2018臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師《生物化學(xué)》復(fù)習(xí)講義：第一章第二節(jié)

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臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師《生物化學(xué)》第一章：

第二節(jié) 單 糖

一、單糖的結(jié)構(gòu)

(一)單糖的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

單糖的種類(lèi)雖多，但其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都有很多相似之處，因此我們以葡萄糖為例來(lái)闡述單糖的結(jié)構(gòu)。

葡萄糖的分子式為C6H12O6，具有一個(gè)醛基和5個(gè)羥基，我們用費(fèi)歇爾投影式表示它的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu):

以上結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化:

(二)葡萄糖的構(gòu)型

葡萄糖分子中含有4個(gè)手性碳原子，根據(jù)規(guī)定，單糖的D、L構(gòu)型由碳鏈最下端手性碳的構(gòu)型決定。人體中的糖絕大多數(shù)是D-糖。

(三)葡萄糖的環(huán)式結(jié)構(gòu)

葡萄糖在水溶液中，只要極小部分(<1%)以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存在，大部分以穩(wěn)定的環(huán)式結(jié)構(gòu)存在。環(huán)式結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槠咸烟堑哪承┬再|(zhì)不能用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來(lái)解釋。如:葡萄糖不能發(fā)生醛的NaHSO3加成反應(yīng);葡萄糖不能和醛一樣與兩分子醇形成縮醛，只能與一分子醇反應(yīng);葡萄糖溶液有變旋現(xiàn)象，當(dāng)新制的葡萄糖溶解于水時(shí)，最初的比旋是+112度，放置后變?yōu)?52.7度，并不再改變。溶液蒸干后，仍得到+112度的葡萄糖。把葡萄糖濃溶液在110度結(jié)晶，得到比旋為+19度的另一種葡萄糖。這兩種葡萄糖溶液放置一定時(shí)間后，比旋都變?yōu)?52.7度。我們把+112度的叫做α-D(+)-葡萄糖，+19度的叫做β-D(+)-葡萄糖。

這些現(xiàn)象都是由葡萄糖的環(huán)式結(jié)構(gòu)引起的。葡萄糖分子中的醛基可以和C5上的羥基縮合形成六元環(huán)的半縮醛。這樣原來(lái)羰基的C1就變成不對(duì)稱(chēng)碳原子，并形成一對(duì)非對(duì)映旋光異構(gòu)體。一般規(guī)定半縮醛碳原子上的羥基(稱(chēng)為半縮醛羥基)與決定單糖構(gòu)型的碳原子(C5)上的羥基在同一側(cè)的稱(chēng)為α-葡萄糖，不在同一側(cè)的稱(chēng)為β-葡萄糖。半縮醛羥基比其它羥基活潑，糖的還原性一般指半縮醛羥基。

葡萄糖的醛基除了可以與C5上的羥基縮合形成六元環(huán)外，還可與C4上的羥基縮合形成五元環(huán)。五元環(huán)化合物不甚穩(wěn)定，天然糖多以六元環(huán)的形式存在。五元環(huán)化合物可以看成是呋喃的衍生物，叫呋喃糖;六元環(huán)化合物可以看成是吡喃的衍生物，叫吡喃糖。因此，葡萄糖的全名應(yīng)為α-D(+)-或β-D(+)-吡喃葡萄糖。

α-和β-糖互為端基異構(gòu)體，也叫異頭物。D-葡萄糖在水介質(zhì)中達(dá)到平衡時(shí)，β-異構(gòu)體占63.6%，α-異構(gòu)體占36.4%，以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存在者極少。

為了更好地表示糖的環(huán)式結(jié)構(gòu)，哈瓦斯(Haworth,1926)設(shè)計(jì)了單糖的透視結(jié)構(gòu)式。規(guī)定：碳原子按順時(shí)針?lè)较蚓幪?hào)，氧位于環(huán)的后方;環(huán)平面與紙面垂直，粗線部分在前，細(xì)線在后;將費(fèi)歇爾式中左右取向的原子或集團(tuán)改為上下取向，原來(lái)在左邊的寫(xiě)在上方，右邊的在下方;D-型糖的末端羥甲基在環(huán)上方，L-型糖在下方;半縮醛羥基與末端羥甲基同側(cè)的為β-異構(gòu)體，異側(cè)的為α-異構(gòu)體.

(四)葡萄糖的構(gòu)象

葡萄糖六元環(huán)上的碳原子不在一個(gè)平面上，因此有船式和椅式兩種構(gòu)象。椅式構(gòu)象比船式穩(wěn)定，椅式構(gòu)象中β-羥基為平鍵，比α-構(gòu)象穩(wěn)定，所以吡喃葡萄糖主要以β-型椅式構(gòu)象C1存在。

二、單糖的分類(lèi)

單糖根據(jù)碳原子數(shù)分為丙糖至庚糖，根據(jù)結(jié)構(gòu)分為醛糖和酮糖。最簡(jiǎn)單的糖是丙糖，甘油醛是丙醛糖，二羥丙酮是丙酮糖。二羥丙酮是唯一一個(gè)沒(méi)有手性碳原子的糖。醛糖和酮糖還可分為D-型和L-型兩類(lèi)。

三、單糖的理化性質(zhì)

(一)物理性質(zhì)

1.旋光性 除二羥丙酮外，所有的糖都有旋光性。旋光性是鑒定糖的重要指標(biāo)。一般用比旋光度(或稱(chēng)旋光率)來(lái)衡量物質(zhì)的旋光性。公式為

[α]tD=αtD*100/(L*C)

式中[α]tD是比旋光度，αtD是在鈉光燈(D線，λ：589.6nm與589.0nm)為光源，溫度為t，旋光管長(zhǎng)度為L(zhǎng)(dm),濃度為C(g/100ml)時(shí)所測(cè)得的旋光度。在比旋光度數(shù)值前面加“+”號(hào)表示右旋，加“-”表示左旋。

2.甜度 各種糖的甜度不同，常以蔗糖的甜度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，將它的甜度定為100。果糖為173.3，葡萄糖74.3，乳糖為16。

3.溶解度 單糖分子中有多個(gè)羥基，增加了它的水溶性，尤其在熱水中溶解度極大。但不溶于乙醚、丙酮等有機(jī)溶劑。

(二)化學(xué)性質(zhì)

單糖是多羥基醛或酮，因此具有醇羥基和羰基的性質(zhì)，如具有醇羥基的成酯、成醚、成縮醛等反應(yīng)和羰基的一些加成反應(yīng)，又具有由于他們互相影響而產(chǎn)生的一些特殊反應(yīng)。

單糖的主要化學(xué)性質(zhì)如下：

1.與酸反應(yīng) 戊糖與強(qiáng)酸共熱，可脫水生成糠醛(呋喃醛)。己糖與強(qiáng)酸共熱分解成甲酸、二氧化碳、乙酰丙酸以及少量羥甲基糠醛?？啡┖土u甲基糠醛能與某些酚類(lèi)作用生成有色的縮合物。利用這一性質(zhì)可以鑒定糖。如α-萘酚與糠醛或羥甲基糠醛生成紫色。這一反應(yīng)用來(lái)鑒定糖的存在，叫莫利西試驗(yàn)。間苯二酚與鹽酸遇酮糖呈紅色，遇醛糖呈很淺的顏色，這一反應(yīng)可以鑒別醛糖與酮糖，稱(chēng)西利萬(wàn)諾夫試驗(yàn)。

2.酯化作用 單糖可以看作多元醇，可與酸作用生成酯。生物化學(xué)上較重要的糖酯是磷酸酯，他們是糖代謝的中間產(chǎn)物。

3.堿的作用 醇羥基可解離，是弱酸。單糖的解離常數(shù)在1013左右。在弱堿作用下，葡萄糖、果糖和甘露糖三者可通過(guò)烯醇式而相互轉(zhuǎn)化，稱(chēng)為烯醇化作用。在體內(nèi)酶的作用下也能進(jìn)行類(lèi)似的轉(zhuǎn)化。單糖在強(qiáng)堿溶液中很不穩(wěn)定，分解成各種不同的物質(zhì)。

4.形成糖苷(glycoside) 單糖的半縮醛羥基很容易與醇或酚的羥基反應(yīng)，失水而形成縮醛式衍生物，稱(chēng)糖苷。非糖部分叫配糖體，如配糖體也是單糖，就形成二糖，也叫雙糖。糖苷有α、β兩種形式。核糖和脫氧核糖與嘌呤或嘧啶堿形成的糖苷稱(chēng)核苷或脫氧核苷，在生物學(xué)上具有重要意義。α-與β-甲基葡萄糖苷是最簡(jiǎn)單的糖苷。天然存在的糖苷多為β-型。苷與糖的化學(xué)性質(zhì)完全不同。苷是縮醛，糖是半縮醛。半縮醛很容易變成醛式，因此糖可顯示醛的多種反應(yīng)。苷需水解后才能分解為糖和配糖體。所以苷比較穩(wěn)定，不與苯肼發(fā)生反應(yīng)，不易被氧化，也無(wú)變旋現(xiàn)象。糖苷對(duì)堿穩(wěn)定，遇酸易水解。

5.糖的氧化作用 單糖含有游離羥基，因此具有還原能力。某些弱氧化劑(如銅的氧化物的堿性溶液)與單糖作用時(shí)，單糖的羰基被氧化，而氧化銅被還原成氧化亞銅。測(cè)定氧化亞銅的生成量，即可測(cè)定溶液中的糖含量。實(shí)驗(yàn)室常用的費(fèi)林(Fehling)試劑就是氧化銅的堿性溶液。Benedict試劑是其改進(jìn)型，用檸檬酸作絡(luò)合劑，堿性弱，干擾少，靈敏度高。

除羰基外，單糖分子中的羥基也能被氧化。在不同的條件下，可產(chǎn)生不同的氧化產(chǎn)物。醛糖可用三種方式氧化成相同原子數(shù)的酸：(1)在弱氧化劑，如溴水作用下形成相應(yīng)的糖酸;(2)在較強(qiáng)的氧化劑，如硝酸作用下，除醛基被氧化外，伯醇基也被氧化成羧基，生成葡萄糖二酸;(3)有時(shí)只有伯醇基被氧化成羧基，形成糖醛酸。酮糖對(duì)溴的氧化作用無(wú)影響，因此可將酮糖與醛糖分開(kāi)。在強(qiáng)氧化劑作用下，酮糖將在羰基處斷裂，形成兩個(gè)酸。

6.還原作用 單糖有游離羰基，所以易被還原。在鈉汞齊及硼氫化鈉類(lèi)還原劑作用下，醛糖還原成糖醇，酮糖還原成兩個(gè)同分異構(gòu)的羥基醇。如葡萄糖還原后生成山梨醇。

7.糖?的生成 單糖具有自由羰基，能與3分子苯肼作用生成糖沙。反應(yīng)步驟：首先一分子葡萄糖與一分子苯肼縮合生成苯腙，然后葡萄糖苯腙再被一分子苯肼氧化成葡萄糖酮苯腙，最后再與另一個(gè)苯肼分子縮合，生成葡萄糖沙。糖沙是黃色結(jié)晶，難溶于水。各種糖生成的糖沙形狀與熔點(diǎn)都不同，因此常用糖沙的生成來(lái)鑒定各種不同的糖。

8.糖的鑒別(重要)

(1) 鑒別糖與非糖：Molisch試劑，α-萘酚，生成紫紅色。丙酮、甲酸、乳酸等干擾該反應(yīng)。該反應(yīng)很靈敏，濾紙屑也會(huì)造成假陽(yáng)性。

蒽酮(10-酮-9，10-二氫蒽)反應(yīng)生成藍(lán)綠色，在620nm有吸收，常用于測(cè)總糖，色氨酸使反應(yīng)不穩(wěn)定。

(2)鑒別酮糖與醛糖：用Seliwanoff 試劑(間苯二酚)，酮糖在20-30秒內(nèi)生成鮮紅色，醛糖反應(yīng)慢，顏色淺，增加濃度或長(zhǎng)時(shí)間煮沸才有較弱的紅色。但蔗糖容易水解，產(chǎn)生顏色。

(3)鑒定戊糖：Bial 反應(yīng)，用甲基間苯二酚(地衣酚)與鐵生成深藍(lán)色沉淀(或鮮綠色，670nm)，可溶于正丁醇。己糖生成灰綠或棕色沉淀，不溶。

(4)單糖鑒定：Barford 反應(yīng)，微酸條件下與銅反應(yīng)，單糖還原快，在3分鐘內(nèi)顯色，而寡糖要在20分鐘以上。樣品水解、濃度過(guò)大都會(huì)造成干擾，NaCl也有干擾。

四、重要單糖

(一)丙糖

重要的丙糖有D-甘油醛和二羥丙酮，它們的磷酸酯是糖代謝的重要中間產(chǎn)物。

(二)丁糖

自然界常見(jiàn)的丁糖有D-赤蘚糖和D-赤蘚酮糖。它們的磷酸酯也是糖代謝的中間產(chǎn)物。

(三)戊糖

自然界存在的戊醛糖主要有D-核糖、D-2-脫氧核糖、D-木糖和L-阿拉伯糖。它們大多以多聚戊糖或以糖苷的形式存在。戊酮糖有D-核酮糖和D-木酮糖，均是糖代謝的中間產(chǎn)物。

1.D-核糖(ribose) D-核糖是所有活細(xì)胞的普遍成分之一，它是核糖核酸的重要組成成分。在核苷酸中，核糖以其醛基與嘌呤或嘧啶的氮原子結(jié)合，而其2、3、5位的羥基可與磷酸連接。核糖在衍生物中總以呋喃糖形式出現(xiàn)。它的衍生物核醇是某些維生素(B2)和輔酶的組成成分。D-核糖的比旋是-23.7°。

細(xì)胞核中還有D-2-脫氧核糖，它是DNA的組分之一。它和核糖一樣，以醛基與含氮堿基結(jié)合，但因2位脫氧，只能以3，5位的羥基與磷酸結(jié)合。D-2-脫氧核糖的比旋是-60°。

2.L-阿拉伯糖 阿拉伯糖在高等植物體內(nèi)以結(jié)合狀態(tài)存在。它一般結(jié)合成半纖維素、樹(shù)膠及阿拉伯樹(shù)膠等。最初是在植物產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的。熔點(diǎn)160℃,比旋+104.5°。酵母不能使其發(fā)酵。

3.木糖 木糖在植物中分布很廣，以結(jié)合狀態(tài)的木聚糖存在于半纖維素中。木材中的木聚糖達(dá)30%以上。陸生植物很少有純的木聚糖，常含有少量其他的糖。動(dòng)物組織中也發(fā)現(xiàn)了木糖的成分。熔點(diǎn)143℃,比旋+18.8°。酵母不能使其發(fā)酵。

(四)己糖

重要的己醛糖有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖，重要的己酮糖有D-果糖、D-山梨糖。

1.葡萄糖(glucose,Glc) 葡萄糖是生物界分布最廣泛最豐富的單糖，多以D-型存在。它是人體內(nèi)最主要的單糖，是糖代謝的中心物質(zhì)。在綠色植物的種子、果實(shí)及蜂蜜中有游離的葡萄糖，蔗糖由D-葡萄糖與D-果糖結(jié)合而成，糖原、淀粉和纖維素等多糖也是由葡萄糖聚合而成的。在許多雜聚糖中也含有葡萄糖。

D-葡萄糖的比旋光度為+52.5度，呈片狀結(jié)晶。酵母可使其發(fā)酵。

2.果糖(fructose,Fru) 植物的蜜腺、水果及蜂蜜中存在大量果糖。它是單糖中最甜的糖類(lèi)，比旋光度為-92.4度，呈針狀結(jié)晶。42%果葡糖漿的甜度與蔗糖相同(40℃)，在5℃時(shí)甜度為143，適于制作冷飲。食用果糖后血糖不易升高，且有滋潤(rùn)肌膚作用。游離的果糖為β-吡喃果糖，結(jié)合狀態(tài)呈β-呋喃果糖。酵母可使其發(fā)酵。

3.甘露糖(Man) 是植物粘質(zhì)與半纖維素的組成成分。比旋+14.2度。酵母可使其發(fā)酵。

4.半乳糖(Gal) 半乳糖僅以結(jié)合狀態(tài)存在。乳糖、蜜二糖、棉籽糖、瓊脂、樹(shù)膠、粘質(zhì)和半纖維素等都含有半乳糖。它的D-型和L-型都存在于植物產(chǎn)品中，如瓊脂中同時(shí)含有D-型和L-型半乳糖。D-半乳糖熔點(diǎn)167℃，比旋+80.2度?？杀蝗樘墙湍赴l(fā)酵。

5.山梨糖 酮糖，存在于細(xì)菌發(fā)酵過(guò)的山梨汁中。是合成維生素C的中間產(chǎn)物，在制造維生素C工藝中占有重要地位。又稱(chēng)清涼茶糖。其還原產(chǎn)物是山梨糖醇，存在于桃李等果實(shí)中。熔點(diǎn)159-160℃，比旋-43.4度。

(五)庚糖

庚糖在自然界中分布較少，主要存在于高等植物中。最重要的有D-景天庚酮糖和D-甘露庚酮糖。前者存在于景天科及其他肉質(zhì)植物的葉子中，以游離狀態(tài)存在。它是光合作用的中間產(chǎn)物，呈磷酸酯態(tài)，在碳循環(huán)中占重要地位。后者存在于樟梨果實(shí)中，也以游離狀態(tài)存在。

(六)單糖的重要衍生物

1.糖醇 糖的羰基被還原(加氫)生成相應(yīng)的糖醇，如葡萄糖加氫生成山梨醇。糖醇溶于水及乙醇，較穩(wěn)定，有甜味，不能還原費(fèi)林試劑。常見(jiàn)的有甘露醇和山梨醇。甘露醇廣泛分布于各種植物組織中，熔點(diǎn)106℃，比旋-0.21度。海帶中占干重的5.2-20.5%，是制取甘露醇的原料。山梨醇在植物中分布也很廣，熔點(diǎn)97.5℃，比旋-1.98度。山梨醇積存在眼球晶狀體內(nèi)引起白內(nèi)障。山梨醇氧化時(shí)可形成葡萄糖、果糖或山梨糖。

糖的羥基被還原(脫氧)生成脫氧糖。除脫氧核糖外還有兩種脫氧糖：L-鼠李糖和6-脫氧-L-甘露糖(巖藻糖)，他們是細(xì)胞壁的成分。

2.糖醛酸 單糖具有還原性，可被氧化。糖的醛基被氧化成羧基時(shí)生成糖酸;糖的末端羥甲基被氧化成羧基時(shí)生成糖醛酸。重要的有D-葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等。葡萄糖醛酸是肝臟內(nèi)的一種解毒劑，半乳糖醛酸存在于果膠中。

3.氨基糖 單糖的羥基(一般為C2)可以被氨基取代，形成糖胺或稱(chēng)氨基糖。自然界中存在的氨基糖都是氨基己糖。D-葡萄糖胺是甲殼質(zhì)(幾丁質(zhì))的主要成分。甲殼質(zhì)是組成昆蟲(chóng)及甲殼類(lèi)結(jié)構(gòu)的多糖。D-半乳糖胺是軟骨類(lèi)動(dòng)物的主要多糖成分。糖胺是堿性糖。糖胺氨基上的氫原子被乙酰基取代時(shí)，生成乙酰氨基糖。

4.糖苷 主要存在于植物的種子、葉子及皮內(nèi)。在天然糖苷中的糖苷基有醇類(lèi)、醛類(lèi)、酚類(lèi)、固醇和嘌呤等。它大多極毒，但微量糖苷可作藥物。重要糖苷有：能引起溶血的皂角苷，有強(qiáng)心劑作用的毛地黃苷，以及能引起葡萄糖隨尿排出的根皮苷?？嘈尤受找彩且环N毒性物質(zhì)。配糖體一般對(duì)植物有毒，形成糖苷后則無(wú)毒。這是植物的解毒方法，也可保護(hù)植物不受外來(lái)傷害。

5.糖酯 單糖羥基還可與酸作用生成酯。糖的磷酸酯是糖在代謝中的活化形式。糖的硫酸酯存在于糖胺聚糖中。