷。实际只有40%的纤维以最大应力承载，所以在材料开始破坏之后还能继续承载。表明：任何软组织模型不仅应考虑胶原纤维，而且应考虑应变对纤维的取向作用。！4.9泊松比定义：泊松比是试样在长度方向上的伸长与宽度方向的收缩之比。各向异性材料具有6个泊松比。（1）有择优取向，具各向异