生物化学 第四篇 糖与脂的结构与功能

第四篇糖与脂的结构与功能
（第十四～十五章小结）
第十四章糖类
糖即碳水化合物，是指多羟基醛或多羟基酮以及它们的缩合物和某些衍生物。

含有醛基或酮基的糖分别称为醛糖或酮糖。

根据聚合度的不同，糖又分为单糖、寡糖和多糖。

单糖不能再水解成更简单的糖单位。

根据碳原子的数目，它们可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖等。

可以使用三字母缩写表示一个单糖单位。

最简单的单糖是丙糖，包括甘油醛和二羟丙酮。

除了二羟丙酮以外，其他单糖至少含有一个手性C原子，因此具有旋光异构体。

甘油醛含有1个手性C原子，具有对映异构体。

在甘油醛的Fischer投影结构式之中，醛基画在最上方，羟基位于左侧的甘油醛L-型，羟基位于右侧的甘油醛为D-型。

其他各单糖的Fischer投影结构式之中，将编号最高的手性C-原子与甘油醛上的手性C原子进行比较，与D-型甘油醛一致的单糖就是D-型单糖，反之就是L-单糖。

自然界中存在的单糖绝大多数为D-型单糖。

在各种旋光异构体之中，互为镜像的一对异构体称为对映异构体；一个或一个以上的手性C原子构型相反，但并不呈镜像关系的一对异构体称为非对映异构体；只有一个手性C原子的构型不同的一对异构体称为差向异构体。

直链的单糖在分子内也能够发生缩醛或缩酮反应形成环状结构。

葡萄糖环化主要形成六元环吡喃糖，果糖、核糖和脱氧核糖环化主要形成五元环的呋喃糖。

通常使用Haworth式表示单糖的环状结构。

在单糖变成环状结构以后，原来的羰基C成为异头物C，产生α和β异头物。

半缩醛羟基与编号最高的手性C原子上的羟基具有相同取向的异头物成为α异头物，反之就称为β异头物。

在葡萄糖溶液之中，β-D-葡萄糖要比α-D-葡萄糖多。

单糖可进行各种修饰反应而形成一系列衍生物，例如，氨基糖、氧化糖、脱氧糖、糖醇和糖苷等。

单糖具有酮基和多个羟基，能与多种化学试剂反应，单糖能发生的主要反应有异构、氧化、还原、成脎、醛缩、酯化、缩合。

某些颜色反应可以用来鉴别和定量糖。

寡糖由2～10单糖分子缩合并以糖苷键相连。

在寡糖分子之中，含有自由的异头物C的一端称为还原端，异头物C参与形成糖苷键的一端称为非还原端。

在书写寡糖的序列时，非还原端写在左边，还原端写在右边，需要标明各单糖单位的名称、构型、相互间的连接方式和异头物的构型。

二糖是最简单的寡糖，其第一个糖单位的连接碳总是C1，而第二个糖单位的连接C 的位置是可变的。

常见的二糖有：蔗糖、乳糖、α，α-海藻糖、麦芽糖、异麦芽糖、纤维二糖和龙胆二糖。

这几种二糖中，除了蔗糖和α，α-海藻糖以外，其他都属于还原糖。

还原性二糖是由一分子糖的半缩醛羟基与另一分子糖的醇羟基缩合而成的。

由多个单糖分子缩合而成的糖称为多糖，分为同多糖和杂多糖。

单糖单位之间糖苷键的类型直接与多糖的机械强度和溶解性质有关，以α-1，4糖苷键相连的多糖比较软，在水里有一定的溶解度，而以β-1，4糖苷键相连的多糖比较硬，不溶于水。

多糖的大小不固定，无变旋现象和还原性，无甜味。

按功能多糖可分为贮能多糖和结构多糖。

常见的贮能多糖有淀粉、糖原和右旋糖酐，它们的基本组成单位都是D-葡萄糖。

常见的结构多糖包括纤维素、几丁质和肽聚糖等。

淀粉又分为直链淀粉和支链淀粉。

直链淀粉与碘反应产生蓝色，支链淀粉与碘反应产生紫红色。

糖原是动物的贮能多糖，在结构上与支链淀粉相似，但分支点更为密集，这有利于它的动员和重新合成，糖原与碘反应产生紫红色。

右旋糖酐是一种主要以α-1，6糖苷键相连的分支多糖，其重复的二糖单位主要是异麦芽糖。

纤维素的葡萄糖单位以β-1，4糖苷键相连。

纤维素很难水解，大多数动物都不能消化纤维素。

几丁质是N-乙酰葡糖胺的直链多聚物，它在生物功能和结构上与纤维素相似。

在一级结构上，由N-乙酰葡糖胺通过β-1，4糖苷键相连，在高级结构上，也是伸
展的带状构象。

肽聚糖是细菌细胞壁中的一种特殊成分，它由NAG和NAM以及短肽等构成。

NAG和NAM经β-1，4糖苷键连接间隔排列形成的聚糖骨架，短肽靠肽键连接在聚糖骨架的NAM上；相邻的肽链之间再由肽桥或肽链联系起来，组成一个机械性很强的网状结构。

糖缀合物是指糖与非糖物质以共价键相连的复合物。

根据非糖物质的本质，糖缀合物可以分为糖脂和糖蛋白两类。

糖蛋白和蛋白聚糖是由蛋白质与糖通过共价键相连的复合物。

前者糖含量约占总质量的1％～60％，由多种短的具分支的寡糖链组成；后者糖含量可达总质量的98％，主要由无分支的糖胺聚糖链组成。

第十五章脂与生物膜
脂是一类范围广、化学结构迥异、生理功能各不相同的有机分子总称，包括简单脂、复合脂和异戊二烯类脂。

简单脂由脂肪酸和醇形成的酯，包括脂肪和蜡。

其中脂肪就是三酰甘油，蜡主要是由长链脂肪酸和高级脂肪醇形成的酯。

天然的脂肪酸绝大多数为偶数脂肪酸，其中的不饱和脂肪酸内的双键多为顺式。

按照营养价值，脂肪酸可分为必需脂肪酸和非必需脂肪酸。

亚油酸和α-亚麻酸为必需脂肪酸。

脂肪的生理功能包括贮存能量和供给能量、保持体温、保护内脏器官等。

复合脂除了含有脂酰基和醇基团以外，还含有一些非脂成分。

复合脂分成磷脂和糖脂。

其中磷脂是含有磷酸基团的脂，包括甘油磷脂和鞘磷脂。

糖脂含有糖基。

这两类复合脂是生物膜的主要成分。

甘油磷脂和鞘磷脂都是两性分子，因此特别适合作为生物膜骨架。

糖脂是糖通过它的半缩醛羟基以糖苷键与脂质连接而成的化合物，包括鞘糖脂和甘油糖脂。

异戊二烯类脂衍生于异戊二烯，主要包括萜、脂溶性维生素和胆固醇及其衍生物。

萜是由若干个异戊二烯单位连接而成，连接的方式主要是“头尾”相连，也有“尾尾相连”。

根据所含的异戊二烯单位的数目，萜可分为单萜、倍半萜、双萜、三萜、四萜和多萜。

类固醇的结构以环戊烷多氢菲为核心。

其中胆固醇最为重要，其他甾类几乎都是由它衍生而来。

胆固醇也是一种两性分子，它能够与磷脂一起构成真核细胞的质膜。

胆固醇是体内许多重要物质的前体。

生物膜是由脂和蛋白质组装成的超分子复合物，某些生物膜还含有糖，它们以糖脂或糖蛋白的形式存在，其最基本的结构骨架是脂双层结构。

膜上各成分的比例并不固定，一般功能越复杂，蛋白质含量越高。

膜蛋白与生物膜的功能直接相关，包括定位于膜上的酶、受体、运输蛋白、结构蛋白和抗原等。

根据它们在膜上的性质，可将它们分成外在蛋白、内在蛋白和脂锚定蛋白。

外在蛋白的主要分布在膜的表面，通过离子键或静电作用等次级键与膜表面松散结合；内在蛋白属于两性分子，其亲水的基团主要由亲水氨基酸残基的R基团提供，而疏水部分则由疏水氨基酸残基的R基团提供。

在生物膜上，内在蛋白的疏水区域与膜脂上的疏水核心以疏水键结合，而亲水部分则伸展在水溶液环境之中；脂锚定蛋白是通过共价相连的脂而定位到膜上的蛋白质。

生物膜具有选择性、不对称性、流动性和相变性质。

其中不对称性包括膜脂的不对称性和膜蛋白的不对称性。

膜脂不对称性形成可能与翻转酶作用有关。

膜的不对称性和流动性对于生物膜的正常功能很重要。

生物膜的流动性是指生物膜各组分所作的各种形式的运动。

膜脂的流动性与脂酰基的碳链长度和不饱和性以及胆固醇的含量有关。

脂酰基的碳链越短、不饱和度越高，其流动性越强。

胆固醇对生物膜的流动性有双重影响：在膜具有较高的流动性的情况下，其结构上相对强的刚性使得膜的流动性降低；相反，在膜的流动性不高的情况下，它的存在能提高膜的流动性；膜蛋白既可以在膜上沿着与膜平面垂直的轴做旋转运动，也可以沿着膜表面做侧向扩散运动。

脂酰基链越长、饱和度越高，生物膜的相变温度就越高。

膜脂的相变可影响到其中的膜蛋白的功能。

最流行的生物膜结构模型为流动镶嵌模型，其主要内容是：生物膜以具有流动性的二维脂双层作为基本骨架，在上面镶嵌有各种蛋白质。

生物膜的功能包括：为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境；选择性的物质运输；提供细胞识别位点，并完成细胞内外信息的跨膜传递；为多种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行；介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接；参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。

小分子物质的跨膜运输可分为被动运输和主动运输。

在被动运输中，被转运的分子顺浓度梯度转移，不需要消耗能量；而主动运输逆浓度梯度进行，需要提供能量以克服能障。

被动运输又可分为简单扩散和易化扩散，简单扩散不需要蛋白质的帮助，而易化扩散和主动运输一样都需要蛋白质的参与。

蛋白质在其中作为通道、载体、闸门和泵起作用。

易化扩散有时涉及两种可溶性分子的协同运输，一种为同向运输，另一种形式则为反向运输。

主动运输是一种直接依赖于能量而逆浓度梯度进行的转运方式。

能量的来源可以是光、ATP或其他离子的浓度梯度。

主动运输可导致某种物质在膜一侧的积累。

生物大分子进入细胞一般通过胞吞方式，离开细胞则通过胞吐手段。