糖類化學

糖是除蛋白質和核酸外的又一類非常重要的生命物質，糖化學在生命科學、藥物研究中佔有很重要的地位和廣泛的用途。本書以糖類化合物為主線，系統全面地介紹了糖化學的各個方面：分類、命名、結構、性質，以及化學修飾，合成及分離提純，並提出糖類化合物的一些新概念、新理論、新方法。其中彙集了國內外糖類研究方面最新研究成果，突出了糖的合成與結構鑒定兩大核心問題，具體詳盡地講述了實驗方法和技術。本書側重於化學方面，可操作性強，每章儘可能地舉出許多實例和操作方法，收集整理出有關的實驗數據和圖表。

本書不僅可作為有機化學、天然產物化學、糖化學、藥物化學專業的研究生教科書，而且也可作為有關專業本科生的參考用書，還有助於有關人員了解糖化學、糖生物學方面的科學知識。縮寫詞(按英文字母排序)

糖是自然界中存在數量最多、分佈最廣且具有重要生物功能的有機化合物。從細菌到高等動物的機體都含有糖類化合物。以植物體中含量最為豐富，約佔乾重的85%～90%，植物依靠光合作用，將大氣中的二氧化碳合成糖。其它生物則以糖類如葡萄糖、澱粉等為營養物質，從食物中吸收轉變成體內的糖，通過代謝向機體提供能量；同時糖分子中的碳架以直接或間接的方式轉化為構成生物體的蛋白質、核酸、脂類等各種有機物分子。所以糖作為能源物質和細胞結構物質以及在參與細胞的某些特殊的生理功能方面都是不可缺少的生物組成成分。

一、糖類的概念

糖類主要是由碳、氫和氧三種元素組成，過去用通式Cn(H2O)m表示，並稱為碳水化合物。後來發現有些化合物如鼠李糖（C6H12O5）和脫氧核糖（C5H10O4）它們的結構和性質都屬於糖，但分子中氫氧原子數之比並不是2∶1；而有些化合物，如乙酸（C2H4O6）、乳酸（C3H6O3）等，它們的分子式雖符合上述通式，但卻不具有糖的結構和性質。因此稱糖為碳水化合物並不恰當。現將糖類化合物定義為多羥醛或多羥酮及其縮聚物和某些衍生物的總稱。

二、糖的分類和命名

糖類化合物按其組成分為三類：單糖、低聚糖(雙糖或二糖）和多糖。

（一）單糖

不能被水解為更小分子的糖屬於單糖。據分子中所含羰基的位置分為醛糖和酮糖。一般以環狀半縮醛的結構形式存在。按分子中所含碳原子數分別把三碳糖稱為丙醛糖和丙酮糖，四碳糖稱為丁醛糖和丁酮糖，相應的醛糖和酮糖是同分異構體。自然界中的單糖以含四個、五個和六個碳原子的最為普遍。

（二）低聚糖

含有2～10個單糖單位，彼此以糖苷鍵連接，水解以後產生單糖。低聚糖又叫寡糖。自然界以遊離狀態存在的低聚糖主要有二糖如麥芽糖、蔗糖和乳糖，三糖如棉籽糖。

（三）多糖

由許多單糖分子或其衍生物縮合而成的高聚物稱為多糖，又稱為高聚糖。可分為同多糖和雜多糖兩類。由一種單糖縮合形成的多糖稱為同多糖，如澱粉、纖維素等。由二種以上單糖或其衍生物縮合形成的多糖稱為雜多糖，如透明質酸、硫酸軟骨素等；按糖分子中有無支鏈，分為直鏈多糖和支鏈多糖；按照功能的不同，分為結構多糖、貯存多糖、抗原多糖等；按其分佈部位又分為胞外多糖、胞內多糖。

（四）結合多糖（或複合多糖）

糖與其它非糖物質共價結合形成結合多糖（複合多糖）或糖綴合物（glycoconjugates），例如蛋白聚糖、糖脂、糖蛋白等。

自然界中常見的單糖有葡萄糖、果糖、半乳糖等。糖的名稱一般不用有機化學系統命名。除少數簡單的羥乙醛、二羥丙酮按基團命名外，許多單糖都有一個俗名，一般與來源有關，例如果糖、赤蘚糖、核糖等。

一、單糖的結構

（一）單糖的立體結構和構型

1. 單糖的立體異構體

單糖分子是不對稱分子，具有旋光性。以甘油醛為例，分子中的2位碳是不對稱碳原子，分別與4個互不相同的原子和基團H，CH2OH，OH，CHO連接。這樣的結構有兩種安排，一種是D—甘油醛，另一種是L—甘油醛。書寫D— 型結構時，把羥基放在右邊；L— 型的羥基放在左邊。 D— 甘油醛的旋光是右旋，L— 甘油醛是左旋。 D— 甘油醛與L— 甘油醛是立體異構體，它們的構型不同。因此D型與L型甘油醛為對映體，具有對映體的結構又稱“手性”結構。

由於旋光方向與程度是由分子中所有不對稱原子上的羥基方向所決定，而構型只和分子中離羰基最遠的不對稱碳原子的羥基方向有關，因此單糖的構型D與L並不一定與右旋和左旋相對應。單糖的旋光用d或（+）表示右旋，l或（— ）表示左旋。

從丙糖（甘油醛）起的單糖都有不對稱碳原子。含有n個不對稱碳原子的化合物，應有2n 個立體異構體。

2. 單糖的構型

糖類物質的D— 型和L— 型是以甘油醛為標準比較而確定的相對構型。糖的構型是由與羰基相距最遠的不對稱碳原子上的羥基方向來確定的，如與D— 型甘油醛相同，則為D— 型；如與L— 甘油醛相同，則為L型。醛糖都可由甘油醛逐步增長碳鏈的方法導出。對於酮糖也是按同樣方法確定構型。下面各糖概括出的碳原子的構型是相同的，它們都是D— 型糖。

（二）單糖的結構與構象

單糖的種類很多，其中葡萄糖（遊離的、結合形式的）數量最多，在自然界分佈也最廣。

單糖的結構及性質雖各有異，相同之處也很多。葡萄糖的結構和性質有代表性。現以葡萄糖為例闡述單糖的分子結構。

葡萄糖是己糖中最重要的一種，因為最初發現於葡萄，所以稱為葡萄糖。其分子式是C6H12O6。天然存在的是D— 葡萄糖。

1. 鏈狀結構式

實驗證明D— 葡萄糖的鏈狀結構是：

上述結構式可以簡化，用“├”表示碳鏈及不對稱碳原子羥基的位置，“△”表示醛基

“—CHO”，“—”表示羥基“—OH”，“○”表示第一醇基，則葡萄糖結構式簡化為（a），與葡萄糖同屬己醛糖的D甘露糖和D半乳糖的結構式分別簡化為（b）、（c）。

（a）D— 葡萄糖（b）D—甘露糖（c）D—半乳糖

2. 環狀結構

物理和化學的方法證明，單糖不僅以直鏈結構存在，而且以環狀結構存在。由於單糖分子中同時存在羰基和羥基，因而在分子內便能由於生成半縮醛（或半縮酮）而構成環。即碳鏈上一個羥基中的氧與羰基的碳原子連接成環，羥基中的氫原子加到羰基的氧上。實驗證明，在一般情況下，己醛糖都是第五個碳原子上的羥基與羰基形成半縮醛，構成六元環。例如D— 葡萄糖可以形成下面兩種環形半縮醛：

半縮醛式α— D— 葡萄糖 醛式 D— 葡萄糖 半縮醛式β— D— 葡萄糖

37% 0.1% 63%

D— 葡萄糖由醛式轉變為半縮醛式，C1轉變為手性碳原子，並形成一對旋光異構體。一般規定新形成的手性碳原子上的羥基（稱半縮醛羥基）與決定單糖構型的碳原子（在己糖為C5）上的羥基在碳鏈同側者稱為α— 型葡萄糖，寫作α— D— 葡萄糖；不在同一側者稱為β— 型葡萄糖，寫作 β— D— 葡萄糖。不過這兩個異構體並不是對映體，只是在第1碳上的羥基方向不同而已，所以稱為異頭物。半縮醛羥基較其餘羥基活潑，糖的許多重要性質都與它有關。

不僅如此，葡萄糖也有構象問題，據X— 射線衍射測定表明：葡萄糖吡喃環中的五碳一氧不是處於同一平面的，通常具有如下構象，其中椅式構象因使分子的扭張強度最低，分子中各原子的靜電斥力最小而最為穩定。

二、單糖的性質

單糖的性質由其化學組成和結構決定。

（一）主要物理性質

1. 溶解度

單糖都是無色結晶，由於分子中有多個羥基，在水中溶解度很大，常能形成過飽和溶液一一糖漿。

2. 甜度

單糖都有甜味，但甜度各不相同，通常把蔗糖的甜度定為100進行比較

糖 蔗糖 果糖 轉化糖* 葡萄糖 木糖 麥芽糖 半乳糖 乳糖

甜度 100 173 130 74 40 32 32 16

*由蔗糖水解生成的葡萄糖與果糖的混合物稱為轉化糖。

3. 旋光性及變旋現象

一切糖類物質分子內都有手性碳原子，所以都具有旋光性，屬於“旋光活性物質”（或光學活性物質）。旋光活性物質使偏振光振動平面旋轉的角度稱為“旋光度”。物質旋光度的大小因測定時所用溶液的濃度、盛液管的長度、溫度、光波的波長以及溶劑的性質等而改變。但在一定的條件下，不同旋光活性物質的旋光度仍為一常數，通常用比旋光度[α]表示。比旋光度的定義是：以1 ml中含有1 g溶質的溶液，放在1 dm長的盛液管中測出的旋光度。糖的比旋光度用[α] D2 0表示。計算公式如下：

式中α：由旋光儀測得的旋光度。

C：糖（光學活性的）溶液的濃度，以每毫升溶液中所含溶質的克數表示，溶劑為水。

L：盛液管的長度，以分米表示。

20：20℃，表示測定比旋光度在20℃進行。

D：表示以鈉光燈作光源。

（二）主要化學性質

單糖是多羥醛或多羥酮，所以具有醛基、酮基、醇羥基的性質，能發生醇羥基的成酯、成醚等反應和羰基的氧化、還原和加成等反應，而且具有羥基及羰基相互影響而產生的一些特殊反應。單糖在水溶液中是以鏈式和環式平衡存在的。在某些反應中，其鏈式異構體參與反應，而環式異構體就連續不斷地轉變為鏈式，最後全部生成鏈式異構體的衍生物，單糖的主要化學性質如下：

1. 由醛基、酮基產生的性質

（1）單糖的異構化作用

（2）單糖的氧化（還原性）

2. 由羥基（醇羥基和半縮醛羥基）產生的性質

（1）成酯作用

（2）成脎作用

（3）成苷作用

三、重要的單糖及其衍生物

單糖是糖類的最小單位。近半個世紀來，發現的單糖為數不少，現已知的醛糖有600多種，酮糖及其衍生物180種。自然界中的單糖少於其光學異構體的理論數目，常見的醛糖、酮糖、脫氧糖、分支糖、氨基糖也很多，下面列舉一些較重要的代表（表3—3）。

由於單糖具有多個可反應的基團，因此可形成多種單糖衍生物，大體有以下幾類：

1. 糖苷類

2. 單糖磷酸酯

3. 氨基糖（amino sugar 或glycosamine）

4. 糖酸

5. 糖醇

寡糖是2～10個單糖組成的低聚糖。自然界以遊離狀態存在的二糖有蔗糖、麥芽糖。三糖有棉籽糖等；到目前為止，已知的寡糖已達500多種。

一、二糖的結構

自然界中最常見的寡糖是雙糖。組成寡糖的單糖可以是相同的，如麥芽糖、纖維二糖。但更多的寡糖可能是不同種的單糖組成。如蔗糖由葡萄糖與果糖組成，乳糖由半乳糖和葡萄糖組成。此外寡糖中也可能包含單糖的衍生物，如透明質酸二糖由β— 葡萄糖醛酸與乙醯氨基葡萄糖組成，軟骨二糖由β— 葡萄糖醛酸與半乳糖胺組成。

麥芽糖 蔗糖

乳糖 纖維二糖

現已發現在激素、抗體、維生素、生長素和其它各種重要分子中都有寡糖。寡糖也存在於細胞膜中，寡糖鏈凸出於細胞膜的表面，使整個細胞表面均覆蓋有寡糖，可能是細胞間識別的基礎。

二、常見的二糖

1. 乳糖

2. 麥芽糖

3. 蔗糖

三、糖蛋白的寡糖基

糖類與蛋白質或多肽結合，形成有兩種不同類型的糖苷鍵。一種是利用肽鏈上天冬醯胺的氨基與糖基上的半縮醛羥基形成N— 糖苷鍵，另一種是利用肽鏈上蘇氨酸或絲氨酸（或羥脯氨酸、羥賴氨酸）的羥基與糖基上半縮醛羥基形成O— 糖苷鍵。

N—乙醯氨基葡萄糖— 天冬醯胺 N—乙醯氨基葡萄糖— 絲氨酸（蘇氨酸）

N— 糖苷鍵 O— 糖苷鍵

多糖是由十個以上到上萬個單糖分子或單糖衍生物分子通過糖苷鍵連接而成的線性或帶有支鏈的高分子聚合物。自然界中發現的糖類，絕大多數是以高分子量的多糖出現。用酸或特異的酶完全水解這些多糖后，產生單糖和（或）簡單的單糖衍生物。 D— 葡萄糖是多糖中最普通的單糖單位，但由D— 甘露糖、D— 果糖、D— 和L— 半乳糖、D—木糖和D— 阿拉伯糖等組成的多糖也常見。天然多糖水解物中很常見的單糖衍生物有：D— 氨基葡萄糖、D— 氨基半乳糖、D— 葡萄糖醛酸、N— 乙醯胞壁酸和N— 乙醯神經氨酸等等。多糖沒有還原性和變旋現象，也沒有甜味。多糖的分子量都很大，在水中不能成真溶液，有些多糖能與水形成膠體溶液。許多多糖不溶於水。

多糖在自然界中分佈很廣。植物的骨架纖維素、動植物貯藏的養分澱粉、糖原、人軟骨中的軟骨素、昆蟲的甲殼、植物的粘液、樹膠、細菌的莢膜等許多物質，都是由多糖構成的。

一、貯存多糖

這些多糖中，澱粉是植物中最豐富的，糖原則是動物中最豐富的。它們通常以大顆粒狀蘊藏於細胞的胞質中。在葡萄糖過剩時，單個的葡萄糖就通過酶促作用聯結到澱粉或糖原的末端，而代謝需要時，它們又通過酶促作用釋放出來作燃料用。

（一）澱粉

澱粉是植物貯存的養料，主要存在於種子中（穀物、豆類等)、塊莖（如馬鈴薯）和塊根（如薯類）中。天然澱粉顯顆粒狀，外層為支鏈，約佔75%～85%，內層為直鏈部分，約佔15%～25%，這兩部分的結構和性質有一定差異，直鏈澱粉的分子量比支鏈澱粉的分子量小（分子量大小與澱粉的來源及分離提純的方法有關），它們在澱粉粒中的比例隨植物品種而異。有的澱粉粒（如糯米）全部為支鏈澱粉，而豆類的澱粉則全是直鏈澱粉。

1. 直鏈澱粉的結構和性質

2. 支鏈澱粉的結構和性質

（二）糖原的結構和性質

糖原是動物細胞內貯存的多糖，因其結構和作用與植物的澱粉類似，所以又稱為動物澱粉。存在於肝臟的稱為肝糖原，存在於肌肉的稱為肌糖原。

糖原也像支鏈澱粉一樣，是D— 葡萄糖連結成的多糖，然而它是分支程度和緊密度比支鏈澱粉更高的分子。分支點之間的間隔為3～4個葡萄糖單位，每個分支平均長度12～18個葡萄糖單位。最大的糖原分子由幾十萬個葡萄糖單位組成，但仍能溶於水中。近年來研究證明，糖原中含有少量蛋白質（1%），可能蛋白質是中心物質，在其蛋白質鏈上接上糖原的多糖鏈。糖原可用熱KOH溶液消化動物組織后，將其分離出來。在KOH溶液中，其非還原性的α— 1,4

鍵和α— 1,6鍵都是穩定的。糖原容易被α— 和β— 澱粉酶水解，分別形成葡萄糖和麥芽糖。在β— 澱粉酶作用下，也產生極限糊精，糖原與碘產生紅紫色反應。

二、結構多糖

許多多糖在細胞壁和外膜、細胞間隙和結締組織的首要作用是作為結構成分，以賦予植物或動物組織以形態、彈性或剛性，並賦予單細胞生物以保護和支持。還發現多糖是許多無脊椎動物外骨骼的重要有機成分。例如殼多糖就是昆蟲和甲殼類外骨骼的重要有機成分。

（一）植物的細胞壁

由於植物細胞要能承受細胞內外液之間的巨大滲透壓差，它們必須有硬的細胞壁以保持不致膨脹。一些較大的植物如樹，其細胞壁不僅要有助於莖、葉和根組織的物理強度或硬度，而且還必須支持巨大的重量。

1. 纖維素

2. 半纖維素

（二）細菌細胞壁

細菌細胞壁是硬的、多孔的、盒子樣的結構，它對細胞起物理保護作用。由於細菌有高的內部滲透壓，而它們又經常暴露於一完全可變的和有時是低滲的外環境中，故它們必須有堅硬的細胞壁以防止細胞膜的膨脹和破裂。因為細菌細胞壁含有特殊抗原，可用於診斷傳染病，並且也因為用青毒素和其它抗菌素能抑制細胞壁的生物合成，故對它們的結構和生物合成已有深入的研究。

三、糖胺聚糖

糖胺聚糖又叫酸性粘多糖，是一組相關的雜多糖，通常含有兩種類型交替出現的單糖單位，分子中含有氨基己糖或乙醯氨基糖，因其中至少含一個酸性基，或為羧基或為硫酸根（表3— 5），所以有較強酸性，是一種酸性雜多糖。當它們與特殊蛋白質絡合而存時，則稱為粘液素或粘蛋白；在這類蛋白質中，多糖構成其重量的最大部分。粘蛋白是膠狀的、粘稠的物質，有的起潤滑作用，有的則起有彈性的細胞內粘合劑作用。

表3— 5 幾種糖胺聚糖的組分

糖胺聚糖 己糖胺 糖醛酸 SO42 - 存 在

透明質酸 N—乙醯葡萄糖胺 D— 葡萄糖醛酸 無 結締組織、角膜、皮膚

肝素 葡萄糖胺 D— 葡萄糖醛酸 有 皮膚、肺、肝

硫酸軟膏素A N— 乙醯半乳糖胺 D— 葡萄糖醛酸 無 骨、軟骨、角膜、皮膚

最豐富的糖胺聚糖是透明質酸，存在於細胞外膜和脊椎動物結締組織的細胞內基質中；也出現於關節滑液和眼的玻璃體液中。透明質酸的重複單位是由一個D— 葡萄糖醛酸和N— 乙醯— D— 氨基葡萄糖通過β— 1,4— 糖苷鍵連接成的雙糖（圖）。另一種糖胺聚糖是軟骨素，在結構上軟骨素與透明質酸幾乎相同，唯一不同的是它含有N— 乙醯— D— 氨基半乳糖而不是N— 乙醯— D— 氨基葡萄糖。軟骨素本身僅是細胞外物質的一個不重要的成分。但它們的衍生物4— 硫酸軟骨素（軟骨素A）和6— 硫酸軟骨素（軟骨素C）則是細胞外膜、軟骨、骨、角膜和脊椎動物結締組織的重要構成成分。

四、糖複合物

糖複合物是指糖類的還原端和其它非糖組分以共價鍵結合的產物，主要有糖蛋白和糖脂。

按多糖和蛋白質的相對比例，糖與蛋白質的複合物又可分為糖蛋白和蛋白多糖兩類。糖蛋白質是以蛋白質為主，糖只是作為蛋白質的輔基，如卵清蛋白含糖基1%。而蛋白多糖是以多糖為主，蛋白所佔的比例少，如粘蛋白含糖基高達80%。

糖對人類十分重要，我們所用的竹，木，棉，麻製品，吃的米，麥，雜糧，糖果，工業和醫藥上用的各種糖都是屬於糖類的物品。人體及動物的器官和個體活動所需的能量主要靠食物中的糖類（特別是澱粉）供給。