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1、糖、聚糖、糖复合物 （研究生班）,第二军医大学 生物化学与分子生物学教研室 2003年9月10日,序 言 一、糖生物学（glycobiology）正在成为生命 科学的新前沿 二、糖基化作用（glycosylation）与糖化作用 （glycation）,（一）“糖生物学”概念的提出： 1988年 Dwek R. A（牛津大学教授）,Annu Rev Biochem 1988;57:785-838 Glycobiology. Rademacher TW, Parekh RB, Dwek RA. Department of Biochemistry, University of Oxford, E
2、ngland. Publication Types: Review Review, Academic,糖生物学是以糖链为“生物信息分子”的水平上 阐明多细胞生物的高层次生命现象的一门学科。,G. W. Hart（美国著名糖生物学家 ）： “生物化学中最后一个广袤前沿 糖生物 学的时代正在加速来临。” （1993年5月 在美国旧金山召开的首届国际糖生物学工程会议 “人类疾病的新前景” （1993年9月 美国NIH召开首届糖生物学会议） “糖生物学是生物化学和生物医学交叉点的 新前沿” （1994年 美国第二届糖生物工程会议）,（二）糖生物学研究中的一场革命 1990年11月，3个不同研究小组几乎
3、同时发现血管内皮细胞-白血球粘附分子（ELAM-1，后改称为E-选择素，E-selectin），这种分子能识别白血球表面唾液酸化四聚糖 sia-Lex（ Sia-Gal-Fuc-GlcNAc ）， 它是一种血型抗原。 这是首次真正在人体内确证了炎症过程有糖类和相关的糖结合蛋白参与。 更令人吃惊的是 ,在肺癌细胞和结肠癌细胞表面也发现同样的四糖（sia-Lex）。可能同样的机制导致肿瘤的转移。 继之，产生以该研究成果被产业化的热潮，“糖工程”（glycotechnology）也运应而生。 “糖工程” 研究的是糖生物学的方法论和基本技术，以及把基础研究获得的知识进一步转化为生产技术等。 1998年
4、在德国召开的国际糖生物学讨论会上又更改为糖生物工程（glycobiotechnology）。,（三）发达国家政府对糖生物学研究的支持： 英国：牛津大学 Raymond Dwek 教授曾在1988 年在“生化年鉴”上发表了题为 Glycobiology 的综 述，开创了“糖生物学”研究的新纪元。 1991年牛津大学创刊了 Glycobiology 专业杂志 1992年建立糖生物学研究所。 日本：1989年，创办“糖科学与糖工程动态”杂志，同年政府提出“糖工程基础与应用研究推进战略”，并实施“糖工程前沿计划” ，该计划包括：糖工程、糖分子生物学和糖细胞生物学，总投资达百亿日元。,美国：1986年，
5、政府资助佐治亚大学创建“复合糖类研究中心”（CCRC），并建立数据库和提出“糖库计划”。每二年召开一次“糖工程”会议，明确提出”生物化学中最后一个重大前沿，糖生物学的时代正在加速来临。 欧盟：1994-1998年间也提出了“欧洲糖类研究开发网络”计划，企图在该领域的基础研究与产业化开发上与美、日抗衡。,（四）重大突破和与现代医药学的密切关系 1、糖类作为信息分子在受精、发生、发育、分化， 神经系统和免疫系统衡态的维持等方面起重要 作用。 2、炎症和自身免疫疾病、衰老、癌细胞的异常增 殖与转换和病原体感染等生理和病理过程都有 糖类的介导。 21世纪生命科学的研究焦点是对多细胞生物的 高层次生命现
6、象的解释，因此糖类研究必将成为生 命科学的新前沿。,二、糖基化作用（glycosylation）与糖化作用（glycation） 糖基化作用是指单糖、寡糖或多糖链可由酶催化与蛋白质或脂类等非糖物质的特定部位共价结合形成糖复合物的过程。,糖化作用是由还原糖上的-CHO基与蛋白质 或核酸分子上的游离氨基间形成西夫氏碱，经过Amadori重排后生成早期糖化产物，再经过脱水和重排产生一些带有棕黄色荧光的晚期终末糖化产物（advanced glycated endproducts,AGE）的过程，所以也称非酶糖化反应或Millard反应。,参 考 书 Ajit Vark,et al : “Essenti
7、als of Glycobiology” 陈惠黎等：“糖复合物的结构和功能” 方福德等：“分子生物学前沿技术”,糖 的 化 学 （chemistry of carbohydrate) 一、单糖分子结构特点 （一）构型 D 型和 L 型： 定位编号最高的手性碳原子的构型与甘油醛比 较，或 D 型或 L型。,CHO HC*OH CH2OH,CHO HOC*H CH2OH,D-(+)-甘油醛,L-(-)-甘油醛,D-型和 L-型甘油醛的结构,CHO HCOH HOCH HC HO HC*OH CH2OH,CHO OHCH HCHO HC HO OHC*H CH3,D-葡萄糖 D-甘油醛 L-岩藻糖糖
8、 开 链 结 构,CHO HC*OH CH2OH,O,OH H,H OH,OH,HO,CH2OH,H,H,-D-葡萄糖,O,H OH,OH H,OH,HO,CH3,H,H,-L-岩藻糖,Haworth式结构,O,CH2OH,H,H,HO,OH,H,H,HO,HO,H,O,H,OH,H,OH,H,HO,H,HO,H,-D-葡萄糖,葡 萄 糖 椅 型 结 构,H,H,CH3,-L-岩藻糖,H OH C* HCOH HOCH O HCOH HC* CH2OH, -D-葡萄糖, -L-岩藻糖,D-型葡萄糖环状结构,H OH C* HOCH O HCOH HCOH C* CH3,-构型和 -构型： 环状
9、结构使C1位成为手性碳，C1位的半缩醛 羟基与C5位的羟基处同侧为-构型，反之则-构型。,H OH C* HCOH HOCH O HCOH HC* CH2OH, -D-葡萄糖,D-型葡萄糖环状结构,HO H C* HCOH HOCH O HCOH HC* CH2OH, -D-葡萄糖,O,OH H,H OH,OH,HO,CH2OH,H,H, -D-(+)-葡萄糖,O,OH H,H OH,OH,HO,H,H,H, -D-(+)-葡萄糖,D-型葡萄糖Haworth式结构,O,CH2OH,H,H,HO,OH,H,H,HO,HO,H,O,CH2OH,H,H,HO,OH,H,H,HO,HO,H,-D-葡萄
10、糖, -D-葡萄糖,葡 萄 糖 椅 型 结 构,H,CH2OH,O,OH H,H OH,H,HO,CH2OH,OH,H, -D -葡萄糖（Glc）,O,OH OH,H H,OH,HO,CH2OH,H,H, -D -甘露糖（Man）,O,OH H,H OH,H,H,CH2OH,OH,HO, -D -半乳糖（Gal）,葡 萄 糖 的 立 体 异 构 体,（二）立体异构体,（三）衍生糖,O,H OH,OH H,H,H,H,OH,HO,CH3,L-岩藻糖（Fuc）,O,OH H,H NH-CO-CH3,H,HO,CH2OH,OH,H,N-乙酰- -D-葡萄糖胺（GlcNAc）,O,OH H,H NH-
11、CO-CH3,H,H,CH2OH,OH,HO,N-乙酰- -D-半乳糖胺（GalNAc）,甲基糖类,氨 基 糖 类,H,H,H,H,H,O,OH H,H OH,H,HO,COOH,OH,H,O,OH H,H OH,H,HO,COOH,OH,H,H,H,葡萄糖醛酸,L-艾杜糖醛酸,糖 醛 酸 类,CHOH | CHOH | CH2OH,O,H,COOH,OH,OH,H,H,H,H,H3C-CO-NH,HO-H3C-CO-NH,CHOH | CHOH | CH2OH,O,H,COOH,OH,OH,H,H,H,H,N-乙酰-神经氨酸（NeuAc）,N-羟乙酰-神经氨酸（NeuGc）,唾 液 酸 类,
12、二、单糖间的连接 糖苷键 糖复合物的糖链，在其糖苷键的连接中，必有一个是半缩醛羟基，另一个醇羟基。按照半缩醛羟基是- 或 -，糖苷键可分为 -糖苷键或 -糖苷键，再标明其连接部位。 如：,O,OH H,H NH-CO-CH3,H,CH2OH,OH,H,N-乙酰- -D-葡萄糖胺（GlcNAc）,H,O,OH,H H,H,CH2,H, -D-甘露糖（Man）,H,1,4,2,3,5,6,1,4,2,3,6,5,O,O,OH OH,H H,H,HO,CH2OH,H,H,1,4,2,3,6,5, -D-甘露糖（Man）,O,还原端,非还原端,-1,4 糖苷键, -1,3 糖苷键,OH,O,OH OH
13、,H H,H,HO,CH2OH,H,H,1,4,2,3,6,5,O, -1,6 糖苷键, -D-甘露糖（Man）,糖链结构的复杂性： 核酸和蛋白质可以储存大量的生物信息，是以分 子量大为基础，而糖类作为信息分子则是以其结构多 样性为特征。,单糖和氨基酸（核苷酸）形成异构体数目的比较,单体种类和数目 肽（多核苷酸） 糖类异构体数目 类异构体数目,XX XY XXX XYZ,11 36 176 1056,1 2 1 6,三、自然界中糖类存在形式 游离糖：单糖（及其衍生物）、寡糖、聚（多）糖 结合糖（糖复合物或糖结合物）指糖类与蛋白质 （多肽）或脂类共价结合的复合物，如：糖蛋 白、蛋白聚糖、糖脂和脂
14、多糖 近年来，发现的一类新的糖复合物，即由糖类、脂 类和蛋白质三者组成，被称为糖基化磷脂酰肌醇蛋白 （glycosyl-phosphatidyl inositol protein）， 简称GPI蛋 白。这类结合蛋白通过GPI的脂肪酸插入膜脂双层的外层，被锚固在膜上。,NH CH2 CH2 O -O-P=O O 6 2Man12Man16 Man14GlcNH21O O -O-P=O O CH2 CH2 NH2,HO,OH,OH,OH,O -O-P=O O CH2-CH-CH2 R2 R1,O O-C-(CH2)14-CH3,R4,R3,NH2-蛋白质-C=O,+/-额外的 磷酸乙醇胺,+/-额外的 棕榈酰基,磷酸乙醇胺桥,GPI蛋白模式示意图,6,R1和 R2 :饱和脂酸（少 数不饱和） R3和 R4:糖基或糖链,P,P,GlcNAc,P,GlcNH2,GlcNAc-UDP UDP,Ac,P,GlcNH2 -(Man）3,Dol-P
