糖生物学基础
生物化学教程糖类和糖生物学
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（二）糖类的生物学作用
糖类是细胞中非常重要的一类有机化合物。糖类的生物 学作用概括起来主要有以下几个方面： 1．作为生物体的结构成分 植物的根、茎、叶中的纤维素、半纤维素等，细菌细 胞壁的肽聚糖，昆虫和甲壳类的外骨骼等。 2．作为生物体内的主要能源物质 糖原、淀粉等通过贮存或生物氧化释放出能量，为生 物体供生命活动的需要。
醛 • Molisch reaction:
糠醛或羟甲基糠醛＋α－萘酚-----红紫色化合物,鉴别糖类 物质. • Seliwanoff reaction: • 酮糖＋HCl+间苯二酚-----迅速出现红色（大约20秒） • 醛糖＋HCl+间苯二酚-----加热后缓慢出现红色（大约2分 钟）用来鉴别酮糖或醛糖。
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. 环糊精分子的结构像一个轮胎 （图l-2其2特） 点是所有葡萄糖残基的C6羟基都在大环一 面的边缘，而C2和C3的羟基位于大环的另 一面的边缘。环糊精分子作为单体垛叠起来 形成圆筒形的多聚体。
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环糊精的结构
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缩合形成缩醛的衍生物称为糖苷，这种糖 苷的配体可以是糖，也可以是非糖物质。 与糖形成糖苷如淀粉、纤维素等与非糖物 质形成核苷等。糖苷的性质比较稳定不易 发生化学反应和被氧化。
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• 7、单糖的脱水; （与无机酸反应或呈色反应） 在强酸作用下戊糖脱水生成糠醛。己糖脱水生成5－羟甲基糠
七、多糖
（一）同多糖 （二）杂多糖
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（一）同多糖 1、淀粉（starch）
7.糖类
邻苯甲酰磺酰亚胺
天冬氨酰苯丙氨酸甲酯
（五）单糖的主要化学反应
单糖为多羟基醛/酮，因此它的化学反应体现在-OH 和醛基或酮基上。 醛基或酮基：氧化，还原 羟基：成酯，成苷
糖是世界上存在最多 的一类有机化合物， 也是人类所需要的最 基础的物质
肌糖原－能源 结缔组织－结构糖
动物干重2％
韧带－结构糖
糖蛋白、糖脂、信息分子糖
细胞表面识 别标记－糖
2.糖的化学本质
① 多羟基醛/酮 ② 多羟基醛/酮的衍生物 ③ 可以水解为多羟基醛/酮或 它们衍生物的物质 甘油醛 二羟丙酮 定义： 糖是多羟基的醛类或酮类化合物，以及它们的衍生物或聚 合物的总称 含有不同碳原子数的单糖都有其醛糖和酮糖形式
植物：含糖量占其干重的 85-90%
淀粉颗粒 糖原颗粒
动物：含糖量不超过干重的 2% 糖类占人体全部供能量的 70%
与膜蛋白和膜脂相连的糖——通信天线
4.糖生物学（Glycobiology）
——生命科学中的新前沿 过去一直认为糖类化合物结构简单，功能单调，只 是作为支持组织或能源贮存作用，加之深入研究糖类 结构时也遇到困难，所以很长时间不被重视。 近三十年发现，细胞的通讯、识别、细胞调节等都 直接依赖糖复合物，所有有人认为糖类物质同样是生 物信息的携带者。 多糖同蛋白质、核酸一样是生命现象中的并列的三 种重要的生物大分子，目前对多糖的研究现在已成为 一门热门科学。
• 氨基糖，也称糖胺（单糖上的羟基被氨基取代，有时 氨基被乙酰化 ）
第五讲糖生物学20111209
2020/5/24
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2 可调型的糖基化
核质内的接有单个N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖或 ADP-核糖，糖基化和磷酸化相互平衡协调
(Pr)—Ser/Thr-O-PO4 ↓↑
(Pr)—Ser/Thr ↓↑
GN/Glc
(Pr)—Ser/Thr-O-
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3 蛋白质的糖化
• 通过非酶催化的 化学反应糖和蛋 白质的连接，如 胶原上的羟赖氨 酸的糖化
• 一些在体液中的 糖蛋白也可能被 糖化
• 核酸内碱基上的 氨基也能发生糖 化反应
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糖化和疾病
• 血红蛋白和血清白蛋白均可被糖化。特别是一些在 体内周转速度很慢、乃致终生不代谢的蛋白质，如 眼睛中的晶体蛋白。晶体蛋白经葡萄糖糖化的产物 ，不被降解，长期的累积可导致老年人的白内障
•“刷毛”由核心蛋白组成 ，硫酸角质素和硫酸软骨 素以O-连接与其共价相连 ，而较小的寡糖在核心蛋 白的透明质酸结合位点附 近以N-连接与其相连。
•许多蛋白聚糖的相对分子 量可高达千百万道尔顿。
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（一）糖蛋白的分布
• 糖蛋白在病毒到人类的所有生物体中都 存在，包括动物、植物和微生物
• 主要存在于体液、细胞的表面以及与分 泌有关的细胞器的腔面
• 在细胞内部的胞液和核内没有组成型的 糖蛋白，只有动态调节过程中形成的带 有单个N-乙酰氨基葡萄糖修饰的蛋白质
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（二）糖蛋白的分类
• 组成型糖蛋白
– N-糖链 – O-糖链
• 可调型的糖蛋白
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与不同类别的多聚糖独特的核心区域相反，不
同类别的多聚糖核心区外多聚糖结构序列往往
不同。
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Microheterogeneity ：蛋白糖基化一个 共同特点
• 蛋白质的糖基的微不均一性是最引人入胜的和令人沮 丧的现象 。 异质性即糖基化位点和糖基化程度上可能 有很大的不同，
• 微不均一性表明在特定细胞蛋白质合成特定的糖基类 型。
• 己糖胺 Hexosamines ，N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)
• 五碳糖Pentoses：木糖 xylose (Xyl)
• 脱氧已糖，Deoxyhexoses:岩藻糖(Fuc)
• 己糖胺 Hexosamines :N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)
• 九碳糖酸: N-乙酰神经氨酸(NeuAc)
• 1990年底已收集了6000个糖结构数据， 1992年增加到9200个，1992年底有关的记 录增加到22000份，1996年增加到42000 份。
• 欧盟1994—1998年的研究计划中有一项 “欧洲糖类研究开发网络”计划。其目的是 携带欧洲各国的糖类研究和开发，以强化欧 洲在糖类基础研究以及将研究成果转化为商 品方面与美国、日本的竞争能力。
++++
• UDP-GalNAc ++
++++
• UDP-Xyl
++
++++
• ATP
+++
++++
• UDP-GlcA
++++
++++
糖生物学的主要内容
第一章：序言糖生物学：广义来说，糖生物学可定义为研究自然界广泛分布的糖类（糖链和聚糖）其结构、生物合成及生物学的一门学科糖缀合物：单糖、寡糖或多糖与蛋白质和脂质连接形成糖缀合物一种酶，一连键规则：由于糖基转移酶对供体和接纳体有严格的专一性要求，在特异的连键上一种酶只能添加一种形式的糖微不均一性:在一种特殊型细胞中的一种给定蛋白质的任何给定糖基化位点上合成的聚糖的精确结构中发现有一定范围的变化聚糖功能的研究方法：1 应用凝集素或抗体对特异聚糖的定域或干扰2 利用糖基化的代谢抑制或变更3 发现特异性受体的天然聚糖配体4 发现识别特异聚糖的受体5 可溶性聚糖或结构模拟物的干扰6 应用糖苷酶去除特异的聚糖结构7 对天然或遗传工程的聚糖突变株进行研究8 对天然或遗传工程的聚糖受体突变株的研究第二章：糖的结构和性质α-D-吡喃葡萄糖 α-D-吡喃半乳糖 β-D-吡喃甘露糖单糖的物理、化学性质第三章：单糖代谢转运子的分类：易扩散转运子（GLUT ）特点：不需能量 ，Km=2-20mmol/l能量依赖型转运子特点：需能，转运效率高 （1）离子偶联型：钠-葡萄糖转运子SGLT,Km=1mmol/l （2）ATP 依赖的磷酸化偶联型：Km 微摩尔数量级（细菌）胞内单糖的来源：（1）胞外糖源（2）胞内糖源（补救途径）单糖在细胞的代谢过程（以Man 为例）细胞外的Man 被细胞膜上的甘露糖转运子转移到细胞内，在细胞质中在甘露糖激酶的作用下形成Man-6-P 。
在磷酸变位酶的作用下Man-6-P 转变为Man-1-P ，Man-1-P 与GTP 反应，脱去一个焦磷酸，生成GDP-Man 。
GDP-Man 被糖核苷酸转运子转移到内质网和高尔基体中，进行糖缀合物的合成，最后为分泌到细胞膜或分泌到细胞外这是胞外糖源途径，单糖在细胞内的代谢还有另一种途径，即补救途径溶酶体中的糖缀合物被水解酶水解，产生的甘露糖被转运到细胞之内，按照胞外糖源途径参与代谢。
生物化学第一章-糖类
四种重要的己糖
葡萄糖
甘露糖
半乳糖
果糖
重要的戊糖
D-核糖
D-脱氧核糖
2、单糖的重要衍生物 1）糖醇：性质稳定、甜。如：
甘露醇：降压、药物、药物辅料。 山梨醇：氧化形成葡、果、山梨糖； VitC的原料 肌醇：对糖脂代谢有调节作用、B族Vit、 从玉米淀粉或微生物发酵制取。
2）糖醛酸：
单糖伯醇基氧化而得。
四、多糖
（一）多糖的概念：
1、概念：由多个单糖以糖苷键相连而成 的高分子聚合物。
方向：左：非还原端；
右：还原端。
2、多糖的性质： 胶体溶液、 无甜味、 无还原性、 有旋光性，但无变旋现象。
3、多糖的结构： • 一级结构：①单糖的组成；
②糖苷键的类型；
③单糖的排列顺序而异。
• 二级结构：取决于一级结构，指其分子
细胞表面 识别标记 －糖
（四）分类
• 按其水解情况分类： • 单糖：凡不能被水解为更小分子的糖称~。 如： 核糖、葡萄糖。 • 寡糖：凡能被水解成少数（2—10个）单 糖分子的糖称~。 如：蔗糖 = 葡萄糖+果糖
• 多糖：凡能被水解成多个单糖分子的糖称 ~。 如：淀粉 n葡萄糖 • 复合糖：与非糖物质结合的糖。 如：糖蛋白等。 • 衍生糖：糖的衍生物。 • 如：糖酸、糖胺等 。
葡萄糖醛酸：肝脏解毒剂； 半乳糖醛酸：存在果胶中。
3）糖胺：氨基葡萄糖
糖分子中的一个羟基被氨基取代。 如：D-氨基葡萄糖（几丁质）
半乳糖胺（软骨素）
三、寡糖
1、概念：少数单糖（2-10个）缩合的聚合物。
2、分布：自然界分布的主要是双糖、三糖，
3、结构：①单糖的组成；
②糖苷键的连接方式；
生物化学-1糖类
四、多糖
（一）多糖的概念：
1、概念：由多个单糖以糖苷键相连而成 的高分子聚合物。
方向：左：非还原端；
右：还原端。
2、多糖的性质： 胶体溶液、 无甜味、 无还原性、 有旋光性，但无变旋现象。
3、多糖的结构： • 一级结构：①单糖的组成；
②糖苷键的类型；
③单糖的排列顺序而异。
• 二级结构：取决于一级结构，指其分子
葡萄糖内酯
6、与强酸共热生成糠醛：
戊糖
+浓HCl
糠醛 羟甲基糠醛
己糖
生成糠醛
糠醛与酚有颜色反应
• α-萘酚 糠醛 羟甲基糠醛 • 间苯二酚 酮糖 红 醛糖 浅红 • 用于鉴定。
紫红 紫红
（三）重要的单糖及其衍生物
1、单糖：
1）醛糖：有醛基的糖； 2）酮糖：有酮基的糖；
四种重要的己糖
葡萄糖
骨架。
4、多糖的种类： 1）均一多糖：由一种单糖缩合而成。
糖 原
淀 粉 纤 维 素
不均一多糖：
由不同类型单糖缩合而成。
肝素
5、主要功能： 1）作为动植物结构的骨架物质； 2）作为储存物质； 3）机体的防御功能； 4）抗凝作用等等。
（二）生物学上重要的多糖
1、淀粉：有两种分子组成；
1）直链淀粉
（三）功能
• 能源物质、结构物质
储备能源糖 植物干重 90％ DNA、RNA 结构糖
细胞壁中 结构糖
（三）功能
• 能源物质、结构物质
昆虫外骨骼－糖
• 能源物质、结构物质
肌糖原－能源
结缔组织－结构糖 动物干重2％ 韧带－结构糖
• 碳源
CO2
光合 作用
分解 代谢
一切含碳物质
生物化学第7章 糖类和糖生物学
• 在溶液中，糖的链状结构和环状结构之间可以相互转 变，最后达到一个动态平衡，称为变旋现象 （mutarotation）。异头物在水溶液中通过直链（开 链）形式可以互变（差向异构化），经一定时间后达 到平衡。这就是产生变旋现象的原因。
• 例如：从乙醇水溶液中结晶出的D-Glucose称为α-D(+)Glucose ([α]20D=+113°) ，从吡啶溶液中结晶 出的D-glucose称为β-D(+)glucose([α]20D=+18.7°)。将α-D-(+)Glucose 与β-D-(+)glucose分别溶于水中，放置一段时间后， 其旋光率都逐渐转变为+52.7°C。原因就是葡萄糖的 不同结构形式相互转变，最后，各种结构形式达到一 定的平衡，其中α型占36%， β型占63%，链式占1%。
• α-淀粉酶是一种内切葡糖苷酶，随机作用于 淀粉内部的 α-1,4-糖苷键，产物主要是葡萄 糖。 • β -淀粉酶是一种外切葡糖苷酶，专门从淀粉 的非还原端开始断裂 α-1,4-糖苷键，逐个除 去二糖单位，产物是β –麦芽糖。 β -淀粉酶 α-淀粉酶
• B、糖原 是在动物与细菌中发现的贮存多 糖。与支链淀粉类似，也是带有分支的葡萄糖 残基聚合物，只是分支程度更高，分支更短， 每隔8-12个葡萄糖残基便有一个分支。
实验式： (CH2O)n
醛糖(aldose)
酮糖(ketose)
糖类的生物学功能
• 提供能量，植物的淀粉和动物的糖原都 是能量的储存形式。 • 物质代谢的碳骨架，为蛋白质、核酸、 脂类的合成提供碳骨架。 • 细胞的骨架。纤维素、半纤维素、木质 素是植物细胞壁的主要成分，肽聚糖是 细胞壁的主要成分。 • 细胞间识别和生物分子间的识别。
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糖生物学基础
举出5个糖复合物例子，说明其合成途径及重要生物功能。
现以N-连接糖蛋白中免疫球蛋白G、卵清蛋白；0-连接糖蛋白中黏蛋白、运铁蛋白；蛋白聚糖中肝素共5种糖复合物为例。
一．N-连接糖蛋白
定义：糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的Asn氮以共价键连接称N-连接糖蛋白。
连接点的结构：GlcNAcβ-N-Asn
糖基化位点：N-连接聚糖中Asn-X-Ser／Thr三个氨基酸残基序列子(其中X 是除脯氨酸外的任一氨基酸)称为糖基化位点。
结构：（三型）
结构特点：
A.每种类型都具有一个五糖核心
B.它们具有不同的分支，这些寡糖链分支常常被称为天线
C.血液循环中和膜上的糖蛋白常常是N-糖苷连接
N-连接寡糖的合成：
N-连接寡糖是在内质网上以长萜醇(dolichol)作为糖链载体，先合成含14糖基的寡糖链，然后转移至肽链的糖基化位点上，进一步在内质网和高尔基体进行加工而成。
每一步加工都由特异的糖基转移酶或糖苷酶催化完成，糖基必须活化为UDP或UDP的衍生物。
免疫球蛋白G属N-连接糖蛋白。
生物功能如下：
I g分子具有结合抗原和刺激抗体生成的双重功能。
首先，
它能与抗原结合，产生多种生物效应，包括:①与病原微
生物或它分泌的毒素结合，产生抗感染免疫;②活化体液
的一类正常组分，即补体分子，起到杀伤病原体或靶细
胞的作用;③加强吞噬细胞等免疫细胞的吞噬或杀伤效
应;④与组织中的肥大细胞或嗜碱性粒细胞结合，产生过
敏反应;⑤封闭移植的脏器，增强对它的保护，减缓排
斥;⑥封闭肿瘤细胞，降低免疫保护。
免疫球蛋白还能穿
过胎盘输送给胎儿。
此外，由于Ig分子由糖蛋白组成，
所以除了上述抗体活性，还有抗原性，可活化自身免疫
细胞，使之产生针对抗体的抗体──抗独特型抗体(Id抗
体)，从而形成自身调节的功能。
各类免疫球蛋白的特性五类Ig在理化及生物学特性上各有不同。
IgG。
IgG是生物体液内主要的Ig，约占血液中Ig总量的70~75%。
由于IgG能通过胎盘，所以新生儿从母体获得的IgG 在抵抗感染方面起重要作用。
婴儿出生后2~4周开始合成IgG，8岁以后血清中IgG可达到成人水平。
由于IgG较其他类Ig更易扩散到血管外的间隙内，因而在结合补体、增强免疫细胞吞噬病原微生物和中和细菌毒素的能力方面，具有重要作用，能有效地抗感染，这是对人体有利的一面。
但某些自身免疫病，如自身免疫性溶血性贫血、血小板减少性紫癜、红斑狼疮以及类风湿等中的自身抗体都是IgG。
一旦它与相应的自身细胞结合，反而加强了组织损伤作用。
卵清蛋白属N-连接糖蛋白。
生物功能如下：
系卵清中蛋白质的主要成分。
卵清蛋白就是动物卵中的贮藏蛋白,是给发育
中的胚胎提供氨基酸的.植物种子中也有许多
贮藏蛋白,是种子萌发的养料来源,也是食物中
重要的蛋白质来源
含有微量的磷。
系卵清中蛋白质的主要成分，
约占65%。
鸡的卵清蛋白分子量约4万5千，
氨基末端是甘氨酸，但其氨基被乙酞化。
羧基
末端为脯氨酸，等电点pH约 4.7(离子强度
=0.01)。
容易结晶，但根据电泳实验已知是含
有2个磷酸基(与丝氨酸作酯键结合)和1个磷酸基的两种分子的混合物。
不论哪一种分子，在其天冬酰胺残基的位置上均与一个由3个N-乙酰葡糖胺、5个甘露糖残基组成的寡糖，形成N-糖苷键。
用枯草杆菌蛋白酶作用时，从羧基末端断离出寡肽后，转变成结晶性的衍生蛋白质-片
清蛋白(plakalbumin)。
在生物制品行业，通常被用来与小分子半抗原偶联，合成完全抗原，用于免疫动物或者包被酶标板
二. O-连接糖蛋白
定义：糖蛋白糖链与蛋白部分的Ser、Thr或hydroxylysine的羟基相连，称为O-连接糖蛋白。
连接点的结构：GalNAcα-O-Ser／Thr
多数糖蛋白是膜结合蛋白(在膜结合多聚核糖核蛋白体合成)故O-连接多肽和其他糖蛋白是由m-RNA编码的。
O-糖苷型寡糖链糖基由核苷酸糖提供，在糖基转移酶催化下逐步添加的。
每一特异糖苷键的合成均需相应特异的糖基转移酶的作用,催化糖链内部糖基的酶位于内质网，第一个糖基添加发生在蛋白质翻译过程中,末端糖基位于Golgi器。
合成特点有
（1）系列膜结合糖苷转移酶参与，糖基逐一添加方式进行的；
（2）一糖基转移酶特异的催化形成一特殊糖苷键；
（3）数酶位于Golgi器的不同部位；
（4）糖基化反应由相应的核苷酸糖参与；
（5）反应过程没有寡糖焦磷酸长醇参与,不包含糖苷酶作用，
（6）O-糖基化发生在一定的Ser或Thr残基，是伴翻译过程。
黏蛋白属O-连接糖蛋白，生物功能如下：
1 分子量巨大多肽链含1万个氨基酸残基，8个编码基因，有成串的重复序列，其中含Ser及Thr。
可以是膜结合或分泌型的分子形成以二硫键连接的寡聚体
2 高度粘稠--多种润滑功能所必需
3 通过二硫键可形成分支结构，水化后形成胶状
4 抗菌性能-黏蛋白及末端结构对细菌有特异的亲和力
5 膜型细胞表面黏蛋白还具有调节细胞间粘附作用
运铁蛋白属O-连接糖蛋白，生物功能如下：
运铁蛋白为血清中结合并转运铁的β-球蛋白。
运铁蛋白主要在肝脏合成，它的减少可作为一项判断肝病预后的指标。
其受体上Asn251糖基化位点经基因突变去除后，不能形成正常的二聚体，影响其转运功能。
通过血清运铁蛋白的测定，也可反应缺铁性贫血等多种疾病。
在健康的情况下，运铁蛋白饱和度在33%左右，但若是因为重金属中毒导致全部的结合位都被离子占据，就会发生100%饱和的情形。
在一般缺铁性贫血的情形下，血清铁浓度低，运铁蛋白高，因此运铁蛋白饱和度会非常低。
三．蛋白聚糖的生物合成
包括肽链的合成及糖链的合成。
核心蛋白质肽链的合成是蛋白聚糖合成的限速步骤，在粗面内质网进行，其过程与一般蛋白质相同。
肽链的糖基化在内质网起始，在戈尔吉氏体完成。
氨基聚糖糖链的合成过程与糖蛋白者类似。
亦由一系列糖基转移酶催化逐个将活化单糖的糖基转移到肽链及未完成的糖链，使之不断延长。
糖基的硫酸化是在糖链的延长过程中进行的。
由硫酸基转移酶催化，从磷酸腺苷磷酸硫酸转移硫酸基到糖基，糖链中的艾杜糖醛酸是由葡萄糖醛酸基在差向异构酶催化下发生旋光异构化形成的。
蛋白聚糖的功能：构成细胞外基质，在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白以特殊方式连接，构成基质的特殊结构。
这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等
有关。
作为信息分子作用，特异的聚糖结构被细胞用来编码若干重要信息，诸如糖蛋白的胞内定向转运、细胞与细胞的相互作用、组织与器官发育以及细胞外信号转导等。
肝素属于蛋白聚糖，生物功能如下：
1、抗凝血：
（1）增强抗凝血酶3与凝血酶的亲和力，加速凝血酶的失活；（2）抑制血小板的粘附聚集；（3）增强蛋白c的活性，刺激血管内皮细胞释放抗凝物质和纤溶物质。
2、抑制血小板，增加血管壁的通透性，并可调控血管新生。
3、具有调血脂的作用。
4、可作用于补体系统的多个环节，以抑制系统过度激活。
与此相关，肝素还具有抗炎、抗过敏的作用。