1、第二章 糖和苷类化合物,一、 概述,糖 又称作碳水化合物(carbohydrates) ，和核酸、蛋白质、脂质一起称为生命活动所必需的四大物质。 从化学结构上看是多羟基醛（酮）及其缩聚物。,2.1 糖和苷的分类,糖的分类 按照其聚合程度可分为 单糖、低聚糖（寡糖）和多聚糖1 单糖 ：不能再水解成更简单结构单元的多羟基醛或酮 醛糖和酮糖 四碳糖、五碳糖、六碳糖等,单糖结构表示方法: Fischer投影式、Haworth投影式和优势构象式Fischer投影式(左侧基团)- Haworth投影式(面上基团)Fischer与Haworth的转换及其相对构型,单糖成环后形成一个新的不对称碳原子称为端基碳
2、糖的绝对构型（D、L）- 以-OH甘油醛为标准,1 五碳呋喃糖 六碳吡喃糖 甲基五碳吡喃糖-D-糖 -D-糖 -L-糖 -L-糖,2 五碳吡喃糖:与1相反,环的构象 呋喃糖五元环接近在同一平面上 呋喃糖六元环有船式和椅式构象，在溶液或固体状态是都是椅式构象，不是C1便是1C,以C2、C3、C5、O四个原子构成的平面为准，C4处面上，C1处面下的标为4C1，简称C1，反之1C4简称1C,常见单糖 P64 (一)五碳醛糖: L-阿拉伯糖等 (二)六碳醛糖: D-葡萄糖等 (三)六碳酮糖: D-果糖等 (四)甲基五碳醛糖: L-鼠李糖等 (五)支碳链糖: D-芹糖等 (六)氨基糖:神经氨酸等 (七)
3、去氧糖: 夹竹桃糖等 (八)糖醛酸: D-葡萄糖醛酸等 (九)糖醇: D-山梨醇等 (十)伪糖: 栗子豆碱等 （十一）糖的磷酸酯：,二、低聚糖(oligosaccharides，寡糖)： 由29个单糖通过苷键键合而成的直链或支链的聚糖称低聚糖。分类：按单糖个数分为 二糖、三糖等；常见低聚糖：龙胆二糖、芸香糖、海藻糖等还原糖与非还原糖 单糖之间都以半缩醛或半缩酮羟基脱水缩和形成聚糖,则没有还原性,称非还原糖,如海藻糖和蔗糖,三、多聚糖 由10个分子以上单糖聚合而成的高分子化合物。 多糖分子量较大，已失去一般单糖的性质，一般无甜味，也无还原性。由一种单糖组成的多糖为均多糖（homosacchari
4、des）由二种以上单糖组成的为杂多糖（heterosaccharides）。 植物多糖、动物多糖常见多糖：淀粉、菊糖、树胶、果胶、粘液质、纤维素、 甲壳素、肝素和硫酸软骨素等典型代表：淀粉（葡萄糖的聚合体） 菊糖（果糖聚合体） 树胶、果胶、粘液质：酸性多糖，多结合成盐,苷的分类 苷又称配糖体(glycoside)，是由糖或糖的衍生物等通过其端基碳原子与另一非糖物质联接而成的化合物。 糖 + 苷元 苷键原子 苷,苷类 (glycoside) (又称配糖体) 苷类化合物的组成： 苷元(配基)：非糖的物质，常见的有黄酮，蒽醌，三萜等。 苷类 苷键：将二者连接起来的化学键，可通过O,N,S等原子 或直
5、接通过C- C键相连。 糖(或其衍生物，如氨基糖，糖醛酸等) 苷类化合物的命名： 以 -in 或 oside 作后缀。,苷类化合物的分类： 根据生物体内的存在形式：分为原生苷、次生苷。 根据连接单糖基的个数：单糖苷、二糖苷、三糖苷。 根据苷元连接糖基的位置数：单糖链苷、二糖链苷。 根据苷键原子的不同：氧苷、硫苷、氮苷、碳苷。,三、糖和苷的分类,一 氧苷： 苷元与糖基通过氧原子相连，根据苷元与糖缩合的基团的性质不同，分为以下几类：（1） 醇苷：是通过醇羟基与糖端基脱水而成的苷。 如毛茛苷（如下）、红景天苷（P73）,三、糖和苷的分类,（2） 酚苷：苷元的酚羟基与糖端基脱水而成的苷。较常见，如天麻
6、苷（P74） 。黄酮苷、蒽醌苷多属此类。,（3） 酯苷：苷元以-COOH和糖的端基碳相连接的是酯苷。如山慈菇苷A、B（4） 氰苷：是指一类羟腈的苷，如苦杏仁苷,(5) 吲哚苷： 指吲哚醇和糖形成的苷 在豆科和蓼科中有分布，苷元无色，但易氧化是暗蓝色的靛蓝，具有反式结构，中药青黛就是粗制靛蓝，民间用以外涂治疗腮腺炎，有抗病毒作用。,三、糖和苷的分类,二 硫苷： 是糖的端基OH与苷元上巯基缩合而成的苷。 如萝卜中的萝卜苷（如下）、芥子苷 （P75）。,三、糖和苷的分类,三 氮苷： 糖的端基碳与苷元上氮原子相连的苷称氮苷，是生物化学领域中的重要物质。如腺苷 （P75） 。四 碳苷： 是一类糖基和苷元
7、直接以C原子相连的苷。如牡荆素。组成碳苷的苷元多为酚性化合物，如黄酮、查耳酮、色酮、蒽醌和没食子酸等。尤其以黄酮碳苷最为常见。 碳苷常与氧苷共存。 （P75） 碳苷类具有水溶性小、难水解的共同特性。,二、苷的分类,三、糖和苷的分类,(一) 物理性质,(二) 化学性质,2.2 糖和苷的理化性质,糖和苷的理化性质,糖的物理性质单糖：白色晶体；易溶于水，常可形成糖浆，难溶于有机 溶剂；味甜； 均有旋光性和变旋现象（丙酮糖除外）低聚糖：结晶或粉末；水溶性随分子聚合度增加而降低；多糖：多为无定形粉末；无甜味；多不具还原性；多有旋 光性但无变旋作用；水溶性差，难溶于有机溶剂,样品 + 浓H2SO4 + -
8、萘酚 有色环 多糖、低聚糖、单糖、苷类，与Molish反应均为（+）。 避免假阴性和假阳性现象（氨基糖；甲酸、乳酸等）注:色谱法显色剂 - 邻苯二甲酸和苯胺,糖的化学性质1 糠醛形成反应：Molish反应 P76,Selivanoff反应：鉴别酮糖和醛糖 试剂：浓硫酸、间苯二酚等多元酚 现象：反应要求浓度和速度不同 可认为酮糖为阳性（反应快，红色）,2 氧化反应 P77-醛糖与酮糖可于碱性下互变 单糖的分子有醛（酮）、伯醇、仲醇和邻二醇等结构，氧化条件不同其产物也不同，如：,鉴别还原糖反应： Tollen反应、Fehling、Benedict反应过碘酸反应主要作用于：邻二醇、-氨基醇、-羟基醛
9、（酮）、邻二酮 和某些活性次甲基等结构。,反应特点 反应定量进行（试剂与反应物基本是1：1）； 在水溶液中进行或有水溶液（否则不反应）； 反应速度：顺式 反式（中性或酸性条件下）； 游离单糖，产物及消耗过碘酸用Fischer式计算； 成苷时糖，产物及消耗过碘酸用Haworth式计算；,酸性或中性条件下，在异边而无扭转余地的邻二醇不起反应，如：,3 羟基反应（自学） 1）活泼性：端基碳原子 伯碳 仲碳 （即C1-OH、C6-OH、C2C3C4-OH） 2）硼酸络合反应：邻二羟基在同一平面,一 性状： 形：苷类化合物多数是固体，其中糖基少的可以成结晶，糖基多的如皂苷，则多呈具有吸湿性的无定无形粉末
10、。 味：多无味；苦（人参皂苷）、甜（甜菊苷）等。 色：苷类化合物的颜色是由苷元的性质决定的。糖部分没有颜色 。二 旋光性： 多数苷类化合物呈左旋，但水解后，由于生成的糖常是右旋的，因而使混合物呈右旋。,苷的理化性质 (一) 物理性质,苷亲水性（其大小与连接糖的数目、位置有关）。苷元为亲脂性。苷的化学性质：由苷元和糖共同确定,三 溶解性：,分类: 全裂解和部分裂解 均相水解和双相水解方法:酸水解、碱水解、醇解、乙酰解、酶水解、高碘酸裂解等部分裂解试剂及方法: 试剂:8-10%甲酸 40-50%醋酸 方法:缓和酸水解 酶解 乙酰解 甲醇解,2.3 苷键的裂解,2.3.1 酸催化水解： 苷键属于缩醛
11、结构，易为稀酸催化水解。 反应一般在水或稀醇溶液中进行。 常用的酸有HCl, H2SO4, 乙酸和甲酸等。,反应的机理是： 苷原子先质子化，然后断裂生成苷元和阳碳离子或半椅式的中间体，在水中溶剂化而成糖。以氧苷为例，其机理为：,质子化 脱苷元 互变 溶剂化 脱质子,由上述机理可以看出，影响水解难易程度的关键因素在于苷键原子的质子化是否容易进行，有利于苷原子质子化的因素，就可使水解容易进行。主要包括两个方面的因素： (1) 苷原子上的电子云密度 (2) 苷原子的空间环境,具体到化合物的结构，则有以下规律：(1)按苷键原子的不同，酸水解易难程度为： N-苷 O-苷 S-苷 C-苷 原因：N最易接受
12、质子，而C上无未共享电子对，不能质子化。(2)呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解，水解速率大50 100倍。 原因：呋喃环平面性，各键重叠，张力大。(3)酮糖较醛糖易水解。 原因：酮糖多呋喃环结构，且端基上接大基团-CH2OH 。(4)吡喃糖苷中，吡喃环C5上的取代基越大越难水解, 故有： 五碳糖甲基五碳糖六碳糖七碳糖5位接-COOH的糖 原因：吡喃环C5上的取代基对质子进攻有立体阻碍。,(5) 2、6-去氧糖 2-去氧糖 6-去氧糖2-羟基糖2-氨基糖 原因：羟基及氨基与苷原子对质子的竞争性吸引,(6) 蒽醌、香豆素等酚苷较萜类、甾体等脂肪族苷易水解。,（7） N-苷易接受质子，但当N处于酰胺或嘧啶位
13、置时，N-苷 也难于用矿酸水解。 原因：吸电子共轭效应，减小了N上的电子云密度。 例：P79 朱砂莲苷 酰胺 注意：对酸不稳定的苷元，为了防止水解引起皂元结构的改变，可用两相水解反应。（例 仙客来皂苷的水解 P80 ）,苷键的裂解,2.3.2 乙酰解反应1常用试剂：醋酐 + 酸 所用酸如：H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸（ZnCl2、 BF3）等。2反应条件：一般是在室温放置数天。3反应机理： 与酸催化水解相似，以CH3CO+（即 乙酰基，Ac）为进攻基团。,4反应速率： 苷键邻位有可酰化的基团（如环氧基）可使反应变慢。 双糖乙酰解的反应速率：（乙酰解易难程度） （16）（
14、14）（13）（12）5用途 酰化可以保护苷元上的-OH，使苷元增加亲脂性，可用于 提纯和鉴定。 乙酰解法可以开裂一部分苷键而保留另一部分苷键。注意：乙酰解反应易发生糖的端基异构化。,苷键的裂解,乙酰化反应的操作较为简单，条件较温和。一般可将苷类溶于醋酐或醋酐与冰醋酸的混合液中，加入3一5量的浓硫酸，在室温下放置110天，将反应液倒入冰水中并以碳酸氢钠中和至pH34，再用氯仿萃取其中的乙酰化糖，然后通过柱色谱分离，就可获得单一的成分，这些单一成分再用TLC或GC进行鉴定。,2.3.2 醇解反应糖或苷在酸的催化下与醇作用使分子中苷键全部或部分裂解作用：对全甲醚化的糖或苷进行甲醇解，来确定糖基之间
15、或 糖与苷元之间的连接位置- 醇解后，最末端糖将全甲基化,2.3.4 碱催化水解和-消除反应： 一般苷键对稀碱是稳定的，但某些特殊的苷如： 酯苷、酚苷、氰苷、烯醇苷和-吸电子基取代的苷易为碱所水解, 但有时得到的是脱水苷元。例如藏红花苦苷的水解： 原因：其中藏红花苦苷苷键的邻位碳原子上有受吸电子基 团活化的氢原子，当用碱水解时引起消除反应而生 成双烯结构。,苷键的-位有吸电子基团者（如羰基等），使-位氢活化，在碱液中与苷键起消除反应而开裂，称-消除反应。作用机理： 在13或14（较慢）连接的聚糖中，还原端的游离醛（或酮）邻位氢活化而与3-O-或4-O-苷键起消除反应。这样碱能使多糖还原端的单糖
16、逐个被剥落，对非还原端则无影响。剥落生成的是-羟基糖酸。见P86,2.3.5 酶催化水解酶水解的优点: 专属性高,条件温和. (P86). 用酶水解苷键可以获知苷键的构型，可以保持苷元的结构不变，还可以保留部分苷键得到次级苷或低聚糖，以便获知苷元和糖、糖和糖之间的连接方式。酶降解反应的效果取决于酶的纯度以及对酶的专一性的认识. 转化糖酶-水解-呋喃果糖苷键 麦芽糖酶-水解-葡萄糖苷键 杏仁苷酶-水解-葡萄糖苷键,专属性较低 纤维素酶-水解-葡萄糖苷键，分酸、中、碱性 目前使用的多为未提纯的混合酶。 PH值对酶水解反应有很大影响,五、高碘酸裂解反应,用过碘酸氧化1,2-二元醇的反应可以用于苷键的
17、水解,称为Smith裂解,是一种温和的水解方法.可得到原苷元。 （除酶解外，其它方法可能得到的是次级苷元） 试剂：高碘酸（HIO4）、四氢硼钠（NaBH4）、稀酸 应用:尤其适于裂解苷元不稳定的苷及碳苷,即氧化开裂法（Smith降解法）,反应过程：,反应实例：P87,C苷水解过程：,IO,H,BH,4,4,+,+,-,2.5.1 糖结构测定 1.NMR性质糖和苷类化合物NMR谱解析的难点： 1 信号分布范围窄； 2 偶合关系复杂。,2.5 糖和苷的结构测定,（1）糖的1HNMR特征,化学位移规律： 端基质子： 4.35.5ppm 甲基质子： 0.81.3ppm 其余质子信号： 3.24.2pp
18、m,偶合常数：与相互偶合的质子形成的两面角有关 两面角0或180度 J=6 8Hz； 两面角90度 J=0Hz； 两面角60度 J=2 4Hz,对于糖质子，可通过C1-H与C2-H的偶合常数，来判断六碳吡喃糖的苷键构型（、）： 葡萄糖、半乳糖- ，J=8Hz； ， J=4Hz,例如： - D-葡萄糖和-D-葡萄糖的混合物在氢谱上显示两个端基质子信号，不仅化学位移有差别，偶合常数差别也很明显。其中- D-葡萄糖的端基质子信号为4.6，J=8Hz。而- D-葡萄糖的端基质子信号为5.2，J=4Hz。,但是当2-H为平伏键的情况下，1-H无论处于平伏键还是直立键，与2-H的两面夹角均约60度，故不能
19、用该法判断苷键构型，如甘露糖、鼠李糖。,（2） 糖的13CNMR特征,糖上碳信号可分为几类，大致范围为： 1. CH3 18ppm 甲基五碳糖的C6 2. CH2OH 62ppm C5或C6 3. CHOH 6885ppm 糖氧环上的C2C4 4. -O-CH-O- 98100ppm 端基C1或C2, 在此范围内有几个信号可视为有几种糖存在于糖链的重复单位中。,苷化位移,糖苷化后，端基碳和苷元-C化学位移值均向低场移动，而邻碳稍向高场移动（偶而也有向低场移动的），对其余碳的影响不大，这种苷化前后的化学位移变化，称苷化位移。,（glycosidation shift）,端基碳、苷元碳向低场 苷元
20、-碳向高场位移,例：,2.糖结构的测定：P99 （1）聚糖分子量的测定：MS、凝胶测定等 （2）聚糖中单糖种类及分子比测定：水解、比色等 （3）单糖间连接位置测定： 全甲基化后水解，比较苷化位移 （4）单糖在糖链连接顺序测定： 缓和酸水解，MS法和NMR法 （5）聚糖中苷键构型确定：NMR等,2.4.1 糖类化合物的提取分离 提取主要为溶剂法水、稀醇（单糖、低聚糖、多糖） 糖类的提取可根据它们对乙醇和水的溶解度不同，而采用冷热水、冷热稀醇等条件。P89 蛋白质除去法：P90 Sewag法、酶解法、三氟三氯乙烷法、三氯乙酸法,2.4 糖及苷类的提取和分离,2 糖类化合物的分离,1分级沉淀法1）有
21、机溶剂沉淀法：根据极性差异2）季铵氢氧化物沉淀法：沉淀酸性多糖，与中性多糖分开3）金属离子沉淀法：铜盐、氢氧化钡（沉淀树胶类多糖）2. 色谱分离法1）活性炭柱色谱（多用来分离寡糖）2）凝胶柱色谱3）纤维素色谱4）离子交换柱色谱 3.膜分离法 4.生物分离法 5制备性区域电泳,1季铵盐沉淀法季铵盐及其氢氧化物是一类乳化剂,可与酸性糖形成不溶性沉淀。 当溶液PH值增高或加入硼砂缓冲液时可沉淀中性多糖 常用的季铵盐: CTAB CTA-OH CP-OH 浓度:1-10%(W/V),2分级沉淀或分级溶解法 水醇法 在糖的水溶液中，逐步加入乙醇，即逐渐增大EtOH浓度，可得到各部分的沉淀物。 注:反应在
22、中性条件下进行(酸性多糖在PH为24条件下),3离子交换柱色谱 阴离子交换纤维素适于分离酸性、中性多糖和粘多糖 吸附特点: 不适合用强酸强碱型离子交换树脂 多糖分子中酸性基团多者吸附性强 直链分子易吸附,且直链分子中分子量大者易吸附 PH为6时吸附酸性多糖,不能吸附中性多糖而实现分离 （中性多糖与硼酸络合后可增强吸附性）,4纤维素色谱 原理: 似分级沉淀法 溶剂系统：水、不同浓度的乙醇、丙酮、水饱和的 正丁醇等。,(1)常用商品名称及型号： 葡聚糖凝胶 琼脂糖凝胶 聚丙烯酰胺凝胶(2)常用洗脱剂: 各种浓度的盐溶液及缓冲液 (3)洗脱行为:大分子的先出柱注:先用孔隙小的凝胶除去小分子杂质 凝胶在酸性环境中能水解，在碱中稳定。,5凝胶柱色谱,6制备性区域电泳 原理:分子大小、形状及所负电荷不同的多糖在电 场的作用下迁移速率不同. 常用载体:玻璃粉 平衡剂:硼砂水溶液等电泳缓冲液,苷类分子的极性随着糖基的增多而增大。可根据其极性大小，来选择相适应的溶剂。 提取过程中要尽量勿与酸或碱接触，以免苷类水解，抑制酶的方法： 1 采集新鲜材料迅速加热干燥冷冻保存等。 2 加入无机盐或加甲醇、乙醇、沸水提取,苷类的提取和分离流程,流程图,
